ANTENA HELICOIDAL INTRODUCCIÓN La antena helicoidal puede considerarse como la conexión entre la antena lineal y la antena de cuadro. Es una antena de VHF o de UHF de banda ancha que es perfecta para aplicaciones que en lugar de ondas electromagnéticas polarizadas verticales u horizontales requieren de radiación circular. La antena helicoidal es una forma de antena general donde la antena lineal y la de cuadro son casos especiales. Así, si una hélice de diámetro fijo, se comprime tendiendo a cero la separación entre espiras, la antena toma la forma de una antena de cuadro. Por otra parte, una hélice de espaciado fijo entre vueltas, si el diámetro de la hélice tiende a cero, se obtiene un conductor lineal. La antena helicoidal puede radiar en muchos modos. Dos de esos modos serán considerados con mayor detalle, ellos son: (1) el modo de radiación axial y (2) el modo normal de radiación. En el modo axial de radiación el campo es máximo en la dirección del eje de la hélice y es casi circularmente polarizado. El modo axial ocurre cuando la circunferencia de la hélice es del orden de una longitud de onda. Para una determinada hélice este modo de radiación persiste sobre una relativa amplia gama de frecuencias. En el modo axial de radiación, el campo es máximo en la dirección normal al eje de la hélice, y para cierta relación entre el espaciado y el diámetro, el campo es en teoría circularmente polarizado. Para el modo normal las dimensiones de la hélice pueden ser pequeñas comparadas con la longitud de onda, de manera que desde el punto de vista de la eficiencia y ancho de banda este modo no es aplicable en la práctica. Los diagramas de radiación de los modos normal y axial de una antena helicoidal son comparados con un conductor recto y una antena de cuadro pequeña (fig1). Es notorio que un diagrama de un conducto corto lineal, un cuadro chico y una hélice chica son idénticos (fig1).
Fig1
OBJETIVOS:
Conocer las antenas helicoidales. Comprender las características de las antenas helicoidales. Conocer las aplicaciones que se pueden realizar utilizando las antenas helicoidales.
TIPOS DE ANTENA HÉLICE Existen varios tipos de antena hélice, entre ellas mencionamos:
Antenas para walkie-talkies Las antenas helicoidales son sumamente utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. En efecto, el hecho de enrollar el monopolo en forma de hélice reduce sensiblemente el largo de la antena, reduciéndola a dimensiones razonables; así, una antena monopolo vertical que mediría 17 cm para la banda de radioaficionados de 70 cm, mide apenas cinco o seis en su forma helicoidal. La antena está enrollada en una vaina de caucho, lo que la hace flexible y evita que se rompa fácilmente.
Antenas para recepción satelital Otras antenas helicoidales son utilizadas en UHF para recibir señales satelitales (1575.42MHz). En efecto, la polarización de la antena helicoidal es circular, lo que es sumamente favorable para la recepción de satélites. Estas antenas se fabrican con las espiras separadas un poco menos que el diámetro mismo de la hélice.
Antenas Halo Caso límite de una antena helicoidal, se usan sobre todo en VHF. Son omnidireccionales y tienen buena ganancia.
PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LA ANTENA HELICOIDAL Polariza La polarización de la antena helicoidal es de tipo circular (horizontal y vertical por partes iguales).
Impedancia La impedancia de la antena hélice es baja. Por lo tanto, es preciso adaptarla a los 50 Ohmios de los transmisores con algún tipo de adaptador de impedancia.
Resonancia La antena hélice es resonante a una frecuencia fundamental.
El patrón de radiación de una antena helicoidal puede calcularse con facilidad si se considera como un sistema de radiación longitudinal de N fuentes isotrópicas, representando cada fuente una vuelta. Las antenas helicoidales son extremadamente directivas ya que aumentando el número de vueltas aumenta la directividad.
Estas antenas son usadas normalmente en radios de comunicación portátiles en la banda VHF (30-150 MHz), con el fin de reducir el tamaño del radiador a longitudes apropiadas. Con una adecuada selección de parámetros, el dipolo helicoidal es una estructura de radiación eficiente, con un desempeño en eficiencia de radiación igual a los dipolos de media onda. La aplicación de las antenas helicoidales en la banda de 800 a 900 MHz, además de la pérdida de ganancia, presenta otra desventaja respecto a su uso en frecuencias menores.
Dimensiones de la hélice
Los siguientes símbolos son utilizados para describir una hélice D= diámetro de la hélice C=circunferencia de la hélice= D L=longitud de una curva; S= espaciado entre curvas (centro a centro); N=número de vueltas A=longitud axial= NS
=ángulo de inclinación=
d=diámetro del conductor El diámetro D y al circunferencia C se refiere a una superficie cilíndrica imaginaria la cual
pasa a través del eje de la hélice. El subíndice significa que las medidas son hechas tomando como referencia la longitud onda en el espacio libre. Por ejemplo, D es el diámetro de la hélice en longitudes de onda. Si una vuelta circular de la hélice es desenrollada en un plano, la relación entre el espaciado s, circunferencia C, longitud de la curva L y ángulo de inclinación , han sido ilustradas en la fig3. Las dimensiones de la hélice son convenientemente representadas por una carta o grafica que relacionan el espaciado entre vueltas y su diámetro o espaciado vs circunferencia. En este gráfico las dimensiones de la hélice pueden
Fig3 relación entre las circunferencia, espaciado, longitud de la vuelta y ángulo de inclinación de la hélice. Fig3 relación entre las circunferencia, espaciado, longitud de la vuelta y ángulo de inclinación de la hélice.
expresarse en coordenadas rectangulares para el espaciamiento S y circunferencia
C, y en coordenadas polares para la longitud de una curva L y el grado de inclinación
. Cuando el espaciado es cero, 0, la hélice tiende a una espira. Por otra 0 parte, cuando el diámetro es cero, 90 , la hélice toma la forma de un conductor lineal.
MODOS DE RADIACION Y TRANSMISION DE HELICOIDES Es necesario distinguir entre los modos de radiación y de transmisión de la hélice.
El término “modo de transmisión” es utilizado para describir la manera en que la onda electromagnética se propaga a lo largo de la hélice como si esta constituyera una guía de onda o una línea de transmisión infinita. Una variedad de diferentes modos de transmisión son posibles. El término modo de radiación es usado para describir la forma general los patrones de campo lejano de una antena helicoidal finita. Nos interesan dos patrones en especial, el modo axial o haz de radiación (modo Rl), y el otro es el modo normal de radiación (modo Rho). El modo menor de transmisión para un conductor helicoidal tiene regiones adyacentes de cargas positivas y negativas separadas por algunas vueltas. Este modo es designado como el modo de transmisión To y la carga de distribución instantánea es como se muestra en la figura.
El modo To es importante cuando la longitud de 1 vuelta es pequeña comparada con la longitud de onda (L << ). El modo de transmisión y el modo de radiación apropiados para hélices muy pequeñas se pueden describir como ToRo. Para hélices de modo de transmisión de primer orden →Ti, se dice que la longitud de onda en el espacio libre es de I. Para el caso en que (nL << ), el máximo campo de la helicoide es normal al eje de la helicoide para todas las dimensiones que cumplan con nL << . Para ángulos de inclinación pequeños el modo de transmisión T1 tiene regiones positivas y negativas cargadas separadamente por 1/2 vuelta. También se tiene que la radiación de hélices con circunferencias del orden de I (C- I ) y # de vueltas (n >I). es bien definido el haz como máximo en la dirección del eje de la hélice. esto se llama "modo axial de radiación" y se designa R1. Una helicoide radiando en el modo axial puede ser llamada como una "antena helicoidal de haz". El campo en la dirección axial de una helicoide radiando en el modo axial esta polarizada circularmente o muy cerca. Los modos de transmisión superiores a T1, como T2 , T3 y T4 son valores permitidos
para valores grandes de C. Para ángulos de inclinación pequeños la carga aproximada de distribución alrededor de la helicoide para estos modos. En general el modo de radiación asociado con las dimensiones helicoidales cae dentro de ciertas áreas se llama multilobulado, otro ejemplo es el modo de cuatro lóbulos que ocurre cuando el espaciamiento es 1 longitud de onda y la longitud de una vuelta es 2 veces la 0 longitud de onda (= 30 ).