Electrónica

Circuitos de comunicación

Una antena espiral es un tipo de antena de radiofrecuencia y microondas, cuya forma consiste en una espiral de dos o más brazos.¹ Las antenas espirales se describieron por primera vez en 1956.² Este tipo de antenas se suelen clasificar como antenas independientes de la frecuencia, ya que son capaces de funcionar en un rango muy amplio de frecuencias. Esto es, supolarización, diagrama de radiación e impedancia permanecen constantes en una banda muy ancha.³ Estas antenas son siempre, debido a su diseño, de polarzación circular y de baja ganancia, aunque pueden ser dispuestas en forma de array para aumentar la ganancia total. Las antenas espirales suelen ser de tamaño reducido, debido a la estructura compacta de sus brazos, lo cual supone una ventaja frente a otras antenas de banda ancha. Existen diferentes tipos de antenas espirales según el tipo de espiral que las formen: espirales de Arquímedes, cuadráticas, logarítmicas, etc., siendo la espiral de Arquímedes la más frecuente.

Funcionamiento

Estas antenas operan en un modo triple: onda progresiva (traveling wave), onda rápida (fast wave) y onda 'de fugas' (leaky wave). La onda progresiva, formada en los brazos de la espiral, permite un comportamiento de banda ancha; la onda rápida se forma debido al acoplo mutuo entre los brazos de la espiral; y la leaky waveconforma las fugas de energía en la propagación a través de los brazos en la espiral que da lugar a la radiación. La teoría de su funcionamiento indica que estas antenas radian en una región activa, donde la circunferencia de la espiral es igual a la longitud de onda.⁴

Diseño

Existen diferentes parámetros que deben ser considerados cuando se diseña una antena espiral. Estos parámetros incluyen la separación de las vueltas , la anchura de los brazos , y los radios interior   y exterior . El radio interior es la distancia entre el centro de la espiral y el inicio de la primera vuelta, mientras que el radio exterior es la distancia entre el centro de la espiral y el punto más lejano..  

Además de estos parámetros de diseño, las antenas espirales tienen frecuencias de trabajo inferior ( y superior , donde  es la velocidad de la luz. En un sistema de coordenadas polares , la espiral crece simultáneamente a lo largo de los ejes  y . Por ejemplo, las antenas con fomra de espiral de Arquímedes crecen de la forma , donde  y  con parámetros constantes.

Diferentes diiseños de antenas espirales pueden obtenerse variando el número de vueltas, la separación entre las vueltas y la anchura de los brazos. Se utilizan materiales dieléctricos con permitividades y dimensiones concretas sobre los que situar o imprimir la antena para conseguir diferentes características. Por ejemplo, empleando dieléctricos de alta permitividad se consigue reducir el tamaño de la antena. Los substratos delgados con permitividad más alta pueden conseguir el mismo resultado que substratos gruesos con permitividad más baja, aunque el problema de tales materiales es su menor disponibilidad y alto coste.⁵

Aplicaciones

Una antena de espiral transmite ondas electromagnéticas polarizadas cirularmente. Por tanto, recibirá ondas linealmente polarizadas en cualquier dirección y ondas circularmente polarizadas en su misma dirección, pero atenuará las circularmente polarizadas en la dirección contraria. 

Una aplicación importante de las antenas espirales son las comunicaciones de banda ancha. Otra aplicación donde estas antenas són muy útiles es en la monitorización del espectro, por lo que son frecuentes en equipos SDR y analizadores de espectros. Una antena espiral puede recibir un ancho de banda muy amplio, siendo por ejemplo un ratio de 5:1 (calculado como la razón entre la frecuencia máxima y la mínima de operación) un valor típico. Además, es interesante combinar dos antenas de parámetros idénticos salvo la polarización (una circular a derechas y otra a izquierdas), ya que evita la atenuación antes mencionada que produciría una sola antena. Estas antenas también son útiles para radiogoniometría en microondas.⁶

Elementos

Una antena espiral incluye normalmente dos brazos espirales conductores, que se extienden desde el centro hacia fuera. La antena puede ser un disco plano, con los conductores enrollados en forma de muelle de reloj, o puede extenderse en una forma tridimesional como un tornillo. La dirección de la rodación de la espiral define la dirección de la polarización de la antena. Es posible añadir más espirales como brazos adicionales en la antena, formando una estructura multiespiral. Frecuentemente las espirales se sitúan delante de unas cavidades de aire o material no conductor rodeado por paredes conductoras, de forma que cambie su diagrama de radiación confiriéndole una forma unidireccional. La entrada de la antena es una línea balanceada, por lo que si se conecta con una línea de transmisión no balanceada, por ejemplo una línea coaxial, debe emplearse un balun u otro dispositivo para adaptar las señales.

Un oscilador local es un oscilador electrónico utilizado para generar una señal, normalmente con el propósito de convertir una señal de interés a una frecuencia diferente usando un mezclador. Este proceso de conversión de frecuencia, también conocido como heterodino, produce la suma y diferencia de frecuencias de la frecuencia del oscilador local y la frecuencia de la señal de entrada de interés. Estas son las frecuencias de batido. Normalmente, la frecuencia de batido se asocia con la menor banda lateral, la diferencia entre los dos.

Los osciladores locales se utilizan en el receptor superheterodino, el tipo más común de circuito de receptor de radio. También se utiliza en muchos otros circuitos de comunicación como módems , decodificadores de televisión por cable, sistemas de multiplexación por división de frecuencia utilizado en líneas troncales de telefonía, relé de microondas, sistemas de telemetría, relojes atómicos,radiotelescopios y sistemas de contramedidas electrónicas militares (sistema de eliminación de interferencias).

El rendimiento de un sistema de procesamiento de la señal depende de las características del oscilador local. El oscilador local debe permanecer estable en la frecuencia. Debe producir suficiente potencia para conducir eficazmente las etapas subsiguientes, tales comomezcladores o multiplicadores de frecuencia. Se debe tener bajo ruido de fase, donde la temporización de la señal es crítica.^1 2 En un sistema receptor canalizado, la precisión de sintonización del sintetizador de frecuencia debe ser compatible con el espaciado de canales de las señales deseadas.

Un oscilador de cristal es un tipo común de oscilador local que proporciona una buena estabilidad y rendimiento a un coste relativamente bajo, pero el cambiando la frecuencia, requiere cambiar el cristal. La sintonización a diferentes frecuencias requiere un oscilador de frecuencia variable, que implica compromiso entre la estabilidad y la capacidad de ajuste. Con el advenimiento de la microelectrónica digital de alta velocidad, los sistemas modernos pueden utilizar sintetizadores de frecuencia para obtener un oscilador local sintonizable estable, pero se debe tener cuidado todavía para mantener el ruido adecuados.

Dependiendo de los valores de los componentes que forman parte del filtro LC, pueden generar señales de corriente alterna en el rango deseado, que van desde algunos hertzios a cientos de MHz, con formas de onda diferentes, el seno es el más común. En cuanto a la variación de frecuencia, los osciladores se clasifican en dos tipos: de frecuencia variable y frecuencia fija. Los osciladores de frecuencia variable son generalmente el tipo de LC, donde L o C es variable, con eso, pueden variar su frecuencia de operación en el nivel adecuado. En el caso de los receptores de radio, tanto en la AM y FM, el tipo heterodino, el oscilador local para generar la misma a lo largo de un rango continuo de frecuencias, a fin de cubrir toda la gama de emisión recepción. Como para el receptor de AM, el oscilador local para generar un rango de frecuencia (560-1620) + o - (455 kHz). En el receptor de FM, la frecuencia generada por el oscilador local debe ser (88-108) + o - (10,7) MHz

A su vez, los osciladores de frecuencia fija son ampliamente utilizados en transmisores y receptores que funcionan siempre a la misma frecuencia utilizada en comunicación punto a punto, por ejemplo, utilizados por los bomberos, policía, ambulancia, teléfonos públicos y otros medios. Los mismos osciladores también se encuentran en los transmisores, los transmisores de AM, FM y TV, en el que cada uno opera en una frecuencia bien definida, la frecuencia concedida por la Anatel. En todos estos ejemplos se utilizan oscilador de frecuencia fija, controlado por cristal. En cuanto a la transmisión de TV, son utilizados dos transmisores separados que operan en diferentes frecuencias, la frecuencia de 4,5 MHz espaciados entre ellos, los dos involucrados en la misma antena de transmisión, una para transmitir el vídeo (imagen) y otros para transmitir el sonido. Desde el lado receptor se utiliza un solo receptor, intercalados con los transportistas en el mismo receptor recibe y reproduce tanto la imagen con el sonido.