El dipolo de media onda es la estructura resonante más sencilla de la tecnología de antenas. Este tipo de antenas se utilizan como elemento principal en antenas de casi todas las formas y a veces se consideran antenas de referencia junto con un radiador isótropo no direccional.
La mayoría de los radiadores irradian con mayor intensidad en una dirección determinada que en cualquier otra. Los radiadores de este tipo se denominan anisótropos.
Una antena de media onda (también llamada antena dipolo, antena de Hertz, dipolo de Hertz, vibrador de media onda) consta de dos trozos de alambre o tubo, cada uno de los cuales tiene una longitud igual a ¼ de la longitud de onda de funcionamiento de la antena. Este tipo de antena es el elemento básico a partir del cual se construyen muchas antenas más complejas. Para un dipolo de media onda, la corriente que circula por él tiene un valor máximo en el centro y un valor mínimo en los bordes del dipolo. La tensión, por el contrario, es mínima en el centro del dipolo y máxima en sus bordes.
La energía puede suministrarse a una antena de este tipo conectando una línea de transmisión desde la etapa de salida del transmisor a los segmentos que forman la antena. Cuando se utiliza una línea de transmisión de dos hilos, por ejemplo, un cable coaxial, su núcleo central se conecta a un brazo y la trenza al otro. Como en este caso el punto de alimentación de la antena está situado en su centro (el punto de mínima tensión y máxima corriente), este tipo de alimentación se denomina alimentación central o alimentación de corriente. La elección del punto de alimentación de una antena dipolo es importante por el tipo de línea eléctrica utilizada.
Las ondas estacionarias de corriente y tensión se producen del mismo modo que en un circuito oscilante paralelo. A diferencia de un radiador isótropo con una ganancia de 1, una antena de media onda tiene una ganancia de aproximadamente 1,5, con la máxima radiación en la dirección perpendicular a su eje.
Diagrama de radiación en el plano horizontal
Sin embargo, el cálculo de la longitud de un dipolo basado en la longitud de onda sólo se aplica a hilos infinitamente finos. En la práctica, los dipolos tienen el grosor real de un alambre. Además, los dipolos tienen un ancho de banda mayor a medida que aumenta el grosor del hilo. En este caso, se introduce un factor de acortamiento que depende del grosor del alambre:
l es la longitud del dipolo
d es el diámetro del hilo.
El radiador isótropo
Un radiador isótropo es una antena imaginaria (ideal) que irradia energía electromagnética con la misma intensidad en todas las direcciones. El modelo de un emisor isótropo realizado es circular en todos los tramos. El emisor isótropo emite sin pérdidas, es decir su eficiencia es del 100%.
Todos sabemos que el sol irradia energía en todas las direcciones. La energía emitida por el sol, medida a una distancia fija, será aproximadamente la misma en cualquier ángulo. Supongamos que el dispositivo de medición se mueve y se detiene en los puntos que se muestran en la imagen para medir la cantidad de radiación. En cada punto del círculo, la distancia desde el dispositivo de medición hasta el sol es la misma. La radiación medida también será la misma. Por lo tanto, el Sol se considera un emisor isótropo.
En el diseño de antenas, un radiador isótropo es una antena hipotética. En realidad, tal antena no existe. Sin embargo, se utiliza para comparar antenas reales entre sí. En este caso, el emisor isótropo desempeña el papel de un estándar hipotético. Las antenas reales se caracterizan por un coeficiente de ganancia, que se determina comparando su radiación con la radiación de este estándar. La ganancia así determinada es una medida de la directividad de la antena particular bajo prueba.
La antena Yagi
Las antenas Yagi son radiadores longitudinales y utilizan elementos excitados por radiación. Este tipo de antena debe su nombre a uno de sus inventores, el profesor japonés Hidetsugu Yagi. El término „antenas Yagi-Uda“ se utiliza a menudo, sobre todo en la literatura francófona. Shintaro Uda es el nombre de uno de los colegas del profesor Yagi. Este diseño de antena se desarrolló específicamente para la gama de ondas de radio de altas frecuencias (banda HF) a la parte superior de la gama de frecuencias muy altas (bandas VHF y UHF). Las antenas Yagi son muy populares por su diseño sencillo y su ganancia relativamente alta. Por regla general, se clasifican como antenas altamente direccionales. Además de en radio, las antenas de este tipo también se utilizan en radiolocalización.
Las antenas Yagi utilizan la interacción entre elementos que producen ondas de corriente estacionarias, lo que da lugar a una onda viajera con un patrón de radiación pronunciado. Una antena de este tipo consta de uno o varios vibradores activos (dipolos) y elementos pasivos adicionales. Los elementos de una antena Yagi suelen estar soldados a una varilla o tubo conductor llamado boom. El punto de conexión corresponde al centro del elemento. Esta construcción sólo sirve para proporcionar resistencia mecánica a la antena y no afecta a su rendimiento. Dado que el elemento activo se alimenta centralmente, no está soldado a la varilla de soporte. La impedancia de entrada de la antena puede aumentarse utilizando un vibrador de bucle como elemento activo.
En la figura 1 se muestran los elementos que componen la antena Yagi. Las distancias entre ellos no se eligen iguales. El único elemento de la antena que es excitado por el transmisor es el vibrador activo. Todos los demás elementos son pasivos, pero desempeñan un papel importante en la conformación de la radiación de la antena. La radiación de los elementos se suma en fase cuando se propaga en la dirección de avance y en contrafase cuando se propaga en la dirección opuesta. El ancho de banda de una antena Yagi viene determinado por la longitud y el diámetro de los elementos y la separación entre ellos. En la mayoría de los diseños, el ancho de banda suele ser de sólo un pequeño porcentaje de la frecuencia para la que se diseñó la antena.
La antena Yagi de la figura tiene un reflector, un vibrador de bucle como elemento activo y tres directores. En general, cuantos más elementos pasivos (directores y reflectores) se utilicen, mayor será la ganancia de la antena. El aumento del número de estos elementos conduce a una reducción de la anchura del haz de la antena, pero, al mismo tiempo, a un estrechamiento de su ancho de banda. Por lo tanto, la sintonización adecuada de la antena es de gran importancia. La ganancia de una antena no aumenta en proporción directa al incremento del número de elementos utilizados. Por ejemplo, una antena Yagi de tres elementos tiene una ganancia de potencia relativa de 5 a 6 dB. Si se añade un director adicional, este parámetro aumenta unos 2 dB. Sin embargo, la adición de directores posteriores tiene cada vez menos efecto.
Principio de funcionamiento
El elemento Yagi básico tiene tres partes constituyentes. La longitud de cada elemento pasivo difiere de la mitad de la longitud de onda que es la longitud de onda resonante para la antena. Si es más largo (normalmente en torno a un 15%), el elemento tiene propiedades inductivas y funciona como reflector. Si es inferior a la mitad de la longitud de onda (en incrementos del 5%), el elemento tiene propiedades capacitivas y se define como director porque provoca una amplificación de la radiación en la dirección que va del vibrador activo al director. Para comprender el principio de funcionamiento, considere un dipolo resonante y añádale un elemento pasivo colocándolo a una pequeña distancia. La radiación del dipolo excita al elemento pasivo, y con una diferencia de fase determinada por la distancia entre ambos. La naturaleza capacitiva debida a la menor longitud del elemento pasivo da lugar a un retardo adicional de las corrientes y tensiones en este elemento y, en consecuencia, en la fase del campo radiado por él. Como la diferencia de fase corresponde a la distancia entre los elementos, los dos campos radiados (elementos activo y pasivo) están en fase en un sentido y en antifase en el otro. Como las amplitudes de las oscilaciones en los elementos de la antena no son iguales, la suma de sus campos radiados aumenta en una dirección y disminuye en la otra.
La aparición de un único haz transversal utilizando un vibrador activo y un elemento pasivo sugiere que se puede conseguir una ganancia aún mayor utilizando el reflector y el director en lados opuestos del vibrador activo. Y así es. Una antena Yagi de tres elementos tiene una ganancia de hasta 6 dB. Se induce una corriente en el reflector, que tiene una longitud superior a la mitad de la longitud de onda, que a su vez es la fuente de la onda que amortigua la onda del vibrador activo. Los directores son algo más cortos, su resistencia es de naturaleza capacitiva, y deben estar espaciados algo menos de media longitud de onda para asegurar que las ondas del vibrador activo y de los directores estén en fase. La ganancia de una antena Yagi puede aumentarse incrementando el número de elementos, pero cada nuevo elemento adicional contribuirá cada vez menos. Para un número moderado de elementos, la ganancia de avance es proporcional a ese número.
Un conjunto de elementos Yagi puede describirse como una estructura de onda lenta. Por lo tanto, las antenas Yagi se clasifican como antenas de onda viajera. En una estructura de este tipo, se mantiene una onda no decreciente en la dirección de avance y las corrientes en los directores tienen aproximadamente valores únicos, aunque con un retardo de fase creciente. En este caso, la velocidad de fase de la onda se sitúa entre 0,7 y 0,9 de la velocidad de la luz.la luz la luz..
Representación tridimensional del diagrama de antena Yagi con 8 elementos, incluido un vibrador de bucle alimentado con 11 dBm de potencia