Antenas de un cuarto de longitud de onda

Cualquier longitud irradiará cualquier frecuencia, solo que ciertas frecuencias requieren mucho menos voltaje o corriente para hacerlo.

En la fracción correcta (y sus múltiplos) de las longitudes de onda, ocurre la resonancia . Esto significa que las cargas se mueven mucho con un pequeño empujón. Piensa en una bañera medio llena de agua. Puedes poner tu mano en el medio y moverla un poco hacia adelante y hacia atrás de punta a punta. Con la frecuencia correcta, puede hacer que el agua se mueva de un lado a otro mucho más que el pequeño movimiento con el que la conduce con la mano. Si vas un poco más alto o más bajo en frecuencia, esto deja de suceder. La mayoría de los sistemas resonantes tienen un rango de frecuencia relativamente estrecho en el que resuenan. La estrechez de este rango de frecuencia se cuantifica con algo llamado factor Q, siendo los números más altos los más ajustados.

La resonancia da como resultado corrientes o voltajes mucho más altos en la antena que con lo que la está alimentando. Sin esta resonancia, necesitaría voltajes o corrientes inconvenientemente altos para finalmente irradiar la misma potencia.

Cerca de la frecuencia resonante, la antena también se verá resistiva. Piensa en lo raro que es en realidad. Estás conduciendo solo un trozo de cable o un bucle de cable. Uno esperaría que pareciera un circuito abierto o un cortocircuito. Para la pieza de cable abierta, se necesitan altos voltajes para obtener gran parte de la corriente, y luego esa corriente estará en gran parte desfasada con el voltaje, por lo que la potencia extraída de lo que la impulsa será cercana a cero.

A la frecuencia resistiva de la antena, el voltaje y la corriente están en fase, por lo que se entrega potencia real a la antena, que luego irradia. Una antena dipolo simple se verá como una resistencia de 75 Ω en la frecuencia correcta. Varias geometrías de antena tienen diferentes impedancias características. Un dipolo plegado parece una resistencia de 300 Ω, por ejemplo.

Dado que esta característica se basa en la resonancia, no puede desviarse mucho de la frecuencia óptima y aun así obtener las características deseables. Hay algunos diseños de antena que intentan funcionar en una banda de frecuencia más amplia, como las antenas fractales. Otros tienen varios elementos, cada uno un poco diferente en tamaño para que uno de ellos sea resonante. Existen varias técnicas para crear antenas de banda ancha, pero todos estos son compromisos que compensan la banda ancha con otras características.

Es un principio básico de la física que cualquier antena funciona igual recibiendo o transmitiendo. Entonces sí, una antena diseñada para transmitir en una frecuencia particular también recibirá bien en esa frecuencia. No puedes evitar esto si quisieras.

Sí, todas las antenas tienen algunos problemas de orientación. El patrón de radiación de un dipolo parece una rosquilla, por ejemplo. Es posible hacer antenas con un patrón de radiación esférico, pero luego la polarización sale como sale. Puede hacer antenas que funcionen igual de bien independientemente del ángulo de polarización, pero luego el patrón de radiación sale como sale. No puede especificar arbitrariamente tanto el patrón de radiación como el patrón de polarización.

Patrón de radiación esférico

Esto es en respuesta a un comentario acerca de que el patrón de radiación esférico no es posible. Es. Lo he visto. Lo que no puede hacer es especificar tanto el patrón de radiación como la polarización sobre todo el patrón en el caso general.

Usamos tales antenas en un sistema para rastrear etiquetas RFID activas. Cada etiqueta tenía una batería y emitía una ráfaga de RF que transportaba información cada 10 segundos. Estas etiquetas podrían adjuntarse arbitrariamente a las cosas, y no había forma de orientarlas de una manera particular.

Los receptores formaban parte de la instalación fija en lugares conocidos. Obtuvimos ubicaciones de etiquetas aproximadas al medir la intensidad de la señal en múltiples receptores.

Nuestro gurú de RF ideó, después de mucha simulación y experimentación, una forma plegada en 3D que irradiaba aproximadamente la misma potencia en todas las direcciones. En realidad no es tan simple, pero imagine que la antena tiene un cable recto en algún lugar que está de lado a lado de cada una de las 3 direcciones ortogonales. Cada segmento recto tiene aproximadamente un patrón de radiación dipolar. Agregue tres ortogonales juntos y obtendrá un patrón esférico.

Con las etiquetas radiando en todas las direcciones, pero con polarización arbitraria, necesitábamos que las antenas receptoras recibieran todos los ángulos de polarización por igual. Dado que los receptores estaban colgados en las paredes de un edificio y queríamos que recogieran etiquetas en el mismo piso, el patrón de radiación ideal era horizontal pero no vertical. Afortunadamente, esa combinación es posible.

Imagine un dipolo regular orientado verticalmente. Tiene un patrón de radiación horizontal con nulos hacia arriba y hacia abajo. Esta es la forma clásica de "rosquilla" cuando la intensidad de la señal de registro se representa en función de la dirección en 3D. La polarización es vertical.

Ahora imagine una antena de cuadro en el plano horizontal. Tiene el mismo patrón de radiación que el dipolo, pero con polarización horizontal.

El truco fue una mezcla del dipolo vertical y el bucle horizontal. Eso es una hélice con eje vertical. Recibe ondas polarizadas horizontalmente debido a los bucles y ondas polarizadas verticalmente debido a la extensión vertical. Mezclar los dos a la perfección y ajustarlos a la frecuencia correcta no es trivial, pero se puede hacer.

Resulta que un subproducto de este diseño es Q alto, lo cual es excelente siempre que obtenga la frecuencia central correcta. Teníamos una plantilla especial en producción que medía la frecuencia de resonancia y dirigía a los técnicos a recortar solo uno o dos mm de uno de los extremos para ajustarlo.

Solo un pequeño adelanto sobre la longitud de la antena. Una antena se mejora si está sintonizada de manera resonante en un área particular del espectro y la longitud es un factor clave para que resuene. Piensa en una regla en el borde de un escritorio y cómo resuena cuando la mueves. Cuanto más corta es la regla, más agudo es el sonido que produce. No tenerlo en resonancia no significa que no funcione, pero sí significa que no funciona con tanta eficacia y puede presentar una impedancia bastante compleja para un amplificador de potencia al transmitir.

La antena básica es, de hecho, un dipolo y tiene una longitud de media longitud de onda y produce (en recepción) una salida balanceada. Se requiere una señal balanceada cuando se usa como antena transmisora. Una bastardización del dipolo es el monopolo de cuarto de onda y esto es a lo que creo que se refiere en su pregunta.

Esta es una temática bastante completa, pero solo diré algunos hechos:
1. La longitud activa de la antena es un poco más grande que su longitud física, por lo que no encontrará la coincidencia exacta entre lambda y la longitud física.
2. Una antena de un cuarto de lambda actúa como una antena dipolo en polarización vertical. El segundo cuarto de antena es el suelo (tierra) donde el suelo actúa como un espejo, por lo tanto, el cuarto lambda debe instalarse en el suelo o en una gran superficie conductora, la polarización es siempre vertical.

En la literatura, busque SWR y ondas estacionarias y qué sucede si la antena no se adapta perfectamente (longitud diferente).

Las antenas transmisoras no necesitan ser autorresonantes para radiar eficientemente casi toda la potencia de rf que fluye a lo largo de su(s) superficie(s) conductora(s).

Para un conjunto de ejemplos, las antenas monopolo alimentadas por base (Marconi) que se muestran a continuación tienen directividades que aumentan con la altura eléctrica, pero ninguna de esas configuraciones es autorresonante.

Si se utiliza una red de adaptación de baja pérdida en el punto de alimentación de cada una de esas configuraciones, el sistema de antena puede resonar y casi toda la energía que le entrega una línea de transmisión desde la fuente (transmisor) será radiada. Esta es una práctica común y comprobada utilizada por las estaciones de transmisión de AM con licencia.

Las directividades más altas para los radiadores más altos significan que producirán intensidades de campo máximas más altas para la misma cantidad de potencia de RF adaptada en Z en sus terminales de punto de alimentación.