Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES TELECOMUNICACION ES II II – – ANTENA HELICOIDAL
DISEÑO DE ANTENA HELICOIDAL
DIEGO VARGAS NESTOR RODRIGUEZ
TELECOMUNICACIONES TELECOMUNICACIONES II DOCENTE: ING. FERNANDO LIÉVANO
UNIVERSISDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA EN ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES TELECOMUNICACIONES BOGOTA 2012
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Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL
OBJETIVOS
1. Realizar el diseño de una antena helicoidal tipo coaxial que cubra el canal de TV. de VHF (512 MHZ CH21). 2. Encontrar los valores óptimos para la directividad ganancia con su patrón de radiación correspondiente
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DISEÑO DE ANTENA HELICOIDAL La antena helicoidal o antena hélice es una antena con forma de solenoide. Es una evolución del monopolo vertical, en la cual el monopolo ha sido modificado para tomar la forma de un solenoide.
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. Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son: su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas). En función de las dimensiones de la hélice existen dos modos básicos de funcionamiento: El modo normal y el modo axial. En la figura 23 se muestra un esquema de la antena hélice de modo axial, con los parámetros de diseño. 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. Estas antenas son usadas normalmente en radios de comunicación portátiles en la banda VHF (30-150 MHz), con el _n de reducir el tamaño del radiador a longitudes
apropiadas. Con una adecuada selección de parámetros, el dipolo helicoidal es una estructura de radiación e_ciente, con un desempeño en e_ciencia 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. 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. Si el encapsulado es mayor a un cuarto de longitud de onda, parte de las corrientes parásitas pasarán a través del encapsulado estarán en oposición del campo de radiación de la antena, produciendo pérdida de ganancia directiva.
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Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL Las pérdidas en la potencia radiada causan que las antenas helicoidales sean difíciles de usar en aplicaciones de radio celular en la banda de 800 a 900 MHz, exceptuando por su tamaño reducido. Debido a los inconvenientes que presenta, en ocasiones es más útil utilizar una antena de lazo con las mismas características, sacri_cando únicamente el tamaño. Esta antena esta constituida por un conductor grueso arrollado en hélice; las dimensiones de las espiras son función de la frecuencia en la que están destinadas a funcionar
CARACTERISTICAS
O
Es un tipo de antena que presenta un comportamiento de alto ancho de banda. Una hélice es el resultado de bobinar un hilo conductor sobre un cilindro de diámetro constante.
O
Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son: su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas)
O
Presenta una polarización de tipo circular. El sentido de la polarización derecha o izquierda es definido por el sentido de giro del elemento conductor. Poco sensible a los fenómenos atmosféricos. Además, independiza bastante la calidad de los enlaces respecto de la orientación angular de las antenas ya que todas las posiciones son equivalentes.
O
Este tipo de antena es comúnmente utilizada en comunicaciones para el telecontrol de satelitales (TTC) y actualmente es muy difundida entre los radio-aficionados
O
Presenta la ventaja de que es fácil de fabricar a muy bajo costo y, además, en base a este diseño es relativamente fácil fabricar antenas con ganancias diferentes ya que se aumenta la ganancia simplemente aumentando el número de espiras (aunque la relación no es lineal).
O
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.
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El helicoide se caracteriza por las siguientes dimensiones definidas gráficamente en la figura
O
D = diámetro del helicoide (centro a centro del conductor)
O
C = perímetro de la circunferencia del helicoide = πD
O
S = espacio entre vueltas (centro a centro del conductor)
O
α = ángulo de elevación = tan-1(S / πD)
O
L = longitud de una vuelta
O
n = número de vueltas
O
A = longitud axial = nS
O
d = diámetro del conductor del helicoide
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Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL CALCULOS ANTENA
8
310
0.586
6
n 4
mt
51210
8
D
0. 193
0.25
s
0.146
R 0.8
R 0. 469
d 0.02
d
0.012
e
0. 073
e
s 2
Ganancia
hz
c 3 10
D 0.33 s
6
CH21 51210
medidas en mts
G
c 2 n s G 11.8 10log G 1 85 .9 85
dB
Patrón de Radiación
0 36
360
s 1 cos 1 2n
n 90 2 cos Et sin n sin 2 O
sin
La obtención del diagrama de radiación teórico está basada en el análisis de una sola espira, aproximando dicha espira como 4 antenas lineales dentro de un cuadrado de la misma área de la circunferencia del helicoide. Obtenido el diagrama para una vuelta se utiliza el llamado factor de red o de arreglo, que permite unir el efecto de un arreglo de antenas, en este caso une el efecto de cada vuelta en la espira, considerando el desfase que hay entre estas. Kraus observó que el factor de arreglo era parecido al diagrama de radiación, con lo que aproximó el efecto del campo del arreglo de espiras como
6
Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL φ
Etф cos(φ) Angulo φ sen(90/n) sen(2*φ) sen(φ/2) cos(φ) Et(φ)
0,000
1,000
11,250
0,383
0,383
0,098
0,981
1,465
11,723
10,000
0,985
12,617
0,383
0,426
0,110
0,976
1,449
11,591
20,000
0,940
16,678
0,383
0,550
0,145
0,958
1,390
11,118
30,000
0,866
23,308
0,383
0,727
0,202
0,918
1,264
10,116
40,000
0,766
32,306
0,383
0,903
0,278
0,845
1,050
8,403
50,000
0,643
43,399
0,383
0,998
0,370
0,727
0,751
6,007
60,000
0,500
56,250
0,383
0,924
0,471
0,556
0,417
3,333
70,000
0,342
70,468
0,383
0,630
0,577
0,334
0,140
1,118
80,000
0,174
85,622
0,383
0,152
0,680
0,076
0,007
0,052
90,000
0,000
101,250
0,383
-0,383
0,773
-0,195 0,037
0,296
100,000 -0,174 116,878
0,383
-0,807
0,852
-0,452 0,164
1,310
110,000 -0,342 132,032
0,383
-0,995
0,914
-0,670 0,279
2,231
120,000 -0,500 146,250
0,383
-0,924
0,957
-0,831 0,307
2,458
130,000 -0,643 159,101
0,383
-0,667
0,983
-0,934 0,242
1,938
140,000 -0,766 170,194
0,383
-0,336
0,996
-0,985 0,127
1,016
150,000 -0,866 179,192
0,383
-0,028
1,000
-1,000 0,011
0,086
160,000 -0,940 185,822
0,383
0,202
0,999
-0,995 -0,077
0,616
170,000 -0,985 189,883
0,383
0,338
0,996
-0,985 -0,128
1,024
180,000 -1,000 191,250
0,383
0,383
0,995
-0,981 -0,144
1,155
190,000 -0,985 189,883
0,383
0,338
0,996
-0,985 -0,128
1,024
200,000 -0,940 185,822
0,383
0,202
0,999
-0,995 -0,077
0,616
210,000 -0,866 179,192
0,383
-0,028
1,000
-1,000 0,011
0,086
220,000 -0,766 170,194
0,383
-0,336
0,996
-0,985 0,127
1,016
230,000 -0,643 159,101
0,383
-0,667
0,983
-0,934 0,242
1,938
240,000 -0,500 146,250
0,383
-0,924
0,957
-0,831 0,307
2,458
250,000 -0,342 132,032
0,383
-0,995
0,914
-0,670 0,279
2,231
260,000 -0,174 116,878
0,383
-0,807
0,852
-0,452 0,164
1,310
270,000 0,000
101,250
0,383
-0,383
0,773
-0,195 0,037
0,296
280,000 0,174
85,622
0,383
0,152
0,680
0,076
0,007
0,052
290,000 0,342
70,468
0,383
0,630
0,577
0,334
0,140
1,118
300,000 0,500
56,250
0,383
0,924
0,471
0,556
0,417
3,333
310,000 0,643
43,399
0,383
0,998
0,370
0,727
0,751
6,007
320,000 0,766
32,306
0,383
0,903
0,278
0,845
1,050
8,403
330,000 0,866
23,308
0,383
0,727
0,202
0,918
1,264
10,116
340,000 0,940
16,678
0,383
0,550
0,145
0,958
1,390
11,118
350,000 0,985
12,617
0,383
0,426
0,110
0,976
1,449
11,591
360,000 1,000
11,250
0,383
0,383
0,098
0,981
1,465
11,723
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Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL
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Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL La impedancia de la antena está dada por, la formula:
Zp 140
c
Zp
7. 168
10
10
Pero está impedancia es bastante alta ya que a demás se le acoplará una línea de transmisión que puede ser de 50 Ω de impedancia, por lo tanto se conecta un stub para acoplar la línea de transmisión
9
Universidad Cooperativa de Colombia TELECOMUNICACIONES II – ANTENA HELICOIDAL CONCLUSIONES
O
Se indagó sobre el diseño de las antenas helicoidales, encontrando como resultado las fórmulas para los cálculos de la antena, directamente extraídas del libro de Contantine A. Balanis, capitulo 10. Se observó el diagrama básico de la antena y el diagrama que posee variables propias del diseño como D, que es el diámetro de la antena; S, la distancia entre cada espira; L, el largo de la ante na
O
Con una adecuada selección de parámetros, es evidente concluir 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.
O
Se observó la importancia de implementar antenas helicoidales en aplicaciones de bajo costo y que sean poco sensibles a los cambios atmosféricos ya que este tipo de antenas presenta la ventaja de que es fácil de fabricar a muy bajo costo y, además, en base a este diseño es relativamente fácil fabricar antenas con ganancias diferentes ya que se aumenta la ganancia simplemente aumentando el número de espiras (aunque la relación no es lineal). Por otra parte, la polarización circular, propia de esta antena, tiene la ventaja de ser poco sensible a los fenómenos atmosféricos. Además, la polarización circular independiza bastante la calidad de los enlaces respecto de la orientación angular de las antenas ya que todas las posiciones son equivalentes.
O
Se encontraron desventajas en relación a que las pérdidas en la potencia radiada causan que las antenas helicoidales sean difíciles de usar en aplicaciones de radio celular en la banda de 800 a 900 MHz, exceptuando por su tamaño reducido
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