Antena Dipolo.

La antena dipolo es uno de los diseños más fundamentales y ampliamente utilizados en el campo de las telecomunicaciones y la radiodifusión. Representa el arquetipo de muchas otras configuraciones de antenas más complejas, siendo a menudo el punto de partida para entender los principios básicos de radiación y recepción de ondas electromagnéticas. En los documentos enviados, se aborda este tipo de antena en múltiples contextos, destacando su simplicidad, eficacia y versatilidad.

• 1. Dirección de transmisión. (Direction of transmission)
• 2. Director. (Director)
• 3. Dipolo. (Dipole)
• 4. Reflector. (Reflector)
• 5. Línea de transmisión. (Transmission line)
• 6. Elemento radiante. (Radiating element)
• 7. Elemento parasitario. (Parasitic element)
• 8. Antena direccional. (Directional antenna)
• 9. Lóbulo principal. (Main lobe)
• 10. Patrón de radiación. (Radiation pattern)
• 11. Ganancia de antena. (Antenna gain)
• 12. Relación frente-espalda. (Front-to-back ratio)

Antenna elements — Elementos de antena (dipolo, reflector y director)

Antenna radiation and elements — Radiación y elementos de antena

• 1. Lóbulo principal. (Major lobe)
• 2. Director. (Director)
• 3. Elemento excitado / elemento activo. (Driven element)
• 4. Reflector. (Reflector)
• 5. Longitud de media onda. (Half-wavelength, λ/2)
• 6. Patrón de radiación. (Radiation pattern)
• 7. Antena direccional. (Directional antenna)
• 8. Ganancia direccional. (Directional gain)
• 9. Elemento parasitario. (Parasitic element)
• 10. Diagrama de lóbulos. (Lobe diagram)

La antena dipolo se caracteriza por estar compuesta por dos elementos conductores de igual longitud, colocados linealmente y separados por un pequeño espacio donde se conecta la línea de alimentación. En su forma más común, el dipolo de media longitud de onda, cada elemento tiene una longitud aproximada de un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia que se desea transmitir o recibir.

El principio básico de operación de un dipolo implica la generación de un campo electromagnético cuando se alimenta con corriente alterna. A medida que la corriente alterna fluye a través de los elementos, produce un campo eléctrico y magnético variable que se propaga hacia el espacio como una onda electromagnética. Esta radiación es más intensa en el plano perpendicular al eje del dipolo y mínima a lo largo de su eje, generando un patrón de radiación omnidireccional en el plano horizontal.

En los documentos revisados, se destacan varias variantes del diseño clásico de antena dipolo, cada una adaptada a diferentes aplicaciones y condiciones:

1. Dipolo de Media Longitud de Onda (Half-Wave Dipole):

   • Es el diseño más básico y común. Cada brazo del dipolo tiene una longitud igual a un cuarto de la longitud de onda.
   • Este diseño es ampliamente utilizado en aplicaciones de radiodifusión debido a su simplicidad y buen rendimiento en términos de ganancia.

2. Dipolo Plegado (Folded Dipole):

   • Consiste en un dipolo tradicional con un conductor adicional conectado en paralelo, formando una estructura en forma de bucle.
   • Proporciona mayor impedancia, lo que lo hace adecuado para sistemas que requieren adaptación de impedancia.

3. Dipolo de Banda Ancha (Broadband Dipole):

   • Está diseñado para operar en un rango amplio de frecuencias, sacrificando la selectividad de frecuencia para ganar versatilidad.
   • Se usa en sistemas de radiocomunicación y transmisión donde es necesario cambiar frecuencias rápidamente.

4. Dipolo de Cortocircuito (Shortened Dipole):

   • Diseñado para aplicaciones donde el espacio físico es limitado, como antenas móviles o portátiles.
   • Utiliza inductores o capacitadores para compensar la reducción de longitud física, manteniendo su resonancia en la frecuencia deseada.

5. Dipolo Alimentado por el Centro (Center-Fed Dipole):

   • Este diseño clásico se utiliza en la mayoría de las configuraciones básicas y sirve como base para el análisis teórico.

Los documentos analizados señalan diversas aplicaciones prácticas de las antenas dipolo, aprovechando su diseño simple pero efectivo:

1. Radiodifusión:

   • En estaciones de radio AM y FM, el dipolo es una opción ideal debido a su fácil instalación y bajo costo.
   • También se emplea en sistemas de televisión terrestre, especialmente para transmisiones en frecuencias VHF y UHF.

2. Telecomunicaciones:

   • Las antenas dipolo son componentes clave en sistemas inalámbricos, redes Wi-Fi y comunicaciones de corto alcance.
   • En entornos rurales, su configuración en torres altas permite cubrir grandes áreas con señales de radiofrecuencia.

3. Radioaficionados:

   • Es una de las antenas más populares entre los radioaficionados debido a su facilidad de construcción y adaptación para diferentes bandas de frecuencia.

4. Medición y Experimentación:

   • El dipolo se utiliza como referencia en laboratorios de investigación para caracterizar patrones de radiación y realizar calibraciones de equipos.

En los documentos, se proporciona una guía detallada para la construcción y ajuste de una antena dipolo. Algunos aspectos clave incluyen:

1. Cálculo de Longitud:

   • La longitud de cada brazo se determina usando la fórmula básica: L=c/2L , donde c es la velocidad de la luz y f la frecuencia de operación.
   • Para optimizar el rendimiento, se realizan ajustes menores para compensar los efectos del entorno y las propiedades del material conductor.

2. Materiales Comunes:

   • Se utilizan conductores como cobre o aluminio debido a su alta conductividad eléctrica.
   • Aisladores de cerámica o plástico son empleados en los puntos de soporte y alimentación.

3. Línea de Alimentación:

   • Generalmente se emplea un cable coaxial conectado al punto central del dipolo. Para garantizar un buen rendimiento, se puede utilizar un balun (balanceador-desbalanceador) que minimice las pérdidas y evite la interferencia.

4. Montaje:

   • Se instala típicamente en una posición elevada para maximizar la cobertura. En configuraciones fijas, se utilizan mástiles o torres.

Ventajas:

• Simplicidad: Su diseño es fácil de entender, construir y ajustar.
• Versatilidad: Puede ser adaptado para operar en diferentes bandas de frecuencia.
• Costo-Beneficio: Requiere pocos materiales y es económico de implementar.

Limitaciones:

• Banda Estrecha: En su forma básica, el dipolo no es ideal para aplicaciones de banda ancha.
• Sensibilidad al Entorno: Elementos como edificios o árboles pueden afectar su rendimiento.

El patrón de radiación del dipolo es crucial para comprender su desempeño. Los documentos describen que la radiación es más fuerte en el plano perpendicular al eje del dipolo, formando un patrón bidimensional en forma de "donut". Esto lo hace ideal para cubrir áreas uniformes en este plano.

Con el avance de la tecnología, las antenas dipolo han evolucionado para integrarse en sistemas modernos como:

• Redes 5G: Utilizadas como antenas de referencia para mediciones de propagación.
• Antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output): Los dipolos se combinan en configuraciones complejas para mejorar la capacidad y cobertura en comunicaciones inalámbricas.

La antena dipolo, a pesar de su simplicidad, sigue siendo un componente vital en las comunicaciones modernas. Su diseño básico permite múltiples adaptaciones y su desempeño confiable lo convierte en una elección predilecta tanto en aplicaciones comerciales como experimentales. Los documentos analizados muestran cómo este diseño clásico sigue evolucionando para satisfacer las demandas de la tecnología contemporánea, manteniendo su relevancia en un panorama tecnológico en constante cambio.

La antena fundamental es una varilla de metal que tiene una longitud o está cortada en el centro. El dipolo de media onda se coloca generalmente en posición horizontal respecto de la superficie de la tierra, pero también puede ser montada verticalmente o en forma oblicua. Otra de las cosas que identifican al dipolo de media onda es que es una antena de 0 db de ganancia. Esto es útil solamente cuando alguna otra estructura usada como antena ofrece ciertas ventajas en la concentración de radiación y puede ser comparada con el dipolo de media onda. Tal concentración de radiación es, como se verá, el equivalente de obtener mayor energía del trasmisor.

• Alrededor de 72 ohmios (Approximately 72 ohms)
• Alrededor de 2500 ohmios (Approximately 2,500 ohms)
• Antena base: los dipolos de media onda se utilizan como antenas base para sistemas de comunicaciones de alta frecuencia (HF), muy alta frecuencia (VHF) y ultra alta frecuencia (UHF) (Base station antenna: half-wave dipoles are used as base station antennas for high-frequency (HF), very-high-frequency (VHF), and ultra-high-frequency (UHF) communication systems)
• Antena dipolo (Dipole antenna)
• Antenas de telecomunicaciones y líneas de transmisión (Telecommunications antennas and transmission lines)
• Aplicaciones (Applications)
• Barra continua (Continuous rod)
• Barra cortada (Split rod)
• Centro (Center)
• Diagrama de radiación en coordenadas polares (Radiation pattern in polar coordinates)
• Dipolo plegado (Folded dipole)
• Dipolo plegado de media onda (Half-wave folded dipole)
• Dirección del eje del conductor (Direction of the conductor axis)
• Directividad: el dipolo de media onda tiene una directividad moderada y concentra la energía radiada en el plano perpendicular a su eje (Directivity: a half-wave dipole has moderate directivity and concentrates radiated energy in the plane perpendicular to its axis)
• Distribución de corriente y voltaje en un dipolo de media onda (Current and voltage distribution in a half-wave dipole)
• Ejemplo de posible diagrama de radiación de una antena (Example of a possible antenna radiation pattern)
• El dipolo simple es una varilla de material conductor (A simple dipole is a rod made of conductive material)
• En un alambre de tres longitudes de onda (B), la corriente I es máxima en el centro, mientras que el voltaje E es mínimo (In a wire three wavelengths long (B), current I is maximum at the center, while voltage E is minimum)
• En un alambre de una longitud de onda (A), la corriente I es mínima en el centro, mientras que el voltaje E es máximo (In a wire one wavelength long (A), current I is minimum at the center, while voltage E is maximum)
• Espaciado (Spacing)
• Estructura: el dipolo plegado es similar a un dipolo de media onda, pero incorpora un conductor adicional paralelo. Ambos conductores están conectados en sus extremos y forman un bucle (Structure: a folded dipole is similar to a half-wave dipole but includes an additional parallel conductor. Both conductors are connected at their ends, forming a loop)
• Ganancia: la ganancia típica de un dipolo de media onda es aproximadamente 2,15 dBi, expresada en decibelios respecto de una antena isotrópica (Gain: the typical gain of a half-wave dipole is approximately 2.15 dBi, expressed in decibels relative to an isotropic antenna)
• Ganancia y directividad (Gain and directivity)
• Impedancia de antena (Antenna impedance)
• Impedancia de entrada: aproximadamente 300 ohmios en resonancia (Input impedance: approximately 300 ohms at resonance)
• La corriente es máxima en el punto medio del elemento de media onda y mínima en los extremos (Current is maximum at the midpoint of the half-wave element and minimum at its ends)
• La longitud total del dipolo de media onda se calcula como L = λ / 2 (The total length of a half-wave dipole is calculated as L = λ / 2)
• Línea de transmisión (carga) (Transmission line (load))
• Longitud de onda de la señal (λ) (Signal wavelength (λ))
• Longitud de un cuarto de onda (λ / 4) (Quarter-wavelength length (λ / 4))
• Longitud de media onda aproximada (λ / 2) (Approximate half-wavelength length (λ / 2))
• Más alta que R_a (Higher than R_a)
• Máximo (Maximum)
• Mínimo (Minimum)
• Montaje: un dipolo de media onda puede montarse horizontal o verticalmente, según la polarización deseada. Se recomienda instalarlo a una altura considerable sobre el suelo para mejorar su rendimiento (Mounting: a half-wave dipole can be mounted horizontally or vertically, depending on the desired polarization. Mounting it well above ground is recommended to improve performance)
• Ondas estacionarias en un conductor: la relación E / I no es constante a lo largo del conductor (Standing waves in a conductor: the E / I ratio is not constant along the conductor)
• Perímetro (P) (Perimeter (P))
• Polarización: la polarización de un dipolo de media onda es lineal. Un dipolo horizontal produce polarización horizontal y uno vertical produce polarización vertical (Polarization: a half-wave dipole has linear polarization. A horizontal dipole produces horizontal polarization, and a vertical dipole produces vertical polarization)
• Punto de media potencia (Half-power point)
• Resistencia de antena (R_a) (Antenna resistance (R_a))
• Uso general: los dipolos de media onda se utilizan ampliamente en radioafición, radiodifusión, televisión y comunicaciones inalámbricas (General use: half-wave dipoles are widely used in amateur radio, broadcasting, television, and wireless communications)
• Varilla cortada en el centro (Rod split at the center)
• Voltaje máximo en los extremos y mínimo en el centro (Voltage is maximum at the ends and minimum at the center)

Dimensiones de la media onda

La mayoría de los sistemas de antena están basados en la antena Hertz o de media onda, cuya longiitud es aproximadamente la mitad de la longitud de onda transmitida, y que está alimentada en los puntos centrales.

La figura siguiente ilustra la configuración y diagrama de radiación en espacio libre de la antena de media onda. Nótese que los diagramas de radiación en los planos X-Z e Y-Z de la antena están aplanados en forma de ocho, con un máximo de radiación que se produce a los costados de la antena, mientras que el diagrama de radiación en el plano X-Y (perpendicular a las varillas de la antena) es omnidireccional; es decir, igual en todas direcciones.

Figura : Diagramas de radiación de antena de media onda (Hertz).

La resistencia de antena de un sistema horizontal, muy fino, de media onda es aproximadamente 73 ohms, pero varía considerablemente con la altura de antena (en longitudes de onda) por encima de tierra. La resistencia de antenas más finas es algo mas baja. Para obtener una buena adaptación, las antenas de media onda se alimentan generalmente en el centro por medio de una línea de transmisión de 75 ohms, balanceada. Si se debe adaptar una impedancia diferente en el otro extremo de la línea, se debe conectar una sección adaptadora de cuarto de onda, ver "Líneas de transmisión" . La impedancia media de una antena de media onda está dada aproximadamente por,

donde P es la periferia de la varilla de antena en longitudes de onda. La longitud física de una antena de media onda, por encima de 30 Mc/s es aproximadamente el 5% menor que la longitud en espacio libre, es decir,

de otra manera :

La longitud de onda simbolizada por la letra griega lambda (λ), en el espacio libre, está dada por:

Dado que generalmente las dimensiones de las antenas dipolos se dan en pies y en pulgadas, se consignan a continuación las fórmulas de conversión para trabajar en esas unidades:

Los materiales conductores de diámetro mayor a una pulgada, usados para antenas trasmisoras, permiten una velocidad de propagación del 95 % de su velocidad en el espacio libre. Por lo tanto, la ecuación para 1/2 λ en espacio libre se modifica por el factor VP de valor 0,95:

La longitud física de la antena disminuye al aumentar el diámetro de los conductores de antena. Para aquellas construidas con varillas o tubos y que trabajan por encima de 30 Mc/s, se deben usar las siguientes fórmulas (ver figura siguiente para corrección del factor K) :

Figura: Relación de media longitud de onda del diámetro del conductor

PROBLEMA 3. Calcular la longitud física de un tubo de 1,27 cm de diámetro alimentado en el centro, y la impedancia a 200 Mc/s.

SOLUCIÓN. A 200 Mc/s, media longitud de onda en el espacio es,

La relación entre media longitud de onda y el diámetro del conductor es

y de la gráfica de curvas anterior, K = 0,96 (aproximadamente). Por lo tanto,

Resonancia en el dipolo de media onda

Las características de la antena de media onda, pero con una resistencia de antena mayor, se obtienen con el dipolo plegado de media onda ilustrado a contiuación. El dipolo plegado tiene la misma longitud total y diagrama de radiación que la antena común de media onda, y su resistencia de radiación es también la misma (aproximadamente 73 ohms). Sin embargo el hecho de que la línea de transmisión "ve" solamente la mitad de la corriente en el punto de alimentación, da origen a una transformación de impedancia que aumenta la resistencia de la antena (R_a) en un factor de 4 para conductores de igual tamaño. Entonces para el dipolo plegado, la resistencia de antena, R_a = 4 X 73 ohms = 292 ohms = 300 ohms. Una línea de transmisión balanceada de 300 ohms, puede usarse entonces para adaptar directamente un dipolo plegado a la entrada de 300 ohms de un televisor o receptor de radio. La impedancia de un dipolo plegado es aproximadamente 0,8 veces el de la antena común de media onda cuando el espaciado entre los conductores es pequeño comparádo con la longitud de onda.

Figura : Dipolo plegado de medía onda.

Todo dipolo de media onda es el equivalente de un circuito resonante. Tiene L, C y R distribuidas. La L está presente en el elemento metálico cuando circula corriente. La C existe entre las porciones metálicas de la antena, y entre ésta y tierra. La R toma la forma de pérdidas eléctricas asociadas con la corriente de RF, así como la resistencia a corriente continua del metal.

Como en un circuito convencional L-C, el dipolo de media onda puede resonar solamente a una frecuencia, es decir a la frecuencia para la cual fue cortado. Esta frecuencia está determinada principalmente por L, que es la longitud de los elementos de antena. Para cambiar la frecuencia de resonancia, es necesario alterar la longitud. Si bien el dipolo de media onda, como cualquier circuito L-C está dimensionado para trabajar sobre una determinada frecuencia, puede hacerlo también sobre frecuencias vecinas a la de resonancia. Como es imposible dar límites definidos al ancho de banda de una antena y aplicarlo a cada una de ellas, podemos decir que el ancho de banda usual es una cantidad porcentual de la frecuencia de resonancia, por encima y por debajo de ella. El hecho de que la antena se sintoniza en forma suave o abrupta es una función de su Q, el cual es a su vez una función del diámetro exterior de los elementos. Cuanto mayor es este diámetro menor es el Q, y por lo tanto mayor es el ancho de banda. Igualmente importante es el hecho de que un diámetro exterior superior a 2,5 pulgadas reduce la longitud física del dipolo para cualquier frecuencia, en un 10 % menos del que tendría un dipolo de 0,5 a 1 pulgada de diámetro exterior.

La imagen muestra tres configuraciones de antenas direccionales del tipo Yagi-Uda, destacando la disposición de los elementos principales:

• Dipole (Dipolo): elemento activo central, alimentado por la línea de transmisión.

• Director: elemento pasivo situado delante del dipolo, en la dirección de transmisión. Su función es aumentar la ganancia en esa dirección.

• Reflector: elemento pasivo situado detrás del dipolo, que refleja la señal hacia el director para reforzar la directividad.

• Transmission line (Línea de transmisión): cable que conecta el transmisor (o receptor) con el dipolo.

• Direction of transmission: flecha que indica la dirección de propagación de la señal emitida.

La disposición de reflector, dipolo y director crea un patrón de radiación altamente direccional, lo cual es característico de las antenas Yagi. Cada configuración en la imagen presenta variantes en la ubicación del reflector, afectando levemente la directividad y el diagrama de radiación.

(antena dipolo). (Véase ANTENNA, DIPOLE).