Antena de cuadro
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Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 ANTENAS DE RECEPCIÓN DE ONDA LARGA Y MEDIA Para la recepción en las bandas de ondas largas y medias se utilizan antenas abiertas y cerradas, como así sus combinaciones. Pertenecen a las antenas abiertas el dipolo vertical, las antenas tipo L y tipo T y la antena tipo conductor radial inclinado. Pertenecen a las cerradas, las antenas de cuadro y los goniómetros. La antena cardioide es un ejemplo de la combinación entre las antenas abiertas y cerradas. Banda Descripción de la banda broadcast Rango de frecuencia Servicio LF Onda larga 2000-1185m 150-285KHz AM MF Onda media 560-187m 535-1605KHz AM Antenas de cuadro En el más sencillo de los casos, la antena de cuadro es un arrollamiento plano de alambre de forma rectangular con un eje de simetría del cuadro OO´. Esta antena está colocada en el plano vertical y es cortada verticalmente por una onda polarizada cuya dirección de propagación forma, en el plano horizontal, un ángulo con el plano del cuadro. Debido a la polarización vertical de la onda, la fem solo se induce en los conductores verticales ab y cd del cuadro. Sobre el eje OO´ la 1/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 intensidad del campo eléctrico en el instante t es E=Emsint, en la que Em es la amplitud de la intensidad del campo eléctrico. En ese mismo instante, la fase del campo eléctrico en el conductor cd tiene un adelanto y en el conductor ab un retrazo, con respecto a la fase del campo eléctrico m cos , en la que 2 / es el coeficiente 2 en el eje, equivalente a la magnitud de fase y m la anchura del cuadro. Multiplicando la intensidad del campo eléctrico por la altura del cuadro obtenemos la fem inducida en los conductores del cuadro: cd Em h sin( wt m cos ) 2 ab Em h sin( wt m cos ) 2 Como los conductores ab y cd están unidos en serie, las fem inducidas ab y cd actúan contrariamente y la fem resultante del cuadro es: m m cos ) sin(wt cos ) 2 2 cos Utilizando la identidad trigonométrica: sin sin sin 2 2 a cd ab Em hsin(wt a 2 Em h sin( m m cos ) cos( wt ) 2 Em h sin( cos ) sin( wt ) 2 2 2 Si hay N espiras en el cuadro se tiene: a 2 N Em h sin( m cos ) sin( wt ) 2 2 En las bandas de onda larga y de onda media m es mucho menor a , por consiguiente el ángulo m m cos cos 2 es muy pequeño y m m sin cos cos 2 Teniendo también presente que hm=S(superficie del cuadro). Se puede escribir el valor instantáneo de la fem como: a 2NS Em cos sin( wt 2 (1) ) La amplitud de esta fem será: a 2NS Em cos (2) 2/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 En caso que realicemos combinando la radiación de cuatro dipolos, siendo dos horizontales y dos verticales tal como se muestra en la figura. En el plano horizontal los campos debidos a los dipolos ac y bd son iguales y opuestos y se anulan, a la vez que los campos E de los dipolos ab y cd se combinan para dar un campo resultante ER. El valor de E en el plano horizontal para un dipolo único se obtiene con =90º. Por lo tanto, j 60Io e j (t r / c ) r El campo resultante ER viene dado por la suma fasorial de los campos de los dos E dipolos, con una diferencia de caminos d cos. Si correspondiente, entonces 2 d cos es la diferencia de fase 180 Donde +180º es debido a que las corrientes en los dipolos 1 y 2 son iguales pero de signo opuesto. Por lo tanto, el campo resultante ER viene dado por d cos ER 2 E cos( / 2) 2 E cos 90 d cos E R 2 E sen d cos O ER 2 j E Dado que la cantidad entre paréntesis es pequeña. 3/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 d cos E 120Iodl e j (t r / c ) 2 r 120 2 IoA e j (t r / c ) cos 2 r Donde A es el área del cuadro y ER es independiente de , dado que el diagrama de E radiación polar vertical es un círculo. La potencia radiada por el cuadro se obtiene en el apéndice C y vale A P 160 I 0 2 2 2 4 Si Rr es la resistencia radiación del cuadro e Io la corriente de pico en el mismo, entonces. 1 2 2 A I 0 Rr 160 4 I 0 2 2 2 2 A Rr 320 2 ohmios 4 Cuádrica de dos secciones La cuádrica de dos secciones es una antena sencilla formada por dos cuadros espaciados a una distancia d de 0,15 longitudes de onda (figura de abajo). Si el cuadro parásito está hecho un 5% más corto que el radiador, se comporta como director, y si es más largo, como un reflector. Es esta última solución la que más se adopta por razones mecánicas, aunque nada se opondría, en las frecuencias elevadas (100 y más Hz), al empleo de una u otra. La relación adelante atrás de un Quad con cuadro reflector bien regulado es del orden de 25dB, lo cual es enormemente espectacular. En la práctica los dos cuadros son de las mismas dimenciones, y generalmente se alarga el cuadro parásito por una línea de hilos paralelos carrada, insertada en el centro de uno de los ramales horizontales. El cortocircuito de la misma es ajustable, lo cual permite un reglaje muy sencillo y extremadamente preciso. Cada lado de los cuadros tiene 1/4 de longitudes de onda. El cuadro excitado (radiador) se alimenta en el centro del lado inferior. La resistencia de radiación, cuando el elemento interior está ubicado a 0.5 longitudes de onda sobre el terreno, es aproximadamente El cuadro parásito reflector contiene, en su lado inferior, un adaptador sintonizable cuya barra cortocircuitante se ajusta en la posición que dé la maxima ganancia. La 4/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 ganancia de potencia de una cuádrica de dos elementos (o cúbica) es de unos 5,6dB sobre un dipolo de referencia. La antena se monta a una altura de por lo menos 1/2 longitudes de onda sobre el terreno. En la tabla siguiente se dan las dimenciones de antenas cuádricas cúbicas para 20, 15 y 10 metros. Antena cuádrica cúbica de dos elementos Frecuencia L1 S D 14,15 528,7 101,6 251,6 21,25 355,8 61 170,3 28,5 264,3 50,8 129,6 La longitud del adaptador S debe ajustarse para máxima ganancia delantera y óptima relación frente-atrás, y puede variar ligeramente respecto a los valores indicados. El espaciamiento “d” puede modificarse para obtener la adaptación correcta a la línea de transmisión. La estructura debe alimentarse son línea balanceada o algún dispositivo de balance. En la figura siguiente se muestra una antena cuádrica cúbica que difiere de la anterior en tener cado lado de sus elementos una longitud de media onda de la frecuencia de trabajo. El espaciado d entre los cuadros es de 0,15 longitudes de onda. El cuadro excitado se alimenta en el punto de alta impedancia. Si se desea alimentar esta antena con línea coaxil de 50 o 70, deberán emplearse un balún y máxima ganancia delantera mediante un adaptador con barra cortocircuitante, la ganancia de potencia, sobre un dipolo de referencia de media onda es 8,5dB. La relación frente-atrás es mejor que 20dB, dependiendo de que el sistema se 5/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 ajuste para máxima ganancia o para mejor discriminación. En la tabla siguiente se dan las dimenciones correspondientes a cuádricas cúbicas de dos elementos con lados de media longitud de onda, para las bandas de 20, 15 y 10 metros. Las dimensiones de L1 incluyen un aislador de 15cm. La longitud de L2 se ajusta para obtener la mejor relación frente-atrás y ganancia delantera. Los valores de ajuste pueden variar ligeramente respecto a las cifras aquí indicadas. El adaptador debe mantenerse rígidamente para evitar que se mueva con el viento. Antena Quad multibanda. Dada la estructura del bastidor de la antena Quad, viene inmediatamente la idea de emplearlo para sostener dos e incluso tres cuadros, uno para cada banda. Apenas aumentan el peso y la presa en el viento, y es, evidentemente, una solución elegante. La antena multibanda se presenta entonces como indica la figura. La puesta a punto es algo más complicada, pues los elementos reaccionan unos sobre otros de modo no despreciable. Hay que retocar poco a poco hasta el resultado final. Conviene observar también que la separación conveniente para una antena ya no lo es para la otra. Si partimos de una distancia de cuadro a cuadro conveniente para una antena para 20cm de 70, es evidente que la separación de un valor de la impedancia mucho más elevado para 15cm y aún superior para 10m Un aéreo Cubical Quad para la banda de 435MHz Esta antena ha sido experimentada y puesta a punto por un grupo de aficionados de París, adeptos de los ensayos en frecuencias elevadas. Es interesante por su ganancia sustancial(unos 10dB) y por su peso y ocupación de espacios reducidos. Se la realizará fácilmente sobre un “boom” de madera o de materia plástica con un hilo de 30mm o tubo del mismo diámetro o de diámetro muy próximo. La línea ajustable del reflector permite regular este elemento a la longitud deseada para la mejor 6/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 ganancia. Antena Quad 432MHz Conclusión - El cuadro posee propiedades direccionales en el plano horizontal. De acuerdo con la función de directividad: f()=cos, el diagrama polar de directividad de una antena de cuadro tiene la forma de 8. En la dirección perpendicular al plano del cuadro (=90º) no existe diferencia de trayectoria de las ondas con respecto a sus conductores verticales opuestos, y la fem inducida en los conductores de un lado se compensa plenamente con la fem que actúa en el sentido opuesto. Como resultado, no hay recepción (ma=0). A medida que las ondas se van desviando de la perpendicular al plano del cuadro, aumenta la diferencia entre las trayectorias de las ondas con respecto a sus lados verticales opuestos, consiguiéndose el máximo con. - Dividiendo ma por Em obtenemos la altura efectiva del cuadro. he 2NS Esta fórmula es válida no solo para los cuadros de forma rectangular, sino también para los de cualquier forma. - La antena de cuadro tiene las mismas propiedades elementales del dipolo elemental. En consecuencia, para la antena de cuadro son válidas las fórmulas: h Rrad 800 e - 2 D = 1.5 En el dipolo Hertz, la fase de la fem coincide con la intensidad del campo eléctrico, mientras en la antena de cuadro están desfasadas 90º. Esto es debido a la 7/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 intersección de la superficie S con el campo magnético de las ondas de radio. Entonces, en cuanto a sus propiedades direccionales, la antena de cuadro con el dipolo Hertz, son idénticas, pero entre ellos hay también diferencias que hacen que al dipolo Hertz se le llame dipolo eléctrico y a la antena de cuadro dipolo magnético. Ejemplo Diseñar una antena de cuadro circular para =500m con Rr=1x10-6 y luego calcular la altura efectiva, Rperdida y la inductancia. Solución Hacemos que N sea 20 y seleccionamos un conductor de cobre con diametro b=2cm La altura efectiva del cuadro es Rrad 1106 he 500 0.0176m 800 800 La superficie limitada por el contorno del cuadro es: he 2NS S he 0.0176 500 0.0703 m 2 2N 2 20 d2 S d 2 0.299m 0.3m 4 La resistencia de pérdidas óhmicas se obtendrá de S R perdida 1 d b Para el cobre =5.8x107 y la profundidad de penetración vale f 2 8.5 105 1 de lo que resulta la resistencia de pérdidas 3.03x10-3 por espira y la Rperdidas=60.6x10-3. La inductancia de la espira vale 8d L Nd ln 2 3.65H b La altura efectiva del cuadro es considerablemente menor que la geométrica. Por eso el cuadro tiene una resistencia de radiación y un rendimiento muy pequeño, y solo se utiliza en calidad de antena de recepción. Las propiedades direccionales del cuadro de recepción se utilizan para disminuir la influencia del ruído y para determinar la dirección de una estación de radio. En el 8/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 primer caso, el plano del cuadro se coloca perpendicularmente a la dirección del ruido; entonces este no influye a la radio recepción. En el segundo caso, haciendo girar el cuadro hasta obtener la máxima fem se establece la dirección de la estación de radio. Es así como funcionan las antenas de cuadro de los radiogoniómetros, instrumentos destinados a la determinación de la dirección de una estación de radio. Las antenas de cuadro deben ser simétricas, de modo que ambos conductores verticales tengan la misma capacidad respecto a tierra. Caso contrario, corrientes desiguales se dirigen de los conductores verticales del cuadro hacia el suelo, y a la entrada del receptor, la fem no es igual a cero, lo que da lugar a una errónea determinación de la ubicación de la estación de radio. Este fenómeno se elimina blindando los cuadros con un tubo metálico. Espira circular elemental Otro radiador básico es una espira de corriente. Consideraremos primero una espira circular de radio a (a<<) reccorida por una corriente uniforme I y situada en el plano xy como se indica en la figura. La corriente tiene orientación ' y el vector de radiación N vale 2 N I 'e 0 jk r r ad ' 7 Teniendo en cuenta que sobre la espira r ' a y ' / 2 se obtiene r r ' a sen cos( ' ) El vector unitario ' es función del ángulo por lo que para obtener las componentes N y N es conveniente representarlo directamente respecto al triedro esférico en el punto de campo 9/17 Antenas de cuadro y magnéticas N r aI sen 2 0 N aI cos 2 0 N aI 2 0 e e e Año 2005 jkasen cos( ') sen( ' )d ' jkasen cos( ') sen( ' )d ' jkasen cos( ') cos( ' )d ' con el resultado N=0, ya que el integrando es una función impar, y análogamente Nr=0, aunque éste último, independientemente de su valor, no da origen a campos de radiación. Las integrales anteriores son una representación de las funciones de Bessel utilizada habitualmente J n ( x) j n 2 2 0 e jx cos cosn d j n 2 jx cos e sen(n ) d 2 0 de las que se obtiene N= Nr=0 0 N j 2aIJ1 (ka sen ) que es válida para cualquier espira circular con una corriente uniforme. Para el caso particular a<< tenemos [k a sen] <<1 y podemos usar el valor asintótico de J1 ( x) x / 2 para x<<1 N jka 2 I sen a<< La intensidad de radiación resulta K 2 N 2 k 2 2 a 4 I 2 sen 2 2 4 4 t ( , ) sen2 cuya representación o diagrama de radiación es idéntica a la del dipolo elemental eléctrico, teniendo en este caso los campos polarización horizontal E=0 e jkr e jkr N k 2a 2 sen 4r 4r La potencia total radiada se obtiene de forma análoga a como se hizo con el dipolo, E j resultando ser Pr kd 4 6 (ka ) 4 I 2 y la resistencia de radiación Rr Pr 20 2 (ka ) 4 2 I 10/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 Al ser la forma del diagrama igual a la del dipolo elemental su directividad será la misma, D=1.5. La resistenica de radiación de la espira es del orden de (ka) 4 mientras que la del dipolo es de (kl)2 por lo que, a igualdad de dimensiones, es mucho menor la resistencia de radiación de la espira que la del dipolo. Como las pérdidas óhmicas serán del mismo orden de magnitud, la eficiencia de la espira será mucho menor. Valores de 105 son habituales. La eficiencia puede ser mejorada : a) incrementando el número de vuelta del bucle b) sintonizando el bucle c) aumentando el área del bucle Esta gran diferencia en resistencia de radiación es debida a que la espira es un contorno cerrado y para cada elemento de corriente existe otro en sentido opuesto, lo que produce un efecto cancelante. En la espira no existe acumulación de carga en ningún punto mientras que en el dipolo se acumula en los extremos. La antena de cuadro o de bucle es una antena que presumiblemente se destacara sobre otras cuando se presenten las siguientes condiciones: No se puede emplazar un dipolo de 1/2 a una altura minima adecuada (mas de 0,15 ). No haya espacio suficiente o puntos fijos donde afirmar los extremos de un dipolo 11/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 de 1/2 onda. No haya espacio suficiente para instalar el sistema de radiales de una vertical de cuarto de onda o ligeramente acortada mediante bobinas de carga o cargas "lineales". No puede aceptarse la baja irradiacion hacia los angulos elevados propia de una vertical y que favorecen los comunicados locales via refraccion en la ionosfera. Cuando la portabilidad y rapida instalacion es una caracteristica deseable. Cuando en las anteriores condiciones resulte necesaria una antena "de banda corrida" facilmente ajustable. (Note que no dice "banda ancha") Desventajas El principal inconveniente de la antena de bucle radica en su reducidísimo ancho de banda operativo por lo que requiere resintonía de su capacitor de ajuste cuando se cambia la frecuencia. Es una antena poco dispuesta a aceptar potencias importantes pues su altísimo Q hace necesario que el capacitor de sintonía sea de una aislación excepcionalmente alta. Antenas magnéticas Las antenas magnéticas son una variedad de las antenas de cuadro. El rasgo diferencial de las antenas magnéticas es la presencia de un núcleo de elevada permeabilidad magnética dentro del cuadro. En núcleos de calidad se utilizan sobre todo las barras de ferrita. Su permeabilidad magnética disminuye bajo la acción desmagnetizante de los polos, que se manifiesta con tanta mayor fuerza cuanto mayor es la sección transversal de la barra y menor su longitud. Por esta razón, los núcleos de antena se fabrican muy largos y de poco diámetro. Espira cargada con ferrita Una antena muy usada en receptores de radiodifusión es un solenoide cargado con un núcleo de ferrita, que actúa como material de alta permeabilidad. Analizaremos primero una espira cargada con ferrita. Al introducir un material magnético en el interior de una espira se produce un aumento de la intensidad de campo magnético y de flujo a través de esta y por la ley 12/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 de Faraday tenemos un correspondiente aumento de la fuerza electromotriz inducida en la espira, que es realmente la tensión que medimos en bornes de la carga que pongamos en la espira V E dl ' C' d B ds j0 e HA dt S ' donde A es el área de la espira, H la amplitud del campo magnético de la onda incidente y e la permeabilidad efectiva de la ferrita. Ésta última es un valor que depende de la permeabilidad intrínseca del material aislado, f y de su geometría e f 1 D( f 1) donde D es el factor de desmagnetización que depende de la forma del núcleo. La figura muestra el valor de D para un núcleo de ferrita cilíndrico en función de la relación entre la longitud y el diámetro del núcleo. Para un núcleo que fuese una aguja fina se tendría D=0, para un disco de poco espesor D=1. Para los solenoides son habituales valores de D del orden de las céntesimas. La relación entre la fuerza electromotriz inducida en la espira cargada con el núcleo y la espira sin cargar es V ferrita e Vaire Es posible obtener valores de e del orden de 102-103 con materiales comerciales. Si colocamos N espiras sobre el mismo núcleo la relación anterior se verá multiplicada por N. La directividad de la bobina de N vueltas será la misma que la de la espira sola, pues el hecho de poner N espiras, siendo la antena elemental, equivale a tener una sola espira por la que pasa una corriente N veces mayor, y por lo tanto el diagrama de radiación es el mismo. Por la misma razón el área efectiva es la misma. Al aumentar la tensión inducida, siendo la intensidad del campo eléctrico incidente la misma, la longitud efectiva aumentará en el mismo factor y la resitencia de radiación según el 13/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 cuadrado Rr ferrita N vuelta Rr espira N 2 e 2 Sin embargo, esta mejora en la resistencia de radiación se pierde en parte debido al aumento de las pérdidas en la antena por el aumento de la resistencia óhmica del hilo y las pérdidas en el núcleo de ferrita. Valores típicos a 1Mhz son 105 105 En los radio receptores con antena magnética, los devanados Lf se conecta al circuito como inductancia del circuito de entrada L 1, y C, el cual se ajusta en resonancia a la frecuencia de portadora de la estación que se recibe. La introducción de un núcleo en la antena de cuadro y la aparición de resonancia en el circuito de entrada dan una ganancia mest veces la amplitud de la fem de la señal. En la misma medida aumenta la altura efectiva he de la antena. Por ejemplo, con una longitud de barra 100 a 200mm, diámetro d=5 a 10mm, y permeabilidad, la magnitud he alcanza varios metros. Las antenas magnéticas tienen aún otras ventajas: se montan en el radio receptor de forma que la barra y el devanado pueden girar alrededor de un eje vertical, y como la antena de cuadro es direccional en el plano horizontal, se lo utiliza en la amplificación de la señal y rechazo de frecuencias, además de la selectividad en frecuencia. 14/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 Anexo High Performance MW Air-Core Loop Antenna The Kiwa MW Air-Core Loop Antenna provides the radio enthusiast with a unique antenna for improved AM broadcast band reception and DX'ing. The unique design of the construction and electronics includes the following high performance features: The antenna tunes from 530 to 1700 kHz using a main and fine tuning control. The control surface is separate from the antenna to facilitate adjustment. Electronically balanced circuitry minimizes pickup of electrical interference. The antenna may be rotated for maximum signal pickup. The antenna "tilt" control includes 3 to 1 gear reduction for precise nulling of local signals and interference. The antenna "tilt" control can be adjusted to 90 degrees from vertical. The amount of tilt can be read directly in degrees. the Local/DX pre-amp switch provides attenuation of strong signals in the "Local" position while increasing the bandwidth for improved fidelity. A variable output attenuator provides complete control of the signal input to the receiver. Dual output amplifiers provides signal drive for two receivers simultaneously. A liquid filled compass provides bearing measurements of signals. The antenna may be powered by a low-noise AC supply which is included, or by battery. 15/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 The unique 12 inch circular air-core design provides improved weak signal reception. Pocket loop The Kiwa Pocket Loop is a 12.5 inch air-core loop antenna that collapses to fit in your pocket! The antenna is designed to enhance the MW and SW reception of portable receivers. The tuning range is from 530 kHz to 23 MHz in four bands using a battery powered low noise amplifier. No direct connection to the receiver is required. Instead, a special coupler is simply slipped over the whip antenna for improved reception. For enhanced MW reception, the coupler is placed near the internal ferrite bar antenna. The Pocket Loop includes a broadband noise generator and a noise loop to facilitate tuning. It is not necessary to try and tune the loop with signals that are fluctuating in signal strength. Switching the noise generator ON activates the noise loop while injecting a broadband noise signal into the main loop. The main loop is then tuned for maximum noise output at the desired frequency. The Pocket Loop also has a direct output for receivers that have an external antenna input.This direct output is a high impedance output which will connect well with portable receivers. It will also connect well with table top receivers at the high impedance antenna input used for long wires. (The Pocket Loop is not capable of driving a 50 Ohm antenna input.) Several portable receivers were used in the design of the Pocket Loop. However, the primary design receiver was the Sony ICF 2010/2001D. This is an excellent portable known for its sensitivity and low level signal performance. For MW reception, the coupler is simply placed above the LCD display. A weak signal that only lights the first LED will increase to the 7-8th LED using the Pocket Loop. Similar performance can be gained for SW when using the coupler on the whip antenna. It is important to point out that the coupler will only accommodate whip antennas where the end cap is no wider than 3/8 inch or 9.5 mm in diameter. At the present time, we are aware of two receivers that present a problem. These are the Drake SW-8 and 16/17 Antenas de cuadro y magnéticas Año 2005 Grundig 700 receivers. Both of these receivers have end caps that are 1/2 inch or 12.5 mm in diameter making use of the coupler impossible. Kiwa has developed a special adaptor to accommodate these receivers. The antenna adaptor is slipped over the whip antenna and the coupler is slipped over the adaptor. Please see our list of accessories for pricing. Tuning Range Band 1: 530 kHz to 1800 kHz Band 2: 1.8 MHz to 7 MHz Band 3: 5 to 20 MHz Band 4: 18 to 23 MHz The Pocket Loop is powered by a 9 volt alkaline battery. Power consumption is extremely low, drawing only 12ma. As a comparison, the Radio Shack active tuned whip antenna draws 27ma. A 9 volt AC adaptor (120VAC) is also available for extended listening. BIBLIOGRAFIA Fundamentos de Antenas Antenas –Belotserkovsky –Angel Cardama Aznar –Editorial Marcombo –Alfaomega Grupo Editor 17/17