▷ Antena dipolo: ¿Qué es? (Y los tipos de antenas)

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Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS

Indice de contenidos

¿Qué es una antena dipolo?
Diseño de antena dipolo
Tipos de antenas dipolo
¿Para qué se utiliza una antena dipolo (aplicaciones)?

¿Qué es una antena dipolo?

Una antena dipolo (también conocida como antena doblete o dipolo ) se define como un tipo de antena de RF (radiofrecuencia), que consta de dos elementos conductores como varillas o cables. El dipolo es cualquiera de las variedades de antenas que producen un patrón de radiación que se aproxima al de un dipolo eléctrico elemental. Las antenas dipolo son el tipo de antena más simple y más utilizado.

Un ‘dipolo’ significa ‘dos polos’, por lo que la antena dipolo consta de dos elementos conductores idénticos, como varillas o cables metálicos. La longitud de los alambres metálicos es aproximadamente la mitad de la longitud de onda máxima (es decir, $= frac { lambda} {2}$ ) en el espacio libre a la frecuencia de operación.

Este alambre o varilla está dividido en el centro, y las dos secciones están separadas por un aislante , estas secciones se conocen como sección de antena.

Estas dos secciones de antena están conectadas a un alimentador o cable coaxial en el extremo más cercano al centro de la antena. Tenga en cuenta que la longitud de onda es la distancia entre dos puntos máximos o mínimos consecutivos. La antena dipolo básica con el punto de alimentación central se muestra en la siguiente figura.

Antena dipolo básica con punto de alimentación central

La fuente de voltaje de radiofrecuencia (RF) se aplica al centro entre las dos secciones de la antena dipolo. Este voltaje y una corriente que fluye a través de los dos elementos conductores producen una señal de radio o una onda electromagnética que se irradia hacia afuera desde la antena.

La corriente es máxima y el voltaje es mínimo en el centro de la antena dipolo. Por el contrario, la corriente es mínima y el voltaje es máximo en los extremos de la antena dipolo.

El patrón de radiación de la antena dipolo básica se muestra en la siguiente figura. Es perpendicular al eje de la antena.

Tenga en cuenta que el patrón de radiación es la representación gráfica de las propiedades de radiación de las antenas en función del espacio, es decir, el patrón de radiación de la antena describe cómo la antena irradia energía al espacio.

Patrón de radiación de una antena dipolo básica

La antena dipolo es un tipo de transductor que convierte señales eléctricas en ondas electromagnéticas de RF y las irradia en el lado de transmisión y convierte las ondas electromagnéticas de RF en señales eléctricas en el lado de recepción.

Diseño de antena dipolo

Podemos diseñar muchas antenas dipolo que operarán en las bandas de HF (alta frecuencia), VHF (muy alta frecuencia) y UHF ( ultra alta frecuencia ) del espectro de radiofrecuencia .

Diseñemos una antena dipolo de 1 MHZ.

Selección de la longitud de la antena dipolo

Como sabemos, la longitud de onda de una onda de radio o cualquier otra onda varía inversamente proporcional a la frecuencia. está dado por:

$begin {align *} lambda propto frac {1} {f} end {align *}$

(1) $begin {ecuación *} lambda = frac {c} {f} end {ecuación *}$

Donde, C = velocidad de la luz =

f = frecuencia, en hercios

= longitud de onda, en metros

Por lo tanto,

$begin {align *} begin {split} lambda = frac {3 * 10 ^ 8} {f (Hz)} = frac {300000000} {f (Hz)} = frac {300000} {f ( KHz)} end {split} end {align *}$

(2) $begin {ecuación *} lambda = frac {300} {f (MHz)} , , metros end {ecuación *}$

Ahora, a media longitud de onda, la longitud de la antena viene dada por,

$begin {align *} begin {split} frac { lambda} {2} = frac {300} {2 * f (MHz)} = frac {150} {f (MHz)} , , metros \ frac { lambda} {2} = frac {150 * 3.28} {f (MHz)} = frac {492} {f (MHz)} , , pies end {split} end {alinear*}$

(3) $begin {ecuación *} frac { lambda} {2} = frac {150 * 39.37} {f (MHz)} = frac {5905} {f (MHz)} , , pulgadas end {ecuación *}$

Por lo tanto, de la ecuación (3) podemos decir que, si usamos un transmisor de radio de 1 MHz, entonces la longitud básica del cable de la antena será de 150 metros o 492 pies o 5905 pulgadas.

Esto es correcto si descuidamos el «efecto final». Este «efecto final» es el efecto dieléctrico del aire en el extremo de la antena que aumenta la longitud efectiva de la antena. Debido al efecto final, un cable de antena actúa como un 5% más largo que la longitud real. Esto producirá interferencia entre las corrientes de excitación y oscilación y debido a que la amplitud de oscilación puede debilitarse.

Por lo tanto, para contrarrestar el «efecto final» y hacer que la antena funcione correctamente, es necesario cortar el cable de la antena aproximadamente al 5% y hace que su longitud física sea aproximadamente el 95% de la mitad de la longitud de onda.

Por lo tanto, para obtener la $frac { lambda} {2}$ longitud práctica del cable de la antena, el valor multiplicado por un factor K a la longitud básica del cable de la antena, es decir,

$begin {align *} begin {split} frac { lambda} {2} = frac {492 * K} {f (MHz)} = frac {492 * 0.95} {f (MHz)} end {split} end {align *}$

(4) $begin {ecuación *} lambda = frac {468} {f (MHz)} , , pies end {ecuación *}$

El valor de K depende del grosor del conductor y la frecuencia de operación. Este valor de K es exacto para cables de antena a una frecuencia de hasta 30 MHz.

Selección de la impedancia de alimentación o la resistencia a la radiación

La impedancia de alimentación de un dipolo se define por la relación entre el voltaje y la corriente en el punto de alimentación. Por lo general, se alimenta en el punto de voltaje mínimo y máximo de corriente.

Para asegurar la máxima transferencia de energía desde el alimentador, o fuente / carga, la impedancia de alimentación de la antena dipolo debe ser la misma que la de la fuente o carga. Al hacer coincidir la impedancia de alimentación con la fuente o la impedancia de carga, la antena puede funcionar con su máxima eficiencia.

La resistencia a la radiación o una impedancia de alimentación de entrada de una antena dipolo ideal en el espacio libre se puede modelar aproximadamente mediante una impedancia de 73 Ω y, en condiciones prácticas, varía de 60 Ω a 70 Ω. La impedancia de la antena se puede cambiar variando la longitud o la forma de los cables.

Muchos tipos de cable coaxial tienen una impedancia característica de 75 Ω, por lo tanto, la antena dipolo se puede alimentar con un cable coaxial de 75 Ω de dos hilos, que es una buena combinación para una antena dipolo de media onda.

Además, el dipolo de media onda se puede alimentar con una línea de transmisión de impedancias de 300 Ω y una línea de cable abierto de 600 Ω con dipolos plegados de acuerdo con las capacidades de manejo de potencia.

Utilice alimentador equilibrado o balun

La antena dipolo es la antena balanceada. Por tanto, es necesario utilizar un alimentador equilibrado. Un alimentador balanceado consta de dos conductores paralelos. Las corrientes que fluyen en ambos conductores son iguales en magnitud pero en direcciones opuestas. Por lo tanto, el campo radiante de ellos se cancela y no se disipa ningún poder . El espacio entre los conductores se ha mantenido normalmente en aproximadamente 0,01 longitudes de onda. Si se necesita usar un alimentador coaxial, entonces se debe usar el balun balanceado.

Cable coaxial

El alimentador más común que se utiliza para alimentar la antena es el cable coaxial o el cable coaxial. A menudo se lo conoce como cable RF.

Un cable coaxial transporta corriente en ambos conductores. Estas corrientes son iguales en magnitud pero en direcciones opuestas. Debido a eso, todos los campos radiantes están vinculados dentro del cable y, por lo tanto, se cancelan entre sí.

Por lo tanto, no hay campo radiante fuera del cable, por lo que no se ve afectado por ningún objeto cercano. Por lo tanto, es más adecuado como alimentador de la antena dipolo.

Aislador de tensión

Un aislador de tensión es un aislante eléctrico que está diseñado para resistir la tracción de un cable o alambre eléctrico suspendido.

Se inserta entre dos tramos del cable conductor, para aislarlos eléctricamente entre sí. Se utiliza en cables eléctricos aéreos, para soportar antenas de radio y líneas eléctricas aéreas.

Por lo tanto, el diseño general de una antena dipolo de 1 MHz se muestra en la siguiente figura.

Tipos de antenas dipolo

Los tipos más comunes de antena dipolo son la antena dipolo de media onda. Se pueden diseñar muchos tipos de antenas dipolo. Expliquemos en detalle los principales tipos de antenas dipolo.

Antena dipolo plegada

Una antena dipolo plegada es una matriz de la antena de dos dipolos. Si dos antenas dipolo se conectan en paralelo para formar un bucle de alambre delgado, entonces se llama antena dipolo plegada.

Como su nombre lo indica, la forma de la antena dipolo se pliega sobre sí misma. En la antena dipolo plegada, dos dipolos de media onda, uno continuo y el otro dividido en el centro, se pliegan y se unen en paralelo en los extremos. El dipolo dividido es alimentado en el centro por una línea de transmisión balanceada . Por lo tanto, los dos dipolos tienen los mismos voltajes en sus extremos y se generan dos corrientes idénticas.

El patrón de radiación de un dipolo plegado es el mismo que el de un dipolo normal, pero la impedancia de entrada del dipolo plegado es mayor y la directividad de un dipolo plegado es bidireccional.

Antena dipolo plegada de dos cables

Si dos antenas dipolo están conectadas en paralelo para formar un lazo de alambre delgado, entonces se conoce como antena dipolo plegada de dos hilos.

Si el radio de ambos conductores es igual, entonces fluyen corrientes iguales en ambos conductores en la misma dirección, es decir, las corrientes son iguales en magnitud y fase. Si la corriente total alimentada en el terminal es ‘I’, entonces cada dipolo tendrá corriente ‘I / 2’. Por lo tanto, con la misma potencia aplicada, solo la mitad de la corriente fluye en el primer dipolo y, por lo tanto, la impedancia de entrada aumenta y se cuadriplica. La antena dipolo plegada se muestra en la siguiente figura.

La fórmula general para el cálculo de la impedancia para un dipolo plegado viene dada por,

$begin {align *} Z = n ^ 2 * 73 end {align *}$

Donde, n = no. de $frac { lambda} {2}$ cable de antena

Por lo tanto, para un dipolo plegado de dos hilos con el mismo radio, la impedancia de entrada o la resistencia a la radiación viene dada por

$begin {align *} begin {split} Z = R_r = n ^ 2 * 73 \ = 2 ^ 2 * 73 \ = 4 * 73 \ Z = 292 , , Omega end {split} end {alinear *}$

Por lo tanto, el dipolo plegado de dos hilos se puede alimentar con una línea de transmisión de hilo abierto convencional de 300 Ω sin ningún dispositivo de adaptación.

Antena dipolo plegada de tres cables (tripolar plegado)

Si se conectan tres antenas dipolo en paralelo para formar un bucle de alambre delgado, entonces se conoce como antena dipolo plegada de tres hilos o antena tripolar plegada.

Si se utilizan antenas dipolo plegadas de tres hilos con radios iguales, entonces la corriente igual fluye en los tres conductores. Si la corriente total alimentada en el terminal es ‘I’, entonces cada dipolo tendrá corriente ‘I / 3’.

Por lo tanto, con la misma potencia aplicada, solo un tercio de la corriente radiante total fluye en el primer dipolo y, por lo tanto, la impedancia de entrada aumenta y se multiplica por nueve. La antena dipolo plegada se muestra en la siguiente figura.

Por lo tanto, para un dipolo plegado de tres hilos con el mismo radio, la impedancia de entrada o la resistencia a la radiación viene dada por

$begin {align *} begin {split} Z = R_r = n ^ 2 * 73 \ = 3 ^ 2 * 73 \ = 9 * 73 \ Z = 657 , , Omega end {split} end {alinear *}$

Por lo tanto, el dipolo plegado de tres hilos o el tripolo plegado se pueden alimentar con una línea de transmisión abierta de dos hilos convencional de 600 Ω sin ningún dispositivo de adaptación.

Por lo tanto, la antena dipolo plegada o la antena tripolar tiene importantes propiedades de transformación de impedancia. Esto hace que sea fácil de combinar con una línea de transmisión que alimenta la antena. También es posible cambiar la impedancia de entrada manteniendo desigual el radio de los dos dipolos. En esta condición, una corriente mayor fluye a través de un dipolo más grueso y, por lo tanto, podemos mantener cualquier impedancia de entrada deseada.

Ventajas de una antena dipolo plegada

Algunas de las ventajas de una antena dipolo plegada incluyen:

Tiene alta impedancia de entrada; de ahí que sea fácil de combinar con la línea de transmisión.
Tiene una frecuencia de banda ancha, es decir, un ancho de banda amplio, por lo que es adecuado para transmisiones de TV y FM.
Tiene una alta ganancia y alta directividad en comparación con una antena dipolo simple, por lo tanto, se puede utilizar en la antena Yagi-Uda .

Antena dipolo de FM

La antena dipolo de FM se define como la antena semipolo de media onda polarizada verticalmente. La antena dipolo de FM se utiliza principalmente en su construcción y es adecuada para proporcionar una mejor recepción de la transmisión de FM VHF. La antena dipolo de FM se muestra en la siguiente figura.

El patrón de radiación de la antena dipolo de FM es perpendicular al eje de la antena, es decir, es horizontal porque la antena dipolo de FM es una antena dipolo de media onda polarizada verticalmente. El patrón de radiación de la antena dipolo de FM se muestra en la siguiente figura.

Patrón de radiación de una antena dipolo de FM

La antena dipolo de FM se usa generalmente para el rango de frecuencia de transmisión de FM entre 88 MHz y 108 MHZ.

Antena dipolo de ventilador

La antena dipolo de ventilador o de cable multibanda es aquella en la que varios dipolos están conectados con una línea de alimentación común, y se extienden como un ventilador, por lo que se llama antena dipolo de ventilador.

Como su nombre lo indica, la forma de la antena dipolo del ventilador parece un ventilador. También se conoce como antena dipolo paralelo.

En la antena dipolo del ventilador, cada dipolo de la multibanda se corta desde el centro de las bandas y se conecta a un alimentador común. El dipolo debe cortarse desde donde queremos que irradie. Cuando se transmite la señal, solo recibimos la señal de esa banda que está radiando, porque los otros dipolos tienen una impedancia más alta en comparación con ese elemento radiante.

La antena dipolo del ventilador se muestra en la figura anterior. Es una antena dipolo de ventilador de 4 bandas. Aquí, usamos dipolos multibanda de 80 m, 40 m, 20 my 10 m que están conectados en paralelo con una línea de alimentación común.

Cuando el dipolo de 80 m está radiando significa que la corriente pasa a través de dipolos de 80 m, en esta condición, recibimos la señal solo de las bandas de 80 m porque tiene una impedancia más baja, mientras que otras bandas de 40 m, 20 my 10 m tienen una impedancia más alta en comparación al elemento radiante de 80 m.

Del mismo modo, cuando el dipolo de 40 m está radiando, solo recibimos la señal de las bandas de 40 m porque tiene una impedancia más baja en comparación con el otro dipolo. Tenga en cuenta que, de acuerdo con la ley actual de Kirchhoff , otros dipolos también están irradiando, pero no de manera eficiente.

Antena dipolo de media onda

La antena dipolo de media onda es el tipo de antena dipolo más utilizado. Como sugiere el nombre, la longitud total de la antena dipolo es igual a la media longitud de onda ( $frac { lambda} {2}$ ) en la frecuencia de operación.

Se lo conoce como dipolo de media longitud de onda o simplemente dipolo o doblete. También se la conoce como antena Hertz.

La antena dipolo de media onda consta de un conductor de dos cuartos de longitud de onda con el punto de alimentación en el centro. Es la antena simétrica en la que los dos extremos tienen el mismo potencial que el punto central.

La distribución de corriente en la antena dipolo de media onda es aproximadamente sinusoidal a lo largo de la longitud del dipolo, es decir, una onda estacionaria por naturaleza. La antena dipolo de media onda básica y la distribución de voltaje y corriente se muestran en la siguiente figura.

Distribución de corriente y voltaje en una antena dipolo de media onda

El patrón de radiación de la antena dipolo de media onda se muestra en la siguiente figura. Muestra que las direcciones de máxima radiación son perpendiculares al conductor o al eje de la antena. También es perpendicular a la dirección de la corriente de la antena.

Patrón de radiación de una antena dipolo de media onda en el espacio libre — Patrón de radiación de una antena dipolo de media onda

La antena dipolo de media onda puede funcionar en un rango de frecuencia de entre 3 kHz y 300 GHz; por lo tanto, se utiliza principalmente en receptores de radio.

Antena dipolo corta

La antena de dipolo corto es el tipo de antena más simple de todas las antenas. Una antena dipolo corta es aquella en la que la longitud del cable es menos de la mitad de la longitud de onda , es decir, ( $< frac { lambda} {2}$ ).

En una antena dipolo corta, la impedancia de alimentación comienza a aumentar y su respuesta depende menos de los cambios de frecuencia. La distribución de corriente en la antena dipolo corta es aproximadamente triangular.

La longitud de la antena dipolo corta entre $frac { lambda} {50}$ a $frac { lambda} {10}$ . es decir, $frac { lambda} {50} <l < frac { lambda} {10}$ . La distribución de corriente en la antena dipolo corta es aproximadamente triangular. La antena dipolo corta básica y la distribución de corriente en ella se muestran en la siguiente figura.

Distribución de corriente en una antena dipolo corta

El patrón de radiación de la antena dipolo corta es simplemente un círculo. Es ligeramente diferente en comparación con la antena dipolo de media onda. El patrón de radiación de la antena dipolo corto y su comparación con la antena dipolo de media onda se muestra en la siguiente figura.

Patrón de radiación de una antena dipolo corta

Patrón de radiación de una antena dipolo corta y una antena dipolo de media onda — Patrón de radiación de una antena dipolo corta en comparación con la antena dipolo de media onda

Se utiliza una antena dipolo corta en lugar de la antena dipolo de media onda completa en ciertas aplicaciones donde la antena dipolo de media onda completa es demasiado grande.

¿Para qué se utiliza una antena dipolo (aplicaciones)?

Algunas de las aplicaciones de la antena dipolo incluyen:

La antena dipolo se usa ampliamente en radio y telecomunicaciones.
Una antena se puede utilizar como antena transmisora o como antena receptora. Una antena transmisora se utiliza para convertir señales eléctricas en ondas electromagnéticas y las irradia. Mientras que una antena receptora se utiliza para convertir ondas electromagnéticas en señales eléctricas. En la comunicación bidireccional, la misma antena dipolo se puede utilizar tanto para la transmisión como para la recepción.
Una antena dipolo de media onda se utiliza en receptores de radio y televisión.

Una antena dipolo plegada se usa en antenas Yagi-Uda para recepción de televisión terrestre (TV) usando la línea balanceada de Z ₀ = 300 Ω porque una antena dipolo plegada tiene una alta impedancia de entrada y por lo tanto se adapta fácilmente a la impedancia de la transmisión. línea.
La antena dipolo plegada se utiliza en operaciones de banda ancha como transmisiones de FM y TV (televisión).
Las antenas VHF y UHF se utilizan en comunicaciones móviles terrestres en áreas costeras, seguridad pública, comunicaciones públicas y aplicaciones industriales.

La antena dipolo de FM se utiliza como antena receptora de transmisión de FM para la banda de transmisión de FM de 88 MHz a 108 MHz.
Una antena reflectora parabólica se usa comúnmente para comunicaciones por satélite, radioastronomía y para varios tipos de enlaces de radiocomunicación.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator

Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

winaycirculo@gmail.com