UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE CIENCIAS
ESPECIALIDAD DE ING. ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES.
TEMA : ANTENAS HELICOIDALES
DOCENTE : ING. CARLOS ARELLANO RAMIREZ
PIURA – PERÚ
Conocer las antenas helicoidales. Comprender las características de las
antenas helicoidales. Conocer las aplicaciones que se
pueden realizar utilizando las antenas helicoidales.
ANTENAS HELICOIDALES
Es una antena de VHF o de UHF de banda ancha que es perfecta para aplicaciones que en lugar de ondas electromagnéticas polarizadas verticales o horizontales requieren de radiación circular.
Es un tipo de antena que presenta un comportamiento de banda ancha.
Una hélice es el resultado de bobinar un hilo conductor sobre un cilindro de diámetro constante. Las dimensiones de las espiras son función de la frecuencia en la que están destinadas a funcionar.
Puede utilizarse la ganancia y reducir el ancho de haz del lóbulo de la antena de un solo elemento o apilada horizontal o verticalmente en un arreglo para modificar su patrón de radiación al incrementar bulo principal.
Una antena helicoidal refractaria extrema básica se muestra en la siguiente figura . El elemento de excitación de la antena consiste de una hélice rígida enrollada ligeramente suave con una longitud axial aproximadamente igual al producto del numero de vueltas y la distancia entre cada vuelta (inclinación).
La ganancia de la antena depende de factores q incluyen el diámetro de la helice, el numero de vueltas en una helice, la inclinación o espacios entre las vueltas y la frecuencia de operación.
Matemáticamente donde: A es la ganancia de potencia de la antena
(sin unidades) D= diámetro de la hélice (metros) N= Numero de vueltas (cualquier entero
positivo) S= inclinación (metros)
NS
NDA dBp
2
)( 15log10
Típicamente, una antena helicoidal tendrá entre un mínimo de 3 a 4 y un máximo de 20 vueltas y ganancia de potencia entre 15 y 20 dB. El ancho de haz de 3-dB de una antena helicoidal puede determinarse con la siguiente expresión matemática:
//
52
NSD
Donde: θ = ancho de haz (grados) D = diámetro de la hélice
(metros) N = número de vueltas
(cualquier entero positivo) S = inclinación (metros) λ= longitud de onda
(metros/ciclo)
En las ecuaciones, puede verse que, par un diámetro e inclinación determinado helicoidal, la ganancia de potencia se incrementa proporcionalmente al numero de vueltas y el ancho de haz se reduce. Las antenas helicoidales proporcionan anchos de banda en cualquier parte entre de la frecuencia central hasta un lapso de 2:1 entre las frecuencia de operación máxima y mínima.
Las dimensiones de las espiras son función de la frecuencia en la que están estimadas a funcionar.
Esta antena presenta ciertas particularidades: funciona para frecuencias que pueden llegar al 20% en más o menos de aquella para la que está prevista. Por otra parte, tiene la propiedad de emitir ondas sin polarización definida, es decir, que pueden ser captadas por una antena situada en cualquier posición en un plano vertical perpendicular a la dirección del emisor.
Una antena helicoidal se monta en un plano de tierra hecho de metal sólido o de una rejilla de metal que se asemeja a la tela de alambre.
El diámetro de las espiras es igual a λ/3 el paso del bobinado es igual a λ/4y la longitud depende del numero de espiras.
Si se utiliza como antena receptora, recibirá indiferentemente ondas polarizadas verticalmente u horizontalmente. Generalmente se coloca delante de un reflector plano para darle una radiación unidireccional. La siguiente figura muestra como alimentar esta antena.
En función de las dimensiones de la hélice existen dos modos básicos de funcionamiento:
El modo normal y el modo axial.
En el modo normal, la radiación electromagnética esta en una dirección que se encuentra en ángulo recto al eje de la hélice.
Una helice opera en modo normal cuando la longitud total del hilo usado en bobinarla es mucho menor que la longitud de onda.
Entonces conociendo:
Y si la antena tiene N vueltas,la condicion para comportamiento normal sera:
NL<<λ
22 DSL
Este tipo de antena en modo normal presenta la misma directividad del dipolo y su principal inconveniente es su baja resistencia de radiación.
Estas antenas se emplean en forma de monopolos, como antenas de los equipos de comunicaciones móviles de corto alcance conocidos como walkie-talkies y sobre vehículos en las bandas bajas de comunicaciones móviles.(27-144Mhz).
En el modo axial, la radiación esta en la dirección axial y produce un patrón relativamente direccional de banda ancha. Debido a su alta directividad, polarización circular, ancho de banda amplio y dimensiones no críticas, la antena helicoidal de modo axial es ampliamente usada en aplicaciones espaciales. Fue inventada por John Kraus en 1946.
Para que la hélice radie en modo axial debe cumplirse que la antena tenga dimensiones comparables con la λ.
Las condiciones geométricas obtenidas son:
Es de polarización circular. Debido a su alta directividad,
polarización circular, ancho de banda amplio y dimensiones no críticas, la antena helicoidal de modo axial es ampliamente usada en aplicaciones espaciales.
34
43 DC
4;
S
Antenas para walkie-talkies Las antenas helicoidales son sumamente
utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. 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). 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.
Polarización: 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 numero 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.
3
215SNC
D
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 la 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.
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
El ancho de banda es menor que el ancho de banda de una antena dipolo de media onda debido a su alto valor Q, el cual depende del número de vueltas y del diámetro del lazo de la antena.
Las antenas de hélice son antenas direccionales para la polarización circular desarrollada principalmente para las comunicaciones basadas en los satélites pero del mismo modo que usable para las operaciones terrestres.
Se trata de una antena de polarización circular, muy interesante para trabajar con satélites, TV en 1.2 ghz, Wifi, etc. De fácil construcción y muy tolerante a las variaciones de medidas, algo ideal para la experimentación.
Se recomienda que el número de vueltas de una antena helicoidal varíe de 3 a 5. Después de 3 vueltas se logra una circularidad y ganancia aceptable.
En la figura se observa la antena helicoidal con sus variables, donde D es el diámetro de la antena, S la distancia entre cada espira, L el largo de la antena, lo primero que se halla es λ.
En las figuras, se observa el patrón de radiación de la antena, que en éste caso es omnidireccional, también se ve que la ganancia de la antena, que en la simulación es de 9.212 dBi.
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