Cortar una antena de látigo a la medida

La antena de látigo, formalmente conocida como antena monopolo o “Marconi”, es un diseño básico clásico y ampliamente utilizado. Es tan simple como puede ser una antena, su teoría se ha estudiado ampliamente y en la práctica se usa en muchas variaciones en automóviles, radios portátiles y torres de transmisión, solo por mencionar algunos ejemplos (Figura 1). Es relativamente fácil construir una que sea lo suficientemente robusta para uso móvil y que pueda adaptarse a los requisitos de la aplicación.

Figura 1: La antena monopolo se usa ampliamente en aplicaciones como automóviles (izquierda); la banda FM de radios portátiles AM/FM (centro); y walkie-talkies especializados (derecha). (Fuentes de las imágenes: Wikipedia, C.Crane y Delmmar Communications Corp.)

El principio de la antena monopolo es simple. Tiene un solo elemento accionado ubicado en la parte superior que está aislado de un plano de tierra infinito. Este plano de tierra puede ser tierra real o una gran superficie conductora. El monopolo se puede considerar una variación de la antena dipolo, también ampliamente utilizada, pero en el monopolo, un lado del dipolo es el plano de tierra (Figura 2).

Figura 2: El monopolo tiene un solo elemento accionado sobre un plano de tierra (a) y se puede analizar como un dipolo en el que se acciona un brazo mientras que el plano de tierra crea una imagen en espejo del campo eléctrico (b). (Fuente de la imagen: Flightradar24)

El plano de tierra permite que la antena monopolo sea el equivalente eléctrico de una antena dipolo, donde el plano de tierra reemplaza la mitad inferior con un principio de formación de imágenes similar a la creación de una imagen óptica mediante un espejo.

Acortamiento

Dos factores que afectan el rendimiento práctico de la antena monopolo teórica: la naturaleza no ideal del plano de tierra y las dimensiones físicas y la construcción del propio monopolo radiante. En la mayoría de las aplicaciones, no se puede hacer mucho con respecto al plano de tierra, ya que generalmente lo define la instalación, como la superficie de un automóvil o la carcasa de una radio portátil.

La situación del elemento monopolo es diferente a la del plano de tierra. Para ser un radiador efectivo de energía electromagnética a la frecuencia operativa, la longitud del monopolo es crítica, idealmente un cuarto de la longitud de onda operativa, λ (lambda). Por esta razón, los monopolos a veces se denominan antenas de "cuarto de onda". Un monopolo de cuarto de onda ideal con un plano de tierra ideal tiene una impedancia de entrada de poco menos de 40 Ω (ohmios).

Repasando las matemáticas, un cuarto de longitud de onda ideal es 75 m (metros) a 1 MHz (megahercio), 7.5 m a 10 MHz, 75 cm (centímetros) a 100 MHz y 7.5 cm a 1 GHz (gigahercios). En la práctica, a menudo no es práctico utilizar la longitud ideal, especialmente en las frecuencias más bajas. Una antena de un cuarto de longitud para la banda de transmisión FM (88 a 108 MHz) es práctica a aproximadamente 75 cm (30 pulgadas), pero una para la banda AM (550 kHz [kilohercios] a 1.6 MHz) no es práctica ya que sería de 100 veces esa longitud.

Afortunadamente, la longitud y los materiales de construcción del monopolo brindan muchos grados de libertad y flexibilidad de diseño, en contraste con las limitaciones del plano de tierra disponible. La corrección más evidente para una longitud inaceptable es acortar el monopolo, pero hacerlo tiene consecuencias de RF (radiofrecuencia); a medida que se acorta, su impedancia se vuelve capacitiva y es un radiador menos efectivo. También hay cambios en el patrón de radiación, el ancho de banda y otros parámetros. La forma más común de compensar estos cambios es agregar una bobina de carga inductiva a la antena. Si bien esto parece bastante simple, hay muchas maneras de agregar este elemento inductivo, y cada enfoque trae ventajas y desventajas con respecto al rendimiento de la antena.

Por lo tanto, no es suficiente calcular cuánta inductancia se necesita y simplemente agregarla. Cómo y dónde se agrega esta inductancia hace una gran diferencia en su rendimiento real en comparación con la teoría.

Compensar el acortamiento

Hay varias formas de agregar la inductancia de la bobina de carga, y el valor real de la inductancia depende de la ubicación hasta cierto punto (Figura 3). La bobina de carga a menudo se implementa como parte del monopolo y no como un elemento distinto y separado, al igual que un cable recto se enrolla para crear un inductor. Usar el elemento monopolo de esta manera es generalmente menos costoso y más robusto que tener un componente inductivo discreto conectado a la antena.

Figura 3: El inductor utilizado para compensar la impedancia capacitiva de la antena monopolo acortada se puede colocar de muchas maneras. (Fuente de la imagen: webclass.org)

Entre los enfoques se encuentran:

Carga básica: Una inductancia en serie se encuentra en la base de la antena. Esto requiere un valor de inductancia relativamente menor, pero no aumenta la efectividad de la radiación tanto como en otros lugares.

Carga central: Utiliza una inductancia algo mayor, pero aumenta la efectividad de la radiación.

Carga superior: Ofrece la máxima mejora en la eficiencia de la radiación, pero necesita un inductor aún más grande, lo cual es un desafío mecánico por razones obvias.

Carga helicoidal o continua: Ofrece un buen compromiso, ya que distribuye la inductancia y también proporciona una antena fuerte pero flexible; muchas de las llamadas antenas de látigo “patito de goma” en radios walkie-talkie portátiles utilizan esta técnica.

Carga mitad y mitad: La mitad de la antena está hecha como una bobina de carga y la otra mitad no; el uso ya sea de la mitad superior o inferior tiene un impacto significativo en las características de rendimiento.

Carga superior capacitiva: Combina una bobina de carga central con un elemento capacitivo plano en la parte superior; si bien esto parece contraproducente, aumenta la resistencia a la radiación, la eficiencia y el ancho de banda.

En resumen, hay muchas opciones asociadas al diseño de antena deseado y a la implementación física real. Tenga en cuenta que, con las antenas no ideales, y todas son no ideales de alguna manera, hay muchos factores secundarios que afectan el rendimiento real, incluido el grosor del cable o tubería conductora de la antena y cualquier recubrimiento protector que pueda tener. Las herramientas avanzadas de análisis de campos electromagnéticos pueden hacer un muy buen trabajo al modelar el rendimiento y tenerlos en cuenta en el diseño, pero las pruebas de campo siguen siendo necesarias.

¿Construir o comprar?

Es posible construir su propia antena y hacerlo puede tener sentido para un diseño personalizado único o un proyecto personal. Sin embargo, construir incluso la simple antena monopolo para usarla a escala requiere sofisticación en el diseño, selección de materiales, fabricación y evaluación. Afortunadamente, hay miles de antenas estándar disponibles de proveedores que están listas para usar y vienen con especificaciones operativas y de rendimiento detalladas, así como asistencia técnica.

Dos ejemplos muy diferentes de antenas de 915 MHz de Taoglas Limited ilustran la amplia gama de opciones. La HA.31.A es una antena de látigo helicoidal de apariencia simple que mide 10.7 mm (milímetros) de largo, con un diámetro de 10.2 mm (Figura 4). Hecho de aleación de cobre, es mecánicamente resistente y está diseñado para soldarse directamente a la placa de circuito integrada en un dispositivo, como un medidor inteligente, un sistema de seguridad, un monitor de activos remoto u otros dispositivos de comunicación inalámbrica.

Figura 4: La HA.31.Una antena monopolo helicoidal de 915 MHz básica tiene solo 10.7 mm de largo y está diseñada para montarse en una placa de circuito impreso protegida en dispositivos integrados. (Fuente de la imagen: Taoglas)

La HA.31.A presenta un ancho de banda de 3 dB (decibelios) de 902 a 928 MHz, ofrece una ganancia máxima isotrópica (dBi) de 2 dB y una eficiencia del 68 % a 915 MHz en un plano de tierra de 126.8 × 80.1 mm.

Por el contrario, la FW.95.B.SMA.M es una antena de látigo de base cargada de 226 mm de aspecto más tradicional diseñada para uso en exteriores (IP65 resistente al polvo y al agua), complementada por un conector recto tipo SMA (subminiatura versión A) (M) en su base (Figura 5).

Figura 5: La Taoglas FW.95.B.SMA.M es una antena de látigo helicoidal reforzada de 915 MHz que se puede utilizar en aplicaciones ambientales adversas. (Fuente de la imagen: Taoglas)

El diámetro en su base es de 16 mm, mientras que la sección del látigo tiene un diámetro de 6 mm.

Su eficiencia supera el 60 %, con una ganancia máxima superior a 2.71 dBi a 915 MHz en un plano de tierra de 30 × 30 cm. Esta antena robusta fue desarrollada para sistemas de monitoreo que incluyen sensores meteorológicos, de movimiento/vibración y de contaminantes.

Conclusión

La teoría y el diseño de una antena de látigo monopolo básica es sencillo, en principio. Sin embargo, la implementación real implica muchas consideraciones de fabricación, junto con correcciones y ajustes sutiles para las consideraciones no ideales del mundo real. Afortunadamente, muchos proveedores ofrecen una amplia selección de antenas estándar para satisfacer las prioridades y limitaciones de casi todas las aplicaciones.

Contenido relacionado

1. Beyond Wires: Antennas Evolve and Adapt to Meet Demanding Wireless Requirements (Más allá de los cables: Las antenas evolucionan y se adaptan para cumplir con los requisitos inalámbricos exigentes)

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2. Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 1 (Comprender las especificaciones y el funcionamiento de las antenas, parte 1)

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

3. Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 2 (Comprender las especificaciones y el funcionamiento de las antenas, parte 2)

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4. Selecting Antennas for Embedded Designs (Selección de antenas para diseños integrados)

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5. Antenna Selection Depends on Many Factors (La selección de antenas depende de muchos factores)

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6. Applying Chip and Patch Antennas to Solve Diversity and Multiband RF Issues (Aplicación de antenas de chip y de placa para resolver problemas de diversidad y RF multibanda)

https://www.digikey.com/en/articles/applying-chip-patch-antennas-diversity-multiband-rf-issues

Referencias

Everything RF, “What is the difference between a monopole and dipole antenna?” (“¿Cuál es la diferencia entre una antena monopolo y una dipolo?”)

RF Wireless World, “Whip antenna calculator | monopole antenna calculator” (“Calculadora de antena de látigo | calculadora de antena monopolo”)

Silicon Labs, “Whip antenna parameters” (“Parámetros de la antena de látigo”)

Science Direct, “Monopole Antenna” (“Antena monopolo”)

University of Toronto, “Image Theory/Monopoles” (Teoría de imagen/Monopolos)

Wikipedia, “Whip antenna” (“Antena de látigo”)

Departamento de Ingeniería Eléctrica, IIT Bombay, “Monopole Antennas” (“Antenas monopolo”)

66Pacific, “Coil-Shortened Vertical Antenna Calculator” (“Calculadora de antena vertical de bobina acortada”)

AntennaX, “Loading Short Antennas” (“Carga de antenas cortas”)

Antenna-theory.com, “The Monopole Antenna” (“La antena monopolo”)