Antena de paraguas

Una antena de paraguas es una antena monopolar de alambre con carga superior capacitiva , que consiste en la mayoría de los casos en un mástil alimentado en el extremo de tierra, al cual se conectan varios alambres radiales en la parte superior, inclinados hacia abajo. ^[1] Un lado de la línea de alimentación que suministra energía desde el transmisor está conectado al mástil y el otro lado a un sistema de tierra (puesta a tierra) de alambres radiales enterrados en la tierra debajo de la antena. Se utilizan como antenas de transmisión por debajo de 1 MHz, en las bandas de MF , LF y particularmente en las de VLF , a frecuencias suficientemente bajas como para que sea poco práctico o inviable construir una antena monopolar de cuarto de onda de tamaño completo. El extremo exterior de cada alambre radial, que se inclina hacia abajo desde la parte superior de la antena, está conectado por un aislante a una cuerda o cable de soporte anclado al suelo; los alambres radiales también pueden sostener el mástil como tirantes . Los alambres radiales hacen que la antena parezca el marco de alambre de un paraguas gigante (sin la tela), de ahí el nombre.

La antena está sostenida por un mástil central de acero tubular o enrejado . La parte superior del mástil está unida a un anillo de cables radiales espaciados de manera uniforme que se extienden en diagonal hasta cerca del suelo, donde cada uno está unido con un aislador de tensión a una longitud de cable o cuerda no radiante que está anclada al suelo. Los cables de la sombrilla también pueden servir estructuralmente como cables tensores para sostener el mástil. Hay varios métodos diferentes para suministrar energía desde el transmisor a la antena:

En la alimentación de base, el mástil se apoya sobre un aislante cerámico grueso que lo mantiene aislado del suelo, y la línea de alimentación del transmisor se conecta a la base del mástil. El mástil de acero conductor sirve como radiador monopolar. Alternativamente, en antenas de alta potencia, el mástil está conectado a tierra, los cables de la sombrilla están aislados donde se conectan al mástil central y se conectan a cables radiadores verticales que cuelgan paralelos al mástil y que se alimentan en la parte inferior. Esta construcción se utiliza en antenas de alta potencia en las que el voltaje muy alto en la antena dificultaría aislar el mástil del suelo. ^{[2] [3] [4]}

Debajo de la antena hay un gran sistema de conexión a tierra conectado al lado opuesto de la línea de alimentación, que consta de cables enterrados en la tierra que se extienden radialmente desde la base del mástil hasta el borde de los cables del paraguas.

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  Antena H del sistema de navegación Omega , un sistema de radionavegación obsoleto , Tsushima, Japón, 389 metros, construida en 1973. Transmitía en 10–14 kHz.
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  Antena de Radio Televisyen Malaysia (RTM), Tuaran , distrito de Sabah, Malasia
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  Antena Omega Station E de 428 metros en Chabrier, isla de la Reunión .
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  Parte superior del mástil de 432 m de la antena de la estación G Omega , Victoria, Australia, que muestra los aisladores que sujetan los 16 cables del paraguas al mástil

Alternativamente, en la alimentación radial, la antena puede ser alimentada con energía aplicando la corriente del transmisor a los extremos de uno o más de los cables radiales en lugar del mástil. En este caso, el mástil central está conectado a tierra. Al igual que con los alimentadores de cable, esto evita la necesidad de un aislador de soporte del mástil y tampoco requiere un aislador en los cables de alimentación para las luces de advertencia de aeronaves del mástil . Esta construcción se utilizó en tres grandes antenas tipo paraguas para el obsoleto sistema de navegación Omega que operaba a 10–14  kHz , para eliminar el problema muy difícil de aislar la base del mástil contra el potencial de antena de 200 kV.

Como la antena es más corta que la longitud resonante de un cuarto de longitud de onda, tiene capacidad . Para cancelar la reactancia capacitiva y hacerla resonante para que pueda recibir energía de manera eficiente, se conecta un inductor de adaptación de impedancia llamado bobina de carga en serie con la línea de alimentación en la base de la antena.

El mástil vertical, aislado del suelo, o los cables radiadores verticales, funciona como una antena monopolar resonante . ^{[2] [3] [4]} En las bajas frecuencias utilizadas, la altura del mástil es mucho menor que su longitud resonante, un cuarto de longitud de onda ( ), por lo que constituye una antena eléctricamente muy corta ; tiene una resistencia a la radiación muy baja y sin los cables de carga superior sería un radiador muy ineficiente. La corriente oscilante del transmisor viaja hacia arriba del mástil y se divide aproximadamente por igual entre los cables de carga superior. Se refleja desde los extremos de los cables y viaja de regreso hacia abajo por el mástil. La corriente saliente y reflejada se superponen, formando una onda estacionaria que consiste en la parte de cola de una onda sinusoidal . ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$

Debido a las reflexiones del suelo y a la colocación simétrica de los cables de carga superior, medidos lejos de la antena, las ondas de radio irradiadas desde los cables radiales en forma de paraguas se cancelan en gran medida entre sí, por lo que los cables radiales en sí mismos casi no irradian potencia de radio. En cambio, los cables de paraguas funcionan como una carga superior capacitiva que reemplaza parte o la totalidad de la capacitancia que proporcionaría la parte superior de un mástil de cuarto de onda de longitud completa. Los cables de tierra enterrados o colocados en la tierra debajo de la antena funcionan como la placa inferior correspondiente del "condensador" gigante. La capacitancia adicional aumenta la corriente en el mástil vertical debido a la carga adicional requerida para cargar y descargar la carga superior cada mitad del ciclo de RF. En el mejor de los casos, esto puede duplicar la corriente total y cuadriplicar la potencia radiada, aumentando la señal hasta 6  dB desde el nivel que tendría sin carga superior.

Para neutralizar la gran reactancia capacitiva de la antena y hacerla resonante a la frecuencia de operación para que pueda ser alimentada con energía de manera eficiente, se coloca un inductor grande ( bobina de carga ) en la línea de alimentación en serie con la antena, en su base. El otro lado de la línea de alimentación del transmisor está conectado al sistema de tierra. La antena y la bobina forman un circuito sintonizado . Su gran reactancia y baja resistencia generalmente le dan a la antena un factor Q alto , por lo que tiene un ancho de banda estrecho sobre el cual puede funcionar. En las grandes antenas tipo paraguas utilizadas en la banda de frecuencia muy baja , el ancho de banda de la antena puede ser inferior a 100  hercios .

A continuación se presentan varias variaciones de antenas de paraguas con mástil conectado a tierra desarrolladas por el ejército de EE. UU. en la década de 1970 para su uso en la banda de baja frecuencia .

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  Antena pan-polar
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  Antena Nord

La antena paraguas irradia ondas de radio polarizadas verticalmente en un patrón de radiación omnidireccional , con la misma potencia emitida en todas las direcciones horizontales, con la máxima intensidad de señal irradiada en direcciones horizontales, cayendo monótonamente con el ángulo de elevación hasta cero en el cenit. Debido a la gran carga superior, suelen ser más eficientes que las otras antenas comunes de carga superior, la antena "flattop" o "T" , a bajas frecuencias, y se utilizan ampliamente en la banda VLF .

Las ondas terrestres son ondas polarizadas verticalmente que se alejan de la antena horizontalmente justo por encima del suelo. Las antenas de paraguas son buenas antenas de ondas terrestres y se utilizan como antenas de transmisión de radio en las bandas de frecuencias medias y bajas .

La ganancia de una antena paraguas sobre un terreno perfectamente conductor, al igual que otras antenas monopolares eléctricamente cortas, es de aproximadamente 3,52 dBi si es significativamente más corta que${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda ~.}$

Como los cables diagonales están inclinados hacia abajo, la corriente que circula por ellos tiene un componente vertical. ^[3] Esta corriente va en dirección opuesta a la corriente que circula por el mástil, por lo que, lejos del mástil, las ondas de radio que irradia están desfasadas 180° con respecto a las ondas de radio del mástil y las anulan parcialmente. De este modo, los cables del paraguas protegen parcialmente el mástil, lo que reduce la potencia radiada. Si hay suficientes cables en el paraguas, se bloquean todas las ondas de radio emitidas por la parte del mástil que se encuentra por encima de la parte inferior del paraguas, y la única radiación proviene de la parte del mástil que se encuentra por debajo del paraguas.

Debido a su gran capacidad de carga superior, las antenas de paraguas son algunos de los diseños de antena más eficientes a bajas frecuencias, y se utilizan para transmisores en las bandas LF y VLF para ayudas a la navegación y comunicación militar. Son de uso común para estaciones de radiodifusión comerciales de AM de onda media y onda larga . Las antenas de paraguas con alturas de 15 a 460 metros están en servicio. ^{[ cita requerida ]} Las antenas de paraguas más grandes son las antenas trideco (abajo) construidas para estaciones de transmisión navales VLF que se comunican con submarinos sumergidos. Ocho antenas de paraguas de 350 metros de altura están en uso en un conjunto en la instalación de comunicaciones VLF alemana, operando a unos 20 kHz con alta eficiencia de radiación a pesar de que son menores de ⁠1/ 40 ⁠ longitud de onda alta. ^{[ cita requerida ]}

Con la progresiva adopción a nivel mundial de dos nuevas bandas de radioaficionados, a 630 metros y 2200 metros , los aficionados con espacio suficiente han reanudado el uso de este diseño.

La antena trideco es una enorme antena especializada tipo paraguas que se utiliza en algunos transmisores militares de alta potencia a muy baja frecuencia (VLF). ^{[5] [6]} En una antena tipo paraguas convencional, el uso de cables tensores inclinados como carga superior capacitiva tiene algunas desventajas: en primer lugar, dado que los cables del paraguas deben anclarse al suelo, su longitud es limitada. A bajas frecuencias, la longitud de los cables de carga superior necesarios es mucho mayor que la que se puede utilizar para los cables tensores; sin mástiles de soporte adicionales, los cables se combarían hasta el suelo. En segundo lugar, dado que los cables están inclinados, la corriente en ellos tiene un componente vertical. Esta corriente vertical está en dirección opuesta a la corriente en el mástil, por lo que las ondas de radio irradiadas por él están desfasadas 180° con la radiación del mástil y la cancelan parcialmente.

En el diseño trideco, los cables de carga superior se extienden horizontalmente desde la parte superior del mástil central, sostenidos por un anillo de 12 mástiles que rodean el mástil central, para crear una "placa de condensador" de cable radial paralela a la Tierra, impulsada en el centro. ^{[7] [8]} Los cables de carga superior tienen la forma de seis paneles romboidales (de diamante) que se extienden simétricamente desde el mástil central en ángulos de 60°, lo que le da a la antena la forma de una estrella de seis puntas cuando se ve desde arriba. En lugar de utilizar el mástil central en sí como radiador, cada panel está conectado a un cable radiador vertical junto al mástil central, y los seis cables radiadores se alimentan en fase en la base. Esto elimina el difícil problema de aislar el mástil del suelo a los voltajes extremadamente altos utilizados. También permite la posibilidad de apagar la energía a uno de los paneles y bajarlo al suelo para realizar tareas de mantenimiento mientras el resto de la antena está en funcionamiento. Enterrado en el suelo, debajo de la antena, hay un enorme sistema de tierra radial que forma la "placa" inferior del condensador con la carga superior. La antena debe ser muy grande en las frecuencias VLF utilizadas; los mástiles que la sostienen tienen una altura de 250 a 300 metros (820 a 980 pies) y la carga superior tiene un diámetro de aproximadamente 1.900 metros (6.200 pies).

La antena trideco fue desarrollada para transmisores navales de alta potencia, que transmiten en frecuencias entre 15 y 30 kHz a potencias de hasta 2 megavatios, para comunicarse con submarinos sumergidos en todo el mundo. Es el diseño de antena más eficiente encontrado hasta ahora para este rango de frecuencia, logrando eficiencias del 70-80% donde otros diseños de antena VLF tienen una eficiencia del 15-30% debido a la baja resistencia a la radiación del monopolo eléctricamente muy corto . ^[8] La antena fue inventada por Boynton Hagaman de Development Engineering Co. (DECO) e instalada por primera vez en Cutler, Maine en 1961. ^[9] La inspiración para el diseño fue la antena paraguas del transmisor Goliath de 1 megavatio construido por la marina de la Alemania nazi en 1943 en Kalbe, Sajonia-Anhalt , Alemania. Hoy en día, las antenas trideco se encuentran en algunas bases militares en todo el mundo, como la estación de radio naval de Cutler en Maine, EE. UU.; la estación de comunicación naval Harold E. Holt , Exmouth, Australia; y la estación de radio Anthorn , Anthorn, Reino Unido. Una antena de 3 paneles modificada se encontraba en NSS Annapolis , Annapolis, Maryland, pero fue desmantelada en 1990.

Las antenas de paraguas se inventaron durante la era de la telegrafía inalámbrica , aproximadamente entre 1900 y 1920, y se usaban con transmisores de chispa en bandas de onda larga para transmitir información mediante código Morse . Se usaban frecuencias bajas para comunicaciones transcontinentales de larga distancia y las antenas eran eléctricamente cortas , por lo que se usaban antenas con carga superior capacitiva. Las antenas de paraguas se desarrollaron a partir de grandes antenas capacitivas de múltiples cables utilizadas por Guglielmo Marconi durante sus esfuerzos por lograr una comunicación transatlántica confiable.

Una de las primeras antenas que utilizó este diseño fue el mástil tubular de 420 pies (130 m) erigido en 1905 por Reginald Fessenden para su transmisor de chispa experimental en Brant Rock, Massachusetts, con el que realizó la primera transmisión transatlántica bidireccional, comunicándose con una antena idéntica en Machrihanish , Escocia. ^[10] Los cables unidos a la parte superior (4 u 8, según la fuente) estaban conectados eléctricamente al mástil y se extendían en diagonal hasta la superficie, donde estaban aislados del suelo. Otro ejemplo temprano es la antena de paraguas construida en 1906 por Adolf Slaby en la estación transmisora ​​de Nauen , la primera estación de radio de largo alcance de Alemania, que constaba de un radiador de torre de celosía de acero de 100 metros (330 pies) con 162 cables de paraguas unidos a la parte superior, anclados con cuerdas de cáñamo al suelo a 200 m de la torre. Las antenas de paraguas pequeñas fueron ampliamente utilizadas con transmisores portátiles por los cuerpos de señales militares durante la Primera Guerra Mundial , ya que no había posibilidad de instalar antenas de cuarto de onda de tamaño completo.

Se utilizaron antenas de paraguas en la mayoría de los transmisores del sistema de navegación OMEGA , que operaban alrededor de 10 kHz, en las estaciones Decca Navigator y en las estaciones LORAN-C , que operaban a 100 kHz con mástiles centrales de aproximadamente 200 metros de altura, antes de que se cerraran esos sistemas.

• Imagen de la antena paraguas "Goliat". j-hawkins.com (imagen).