Tipos de antenas: dipolos, monopolos, Yagi, de cuadro, helicoidales y arrays

Dipolos

Los dipolos son antenas formadas por dos conductores de igual longitud, alimentados en su punto de unión. Se clasifican en:

• Dipolos Cortos: Su longitud (L) es mucho menor que la longitud de onda (λ).
• Dipolos Resonantes: Su longitud (L) está en el rango de 0.46λ a 0.48λ.

Diagrama de Radiación: La directividad de la antena aumenta con la longitud (L) en relación con λ, pero también aumenta el número de lóbulos. Para L < λ, solo hay un lóbulo orientado en θ.

Impedancia de Entrada (Zin): Depende de las dimensiones del dipolo. El objetivo de la resonancia es minimizar la impedancia de entrada y maximizar la transferencia de potencia.

Los dipolos son generalmente poco directivos y se utilizan típicamente en aplicaciones de radiodifusión, donde se busca una mínima directividad en el cenit.

Balunes

Los balunes se utilizan para simetrizar la corriente del dipolo. De las tres corrientes presentes, se debe anular la corriente exterior, de modo que Ia = Ib.

• Balun Bazooka: Consiste en un coaxial concéntrico de longitud L = λ/4 con un cortocircuito en la parte inferior.
• Balun Partido: Utiliza una línea de transmisión de λ/4 del mismo diámetro que el dipolo, conectada en paralelo y cortocircuitada en la parte inferior.

Monopolo sobre Conductor

Se basa en dos teoremas:

1. Teorema de Unicidad del Potencial: Dos distribuciones de carga son equivalentes si generan el mismo potencial.
2. Teorema de la Imagen: Permite sustituir la parte inferior del dipolo por una imagen especular, obteniendo monopolos resonantes con λ/4. Además, no es necesario simetrizar la alimentación.

Un monopolo apoyado en una red de varillas mejora la conductividad del suelo, lo que se traduce en un mejor rendimiento de radiación. Se utiliza en radiodifusión por su baja directividad.

Antena Yagi

Las antenas Yagi consisten en una serie de dipolos colocados en línea, con una longitud activa de aproximadamente 0.47λ. Se componen de:

• Reflectores: Situados detrás del elemento activo, son más largos que este y actúan como parásitos.
• Directores: Situados delante del elemento activo, son más cortos que este y también actúan como parásitos.
• Elemento Activo: Es el único elemento que está alimentado.

Al plegar el elemento activo, se aumenta la impedancia de entrada (Zin) y el ancho de banda (BW). Las antenas Yagi son muy utilizadas por su facilidad para obtener alta ganancia. Se emplean en aplicaciones de TV, VHF (30-300 MHz) y UHF (300 MHz - 3 GHz), así como en radioenlaces fijos.

La ganancia aumenta con la longitud de la antena, alcanzando valores de 15-18 dBi. La ganancia total (Etot) es la suma de los campos.

Antena de Cuadro

Las antenas de cuadro están formadas por hilos conductores en forma cerrada. Si son eléctricamente cortas, tienen un rendimiento de radiación muy bajo. Si son eléctricamente largas, presentan diagramas de radiación multilobulados. Se utilizan poco y solo en recepción.

Antenas Helicoidales

Las antenas helicoidales generan ondas con polarización circular. Su comportamiento depende de la longitud:

• Modo Normal: La longitud de onda (L) es mucho menor que λ, y la máxima radiación es perpendicular al eje. Presentan una resistencia de radiación baja y solo se usan en recepción.
• Modo Axial: El perímetro está en el orden de λ, entre 3/4λ y 4/3λ. La máxima radiación se produce en la dirección del eje.

Ofrecen un ancho de banda amplio, lo que las hace muy atractivas. Su ganancia típica está entre 10 y 17 dBi. Se utilizan en UHF (300 MHz - 3 GHz).

La directividad aumenta con la frecuencia en todas las antenas. En las helicoidales, también aumenta con el número de vueltas y la distancia entre ellas. Se puede calcular la directividad (D) como D = 12 * N * S / λ, donde S = π * d * tg(15º) y d = 1.35 cm.

Arrays de Antenas

Un array es una agrupación de antenas que radian o reciben de forma conjunta. Se manipula el diagrama de radiación para hacerlo directivo en una dirección y ancho en otra.

Se utilizan en telefonía móvil y aplicaciones espaciales. Tienen un alto coste y complejidad. Todos los elementos del array son iguales.

• Arrays Lineales Equiespaciados: Si se colocan en línea y se alimentan por un lado, se produce un desfase progresivo.

La dirección de máxima radiación puede ser:

• Broadside: Perpendicular al eje, con una separación de 0.3λ.
• Endfire: En la dirección del eje, con una separación de 0.4-0.6λ.

En configuración broadside, θ = 90º y con excitación uniforme, α = 0. El ancho del haz a -3 dB (Δθ-3dB) es aproximadamente 0.886λ / (N * d).

Si la separación entre elementos es λ/2 y se configura en endfire, aparece otro lóbulo en 180º.