Antena Helicoidal (1).docx 3e401r

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA

ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ANTENAS

INTEGRANTES: Ronald Torres Pablo Guerrero John Lanchi Ana Saritama

Carlos Quizhpe Marlon Macas Erick Veintimilla Xavier Sanchez

TEMA: ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE UNA ANTENA HELICOIDAL CON UNA FRECUENCIA CENTRAL DE 435MHZ

PARALELO: “B”

Reseña: La antena helicoidal es una evolución del monopolo vertical, en la cual el monopolo vertical ha sido modificado para tomar la forma de un solenoide. Las antenas helicoidales son sumamente utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. En efecto, 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. La antena está enrollada en una vaina de caucho, lo que la hace flexible y evita que se rompa fácilmente. Otras antenas helicoidales son utilizadas en UHF para recibir señales satelitales; ya que la polarización de la antena helicoidal es circular, favorece a la recepción de satélites, estas antenas se fabrican con las espiras separadas un poco menos que el diámetro mismo de la hélice. Debido a su fácil construcción, y su bajo costo, se convierte en una antena muy popular en especial al momento de comunicaciones satelitales. Las fórmulas para los cálculos de la antena helicoidal, fueron obtenidas del libro de Contantine A. Balanis, capitulo 10, a continuación se presentan las variables y formulas requeridas para el diseño de una antena helicoidal donde D es el diámetro de la antena, S la distancia entre cada espira, L el largo de la antena, λ es la longitud de onda, tomando como frecuencia central 435MHz. Parámetros: Polarización: La polarización de la antena helicoidal es de tipo circular (horizontal y vertical por partes iguales). Impedancia: La impedancia de la antena hélice es baja. Por lo tanto, es preciso adaptarla a los 50 Ohmios de los transmisores con algún tipo de adaptador de impedancia. Resonancia: La antena hélice es resonante a una frecuencia fundamental. Patrón de Radiación: La obtención del diagrama de radiación teórico está basada en el análisis de una sola espira. Obtenido el diagrama para una vuelta se utiliza el llamado factor 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 ellas. Ganancia: La ganancia de una antena helicoidal depende de varios factores, que incluyen el diámetro de la hélice, la cantidad de vueltas en la hélice, el paso o distancia entre vueltas y la frecuencia de operación.

Directividad: Con las dimensiones de la fig. 1, las frecuencias dentro de +20%, -20% de la frecuencia central producen una directividad casi de 25 y una abertura de haz de 90º entre ceros. [5]

Cálculos:

Fig. 1 Parámetros geométricos de la antena helicoidal

Para el Diseño de nuestra Antena hemos considerado la Frecuencia central para la banda de 435 MHz. En la antena helicoidal tendremos en cuenta: C= Longitud circunferencia de la hélice. S= Distancias entre vueltas. L= Longitud de la antena. D= Diámetro antena. L= Longitud para una vuelta. l = Longitud total del cable. Z = Impedancia

FRECUENCIA

f =435 MHz

GANANCIA LAMBDA

m 300 x 10 C s λ= = 6 f 435 x 10 Hz

G=11,8 +10 log

6

λ=0,6896 m

[( ) ] C 2 N ∙S λ

G=11,8 +¿ +10 log

[( )

68,98 2 6 ∙ 0,1725 m 69

λ=68,96 cm

G=11,8 +10 log [ 1 ∙ 69 ]

λ=69 cm

G=11,15 dB DIAMETRO ANTENA

D=

λ π

DISTANCIA ENTRE VUELTAS

D=21,96 cm

1 S= λ 4

D=22 cm

S=17,25 cm

LONGITUD DE LA ANTENA

LONGITUD CONDUCTOR

L=N ∙ S

l=N ∙C

L=5 ∙17,25 cm

l=5 ∙ 68,98

L=86,25 cm

l=344,9 cm

L=0,86 m

l=3,44 m

LONGITUD DE LA CIRCUNFERENCIA DE LA HÉLICE

C=π ∙ D C=68,98 cm C=69 cm

]

IMPEDANCIA

( Cλ ) 0,6998 m Z =140 ( 0,6896 m ) Z =140

Z =142,02 Ω

Ya que la impedancia es bastante alta puesto que se le acoplará una línea de transmisión 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 capítulo 2, de líneas de transición acoplan las impedancias de la siguiente forma, utilizando la formula

Za=√ Zo∗ZL=√50∗142,02=84,26743 A continuación se presenta un diagrama de la simulación obtenida:

Diagrama de la antena helicoidal en PostFeko

Ganancia: 11.4 Directividad: 11.4 Diagrama Cartesiano de la antena helicoidal

Diagrama polar de antena helicoidal:

Ventajas de una antena helicoidal:     

 



Presenta la ventaja de que es fácil de fabricar a muy bajo costo Aumenta la ganancia simplemente aumentando el número de espiras (aunque la relación no es lineal). La polarización circular, propia de esta antena, tiene la ventaja de ser poco sensible a los fenómenos atmosféricos. 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. La antena helicoidal tiene muchos modos de radiación, pero los más comunes son el modo axial de radiación y el modo normal de radiación. 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. o El modo axial de radiación se presenta cuando el perímetro de la circunferencia que forma el helicoide es cercano a un largo de onda. Al contrario del modo normal se caracteriza por tener un campo radiado máximo en su eje y lóbulos menores a los lados. La impedancia de esta antena es puramente resistiva La hélice es usual mente conectada al centro del conductor de una línea de transmisión coaxial en el punto de alimentación con el conductor exterior o malla de la línea atada al plano a tierra. La teoría establece que la antena debe utilizar un plano de tierra que al menos sea de medio largo de onda a fin de establecer una radiación principal en una sola dirección con una buena relación delante-atrás.

Conclusiones:

-

Esta antena permite el uso reducido de espacio en cuanto se trata de un monopolo así una antena para la banda de 0.7 metros ocuparía espacio innecesario mientras que con la helicoidal se tiene la misma entena en tan solo unos 5 o 6 centímetros. - Esta antena resulta tener un ancho de banda alto así mismo una directividad alta, y se puede acoplar de una forma más sencilla que una yagi, además, es ampliamente usada para recepción satelital y para radios portátiles, aunque se la puede usar también para enlaces punto a punto. - La ganancia de la antena depende del número de espiras que contenga la antena, es decir mientras mayor sea el número de espiras mayor ganancia tendrá la antena. Es necesario destacar que al aumentar el número de espiras sacrificaremos la eficiencia de la misma. - Para lograr un funcionamiento óptimo de la antena es necesario que el diámetro y distancia entre vueltas de la antena este bien definido, caso contrario estos valores representaran perdidas. Referencias: [1] Antena helicoidal 2.4GHz, fchea de consulta 22-07-2015, tomado de http://es.slideshare.net/yron/antenahelicoidal-24-ghz-diseo [2] Análisis, Diseño, Construcción y Medición de Antenas Helicoidales para 2.4 GHz sobre Aeroplataforma de Comunicaciones Globo-Antena (HAPS), fecha de consulta 22-07-2015, tomado de http://www.haps.cl/documentos/05.pdf [3] BALANIS, Constantine; Antenna theory - Analysis and design; capítulo 10, Traveling Wave and Broadband Antennas, fecha de consulta 22/07/2015. [4] FEKO, `s manual; Julio 2011; fecha de consulta 30/06/2015; recuperado de http://my.fit.edu/~kostanic/ENG1000/Manual.pdf. [5] Sistema de comunicaciones electrónicas. Disponible en línea. https://books.google.com.ec/books? id=_2HCio8aZiQC&pg=PA400&lpg=PA400&dq=potencia+de+una+antena+helicoidal&source=bl&ots=vu1N5EOrg&sig=Q_xc2lcrcfoQKXXGm6mfTUExzc&hl=es&sa=X&ved=0CDEQ6AEwA2oVChMI46XE4fTxxgIVBpseCh1B1Qjh#v=onepage&q=potencia %20de%20una%20antena%20helicoidal&f=false