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ANTENAS LOOP

INTRODUCCIÓN

La utilización de estas antenas en principio fue de uso militar, dado el carácter

portable de las mismas y su directividad hicieron de estas un elemento bastanteatractivo. Las ventajas frente a otras antenas de tipo vertical es su inmunidad aruidos, al tratarse en sí de un circuito sintonizado (por medio de una bobina-condensador) que hace de filtro para señales indeseables, pues deja pasar solo lafrecuencia en uso, rechazando las adyacentes.

A su vez en transmisión actúa limpiando de armónicos nuestra portadora, haciendoque nuestra modulación sea más clara a la estación que nos oye. La ganancia vieneser como un dipolo con la ventaja antes descrita, poco espacio, y ecológicamentehablando no provoca ITV.

DESARROLLO

Una antena loop es una antena de radio que consiste en lazos o bucles de cables,tubos y otros conductores eléctricos , con sus extremos conectados a unaequilibrada línea de transmisión . Dentro de esta descripción física hay dos diseñosde antena muy distintos: el loop pequeño o loop magnético, con un tamañomucho más pequeño que la longitud de onda , y la antena de loop de resonancia 

con una circunferencia de aproximadamente igual a la longitud de onda. Es unaantena sobre todo para la radiodifusión de AM y las bandas de onda larga.

Los loops pequeños tienen un pobre rendimiento y se utilizan principalmente comoantenas de recepción en las frecuencias bajas. Por ejemplo en los en la mayoría delos radios de los carros, los receptores AM vienen con una antena incorporada

dentro de ella o directamente se le atribuye.

Las antenas de loop resonante son más grandes. Se suelen utilizar en frecuenciasmás altas, especialmente VHF y UHF, donde su tamaño es manejable. Pueden servistos como una forma de dipolo plegado y tienen características un tanto similares,es decir su eficiencia de radiación también es alta y similar a la del dipolo.

La antena loop esta formada por una espira conductora, aunque podrían ser más,formando una circunferencia, cuadrado, hexágono u octógono, cuyas dimensionesfísicas pueden variar desde 30 o 40 cm de diámetro, hasta varios metros, según lafrecuencia y el rendimiento esperado. La inductancia de la espira habitualmenteestá sintonizada por un condensador variable. La antena se acopla a la línea detransmisión por medio de un eslabón o un acoplamiento capacitivo tal como semuestra en la figura.

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Aunque pueda parecer que el loop forma un cortocircuito entre las dos terminalesdel equipo de radio, en realidad lo que ocurre es que la corriente al encontrarse unconductor resonante empieza a irradiar, dando el funcionamiento a la antena.Cuando el loop se ubica en posición vertical, la irradiación ocurre con mayordireccionalidad en un plano perpendicular al del alambre. Los loops son ideales paratrabajar bandas de mayor longitud, y pueden resultar especialmente útiles en 160 y80 metros cuando no se tiene suficiente terreno para colocar una antena dipolo o

un alambre largo de un cuarto de longitud de onda.

Contrario a la creencia popular, los loops y sus antenas derivadas tienen el mismorequisito de altura de media longitud de onda sobre el suelo que tiene cualquierotra antena horizontal. En los loops el efecto de una altura baja es ligeramentemenos pronunciado sin embargo.

Para una frecuencia dada, entre un loop triangular y un loop cuadrangular, el loopcuadrangular es superior debido a que encierra mayor área. En general entre mayorárea encierre un loop, más efectivo será. El loop ideal sería circular, sin embargoeste resulta bastante difícil (o imposible) de construir con alambre.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE USAR ANTENAS LOOP

Las principales ventajas de éste tipo de antena son:

• No requiere una altura mínima de 0,15 de onda, como los dipolos de ½ onda.• No requiere el espacio ocupado por los radiales.• Es más o menos portable y de fácil instalación.• Al ser de banda ancha, puede ser utilizada para más de una banda• Por todo lo anterior, resulta una antena ideal cuando hay restricciones de

espacio o para operar en las salidas al campo o camping especialmente enlas frecuencias más bajas de HF.

Sus principales desventajas son:

• El reducido ancho de banda operativo, que requiere la resintonia delcondensador cuando se cambia de frecuencia.

• No se puede emplear en potencias altas, pues su altísimo "Q" hace que enbornes del condensador aparezcan tensiones muy altas.

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• Debe cuidarse mucho su construcción desde el punto de vista eléctrico,(uniones, soldaduras, etc.) o su rendimiento puede llegar a ser totalmenteinaceptable.

RENDIMIENTO

Al ser una antena de polarización vertical, la reflexión en tierra esta en fase con laproducida por la antena de forma que ambos campos se suman. Precisamente poresto la podemos instalar tan baja como queramos sin que se registren perdidasconsiderables. En las antenas dipolo (en polarización horizontal) al estar encontrafase ambos campos se anulan, por eso requieren ser colocadas relativamentealtas respecto al suelo.

Antena de Dipolo

 Teniendo en cuenta que el rendimiento de una antena viene determinado por laresistencia de radiación respecto a la resistencia de perdidas (conductores,dieléctricos, tierra, etc.) y que en la antena magnética dependen de la resistividadde su conductor y de su condensador de sintonía, es relativamente fácil unrendimiento similar al de un dipolo y que además puede instalarse a baja altura.

Para conseguir minimizar las perdidas resistivas es necesario emplear un materialque sea muy buen conductor, como el cobre, El aluminio ya se considera unasolución de compromiso. El conductor deberá tener un diámetro mínimo de 25 o30mm. Las uniones, si las hay, tienen que ser eléctricamente perfectas,preferentemente soldadas (con plata, a ser posible) y las conexiones alcondensador variable mediante cinta.

Si la antena ha de emplearse solo en recepción, su realización no será tan exigentey podrá emplearse un condensador normal de bajo aislamiento, ya que una pérdidade 10 o 15 dB no será tan importante.

TIPOS DE ANTENAS

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Las antenas de lazo se suelen clasificar en dos categorías, eléctricamente pequeñasy eléctricamente grandes. Las antenas eléctricamente pequeñas son las de unalongitud total (circunferencia) suele ser inferiores a una décima parte de unalongitud de onda (C <λ/10). Sin embargo, los lazos eléctricamente grandes sonaquellos cuya circunferencia es de una longitud de onda en el espacio libre (C ~ λ).La mayoría de las aplicaciones de las antenas de bucle son en el HF (3-30 MHz),

VHF (30-300 MHz) y UHF (300-3,000 MHz).

Entonces tenemos 2 tipos de antenas:

• Loop pequeño o loop magnético• La antena de loop de resonancia

ANTENAS DE LOOP RESONANTE

La antena de loop de resonancia o antena loop de gran tamaño o de caja, puede servisto como un dipolo doblado que ha sido reformada en un círculo (o cuadrado,etc.) esta antena loop tiene una circunferencia de aproximadamente igual a unalongitud de onda. En comparación con el dipolo, transmite menos hacia el cielo o latierra, lo que supone una ganancia mayor (aproximadamente un 10% más alto) enla dirección horizontal.

Contrariamente a la antena de cuadro pequeño, este diseño se irradia en ladirección normal al plano del circuito. Por tanto, estos loops se instalannormalmente con en dirección vertical, y puede ser rotativa. Direccionalidad sepuede obtener más mediante el uso de un loop cuya circunferencia no es uno, sinotres o de 5 longitudes de onda. Sin embargo es más común para aumentar laganancia mediante una serie de loops.

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La polarización de la antena no es evidente al observar la misma, esta depende delpunto de alimentación es decir donde se conecta la línea de transmisión. Si seconecta la alimentación en la parte inferior será de polarización horizontal, y si seconecta la alimentación desde un lado la polarización será vertical. La polarizaciónvertical es usada más frecuentemente cuando se desea irradiar una señal de radioen todas las direcciones como en las bases de telefonía móvil o las ondas de

radio AM.

ANTENA DE LOOP PEQUEÑO O LOOP MAGNÉTICO

Estas antenas de lazo son más pequeñas que el tamaño la longitud de onda, y sonprincipalmente usadas pero no siempre como antenas de recepción frecuenciasmuy bajas.

La antena de cuadro pequeño es también conocida como loop magnético, ya que secomporta eléctricamente como una bobina ( inductor ) con una pequeña pero nodespreciable, resistencia a la radiación debido a su tamaño finito. Debido a este hecho es algo inmune al ruido que afectan al campo eléctrico

(estática) generado en el campo cercano . Dado que en las frecuencias bajas, comola banda de AM, la región de campo cercano se encuentra físicamente bastantegrande, esto proporciona una ventaja considerable con respecto a los dispositivosde generación de estática cercanos.

Las antenas magnéticas son antenas silenciosas, y con un ancho de bandareducido, es decir que cada pocos Khz necesitará un retoque en el condensador,tienen un alto Q. Las antenas de aro son direccionales, radian en el plano quecontiene la espira mayor, por lo tanto podemos discriminar una señal interferentecolocando la antena perpendicularmente a dicha señal. Si colocamos la antenahorizontalmente radiará en todas direcciones. La podemos hacer funcionar en elbalcón o en la buhardilla, no le molestan las estructuras cercanas distantes 2 o 3

veces su diámetro.

LOOP CIRCULAR PEQUENA

Campo Radiado

Las Componentes de campo eléctrico pueden ser escritas como:

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Resistencia a la radiación

La resistencia a la radiación de la loop esta dada por:

Donde S=πr2 es el área y C=2πa es la circunferencia de la loop.

La resistencia a la radiación dada por ecuación anterior es sólo para un circuito deuna sola vuelta. Si la antena tiene N vueltas entonces el campo magnético pasa através de todos los lazos, la resistencia a la radiación es igual de una sola vez,multiplicado por N2, es decir:

A pesar de que el valor de la resistencia a la radiación de una loop de una sola

vuelta puede ser pequeño, este valor se puede incrementar mediante la inclusiónde muchas vueltas en la antena.

Ejemplo:

Podemos calcular la eficiencia de radiación, se define por:

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Donde RL es la radiación perdida:

Donde P es el perímetro de la sección transversal la varilla (P = C = 2πb de unalambre circular de radio b), Rs es la resistencia de la superficie del conductor, ω esla frecuencia angular, μ0 es la permeabilidad del espacio libre, y σ es laconductividad del metal.

Intensidad de Radiación y Directividad

La directividad de una loop se puede escribir como:

Donde Umax es la Intensidad de radiación máxima y Prad es la potencia radiada:

 También podemos calcular la máxima Área efectiva:

ANTENAS LOOP POLIGONALES

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Las antenas de loop poligonal más atractivos son la triangular, cuadrada,rectangular, y la de rombo, estas antenas se puede utilizar para aplicacionesprácticas, tales como los aviones, misiles y sistemas de comunicaciones.

Sin embargo, debido a su estructura más compleja, los análisis teóricos parecen notener éxito. Así, la aplicación de estas antenas ha recibido mucha menos atención.

Por lo general, el loop circular se ha utilizado en la banda de UHF, debido a su altadirectividad, mientras que los bucles triangulares y cuadradas han sido aplicados enlas bandas HF y UHF debido a las ventajas en su construcción mecánica. Se puedenobtener diferentes características de banda ancha, de impedancia de loopspoligonales diferentes.

LOOPS TRIANGULAR, RECTANGULAR, Y RÓMBICO

Los loops poligonales que se muestran en la siguiente figura. Son el loop triangular,loop rectangular, y un loop de rombo. Como podemos observar el loop triangularsuperior es impulsada por una fuente en la esquina superior del triángulo isósceles,mientras que en la configuración básica del loop triangular es impulsada por unafuente la base. La loop rectangular tiene su respectiva alimentación en el centro deuno de sus lados, mientras que la configuración del rombo tiene sus terminales enuna de sus esquinas.

En donde el parámetro β define el ángulo de la esquina superior del triánguloisósceles de los lazos triangulares y rómbicos, mientras que γ = W / H se utilizapara identificar las dimensiones relativas del lado del circuito rectangular. Elperímetro de cada loop está dada por P, para el circuito rectangular, P = 2 (H + W)y para todas las configuraciones, el radio del alambre es b.

Las variaciones de impedancia de las antenas de poligonales en función deldiámetro del alambre son similares a las del dipolo. Dependen de los parámetros βy γ. Mientras que las características de frecuencia de un loop poligonal se puedeestimar mediante la inspección de la distribución de su corriente.

LOOP DE FERRITA

Debido a que la resistencia pérdidas es comparable a la resistencia a la radiación,los loops pequenos son muy pobres radiadores y rara vez se utilizan en el modo de

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transmisión. Sin embargo, a menudo se utilizan para la recepción de señales, comoen las radios y localizadores, donde la relación señal-ruido es mucho másimportante que la eficiencia.

Resistencia a la Radiación

La resistencia a la radiación, y su vez la eficiencia de la antena, puede sermejoradas por el incremento de la circunferencia del loop. Otra manera deaumentar la resistencia a la radiación, sin aumentar las dimensiones de la antenaeléctrica, sería la de insertar dentro de su circunferencia un núcleo de ferrita quetiene una tendencia a aumentar el flujo magnético, el campo magnético, la tensiónen circuito, y a su vez la resistencia a la radiación del loop. Este es el loopdenominado ferrita y el material de ferrita puede ser una varilla de muy pocoscentímetros de longitud. La resistencia a la radiación del loop de ferrita está dadapor:

Donde:

Rf = resistencia a la radiación del loop de ferritaC=2πa es la circunferencia de la loopμce = permeabilidad efectiva del núcleo de ferritaμcer = permeabilidad relativa efectiva de núcleo de ferritaμ0 = permeabilidad del espacio libre

Resistencia a la radiación del loop de ferrita para N vueltas está dada por:

Loop de Recepción de Ferrita Cargado

Debido a su pequeño tamaño, las antenas loop de unas cuantas vueltas alrededorde una pequeña varilla de ferrita se utilizan como antenas, especialmente en lasradios a transistores de bolsillo. La antena se conecta normalmente en paralelo conel capacitor de sintonización y además de actuar como una antena, proporciona lainductancia necesaria para formar un circuito sintonizado. Debido a que lainductancia se obtiene con sólo unas pocas vueltas, la pérdida de resistencia semantiene en un valor pequeño, así el Q es generalmente muy alto.

APLICACIONES

Radiodifusión de AM a través de antenas loop

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Radios AM y algunos otros receptores utilizados en las frecuencias bajas, suelenutilizar pequeñas antenas de lazo. En las radios de mayor edad (y físicamentegrandes) AM, este puede consistir en docenas de vueltas de alambre en un loop enla parte trasera de la radio. Sin embargo en los radios modernos de AM suelenutilizar una antena loop alrededor de una barra de ferrita para aumentar suinductancia sin necesidad de un tamaño tan grande, la bobina resultante se llama

una antena loopstick.

Las antenas loopstick son más prácticos en frecuencias más bajas como la de ondamedia (banda de AM 520-1610 kHz) y las bandas de onda larga (50 a 500 kHz); aligual que con todas las antenas de lazo o loop pequeño, las antenas loopstick soninmunes al ruido eléctrico.

Loops como antenas de transmisión

Los pequeños loops también se utilizan en las de radios móviles terrestres (en sumayoría militares) a frecuencias entre 3 y 7 MHz, debido a su capacidad para dirigirenergía hacia arriba, a diferencia de la convencional antena de látigo. Esto permiteuna comunicación de hasta 300 km en las regiones montañosas. En uso militar loselementos de antena son de 2-3 pulgadas de diámetro.

CONSTRUCCION DE UNA ANTENA LOOP

Para el diseño partimos de los requerimientos que nosotros mismos hicimos acercade los parámetros más importantes para ésta antena, como son la frecuencia detrabajo (40MHz) y el radio de la loop (a = k/ 25). Con estos valoresdeterminados se procedió a calcular el diámetro físico que tendrá la loop que se vaa realizar

A la hora de la fabricación se opto por realizar una circunferencia de 53 cms, ya quepor cálculos y pruebas posteriores se concluyo que se ajustaba más para obtener lafrecuencia deseada. Ahora determinamos el área física de la antena paracompararla con el área efectiva y así determinar la eficiencia de apertura (g).

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La resistencia de radiación del cuadro de la antena magnética puede calcularse conla ecuación

Si tomamos para nuestro caso N =1 espira de D =0.53m de diámetro para unafrecuencia de 40 MHz, el resultado de la ecuación nos da que RR = 0.479W. Esdecir que obtenemos un valor bajísimo de resistencia de radiación. Así que para queel rendimiento de esta antena sea bueno, su resistencia de pérdidas ha de sernecesariamente muy baja.

Para que pueda sintonizarse mediante un condensador, evidentemente la loopdeberá ser inductiva a la frecuencia de trabajo, esto limita su tamaño, pero justamente esta es una ventaja que deseamos aprovechar. Como regla práctica se

calcula de manera que su perímetro no exceda 1/4 de onda a la frecuencia detrabajo más alta y de allí se obtiene, su diámetro (o diagonal).

Así para operar en k = 7.5 m. el diámetro sea:

1/4 de onda = 1.875 mDiámetro = 1.875 m / p = 53,18 cm.

Con diámetros muy grandes, en general la inductancia será tal, que no será posiblesintonizarlo mediante un condensador variable debido a la capacidad distribuida.Para saber la inductancia aproximada de una loop circular se puede usar lasiguiente formula:

,

Donde p = Perímetro de la espira medido a través del centro del conductor en m; d= diámetro del conductor en mm. Remplazando valores para nuestro caso,obtenemos que L =34.20mHConociendo ya la inductancia es sencillo calcular la capacidad mínima necesariapara la frecuencia más baja de operación, de la siguiente manera:

, estando C en pF, f en MHz, L en mH.

Así para el caso que estamos tratando C = 365pF

Este condensador de sintonía requiere una cuidadosa consideración ya que estarásujeto a tensiones de RF muy elevadas aun con potencias pequeñas.

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CONSTRUCCIÓN

Veremos aquí la construcción de la antena loop diseñada, usando un cable de losque se usan para telefonía. Este tipo de cable telefónico viene con 8 cables internosidentificados con colores.

La antena consiste en un aro de aproximadamente 1/2 metro de diámetro, el que serealizo con alambre rígido. Posteriormente se montó el cable sobre este aro,siguiendo la misma forma de círculo, y se sujetaron los cables internos con cintaaisladora. Luego se pelaron los extremos de cada uno de los cables internos del

cable telefónico. Se debe tener en cuenta que lo que se intenta hacer es una granbobina, con bobinado primario y secundario.

Primero elegimos el color del cable para el secundario, el marrón. Seguidamente seempezó por la punta izquierda y se eligió un color para el primario, el blanco; luegose tomó al extremo blanco en la punta derecha y se unió con otro color de la puntaizquierda, y así se fueron conectando los cables consecutivamente (bien soldados)hasta terminar con todos los colores.

Nos quedaron dos puntas de este primario, formando una bobina continua hecha de7 cables diferentes, en este ejemplo la punta izquierda será de color BLANCO y laderecha con el último color que nos quedo, el amarillo. Ese será todo el bobinado

primario, que va conectado a un condensador variable de 365 ó 410 pF (dial deradios viejas). Los dos extremos del cable marrones (bobinado secundario) irándirectamente al receptor.

Se tuvo en cuenta que la longitud del cable comprado se calculo en base alperímetro de la circunferencia del aro, entonces:

Perimétro = 3,14 x 53 cms. = 1,66 metros de cable.

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 CONCLUSIONES

En conclusión podemos decir que la fama de este tipo de antenas viene dada por subajo nivel de QRM ya sea natural o artificial, al ser también directivas permiten por

movimientos de dirección reducir mucho un QRM natural sobre todo estáticas, porejemplo el generado por tormentas, son muy compactas no necesitan radiales nitampoco influye su distancia con el suelo.

Hasta aquí lo mas destacable o virtuoso de estas antenas, pero veamos su grandesventaja es su limitadoancho de banda, realmente apenas de unos pocos Khz. Pero los cuales sonsuficientes para permitirnos comunicarnos en regiones inhóspitas como por ejemploen las zonas montañosas, para lo cual nos ofrecen un fácil transporte de un lugar aotro.