Antena en T

Fotografía de 1935 de las instalaciones de WOR / 710 AM en Carteret, Nueva Jersey. En este caso, se aprecian tres radiadores: las dos torres y la antena central en forma de "T", suspendida en el medio.

Una antena en L invertida de fabricación casera amateur.

AAntena en "T" ,La antena en forma de "T" o antena plana es una antena de radio monopolo que consta de uno o más cables horizontales suspendidos entre dos mástiles o edificios de soporte y aislados de ellos en sus extremos. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Un cable vertical está conectado al centro de los cables horizontales y cuelga cerca del suelo, conectado al transmisor o al receptor . La forma de la antena se asemeja a la letra "T", de ahí su nombre. La potencia del transmisor se aplica, o el receptor se conecta, entre la parte inferior del cable vertical y una conexión a tierra . ^{[ 1 ]}

Una antena muy similar es la antena en L invertida . Esta es parecida a la antena en T, excepto que el cable de alimentación vertical, en lugar de estar conectado al centro de los cables horizontales de carga superior, está conectado en un extremo. Su nombre proviene de su parecido con una letra "L" invertida (Γ). La antena en T es omnidireccional , irradiando la misma potencia de radio en todas las direcciones azimutales, mientras que la antena en L invertida es poco direccional , con la máxima potencia de radio irradiada en la dirección del cable de carga superior, en el extremo donde está conectado el cable de alimentación.

Las antenas en forma de 'T' y de L invertida se utilizan típicamente en las bandas VLF , LF , MF y de onda corta , ^{[ 3 ] [ 4 ] : ​​578–579 [ 2 ]} y se utilizan ampliamente como antenas transmisoras para estaciones de radioaficionados , ^{[ 5 ]} y estaciones de radiodifusión AM de onda larga y onda media . También pueden utilizarse como antenas receptoras para la escucha de onda corta . Funcionan como antenas monopolo con carga superior capacitiva; otras antenas de esta categoría incluyen las antenas paraguas y triáticas. Fueron inventadas durante las primeras décadas de la radio, en la era de la telegrafía inalámbrica , antes de 1920.

La antena tipo 'T' se entiende más fácilmente como compuesta por tres partes funcionales:

Carga superior

La sección superior de alambre horizontal (a veces llamada " sombrero de capacitancia ") actúa como una placa de un condensador.

Radiador

El cable vertical que transporta la corriente desde el punto de alimentación en la base hasta la parte superior; una corriente desequilibrada en el segmento vertical genera las ondas de radio emitidas.

Sistema de tierra

Los cables enterrados bajo la antena o, en ocasiones, los cables suspendidos a unos pocos metros del suelo (un contrapeso ) actúan como la otra placa del condensador.

Los cables de la carga superior suelen estar dispuestos simétricamente; las corrientes que fluyen por los cables simétricos de dirección opuesta del sombrero de copa cancelan sus campos mutuamente y, por lo tanto, no producen radiación neta, y la misma cancelación ocurre de la misma manera en el sistema de tierra. En principio, el sombrero de capacitancia ( sombrero de copa ) y su sistema de tierra correspondiente ( contrapeso ) podrían construirse como imágenes especulares el uno del otro. Sin embargo, la facilidad de simplemente colocar los cables en el suelo o elevarlos unos pocos pies sobre el suelo, en comparación con el desafío práctico de sostener los cables horizontales del sombrero de copa en lo alto, en el vértice de la sección vertical, generalmente significa que el sombrero de copa no suele construirse tan grande como el contrapeso . Además, cualquier campo eléctrico que llegue al suelo antes de ser interceptado por el contrapeso desperdiciará energía calentando el suelo, mientras que los campos eléctricos dispersos en el aire simplemente se extenderán un poco más en el aire libre sin pérdidas, antes de que finalmente lleguen a los cables del sombrero de copa.

Las secciones superior e inferior funcionan eficazmente como depósitos con cargas opuestas para almacenar electrones en exceso o en defecto , en mayor cantidad que la que se podría almacenar en el extremo superior de un cable vertical desnudo de la misma altura . Una mayor carga almacenada provoca una mayor corriente que fluye a través del segmento vertical entre la parte superior e inferior, y esa corriente en el segmento vertical produce la radiación emitida por la antena en T.

'sombrero' de capacitancia

Las secciones izquierda y derecha del cable horizontal que atraviesa la parte superior de la 'T' transportan corrientes iguales pero de dirección opuesta. Por lo tanto, lejos de la antena, las ondas de radio irradiadas por cada cable están desfasadas 180° con respecto a las ondas del otro cable y tienden a cancelarse. Se produce una cancelación similar de las ondas de radio reflejadas por el suelo. De este modo, los cables horizontales no irradian prácticamente ninguna potencia de radio. ^{[ 4 ] : 554}

En lugar de irradiar, los cables horizontales aumentan la capacitancia en la parte superior de la antena. Se requiere más corriente en el cable vertical para cargar y descargar esta capacitancia adicional durante el ciclo de oscilación de RF. ^{[ 6 ] [ 4 ] : 554} Las corrientes aumentadas en el cable vertical ( ver dibujo a la derecha ) aumentan efectivamente la resistencia de radiación de la antena y, por lo tanto, la potencia de RF radiada. ^{[ 6 ]}

La capacitancia de carga superior aumenta a medida que se agregan más cables, por lo que a menudo se utilizan varios cables horizontales paralelos, conectados entre sí en el centro donde se conecta el cable vertical. ^{[ 5 ]} Debido a que el campo eléctrico de cada cable incide sobre los de los cables adyacentes, la capacitancia adicional de cada cable agregado disminuye . ^{[ 5 ]}

Eficiencia de la carga superior capacitiva

El cable de carga superior horizontal puede aumentar la potencia radiada de 2 a 4  veces (3 a 6 dB ) para una corriente de base dada. ^{[ 6 ]} En consecuencia, la antena en T puede irradiar más potencia que un monopolo vertical simple de la misma altura. De manera similar, una antena receptora en T puede interceptar más potencia de la misma intensidad de señal de radiofrecuencia entrante que una antena vertical de la misma altura. 

En antenas construidas para frecuencias cercanas o inferiores a 600 kHz [ b ], la longitud de los segmentos de cable de una antena suele ser menor que un cuarto de longitud de onda [ c ] [ 1 / 4 λ  ≈ ^{125 m (} 410 pies ^{) [ c} ] a 600 kHz [ b ] ^{] , la} longitud más ^{corta de} cable ^recto sin   carga que alcanza la resonancia . ^{[ 5 ]} En esta circunstancia, una antena en 'T' es un monopolo vertical con carga capacitiva superior y eléctricamente corto . ^{[ 4 ] : 578–579}

A pesar de sus mejoras con respecto a una vertical corta, la típica antena en 'T' todavía no es tan eficiente como un monopolo vertical de altura completa de 1/4 λ ^{[ c} ] , ^{[ 5 ]} y tiene un Q más alto y, por lo tanto ^, un ancho de banda más estrecho. Las antenas en 'T' se utilizan típicamente en bajas frecuencias donde construir una antena vertical alta de cuarto de onda de tamaño completo no es práctico, ^{[ 2 ] [ 7 ]} y el cable radiante vertical suele ser muy corto eléctricamente : solo una pequeña fracción de una longitud de onda, 1/10 λ o menos. Una antena eléctricamente corta tiene una reactancia de base que es capacitiva , y aunque la carga capacitiva en la parte superior reduce la reactancia capacitiva en la base, generalmente queda algo de reactancia capacitiva residual. Para antenas transmisoras que deben ser sintonizadas mediante reactancia inductiva adicional de una bobina de carga , para que la antena pueda alimentarse de potencia de manera eficiente.

Tipos de antenas en 'T': ( A ) simple, ( B ) multihilo (parte superior plana), ( C ) jaula.   

Tipos de antenas en L invertida: ( D ) simple, ( E ) multihilo (parte superior plana) ( G ) jaula.   

Las partes rojas son aislantes , las marrones son mástiles de soporte. La línea de alimentación al transmisor o receptor se conecta en F. Las cargas superiores multihilo utilizadas en B , C , E y G aumentan la capacitancia a tierra y , por lo tanto, la resistencia de radiación y la potencia de salida; a menudo se utilizan como antenas transmisoras. La construcción en jaula de C y G ecualiza la corriente en los cables, reduciendo la resistencia.

Dado que el cable vertical es el elemento radiante real, la antena irradia ondas de radio polarizadas verticalmente en un patrón de radiación omnidireccional , con igual potencia en todas las direcciones azimutales. ^{[ 8 ]} El eje del cable horizontal influye poco. La potencia es máxima en dirección horizontal o con un ángulo de elevación pequeño, disminuyendo a cero en el cenit. Esto la convierte en una buena antena para frecuencias LF o MF , que se propagan como ondas terrestres con polarización vertical, pero también irradia suficiente potencia con ángulos de elevación mayores para ser útil en la comunicación por onda ionosférica ("salto"). El efecto de una mala conductividad del suelo generalmente es inclinar el patrón hacia arriba, con la máxima intensidad de señal en un ángulo de elevación mayor.

En los rangos de longitud de onda más largos donde se suelen usar antenas en forma de "T", las características eléctricas de las antenas generalmente no son críticas para los receptores de radio modernos; la recepción está limitada por el ruido natural, en lugar de por la potencia de la señal captada por la antena receptora. ^{[ 5 ]}

Las antenas transmisoras son diferentes, y la impedancia del punto de alimentación ^{[ d ]} es fundamental: la combinación de reactancia y resistencia en el punto de alimentación de la antena debe coincidir con la impedancia de la línea de alimentación y, posteriormente, con la etapa de salida del transmisor. Si no coinciden, la corriente enviada desde el transmisor a la antena se reflejará a lo largo de la línea de alimentación, generando ondas estacionarias . Esto reduce la potencia radiada por la antena y, en el peor de los casos, puede dañar el transmisor.

Resistencia reactiva

Cualquier antena monopolo de longitud inferior a 1/4 de onda presenta reactancia capacitiva ; cuanto más corta sea, mayor será dicha reactancia y mayor la proporción de la corriente de alimentación que se reflejará hacia el transmisor. Para dirigir eficientemente la corriente a una antena transmisora ​​corta, esta debe resonar ( eliminar la reactancia), si la sección superior no lo ha hecho ya. La capacitancia se suele compensar mediante una bobina de carga adicional o su equivalente; esta bobina se ubica convencionalmente en la base de la antena para facilitar su acceso, conectada entre la antena y su línea de alimentación.

La sección superior horizontal de una antena en 'T' también puede reducir la reactancia capacitiva en el punto de alimentación, sustituyendo a una sección vertical cuya altura sería aproximadamente 2/3 de su longitud; ^{[ 9 ]} si es lo suficientemente larga, elimina por completo la reactancia y evita cualquier necesidad de una bobina de carga en el punto de alimentación. 

En frecuencias medias y bajas , la alta capacitancia de la antena y la alta inductancia de la bobina de carga, en comparación con la baja resistencia de radiación de la antena corta, hacen que la antena cargada se comporte como un circuito sintonizado de alto Q , con un ancho de banda estrecho en el que permanecerá bien adaptado a la línea de transmisión, en comparación con un monopolo de 1/4 λ . ^{[ c ]}

Para operar en un amplio rango de frecuencias, la bobina de carga a menudo debe ser ajustable y ajustarse al cambiar la frecuencia para limitar la potencia reflejada hacia el transmisor . El alto factor Q también genera una alta tensión en la antena, que alcanza su valor máximo en los nodos de corriente en los extremos del cable horizontal, aproximadamente Q veces la tensión del punto de excitación. Los aislantes en los extremos deben estar diseñados para soportar estas tensiones. En transmisores de alta potencia, la potencia de salida suele estar limitada por la aparición de descargas corona en los cables. ^{[ 10 ]}

Antena de radioaficionado tipo jaula en forma de "T", de 18 metros de alto (60  pies) por 27 metros de largo (90  pies), construida en 1922 y propiedad del Historic Radio Engineers Club de Riverhead, Nueva York . El conductor está formado por una estructura de seis  cables separados por separadores de madera. Esta antena logró establecer contactos transatlánticos en 1,5  MHz con una potencia de 440  W.

Antena en forma de L invertida de Cage del radioaficionado Leroy Moffat, Jr., 5HK, en su casa en Oklahoma City, Oklahoma, en 1922.

La potencia radiada (o recibida) por cualquier antena vertical eléctricamente corta, como la antena en "T", es proporcional al cuadrado de la altura efectiva de la antena, ^{[ 5 ]} por lo que la antena debe hacerse lo más alta posible. Sin el cable horizontal, la distribución de corriente de RF en el cable vertical disminuiría de forma casi lineal hasta cero en la parte superior ( véase el dibujo "a" anterior ), lo que daría una altura efectiva de la mitad de la altura física de la antena. Con un cable de carga superior ideal de "capacitancia infinita", la corriente en el cable vertical sería constante a lo largo de su longitud, lo que daría una altura efectiva igual a la altura física, aumentando así la potencia radiada cuatro veces para la misma tensión de alimentación. Por lo tanto, la potencia radiada (o recibida) por una antena en "T" se encuentra entre la de un monopolo vertical de la misma altura y hasta cuatro veces esa altura.

La resistencia a la radiación de una antena T ideal con una capacitancia de carga superior muy grande es ^{[ 6 ].}

${\displaystyle R_{\mathsf {R}}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,}{\lambda }}\right)^{2}\,}$

por lo tanto, la potencia radiada es

${\displaystyle P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\lambda }}\right)^{2}}$

dónde

h es la altura de la antena,

λ es la longitud de onda, y

I ₀ es la corriente de entrada RMS en amperios.

Esta fórmula muestra que la potencia radiada depende del producto de la corriente base y la altura efectiva, y se utiliza para determinar cuántos metros-amperios se requieren para lograr una cantidad determinada de potencia radiada.

El circuito equivalente de la antena (incluida la bobina de carga) es la combinación en serie de la reactancia capacitiva de la antena, la reactancia inductiva de la bobina de carga, la resistencia de radiación y las demás resistencias del circuito antena-tierra. Por lo tanto, la impedancia de entrada es

${\displaystyle Z=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}+j\omega L_{\mathsf {\ell .c.}}-{\frac {1}{\,j\omega C_{\mathsf {ant.}}\,}}~,}$

dónde

RC es la resistencia óhmica de los conductores de la antena (pérdidas de cobre) _.

R _D son las pérdidas dieléctricas en serie equivalentes

R _ℓ.c. es la resistencia en serie de la bobina de carga.

R _G es la resistencia del sistema de tierra.

R _R es la resistencia a la radiación

C _ant. es la capacitancia aparente de la antena en los terminales de entrada.

L _ℓ.c. es la inductancia de la bobina de carga.

En resonancia, la reactancia capacitiva de la antena se cancela mediante la bobina de carga, por lo que la impedancia de entrada en resonancia Z ₀ es simplemente la suma de las resistencias en el circuito de la antena ^{[ 12 ].}

${\displaystyle Z_{0}=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}$

La eficiencia de la antena en resonancia, η , es la relación entre la potencia radiada y la potencia de entrada de la línea de alimentación. Dado que la potencia disipada como radiación o como calor es proporcional a la resistencia, la eficiencia viene dada por

${\displaystyle \eta ={\frac {R_{\mathsf {R}}}{\,R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}}}$

Se puede observar que, dado que la resistencia de radiación suele ser muy baja, el principal problema de diseño consiste en mantener bajas las demás resistencias en el sistema antena-tierra para obtener la máxima eficiencia. ^{[ 12 ]}

La antena plana de sintonización múltiple es una variante de la antena en "T" utilizada en transmisores de alta potencia y baja frecuencia para reducir las pérdidas de potencia en tierra. ^{[ 7 ]} Consiste en una carga superior capacitiva larga compuesta por múltiples cables paralelos soportados por una línea de torres de transmisión, a veces de varios kilómetros de longitud. Varios cables radiadores verticales cuelgan de la carga superior, cada uno conectado a su propia tierra a través de una bobina de carga. La antena se alimenta en uno de los cables radiadores o, más comúnmente, en un extremo de la carga superior, llevando los cables de la carga superior diagonalmente hacia el transmisor. ^{[ 7 ]}

Aunque los cables verticales están separados, la distancia entre ellos es pequeña en comparación con la longitud de las ondas de baja frecuencia , por lo que las corrientes en ellos están en fase y pueden considerarse como un solo radiador. Dado que la corriente de la antena fluye hacia tierra a través de N bobinas de carga y tierra en paralelo en lugar de una, la resistencia equivalente de la bobina de carga y tierra, y por lo tanto la potencia disipada en la bobina de carga y tierra, se reduce a 1 / N , la de una simple antena en T. ^{[ 7 ]} La ​​antena se utilizó en las potentes estaciones de radio de la era de la telegrafía inalámbrica , pero ha caído en desuso debido al costo de las múltiples bobinas de carga.

• Antena dipolo
• Radiador de mástil