Diseño Dise ño y co con nst stru rucc cció ión n de un una a an ante ten na cua uad dri rifl flar ar helicoidal Conceptos básicos. Polarización circular Las ondas electromagnéticas están compuestas por campos eléctricos y campos magnéticos, ambos campos son perpendiculares entre si y también los son a la dirección de propagación. propagación.
Fig. 1 Onda electromagnética y sus dos componentes, componentes, campo eléctrico E y campo magnético B.
representa la dirección de propagación de la onda y ! representa una longitud de onda. "n una onda electromagnética polarizada las oscilaciones del del camp campo o eléc eléctr tric ico o sólo sólo se prod produc ucen en en el plan plano o del del tiem tiempo po,, son son perpen perpendic dicula ulare res s a las oscila oscilacio ciones nes del campo campo magnéti magnético, co, y ambas ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Para el estudio de la polarización de las ondas electromagnéticas se traba#a con los campos eléctricos$ debido a %ue el &ector de campo magnético pued puede e obten btener erse se a parti artirr del del &ec &ector tor de camp campo o eléc eléctr tric ico, o, pues ues es perpendicular y proporcional a él. 'hora para el estudio de la polarización los campos campos eléctr eléctrico icos s se descom descompon ponen en en sus compon component entes es &ector &ectorial iales es perpendiculares, como se muestra en la fgura siguiente, donde( y =sin
( ) ∝
( )
x =cos ∝
Donde : ∝ angulode angulode elevac elevaciondel iondel vec vector tor de campo campo electr electrico ico =
Fig. 2 Campo eléctrico y sus componentes.
Como se &e en la )ig. *, el campo eléctrico &a &ariando su amplitud con respecto a tiempo, cada punto del campo eléctrico se puede descomponer en sus dos componentes +)ig.-. "stas componentes son perpendiculares a la dirección de propagación. 'mbas componentes &an &ariando sus amplitudes en el tiempo y la suma de ambas &a trazando una fgura geométrica. "sta fgura será la %ue defnirá el tipo de polarización %ue tiene el campo. i dicha fgura es una recta, la polarización se denomina lineal$ si es un c/rculo, la polarización es circular$ y si es una elipse, la polarización es el/ptica. "n la siguiente fgura se &e el campo eléctrico +azul- y sus dos componentes +ro#o y &erde- y el tipo de polarización %ue tiene +p0rpura-.
Fig. 3 Tipos de polarización
La polarización lineal se produce cuando ambas componentes est án en 1ase +con un ángulo de des1ase nulo, cuando ambas componentes alcanzan sus má2imos y m/nimos simultáneamente- o en contra1ase +con un ángulo de des1ase de *345 o cuando cada una de las componentes alcanza sus má2imos a la &ez %ue la otra alcanza sus m/nimos-. La relación entre las amplitudes de ambas componentes determina la dirección de la oscilación, %ue es la dirección de la polarización lineal . La polarización circular muestra %ue las dos componentes ortogonales tienen e2actamente la misma amplitud y están des1asadas e2actamente 647. "n este caso, una componente se anula cuando la otra componente alcanza su amplitud má2ima o m/nima. e pueden dar dos tipos de casos en esta polarización, esto depende de si la componente 8 esta adelantada o retrasada 647, esta relación defne el tipo de giro del campo eléctrico +horario o anti horario-. La polarización el/ptica corresponde a cual%uier otro caso di1erente a los anteriores, es decir, las dos componentes tienen distintas amplitudes y el ángulo de des1ase entre ellas es di1erente a 47 y a *347 +no están en 1ase ni en contra1ase-.
'ntena cuadriflar helicoidal +9):-. La antena 9): consiste de dos anillos. Para obtener polarización circular, es preciso %ue las corrientes en ambos estén des1asadas por 64 grados. 'un%ue e2iste la posibilidad +popular con la antena turnstilede utilizar un des1azador 1ormado con un trozo de cable, la solución usada más 1recuentemente para la 9): es de utilizar anillos de tamaños di1erentes. ;n anillo le&emente largo reacciona inducti&amente, mientras %ue uno más corto es capaciti&o. 'un%ue as/ las corrientes en ambos anillos son reacti&os, al conectarlos en paralelo, el punto de alimentación, en la parte superior, tendrá una impedancia resisti&a, cerca de <4 =hm. "l 0nico problema remanente para la alimentación, es %ue, como es el caso en muchas antenas, la cone2ión debe ser simétrica. 9uiere decir %ue conectar un cable coa2ial no es óptimo aun%ue corresponder/a la impedancia, la radiación en la parte e2terior del cable causar/a una distorsión en el diagrama de radiación de la antena. Fig. !ntena cuadri"lar #elicoidal.
'lgunas de las soluciones(
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Transformador Podr/amos instalar un trans1ormador balun en la parte superior de la antena, pero balunes simples generalmente también trans1orman la impedancia y %ueremos mantener <4 =hm. Inductancia )ormando una bobina con el cable, cerca del punto de cone2ión, genera una inductancia %ue no permite a&anzar a las corrientes e2ternas en el cable. Balun innito Pasando el cable por dentro de uno de los tubos de la 9):, hasta aba#o, 1orma un >balun infnito>, %ue cortocircuita corrientes e2teriores. Preamplicador =tra solución elegante es instalar un preamplifcador de antena en la parte superior de la antena, con entrada simétrica. "sta solución 1unciona solamente para recepción.
Diseño de la antena cuadriflar helicoidal. Para el diseño y posterior construcción de la parte radiante de la antena +las espiras-, el material %ue se ha elegido es cable coa2ial ?@A<3, por%ue este nos o1rece Be2ibilidad. ;n problema %ue aparece en la construcción de la antena es la alimentación, ya %ue la antena tiene %ue ser simétrica. "l uso del cable coa2ial no tiene problemas de simetr/a, por los siguientes moti&os( •
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La impedancia no &ar/a, ya %ue se conecta la antena a otro cable coa2ial igual. Las corrientes e2ternas se eliminan$ por%ue las cone2iones %ue se hacen entre una y otra espira, de la antena, hace %ue esta tenga un alun infnito adherente.
Para antenas hechas con otros materiales, cobre o aluminio por e#emplo, se tiene %ue pensar en hacerla simétrica de alguna manera, como por e#emplo usar un alun infnito, trans1ormador de impedancias o una inductancia.
Calculadora para construcción de una antena cuadriflar helicoidal. "sta calculadora 1ue creada por ohn Coppens la cual es recomendada por ?LEAD?.com para realizar los cálculos de manera sencilla y de este modo poder recibir los datos del satélite la dirección es la siguiente( http(FF#coppens.comFantF%1hFcalc.php ;na &ez ingresamos al linG se puede obser&ar la calculadora en donde se deben de ingresar los datos para el cálculo de la antena.
Fig. $ %ngreso de datos en calculadora.
' continuación se e2plica los datos %ue la calculadora re%uiere( )recuencia de diseño( es la 1recuencia a la %ue la antena traba#ara y esta se encuentra en el rango de *HI a *H3 J:z, ya %ue los satélites de órbita polar ba#a K='' transmiten en ese rango y ese ser/a el moti&o por el %ue se escoge una 1recuencia intermedia. Cantidad de &ueltas( ese &alor se refere a la torsión %ue tendrá la espira, el &alor de torsión más óptimo para esta antena es de media circun1erencia. Largo de &uelta( este &alor se refere a la longitud total de la espira. "n el estudio teórico de esta antena, la página recomienda %ue la longitud de las espiras ser/a de una longitud de onda. ?adio del doblado( como se &e en la estructura de la antena, al fnal de cada brazo se dobla el cable +)ig. -, de 1orma %ue %ueda como un arco de circun1erencia. "l radio de doblado se toma en cuenta en esta calculadora, por%ue inBuye en la altura de la antena. i aumenta el radio de doblado, la altura de la antena disminuirá$ ya %ue, la longitud de la espira tiene %ue ser constante e igual a una longitud de onda. Para esta antena escogemos un &alor de *
Fig. & %lustración del radio de do'lado.
Diámetro del conductor( esta antena puede estar construida con di1erentes conductores, pero en este caso se ha decidido usar un cable ?@A<3 el cual tiene un diámetro total de mm +además de brindarnos una impedancia de <4 ohm, lo cual seg0n el creador de la página es un &alor aceptable %ue le dará más e2actitud a nuestra antena-. ?elación diámetroFaltura( este &alor se obtiene en base a simulaciones lo cual se comprueba %ue la me#or relación alturaFdiámetro era la I4FH4 +seg0n e2periencia del creador de la página y personas ligadas a dicho proyecto-$ para este caso seria H4FI4 por%ue la calculadora usa la relación in&ersa. "l &alor H4FI4 será igual a 4.M6 pero se apro2ima a 4.MM. Los resultados usando la calculadora se presentan a continuación(
Fig. ( medidas para la espira grande.
Fig. ) *edidas para espira pe+uea.
' continuación se e2plica el signifcado de cada dato calculado.
Largo de onda +compensada-( Largo de onda se refere a la longitud en mil/metros +mm- de una longitud de onda. "l &alor compensado aparece por%ue se toma en cuenta el e1ecto del diámetro del conductor. Corrección por doblado( Nalor de la corrección por doblado. Largo total del lazo +compensado-( Largo total de la espira. "l &alor compensado indica el e1ecto del doblado, y la necesidad de aumentar el tamaño de la espira le&emente. eparación &ertical( Largo de la espira. eparación &ertical compensada( "ste &alor como en el largo de onda compensado aparece por el e1ecto del diámetro del conductor. "ste &alor no toma en cuenta el doblado en cada brazo. eparador horizontal( 'ncho de la espira. eparador horizontal compensado( "ste &alor &iene a ser la longitud del tubo horizontal. "ste &alor no toma en cuenta el doblado en cada brazo. La calculadora nos permite crear una plantilla para ser colocada en él tu&o PNC para realizar los agu#eros de manera precisa, en nuestro caso se usara un tu&o &ertical con un diámetro de M cm y unos tubos para soporte horizontal de *.< cm.
Fig. - Creación de la pl antilla para ela'orar los agueros.
Fig. 1/ 0lantilla generada para la ela'oración de agueros.
"n la fgura anterior se muestra la plantilla con los agu#eros, esta debe de ser colocada sobre el PNC y para elaborarlos de manera más precisa$ ya con los datos obtenidos solo resta construir la antena y realizar las pruebas pertinentes para comprobar su 1uncionamiento.
