Planos de tierra

Los planos de tierra son una consideración clave en el diseño, montaje y rendimiento de las antenas GPS y otros tipos de antenas de vehículos. Aunque no son necesarios para todas las antenas GPS y otras antenas de vehículos, a menudo pueden ser una mejora crítica.

En este breve artículo, exploramos el uso de planos de tierra en una variedad de tipos de antenas GPS líderes y los parámetros físicos que hacen que los planos de tierra sean efectivos.

¿Qué es un plano de tierra?

Un plano de tierra es un componente de la antena que proporciona una superficie plana, horizontal y conductora de electricidad para que se monte una antena. Los planos de tierra suelen ser circulares y pueden integrarse en el diseño de una antena y su montaje o adquirirse por separado. La superficie suele estar hecha de metal y totalmente conectada a tierra eléctricamente.

El plano de tierra realiza la función de una puesta a tierra artificial para la antena (como si hubiera estado montada en la Tierra) y es necesaria cuando no hay condiciones de tierra adecuadas o la antena se montará en altura.

Los planos de tierra benefician la función de la antena al dirigir las señales de radiofrecuencia hacia la antena, amplificarlas y mejorar la recepción de la señal. Los planos redondos circulares proporcionan una superficie reflectante para las ondas de radio, y las ondas de radio reflejadas crean una imagen de la mitad superior de la antena en la superficie del plano. De esta manera, el plano de tierra funciona como la otra mitad de la antena, de manera similar a una antena dipolo.

Para que el plano de tierra sea efectivo, su radio debe, como mínimo, exceder un cuarto de longitud de onda de la frecuencia de la antena (medida desde la base de la antena). El plano conductor no siempre es circular y, en algunos diseños, el plano de tierra se replica mediante el uso de radiales de cuarto de longitud de onda o radios que se colocan perpendicularmente a la base de la antena. Los radiales proporcionan el mismo efecto que un plano de tierra completamente circular.

Los tipos de planos de tierra funcionales varían ampliamente. Muchas placas de tierra son placas o discos metálicos de diferentes grosores. Los soportes de antena magnética pueden proporcionar una conexión a una superficie metálica que puede funcionar como un plano de tierra a través del acoplamiento capitativo. También se pueden utilizar kits radiales de tierra con diferentes números de radios.

¿Por qué las antenas GPS necesitan planos de tierra?

Se sabe que las señales GPS y otras señales GNSS son relativamente débiles, debido a la importante atenuación que se experimenta a medida que viajan desde los satélites de órbita terrestre media a través de la ionosfera y la atmósfera de la Tierra. También se ven afectados por fenómenos ópticos (reflexión, refracción, etcétera) que pueden generar un multitrayecto significativo, retrasando la adquisición de la señal y una fijación fiable.

Los beneficios de usar un plano de tierra de antena GPS incluyen:

• Mejora del tiempo de convergencia para el GPS
• Protección contra los efectos de la interferencia por trayectos múltiples y otras formas de interferencia
• Ensanchamiento del diagrama de antena
• Mejora de la precisión posicional
• Aumentos en la ganancia de antena que se pueden lograr

Planos de tierra para los principales tipos de antenas GPS

Las antenas GPS pueden depender del plano de tierra o del plano de tierra, lo que significa que pueden funcionar de manera óptima sin el requisito de un plano de tierra.

En el caso de las antenas dependientes del plano de tierra, el funcionamiento de la antena se verá afectado sin la inclusión de un plano de tierra, normalmente un disco metálico. El tamaño del plano de tierra de la antena GPS y el centrado de la antena en él también pueden afectar a la frecuencia central de la antena, alejándola de las frecuencias GNSS objetivo. Los principales tipos de antenas GPS que requieren un plano de tierra incluyen:

• Antenas GPS de parche: son uno de los tipos más comunes de antenas GPS, ya que se pueden integrar en una variedad de dispositivos y diseños de antenas. A menudo están incrustados en antenas de parche que se colocan en el techo metálico de un automóvil, lo que proporciona la superficie metálica necesaria. Por lo general, están hechos de cerámica y metal, montados sobre una placa base de metal. Un plano de tierra para una antena de parche proporciona un impulso significativo a la ganancia de la antena y al rendimiento general, especialmente si el plano de tierra es grande.

• Antenas Chip GNSS:  son antenas omnidireccionales pequeñas y de bajo coste  que experimentan una mejora significativa en su rendimiento a medida que aumenta el tamaño de su plano de tierra disponible. El impacto que tienen los planos de tierra en la eficiencia de las antenas de chip significa que un plano de tierra suficientemente grande debe tenerse en cuenta en el diseño del dispositivo en el que se incrustará la antena. Sin un plano de tierra adecuado, una antena GPS con chip no funcionará correctamente.

• Antenas de elementos fractales: también dependen del tamaño del plano de tierra para ofrecer un rendimiento adecuado.

Los tipos notables de antenas GPS independientes del plano de tierra incluyen antenas de bucle y antenas dipolo. La ausencia de necesidad de un plano de tierra los hace muy convenientes. Las antenas helicoidales generalmente no necesitan planos de tierra. El rendimiento de una antena helicoidal puede mejorarse en los casos en que se incluye un plano de tierra, pero en algunos casos, la antena puede volverse más susceptible a las interferencias.