Antena de matriz reflectante

Cuando una señal de radio atraviesa un conductor, induce una corriente eléctrica en él. Dado que la señal ocupa espacio y el conductor tiene un tamaño finito, las corrientes inducidas se suman o se anulan a medida que se desplazan a lo largo del conductor. Un objetivo fundamental del diseño de antenas es lograr que las corrientes se sumen hasta alcanzar un valor máximo en el punto de captación de la energía. Para ello, los elementos de la antena se dimensionan en función de la longitud de onda de la señal de radio, con el fin de generar ondas estacionarias de corriente que se maximicen en el punto de alimentación.

Esto significa que una antena diseñada para recibir una longitud de onda específica tiene un tamaño natural. Para mejorar la recepción, no basta con aumentar el tamaño de la antena; si bien esto incrementaría la cantidad de señal captada, que depende en gran medida del área, disminuiría la eficiencia de la recepción (a una longitud de onda determinada). Por lo tanto, para mejorar la recepción, los diseñadores de antenas suelen utilizar múltiples elementos, combinándolos de manera que sus señales se sumen. Estas se conocen como conjuntos de antenas .

Para que las señales se sumen, deben llegar en fase . Consideremos dos antenas dipolo colocadas en línea recta, una tras otra (colineales ). Si el conjunto resultante apunta directamente a la señal de origen, ambos dipolos recibirán la misma señal instantánea, por lo que su recepción estará en fase. Sin embargo, si se gira la antena de modo que quede en ángulo con respecto a la señal, el recorrido adicional desde la señal hasta el dipolo más distante implica que este reciba la señal ligeramente desfasada. Al sumar las dos señales, ya no se refuerzan mutuamente de forma estricta, y la salida disminuye. Esto aumenta la sensibilidad horizontal del conjunto, mientras que apilar los dipolos en paralelo reduce el patrón verticalmente. Esto permite al diseñador ajustar el patrón de recepción y, por lo tanto, la ganancia , moviendo los elementos.

Si la antena está correctamente alineada con la señal, en cualquier instante dado, todos los elementos de un arreglo recibirán la misma señal y estarán en fase. Sin embargo, la salida de cada elemento debe concentrarse en un único punto de alimentación, y a medida que las señales viajan a través de la antena hasta ese punto, su fase cambia. En un arreglo de dos elementos, esto no representa un problema, ya que el punto de alimentación puede ubicarse entre ellos; cualquier desfase que se produzca en las líneas de transmisión es igual para ambos elementos. Sin embargo, si se extiende este enfoque a un arreglo de cuatro elementos, ya no funciona, puesto que la señal del par exterior tiene que viajar más lejos y, por lo tanto, estará en una fase diferente a la del par interior cuando llegue al centro. Para asegurar que todas lleguen con la misma fase, es común insertar cable de transmisión adicional en la trayectoria de la señal, o cruzar la línea de transmisión para invertir la fase si la diferencia es mayor a media longitud de onda.

La ganancia se puede mejorar aún más mediante la adición de un reflector . Generalmente, cualquier conductor en una lámina plana actuará como un espejo para las señales de radio, pero esto también se cumple para superficies discontinuas siempre que los espacios entre los conductores sean menores a aproximadamente 1/10 de la longitud de onda objetivo. ^{[ 2 ]} Esto significa que se puede utilizar malla de alambre o incluso alambres paralelos o barras de metal, lo cual es especialmente útil tanto para reducir la cantidad total de material como para disminuir las cargas de viento.

Debido al cambio en la dirección de propagación de la señal al reflejarse, esta experimenta una inversión de fase. Para que el reflector amplifique la señal de salida, debe llegar a los elementos en fase. Generalmente, esto requiere que el reflector se coloque a 1/4 de longitud de onda detrás de los elementos, como se observa en muchos conjuntos de reflectores comunes, como las antenas de televisión . Sin embargo, existen diversos factores que pueden modificar esta distancia, y la posición real del reflector varía.

Los reflectores también tienen la ventaja de reducir la señal recibida desde la parte posterior de la antena. Las señales recibidas desde atrás y retransmitidas por el reflector no han sufrido un cambio de fase y no se suman a la señal frontal. Esto mejora considerablemente la relación frontal-posterior de la antena, haciéndola más direccional. Esto puede ser útil cuando se desea una señal más direccional o cuando hay señales no deseadas. Hay casos en los que esto no es deseable, y aunque los reflectores se ven comúnmente en antenas de arreglo, no son universales. Por ejemplo, mientras que las antenas de televisión UHF a menudo usan un arreglo de antenas de pajarita con un reflector, un arreglo de pajarita sin reflector es un diseño relativamente común en la región de microondas . ^{[ 3 ]}

A medida que se añaden más elementos a una matriz, el ancho del haz del lóbulo principal de la antena disminuye, lo que conlleva un aumento de la ganancia. En teoría, este proceso no tiene límite. Sin embargo, a medida que aumenta el número de elementos, también aumenta la complejidad de la red de alimentación necesaria para mantener las señales en fase. En última instancia, las crecientes pérdidas inherentes en la red de alimentación superan la ganancia adicional obtenida con más elementos, lo que limita la ganancia máxima que se puede alcanzar.

La ganancia de las antenas de arreglo prácticas está limitada a unos 25–30  dB. Dos elementos de media onda separados por media onda y a un cuarto de onda de una pantalla reflectante se han utilizado como antena de ganancia estándar con aproximadamente 9,8 dBi en su frecuencia de diseño. ^{[ 4 ]} Las antenas de televisión comunes de 4 bahías tienen ganancias de alrededor de 10 a 12  dB, ^{[ 5 ]} y los diseños de 8 bahías podrían aumentar esto a 12 a 16  dB. ^{[ 6 ]} El SCR-270 de 32 elementos tenía una ganancia de alrededor de 19,8  dB. ^{[ 7 ]} Se han construido algunos arreglos reflectantes muy grandes, en particular los radares soviéticos Duga que tienen cientos de metros (yardas) de ancho y contienen cientos de elementos. Las antenas de arreglo activas , en las que grupos de elementos son impulsados ​​por amplificadores de RF separados, pueden tener una ganancia mucho mayor, pero son prohibitivamente caras.

Desde la década de 1980, se han fabricado versiones para su uso en frecuencias de microondas con elementos de antena de parche montados frente a una superficie metálica. ^{[ 8 ]}