Antena direccional

Un conjunto de dipolos logarítmicos periódicos de múltiples elementos.

Una antena de radio Cassegrain de 70 metros en GDSCC , California

Una antena direccional o de haz es aquella que irradia o recibe mayor potencia de ondas de radio en direcciones específicas. Las antenas direccionales pueden irradiar ondas de radio en haces, cuando se desea una mayor concentración de radiación en una dirección determinada, o bien, en el caso de las antenas receptoras, recibir ondas de radio únicamente desde una dirección específica. Esto puede aumentar la potencia transmitida a los receptores en esa dirección o reducir la interferencia de fuentes no deseadas. Esto contrasta con las antenas omnidireccionales , como las antenas dipolo , que irradian ondas de radio en un ángulo amplio o las reciben desde un ángulo amplio.

El grado de concentración en una dirección de la distribución angular de la potencia radiada de una antena, es decir, su patrón de radiación , se mide mediante un parámetro denominado ganancia de antena . Una antena de alta ganancia ( HGA ) es una antena direccional con un haz estrecho y enfocado , lo que permite una focalización más precisa de las señales de radio. ^{[ 1 ]} Si bien se las suele mencionar durante las misiones espaciales , ^{[ 2 ]} estas antenas también se utilizan en todo el planeta , con mayor éxito en zonas planas y abiertas donde no hay montañas que interfieran con las ondas de radio.

En cambio, una antena de baja ganancia ( LGA ) es una antena omnidireccional , con un haz de radio de amplio ancho, que permite que la señal se propague razonablemente bien incluso en regiones montañosas y, por lo tanto, es más fiable independientemente del terreno. Las antenas de baja ganancia se utilizan a menudo en naves espaciales como respaldo de la antena de alta ganancia , que transmite un haz mucho más estrecho y, por consiguiente, es susceptible a la pérdida de señal. ^{[ 3 ]}

Todas las antenas prácticas son al menos algo direccionales, aunque normalmente solo se considera la dirección en el plano paralelo a la Tierra, y las antenas prácticas pueden ser fácilmente omnidireccionales en un plano. Los tipos de antenas direccionales más comunes son:

• la antena Yagi-Uda ,
• la antena logarítmica periódica y
• la antena reflectora de esquina .
• El Hexbeam

Estos tipos de antenas, o combinaciones de varias versiones de frecuencia única de un mismo tipo o (en raras ocasiones) una combinación de dos tipos diferentes, se comercializan frecuentemente como antenas de televisión residenciales . Los repetidores celulares suelen utilizar antenas direccionales externas para proporcionar una señal mucho mayor que la que se puede obtener con un teléfono celular estándar . Los receptores de televisión por satélite suelen utilizar antenas parabólicas . Para frecuencias de longitud de onda larga y media , en la mayoría de los casos se utilizan conjuntos de antenas en torre como antenas direccionales.

Al transmitir, una antena de alta ganancia permite que una mayor parte de la potencia transmitida se envíe hacia el receptor, aumentando así la intensidad de la señal recibida. Al recibir, una antena de alta ganancia capta una mayor cantidad de señal, incrementando también su intensidad. Debido al principio de reciprocidad , estos dos efectos son equivalentes: una antena que amplifica la señal transmitida 100  veces (en comparación con un radiador isotrópico ) también captará 100  veces más energía que la antena isotrópica cuando se utilice como antena receptora. Como consecuencia de su directividad, las antenas direccionales también envían (y reciben) menos señal desde direcciones distintas al haz principal. Esta propiedad puede evitar interferencias de otros transmisores fuera del haz y siempre reduce el ruido de la antena. (El ruido proviene de todas las direcciones, pero la señal deseada solo proviene de una dirección aproximada; por lo tanto, cuanto más estrecho sea el haz de la antena, mejor será la crucial relación señal-ruido ).

Existen muchas maneras de construir una antena de alta ganancia; las más comunes son las antenas parabólicas , las antenas helicoidales , las antenas Yagi-Uda y los conjuntos de antenas más pequeñas de cualquier tipo. También se pueden construir antenas de bocina de alta ganancia, aunque son menos frecuentes. Existen otras configuraciones posibles: el Observatorio de Arecibo utilizó una combinación de alimentación lineal con un enorme reflector esférico (en lugar del reflector parabólico habitual) para lograr ganancias extremadamente altas en frecuencias específicas.

La ganancia de una antena se suele expresar con respecto a una antena hipotética que irradia por igual en todas las direcciones, un radiador isotrópico . Esta ganancia, medida en decibelios , se denomina dBi. La conservación de la energía exige que las antenas de alta ganancia tengan haces estrechos. Por ejemplo, si una antena de alta ganancia hace que un transmisor de 1 vatio parezca uno de 100 vatios , entonces el haz puede cubrir como máximo 1/100 del cielo (de lo contrario, la cantidad total de energía radiada en todas las direcciones superaría la potencia del transmisor, lo cual es imposible). Esto implica, a su vez, que las antenas de alta ganancia deben ser físicamente grandes, ya que, según el límite de difracción , cuanto más estrecho sea el haz deseado, mayor deberá ser la antena (medida en longitudes de onda).  

La ganancia de una antena también se puede medir en dBd, que es la ganancia en decibelios en comparación con la dirección de máxima intensidad de un dipolo de media onda. En el caso de antenas tipo Yagi, esto equivale aproximadamente a la ganancia que se esperaría de la antena bajo prueba, sin incluir sus directores ni reflectores. Es importante no confundir dBi con dBd ; ambos valores difieren en 2,15  dB, siendo el valor de dBi mayor, ya que un dipolo tiene  una ganancia de 2,15 dB con respecto a una antena isotrópica.

La ganancia también depende del número de elementos y de su sintonización. Las antenas pueden sintonizarse para resonar en un rango de frecuencias más amplio, pero, en igualdad de condiciones, esto implica que la ganancia será menor que la de una antena sintonizada para una sola frecuencia o un grupo de frecuencias. Por ejemplo, en el caso de las antenas de TV de banda ancha, la caída de ganancia es particularmente pronunciada en la parte inferior de la banda de transmisión de TV. En el Reino Unido, este tercio inferior de la banda de TV se conoce como grupo  A.

Otros factores que también pueden afectar la ganancia incluyen la apertura (el área de donde la antena capta la señal, relacionada casi exclusivamente con el tamaño de la antena, pero que en antenas pequeñas puede aumentarse añadiendo una varilla de ferrita ) y la eficiencia (que, de nuevo, se ve afectada por el tamaño, pero también por la resistividad de los materiales utilizados y la adaptación de impedancias). Estos factores son fáciles de mejorar sin modificar otras características de las antenas o, casualmente, se ven mejorados por los mismos factores que aumentan la directividad, por lo que normalmente no se les da mucha importancia.

Las antenas de alta ganancia suelen ser el componente más grande de las sondas espaciales, y las antenas de radio de mayor ganancia son estructuras físicamente enormes, como el Observatorio de Arecibo . La Red del Espacio Profundo utiliza  antenas parabólicas de 35 m a  longitudes de onda de aproximadamente 1 cm. Esta combinación proporciona una ganancia de antena de aproximadamente 100 000 000 (o 80  dB, como se mide normalmente), lo que hace que el transmisor parezca unas 100  millones de veces más potente y el receptor unas 100  millones de veces más sensible, siempre que el objetivo esté dentro del haz . Este haz puede cubrir como máximo una cienmillonésima ( 10⁻⁸ ) ^parte del cielo, por lo que se requiere una puntería muy precisa.

El uso de alta ganancia y comunicación de ondas milimétricas en la ganancia de WPAN aumenta la probabilidad de programación concurrente de transmisiones no interferentes en un área localizada, lo que resulta en un aumento inmenso del rendimiento de la red. Sin embargo, la programación óptima de la transmisión concurrente es un problema NP-difícil . ^{[ 4 ]}

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  Un ejemplo temprano (1922) de un transmisor de radio AM direccional que utilizaba una antena de hilo largo , construido para WOR , que entonces estaba en Newark, Nueva Jersey, y que tenía como objetivo tanto la ciudad de Nueva York como Filadelfia, además de Newark.
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  Karl Jansky y su antena de radio direccional giratoria (1932) en Holmdel, Nueva Jersey , que fue el primer radiotelescopio del mundo, descubriendo las emisiones de radio de la Vía Láctea .
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  Antena casera de Grote Reber en Wheaton, Illinois (1937), el segundo radiotelescopio del mundo y el primer radiotelescopio parabólico.
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  Antena de bocina de Holmdel en Holmdel, Nueva Jersey (década de 1960). Construida para dar soporte al programa de comunicación por satélite Echo , ^{[ 5 ]} posteriormente se utilizó en experimentos que revelaron el fondo cósmico de microondas que impregna el universo. ^{[ 6 ]}
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  Antena parabólica : la  antena de 70 m en el Complejo de Comunicaciones del Espacio Profundo de Goldstone en el desierto de Mojave, California.
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  La nave espacial Voyager 2. La HGA (una antena parabólica) es el gran objeto con forma de cuenco.
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  Un radar gigante de matriz de fase en Alaska
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  Antena Yagi -Uda . De izquierda a derecha, los elementos montados en el brazo se denominan reflector, elemento activo y director. El reflector se identifica fácilmente por ser ligeramente más largo (un 5 % o más) que los demás elementos, y el director por ser ligeramente más corto (un 5 % o más).

• "¿Qué son la ganancia alta y la ganancia baja?" . qrg.northwestern.edu . Comunicaciones. Evanston, IL: Universidad Northwestern .