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

¿Qué es una antena dipolo?

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

Un «dipolo» significa «dos polos», por lo que la antena dipolo consta de dos elementos conductores idénticos, como varillas o hilos metálicos. La longitud de los hilos metálicos es aproximadamente la mitad de la longitud de onda máxima (es decir,) en el espacio libre a la frecuencia de funcionamiento.

Este alambre o varilla se divide 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.

La fuente de tensión de radiofrecuencia (RF) se aplica al centro entre las dos secciones de la antena dipolo. Esta tensión 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 el exterior de la antena.

La corriente es máxima y la tensión es mínima en el centro de la antena dipolo. A la inversa, la corriente es mínima y la tensión es máxima en los extremos de la antena dipolo.

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

Nótese que el diagrama de radiación es la representación gráfica de las propiedades de radiación de las antenas en función del espacio, es decir, el diagrama de radiación de la antena describe cómo la antena irradia energía hacia el espacio.

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

Diseño de antenas dipolo

Podemos diseñar muchas antenas dipolo que operarán en las bandas 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 que la longitud de onda de una onda de radio o de cualquier otra onda varía de forma inversamente proporcional a la frecuencia. viene dada por:

(1)

Donde, C = velocidad de la luz =

f = frecuencia, en Hertz

= longitud de onda, en metros

Por tanto,

(2)

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

(3)

Así, a partir de la ecuación (3) podemos decir que, si utilizamos 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 no tenemos en cuenta 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 interferencias entre las corrientes excitadoras y oscilantes y debido a eso la amplitud de la 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 alrededor del 5% y hace que su longitud física sea aproximadamente el 95% de la mitad de la longitud de onda.

Así, para obtener la 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,

(4)

El valor de K depende del grosor del conductor y de la frecuencia de funcionamiento. Este valor de K es preciso para el cable de la antena a una frecuencia de hasta 30 MHz.

Selección de la impedancia de alimentación o resistencia de radiación

La impedancia de alimentación de un dipolo se define por la relación entre la tensión y la corriente en el punto de alimentación. Normalmente se alimenta en el punto mínimo de tensión 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. Adaptando la impedancia de alimentación a la impedancia de la fuente o de la carga, la antena puede funcionar con su máxima eficacia.

La resistencia a la radiación o una impedancia de alimentación de entrada de una antena dipolo ideal en el espacio libre puede modelarse aproximadamente por una impedancia de 73 Ω y en condiciones prácticas varía de 60 Ω a 70 Ω. La impedancia de la antena puede modificarse 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 puede ser alimentada con cable coaxial de dos hilos de 75 Ω que es una buena coincidencia para una antena dipolo de media onda.

También, el dipolo de media onda puede ser alimentado con una línea de transmisión de impedancias 300 Ω, y 600 Ω línea de alambre abierto con dipolos plegados de acuerdo a las capacidades de manejo de potencia.

Utilizar alimentador balanceado o Balun

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

Cable coaxial

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

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

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

Aislador de tensión

Un aislante de tensión es un aislante eléctrico que está diseñado para soportar el tirón de un cable eléctrico suspendido o alambre.

Se inserta entre dos longitudes del cable conductor, para aislarlos eléctricamente entre sí. Se utiliza en el cable eléctrico suspendido, para soportar las antenas de radio y las líneas eléctricas aéreas.

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

Tipos de antenas dipolo

Los tipos más comunes de una antena dipolo son la antena dipolo de media onda. Hay muchos tipos de antenas dipolo puede ser diseñado. Vamos a explicar los principales tipos de antenas dipolo en detalle.

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 una antena dipolo plegada.

Como el nombre implica que la forma de la antena dipolo se pliega sobre sí mismo. En la antena dipolo plegada, dos dipolos de media onda – uno continuo y el otro dividido en el centro se doblan y se unen en paralelo en los extremos. El dipolo dividido se alimenta en el centro con una línea de transmisión equilibrada. Por lo tanto, los dos dipolos tienen las mismas tensiones en sus extremos y se generan dos corrientes idénticas.

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

Antena dipolo plegada de dos hilos

Si dos antenas dipolo se conectan en paralelo para formar un bucle de alambre fino, entonces se conoce como una antena dipolo plegada de dos hilos.

Si el radio de ambos conductores es igual, entonces corrientes iguales fluyen 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 una corriente ‘I/2’. Por lo tanto, con la misma potencia aplicada, sólo la mitad de la corriente fluye en el primer dipolo, y por lo tanto la impedancia de entrada aumenta y se convierte en cuatro veces. La antena dipolo plegada se muestra en la figura siguiente.

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

Donde, n = n. de hilos de la antena

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

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

Antena dipolo plegada de tres hilos (tripolo plegado)

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

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

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

Así, para un dipolo plegado de tres hilos con igual radio, la impedancia de entrada o resistencia de radiación viene dada por

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

Así pues, la antena dipolo plegada o la antena tripolar tiene una importante propiedad de transformación de la impedancia. Esto hace que sea fácil de igualar con una línea de transmisión que alimenta la antena. También es posible cambiar la impedancia de entrada manteniendo los radios de los dos dipolos desiguales. En esta condición, un flujo de corriente más grande a través de un dipolo más grueso y por lo tanto podemos mantener cualquier impedancia de entrada deseada.

Ventajas de una antena de dipolo plegado

Algunas de las ventajas de una antena de dipolo plegado incluyen:

1. Tiene alta impedancia de entrada; por lo tanto, hace que sea fácil para que coincida con la línea de transmisión.
2. Tiene frecuencia de banda ancha es decir, Tiene una frecuencia de banda ancha, es decir, un amplio ancho de banda, por lo que es adecuada para la radiodifusión de FM y TV.
3. Tiene una alta ganancia y una 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 dipolo de media onda polarizada verticalmente. La antena dipolo de FM se utiliza principalmente ya que es para construir y es adecuado para proporcionar una mejor recepción de la emisión de FM VHF. La antena dipolo FM se muestra en la siguiente figura.

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

La antena dipolo de FM se utiliza generalmente para la gama de frecuencias de radiodifusión de FM entre 88 MHz y 108 MHZ.

Antena dipolo de abanico

La antena dipolo de abanico o antena de cable multibanda es aquella en la que se conectan múltiples dipolos con una línea de alimentación común, y se extienden como un abanico, de ahí que se llame antena dipolo de abanico.

Como su nombre indica, la forma de la antena dipolo de abanico parece un abanico. También se conoce como antena dipolo en paralelo.

En la antena dipolo en abanico, cada dipolo de la banda múltiple se corta desde el centro de las bandas y se conecta a un alimentador común. El dipolo debe ser cortado desde donde queremos que irradie. Cuando se transmite la señal, sólo 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 en abanico se muestra en la figura anterior. Se trata de una antena dipolo en abanico de 4 bandas. Aquí, utilizamos dipolos multibanda de 80 m, 40 m, 20 m y 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 los dipolos de 80 m, en esta condición, recibimos la señal sólo de las bandas de 80 m porque tiene una impedancia más baja mientras que otras bandas de 40 m, 20 m y 10 m tienen una impedancia más alta en comparación con el elemento radiante de 80 m.

De forma similar, cuando el dipolo de 40 m está radiando, sólo recibimos la señal de las bandas de 40 m porque tiene una impedancia menor en comparación con el otro dipolo. Tenga en cuenta que de acuerdo con la Ley de la corriente de Kirchhoff, los otros dipolos también están radiando 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 el nombre sugiere que, la longitud total de la antena dipolo es igual a la media longitud de onda () en la frecuencia de operación.

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

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

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

El diagrama 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.

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

Antena dipolo corta

La antena dipolo corta 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 inferior a la mitad de la longitud de onda es decir,().

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

La longitud de la antena de dipolo corto entre a . es decir, . La distribución de la corriente en la antena de dipolo corto es aproximadamente triangular. La antena básica de dipolo corto y la distribución de corriente en ella se muestran en la siguiente figura.

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

Una antena dipolo corta se utiliza 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 utiliza ampliamente en la radio y las telecomunicaciones.
• Una antena puede utilizarse como antena transmisora o como antena receptora. Una antena transmisora se utiliza para convertir las señales eléctricas en ondas electromagnéticas e irradiarlas. Mientras que una antena receptora se utiliza para convertir las ondas electromagnéticas en señales eléctricas. En la comunicación bidireccional, la misma antena dipolo puede utilizarse tanto para la transmisión como para la recepción.
• Una antena dipolo de media onda se utiliza en los receptores de radio y televisión.
• Una antena dipolo plegada se utiliza en las antenas Yagi-Uda para la recepción de televisión terrestre (TV) utilizando la línea equilibrada de Z0 = 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 línea de transmisión.
• La antena dipolo plegada se utiliza en operaciones de banda ancha como la emisión de FM y TV (Televisión).
• Las antenas de VHF y UHF se utilizan en la comunicación móvil terrestre en las zonas costeras, la seguridad pública, la comunicación pública y las aplicaciones industriales.
• La antena dipolo de FM se utiliza como una antena de recepción de radiodifusión de FM para la banda de radiodifusión de FM de 88 MHz a 108 MHz.
• Una antena de reflector parabólico se utiliza comúnmente para las comunicaciones por satélite, la radioastronomía, y para diversos tipos de enlaces de comunicación de radio.