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 'l1II1:IIJ ¡j¡D(ÚiiliJ /1980-n.o 99 sobre E una ar radiad En1 la pe corrie de c¡ recep unge que r tensi1 E; de si ene de la ante de 1 capt a un en h efec nue• otra sus Lar y ce de pot si a E y r: def par im¡ Tll un 1( SUl va Cal fui Ar ca ex di re fo fo 111 1da ser ores ya á tener )n, con on una za una ·acidad 1es se 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. ~j; DIPOLO DOBLADO ANTENA DE CUADRO (Quadl ESPIRA ELEMENTAL SOLENOIDE CON NIJCLEO DE FERRITA Tabla 1 . 92 n" 2.>-- 220 290 120 2,3 2TfA 1,5 ?\ 1,5 zr¡nJ)N¡Uf 50 - 150 262Vw R 320rt( ~) 212fvi R 2 Configuraciones básicas de antenas rnudiJ iJbmÍJlilll /1980-n.' :·\. ,ola se orción lentos jades, 1da de tivo si ,5Ay 9sario 1pennedia tan do . Las -ar la le» y lo un 1estra m pie rción ·upalente ersas ne al 1tado s. La mtre :e un 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 IRJrDl iJiooúíllliJ(] /1980-n.o 99 ¡ \ k ~ s con como 1rtina. i y su 1tal el 3lelos (Si el nenta :m tos 100 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 :,:¡ ¡ l ,) ¡ ·~ f\ @QOM -o h 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 ll1lfllll !lb::DÍJlÍlll /1980-n.o 99 • es ión :lB. ara de lOS los po de a an os y to ca :le (radiación nula) h•l!.. 8 h•iL. h•n a : 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!! g¡ con~ los v longi anter polar men1 la g1 nod la si1 ción ion e haz hecl refle m a-y salic free ciór la t ion refl cor ~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