¿Por qué 1/4 de longitud de onda tiene un plano de tierra y 1/2 de longitud de onda no necesita ninguno?

Question

¿Por qué 1/4 de longitud de onda tiene que tener plano de masa y 1/2 no?

Sé que una antena que tiene media longitud de onda no necesita el plano de tierra (ejemplo una antena dipolo) y cuando se utiliza una longitud de onda de 1/4 suele ser necesario tener el plano de tierra (antenas planas [PCB]). Mi problema: No puedo entender por qué es necesario utilizar un plano de tierra a 1/4 de longitud de onda y no a 1/2 de longitud de onda.

Por favor, también podría proporcionar la fuente de información pertinente, ejemplos, libros o artículos científicos, algo así.

Answer 1

No puedo entender por qué necesitamos utilizar un plano de tierra a 1/4 de longitud de onda y 1/2 de longitud de onda no es necesario.

A 1/2 \$\lambda\$ el dipolo tiene ondas de voltaje y corriente así: -

Imagen de Wikipedia .

Ahora, si enfocas el ojo en el punto muerto de la imagen, verás que la tensión es siempre cero voltios. Esto se debe a que un dipolo se acciona de forma óptima con una fuente de tensión equilibrada ( \$V_O\$ ). Para una antena dipolo es preferible una fuente de tensión equilibrada. De hecho, la tensión y el campo eléctrico es cero en toda la longitud de la línea verde a continuación: -

Esto significa que, opcionalmente, puedes considerar esa línea verde como tierra (siempre que la antena se conduzca de forma equilibrada). Si cortáramos la imagen por la mitad tendríamos 1/4 \$\lambda\$ monopolo accionado con una fuente de tensión desequilibrada. Una fuente de tensión desequilibrada es aquella que tiene normalmente 0 voltios en una pata mientras que la otra pata realiza la conducción de tensión: -.

Y, como es lógico, tiene la mitad de la impedancia que presenta el dipolo de media onda. Pero, para mantener el mismo diagrama de radiación hay que "forzar" un plano de tierra que haga lo que hace la línea verde.

Answer 2

Una antena monopolo de cuarto de onda no tienen tener un suelo avión ... a menos que quieras que irradie energía EM con cierta eficiencia y patrón.

La radiación EM requiere acelerar cargas eléctricas, lo que suele implicar un diferencial de tensión entre dos zonas separadas en el espacio. Un plano de tierra conductor es una región particularmente buena de diferencial de tensión con respecto a la tensión en porciones de una antena monopolo (corta).

De lo contrario, el diferencial de tensión se producirá en otro lugar, por ejemplo, alrededor de la mano, el brazo y el cuerpo de una persona que sostiene una radio VHF HT con sólo un látigo de cuarto de onda o una antena "patito". Y tu cuerpo no es un contrapuesto tan eficiente como un plano de tierra conductor.

Con una antena dipolo de media onda, cada mitad actúa como un contrapuesto bien equilibrado para la otra mitad, dividiendo el diferencial de voltaje oscilante entre las dos mitades de igual longitud, lo que conduce a una simetría agradable en el patrón del campo EM, que ayuda a crear un patrón de radiación RF (campo cercano y lejano) más predecible. Un plano de tierra conductor debajo de un monopolo de cuarto de onda conduce a una simetría similar en conjunción con la imagen especular del campo EM.

Si no hay un plano de tierra (u otro conjunto bien diseñado de contraposiciones) bajo un corto vertical, eso lleva a que el diferencial de voltaje de RF esté entre varios objetos conductores a menudo colocados al azar (líneas de alimentación, caja de la radio, correas de tierra, cableado de la fuente de alimentación, canalones de lluvia, etc.) y la suciedad con pérdidas. Lo que conduce a un patrón de radiación de antena impredecible, pérdidas de tierra, y posiblemente "RF en la cabaña".

El ARRL Antenna Book y el libro Antenna Physics tienen información sobre este tema. También hay muchos libros de texto sobre electromagnetismo y antenas.

Answer 3

Un látigo vertical de cuarto de onda con plano de tierra aplica un truco común en electromagnetismo práctico. El plano de tierra genera la imagen especular del látigo y esa imagen especular se comporta como si estuviera alimentada por una señal invertida. El resultado es como un dipolo vertical de media onda en el espacio libre.

En teoría, la toma de tierra debería ser una gran superficie plana, pero incluso un montón de varillas separadas conectadas a la pantalla del cable coaxial de alimentación hacen el trabajo aceptablemente.

Si el plano de tierra es horizontal y el látigo vertical, la antena resultante dirige la señal horizontalmente 360 grados alrededor del eje del látigo. La onda en el campo lejano está polarizada verticalmente (=campo eléctrico vertical). La comunicación sería débil con una estación que tuviera un dipolo horizontal de media onda.

El reflejo del suelo también es cierto con un dipolo de media onda. Se utiliza en la radiocomunicación de onda corta a larga distancia como método para dirigir el haz un poco hacia arriba para obtener reflexiones efectivas de la ionosfera. La elevación de un dipolo horizontal se ajusta para la zona de aterrizaje deseada para la reflexión de la ionosfera. La actividad del sol varía, por lo que es esencial leer atentamente las previsiones meteorológicas de la radio para conseguir una comunicación de onda corta óptima.

Las emisoras de radio MW en torno a 1MHz suelen tener látigos verticales. El plano de tierra es el verdadero suelo.

Answer 4

¿Por qué 1/4 de longitud de onda tiene que tener plano de masa y 1/2 no?

Así es como yo lo veo, un dipolo de 1/2 longitud de onda son sólo dos antenas de 1/4 de longitud de onda espalda con espalda, y cualquiera de ellas puede ser considerada el látigo o el plano de tierra.

O, un 1/4 de longitud de onda vertical es sólo 1/2 longitud de onda de la antena con el plano de tierra como el otro 1/4 de longitud de onda elemento. En este caso simplemente empezamos a medir en el medio en lugar de medir ambos elementos.

O bien, ambas son en realidad la misma antena sólo que con diferentes optimizaciones y compromisos para conseguir la polarización, impedancia y características direccionales deseadas. Con el dipolo de 1/2 longitud de onda ambos elementos son idénticos. Con el látigo de 1/4 de longitud de onda un elemento es un cable y el otro un plano o cono. En realidad hay muchas variaciones sobre este tema, sólo que estas dos son las más comunes. Llamar a uno 1/4 de longitud de onda y al otro 1/2 no es exactamente una descripción precisa de ninguno de los dos, pero así es como los describimos y pensamos en ellos porque en la práctica esto describe la dimensión más prominente sobre cuánto espacio ocupan.

Podríamos llamar a estas antenas de 1/4 de longitud de onda "monopolo", pero no lo son, siempre hay dos polos. En los dispositivos electromagnéticos no hay norte sin sur, ni izquierda sin derecha, ni potencial de tensión sin referencia a tierra. La razón por la que estas antenas se describen como de 1/2 longitud de onda también es un poco arbitraria, es tan larga como tiene que ser para alcanzar los dos puntos de flujo de corriente cero para la frecuencia de interés.

Una vez que he llegado a comprender que gran parte de esto no es más que nomenclatura medio arbitraria, entonces no me preocupa demasiado. Quizá lo mejor sea aprender los nombres convencionales de las cosas, guardar las ecuaciones utilizadas para el diseño donde se puedan encontrar y no preocuparse demasiado de por qué son como son. A mí me ha funcionado hasta ahora.