¿Por qué las torres de radio de onda larga son tan altas?

Question

A menudo se encuentran en los cien metros de altura. Véase el enlace de la wiki:

https://en.wikipedia.org/wiki/Longwave

¿Por qué son tan altos? ¿Porque la longitud de onda es larga, por lo que la antena también debe serlo? Pero para transmitir en la región de onda larga, sólo tenemos que hacer que el circuito oscile en la frecuencia adecuada, ¿no? No tiene nada que ver con el tamaño de la antena, ¿verdad?

Answer 1

Se trata de un problema de adaptación de impedancias incluso para una antena infinitesimal, es decir, un dipolo de Hertz (o un monopolo sobre un plano de tierra) puede transmitir perfectamente y estar perfectamente adaptado a una onda sinusoidal pura. Lo que no puede hacer es adaptarse a una señal de ancho de banda finito.

La impedancia de un dipolo corto de longitud $h$ y el radio $a$ es aproximadamente $Z_{dipole} \approx 20 (kh)^2 - \mathfrak {j} \frac{120(\textrm{ln}(h/a) -1)}{\textrm{tan}(kh)}$ con $k=2\pi/\lambda$ . Un dipolo corto, (infinitesimal o no), aquel cuya longitud es inferior a $\lambda/10$ es, por tanto, un condensador de frecuencia variable en serie con una pequeña resistencia de radiación, por lo que es casi un circuito abierto. Para hacer que esto irradie uno puede simplemente colocar un inductor en serie para hacer resonar el condensador "hacia afuera". Hasta aquí todo bien, pero la resistencia a la radiación sigue estando en los micro o mili-ohmios, por ejemplo, un dipolo de 1m de largo a 1MHz tiene una resistencia a la radiación $800 \textrm{m}\Omega$ .... Así, esta antena como carga representa un enorme reflector en un, digamos, $50\Omega$ línea de transmisión a menos que también se haga un transformador de impedancia para adaptarlo al espacio libre cuya impedancia es $120\pi=377 \Omega$ .

Se puede intentar añadir otros elementos reactivos como otro inductor en paralelo para que los dos inductores actúen también como un transformador de impedancia, pero ahora uno se encuentra rápidamente con una limitación práctica muy severa: cuanto mayor sea la relación del transformador que uno necesita, mayores serán las corrientes circulantes, y desafortunadamente las pérdidas del circuito son proporcionales a $I^2$ . Es muy posible que la resistencia a la radiación de un dipolo corto sea, de hecho, mucho menor que la resistencia parásita de la red de adaptación y, por lo tanto, la mayor parte de la potencia del transmisor se disipa en el circuito (sobre todo en las bobinas) y no se irradia. Compare este caso con el de un dipolo de media onda cuya impedancia es casi real y $\approx 73 \Omega$ .

También hay que mencionar otra complicación más sutil pero, en la práctica, también más difícil. Para un tamaño de antena fijo, a medida que se aumenta la longitud de onda (se reduce la frecuencia) la relación entre la reactancia (parte imaginaria) y la resistencia (parte real) de la impedancia de la antena también aumenta, de hecho el aumento es mucho más rápido que el lineal (cuasi exponencial). El resultado es un ancho de banda operativo que se reduce exponencialmente, ya que el circuito de adaptación del elemento fijo tiene una impedancia que es una función racional (relación de polinomios) de la frecuencia. Por ejemplo, un transmisor de radio AM necesita un ancho de banda efectivo de unos 5kHz, y eso es mucho a una frecuencia portadora de 500kHz (1%). Una antena mal adaptada es, en el peor de los casos, un quemador de transmisores y, en el mejor de los casos, un calentador...

Answer 2

Mi respuesta es completamente diferente. Las antenas de onda larga suelen ser antenas de cuarto de onda, también conocidas como antenas Marconi por su inventor. Como su nombre indica, tienen una longitud de aproximadamente 1/4 de la longitud de onda a transmitir. Compárelas con las antenas dipolo, generalmente utilizadas para longitudes de onda más cortas, tanto en transmisión como en recepción, que tienen una longitud de media onda. Una antena de cuarto de onda puede verse completada a un dipolo por su imagen especular formada por un plano de tierra (normalmente el terreno físico debajo de él).

La razón física por la que una antena debe estar en un simple (1/4, 1/2) relación con la longitud de onda no es muy fácil de explicar. Hay que tener en cuenta que entre los dispositivos electromagnéticos las antenas son las más difíciles de entender y también de diseñar. Se encuentran en la interfaz entre dos dominios: el de los circuitos eléctricos (resistencias, condensadores, inductores, generadores) y el de las ondas electromagnéticas. Además, tanto en el caso de las antenas de recepción como de de las antenas de transmisión es de suma importancia su eficiencia es decir, su capacidad de emitir la mayor fracción posible de la potencia generada por el emisor, o la de absorber y de absorber y utilizar, mediante circuitos de amplificación, la mayor potencia posible de una onda incidente.

En lo que respecta a la teoría pura, no sería necesario un tamaño para una antena que tenga que transmitir una determinada longitud de onda (es decir, una determinada frecuencia). Pero en la práctica las cosas son muy diferentes. Pensemos en una antena Marconi de tamaño incorrecto. En general, sería por los equipos de transmisión como una carga reactiva es decir, una resistencia en serie con un inductor o un condensador. Un inductor si es demasiado largo, un condensador si es demasiado corto. Esto se puede solucionar con adaptación de la impedancia por añadiendo en serie a la antena un condensador en el primer caso, un inductor en el segundo.

Pero una antena de longitud incorrecta sufre otro inconveniente: su resistencia a la radiación (RR) desciende sustancialmente. El RR multiplicado por la corriente al cuadrado da la potencia radiada. Por lo tanto, un RR bajo requiere una mayor corriente para dar la potencia requerida, y esto a su vez requiere un transformador reductor para adaptar la alta corriente de la antena a las características de salida del transmisor. La alta corriente de la antena Además, la alta corriente de la antena aumenta la potencia disipada en la inevitable resistencia óhmica, por lo que la eficiencia de la radiación disminuye. inevitable, por lo que la eficacia de la radiación disminuye.

Answer 3

... para transmitir en la región de onda larga, sólo tenemos que hacer que el circuito oscile en la frecuencia adecuada

Esa es la cuestión. Para una frecuencia más baja, los electrones -que se aceleran dentro de la varilla de la antena-, necesitan una mayor distancia dentro de la varilla. Si la perturbación de estos electrones llegara demasiado rápido al final de la varilla, la potencia del generador de la antena no haría trabajo, sino que sólo calentaría el sistema. La frecuencia que se quiere transmitir y la longitud de la varilla no son independientes en cuanto a la eficiencia energética y la calidad de la forma sinusoidal de la energía transmitida.

Para dar un ejemplo de una señal de onda pulsada aguda, intente imaginar lo que ocurre con los electrones dentro de una barra superconductora. El generador empuja casi a la vez todos los electrones disponibles hasta el final de la varilla y después, hasta el final del primer medio ciclo, vuelve a funcionar una enorme resistencia óhmica (estamos hablando de un circuito abierto). Los electrones acelerados emiten en un momento un gran número de fotones -supongo que en el rango de los rayos X- y después de nada y sólo con el comienzo del segundo medio ciclo del generador la misma emisión ocurre de nuevo, esta vez en la dirección opuesta, por supuesto.

No tiene nada que ver con el tamaño de la antena

Para frecuencias muy bajas es imposible construir antenas tan largas. Pero es útil añadir al final de la varilla un metal adicional que funciona como un condensador Dachkapazität (disponible sólo en la wiki alemana) . Así, la aceleración de los fotones dura más tiempo y se mejora la eficacia del generador y la calidad de la onda.

Fuente

Answer 4

El rendimiento de la antena se ve muy afectado por la presencia del suelo en las cercanías. La regla general es elevar la antena a una altura sobre el suelo de aproximadamente la mitad de la longitud de onda a la que va a funcionar, para minimizar la pérdida de potencia en el suelo y los efectos de la direccionalidad de la radiación. A bajas frecuencias -por ejemplo, ~1 MHz- la longitud de onda es de 300 metros, lo que situaría el cable de la antena a 150 metros del suelo. No es infrecuente tomar alguna pérdida de efectividad y elevar la antena 1/4 de longitud de onda en su lugar.

Answer 5

La mayoría de las antenas son de "línea de visión". Es decir, se quiere que la onda EM atraviese el menor número posible de obstáculos, ya que los fotones tendrán una mayor probabilidad de dispersarse en direcciones aleatorias o ser absorbidos. Por eso, para maximizar la coherencia de la señal, intentamos limitar la cantidad de obstáculos con los que entra en contacto.

Como son ondas de radio, pueden pasar a través de la mayoría de las cosas, pero no se quiere que pasen a través de medios muy gruesos como montañas, etc., ya que harán que la señal sea más débil.