Antena helicoidal

Una antena helicoidal es una antena compuesta por uno o más hilos conductores enrollados en forma de hélice . Una antena helicoidal formada por un solo hilo helicoidal, el tipo más común, se denomina monofilar , mientras que las antenas con dos o cuatro hilos en hélice se denominan bifilares o cuadrifilares , respectivamente.

En la mayoría de los casos, las antenas helicoidales direccionales se montan sobre un plano de tierra , mientras que los diseños omnidireccionales pueden no requerirlo. La línea de alimentación se conecta entre la base de la hélice y el plano de tierra. Las antenas helicoidales pueden operar en dos modos principales: normal o axial.

En la antena helicoidal de modo normal o de polarización frontal , el diámetro y el paso de la antena son pequeños en comparación con la longitud de onda . La antena actúa de forma similar a un dipolo o monopolo eléctricamente corto , equivalente a una vertical de 1/4 de onda, y el patrón de radiación , similar al de estas antenas , es omnidireccional , con máxima radiación perpendicular al eje de la hélice. En los diseños monofilares, la radiación está polarizada linealmente en paralelo al eje de la hélice. Estas se utilizan para antenas compactas en radios portátiles de mano y móviles montadas en vehículos , y a mayor escala para antenas de transmisión de televisión UHF. En implementaciones bifilares o cuadrifilares, se puede lograr una radiación polarizada circularmente de polarización frontal.

En la antena helicoidal axial o de radiación frontal , el diámetro y el paso de la hélice son comparables a una longitud de onda. La antena funciona como una antena direccional que irradia un haz desde los extremos de la hélice, a lo largo de su eje. Irradia ondas de radio polarizadas circularmente . Estas se utilizan para la comunicación por satélite. El funcionamiento en modo axial fue descubierto por el físico John D. Kraus ^{[ 1 ].}

Si la circunferencia de la hélice es significativamente menor que una longitud de onda y su paso (distancia axial entre vueltas sucesivas) es significativamente menor que un cuarto de longitud de onda, la antena se denomina hélice de modo normal . La antena se comporta de forma similar a una antena monopolo , con un patrón de radiación omnidireccional , irradiando la misma potencia en todas las direcciones perpendiculares al eje de la antena. Sin embargo, debido a la inductancia añadida por la forma helicoidal, la antena se comporta como un monopolo con carga inductiva ; en su frecuencia de resonancia, su longitud es menor que un cuarto de longitud de onda. Por lo tanto, las hélices de modo normal pueden utilizarse como monopolos eléctricamente cortos , una alternativa a las antenas de látigo con carga central o en la base , en aplicaciones donde un monopolo de un cuarto de longitud de onda de tamaño completo sería demasiado grande. Al igual que con otras antenas eléctricamente cortas, la ganancia, y por lo tanto el alcance de comunicación, de la hélice será menor que la de una antena de tamaño completo. Su tamaño compacto hace que las hélices sean útiles como antenas para equipos de comunicaciones móviles y portátiles en las bandas HF, VHF y UHF.

La carga que proporciona la hélice permite que la antena sea físicamente más corta que su longitud eléctrica de un cuarto de longitud de onda. Esto significa que, por ejemplo, una antena de 1/4 de onda a 27 MHz mide 2,7 m (110 pulgadas; 8,9 pies) de largo y resulta físicamente poco adecuada para aplicaciones móviles. El tamaño reducido de una hélice proporciona el mismo patrón de radiación en un tamaño físico mucho más compacto, con solo una ligera disminución en el rendimiento de la señal.  

El uso de un conductor helicoidal en lugar de uno recto provoca que la impedancia de adaptación cambie de los 50 Ω nominales a una impedancia base de entre 25 y 35 Ω. Esto no parece afectar negativamente al funcionamiento ni a la adaptación con una línea de transmisión normal de 50 Ω , siempre que la alimentación de conexión tenga una longitud de onda equivalente a la mitad de la longitud de onda a la frecuencia de funcionamiento.    

Helicoidales de alta frecuencia móviles

Otro ejemplo de este tipo, utilizado en comunicaciones móviles, es la antena de espira constante espaciada, en la que uno o más devanados lineales diferentes se enrollan en un solo soporte y se espacian de manera que proporcionen un equilibrio eficiente entre capacitancia e inductancia para el elemento radiante a una frecuencia de resonancia específica. Muchos ejemplos de este tipo se han utilizado ampliamente en radios CB  de 27 MHz, con una gran variedad de diseños originados en Estados Unidos y Australia a finales de la década de 1960. Hasta la fecha, se han producido en masa millones de estas antenas helicoidales, principalmente para su uso en vehículos, alcanzando su máxima producción durante el auge de la radio CB entre las décadas de 1970 y 1980, y utilizándose en todo el mundo.

Las versiones multifrecuencia con tomas enchufables manuales se han convertido en el pilar de las comunicaciones HF multibanda de modulación de banda lateral única (SSB), con cobertura de frecuencia en todo el espectro HF, desde 1  MHz hasta 30  MHz, con entre 2 y 6  puntos de toma de frecuencia dedicados, sintonizados en frecuencias específicas y asignadas en las bandas móviles terrestres, marinas y aéreas. Recientemente, estas antenas han sido reemplazadas por dispositivos de adaptación de impedancia sintonizados electrónicamente. La mayoría de los ejemplos se fabricaban con hilo de cobre utilizando una varilla de fibra de vidrio como molde. El radiador, generalmente flexible o rígido, se cubría con un tubo termorretráctil de PVC o poliolefina , que proporcionaba una cubierta resistente, robusta e impermeable para la antena móvil terminada. La varilla de fibra de vidrio se pegaba o engarzaba a un accesorio de latón y se atornillaba a una base aislada fijada al techo, guardabarros o defensa del vehículo. Este montaje proporcionaba un plano de tierra o reflector (proporcionado por el vehículo) para un patrón de radiación vertical efectivo.

Estos diseños populares todavía se utilizan comúnmente en 2018.El diseño de giro constante , originario de Australia, se ha adoptado universalmente como antena receptora de FM estándar para muchos vehículos fabricados en serie, así como para el estilo básico de las antenas helicoidales móviles de HF y VHF del mercado de repuestos. Otro uso común de las antenas helicoidales de giro lateral es en la denominada antena de goma que se encuentra en la mayoría de las radios portátiles de VHF y UHF, la cual utiliza un conductor de acero o cobre como elemento radiante y generalmente se conecta a un conector BNC/TNC o de rosca para facilitar su extracción.

Cuando la circunferencia de la hélice se aproxima a la longitud de onda de operación, la antena opera en modo axial . Este es un modo de onda viajera no resonante , en el que, en lugar de ondas estacionarias , las ondas de corriente y voltaje viajan en una sola dirección: hacia arriba de la hélice desde el punto de alimentación en una antena transmisora ​​y hacia abajo de la hélice hacia el punto de alimentación en una antena receptora. En lugar de irradiar ondas polarizadas linealmente perpendiculares al eje de la antena, irradia un haz de ondas de radio con polarización circular a lo largo del eje, desde los extremos de la antena. Los lóbulos principales del patrón de radiación se encuentran a lo largo del eje de la hélice, desde ambos extremos. Dado que en una antena direccional solo se desea radiación en una dirección, el otro extremo de la hélice termina en una lámina metálica plana o un reflector de pantalla para reflejar las ondas hacia adelante.

En la transmisión de radio , la polarización circular se usa a menudo cuando la orientación relativa de las antenas transmisora ​​y receptora no se puede controlar fácilmente, como en el seguimiento de animales y las comunicaciones espaciales , o cuando la polarización de la señal puede cambiar; por lo tanto, las antenas helicoidales de radiación frontal se usan frecuentemente para estas aplicaciones. Dado que las hélices grandes son difíciles de construir y difíciles de orientar, este diseño se emplea comúnmente solo en frecuencias altas, desde VHF hasta microondas .

La hélice de la antena puede girar en dos direcciones posibles: dextrógira o levógira, teniendo la primera la misma forma que un sacacorchos común. La matriz de 4 hélices de la primera ilustración utiliza hélices levógiras, mientras que todas las demás ilustraciones muestran hélices dextrógiras. En una antena helicoidal de modo axial, la dirección de giro de la hélice determina la polarización de la onda emitida. Se utilizan dos convenciones mutuamente incompatibles para describir ondas con polarización circular , por lo que la relación entre la quiralidad (izquierda o derecha) de una antena helicoidal y el tipo de radiación polarizada circularmente que emite se describe a menudo de forma aparentemente ambigua. Sin embargo, J.D. Kraus (el inventor de la antena helicoidal) afirma: «La hélice levógira responde a la polarización circular izquierda, y la hélice dextrógira a la polarización circular derecha (definición IEEE)». ^{[ 3 ]} El IEEE define el sentido de la polarización como:

"el sentido de polarización, o quiralidad... se denomina diestro (zurdo) si la dirección de rotación es en el sentido de las agujas del reloj (en sentido contrario a las agujas del reloj) para un observador que mira en la dirección de propagación" ^{[ 4 ]}

De este modo, una hélice dextrógira irradia una onda dextrógira, cuyo vector de campo eléctrico gira en el sentido de las agujas del reloj en la dirección de propagación.

Las antenas helicoidales pueden recibir señales con cualquier tipo de polarización lineal , como la polarización horizontal o vertical, pero al recibir señales polarizadas circularmente, la orientación de la antena receptora debe ser la misma que la de la antena transmisora; las antenas polarizadas a la izquierda sufren una grave pérdida de ganancia al recibir señales polarizadas circularmente a la derecha, y viceversa.

Las dimensiones de la hélice están determinadas por la longitud de onda ( λ ) de las ondas de radio utilizadas, que depende de la frecuencia . Para operar en modo axial, la circunferencia debe ser igual a la longitud de onda. ^{[ 5 ]} El ángulo de paso debe ser de 13°, que es una distancia de paso (distancia entre cada vuelta) de 0,23 veces  la circunferencia, lo que significa que el espaciado entre las bobinas debe ser aproximadamente un cuarto de la longitud de onda ( λ / 4 ) . El número de vueltas en la hélice determina cuán direccional es la antena: más vueltas mejoran la ganancia en la dirección de su eje en ambos extremos (o en un extremo, cuando se usa una placa de tierra), a costa de la ganancia en las otras direcciones. Cuando C < λ opera más en modo normal donde la dirección de ganancia es en forma de rosquilla hacia los lados en lugar de hacia los extremos.

La impedancia terminal en modo axial varía entre 100 y 200  Ω, aproximadamente ^{[ 6 ] : 292}

${\displaystyle Z\simeq 140\left({\frac {C}{\lambda }}\right)}$

donde C es la circunferencia de la hélice y λ es la longitud de onda. La adaptación de impedancia (cuando C = λ ) a un cable coaxial estándar de 50 o 75 Ω se suele realizar mediante una sección de línea de transmisión de un cuarto de onda que actúa como transformador de impedancia entre la hélice y la placa de tierra. 

La ganancia directiva máxima es aproximadamente: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle {\text{Ganancia}}\simeq 15\left({\frac {C}{\lambda }}\right)^{2}\left({\frac {NS}{\lambda }}\right)}$

donde N es el número de vueltas y S es el espaciado entre vueltas. La mayoría de los diseños usan C = λ y S = 0,23 C , por lo que la ganancia es típicamente G = 3,45 N. En decibelios , la ganancia es${\displaystyle G_{\text{dBi}}=10\log _{10}\left(3.45N\right)~.}$

El ancho del haz a media potencia es: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle {\text{HPBW}}\simeq {\frac {52}{{\frac {C}{\lambda }}{\sqrt {\frac {NS}{\lambda }}}}}\ {\text{grados}}}$

El ancho del haz entre los puntos nulos es:

${\displaystyle {\text{FNBW}}\simeq {\frac {115}{C}}{\sqrt {\frac {\lambda ^{3}}{NS}}}\ {\text{grados}}}$

La ganancia de la antena helicoidal depende en gran medida del reflector. ^{[ 8 ]} Las fórmulas clásicas anteriores suponen que el reflector tiene la forma de un resonador circular (una placa circular con un borde) y que el ángulo de inclinación es óptimo para este tipo de reflector. Sin embargo, estas fórmulas sobreestiman la ganancia en varios dB . ^{[ 9 ]} La inclinación óptima que maximiza la ganancia para un plano de tierra plano se encuentra en el rango de 3 a 10° y depende del radio del cable y de la longitud de la antena. ^{[ 9 ]}

• Telstar

General

• Kraus, JD ; Marhefka, Ronald J. (2002). Antenas: Para todas las aplicaciones (3.ª  ed.). McGraw-Hill Higher Education. Bibcode : 2002aaa..book.....K .
• Balanis, Constantine (1982). Teoría, análisis y diseño de antenas . John Wiley and Sons.
• Stutzman, Warren; Thiele, Gary (1998). Teoría y diseño de antenas (2.ª  ed.). John Wiley and Sons.

• "Antenas helicoidales" . Teoría de antenas .
• Slade, Bill (2015). "Los fundamentos de las antenas de hélice cuadrifilares" (PDF) . Orban Microwave . Recuperado el 6 de marzo de 2023 .