Antenas para radio y TV principios de funcionamiento y

ntenas para radio
TV
·ncipios de funcionamiento y
características técnicas
Existe una gran variedad de antenas utilizadas satisfactoriamente como transmisoras y
receptoras y aunque en cada banda de frecuencias existe una gran especialización de los
tipos empleados, todas ellas operan sobre principios físicos similares y se caracterizan con
un conjunto básico de parámetros. En primer lugar se presentan las características generales
de las antenas, siguiendo una descripción de las que pueden considerarse como básicas y ser
utilizadas aisladamente o como elementos constitutivos de estructuras más complejas, al
mismo tiempo se realiza una presentación de las antenas más importantes en las bandas de
radiodifusión y televisión, agrupadas según un criterio de semejanza en sus principios de
· funcionamiento. Finalmente se presentan estas antenas agrupadas en función del tipo de
aplicación y según la banda de frecuencias de interés.
A. Cardama, L. Jofre
ANTENNAS FOR RADIO ANO TV.
Principies of operation and characteristics
A wide variety of antennas work satisfactorily both in
transmitting and receiving modes. Although every frequency
band requires sorne specific types of an,tennas, al/ of them
are based upon similar physical principies of operation.
This paper presents the relevant characteristics of antennas, it then covers the basic types which can be used afane
oras a part of more complex structures. To conclude, the
author brings together the most important antennas for TV
and Broadcasting bands on the basis of similar operation
principies, applications and frequency band.
las mejores condiciones posibles de adaptación a fin. de
poder transferir a la antena la máxima potencia. Como quiere
que la unión se hace generalmente mediante una línea de
transmisión se comprueba la adaptación en ella midiendo la
relación de onda estacionaria, la cual ha de mantenerse por
debajo de un determinado valor especificado en la banda de
frecuencias de interés. En instalaciones de tipo profesional
es típico un valor de 1,1 mientras que en consumo es
habitual un valor de 1,5 o incluso 2.
Figura 1.
CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE
ANTENAS
Una antena es un elemento capaz de emitir o recibir ondas
radioeléctricas. La figura 1 muestra el esquema de bloques
habitual en la utilización de las antenas, se ha representado
un sistema direccional, si el enlace fuera bidireccional la
reciprocidad de antenas permite el uso de una antena única
para transmitir y recibir. Inicialmente vamos a considerar
sólo antenas en transmisión. Al conectar a ellas un
generador se inducen campos electromagnéticos capaces de
alcanzar grandes distancias con intensidad suficiente para
ser captados. Una antena comienza a ser un buen radiador
cuando sus dimensiones son comparables a la longitud de
onda A. de la señal que se desea radiar (e= A.f, con e= 30·1 0 8
m/s y la frecuencia f en herzios).
La conexión de la antena al transmisor ha de realizarse en
9
ITliÜJ
!lbJin'niJIJ /1980-n.o 99
Esquema de bloques de utilización de una antena
En una antena existen terminales de acceso definidos
donde pueden medirse relaciones tensión -corriente; en
consecuencia, una impedancia de entrada es en general
función de la frecuencia; si no presenta reactancia se dice
que la antena es resonante, situación que facilita la conexión
y adaptación. Las antenas han de conectarse en general a
cables coaxiales o líneas de transmisión de impedancia
característica fijada, por lo que es frecuente encontrar a pie
de antena unidades de sintonía y transformadores de
impedancia. Dado que la antena radia energía hay una
«pérdida» neta de la potencia a ella entregada, debido a su
radiación, que puede asignarse a una resistencia de
radiación R,, que es el valor de una resistencia en la que al
circular la misma corriente que en la antena se disiparía la
misma potencia que la radiada. Si la antena no produce
pérdidas óhmicas en ella apreciables y la resistencia de
radiación se refiere al valor de la corriente de entrada (no
siempre el caso, ya que también puede referirse a la corriente
89
de cresta), será igual a la resistencia de entrada. En una
pos1c1on fija en un enlace punto a punto, o pueda
antena adaptada la relación entre la potencia radiada y la
orientada, no va a tener las mismas exigencias anteriores ya·
entregada a ella por el generador, que será la suma de la
que en general le llegará una señal débil y se deseará tener
radiada y la disipada en la antena, se conoce como su
un diagrama de recepción, que sea igual al de radiación, con
eficiencia, deseándose en general que sea lo más próxima a un haz estrecho en ambos planos y probablemente, con una
la unidad, lo cual implica pérdidas reducidas.
relación delante-atrás alta.
La antena en general asigna carácter direccional a la
El factor de mérito o parámetro que mejor caracteriza una ·
potencia que radia, concentrándola en determinadas direcantena es su ganancia G, que es una medida de su capacidad
ciones del espacio. Una representación de su direccionali- - como radiador para concentrár energía en determinadas
dad es su diagrama de radiación, que se construye como
direcciones a costa de reducirla en otras; cuanto mayor sea
origen la posición de la antena y trazando a partir de él un
esta concentración más «directiva» o de mayor ganancia será
vector en cada dirección del espacio, cuyo módulo es
la antena. La forma más simple de definir la ganancia es
proporcional a una magnitud eléctrica medida en esa
comparando a una distancia fija la densidad de potencia .
dirección a una distancia constante; las magnitudes que se
radiada en la dirección de máxima radiación con el valor
representan son el campo eléctrico E (v/m) o la densidad de
medio radiado en todas las direcciones del espacio,
potencia o flujo P (w/m 2 ), (P=E2 /377), que atraviesa una
pudiendo darse en términos absolutos o en decibelios. Una
unidad de superficie normal a ese radio vector. La escala se
antena que radie por igual en todas las direcciones se
representa en valores absolutos, normalizada respecto al
conoce como isotrópica y posee ganancia 1, ó O dB. Una
valor máximo o en decibelios (20 log E!Emax = 1 O log P/Pmax'
definición equivalente de la ganancia es la relación entre la
dB). No suele realizarse una representación tridimensional,
densidad de potencia o campo eléctrico que produce la
siendo habitual dar dos planos representativos; para antenas
antena y la que produciría una antena isotrópica que radiase
sobre tierra éstos son: el horizontal, con una variable angular
la misma potencia. Ambas definiciones son físicamente
acimutal 0<<1><360>, y el vertical eri función del ángulo de
diferentes ya que la última implica comparación con otra
elevación. La figura 2 muestra el diagrama normalizado de
antena; como quiera que la antena isotrópica es irrealizable
una antena Yagi. En dicha figura el punto de O dB
en la práctica se puede definir la ganancia respecto a otra
corresponde a la dirección de máxima radiación y puede
antena patrón arbitraria que sería el cociente de las
observarse la existencia de un haz o lóbulo principal definido
ganancias respecto a la isotrópica de la antena y de la
por esa dirección y la excursión angular sobre él entre
patrón. Es frecuente utilizar como referencia el dipolo de
puntos especificados (potencia mitad o -3 d B habitualmedia onda que posee una ganancia de 1 ,64 ó 2,1 d B; así por
ejemplo, una antena de 1 O dB tendrá una ganancia de
10-2,1 =7,9 dB respecto al dipolo de media onda. Esta
antena de 1 O dB produce en la dirección de máxima
radiación una densidad de potencia 1 O veces mayor y un
campo eléctrico 100 veces mayor que el valor medio que
produce en todas las direcciones del espacio, o bien 6,2 y 38
veces más que un dipolo al que se hubiera suministrado la
misma potencia que a la antena.
A grandes distancias de la antena la densidad de potencia
en la onda radiada disminuye con el inverso del cuadrado de
la distancia; es decir, la potencia disponible en una antena
receptora disminuye en 6 dB al duplicar la distancia. La onda
es de tipo transversal con su campo eléctrico vibrando en el
plano perpendicular a la dirección de propagación, pudiendo
tener diversas orientaciones sobre él. La polarización es un
término que describe esta orientación; si un observador se
situase en un punto alejado de una antena y pudiera
visualizar el vector de campo eléctrico, vería a este vector
trazar una elipse, diciéndose entonces que la onda está
180°
elípticamente polarizada, una circunferencia (circularmente
polarizada) o una recta (linealmente polarizada) que según
esté
situada horizontal o verticalmente, se dirá que es
Figura 2. Diagrama de radiación de una antena Yagi
polarización horizontal o vertical. En general la onda
incidente y la antena receptora han de poseer polarizaciones
mente) que define el ancho de haz de la antena; asimismo se concordantes, así por ejemplo una antena tipo dipolo
observa un conjunto de haces o lóbulos secundarios de. situada horizontalmente recibirá las ondas de polarización
menor intensidad. La diferencia o nivel de lóbulo principal a horizontal que le lleguen perpendicularmente a su eje, pero
secundario NLPS y la relación delante-atrás D!A entre el haz no responderá a las de polarización vertical.
principal y el lóbulo posterior, son parámetros en general a
El campo eléctrico producido por una antena de ganancia
tener en cuenta en el uso de antenas. A título ilustrativo se G, que radie una potencia W, a una distanciaR se obtiene de
desearía que un mástil radiante de radiodifusión fuese
la definición de flujo y del principio de conservación de la
resonante, con reducidas pérdidas óhmicas y capaz de energía mediante las relaciones
soportar elevadas corrientes y tensiones sin producir
E2
W
descargas entre conductores o efecto corona y que además
P
=
-=-- G
posea un diagrama omnidireccional en el plano horizontal
377 4nR 2
(que sería el círculo de O dB) y un haz estrecho en el plano
donde se pone de manifiesto la ganancia G de la antena
vertical. Una antena receptora que reciba señales de una
90
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3. Una
'sobre el valor medio de densidad de potencia que produciría
una antena isotrópica, W/4nR 2 , resultando para el campo
radiado
E=173 JGW (Kwatt) mV/m
R (km)
En una antena receptora, la onda presente en el espacio en
posición que ocupa, induce sobre sus conductores
corrientes y tensiones que aparecerán sobre una impedancia
de carga (línea de transmisión o etapa de entrada del
receptor), pudiendo considerar a la antena receptora como
un generador ideal de tensión V con una impedancia interna
resulta igual a la de entrada definida en transmisión. La
tensión inducida V está relacionada con el campo eléctrico
E; de la onda incidente mediante la relación
fe¡ un parámetro conocido como la longitud efectiva
la antena. Así una onda de 1 mV/m que incida sobre una
de longitud efectiva 1 m inducirá en ella una tensión
1 mV. Podría definirse también un área efectiva A de
ptación de la antena, que relaciona la potencia entregada
·.una carga adaptada con la densidad de potencia incidente
la onda, siendo proporcional al cuadrado de la longitud
y a la ganancia de la antena, lo que permite una
definición de la ganancia de una antena respecto a
como la relación entre las potencias que entregarían a
cargas adaptadas al incidir sobre ambas la misma onda.
relación exacta entre estos parámetros es
Figura 3. Configuraciones de dipolos y monopolos. a) dipolo de media
onda; b) monopolo en A./4; e) monopolos con plano de tierra
la dimensión A aparecen lóbulos secundarios y el haz tiende
a elevarse sobre el horizonte [1]-[6]; producen polarización
lineal con la misma orientación que su eje y los tipos
representativos de dipolos se encuentran al inicio de la tabla
1.
A2
30n
A=- G=- 121
4n
R,
e
En los monopolos con una tierra ideal (figura 3b) se crea
como ejemplo tendríamos que una antena de 1 O decibelios
ganancia respecto a otra entregaría 1O veces más
e induciría una tensión en bornes 1 00 veces mayor
ambas recibiesen la misma onda.
. En general, las antenas son sensibles a la longitud de onda
presentan un ancho de banda determinado, que puede
irse respecto a ciertos límites de degradación de
metros, por ejemplo ganancia, diagrama de radiación,
siendo este último el más habitual.
----!CJJ---At/2----1t:J~-­
vector
Existe una gran diversidad de configuraciones de antenas,
muestra representativa de las cuales se indica en la tabla
un conjunto de parámetros que pueden considerarse
ofotit•iorotoc para su caracterización. Las antenas de interés
a agruparlas en diversos tipos que presentan
"~r·torrchcas comunes u obedecen a principios físicos de
onamiento similares.
el
b)
d)
el
MASTIL
f-"-'"12-l
Ir
l
1023:>.1--
0.~~~~
0.711
Responden al esquema de la figura 3 y son en general
ouu'"'u'"'" cilíndricos alimentados en su centro o entre su
y tierra, denominándose entonces monopolos. Sus
de radiación poseen simetría de revolución
al eje y cuando su longitud es menor de A tienen la
de un toroide, al aumentar la longitud muestra la
típica de un ocho que se va aplanando y si se excede
LAMINA
SOLIDA
fl
0.6511
TUBOS
-
l
g)
Figura 4. a) Dipolo multibanda cargado (A. 1 =21. 2 ). b) monopolo cargado en
su base y distribución de corriente; e) idem en su punto medio; d) monopolo
cargado en L; e) mono polo con carga tipo sombrilla; f) monopolo colineal en
5 A./8; g) antena turnstile
91
-JI
una imagen igual al monopolo y se comporta como un
dipolo teniendo igual diagrama de radiación, directividad y
campo radiado, pero su longitud efectiva, impedancia de
entrada, resistencia de radiación y tensión inducida son de
valor mitad. Las propiedades de un monopolo en 5A/8
pueden obtenerse de las del dipolo en 5A/4 representado en
la tabla. Los monopolos se alimentan eficientemente
conectándolos directamente al conductor interior de un
cable coaxial, poniendo la malla a tierra; en los casos en que
hay que elevar la antena verticalmente sobre el suelo, se
puede crear un plano de tierra ficticio con varias varillas
perpendiculres al monopolo o inclinadas hacia tierra (figura
3c); la impedancia de entrada de la antena resulta ligeramente inferior a la del dipolo completo, obteniéndose con
facilidad un valor de 50 ohmios.
El an'cho de banda de un dipolo es reducido, salvo que se
diseñen estructuras especiales, en general muy gruesas e
imposibles de obtener en este margen de frecuencias, por lo
que no se pueden cubrir aplicaciones multibanda. Una
manera de resolver este problema es introduciendo sobre el
dipolo «conmutadores» que lo acorten convenientemente y
una forma muy utilizada es la indicada en la figura 4a en la
que se ha introducido en el dipolo una trampa LC.
Supongamos por ejemplo que se desea operar en dos
bandas que están en la relación 2:1 (,1. 1 =2A 2 ). A la
frecuencia menor f 1 , la red LC presenta un cortocircuito y el
dipolo eléctricamente aparece en su forma completa; a la
frecuencia mayor f 2 , la red aisla las porciones extremas no
FORMA Y CORRIENTE DIRECTIVIDAD
D, G
existiendo prácticamente corriente sobre ellas y el
comporta eléctricamente como si sólo existiera
central.
Este proceso de carga de las antenas con
reactivos discretos se realiza también con otras
como se indica en la figura 4b-f. La reactancia de
un dipolo en función de su longitud Les de tipo
L:::; 0,5A, inductivo si 0,5A:::; L:::; A, capacitivo si A~ L ~ ·•
así sucesivmente, por lo que en general es
introducir en la base elementos concentrados para
sarla (figura 4b). En el monopolo en A/4 o dipolo en
onda puede lograrse también la compensación
ligeramente la antena (del orden del 5 %), [7].
cargas de la figura 4c-e tienen por finalidad
distribución de corriente, haciéndola más «U
aumentando la longitud efectiva, es decir, produc·
«alargamiento eléctrico» de la antena. La figura 4f
una antena colineal en 5A/8; en este caso la bobina
las funciones de un alimentador independiente de la
superior de la antena, que se comporta como una ag
ción (array) de dos monopolos colineales.
La figura 4g muestra una antena tipo dipolo total
distinta a las formas cilíndricas habituales, existen
configuraciones de dipolos planos pero la indicada
dipolo horizontal una ranura; asimismo se ha •"""""""+!
una antena similar realizada con conductores cil
configuración formada por dos placas perpendiculares
si, con el mismo eje y alimentadas en cuadratura
LONGITUD
EFECTIVA
RESISTENCIA
RADIACION
let
R rad
CAMPO
RADIADO
E: mr/m
R: km
DIAGRAMA DE RADIACION
(cortes representativos)
W: K vatios
ANTENA ISOTROPICA
DIPOLO ELEMENTAL
212'/W
R
L
DIPOLO EN MEDIA ONDA
1,64
73
2,4
200
222fvi
R
,__
DIPOLO EN ONDA COMPLETA
DIPOLO EN
5
/:
---S"'/4~~
---""' 7 - -
3,1
2,41
1,64
n
i.
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DIPOLO DOBLADO
ANTENA DE CUADRO
(Quadl
ESPIRA ELEMENTAL
SOLENOIDE CON
NIJCLEO DE FERRITA
Tabla 1 .
92
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2.>--
220
290
120
2,3
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Configuraciones básicas de antenas
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99
digrama horizontal prácticamente omnidireccional y con
polarización horizontal, siendo conocida como antena
cruzada (turnstile) y es un radiador muy frecuente en
sistero1as de TV [6].
Antenas de cuadro
Los tipos básicos se han indicado en la tabla 1 y se
caracterizan porque la antena presenta un contorno cerrado.
La más simple es la espira elemental (de área geométrica
<A 2 } que radia como un dipolo elemental con independencia de su forma pero con polarización contenida en el plano
de la espira (aunque lo hace tan ineficientemente que sólo se
usa como antena receptora). La tensión inducida por una
onda incidente sobre una espira será máxima si su campo
magnético está alineado con el eje de la espira y en general
será pequeña, pudiendo aumentarse su valor apreciablemente si se construye un solenoide de N vueltas y núcleo de
ferrita de alta permeabilidad 11¡ resultando una tensión N 11¡
veces mayor y aunque el núcleo introduce pérdidas adicionales es suficiente para ser utilizada como antena receptora
de radiodifusión en ondas medias y largas.
El dipolo doblado de media onda tiene la apariencia de
una espira, pero realmente se comporta como dos dipolos d!'l
media onda muy próximos, no existiendo prácticamente
corriente sobre los lados menores. Su diagrama de radiación
es idéntico al de un dipolo simple de media onda, pero su
longitud efectiva es el doble y la impedancia de entrada
cuatro veces mayor (tensión inducida el doble, corriente la
mitad), resultando del orden de unos 300 ohmios, lo cual es
valor muy adecuado para su conexión a líneas de transmisión bifiliar; esto unido a que su ancho de banda es mayor
que el de un dipolo simple, la ha convertido en la antena
básica de recepción de TV. Las propiedades del dipolo
doblado pueden resumirse en que sem las de un dipolo
simple al que se ha incorporado un transformador de
impedancia 4 a 1.
La antena de cuadro (Quad) posee un perímetro de
longitud A, igual al dipolo doblado, cada lado mide 0,25 A y
puede considerarse que procede de un dipolo que se ha
abierto. Alimentándola en el centro de su lado inferior radia
como lo harían dos dipolos simples horizontales separados
A/4 y alimentados en fase. En el punto medio de los lados
verticales aparece un nulo de corriente, siendo éstas
prácticamente iguales y en oposición de fase en cada
semibrazo vertical. Radia con polarización horizontal y
máximo en la dirección del eje del cuadro con la forma de
- ocho típica de los dipolos; en el plano del cuadro existe una
componente residual de polarización vertical. Se podría
obtener polarización vertical alimentándola en el punto medio de un lado vertical. Típicamente presenta una
impedancia de entrada de 120 ohmios y una ganancia de 1 ,5
dB sobre el dipolo simple de media bnda.
La figura 5 muestra otras dos configuraciones de cuadro
no indicadas en la tabla 1, una en forma de diamante, similar
en sus características de radiación a la anterior [ 4] y otra en
forma de rombo conocida como rómbica [2], en ella se ha
introducido una impedancia de carga a fin de producir
corrientes progresivas. En todas las antenas comentadas
hasta ahora, las distribuciones de corriente eran estacionarias. Para la antena rómbica son valores habituales 35 a 60'
·p"ara el ángulo agudo y longitudes de hasta 5 A, con anchos
de haz de 1 O a 12°, impedancia de entrada de unos 600
ohmios y resistencia de carga necesaria del mismo orden.
Esta antena puede considerarse como la combinación de
dos antenas en V como la representada en la figura 5; la
rwrliJ iJbmÍlliliJ /1980-n.o 99
Figura 5 a) antenas diamante; b) rómbica; e) en V (estacionaria); d) en V
(progresiva)
antena en V posee un haz bidireccional si las corrientes son
estacionarias y unidireccional si son progresivas. A su vez
esta última antena puede considerarse derivada de un hilo
conductor largo en el que existe una onda de corriente
progresiva y que se asemeja a una línea de transmisión
cargada con su impedancia característica.
Antenas con elementos parásitos
Si paralelamente a un dipolo alimentado en su centro, se
sitúa otro con sus bornes cortocircuitados, se inducirán en él
corrientes que producirán radiación; es decir, este dipolo se
comporta como un parásito que capta energía del activo y la
VIJelve a radiar, alterando apreciablemente el diagrama de
radiación y produciendo en general una mejora de ganancia.
Si a una distancia de 0,05 A a O, 15 A de un dipolo
resonante de media onda· se sitúa un parásito de longitud
total comprendido entre 0,51 y 0,55 A, cuya reactancia es
inductiva, se produce un reforzamiento de la radiación en la
dirección opuesta y el dipolo parásito actúa como reflector;
si su longitud está comprendida entre 0,38 y 0,48 A. tendrá
0cH
D
Reflector .
~¿grJ3o
e~
D
al
......
~ ,;,
R
bl
Dr
director
reflector
adoptador
en corto
activo
e)
adaptador
en circuito abierto
Figura 6. Antenas con elementos parásitos. a) director y reflector; b) yagi, e)
cubic quad
93
reactancia capacitiva y si lo situamos en el mismo margen de
separación que el anterior, se compota como director. La
figura 6a muestra ambas situaciones.
La antena yagi representada en la figura 6b utiliza este
principio y consta de un dipolo simple o doblado con un
reflector y uno o varios directores. Se obtienen fácilmente
ganancias de 1 O dB con pocos elementos (4 a 6) y
relaciones delante-atrás altas (unos 20 dB), pudiendo
estimarse que la adición al dipolo de un reflector significa
una mejora comprendida entre 3 y 5 dB, la de un director de
2 a 3 dB y los directores adicionales 1 dB cada uno o menos,
a pesar de la dificultad que entraña obtener ganancias
superiores a 15 dB. En general, las antenas yagi son
estructuras de banda estrecha, aunque existen diseños con
un elevado número de elementos que no producen mejora
de ganancia pero sí de ancho de banda. En la figura 2 se
muestra un diagrama de radiación típico de una antena yagi.
Los elementos parásitos no solamente pueden añadirse a
un dipolo simple, puede hacerse también con dipolos
cargados, con lo cual se obtienen yagis multibanda; incluso
con la antena de cuadro, resultando la conocida como
Cubic-Ouad (figura 6c) con tres elementos. En ella, los
parásitos guardan las mismas proporciones que en una yagi,
aunque para ilustrar un proceso diferente de obtenerlos se
han representado tres cuadros iguales, uno es el activo, otro
posee un adaptador (stub) en circuito abierto que le da
carácter capacitivo y se comporta como director y el
adaptador en cortocircuito del tercero le da carácter
inductivo y es un reflector. Esta antena puede tener
ganancias comprendidas entre 1 O y 12 dB.
simétricamente varias antenas y alimentarlas individua
te, a partir de una línea de transmisión común, o
una agrupación (array). El caso más simple de
sería un conjunto de N dipolos en media onda,
media longitud de onda y alimentados todos ellos
corrientes de igual amplitud y fase que se conoce
agrupación uniforme y es la base de las antenas tipo
La figura 7 muestra una agrupación de ocho dipolos y
diagrama de radiación en el plano vertical; en el hnlri7n,ntol
diagrama sería el de un dipolo. Dos dipolos
1
producen una ganancia de 3 dB sobre un dipolo solo y si
número de elementos es grande, la ganancia
proporcionalmente a su número. G-:::. N (1 O el eme
producen una mejora de 1 O dB sobre uno solo, 1
producen 20 dB).
Reflectores planos y diédricos
En combinación con las antenas anteriores pueden
utilizarse reflectores planos sólidos o simulados con varillas
conductoras próximas. El caso más simple es un dipolo
paralelo y a una distancia de 0,25 A de un plano conductor,
Agrupaciones de antenas
Otra forma de aumentar la ganancia consiste en colocar
1''
Figura 8.
go•
-go•
Figura 7. Agrupación o cortina de 8 elementos en media onda separados Jo/2
(escalas vertical y horizontal distintas) y diagrama de radiación
94
Dipolo y reflector diédrico en 900
la energía radiada por el dipolo en la direcció'n del plano es
reflejada por éste y refuerza la radiada en la dirección
opuesta, produciéndose una ganancia de unos 6 dB.
También se construyen reflectores diédricos (figura 8), para
un dipolo en media onda a una distancia entre 0,3 y 0,7 Ade
la arista de un diedro de 9():> se producen ganancias de unos
1 O dB y de 13 dB para 6<P.
En general, con dipolos horizontales y cortinas de ellos
suele situarse un reflector plano a 0,25 A. En antenas tipo
yagi se utilizan también reflectores diédricos, en general de
reducidas dimensiones que no llegan evidentemente a
producir la mejora de ganancia indicada, pero si aumentan
apreciablemente la relación delante - atrás.
Simetrizadores y transformadores
Prácticamente todos los tipos de antenas que hemos
reseñado son equilibradas; es decir, sus tensiones y
corrientes son simétricas respecto a tierra (o su punto
central) y su conexión a una línea de transmisión simétrica
no plantea mayores problemas que la ·adaptación de
impedancia. La conexión a una línea asimétrica o no
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uilibrada como es un coaxial requiere consideraciones
les; así por ejemplo, si se conecta la malla directaa un brazo del dipolo, al haber un circuito a tierra por
exterior del coaxial (hay una segunda línea de transmisión
da por la cara externa. de la malla y tierra) puede
circular por él corriente que se substraerá de la del brazo del
· dipolo, como se indica en la figura 9a y se distorsionará el
los adaptadores en delta, gamma, omega [4] utilizados en la
conexión de cables coaxiales a antenas equilibradas de alta
o baja impedancia, mástiles o torres radiantes.
Efecto de la tierra y propagacón
Generalmente las antenas están situadas cerca de la tierra
y ésta deja sentir su efecto si la altura es inferior a una
longitud de onda. Una tierra que fuera conductora perfecta
crearía imágenes de las antenas situadas sobre ella, de igual
sentido en las verticales y opuesto en las horizontales. En un
monopolo vertical, la imagen refuerza la radiación del
monopolo creando una configuración similar al dipolo
completo. Para un dipolo horizontal se produce siempre un
nulo de radiación en la dirección rasante y el diagrama será
el del dipolo (tabla 1) multiplicado por
sen ( 2n
e den
rillas
polo
ctor,
i a)
sen
con h la altura sobre tierra y a el ángulo de elevación. La
figura 1Oa muestra el efecto para varias alturas en el margen
O<h/).<0,5, observándose que si el dipolo está prácticamente sobre tierra no se produce radiación y al elevarse
aparece un diagrama cada vez más lobulado en la dirección
de la rasante.
En general, la tierra no se comporta como un conductor
perfecto y produce efectos adicionales. Para un monopolo
vertical, la conductividad finita de la tierra disminuye
sustancialmente el campo en la dirección rasante [3], la
figura 1Ob representa los diagramas de elevación de monopolos en )./4 y 5 A/8, el haz casi rasante de este último
junto con su mayor ganancia justifican su amplia utilización
en comunicaciones móviles. Si el dipolo estuviera situado
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l
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Figura 9. Simetrizadores y transformadores. a) conexión de un dipolo a línea
equilibrada y coaxial, efecto sobre las corrientes en el dipolo; b) simetrizador
en Jc/4; e) simetrizador sobre núcleo de ferrita (escala exagerada); d)
simetrizadores - transformadores con relación 4 a 1
10
diagrama de radiación; en este caso es necesario introducir
un simetrizador o «balun», algunas de cuyas formas se
indican en la figura 9b,c. En ambas se crea una alta
impedancia en el camino de bajada a tierra, en un caso con
una línea adicional en A-/4 cortocircuitada en su extremo y en
los otros creando un choque de radiofrecuencia, al bobinar
el coaxial en torno a un núcleo de ferrita para el circuito
externo, que no afectará a la región interna del coaxial; este
simetrizador es en general de banda ancha mientras que el
primero lo es de banda estrecha.
Al problema de la simetrización se une habitualmente el de
la adaptación de impedancias de la antena y cable coaxial
(50 ó 75 Q), la adaptación se puede hacer con transformadores, redes en L, T o n o mediante líneas de transmisión a
frecuencias altas. Cuando es posible, se incorpora el
transformador al simetrizador; así por ejemplo, los tipos de la
figura 9d transforman impedancia en la proporción 4 a 1 y
son generalmente utilizados en la conexión de dipolos
doblados (300 Q) a coaxiales de 75 Q en VHF y UHF.
Existe una gran variedad de simetrizadores -transformadores con muy diversas características y diseños [2] y
también diversas formas de transformadores lineales, como
99
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(radiación nula)
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h-1>.
2
al
b)
Figura 1 O. Efecto de la tierra. a) dipolo horizontal sobre tierra plana
conductor perfecto; b) monopolos verticales sobre tierra real
horizontalmente no se modificaría apreciablemente su
diagrama respecto al caso de tierra perfecta. Como la
corriente se cierra por tierra, se produce un aumento de las
pérdidas óhmicas, alterándose la impedancia de entrada y
disminuyendo la eficiencia de la antena.
Por las razones anteriores conviene elevar las antenas
horizontales sobre tierra y analizar los efectos que ésta
produce en función de la altura. El uso de antenas
horizontales o verticales, o lo que es equivalente, polarización horizontal o vertical, depende del sistema de comunica95
-'------------------------------------------------------
Banda
Tipo de antena
ciones.
realiza
di recte
facilid
la lon1
polari
ruido
cal--
Características
z
OL
- Mastiles ó hilos
- Omnidireccional
radiantes
(1)
- Baja eficiencia
OM
~> r-----------+------------------------r--------------------------<1: ~
- Agrupaciones de mástiles
- Direccionales con ángulo de
~
OC
o dipolos
elevación sobre el horizonte
~ '
Rombicas
(2)
- Polarización horizontal o vertical
o
~1!!
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los v
longi
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polar
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la g1
nod
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~z
wQ ~---------+---------------------1------------------------FM
~~
<{::::>
zu.
UJo
~Q
<~:e
VHF
TV{
UHF
-
<1:
0:
OL
OM
z
zO
-
Mástiles radiantes
cilindros ranurados
(16)
-
Omnidireccional en el plano
horizontal
Cruzada (turnstile)
Cortina de dipolos
horizontales
(3)
-
Direccional en el plano vertical
Polarización horizontal
-
Direccional
Muy baja eficiencia
Compacta y de poco peso
Espiras con núcleo de
ferrita
(4)
(5)
r---------~~---------------------+-------------------------
oc
w¡¡;
~~
-
Monopolo - fijo o teles- (6)
cópico
-
Prácticamente omnidireccional
0: ~ r-----------~------------------------~----------------------------
~~
O..
-
Dipolo doblado con
y sin reflector
Yagi
-
Dipolo doblado curvado (9)
-
Dipolo doblado con
o
UJZ
~o
o:¡¡;
~
i2
~o
i-O
~ o<(
FM
(7)
(8)
-
Direccional
Aplicaciones de antenas colectivas
-
Prácticamente omnidireccional
1-------------r----M
__o_n_o_po_l_o_f_ij_o_o__te_l_es_c_ó_P_ic_o~l-----------------------------­
VH F Banda 1
-
Direccioal
puc
o: r-----------~---o--si_n_r_e_fl_ec_t_o_r_________<7_)__1-____G_a_n_a_n_c_ia_t_íp_i_c_a_3_d_B___________
VHF: Banda 111 UHF
-
Direccional
Ganancia típica 5-15 d B
M astiles con y sin carga (1)
-
Poco directivo
la~
Dipolos horizontales o
hilos radiantes
-
Difícil de obtener haz rasante
ta1
-
Puede reducirse su diámetro
(8)
Yagi
ce
re~
~
o
Cl
<1:
z
o
160m
80m
40 m
u
-
-
u.
Cuadro (40 m)
pro
(9)
(10)
bll
ql
m
<1:
Q
Cl
<1:
0:
UJ
Cl
~
zUJ
5Jc
20m
15m
10m
Monopolos Jc/4, -
(11 )
Colineales (bandas
cortas)
(12)
Dipolos horizontales
Cuadro
Yagi
(13)
'(1 O)
(8)
a~
8
-
re
di
ni
6m
2m
1-
-
z
<1:
-
a¡
Banda única o multibanda
p
e,
d
e
¡.
',1
1'.
1
o
~
LIJ
·)
z
o
(3 ~
27 MHz
A/4
(14)
G "'O d B
-
Monopolo 5 }J8
(14)
G"'3.4 dB
-
Colineal 5 i./8
(12)
G "'6 dB
-
Con plano de tierra
(Ground plane)
(15)
Monopolo
u
-~
Z<{
:::>z
-
::a: e
8iB
144MHz
UJU.
Cl~
~o..
z
UJ
1-
z
440 MHz
-
Agrupaciones de dipolos
-
S
Estaciones fijas o
móviles
Onnidireccional plano horizontal
Direccional plano
vertical
l
Estaciones fijas
Omnidireccional plano horizontal
Direccional plano vertical
<1:
Tabla 2.
96
S
Características de las antenas utilizadas en Radio y Televisión
IRJIÜJ lllooirÍJf1i[][J /1980-n.o 99
cienes. A frecuencias de VH F y superiores, la propagación se
realiza prácticamente siempre. por línea visual o enlace
directo, pudiendo utilizarse ambas polarizaciones dada la
facilidad de elevar las antenas sobre tierra hasta varias veces
la longitud de onda. En TV (UHF, VHF) y FM es habitual la
polarización horizontal -elección debida a la tendencia del
ruido electromagnético urbano a ser de polarización vertical- mientras que las comunicaciones móviles se realizan
con polarización vertical para poder situar las antenas sobre
los vehículos. En radiodifusión de onda media y larga la
longitud de onda es tan grande que no permite elevar las
antenas, utilizando sólo monopolos en forma de mástiles; la
polarización es vertical y la propagación se realiza básicamente mediante onda de superficie (aunque propagación en
la guía de onda tierra-ionosfera y reflexión ionosférica de
noche también estén presentes). En comunicaciones en H F,
la situación es apreciablemente distinta ya que la propagación se realiza mediante reflexión en las distintas capas
ionosféricas. Resultando que ángulos casi rasantes para el
haz radiado, permitan mayores alcances, lo que unido al
hecho de que las frecuencias más altas de la banda se
reflejan en capas más elevadas, hace que se logren los
mayores alcances en la parte alta de la banda con ángulos de
salida del haz bajos empleando ambas polarizaciones; en las
frecuencias inferiores se emplea generalmente la polarización vertical y en las superiores ambas, siendo más frecuente
la horizontal. Si se tiene en cuenta que la reflexión en la
ionosfera es un fenómeno mucho más complejo que la
reflexión en un conductor y que la onda reflejada en ella no
conserva una polarización definida, se comprenderá que
pueda recibirse con ambas polarizaciones.
CONCLUSION
Como resumen del uso de las antenas comentadas se ha
realizado el cuadro de la tabla 2, agrupando funcionalmente
las antenas para cada una de las aplicaciones más representativas en radio y televisión. El cuadro al igual que la
presentación anterior no pretende ser exhaustivo e indudablemente existen otras antenas o combinaciones de antenas
que pueden ser utilizadas satisfactoriamente, pero estimamos que incluyen aquéllas de uso más frecuente. La
agrupación se ha hecho separando antenas transmisoras y
receptoras en radiodifusión y televisión debido a la gran
diferencia de características de unas y otras, no solo en el
nivel de potencia sino en las propias configuraciones. En las
aplicaciones de comunicaciones y radioaficionados no se
presenta una diferencia tan marcada, por lo que se han
considerado unidas. Se ha incorporado un breve esquema
de las antenas a fin de hacerlo autocontenido y las ganancias
· citadas están referidas al dipolo en media onda, pudiendo
obtenerse su ganancia . respecto a una antena isotrópica
sumando 2,1 dB.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
H. Jasik, «Antenna Engineering Handbook», Me Graw Hill 1961
K. Rothammel, «Antennenbuch» Telekosmos-Verlag, Stuttgart 1978
w:Orr, S. Cowan, «Antenna Handbook», Radio Publications lnc 1978
R. Brault, R. Piat «Les Antennes» Ed. Techniques et Scientifiques
Fran<;:aises, 1979
Belotserkovski, «Fundamentos de Antenas», Marcombo
Norma UNE 20-523-75, «Antenas: Métodos de Medidas»
1EEE Standard 149-1965, «Test Procedure for Antennas»
Angel Cardama Aznar. Ingeniero y Doctor
Ingeniero de Telecomunicación por la E. T. S.!.
Telecomunicación de Madrid y Se. M. y Ph. D. en
Electrical Engineering por la Universidad de
Brown, Providence, EE.UU. Es Catedrático de
Antenas y Propagación de Ondas de la E. T. S.!.
Telecomunicación de Barcelona, Centro en el que
ha sidó Subdirector de Investigación en el período
1976-1978.
Luis Jofre Roca Ingeniero de Telecomunicación por la E. T. S./. Telecomunicación de Barcelona, Becario desde 1979 del plan de Formación de
Personal Investigador y Profesor de la Cátedra de
Antenas de la E. T. S./. Telecomunicación de Barcelona, trabajando en la actualidad en medidas y
caracterización de antenas en alta frecuencia.
ACUMULADOR
Sonnenschein
dryfit
B Ll N DADOS- POTENTES-S 1N ENTR ETEN 1M 1ENTO
2-4-6-8-12 Volt. Hasta 36 Ah
CRISTALES DE CUARZO FILTROS CERÁMICOS
AGRADECIMIENTO
Deseamos manifestar nuestro agradecimiento a Miguel
Ferrando, Albert Martí y Pedro Mier por sus comentarios y
sugerencias. •
Resistencias BEYSCHLAG-Núcleos para Bobinas NEOSID- Condensadores,
tantal, flash HYDRA-Condensadores y Piezas cerámicas STETTNER TESTERS- RECTIFICADORES DE SELENIO Y SILICIO- Comp. ULTRASÓNICOS - NÚCLEOS E. - RESISTENCIAS NTC - POSISTORES - VALVULAS TRANSISTORES.
Indique 40
REFERENCIAS
[1]
19
E. Jordan, K. Balmain, «Ondas Electromagnéticas y Sistemas Radian.
tes», Paraninfo
rnuw:IIJ RÍIÍJJD /1980-n.o 99
JUAN STAIB
Pje. Dos de Mayo, 1 -3 - Tels. 255 05 55/255 05 76
Telex 52395
BARCELONA-26
97