Antena en T - T-antenna

Una foto de 1935 de las instalaciones de WOR / 710 AM en Carteret, Nueva Jersey. En este caso hay tres radiadores: las dos torres y la antena en T central, suspendida en el medio. Juntos produjeron un patrón en forma de 8, con lóbulos hacia Nueva York y Filadelfia.

Antena de transmisión T de cables múltiples de la primera estación AM WBZ, Springfield, Massachusetts, 1925

A T-antena , T aérea- , antena plana superior , de la antena de sombrero de copa , o (capacitivamente) antena top-cargado es un monopolo antena de radio con transversal capacitivos cables de carga adjuntas a su parte superior. Las antenas T se utilizan normalmente en las bandas VLF , LF , MF y de onda corta , y se utilizan ampliamente como antenas de transmisión para estaciones de radioaficionados y estaciones de transmisión de AM de onda larga y media . También se pueden utilizar como antenas receptoras para la escucha de onda corta .

La antena consta de uno o más cables horizontales suspendidos entre dos postes de radio o edificios de soporte y aislados de ellos en los extremos. Un cable vertical está conectado al centro de los cables horizontales y cuelga cerca del suelo, conectado al transmisor o receptor . Combinadas, las dos secciones forman una forma de ' T ', de ahí el nombre. Se aplica la potencia del transmisor, o se conecta el receptor, entre la parte inferior del cable vertical y una conexión a tierra .

La antena T funciona como una antena monopolo con carga superior capacitiva; otras antenas en esta categoría incluyen las antenas de L invertida , paraguas y triaticas. Fue inventado durante las primeras décadas de la radio, en la era de la telegrafía inalámbrica , antes de 1920.

Cómo funciona

A frecuencias inferiores a 1 MHz, la longitud de los segmentos de cable de la antena suele ser más corta que un cuarto de longitud de onda [ 1/4λ ≈ 125 metros (410 pies) ] ,la longitud más corta de cable recto que lograresonancia. En estas circunstancias, una antena en T funciona como unaantena monopoloverticaleléctricamente corta con carga superior capacitiva.

Distribuciones de corriente de RF (rojo) en una antena monopolo vertical “a” y la antena en T “b”, que muestran cómo el cable horizontal sirve para mejorar la eficiencia del cable radiante vertical. El ancho del área roja perpendicular al cable en cualquier punto es proporcional a la corriente.

Las secciones izquierda y derecha del cable horizontal a lo largo de la parte superior de la 'T' transportan corrientes iguales pero dirigidas de manera opuesta. Por lo tanto, lejos de la antena, las ondas de radio irradiadas por cada cable están desfasadas 180 ° con respecto al otro y tienden a cancelarse con las ondas del otro cable, junto con una cancelación similar de las ondas de radio reflejadas desde el suelo. Por lo tanto, los cables horizontales casi no irradian potencia de radio.

En cambio, el propósito de los cables horizontales es aumentar la capacitancia en la parte superior de la antena. Se requiere más corriente en el cable vertical para cargar y descargar esta capacitancia durante el ciclo de la corriente de RF. Las corrientes aumentadas en el cable vertical ( ver dibujo a la derecha ) aumentan efectivamente la resistencia a la radiación de la antena y, por lo tanto, la potencia de radio irradiada. El cable de carga superior horizontal puede aumentar la potencia radiada de 2 a 4 veces (3 a 6  dB ) para una corriente base determinada. En consecuencia, la antena T puede irradiar más potencia que un simple monopolo vertical de la misma altura. De manera similar, una antena T receptora puede interceptar más energía de la misma intensidad de señal de onda de radio entrante que la antena vertical.

Sin embargo, la antena en T todavía no es tan eficiente como una antena de altura completa. 1/4λ monopolo vertical, y tiene una Q más altay, por lo tanto, un ancho de banda más estrecho. Las antenas en T se usan típicamente a bajas frecuencias donde la construcción de una antena vertical alta de un cuarto de onda de tamaño completo no es práctica, y el cable radiante vertical a menudo es muy corto eléctricamente : solo una pequeña fracción de una longitud de onda de largo,1/10λ o menos. Una antena eléctricamente corta tiene una reactancia baseque es capacitiva , y en las antenas transmisoras, esto debe ser sintonizado por una bobina de carga adicionalpara hacer que la antena resonante y pueda ser alimentada con energía de manera eficiente.

Tipos de antenas-T: (A) simples, (B) de varios cables, (C) la antena en T de jaula distribuye la corriente de manera más uniforme entre los cables, lo que reduce la resistencia. Las partes rojas son aislantes , las marrones son mástiles de soporte.

La capacitancia de carga superior aumenta a medida que se agregan más cables, por lo que a menudo se utilizan varios cables horizontales paralelos, conectados entre sí en el centro donde se une el cable vertical. Aunque la capacitancia aumenta, debido a que el campo eléctrico de cada cable incide en los campos de los cables adyacentes, no aumenta en proporción al número de cables: cada cable agregado proporciona una capacitancia adicional decreciente .

Patrón de radiación

Dado que el cable vertical es el elemento radiante real, la antena irradia ondas de radio polarizadas verticalmente en un patrón de radiación omnidireccional , con la misma potencia en todas las direcciones azimutales. El eje del cable horizontal hace poca diferencia. La potencia es máxima en una dirección horizontal o en un ángulo de elevación poco profundo, disminuyendo a cero en el cenit. Esto la convierte en una buena antena en frecuencias LF o MF , que se propagan como ondas terrestres con polarización vertical, pero también irradia suficiente potencia en ángulos de elevación más altos para ser útil para la comunicación de ondas celestes ("salto"). El efecto de la conductividad del suelo deficiente es generalmente inclinar el patrón hacia arriba, con la máxima intensidad de señal en un ángulo de elevación más alto.

Antenas transmisoras

En los rangos de longitudes de onda más largas donde se usan típicamente antenas T, las características eléctricas de las antenas generalmente no son críticas para los receptores de radio modernos; la recepción está limitada por el ruido natural, más que por la potencia de la señal recogida por la antena receptora.

Las antenas transmisoras son diferentes y la impedancia del punto de alimentación es fundamental: la combinación de reactancia y resistencia en el punto de alimentación de la antena debe coincidir bien con la impedancia de la línea de alimentación y, más allá, la etapa de salida del transmisor. Si no coincide, la corriente enviada desde el transmisor a la antena se reflejará hacia atrás desde el punto de conexión como "corriente de reacción", que en el peor de los casos puede dañar el transmisor y al menos reducirá la potencia de la señal irradiada desde la antena.

Resistencia reactiva

Cualquier antena monopolo que sea más corta que 1/4λ tiene una reactancia capacitiva ; cuanto más corto sea, mayor será la reactancia y mayor será la proporción de la corriente de alimentación que se reflejará hacia el transmisor. Para conducir corriente de manera eficiente a una antena de transmisión corta, debe hacerse resonante (sin reactancia), si la sección superior aún no lo ha hecho. La capacitancia generalmente se cancela con una bobina de carga adicionalo su equivalente; la bobina de carga se coloca convencionalmente en la base de la antena para facilitar la accesibilidad, conectada entre la antena y su línea de alimentación.

Uno de los primeros usos de las antenas en T a principios del siglo XX fue en los barcos, ya que podían colgarse entre mástiles. Esta es la antena del RMS Titanic , que transmitió la llamada de rescate durante su hundimiento en 1912. Se trataba de una T de cables múltiples con un cable vertical de 50 my cuatro cables horizontales de 120 m.

La sección superior horizontal de una antena en T también puede reducir la reactancia capacitiva en el punto de alimentación, sustituyendo una sección vertical cuya altura sería aproximadamente 2/3 su longitud; si es lo suficientemente largo, elimina completamente la reactancia y evita cualquier necesidad de una bobina en el punto de alimentación.

A frecuencias medias y bajas , la alta capacitancia de la antena y la alta inductancia de la bobina de carga, en comparación con la baja resistencia a la radiación de la antena corta, hacen que la antena cargada se comporte como un circuito sintonizado de alta Q , con un ancho de banda estrecho sobre el que permanecerá bien. emparejado con la línea de transmisión, en comparación con un1/4λ monopolo.

Para operar en un amplio rango de frecuencia, la bobina de carga a menudo debe ser ajustable y ajustada cuando se cambia la frecuencia para limitar la potencia reflejada hacia el transmisor . El alto Q también causa un alto voltaje en la antena, que es máximo en los nodos de corriente en los extremos del cable horizontal, aproximadamente Q veces el voltaje del punto de activación. Los aisladores en los extremos deben estar diseñados para soportar estos voltajes. En los transmisores de alta potencia, la potencia de salida a menudo está limitada por el inicio de la descarga de corona de los cables.

Resistencia

La resistencia a la radiación es la resistencia equivalente de una antena debido a su radiación de ondas de radio; para un monopolo de cuarto de onda de longitud completa, la resistencia a la radiación es de alrededor de 25  ohmios . Cualquier antena que sea corta en comparación con la longitud de onda operativa tiene una menor resistencia a la radiación que una antena más larga; a veces de manera catastrófica, mucho más allá de la máxima mejora de rendimiento proporcionada por una antena en T. Entonces, a bajas frecuencias, incluso una antena T puede tener una resistencia a la radiación muy baja, a menudo menos de 1  ohmio , por lo que la eficiencia está limitada por otras resistencias en la antena y el sistema de tierra. La potencia de entrada se divide entre la resistencia a la radiación y las resistencias 'óhmicas' de la antena + circuito de tierra, principalmente la bobina y la tierra. La resistencia en la bobina y particularmente en el sistema de tierra debe mantenerse muy baja para minimizar la potencia disipada en ellos.

Se puede ver que a bajas frecuencias el diseño de la bobina de carga puede ser desafiante: debe tener alta inductancia pero pérdidas muy bajas en la frecuencia de transmisión ( Q alto ), debe transportar altas corrientes, soportar altos voltajes en su extremo sin conexión a tierra, y ser ajustable. A menudo está hecho de alambre litz .

A bajas frecuencias, la antena requiere una buena tierra de baja resistencia para ser eficiente. La tierra de RF se construye típicamente como una estrella de muchos cables radiales de cobre enterrados alrededor de 1 pie en la tierra, que se extienden desde la base del cable vertical y se conectan entre sí en el centro. Idealmente, los radiales deberían ser lo suficientemente largos para extenderse más allá de la región de la corriente de desplazamiento cerca de la antena. En las frecuencias de VLF , la resistencia del suelo se convierte en un problema, y ​​el sistema de suelo radial generalmente se eleva y se monta a unos pocos pies sobre el suelo, aislado de él, para formar un contrapeso .

Circuito equivalente

Antena en T de jaula histórica de una estación de aficionados en 1922; 60 pies de alto por 90 pies de largo. El conductor está hecho de una jaula de 6 alambres separados por esparcidores de madera; esta construcción aumentó la capacitancia y disminuyó la resistencia óhmica . Logró contactos transatlánticos en 1,5 MHz a una potencia de 440 W.

La potencia radiada (o recibida) por una antena vertical eléctricamente corta como la antena T es proporcional al cuadrado de la altura efectiva de la antena, por lo que la antena debe hacerse lo más alta posible. Sin el cable horizontal, la distribución de corriente de RF en el cable vertical disminuiría linealmente a cero en la parte superior ( vea el dibujo “a” arriba ), dando una altura efectiva de la mitad de la altura física de la antena. Con un cable de carga superior de “capacitancia infinita” ideal, la corriente en la vertical sería constante a lo largo de su longitud, dando una altura efectiva igual a la altura física, por lo tanto, multiplicando por cuatro la potencia radiada. Entonces, la potencia radiada (o recibida) por una antena en T es hasta cuatro veces mayor que la de un monopolo vertical de la misma altura.

La resistencia a la radiación de una antena T ideal con una capacitancia de carga superior muy grande es

${\ Displaystyle R _ {\ text {R}} \ approx 80 \ pi ^ {2} \ left ({\ frac {\, h \,} {\ lambda}} \ right) ^ {2} \,}$

entonces el poder irradiado es

${\ Displaystyle P = R _ {\ text {R}} I_ {0} ^ {2} \ approx 80 \ pi ^ {2} \ left ({\ frac {\, h \, I_ {0} \,} { \ lambda}} \ right) ^ {2}}$

dónde

h es la altura de la antena,

λ es la longitud de onda y

I ₀ es la corriente de entrada RMS en amperios.

Esta fórmula muestra que la potencia radiada depende del producto de la corriente base y la altura efectiva, y se utiliza para determinar cuántos 'metros-amperios' se requieren para alcanzar una determinada cantidad de potencia radiada.

El circuito equivalente de la antena (incluida la bobina de carga) es la combinación en serie de la reactancia capacitiva de la antena, la reactancia inductiva de la bobina de carga y la resistencia a la radiación y las otras resistencias del circuito de tierra de la antena. Entonces la impedancia de entrada es

${\ Displaystyle Z = R _ {\ text {C}} + R _ {\ text {D}} + R _ {\ text {L}} + R _ {\ text {G}} + R _ {\ text {R}} + j \ omega L - {\ frac {1} {\, j \ omega C \,}}}$

En la resonancia, la reactancia capacitiva de la antena es cancelada por la bobina de carga, por lo que la impedancia de entrada en la resonancia Z ₀ es solo la suma de las resistencias en el circuito de la antena.

${\ Displaystyle Z_ {0} = R _ {\ text {C}} + R _ {\ text {D}} + R _ {\ text {L}} + R _ {\ text {G}} + R _ {\ text {R }} \,}$

Entonces, la eficiencia η de la antena, la relación entre la potencia radiada y la potencia de entrada de la línea de alimentación, es

${\ Displaystyle \ eta = {\ frac {R _ {\ text {R}}} {\, R _ {\ text {C}} + R _ {\ text {D}} + R _ {\ text {L}} + R_ {\ text {G}} + R _ {\ text {R}} \,}}}$

dónde

R _C es la resistencia óhmica de los conductores de la antena (pérdidas de cobre)

R _D son las pérdidas dieléctricas en serie equivalente

R _L es la resistencia en serie equivalente de la bobina de carga

R _G es la resistencia del sistema de tierra

R _R es la resistencia a la radiación

C es la capacitancia de la antena en los terminales de entrada

L es la inductancia de la bobina de carga

Antena plana de 1,9 km (1,2 millas) de sintonización múltiple del transmisor Grimeton VLF de 17 kHz , Suecia

Puede verse que, dado que la resistencia a la radiación suele ser muy baja, el principal problema de diseño es mantener bajas las otras resistencias en el sistema de antena-tierra para obtener la mayor eficiencia.

Antena de sintonización múltiple

La antena plana de sintonización múltiple es una variante de la antena T utilizada en transmisores de baja frecuencia de alta potencia para reducir las pérdidas de energía en tierra. Consiste en una carga superior capacitiva larga que consta de múltiples cables paralelos soportados por una línea de torres de transmisión, a veces de varias millas de largo. Varios cables verticales del radiador cuelgan de la carga superior, cada uno conectado a su propio suelo a través de una bobina de carga. La antena se acciona en uno de los cables del radiador, o más a menudo en un extremo de la carga superior, llevando los cables de la carga superior en diagonal hacia el transmisor.

Aunque los cables verticales están separados, la distancia entre ellos es pequeña en comparación con la longitud de las ondas LF, por lo que las corrientes en ellos están en fase y pueden considerarse como un solo radiador. Dado que la corriente de la antena fluye hacia el suelo a través de N bobinas de carga paralelas y tierra en lugar de una, la bobina de carga equivalente y la resistencia de tierra, y por lo tanto la potencia disipada en la bobina de carga y tierra, se reducen a 1 ⁄ N de la de un T simple -antena. La antena se utilizó en las potentes estaciones de radio de la era de la telegrafía inalámbrica , pero ha caído en desgracia debido al costo de múltiples bobinas de carga.

Ver también

• Antena dipolo
• Radiador de mástil

Notas al pie

Referencias