TIPOS DE ANTENAS TERRESTRES. Tipos de antenas terrestres

TIPOS DE ANTENAS TERRESTRES Tipos de antenas terrestres

ÍNDICE OBJETIVOS INTRODUCCIÓN 7.-TIPOS DE ANTENAS TERRESTRES. 7.1.- Antenas dipolo 7.1.1.- Antena simple para FM 7.1.2.- Antena plegado para FM 7.2.- Reflector y direcciones 7.3.- Antena Yagi 7.4.- Antenas con reflector diedro 7.5.- Otros tipos de antenas RESUMEN 1

OBJETIVOS. El propósito de este tema es: Conocer los tipos y características de antenas para la recepción de señales terrestres, bien sea de radio como de televisión. Saber elegir la antena que mejor se adapte a nuestro caso. 2

INTRODUCCIÓN. Hacemos referencia continuamente a los conceptos aprendidos en el capítulo anterior, tales como longitud de antena, campo eléctrico, polarización,, lo cual es fundamental para tener una idea clara de tales conceptos técnicos y así asimilar sin problema los apartados que vienen a continuación, en los cuales estudiaremos las antenas, la forma de conectarlas y la influencia técnica que puedan tener sobre ella la instalación de ciertos aparatos. Con todo esto tendremos los datos suficientes como para elegir la mejor antena para cada caso. 3

7.-TIPOS DE ANTENAS TERRESTRES. 7.1.-ANTENAS DIPOLO Las antenas dipolo pueden clasificarse en dos grupos: Dipolo simple Dipolo plegado El material de todas las antenas de este capítulo es de aluminio, ya que pesa poco y no se deteriora con los fenómenos atmosféricos, conduce bien la corriente eléctrica y no es caro. Las antenas de duraluminio son mejores todavía, ya que tiene una aleación base del 95% de aluminio, 4% de cobre,5% de magnesio y,5% de manganeso, por lo que el aluminio es el principal material para estos aparatos. El cobre le da facilidad de mecanizado, el manganeso le da dureza y el magnesio ayuda a dar ligereza. Vamos a estudiar estos dos tipos de antenas desde el punto de vista constructivo. 7.1.1 Antena dipolo simple para FM Las emisiones de radiodifusión en FM se realizan en la banda II de VHF, banda que, como ya hemos visto, cubre las frecuencias entre 87 y 11 MHz. La antena más sencilla que podemos utilizar para estas frecuencias es el de polo simple polarizado 4

5 cm Tipos de antenas terrestres horizontalmente, ya que las emisiones son de polarización horizontal. Tal y como nos lo muestra la figura 1, ambas varillas están separadas 5cm y tienen una longitud de 71 cm. 71 cm 71 cm Al receptor Figura 1. La impedancia de esta antena es de 75 y recibe la máxima energía si la señal a captar incide perpendicularmente, o sea cuando tiene característica radial como la de la figura 2. Figura 2. 5

La longitud de cada varilla será de 71 cm porque no es económico construir una longitud para cada frecuencia de la banda II, por lo que sólo construiremos para la frecuencia central, según la fórmula : f c f sup 2 f inf Como nos dice la tabla 1 del capítulo 5, la banda II de VHF cubrirá todas las frecuencias comprendidas entre las 87 y 11 MHz, es por eso por lo que: F sup = 1 MHz y, F inf = 87 MHz. Si aplicamos esta fórmula tendremos que : f c fsup finf 11MHz 87MHz 197MHz 2 2 2 98, 5 MHz Para esta frecuencia de 98,5 MHz, la longitud es de: c 3. KM / s 35, m. f 98, 5MHz Como la longitud eléctrica de la antena dipolo será /2, tendremos una longitud eléctrica de : 35, m l 15, m 2 2 La longitud real de la antena será el 5% menos del que debería tener para compensar la influencia de los puntos aislantes de sujeción, ya que los aislantes perfectos no existen. Con esta reducción tendremos: 515 x, m lreal 15, m 1, 5m, 75m 1, 425m 1 6

Dividiendo 1,425 m por 2, tendremos cada una de las longitudes de la antena : 1, 425m lreal de cada brazo 71, m 71cm 2 La antena dipolo descrita pertenece al grupo de las antenas bidireccionales, ya que sólo captará aquellas señales que provengan de las emisoras que se encuentren delante o detrás de ella.(véase la figura 2). La antena de la figura 3 es una antena omnidireccional, y está basada en los principios citados. Son principalmente dos dipolos instalados perpendicularmente, lo que nos permitirá captar las señales de todas las direcciones. Figura 3. El dipolo simple siempre lo utilizaremos como antena de referencia para el cálculo de la ganancia del resto de las antenas, por lo que la ganancia de un dipolo simple será de db. 7

7.1.2.-Antena dipolo plegado para FM La antena dipolo plegado está formada por un pliegue cerrado, con un diseño similar al de la figura 4, y tiene la cualidad de no necesitar un punto de fijación aislado, o sea, que la unión entre el dipolo y el mástil de sujeción no tiene por qué estar aislada eléctricamente. Figura 4. Este tipo de antena tiene una ganancia idéntica a la del dipolo simple, o sea de db, teniendo una impedancia cuatro veces superior, o sea 3. La longitud total del dipolo plegado la hallaremos de la misma manera en la que lo hicimos para hallar la del dipolo simple para FM, es decir, un 5% menor que la mitad de la longitud de onda que ha de recibir. Para captar la banda II (FM), la longitud real del dipolo plegado será igual que la del dipolo simple, 15 cm, como se puede ver en la figura 4. Esta medida incluye las partes curvas de la antena. La separación de estas partes será la mínima posible permaneciendo constante a lo largo de toda su longitud. Si queremos tener el máximo rendimiento posible, la distancia de 8

separación no ha de sobrepasar 1/32 del valor de la longitud de onda. Para una frecuencia de 95,3 MHz, cuya longitud de onda es de 2,95m ó 295 cm, la separación e no ha de ser mayor de 9,2 cm, deducidos de la siguiente fórmula: 295cm e 92, cm 32 32 Esta antena, al igual que en el modelo anterior, tiene la máxima sensibilidad cuando las ondas electromagnéticas inciden sobre ella perpendicularmente. Esta antena ha de comunicarse con el receptor con un cable de la misma impedancia, unos 3, no siendo éste el típico cable coaxial, sino un cable plano. La toma de antena del receptor ha de ser también de 3 para que podamos transferir la máxima energía desde la antena al receptor. Pero estos 3 no se van a mantener ya que mediante unos aparatos vamos a reducir su impedancia hasta los 75, permitiéndonos una conexión a un cable coaxial y a un receptor con toma de antena de 75. La figura 5 nos muestra la estructura de una antena dipolo plegado para FM con los brazos doblados para conseguir un potencial omnidireccional de la misma. 9

Figura 5. RECUERDE Las antenas dipolo utilizadas para la recepción de señales en FM se dividen en simples y plegadas. 7.2.-REFLECTOR Y DIRECTORES Si tenemos una polarización horizontal de la antena tendremos la forma de 8, pero si es vertical, será circular. Lo que más nos interesa es la característica radial horizontal, ya que las antenas receptoras están en el mismo plano horizontal que las antenas emisoras, lo cual lo utilizaremos tanto en los dipolos sencillos como en los plegados. La figura 6 nos da una idea de la característica radial horizontal de un dipolo. Esta característica la modificaremos al añadir el reflector y el director. 1

1,8,6,4,2 Figura 6. Según nos informa la gráfica de la figura 6, la antena radia con la misma intensidad hacia la derecha que hacia la izquierda, y las receptoras las reciben de igual forma por la derecha y por la izquierda. Pero vamos a ver la figura 7, colocamos de forma paralela al dipolo A un elemento metálico R sin conectar eléctricamente a la antena ni al cable de antena, o sea, totalmente aislado. Este elemento desempeña las funciones de reflector de las ondas que le llegan, reflejándolas hacia el dipolo, así se formará la característica radial de la antena, alargándose hacia la derecha. Figura 7. 11

En este mismo caso, si se trata de una antena receptora, recibirá mucho mejor las señales procedentes de la derecha y perderemos calidad con las de la izquierda, es por eso por lo que al añadir un elemento así a una antena, la convertimos en direccional, mejorando considerablemente el lado enfocado. Por lo tanto, si instalamos un elemento reflector, nuestra antena funcionará de la siguiente forma: Las ondas procedentes de la emisora E inducen en el dipolo y en el reflector corrientes de radiofrecuencia, por lo que dicha antena se convierte en una antena emisora, radiando parte de la energía de alta frecuencia recibida. Por este motivo el reflector no sólo capta la de la antena emisora, sino también la del dipolo, por lo que aparecerá una diferencia de fase entre las corrientes inducidas. Por este motivo, para las ondas procedentes de E, las corrientes inducidas en el dipolo se suman, pero en las que proceden de la dirección opuesta se anulan casi por completo. También en la figura 7 vemos que el elemento reflector es algo más largo que el dipolo, o sea, que está ajustado a una frecuencia de resonancia algo inferior a la del dipolo. Se hace así para que la tensión y la corriente tengan distinta fase. Otro sistema de direccionar la antena es instalar otro elemento más corto que el dipolo, y situado entre la emisora y el dipolo. A este sistema se le denomina director. Este elemento dirige las ondas hacia el dipolo. 12

Una antena dipolo puede equipararse con muchos directores, pero con un solo reflector, teniendo así la antena de varios elementos o antena Yagi, llamada así en honor al que la inventó. E D Figura 8. Una antena dipolo sencilla tiene una relación anteroposterior de 1:1, ya que tiene la misma radiación en las dos direcciones. En un dipolo con elemento reflector, esta relación es de 3:1, y en un elemento con reflector, y director, de 6:1. Estas relaciones de tensión corresponden aproximadamente a 9,5 db para la relación 3:1 y 15,5 db para la relación 6:1. Pero cuando la antena tiene un reflector y uno o más directores, los lóbulos de la curva de radiación o característica de la antena se muestran más afectados, los cuales se irán deformando poco a poco haciendo que la antena sea más directiva. La figura 9 nos enseña tres antenas, con director y uno, cinco y ocho elementos directores respectivamente, así como sus respectivos diagramas de radiación. Si aumentamos el número de elementos directores estrecharemos el lóbulo anterior, consiguiendo que la 13

antena sea más directiva, como nos muestra el esquema de dicha figura. R A D R A D R A D 1,8,6,4,2 1,8,6,4,2 1,8,6,4,2 Figura 9. La antena Yagi tiene una impedancia de 75 W, es decir, conseguimos mantener la impedancia que tienen las antenas dipolo sencillas y por eso le colocaremos cables de 75 W. Ahora vamos a ver cómo hemos de calcular las dimensiones de una antena Yagi, así como la separación de cada uno de los elementos de esta antena. RECUERDE Los reflectores y directores aumentan las cualidades receptoras de una antena dipolo al conducir las ondas radioeléctricas hacia el mismo. 14

7.3.-ANTENA YAGI En la figura 1 tenemos dibujada una antena dipolo plegado con elemento reflector. Esta antena es para banda II de VHF, que se corresponde con las emisiones de radio en FM, y hay que decir que todas las fórmulas que vamos a emplear a continuación son válidas para el resto de bandas o canales, ya que sólo tendremos que cambiar el valor de la frecuencia que queremos captar. Figura 1. La longitud del elemento reflector será el 5% mayor que la del dipolo, o sea, se corresponde con la longitud eléctrica del dipolo, y en este caso concretamente será de 15 cm. La distancia de separación este el dipolo plegado y el elemento reflector será más pequeño del valor /4, por lo que tendremos que: d 35cm 4 4 76, 3cm La ganancia de esta antena es de 3 a 4 db superior a la antena dipolo simple, la cual se toma como referencia sin elemento parásito, y su impedancia es de 75. La figura 11 nos da una idea de las dimensiones de una antena dipolo plegado para la banda II de UHF con elemento director. El director es un 5% más pequeño que el dipolo, o sea, de 142,5 cm. El proceso a seguir 15

para cada una de las distancias es el mismo que en la antena dipolo plegado dotada de elemento reflector. Figura 11. La impedancia de esta antena es de 75, y su ganancia es de unos 3 o 4 db superior a la del dipolo simple. La figura 12 nos informa acerca de las dimensiones de una antena dipolo dotada de elementos reflector y director. La ganancia en este tipo de antena es de 6 a 9 db superior a la del dipolo simple, y tiene una impedancia de 75. Figura 12. 16

Vamos a ver algunas de las características de las antenas Yagi. Las antenas Yagi tienen de 3 a 6 elementos, ya que las cualidades añadidas por antenas de más de 6 elementos son mínimas, y económicamente resultan bastante más caras. Es imposible estudiar todos los modelos de antenas Yagi porque los especialistas estudian mucho este tipo de aparatos y salen muchos modelos al mercado. La tabla 1 nos da un resumen acerca de las cualidades generales de una antena con un reflector y uno, dos y cuatro directores, siendo esto los datos de guía : Tabla1. Características de algunas antenas Yagi. TIPO DE ANTENA GANANCIA RELACIÓN A/D Dipolo db db Dipolo + 1 reflector 3 db 1 db dipolo + 1 reflector + 1 director 5,5 db 16 db dipolo + 1 reflector + 2 directores 6 db 18 db dipolo + 1 reflector + 4 directores 8,5 db 2 db Al final de este capítulo podemos ver un resumen de aquellas antenas fabricadas por TELEVÉS, para que pueda hacerse una idea de la cantidad de antenas existentes en el mercado. Elegiremos una u otra dependiendo de la ganancia que queramos conseguir, así como de la directividad que deseemos lograr. RECUERDE Las antenas tipo yagi tienen de tres a seis elementos y aunque resultan algo caras ofrecen características radioeléctricas muy buenas. 17

7.4.-ANTENAS CON REFLECTOR DIEDRO Una antena Yagi comúnmente utilizada es la que tiene un reflector formado por dos o cuatro varillas, colocadas como muestra la figura 13, y con la misión de logra crear un plano eléctrico reflector. La antena será mejor contra más varillas tenga el reflector. 18 18 27 9 27 9 BIII UHF G(dB) 11 8 5 11 135 47 71 86 f(mhz) Figura 13. Ya hemos dicho que cuantas más varillas tenga este reflector, la antena será más eficaz. Según este criterio, 18

actualmente se diseñan antenas con reflectores diedros con unos ángulos de abertura favorables de 6 a 9º. La figura 14 nos muestra una antena moderna con reflector diedro con una elevada ganancia y una gran eficacia direccional. Para las recepciones de televisión, este tipo de antenas da un resultado excelente. 18 18 18 27 9 27 9 27 9 G(dB) 17 1113/1242 1114/1243 1115/1245 16 15 14 13 1115 1245 1114 1243 12 11 1 1113 1242 9 8 7 6 5 66 71 86 f(mhz) Figura 14. 19

7.5.-OTROS TIPOS DE ANTENAS Las figuras 15, 16, 17 y 18 nos muestran varios tipos de antenas TELEVÉS con sus correspondientes curvas características de radiación y ancho de banda, los cuales dan ciertas ventajas sobre los modelos tipo antes citados. La figura 15 nos muestra una antena en X por la forma que tienen sus elementos directores. El reflector es del tipo diedro y el dipolo es triangular. G(dB) 12 184 185 18 11 1 9 27 9 47 66 71 86 f(mhz) G(dB) 16 142 143 144 18 15 14 13 12 27 9 11 1 47 66 71 86 f(mhz) UHF G(dB) 18 193 194 18 17 16 15 14 27 9 13 12 11 1 47 66 71 86 f(mhz) UHF Figura 15. Esta antena permite sintonizar emisoras lejanas por la elevada ganancia que es capaz de proporcionar. 2

Tanto la longitud del soporte de la antena como la de la varilla son menores que las dimensiones de las antenas Yagi convencionales. La antena 2 nos ofrece las principales características de este tipo de antenas : Tabla2. Características técnicas de las antenas de la gama X de TELEVÉS. Ref. Directores Canal UHF Ganancia (db) Relación D/A (db) Longitud (mm) 184 21-37 86 5 12 24 185 21-69 82 142 21-37 155 143 1 21-5 16,5 26 1372 144 21-69 1257 193 21-5 235 21 18 3 194 21-69 224 La antena Array Angular la podemos ver en la figura 16. Consta de dos hileras de directores colocados en forma de V, por lo que también se le denomina en V. Este tipo de antenas tiene más ancho de banda que las antenas Yagi convencionales y puede alcanzar una ganancia de hasta los 16 db. 21

G (db) 16 15 1446 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1443 27 18 9 47 66 71 86 f (MHz) G (db) 16 15 1445 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1445 1442 18 27 9 47 66 71 86 f (MHz) Figura 16. Array es el acarreo o la disposición que tiene para que los efectos de los elementos directores se sumen. En la tabla 3 podemos ver las características técnicas de estas antenas. 22

Tabla3. Características técnicas de las antenas de la gama V TELEVÉS. Ref. Directores Canal UHF Ganancia (db) Relación D/A (db) Longitud (mm) 1443 21-69 975 14 14 23 1446 21-45 123 1442 21-69 166 28 16 25 1445 21-45 225 La figura 17 nos muestra una antena del tipo Array Angular con tres filas de elementos directores. G(dB) 18 17 145 12 27 9 5 UHF 47 66 71 86 f(mhz) 18 G(dB) 2 15 27 9 1 47 66 71 86 f(mhz) UHF Figura 17. Este tipo de antena consigue reducir las interferencias y dobles imágenes producidas por los reflejos, consiguiendo sintonizar todos los canales de UHF. Tiene un diseño en apilamiento angular de las parrillas de directores, proporcionando un ancho de banda y una ganancia bastante superior al de las antenas Yagi convencionales. 23

La tabla 4 nos da las principales características de este tipo de antenas, pero con la denominación Gama Pro. Tabla4. Características técnicas de las antenas de la gama Pro TELEVÉS. Ref. Directores Canal UHF Ganancia (db) Relación D/A (db) Longitud (mm) 145 24 21-69 16,5 28 12 146 54 21-69 19 32 1825 Por último vamos a ver la figura 18 que nos muestra la antena de panel. 18 G(dB) 14 13 12 27 9 11 1 UHF Plano horizontal 47 55 65 75 86 Figura 18. Plano vertical 24

Parece una antena bastante rara, pero en realidad es una antena que tiene varias colocadas una encima de otra, para que sus efectos se junten. Esta antena está hecha para los casos en los que se reciba la señal de canales procedentes de varios reemisores instalados en las inmediaciones y cuando queramos recibir algún canal de la UHF con ganancia homogénea, siempre y cuando no sea necesaria la instalación de una antena de gran directividad. La tabla 15 nos muestra las principales características de este tipo de antenas. Tabla 15. Características técnicas de las antenas tipo panel de TELEVÉS. Ref. Elementos Canal UHF Ganancia (db) Relación D/A (db) Longitud (mm) 183 4 dipolos 21-69 14 2 86 Un ejercicio recomendado, es que se fije en los tejados de su población para ver si es capaz de saber qué tipos de antenas hay instaladas, cómo están orientadas, cuántos directores tienen, si son de FM o de TV., es decir, fijarse en todo, para poder analizar y juzgar, y así poder aprender más rápida y amenamente, e incluso aprender alguna cosa que no hallamos mencionado. 25

RESUMEN. Los puntos más importantes tratados en el Capítulo los podemos condensar en las siguientes ideas elementales: Las antenas más utilizadas en la recepción de señales FM son las dipolo, en sus dos modalidades, simple y plegado. Los reflectores y directores son dispositivos que aumentan las características técnicas de las antenas al dirigir hacia los dipolos las ondas radioeléctricas.. La antena yagi es un modelo usado comúnmente en instalaciones receptoras de radio y televisión. Dispone de tres a seis elementos. Cada tipo de antena dispone de una gráfica de respuesta que nos ayuda a realizar la correcta elección de la misma. 26