ANTENAS HELICOIDALES

David Andrés Rincón LópezRuber Hernández Jojoa

Jaime Álvarez

DefiniciónO La antena helicoidal o antena hélice es una

antena con forma de solenoide.O Es una evolución del monopolo vertical, en la cual el

monopolo ha sido modificado para tomar la forma de un solenoide.

SOLENOIDE

O Un solenoide es cualquier dispositivo físico capaz de crear una zona de campo magnético uniforme.

CaracterísticasO 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.

Diagrama básico antena helicoidal.

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).

Modos de funcionamiento

O El modo normal de radiación se presenta cuando el largo de onda es mucho mayor a las dimensiones de la antena y se caracteriza por tener un campo radiado máximo en el plano perpendicular al eje y mínimo en el eje de la antena. El modo axial de radiación se presenta cuando el perímetro de la circunferencia que forma el helicoide es cercano a un largo de onda.

Antena helicoidal sobre un plano de tierra circular.

.

O 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.

O Diseño de la antena

O de hélice polarizada

O circularmente.

ClasificaciónO Existen varios tipos de antena hélice, entre

ellas:

O Antenas para walkie-talkies

Las antenas helicoidales son sumamente utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. El hecho de enrollar el monopolo en forma de hélice reduce sensiblemente el largo de la antena, reduciéndola a dimensiones razonables; así, una antena monopolo vertical que mediría 17 cm para la banda de radioaficionados de 70 cm, mide apenas cinco o seis en su forma helicoidal.

O Antenas para recepción satelitalOtras 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.

O Antenas HaloCaso límite de una antena helicoidal, se usan sobre todo en VHF. Son omnidireccionales y tienen buena ganancia.

DiseñoO se observa la antena helicoidal con sus

variables, donde D es el diámetro de la antena, S la distancia entre cada espira, L el largo de la antena, asumiendo las formulas del libro de Balanis, lo primero

que se halla es λ. O Como la antena que vamos a diseñar es

para wifi tomamos la frecuencia de 2,4Ghz

DimensionesO 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 = πDO S = espacio entre vueltas (centro a centro del conductor)O α = ángulo de elevación = tan-1(S / πD)O L = longitud de una vueltaO n = número de vueltasO A = longitud axial = nSO d = diámetro del conductor del helicoide

obteniendo λ, se halla el diámetro de la antena:

D = λ /∏

El diámetro de la antena según la fórmula es de 3.97 cm, pero para aspectos prácticos es complicado construir la antena con ese diámetro, ya que siempre se utiliza tubo de PVC para su construcción, para esté caso el tubo que se encuentra comercialmente es el de 4.3 cm,

O Como se ve en el triangulo de la figura, C es la circunferencia de cada hélice, y está expresada por medio de la siguiente formula

Basándose en el libro de Balanis el ángulo α tiene que estar entre 0º < α < 90º,

En nuestro caso asumimos

Luego se halla el valor de S

S = tan (α ) (π D)

El valor de S es la distancia entre cada hélice, para esté caso se aproxima a 4.0 cm. para facilidad en la construcción de la antena, finalmente, se asume un número de vueltas N, para hallar la ganancia que tendrá la antena, se utiliza la formula.

Asumimos N en 14 vueltas

La ganancia de la antena helicoidal el de 10 dbi, teniendo en cuenta que la ganancia de las de fábrica del router es de 2 dbi, se garantiza un mayor rango de cobertura al sistema.

Para hallar el L, que es el largo que tiene la antena es:

Según el libro de Balanis el grosor del cable puede ser de 1 mm, por lo que se podría usar alambre de cobre de calibre AWG 14., que mide un poco mas de 1 mm de grosor.

La impedancia de la antena está dada por, la formula:

.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

En el libro de Neri Vela en el capitulo 2, de líneas de transición acoplan las impedancias de la siguiente forma, utilizando la formula

La impedancia del stub es de 86.6 Ω, que para efectos prácticos y reales se aproxima a 90 Ω, con una distancia de λ/4 de la antena a la línea de transmisión. Para el reflector de la antena en el libro de Balanis se calcula como 1.1 λ, lo cual da un reflector de unos 13 cm de diámetro.

Fotos de la antena

En las figuras, se observa el patrón de radiación de la antena, que en éste caso es omnidireccional, también se ve que la ganancia de la antena, que en la simulación es de 9.212 dBi,

Patrón de RadiaciónO 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

Patrón de Radiación de acuerdo a modo de Funcionamiento

ConclusionesO 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 antena.

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.

ConclusionesO 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.

Muchas Gracias

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