Antena de bebidas

La antena de bebidas o "antena de ondas" es una antena receptora de cable largo utilizada principalmente en las bandas de radio de baja y media frecuencia, inventada por Harold H. Beverage en 1921. Es utilizada por radioaficionados, escuchas de onda corta y DXers de radio de onda larga y aplicaciones militares.

Una antena para bebidas consiste en un cable horizontal de media a varias longitudes de onda de largo (de decenas a cientos de metros; de yardas en HF a varios kilómetros; millas para onda larga) suspendido sobre el suelo, con la línea de alimentación al receptor conectada a un extremo y el otro extremo del cable terminado a través de una resistencia a tierra. La antena tiene un patrón de radiación unidireccional con el lóbulo principal del patrón en un ángulo poco profundo hacia el cielo desde el extremo terminado en resistencia, lo que la hace ideal para la recepción de transmisiones de ondas ionosféricas (salto) de larga distancia desde estaciones sobre el horizonte que se reflejan en el ionosfera. Sin embargo, la antena debe construirse de modo que el cable apunte en la dirección del transmisor que se va a recibir.

Las ventajas de Beverage son una excelente directividad, un ancho de banda más amplio que las antenas resonantes y una gran capacidad para recibir transmisores distantes y extranjeros. Sus desventajas son su tamaño físico, que requiere una superficie de terreno considerable y la imposibilidad de girar para cambiar la dirección de recepción. Las instalaciones suelen utilizar varias antenas de Beverage para proporcionar una amplia cobertura de azimut.

Historia

Harold Beverage experimentó con antenas receptoras similares a la antena Beverage en 1919 en la estación de radio Otter Cliffs. Descubrió en 1920 que una antena de cable largo que de otro modo sería casi bidireccional se vuelve unidireccional colocándola cerca de la tierra con pérdidas y terminando un extremo del cable con una resistencia. En 1921, Beverage obtuvo una patente para su antena. Ese año, se instalaron antenas receptoras de onda larga de Beverage de hasta 14 km (9 millas) de largo en las estaciones receptoras de RCA en Riverhead, Nueva York, Belfast, Maine, Belmar, Nueva Jersey y Chatham, Massachusetts, para radiotelegrafía transatlántica. tráfico. Quizás la antena de Beverage más grande, un conjunto de Beverages de cuatro fases de 5 km (3 millas) de largo y 3 km (2 millas) de ancho, fue construida por AT&T en Houlton, Maine, para el primer sistema telefónico transatlántico inaugurado en 1927.

Descripción

La antena de bebidas consta de un cable horizontal de media a varias longitudes de onda de largo, suspendido cerca del suelo, generalmente de 3 a 6 m (10 a 20 pies) de altura, apuntando en la dirección de la fuente de señal. En el extremo hacia la fuente de señal, termina con una resistencia a tierra de aproximadamente igual valor a la impedancia característica de la antena considerada como línea de transmisión, generalmente de 400 a 800 ohmios. En el otro extremo se conecta al receptor con una línea de transmisión, a través de un balun para hacer coincidir la línea con la impedancia característica de la antena.

Operación

A diferencia de otras antenas de cable, como las antenas dipolo o monopolo, que actúan como resonadores, con las corrientes de radio viajando en ambas direcciones a lo largo del elemento, rebotando hacia adelante y hacia atrás entre los extremos como ondas estacionarias, la antena de Beverage es una antena de onda viajera; la corriente de radiofrecuencia viaja en una dirección a lo largo del cable, en la misma dirección que las ondas de radio. La falta de resonancia le confiere un ancho de banda más amplio que el de las antenas resonantes. Recibe ondas de radio polarizadas verticalmente, pero a diferencia de otras antenas polarizadas verticalmente, está suspendida cerca del suelo y requiere cierta resistencia en el suelo para funcionar.

La antena de bebidas se basa en la función de "inclinación de onda" para su funcionamiento. En frecuencias bajas y medias, una onda electromagnética de radiofrecuencia polarizada verticalmente que viaja cerca de la superficie de la tierra con una conductividad terrestre finita sufre una pérdida que hace que el frente de onda se "incline" hacia arriba. en un angulo. El campo eléctrico no es perpendicular al suelo sino que forma un ángulo, lo que produce una componente de campo eléctrico paralela a la superficie de la Tierra. Si un cable horizontal se suspende cerca de la Tierra y aproximadamente paralelo a la dirección de la onda, el campo eléctrico genera una onda de corriente de RF oscilante que viaja a lo largo del cable y se propaga en la misma dirección que el frente de onda. Las corrientes de RF que viajan a lo largo del cable suman fase y amplitud a lo largo del cable, produciendo la máxima intensidad de señal en el extremo más alejado de la antena donde está conectado el receptor.

El cable de la antena y la tierra debajo de él juntos pueden considerarse como una fuente de alimentación "con fugas". Línea de transmisión que absorbe energía de las ondas de radio. La velocidad de las ondas de corriente en la antena es menor que la velocidad de la luz debida al suelo. La velocidad del frente de onda a lo largo del cable también es menor que la velocidad de la luz debido a su ángulo. En un cierto ángulo θ_max las dos velocidades son iguales. En este ángulo la ganancia de la antena es máxima, por lo que el patrón de radiación tiene un lóbulo principal en este ángulo. El ángulo del lóbulo principal es

${displaystyle theta _{text{max}}=arccos {biggl (}1-{frac {lambda }{2L}}{biggr)}}$

dónde

${displaystyle L.$ es la longitud del alambre de la antena,

${displaystyle lambda }$ es la longitud de onda.

La antena tiene un patrón de recepción unidireccional, porque las señales de RF que llegan desde la otra dirección, desde el extremo receptor del cable, inducen corrientes que se propagan hacia el extremo terminado, donde son absorbidas por la resistencia terminal.

Ganancia

Si bien las antenas de Beverage tienen una directividad excelente, debido a que están cerca de la Tierra con pérdidas, no producen una ganancia absoluta; su ganancia suele ser de −20 a −10 dBi. Esto rara vez es un problema, porque la antena se utiliza en frecuencias donde hay altos niveles de ruido de radio atmosférico. En estas frecuencias, el ruido atmosférico, y no el ruido del receptor, determina la relación señal-ruido, por lo que se puede utilizar una antena ineficiente. La señal débil de la antena se puede amplificar en el receptor sin introducir ruido significativo. La antena no se utiliza como antena transmisora ya que hacerlo significaría que una gran parte de la potencia del accionamiento se desperdiciaría en la resistencia terminal.

La directividad aumenta con la longitud de la antena. Mientras que la directividad comienza a desarrollarse a una longitud de sólo 0,25 longitudes de onda, la directividad se vuelve más significativa en una longitud de onda y mejora constantemente hasta que la antena alcanza una longitud de aproximadamente dos longitudes de onda. En bebidas de más de dos longitudes de onda, la directividad no aumenta porque las corrientes en la antena no pueden permanecer en fase con la onda de radio.

Implementación

Una antena para bebidas de un solo cable suele ser un solo cable de cobre recto, de entre media y dos longitudes de onda, que corre paralelo a la superficie de la Tierra en la dirección de la señal deseada. El cable está suspendido por soportes aislados sobre el suelo. Una resistencia no inductiva aproximadamente igual a la impedancia característica del cable, alrededor de 400 a 600 ohmios, se conecta desde el extremo más alejado del cable a una varilla de tierra. El otro extremo del cable está conectado a la línea de alimentación del receptor.

A veces se utiliza una variante de doble cable para dirección nula hacia atrás o para cambio bidireccional. La antena también se puede implementar como una matriz de 2 a 128 o más elementos en configuraciones de costado, final y escalonada, ofreciendo una directividad significativamente mejorada que de otro modo sería muy difícil de alcanzar en estas frecuencias. AT&T utilizó un conjunto de bebidas escalonado/lateral de cuatro elementos en su sitio de recepción de teléfonos de onda larga en Houlton, Maine. Se han implementado conjuntos de bebidas en fase muy grandes de 64 elementos o más para antenas receptoras para sistemas de radar sobre el horizonte.

La impedancia de conducción de la antena es igual a la impedancia característica del cable con respecto a tierra, entre 400 y 800 ohmios, dependiendo de la altura del cable. Normalmente, se utilizaría una longitud de cable coaxial de 50 ohmios o 75 ohmios para conectar el receptor al punto final de la antena. Se debe insertar un transformador coincidente entre cualquier línea de transmisión de baja impedancia y la impedancia más alta de 470 ohmios de la antena.

Patentes

• U.S. Patent 1,381,089 Jun 7, 1921 Radio Recept System - the Beverage antenna
• U.S. Patent 1,434,984 Nov 7, 1922 Radio Sistema receptor - la antena bidireccional de Beverage
• U.S. Patent 1,434,985 Nov 7, 1922 Radio Sistema receptor - usando una antena de Beverage con múltiples receptores
• U.S. Patent 1,434,986 Nov 7, 1922 Radio Sistema de recepción - una antena de Beverage con circuitos selectivos para eliminar interferencia de longitudes de onda adyacentes
• U.S. Patent 1,487,308 Mar 18, 1924 Radio Sistema de recepción - mejoras a la directividad de la Antena de Bebido
• U.S. Patent 1556,122 Oct 6, 1925 Radio Sistema de recepción - mejoras a la directividad de la Antena de Bebido
• U.S. Patent 1,658,740 Feb 7, 1928 Radio Sistema de recepción - eliminación gradual de dos de las antenas de Beverage más para mejorar la directividad
• U.S. Patent 1,768,239 Reducción de la interferencia recibida a través de un sidelobe de una antena Beverage
• U.S. Patent 1,816,614 Antena de onda - mejoras a la directividad de la Antena de Beverage
• U.S. Patent 1,821,402 Antenas de Bebido Staggered y antenas de Beverage escalonadas graduales