Antenas Helicoidales: Modo Normal de Radiación

En el modo normal de operación el campo radiado es máximo en la dirección normal y para ciertas geometrías, en teoría, emitirá ondas polarizadas circularmente. Para un modo normal de operación las dimensiones de la hélice deben ser pequeñas comparadas con la longitud de onda, que es, . El modo normal de la hélice es eléctricamente pequeño y con eficiencia baja.

Como la hélice es pequeña se asume que la corriente es constante en magnitud y fase sobre su longitud. El patrón de campo lejano es independiente del número de vueltas y puede ser obtenido examinando una sola vuelta. Una vuelta puede aproximarse a un lazo pequeño y a un dipolo ideal como se muestra en la figura 1. [9].

Fig. 1. (a) (b) (c) Dimensiones de la hélice lazo y dipolo [9].

El campo eléctrico en la zona lejana para un dipolo ideal es: [10].

Donde S es el espacio entre las curvas o vueltas helicoidales, es la longitud del dipolo ideal en la figura 1. El campo eléctrico en la zona lejana de un lazo pequeño es: [10].

Donde es el área del lazo. La radiación total de campo para una sola vuelta o curva como se modela en la figura 1, es la suma de los vectores de campo en la figura 1 y 2. Nótese que ambas componentes tienen un patrón y están desfasados . El eje radial de polarización de la elipse se encuentra del radio de la figura 1 y 2. [10].

Como las componentes perpendiculares están desfasadas , la polarización circular es obtenida si el radio axial es la unidad. Esto ocurre para

Figura 2 (a) Geometría usada (b) patrón de radiación para y . [9].

El cual fue encontrando igualado la ecuación anterior a la unidad. Esta polarización circular se obtiene en todas las direcciones excepto donde el patrón de radiación es cero. De la figura 3 se observa que: [10].

Fig. 3. Curva de la hélice no enrollada [9].

Para una polarización circular en el modo normal, la circunferencia de la hélice está dada por:

Esta es una ecuación cuadrática que puede ser resuelta para S como:

Utilizando solo el signo positivo para mantener la longitud física de S, se obtiene el ángulo de inclinación para la polarización circular.

Referencias:

[8]Kinayman Noyan, M. I. Aksun, “Modern Microwave circuits”, Artech House Inc Boston.London, 2005;

[9]Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House Inc Boston.London, 2001;

[10]Perez Reinaldo, “Wireless Comunication Design HandBook” Volume 3: Interference Into Circuits, Academic Press. Boston. London. 1998

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Antenas Helicoidales: Introducción

Si un conductor tiene forma helicoidal y alimentación propia, este se refiera a una antena helicoidal o simplemente hélice. La geometría típica para una hélice se muestra en la figura 5.1. Si una vuelta o curva de la hélice no está enrollada, la relación entre varios parámetros de hélices se revela en la figura 5.2. [8].

Fig. 5.1. Geometría y dimensiones de una antena helicoidal. [9].

Los términos usados para describir la geometría de una antena helicoidal se definen como sigue: [8].

Nótese que cuando la hélice se reduce a una antena de lazo y cuando esta se reduce a una antena linear. La hélice puede trabajarse en dos modos, el modo normal y el modo axial.

El modo normal produce radiación muy intensa en su eje normal. Esto ocurre cuando el diámetro de la hélice es pequeño en comparación con la longitud de onda. El modo axial tiene su radiación máxima a lo largo del eje de la hélice. Cuando la circunferencia de la hélice está en orden de la longitud de onda el modo axial resultaría útil. [9].

Fig. 5.2. Curva de la hélice no enrollada [9].

Referencias:

[8] Kinayman Noyan, M. I. Aksun, “Modern Microwave circuits”, Artech House Inc Boston.London, 2005;

[9] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House Inc Boston.London, 2001;

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Antena yagi: Diseño

Figura 1. Geometría de diseño en FEKO

Resultados del Diseño:

Figura 2. Diagrama de Radiación de antena Yagi

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Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director

Cuando el parásito funciona como reflector, la ganancia máxima llega a 5 dB para una distancia dipolo-parasito de . Esta distancia no es crítica y entre y la ganancia disminuye poco. Para , la resistencia de radiación del dipolo es casi la misma que si el dipolo estuviera solo. La relación delante-atrás de la ganancia es del orden de 5 dB, siendo la radiación hacia atrás inferior en 1 dB a la del dipolo solo.

Cuando el parásito funciona como director, la ganancia máxima tiene lugar para una distancia dipolo-parasito de ; alcanza casi 6 dB. La ganancia hacia atrás es algo superior a la de una antena de media onda sola. La relación ganancia hacia adelante-ganancia hacia atrás es de unos 5 dB. La resistencia de radiación es muy pequeña, del orden de 13 ohm. La mejor relación delante-atrás se obtiene para una separación dipolo parásito de y alcanza 20 dB, pero la ganancia hacia adelante cae a 2.5 dB y la resistencia de radiación es pequeña, próxima a 17 ohm. Para alimentar esta antena hay que emplear un trasformador de impedancia que eleve la débil resistencia de radiación a un valor compatible con la impedancia de los feeders. Por otra parte, la resistencia óhmica deberá hacerse lo más pequeña posible para que le rendimiento de la antena sea satisfactorio.

La máxima ganancia para un reflector se obtiene cuando este es más largo que el dipolo en un 5% aproximadamente, y la máxima ganancia como director se obtiene cuando este es aproximadamente un 5% más corto que el dipolo.

Cuando el elemento parásito ya no está en resonancia, presenta cierta reactancia, inductiva si es demasiado largo, capacitiva si es demasiado corto.

Al momento de construir una antena yagi, se comprueba que el efecto de un director a es compensado por el efecto de un reflector a . Aunque el efecto producido por un director o un reflector depende de la longitud de estos elementos, es decir, de su sintonía. Así, según sea la sintonía del director, la longitud del dipolo estará comprendida entre 14.325/F y 15.248/F cm. Esto para un director a (sin reflector). Para un reflector a , la longitud del dipolo estará comprendida entre 14.325/F y 13.868/F (sin director). Un buen valor para la longitud del reflector es 1.05 veces la longitud del dipolo, y para la longitud del director es 1.05 veces la longitud del dipolo.

En la figura siguiente se describe el dimensionamiento para la fabricación de una antena yagi de hasta 4 elementos:

Longitud de los elementos, ganancia y resistencia de radiación [11]

De esta manera y de forma general se puede considerar que la longitud del dipolo (alimentador) está dada por:

La longitud del reflector según el número de elementos viene dada por:

La longitud del primer director según el número de elementos es:

La separación entre dipolo y reflector suele ser de:

La distancia entre dipolo y primer director es de:

La distancia entre primer director y segundo director es de:

El trecho entre el segundo director y el tercer director es de:

El trecho entre el tercer director y el cuarto director es de 2:

La distancia entre los directores siguientes suele ser de 0.25 longitudes de onda y sus dimensiones suelen disminuir en 0.01 longitudes de onda cada 2 directores.

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

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