Antena Helicoidal

Se decidió diseñar e implementar, la construcción de una antena, ya que para poder tener un mejor rango de alcance entre la UCP y la silla de ruedas robótica, se necesita aumentar la ganacia de la misma, por consiguiente se diseña una antena Helicoidal ya que su construcción es fácil, y su costo es bajo.

Las fórmulas para los cálculos de la antena helicoidal, son sacadas del libro de Contantine A. Balanis, capitulo 10, en la figura se observa la antena helicoidal con sus variables, donde D es el diámetro de la antena, S la distancia entre cada espira, L el largo de la antena, asumiendo las formulas del libro de Balanis, lo primero que se halla es λ.

 

Las unidades de los resultados de todas las fórmulas están expresadas en metros, obteniendo λ, se halla el diámetro de la antena:

 

El diámetro de la antena según la fórmula es de 3.97 cm, pero para aspectos prácticos es complicado construir la antena con ese diámetro, ya que se utilizará de un tubo de PVC para su construcción, para esté caso el tubo que se encuentra comercialmente es el de 4.3 cm, los cálculos en adelante se harán con esté valor de diámetro, para tener resultados más aproximados.

Como se ve en el triangulo de la figura, C es la circunferencia de cada hélice, y está expresada por medio de la siguiente formula

Basándose en el libro de Balanis el ángulo α tiene que estar entre 0º < α < 90º, se asume como:

Luego se halla el valor de S

 

El valor de S es la distancia entre cada hélice, para esté caso se aproxima a 4.0 cm., para facilidad en la construcción de la antena, finalmente, se asume un número de vueltas N, para hallar la ganancia que tendrá la antena, se utiliza la formula.

 

La ganancia de la antena helicoidal el de 10 dbi, teniendo en cuenta que la ganancia de las de fábrica del router es de 2 dbi, se garantiza un mayor rango de cobertura al sistema. Para hallar el L, que es el largo que tiene la antena es:

 

La antena tendrá un largo de 56 cm, según el libro de Balanis el grosor del cable puede ser de 1 mm, por lo que se utiliza alambre de cobre de calibre AWG 14., que mide un poco mas de 1 mm de grosor. La impedancia de la antena está dada por, la formula:

 

 

Pero está impedancia es bastante alta ya que se le acoplará una línea de transmisión de 50 Ω de impedancia, por lo tanto se conecta un stub para acoplar la línea de transmisión.

En el libro de Neri Vela en el capitulo 2, de líneas de transición acoplan las impedancias de la siguiente forma, utilizando la formula

 

La impedancia del stub es de 86.6 Ω, que para efectos prácticos y reales se aproxima a 90 Ω, con una distancia de λ/4 de la antena a la línea de transmisión. Para el reflector de la antena en el libro de Balanis se calcula como 1.1 λ, lo cual da un reflector de unos 13 cm de diámetro.

Para la construcción de la antena helicoidal, después de hacer los cálculos respectivos, se procede a la construcción de la misma, para esto se necesita los siguientes materiales:

• 0.60 metros de tubo de PVC de 40 mm del que se utiliza en desagües.
• 1 tapa de 40 mm de PVC. (tapón para el tubo de PVC).
• 1 tapa de 150 mm de PVC (o una pieza de plástico grueso o madera de similares dimensiones).
• Un círculo de 130 mm de diámetro o una pieza apropiada de aluminio o similar.
• cable de cobre esmaltado de 1 mm de diámetro (AWG 14).
• Un conector tipo N de montaje en panel.
• Una lata de aluminio.

El primer paso en la construcción de la antena es cortar el tubo de PVC del largo que se necesita, que en esté caso es de 60 cm, una vez cortado se procede a la elaboración de una plantilla que sirve de guía para la hélices de la antena, esto se hace con una hoja de papel, teniendo en cuenta el ángulo que es de 16º, y la distancia entre cada hélice como se ve en la figura:

 

Luego se enrolla el cable de cobre por la guía de la plantilla para esto se utiliza un buen pegante, se recorta de la lámina de metal el círculo de 13 cm de diámetro. Se Hacen agujeros con el taladro en la tapa de 150 mm de PVC y en el círculo de 130 mm. Además se hace un agujero para el tornillo central. Se recorta una sección del tapón como se muestra en la figura:

 

Para igualar las impedancias (desde la nominal de 150 ohmios de la antena a la de 50 ohmios del conector y los cables), en los cálculos se hallo que la impedancia del stub es de 86Ω, para esté stub se elabora una pieza de aluminio que va soldada al conector de tipo N, pasa entre el tubo y el tapón hasta llegar al final del hilo que ahí de nuevo va soldado. (Está pieza se sacar de un retal de cobre o latón).

Para la pieza se hace un triángulo con estas medidas en los lados 17 mm, 71 mm y una hipotenusa de 73 mm. Se introduce el tubo en el tapón de 40 mm y se hace una marca en donde la espiral se encuentra con la parte final del tapón. Se corta el cable en esté punto dejando una distancia de λ/4, la construcción de la pieza está basada en el libro “Arrl Antenna Handbook capitulo 23, paginas 24 y 25”, que por métodos empíricos construyeron el Stub.

 

Se suelda el final del pico estrecho de la tira de cobre al cable, de modo que la otra esquina de la pieza se pueda soldar elegantemente sobre el terminal del conector tipo N. (La pieza va entre el tubo y el tapón) Así que se hace los ajustes correspondientes del conector N, quede la pieza perfectamente con el tubo puesto en el tapón, como se ve en la figura:

Por ultimo se asegura el tapón y el círculo de 130 mm con la tapa de 150 mm, se suelda el conector tipo N al círculo 130 mm, y se coloca el tubo en el tapón, se asegura todo, terminando con la construcción de la antena, en la figura se ve la antena:

 
Se simuló la antena mediante el software CST – Microwave Studio, versión 5.0, en este software se construye la antena con las dimensiones calculadas anteriormente, y se configuran los parámetros como frecuencia señal de entrada y el software, entrega datos como carta de smith, espectro radioeléctrico de la antena, entre otros, basándose en esté software se obtuvieron los siguiente resultados en la simulación:

En las figuras, se observa el patrón de radiación de la antena, que en éste caso es omnidireccional, también se ve que la ganancia de la antena, que en la simulación es de 9.212 dBi, esto comparado con los cálculos anteriormente se obtiene un margen de error de 0.744 dBi, entre los cálculos y la simulación, las pruebas de la antena en simulación, son satisfactorias para la aplicación del proyecto.