Antena (de radio)

En ingeniería de radiofrecuencia , una antena es una estructura que se utiliza para convertir corrientes eléctricas alternas en ondas de radio para su transmisión y para convertir ondas de radio de nuevo en corrientes eléctricas para su recepción. [ ¹^]^[²^]^Es la interfaz entre las ondas de radio que se propagan por el espacio y las corrientes eléctricas que se mueven en conductores metálicos, y se utiliza con un transmisor o un receptor . ^[¹^] En la transmisión , un transmisor de radio suministra una corriente eléctrica a los terminales de la antena , y esta irradia la energía de la corriente en forma de ondas electromagnéticas (ondas de radio). En la recepción , una antena intercepta parte de la potencia de una onda de radio para producir una corriente eléctrica en sus terminales, que se aplica a un receptor para su amplificación . Las antenas son componentes esenciales de todos los equipos de radio . ^[³^]

Una antena es un conjunto de segmentos conductores ( elementos ) conectados eléctricamente al receptor o transmisor. ^{[ 4 ]} Las antenas pueden diseñarse para transmitir y recibir ondas de radio en todas las direcciones horizontales por igual ( antenas omnidireccionales ) o preferentemente en una dirección particular ( antenas direccionales , de alta ganancia o de haz). Una antena puede incluir componentes no conectados al transmisor, reflectores parabólicos , bocinas o elementos parásitos , que sirven para dirigir las ondas de radio en un haz u otro patrón de radiación deseado . Una directividad fuerte y una buena eficiencia de transmisión al transmitir son difíciles de lograr con antenas cuyas dimensiones son mucho menores que media longitud de onda .

Las primeras antenas fueron construidas en 1886 por el físico alemán Heinrich Hertz en sus experimentos pioneros para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas predichas por la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell de 1867. Hertz colocó antenas dipolo en el punto focal de reflectores parabólicos tanto para la transmisión como para la recepción. ^{[ 5 ]} A partir de 1895, Guglielmo Marconi comenzó el desarrollo de antenas prácticas para la telegrafía inalámbrica de larga distancia y abrió una fábrica en Chelmsford , Inglaterra, para fabricar su invento en 1898. ^{[ 6 ]}

Antena dipolo de media onda recibiendo una onda de radio: El campo eléctrico (E) de la onda excita corrientes oscilantes (flechas negras) en el receptor.

Antena emisora de ondas de radio: El transmisor aplica una corriente alterna (flechas rojas) a las varillas, cargándolas alternativamente con polaridad positiva y negativa, y emitiendo bucles de campo eléctrico. Las flechas de los bucles se invierten cada vez que cambia la polaridad de la corriente.

Terminología

Las palabras antena y antena se usan indistintamente. Ocasionalmente, el término equivalente "aérea" se usa para referirse específicamente a una antena de hilo horizontal elevada. El origen de la palabra antena en relación con los aparatos inalámbricos se atribuye al pionero de la radio italiano Guglielmo Marconi . En el verano de 1895, Marconi comenzó a probar su sistema inalámbrico al aire libre en la finca de su padre cerca de Bolonia y pronto comenzó a experimentar con largas antenas de hilo suspendidas de un poste. ^{[ 7 ]} En italiano, un poste de tienda de campaña se conoce como l'antenna centrale , y el poste con el hilo se llamaba simplemente l'antenna . Hasta entonces, los elementos transmisores y receptores de radiación inalámbrica se conocían simplemente como "terminales". Debido a su prominencia, el uso de la palabra antena por parte de Marconi se extendió entre los investigadores y entusiastas de la tecnología inalámbrica, y más tarde al público en general. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

El término antena puede referirse, en términos generales, a un conjunto completo que incluye la estructura de soporte, la carcasa (si la hay), etc., además de los componentes conductores de corriente de radiofrecuencia . Una antena receptora puede incluir no solo los elementos receptores metálicos pasivos, sino también un preamplificador o mezclador integrado, especialmente en frecuencias de microondas y superiores .

Descripción general

Las antenas son necesarias para que cualquier receptor o transmisor de radio acople su conexión eléctrica al campo electromagnético. ^{[ 12 ]} Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que transportan señales a través del espacio a la velocidad de la luz ; en el espacio libre se propagan sin absorción de materiales , salvo la pérdida por dispersión geométrica .

Las antenas se pueden clasificar como omnidireccionales , irradiando energía aproximadamente igual en todas las direcciones horizontales, ^{[ 13 ]} o direccionales , donde las ondas de radio se concentran en una o más direcciones. Una antena de haz es unidireccional , diseñada para una respuesta máxima en la dirección de la estación remota con la que está alineada, mientras que muchas otras antenas están diseñadas para responder a estaciones en varias direcciones, pero no son verdaderamente omnidireccionales. Dado que las antenas obedecen la reciprocidad , el mismo patrón de radiación se aplica tanto a la transmisión como a la recepción de ondas de radio. Una antena hipotética que irradia igual en todas las direcciones (verticales y horizontales) se denomina radiador isotrópico ; sin embargo, la uniformidad exacta no se puede lograr en antenas prácticas y rara vez se desea (por ejemplo, antenas de emergencia para naves espaciales). En cambio, para la mayoría de las comunicaciones terrestres, es ventajoso reducir la radiación hacia el cielo o el suelo en favor de las direcciones horizontales. Una antena dipolo orientada horizontalmente no emite energía en la dirección del eje central del conductor (la dirección de baja radiación se denomina nulo de la antena ), pero, sin obstrucciones, puede utilizarse en la mayoría de las demás direcciones. En su primera frecuencia de resonancia y por debajo de ella, la radiación más intensa se produce en todas las direcciones sin obstrucciones, perpendiculares al único par de cables opuestos. Varios elementos dipolo de longitudes ligeramente diferentes pueden apilarse en paralelo, formando una matriz de antenas como la Yagi-Uda, para concentrar su radiación en una única dirección horizontal, perpendicular a la pila, denominándose así antena direccional .

Una antena dipolo de media onda es un elemento balanceado, con voltajes y corrientes iguales y opuestos en sus dos terminales, y sirve como referencia simple para analizar muchos otros diseños de antenas. La antena vertical es una antena monopolo , no balanceada con respecto a tierra. El suelo (o cualquier superficie conductora grande) actúa como el segundo conductor de un monopolo. Dado que las antenas monopolo dependen de una superficie conductora, pueden montarse con un plano de tierra para simular el efecto de estar montadas sobre la superficie terrestre. ^{[ 14 ]}

Las antenas más complejas aumentan su directividad. Elementos adicionales en su estructura, que no necesariamente están conectados directamente al receptor o transmisor, incrementan su direccionalidad. La "ganancia" de la antena describe la concentración de la potencia radiada en un ángulo sólido específico del espacio. A diferencia de la ganancia de un amplificador, que generalmente implica un aumento neto de la potencia de la señal, la ganancia de la antena refleja una redistribución de la potencia, de modo que se irradia más en algunas direcciones y menos en otras, sin aumentar la potencia radiada total. A diferencia de los amplificadores, las antenas son dispositivos eléctricamente " pasivos " que conservan la potencia total, y no hay un aumento en la potencia total por encima de la suministrada por la fuente de alimentación (el transmisor), sino solo una mejor distribución de esa potencia total fija.

Un arreglo de antenas en fase consta de dos o más antenas simples conectadas entre sí mediante una red eléctrica. Generalmente, se trata de varias antenas dipolo paralelas con una separación determinada. Dependiendo de la fase relativa introducida por la red, la misma combinación de antenas dipolo puede funcionar como un arreglo de antenas perpendiculares a la línea que conecta los elementos o como un arreglo de antenas paralelas (direccionales a lo largo de la línea que conecta los elementos). Los arreglos de antenas pueden emplear cualquier tipo de antena básica (omnidireccional o débilmente direccional), como antenas dipolo, de bucle o de ranura. Estos elementos suelen ser idénticos.

Las antenas logarítmicas periódicas y otras antenas independientes de la frecuencia emplean estructuras autosimilares para operar eficazmente en un amplio rango de frecuencias (es decir, con un ancho de banda amplio ). El ejemplo más conocido es el conjunto de dipolos logarítmicos periódicos , que puede considerarse como un conjunto (normalmente de 10 a 20) de elementos dipolo conectados con longitudes progresivas en una configuración axial , lo que le confiere una direccionalidad considerable; se utiliza especialmente como antena de techo para la recepción de televisión. Por otro lado, una antena Yagi-Uda (o simplemente "Yagi"), de apariencia similar, tiene un único elemento dipolo con conexión eléctrica; los demás elementos parásitos interactúan con el campo electromagnético para lograr una antena altamente direccional, pero con un ancho de banda estrecho.

Se puede obtener una direccionalidad aún mayor utilizando antenas de apertura, como el reflector parabólico o la antena de bocina . Dado que la alta directividad de una antena depende de que sea grande en comparación con la longitud de onda, las antenas altamente direccionales (y, por lo tanto, con alta ganancia ) resultan más prácticas a frecuencias más altas ( UHF y superiores).

En bajas frecuencias (como la radiodifusión AM ), se utilizan conjuntos de torres verticales para lograr direccionalidad ^{[ 15 ]} y ocupan grandes extensiones de terreno. Para la recepción, una antena Beverage larga puede tener una directividad significativa. Para uso portátil no direccional, una antena vertical corta o una pequeña antena de bucle funcionan bien, siendo el principal desafío de diseño la adaptación de impedancias . Con una antena vertical, se puede emplear una bobina de carga en la base de la antena para cancelar el componente reactivo de la impedancia ; las pequeñas antenas de bucle se sintonizan con condensadores en paralelo para este propósito.

La línea de entrada de la antena es la línea de transmisión , o línea de alimentación , que conecta la antena a un transmisor o receptor. La " alimentación de la antena " puede referirse a todos los componentes que conectan la antena al transmisor o receptor, como una red de adaptación de impedancia además de la línea de transmisión. En una denominada "antena de apertura", como una bocina o una antena parabólica, la "alimentación" también puede referirse a una antena radiante básica integrada en todo el sistema de elementos reflectantes (normalmente en el foco de la antena parabólica o en la garganta de una bocina), que podría considerarse el único elemento activo en ese sistema de antena. Una antena de microondas también puede alimentarse directamente desde una guía de ondas en lugar de una línea de transmisión (conductora) .

Un contrapeso de antena , o plano de tierra , es una estructura de material conductor que mejora o sustituye la conexión a tierra. Puede estar conectado o aislado de la tierra natural. En una antena monopolo, esto facilita el funcionamiento de la tierra natural, especialmente cuando las variaciones (o limitaciones) de sus características interfieren con su correcto funcionamiento. Esta estructura se conecta normalmente a la conexión de retorno de una línea de transmisión desequilibrada, como el blindaje de un cable coaxial .

En algunas antenas de apertura, un refractor de ondas electromagnéticas es un componente que, debido a su forma y posición, retrasa o adelanta selectivamente porciones del frente de onda electromagnético que lo atraviesa. El refractor altera las características espaciales de la onda en un lado con respecto al otro. Puede, por ejemplo, enfocar la onda o modificar su frente de onda de otras maneras, generalmente para maximizar la directividad del sistema de antena. Este es el equivalente radioeléctrico de una lente óptica .

Una red de acoplamiento de antena es una red pasiva (generalmente una combinación de elementos de circuito inductivos y capacitivos ) que se utiliza para la adaptación de impedancia entre la antena y el transmisor o receptor. Esto se puede emplear para minimizar las pérdidas en la línea de alimentación, reduciendo la relación de onda estacionaria de la línea de transmisión , y para proporcionar al transmisor o receptor una impedancia resistiva estándar necesaria para su funcionamiento óptimo. Se selecciona la ubicación del punto de alimentación y se pueden incorporar elementos de antena eléctricamente similares a los componentes de un sintonizador en la propia estructura de la antena para mejorar la adaptación .

Reciprocidad

Es una propiedad fundamental de las antenas que la mayoría de las características eléctricas de una antena, como las descritas en la siguiente sección (por ejemplo , ganancia , patrón de radiación , impedancia , ancho de banda , frecuencia de resonancia y polarización ), son las mismas tanto si la antena está transmitiendo como recibiendo . ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]} El "patrón de recepción" (sensibilidad a las señales entrantes en función de la dirección) de una antena utilizada para la recepción es idéntico a su patrón de radiación cuando se alimenta y funciona como radiador, aunque las distribuciones de corriente y voltaje en la propia antena difieran entre la recepción y la transmisión. ^{[ 18 ]} Esta equivalencia sigue el teorema de reciprocidad del electromagnetismo. ^{[ 17 ]} Por lo tanto, en las discusiones sobre las propiedades de las antenas no se suele hacer distinción entre la terminología de recepción y transmisión, y la antena puede considerarse como transmisora o receptora, según sea más conveniente.

Una condición necesaria para la propiedad de reciprocidad mencionada anteriormente es que los materiales en la antena y el medio de transmisión sean lineales y recíprocos. Recíproco (o bilateral ) significa que el material tiene la misma respuesta a una corriente eléctrica o campo magnético en una dirección, que tiene al campo o corriente en la dirección opuesta. La mayoría de los materiales utilizados en antenas cumplen estas condiciones, pero algunas antenas de microondas utilizan componentes de alta tecnología como aisladores y circuladores , hechos de materiales no recíprocos como la ferrita . ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]} Estos pueden usarse para dar a la antena un comportamiento diferente en recepción que tiene en transmisión, ^{[ 16 ]} lo que puede ser útil en aplicaciones como el radar .

Antenas resonantes

La mayoría de los diseños de antenas se basan en el principio de resonancia . Este principio se fundamenta en el comportamiento de los electrones en movimiento, que se reflejan en superficies donde cambia la constante dieléctrica , de forma similar a como la luz se refleja cuando cambian las propiedades ópticas. En estos diseños, la superficie reflectante se crea mediante el extremo de un conductor, normalmente un alambre o varilla metálica delgada, que en el caso más simple tiene un punto de alimentación en un extremo donde se conecta a una línea de transmisión . El conductor, o elemento , está alineado con el campo eléctrico de la señal deseada, lo que normalmente significa que es perpendicular a la línea que va desde la antena hasta la fuente (o receptor en el caso de una antena de radiodifusión). ^{[ 19 ]}

El componente eléctrico de la señal de radio induce un voltaje en el conductor. Esto provoca que comience a fluir una corriente eléctrica en la dirección del campo instantáneo de la señal. Cuando la corriente resultante llega al final del conductor, se refleja, lo que equivale a un cambio de fase de 180 grados. Si el conductor tiene una longitud de 1/4 de longitud de onda, la corriente proveniente del punto de alimentación experimentará un cambio de fase de 90 grados al llegar al final del conductor, se reflejará 180 grados y luego otros 90 grados al regresar. Esto significa que ha experimentado un cambio de fase total de 360 grados, volviendo a la señal original. La corriente en el elemento se suma así a la corriente generada por la fuente en ese instante. Este proceso crea una onda estacionaria en el conductor, con la corriente máxima en el punto de alimentación. ^{[ 20 ]}

El dipolo de media onda ordinario es probablemente el diseño de antena más utilizado. Consiste en dos elementos de 1/4 de longitud de onda dispuestos extremo con extremo y alineados prácticamente sobre el mismo eje (o colineales ) , alimentando cada uno un lado de un cable de transmisión de dos conductores. La disposición física de los dos elementos los sitúa desfasados 180 grados, lo que significa que en cualquier instante dado uno de los elementos impulsa la corriente hacia la línea de transmisión mientras que el otro la extrae. La antena monopolo es esencialmente la mitad del dipolo de media onda, un único elemento de 1/4 de longitud de onda con el otro lado conectado a tierra o a un plano de tierra equivalente (o contrapeso ). Los monopolos, que tienen la mitad del tamaño de un dipolo, son comunes para señales de radio de onda larga, donde un dipolo sería demasiado grande para ser práctico. Otro diseño común es el dipolo plegado , que consiste en dos (o más) dipolos de media onda colocados uno al lado del otro y conectados por sus extremos, pero solo uno de ellos recibe corriente.

Las formas de onda estacionaria con este patrón deseado en la frecuencia de operación de diseño, f o , y las antenas normalmente se diseñan para tener este tamaño. Sin embargo, alimentar ese elemento con 3 f o (cuya longitud de onda es 1/3 $de$ _la de f $o$ ₎ también dará como resultado $un$ _patrón de onda estacionaria. Por lo tanto, un elemento de antena también es resonante cuando su longitud es 3/4 de una longitud de onda. Esto es cierto para todos los múltiplos impares de 1/4 de longitud de onda . Esto permite cierta flexibilidad de diseño en términos de longitudes de antena y puntos de alimentación. Se sabe que las antenas utilizadas de esta manera operan armónicamente . [ 21 ^]^Las^antenas resonantes generalmente usan un conductor lineal (o elemento ), o un par de tales elementos, cada uno de los cuales tiene aproximadamente un cuarto de la longitud de onda (un múltiplo impar de cuartos de longitud de onda también será resonante). Las antenas que deben ser pequeñas en comparación con la longitud de onda sacrifican eficiencia y no pueden ser muy direccionales. Dado que las longitudes de onda son tan pequeñas a frecuencias más altas ( UHF , microondas ), normalmente no es necesario sacrificar el rendimiento para obtener un tamaño físico más pequeño.

Distribución de corriente y voltaje

Los elementos de cuarto de onda imitan un elemento eléctrico resonante en serie debido a la onda estacionaria presente a lo largo del conductor. En la frecuencia de resonancia, la onda estacionaria presenta un pico de corriente y un nodo de voltaje (mínimo) en la alimentación. En términos eléctricos, esto significa que en esa posición, el elemento tiene una magnitud de impedancia mínima , generando la corriente máxima para el voltaje mínimo. Esta es la situación ideal, ya que produce la salida máxima para la entrada mínima, logrando la mayor eficiencia posible. A diferencia de un circuito resonante en serie ideal (sin pérdidas), persiste una resistencia finita (correspondiente al voltaje relativamente pequeño en el punto de alimentación) debido a la resistencia de la antena a la radiación , así como a las pérdidas eléctricas convencionales por generación de calor.

Recordemos que una corriente se refleja cuando hay cambios en las propiedades eléctricas del material. Para transferir eficientemente la señal recibida a la línea de transmisión, es importante que esta tenga la misma impedancia que su punto de conexión en la antena; de lo contrario, parte de la señal se reflejará hacia atrás, de vuelta a la antena. Asimismo, parte de la potencia de la señal del transmisor se reflejará hacia el transmisor si hay un cambio en la impedancia eléctrica donde la línea de alimentación se une a la antena. Esto nos lleva al concepto de adaptación de impedancias , que consiste en diseñar el sistema completo de antena y línea de transmisión de manera que la impedancia sea lo más similar posible, reduciendo así estas pérdidas. La adaptación de impedancias se logra mediante un circuito llamado sintonizador de antena o red de adaptación de impedancias entre el transmisor y la antena. La adaptación de impedancias entre la línea de alimentación y la antena se mide mediante un parámetro llamado relación de onda estacionaria (ROE) en la línea de alimentación.

Consideremos un dipolo de media onda diseñado para funcionar con señales de longitud de onda de 1 m, lo que significa que la antena tendría aproximadamente 50 cm de extremo a extremo. Si el elemento tiene una relación longitud-diámetro de 1000, tendrá una impedancia inherente de aproximadamente 63 ohmios resistivos. Utilizando el cable de transmisión o balun adecuado, adaptamos esa resistencia para asegurar una mínima reflexión de la señal. Alimentar esa antena con una corriente de 1 amperio requerirá 63 voltios, y la antena irradiará 63 vatios (ignorando las pérdidas) de potencia de radiofrecuencia. Ahora consideremos el caso en que la antena recibe una señal con una longitud de onda de 1,25 m; en este caso, la corriente inducida por la señal llegaría al punto de alimentación de la antena desfasada con respecto a la señal, lo que provocaría una caída de la corriente neta mientras que el voltaje permanece constante. Eléctricamente, esto parece ser una impedancia muy alta. La antena y la línea de transmisión ya no tienen la misma impedancia, y la señal se reflejará de vuelta a la antena, reduciendo la salida. Esto podría solucionarse cambiando el sistema de adaptación de impedancias entre la antena y la línea de transmisión, pero esa solución solo funciona bien en la nueva frecuencia de diseño.

El resultado es que la antena resonante solo transmitirá una señal de forma eficiente a la línea de transmisión cuando la frecuencia de la señal de origen sea cercana a la frecuencia de diseño de la antena o a una de sus frecuencias resonantes. Esto hace que los diseños de antenas resonantes sean inherentemente de banda estrecha: solo son útiles para un pequeño rango de frecuencias centrado en la(s) resonancia(s).

Antenas eléctricamente cortas

Es posible utilizar técnicas sencillas de adaptación de impedancias para permitir el uso de antenas monopolo o dipolo sustancialmente más cortas que la longitud de onda de 1/4 o 1/2 , respectivamente , en la que resuenan. A medida que estas antenas se acortan (para una frecuencia dada), su impedancia pasa a estar dominada por una reactancia capacitiva (negativa) en serie; al añadir una bobina de carga de tamaño adecuado —una inductancia en serie con reactancia igual y opuesta (positiva)— la reactancia capacitiva de la antena puede cancelarse, quedando solo una resistencia pura.

En ocasiones, la frecuencia de resonancia eléctrica resultante (inferior) de dicho sistema (antena más red de adaptación) se describe mediante el concepto de longitud eléctrica . Una antena que opera a una frecuencia inferior a su frecuencia de autorresonancia se denomina entonces antena eléctricamente corta . ^{[ 22 ]}

Por ejemplo, a 30 MHz (longitud de onda de 10 m ) , un monopolo de 1/4 de onda resonante tendría casi 2,5 metros de longitud, y usar una antena de solo 1,5 metros de altura requeriría la adición de una bobina de carga. Entonces se podría decir que la bobina ha alargado la antena para lograr una longitud eléctrica de 2,5 metros. Sin embargo, la impedancia resistiva resultante será bastante menor que la de un monopolo de 1/4 de onda (resonante) verdadero , lo que a menudo requiere una adaptación de impedancia adicional (un transformador) a la línea de transmisión deseada. Para antenas cada vez más cortas (que requieren un mayor "alargamiento eléctrico"), la resistencia de radiación se desploma (aproximadamente según el cuadrado de la longitud de la antena), de modo que el desajuste debido a una reactancia neta fuera de la resonancia eléctrica empeora. También se podría decir que el circuito resonante equivalente del sistema de antena tiene un factor Q más alto y, por lo tanto, un ancho de banda reducido, ^[²²^] que incluso puede resultar insuficiente para el espectro de la señal transmitida. Las pérdidas resistivas debidas a la bobina de carga, en relación con la menor resistencia de radiación, conllevan una menor eficiencia eléctrica , lo cual puede ser de gran importancia para una antena transmisora, pero el ancho de banda es el factor principal que determina el tamaño de las antenas a 1 MHz y frecuencias inferiores.

Arreglos y reflectores

Las antenas Yagi-Uda y las antenas de arreglo logarítmico-periódicas ("en espina de pescado") para televisión en azoteas, como esta pila, se utilizan ampliamente en frecuencias VHF y UHF .

La densidad de flujo de potencia del campo de una antena transmisora disminuye con la distancia según la ley del inverso del cuadrado , lo que refleja la dispersión geométrica de la onda. Para un flujo incidente dado, la potencia captada por una antena receptora es proporcional a su área efectiva . Un dipolo de media onda, por ejemplo, tiene un área efectiva de aproximadamente 0,13 $λ² cuando se observa de frente. Para un diseño de antena$ ^ya eficiente, el área efectiva (y por lo tanto la ganancia) en una dirección determinada solo puede aumentarse reduciendo la ganancia en otras direcciones.

Si un dipolo de media onda no se conecta a un circuito externo, sino que se cortocircuita en el punto de alimentación, se convierte en un elemento resonante de media onda que produce eficientemente una onda estacionaria en respuesta a una onda de radio incidente. Al no haber carga que absorba esa potencia, la retransmite por completo, posiblemente con un desfase que depende críticamente de la longitud exacta del elemento. De este modo, se puede disponer un conductor de este tipo para transmitir una segunda copia de la señal de un transmisor y así modificar el patrón de radiación (y la impedancia del punto de alimentación) del elemento conectado eléctricamente al transmisor. Los elementos de antena utilizados de esta manera se conocen como radiadores pasivos .

Una antena Yagi-Uda utiliza elementos pasivos para aumentar considerablemente la ganancia en una dirección (a costa de otras). Varios elementos paralelos de aproximadamente media onda (de longitudes muy específicas) se sitúan en paralelo entre sí, en posiciones específicas, a lo largo de un brazo; este brazo solo sirve de soporte y no participa en la conexión eléctrica. Solo uno de los elementos está conectado eléctricamente al transmisor o al receptor, mientras que los demás son pasivos. La Yagi produce una ganancia bastante alta (dependiendo del número de elementos pasivos) y se utiliza ampliamente como antena direccional con un rotor para controlar la dirección de su haz. Sin embargo, tiene un ancho de banda bastante limitado, lo que restringe su uso a ciertas aplicaciones.

En lugar de utilizar un elemento de antena activo junto con radiadores pasivos, se puede construir una antena de arreglo en la que múltiples elementos son activados por el transmisor a través de un sistema de divisores de potencia y líneas de transmisión en fases relativas para concentrar la potencia de RF en una sola dirección. Además, un arreglo de fase puede hacerse orientable; es decir, al cambiar las fases aplicadas a cada elemento, se puede modificar el patrón de radiación sin mover físicamente los elementos de la antena. Otro arreglo común es el arreglo de dipolos logarítmico-periódico, que tiene una apariencia similar a la Yagi (con varios elementos paralelos a lo largo de un brazo), pero es totalmente diferente en su funcionamiento, ya que todos los elementos están conectados eléctricamente al elemento adyacente con una inversión de fase; utilizando el principio logarítmico-periódico, obtiene la propiedad única de mantener sus características de rendimiento (ganancia e impedancia) en un ancho de banda muy amplio.

Cuando una onda de radio incide sobre una lámina conductora grande, se refleja (con la fase del campo eléctrico invertida), al igual que un espejo refleja la luz. Colocar un reflector de este tipo detrás de una antena que, de otro modo, no sería direccional, garantiza que la potencia que habría ido en su dirección se redirija hacia la dirección deseada, aumentando la ganancia de la antena al menos al doble. Del mismo modo, un reflector de esquina puede asegurar que toda la potencia de la antena se concentre en un solo cuadrante del espacio (o menos), con el consiguiente aumento de la ganancia. En la práctica, el reflector no tiene por qué ser una lámina metálica sólida, sino que puede consistir en una cortina de varillas alineadas con la polarización de la antena; esto reduce considerablemente el peso del reflector y la carga de viento . La reflexión especular de las ondas de radio también se emplea en una antena reflectora parabólica , en la que una superficie reflectante curva enfoca la onda incidente hacia una antena de alimentación ; esto da como resultado un sistema de antena con un área efectiva comparable al tamaño del propio reflector. En la tecnología de antenas también se emplean otros conceptos de la óptica geométrica , como por ejemplo en la antena de lente .

Características

La ganancia de potencia de la antena (o simplemente "ganancia") también tiene en cuenta su eficiencia y suele ser el principal parámetro de rendimiento. Las antenas se caracterizan por una serie de medidas de rendimiento que un usuario consideraría al seleccionar o diseñar una antena para una aplicación específica. Un diagrama de las características direccionales en el espacio que rodea a la antena es su patrón de radiación . ^{[ 23 ]}

Ancho de banda

El rango de frecuencia o ancho de banda en el que una antena funciona correctamente puede ser muy amplio (como en una antena logarítmica periódica) o estrecho (como en una pequeña antena de bucle); ^{[ 24 ]} fuera de este rango, la impedancia de la antena se convierte en una mala adaptación a la línea de transmisión y al transmisor (o receptor). El uso de la antena lejos de su frecuencia de diseño afecta su patrón de radiación , reduciendo su ganancia directiva.

Generalmente, la impedancia de la alimentación de una antena no coincide con la de una línea de transmisión; una red de adaptación entre los terminales de la antena y la línea de transmisión mejora la transferencia de potencia. Una red de adaptación no ajustable probablemente limita aún más el ancho de banda útil del sistema de antena. Puede ser conveniente utilizar elementos tubulares, en lugar de cables delgados, para construir una antena; esto permite un mayor ancho de banda. También se pueden agrupar varios cables delgados en una estructura para simular un elemento más grueso, lo que amplía el ancho de banda de la resonancia.

Las antenas de radioaficionados que operan en varias bandas de frecuencia muy separadas entre sí pueden conectar en paralelo elementos resonantes a esas diferentes frecuencias. La mayor parte de la potencia del transmisor fluirá hacia el elemento resonante, mientras que los demás presentan una alta impedancia. Otra solución utiliza trampas , ^{[ 25 ]} circuitos resonantes en paralelo que se colocan estratégicamente en las interrupciones creadas en elementos largos de la antena. Cuando se utiliza a la frecuencia de resonancia particular de la trampa, esta presenta una impedancia muy alta (resonancia en paralelo), truncando efectivamente el elemento en la ubicación de la trampa; si se coloca correctamente, el elemento truncado forma una antena resonante adecuada a la frecuencia de la trampa. A frecuencias sustancialmente más altas o más bajas, la trampa permite utilizar toda la longitud del elemento truncado, pero con una frecuencia de resonancia desplazada por la reactancia neta añadida por la trampa.

Las características de ancho de banda de un elemento de antena resonante se pueden caracterizar según su $factor Q$ , donde la resistencia involucrada es la resistencia de radiación , que representa la emisión de energía de la antena resonante al espacio libre. El $factor Q$ de una antena de banda estrecha puede ser tan alto como 15. Por otro lado, la reactancia a la misma frecuencia fuera de resonancia de una que utiliza elementos gruesos es mucho menor, lo que resulta en un $factor Q$ tan bajo como 5. Estas dos antenas pueden tener un rendimiento equivalente en la frecuencia de resonancia, pero la segunda antena tendrá un ancho de banda tres veces mayor que la antena que consta de un conductor delgado. ^{[ 26 ]}

Las antenas para rangos de frecuencia mucho más amplios se consiguen mediante técnicas adicionales. En principio, el ajuste de una red de adaptación permite adaptar cualquier antena a cualquier frecuencia. Así, la pequeña antena de bucle integrada en la mayoría de los receptores de radiodifusión AM (onda media) tiene un ancho de banda muy estrecho, pero se sintoniza mediante una capacitancia paralela que se ajusta según la sintonización del receptor. Por otro lado, las antenas logarítmicas periódicas no resuenan en ninguna frecuencia concreta, pero en principio pueden construirse para obtener características similares (incluida la impedancia del punto de alimentación) en cualquier rango de frecuencia. Por consiguiente, se utilizan habitualmente (en forma de conjuntos de dipolos logarítmicos periódicos direccionales ) como antenas de televisión.

Ganar

La ganancia es un parámetro que mide el grado de directividad del patrón de radiación de la antena . ^{[ 27 ]} Una antena de alta ganancia irradiará la mayor parte de su potencia en una dirección particular, mientras que una antena de baja ganancia irradiará en un ángulo amplio. La ganancia de la antena , o ganancia de potencia de una antena, se define como la relación de la intensidad (potencia por unidad de área de superficie). $I$ irradiada por la antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad $I_{\text{iso}}$ Radiación a la misma distancia por una hipotética antena isotrópica que irradia igual potencia en todas las direcciones. Esta relación adimensional se suele expresar logarítmicamente en decibelios ; estas unidades se denominan decibelios isotrópicos (dBi).

G_{\text{dBi}}=10\log {I \over I_{\text{iso}}}\,

Una segunda unidad utilizada para medir la ganancia es la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia radiada por una antena dipolo de media onda. $I_{\text{dipolo}}$ Estas unidades se denominan decibelios-dipolo (dBd).

G_{\text{dBd}}=10\log {I \over I_{\text{dipolo}}}\,

Dado que la ganancia de un dipolo de media onda es de 2,15 dBi y el logaritmo de un producto es aditivo, la ganancia en dBi es solo 2,15 decibelios mayor que la ganancia en dBd.

G_{\text{dBi}}\approx G_{\text{dBd}}+2.15\,

Las antenas de alta ganancia tienen la ventaja de un mayor alcance y una mejor calidad de señal, pero deben orientarse con precisión hacia la otra antena. Un ejemplo de antena de alta ganancia es una antena parabólica, como la de una antena de televisión por satélite . Las antenas de baja ganancia tienen un alcance menor, pero su orientación es relativamente poco importante. Un ejemplo de antena de baja ganancia es la antena de látigo que se encuentra en las radios portátiles y los teléfonos inalámbricos . La ganancia de la antena no debe confundirse con la ganancia del amplificador , un parámetro independiente que mide el aumento de la potencia de la señal debido a un dispositivo amplificador ubicado al inicio del sistema, como un amplificador de bajo ruido .

Área o apertura efectiva

El área efectiva o apertura efectiva de una antena receptora expresa la porción de la potencia de una onda electromagnética que pasa y que la antena entrega a sus terminales, expresada en términos de un área equivalente. ^{[ 28 ]} Por ejemplo, si una onda de radio que pasa por una ubicación determinada tiene un flujo de 1 pW / m² ( ^{10⁻¹² vatios por metro cuadrado}⁾ y una antena tiene un área efectiva de 12 ^m² , entonces la antena entregaría 12 pW de potencia de RF al receptor (30 microvoltios RMS a 75 ohmios). Dado que la antena receptora no es igualmente sensible a las señales recibidas desde todas las direcciones, el área efectiva es una función de la dirección de la fuente.

Debido a la reciprocidad (discutida anteriormente), la ganancia de una antena utilizada para transmitir debe ser proporcional a su área efectiva cuando se utiliza para recibir. Consideremos una antena sin pérdidas , es decir, una cuya eficiencia eléctrica es $del$ 100%. Se puede demostrar que su área efectiva promediada en todas las direcciones debe ser igual a $λ² /4π$ , el cuadrado de la longitud de onda dividido por $4π . La ganancia se define de tal manera que la ganancia promedio en todas las direcciones para una antena con$ una eficiencia eléctrica del 100% es igual a 1. Por lo tanto, el área efectiva $A <sub>eff</sub>$ en términos de la ganancia $G$ en una dirección dada viene dada por:

A_{\mathrm {eff} }={\lambda ^{2} \over 4\pi }\,G

Para una antena con una eficiencia inferior al 100%, tanto el área efectiva como la ganancia se reducen en la misma proporción. Por lo tanto, la relación anterior entre ganancia y área efectiva se mantiene. Se trata, pues, de dos maneras diferentes de expresar la misma magnitud. $El$ _{área efectiva} resulta especialmente útil al calcular la potencia que recibiría una antena con una ganancia determinada, como se ilustra en el ejemplo anterior.

Patrón de radiación

El diagrama de radiación de una antena es una gráfica de la intensidad relativa del campo de las ondas de radio emitidas por la antena en diferentes ángulos en el campo lejano. ^{[ 29 ]} Normalmente se representa mediante una gráfica tridimensional o diagramas polares de las secciones transversales horizontales y verticales. El diagrama de una antena isotrópica ideal , que irradia por igual en todas las direcciones, se vería como una esfera . Muchas antenas no direccionales, como los monopolos y los dipolos , emiten la misma potencia en todas las direcciones horizontales, con una disminución de la potencia en ángulos mayores y menores; esto se denomina diagrama omnidireccional y, cuando se representa gráficamente, se ve como un toroide o una rosquilla.

La radiación de muchas antenas muestra un patrón de máximos o lóbulos en distintos ángulos, separados por nulos , ángulos donde la radiación se reduce a cero. Esto se debe a que las ondas de radio emitidas por diferentes partes de la antena suelen interferir , provocando máximos en los ángulos donde las ondas de radio llegan a puntos distantes en fase , y radiación nula en otros ángulos donde las ondas de radio llegan desfasadas . En una antena direccional diseñada para proyectar ondas de radio en una dirección específica, el lóbulo en esa dirección se diseña con un tamaño mayor que los demás y se denomina lóbulo principal . Los otros lóbulos suelen representar radiación no deseada y se denominan lóbulos laterales . El eje que pasa por el lóbulo principal se denomina eje principal o eje de puntería .

Los patrones de radiación polar de las antenas Yagi se vuelven más estrechos y su directividad (y por lo tanto ganancia) aumenta cuando se diseñan para un rango de frecuencia relativamente estrecho, en comparación con los diseños de banda ancha. ^{[ 30 ]}^{[ 31 ]}

Regiones de campo

El espacio que rodea una antena se puede dividir en tres regiones concéntricas: el campo cercano reactivo (también llamado campo cercano inductivo), el campo cercano radiante (región de Fresnel) y el campo lejano (región de Fraunhofer). Estas regiones son útiles para identificar la estructura del campo en cada una, aunque las transiciones entre ellas son graduales; no existen límites claros. ^{[ 32 ]}

Eficiencia

La eficiencia de una antena transmisora es la relación entre la potencia radiada (en todas las direcciones) y la potencia absorbida por sus terminales.^{[ 33 ]} La potencia suministrada a los terminales de la antena que no se irradia se convierte en calor. Esto suele ocurrir debido a la resistencia de pérdida en los conductores de la antena o a las pérdidas entre el reflector y la bocina de alimentación de una antena parabólica.

Polarización

La orientación y la estructura física de una antena determinan la polarización ^{[ 34 ]} del campo eléctrico de la onda de radio transmitida por ella. Por ejemplo, una antena compuesta por un conductor lineal (como un dipolo o una antena de látigo ) orientada verticalmente dará como resultado una polarización vertical; si se gira de lado, la polarización de la misma antena será horizontal.

En el caso más general, la polarización es elíptica , lo que significa que en cada ciclo el vector del campo eléctrico describe una elipse . Dos casos especiales son la polarización lineal (la elipse se reduce a una línea), como se mencionó anteriormente, y la polarización circular (en la que los dos ejes de la elipse son iguales). En la polarización lineal, el campo eléctrico de la onda de radio oscila en una dirección. En la polarización circular, el campo eléctrico de la onda de radio gira alrededor del eje de propagación. Las ondas de radio polarizadas circular o elípticamente se designan como dextrógiras o levógiras utilizando la regla de la mano derecha. ^{[ 35 ]} Cabe señalar que, para la polarización circular, los investigadores ópticos utilizan la regla de la mano derecha opuesta a la que utilizan los ingenieros de radio. ^{[ 36 ]}

Lo ideal es que la antena receptora coincida con la polarización de la onda transmitida para una recepción óptima. De lo contrario, se producirá una pérdida de intensidad de la señal: cuando una antena de polarización lineal recibe radiación de polarización lineal con un ángulo relativo θ, se producirá una pérdida de potencia de cos ² θ. ^{[ 4 ]}^{[ 37 ]} Una antena de polarización circular puede utilizarse para adaptarse igualmente bien a polarizaciones lineales verticales u horizontales, aunque con una reducción de señal de 3 dB . Sin embargo, no podrá detectar una señal de polarización circular de orientación opuesta.

Adaptación de impedancias

La máxima transferencia de potencia requiere que la impedancia de un sistema de antena (vista desde la línea de transmisión) coincida con la impedancia conjugada compleja del receptor o transmisor. Sin embargo, en el caso de un transmisor, la impedancia de adaptación deseada podría no corresponder exactamente a la impedancia de salida dinámica del transmisor, analizada como impedancia de fuente , sino más bien al valor de diseño (normalmente 50 ohmios) necesario para un funcionamiento eficiente y seguro del circuito transmisor. La impedancia prevista suele ser resistiva, pero un transmisor (y algunos receptores) pueden tener ajustes adicionales limitados para cancelar cierta reactancia y así optimizar la adaptación.

Cuando se utiliza una línea de transmisión entre la antena y el transmisor (o receptor), generalmente se busca un sistema de antena cuya impedancia sea resistiva y prácticamente igual a la impedancia característica de dicha línea, además de coincidir con la impedancia esperada por el transmisor (o receptor). El objetivo de esta adaptación es minimizar la amplitud de las ondas estacionarias (medida mediante la relación de onda estacionaria ; ROE) que genera un desajuste en la línea, así como el aumento de las pérdidas en la misma.

Sintonización de la antena en la antena

La sintonización de la antena, en el sentido estricto de modificar la antena en sí, generalmente se refiere solo a la cancelación de cualquier reactancia que se observe en los terminales de la antena, dejando solo una impedancia resistiva que puede o no ser exactamente la impedancia deseada (la de la línea de transmisión disponible).

Aunque una antena se diseñe para tener una impedancia de alimentación puramente resistiva (como un dipolo del 97 % de la mitad de la longitud de onda) en una sola frecuencia, es muy probable que esto no se cumpla exactamente en otras frecuencias para las que se utilice la antena. En la mayoría de los casos, en principio, la longitud física de la antena se puede ajustar para obtener una resistencia pura, aunque esto rara vez resulta práctico. Por otro lado, la adición de una inductancia o capacitancia contraria puede utilizarse para cancelar una reactancia capacitiva o inductiva residual, respectivamente, y puede ser más conveniente que bajar y ajustar o extender la antena y luego volver a izarla.

La reactancia de la antena se puede eliminar utilizando elementos discretos, como condensadores o inductores en la trayectoria principal de la corriente que la atraviesa, a menudo cerca del punto de alimentación, o incorporando estructuras capacitivas o inductivas en el cuerpo conductor de la antena para cancelar la reactancia del punto de alimentación, como cables radiales abiertos o cables paralelos en bucle, lo que permite sintonizar la antena a resonancia. Además de estos complementos para neutralizar la reactancia, las antenas de cualquier tipo pueden incluir un transformador o un balun transformador en su punto de alimentación para modificar la parte resistiva de la impedancia y que se ajuste mejor a la impedancia característica de la línea de alimentación .

Sincronización de líneas en la radio

La sintonización de antenas, en un sentido amplio , realizada mediante un dispositivo de adaptación de impedancias (denominado de forma algo inapropiada " sintonizador de antenas " o, con el término más antiguo y apropiado, transmatch ), va más allá de la simple eliminación de la reactancia e incluye la transformación de la resistencia restante para adaptarla a la línea de alimentación y a la radio.

Un problema adicional radica en adaptar la impedancia resistiva restante a la impedancia característica de la línea de transmisión: una red de adaptación de impedancias convencional (un sintonizador de antena o ATU) contará con al menos dos elementos ajustables para corregir ambos componentes de la impedancia. Cualquier red de adaptación presentará pérdidas y limitaciones de potencia al utilizarse para la transmisión.

Las antenas comerciales suelen diseñarse para que coincidan aproximadamente con los cables coaxiales estándar de 50 ohmios , a frecuencias estándar; se espera que una red de adaptación se utilice simplemente para "ajustar" cualquier desajuste residual.

Ejemplos extremos de antenas pequeñas cargadas

En algunos casos, la adaptación de impedancias se realiza de una manera más extrema, no simplemente para cancelar una pequeña cantidad de reactancia residual, sino para hacer resonar una antena cuya frecuencia de resonancia es bastante diferente de la frecuencia de funcionamiento prevista.

Látigo vertical corto: Por ejemplo, por razones prácticas, una " antena de látigo " puede hacerse significativamente más corta que un cuarto de longitud de onda y luego resonar, utilizando una llamada bobina de carga .

El inductor físicamente grande en la base de la antena tiene una reactancia inductiva que es opuesta a la reactancia capacitiva que tiene la antena vertical corta a la frecuencia de operación deseada. El resultado es una resistencia pura en el punto de alimentación de la bobina de carga; aunque, sin medidas adicionales, la resistencia será algo menor de lo que se desearía para igualar la impedancia del cable coaxial comercial . ^{[ 38 ]}^{[ 39 ]}

Pequeño bucle "magnético": Otro caso extremo de adaptación de impedancias se produce al utilizar una pequeña antena de bucle (generalmente, aunque no siempre, para recepción) a una frecuencia relativamente baja, donde se comporta casi como un inductor puro. Cuando dicho inductor resuena mediante un condensador conectado en paralelo a su punto de alimentación, el condensador no solo cancela la reactancia, sino que también amplifica considerablemente la muy pequeña resistencia de radiación del bucle para producir una resistencia de punto de alimentación mejor adaptada. ^{[ 40 ]}^{[ 41 ]}

Este es el tipo de antena que se utiliza en la mayoría de los receptores portátiles de radio AM (excepto en las radios de coche): La antena AM estándar es un bucle de alambre enrollado alrededor de una varilla de ferrita (una " antena de bucle "). El bucle resuena mediante un condensador de sintonización acoplado, configurado para coincidir con la sintonización del receptor, con el fin de mantener la antena resonante en la frecuencia de recepción elegida en la banda de radiodifusión AM.

Efecto del suelo

Las reflexiones del suelo son uno de los tipos comunes de multitrayectoria. ^{[ 42 ]}^{[ 43 ]}^{[ 44 ]}

El patrón de radiación e incluso la impedancia de entrada de una antena pueden verse influenciados por la constante dieléctrica y, especialmente, por la conductividad de los objetos cercanos. En el caso de una antena terrestre, el suelo suele ser uno de estos objetos importantes. La altura de la antena sobre el suelo, así como las propiedades eléctricas ( permitividad y conductividad) del suelo, pueden ser factores relevantes. Además, en el caso particular de una antena monopolo, el suelo (o un plano de tierra artificial ) sirve como conexión de retorno para la corriente de la antena, lo que tiene un efecto adicional, especialmente en la impedancia que percibe la línea de alimentación.

Cuando una onda electromagnética incide sobre una superficie plana como el suelo, parte de la onda se transmite y parte se refleja, según los coeficientes de Fresnel . Si el suelo es un buen conductor, casi toda la onda se refleja (con un desfase de 180°), mientras que un suelo modelado como un dieléctrico (con pérdidas) puede absorber una gran cantidad de la potencia de la onda. La potencia restante en la onda reflejada y el desfase tras la reflexión dependen en gran medida del ángulo de incidencia y la polarización de la onda . La constante dieléctrica y la conductividad (o simplemente la constante dieléctrica compleja) dependen del tipo de suelo y son función de la frecuencia.

Para frecuencias muy bajas a altas (< 30 MHz), el suelo se comporta como un dieléctrico con pérdidas , ^{[ 45 ]} por lo que se caracteriza tanto por una conductividad ^{[ 46 ]} como por una permitividad (constante dieléctrica) que se puede medir para un suelo dado (pero está influenciada por los niveles de humedad fluctuantes) o se puede estimar a partir de ciertos mapas. En frecuencias de onda media más bajas, el suelo actúa principalmente como un buen conductor, del cual dependen las antenas de radiodifusión AM (0,5–1,7 MHz).

En frecuencias comprendidas entre 3 y 30 MHz, una gran parte de la energía de una antena polarizada horizontalmente se refleja en el suelo, con una reflexión casi total en los ángulos rasantes importantes para la propagación de ondas terrestres . Esa onda reflejada, con su fase invertida, puede cancelar o reforzar la onda directa, dependiendo de la altura de la antena en longitudes de onda y el ángulo de elevación (para una onda ionosférica ).

Por otro lado, la radiación polarizada verticalmente no se refleja bien en el suelo, excepto en incidencia rasante o sobre superficies muy conductoras como el agua de mar. ^{[ 47 ]} Sin embargo, la reflexión en ángulo rasante, importante para la propagación de ondas terrestres, utilizando polarización vertical, está en fase con la onda directa, proporcionando un aumento de hasta 6 dB, como se detalla a continuación.

La onda reflejada por la Tierra puede considerarse como emitida por la antena de imagen.

En VHF y frecuencias superiores (> 30 MHz), el suelo se convierte en un reflector menos eficaz. Sin embargo, para frecuencias de onda corta , especialmente por debajo de ~15 MHz, sigue siendo un buen reflector, sobre todo para polarización horizontal y ángulos de incidencia rasantes. Esto es importante, ya que estas frecuencias más altas suelen depender de la propagación horizontal en línea de visión (excepto en las comunicaciones por satélite), comportándose entonces el suelo prácticamente como un espejo.

La calidad neta de una reflexión terrestre depende de la topografía de la superficie. Cuando las irregularidades de la superficie son mucho menores que la longitud de onda, predomina la reflexión especular , y el receptor percibe tanto la antena real como una imagen de la antena bajo tierra debido a la reflexión. Sin embargo, si el terreno presenta irregularidades de tamaño considerable en comparación con la longitud de onda, las reflexiones no serán coherentes, sino que estarán desfasadas aleatoriamente. Esto suele ocurrir con longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas).

Cuando tanto la antena receptora como la transmisora se colocan a una altura considerable sobre el suelo (en relación con la longitud de onda), las ondas reflejadas especularmente por el suelo viajan una mayor distancia que las ondas directas, lo que induce un desfase que a veces puede ser significativo. Cuando una antena de este tipo emite una onda ionosférica , dicho desfase siempre es significativo, a menos que la antena esté muy cerca del suelo (en relación con la longitud de onda).

Modelado de antenas con ecuaciones de línea

En primera aproximación, la corriente en una antena delgada se distribuye exactamente igual que en una línea de transmisión. — Schelkunoff y Friis (1952) ^{[ 48 ]}^{(p 217 (§8.4))}

El flujo de corriente en antenas de hilo es idéntico a la solución de ondas que se propagan en direcciones opuestas en una línea de transmisión de un solo conductor , la cual puede resolverse utilizando las ecuaciones del telegrafista . Las soluciones de corrientes a lo largo de los elementos de la antena se obtienen de forma más conveniente y precisa mediante métodos numéricos , por lo que las técnicas de líneas de transmisión se han abandonado en gran medida para el modelado de precisión, pero siguen siendo una fuente ampliamente utilizada de aproximaciones simples y útiles que describen bien los perfiles de impedancia de las antenas. ^[⁴⁹^]^{(pp 7–10)}^[⁴⁸^]^{(p 232)}

A diferencia de las líneas de transmisión, las corrientes en las antenas contribuyen con potencia al campo electromagnético radiado, que puede modelarse mediante la resistencia de radiación . ^{[ a ]}

El extremo de un elemento de antena corresponde a un extremo no terminado (abierto) de una línea de transmisión de un solo conductor, lo que resulta en una onda reflejada idéntica a la onda incidente, con su voltaje en fase con la onda incidente y su corriente en fase opuesta (por lo tanto, corriente neta cero, ya que, después de todo, no hay más conductor). La combinación de la onda incidente y la reflejada, al igual que en una línea de transmisión, forma una onda estacionaria con un nodo de corriente en el extremo del conductor y un nodo de voltaje a un cuarto de longitud de onda del extremo (si el elemento tiene al menos esa longitud). ^{[ 49 ]}^{[ 48 ]}

En una antena resonante , el punto de alimentación se encuentra en uno de esos nodos de voltaje. Debido a las discrepancias con la versión simplificada del modelo de línea de transmisión, el voltaje a un cuarto de longitud de onda del nodo de corriente no es exactamente cero, pero se aproxima a un mínimo y es pequeño en comparación con el voltaje mucho mayor en el extremo del conductor. Por lo tanto, un punto de alimentación que coincida con la antena en ese punto requiere un voltaje relativamente pequeño pero una corriente grande (las corrientes de las dos ondas se suman en fase allí), lo que resulta en una impedancia de punto de alimentación relativamente baja.

La alimentación de la antena en otros puntos implica un voltaje elevado, lo que genera una impedancia alta, generalmente reactiva (con un bajo factor de potencia ), lo cual resulta en una pésima adaptación de impedancia para las líneas de transmisión disponibles. Por lo tanto, se suele preferir que una antena funcione como un elemento resonante, con cada conductor de una longitud equivalente a un cuarto de longitud de onda (o cualquier otro múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda).

Por ejemplo, un dipolo de media onda tiene dos elementos de este tipo (uno conectado a cada conductor de una línea de transmisión balanceada) de aproximadamente un cuarto de longitud de onda. Dependiendo de los diámetros de los conductores, se adopta una pequeña desviación de esta longitud para alcanzar el punto donde la corriente de la antena y la (pequeña) tensión de alimentación están exactamente en fase. En ese caso, la antena presenta una impedancia puramente resistiva, idealmente cercana a la impedancia característica de una línea de transmisión disponible.

A pesar de estas propiedades útiles, las antenas resonantes tienen la desventaja de que solo alcanzan la resonancia (impedancia de alimentación puramente resistiva) a una frecuencia fundamental, y quizás a algunos de sus armónicos , y la resistencia de alimentación es mayor en resonancias de orden superior. Por lo tanto, las antenas resonantes solo pueden lograr un buen rendimiento dentro de un ancho de banda limitado, dependiendo del $factor Q$ en la resonancia.

Impedancia mutua e interacción entre antenas

Los campos eléctricos y magnéticos que emanan de un elemento de antena excitado generalmente afectan los voltajes y las corrientes en antenas, elementos de antena u otros conductores cercanos. Esto es particularmente cierto cuando el conductor afectado es un elemento resonante (de longitud múltiplo de medias longitudes de onda) a una frecuencia similar, como ocurre cuando todos los conductores forman parte de la misma matriz de antenas activas o pasivas .

Dado que los conductores afectados se encuentran en el campo cercano, no basta con tratar dos antenas como transmisoras y receptoras de una señal según la fórmula de transmisión de Friis, por ejemplo, sino que es necesario calcular la matriz de impedancia mutua , que considera tanto las tensiones como las corrientes (interacciones a través de los campos eléctrico y magnético). Así, utilizando las impedancias mutuas calculadas para una geometría específica, se puede determinar el diagrama de radiación de una antena Yagi-Uda o las corrientes y tensiones de cada elemento de un arreglo de fase . Este análisis también permite describir en detalle la reflexión de las ondas de radio por un plano de tierra o un reflector de esquina y su efecto en la impedancia (y el diagrama de radiación) de una antena cercana.

Con frecuencia, estas interacciones de campo cercano son indeseables y perjudiciales. Las corrientes en objetos metálicos aleatorios cerca de una antena transmisora suelen ser malos conductores, lo que provoca una pérdida de potencia de RF y altera de forma impredecible las características de la antena. Mediante un diseño cuidadoso, es posible reducir la interacción eléctrica entre conductores cercanos. Por ejemplo, el ángulo de 90 grados entre los dos dipolos que componen la antena de torniquete garantiza que no haya interacción entre ellos, lo que permite que se expulsen de forma independiente (aunque en realidad con la misma señal en cuadratura en el diseño de la antena de torniquete).

Tipos de antenas

Las antenas se pueden clasificar según sus principios de funcionamiento o según su aplicación. Diferentes autoridades las han clasificado en categorías más específicas o más generales. Generalmente, estas incluyen:

Estos tipos de antenas y otros se resumen con mayor detalle en el artículo general " Tipos de antenas" , así como en cada uno de los artículos enlazados en la lista anterior, y con aún más detalle en los artículos a los que estos enlazan.

Véase también

Alimentación de la antena
Categoría: Tipos de antenas de radiofrecuencia
Categoría: Propagación de radiofrecuencia
Repetidor celular
Contrapeso
Detección
DXing
Electromagnetismo
Unidad de adaptación de alimentación
módem de banda ancha móvil
Código electromagnético numérico
Radial (radio)
Mástiles y torres de radio
Conector RF
Antena inteligente
TETRA
Búsqueda de transmisores
Antena de banda ancha de onda corta
Monitor de seguridad de radiofrecuencia personal

Notas a pie de página

↑ Exceptuando las antenas de bucle de onda completa, la resistencia de radiación suele ser pequeña (decenas de ohmios ) en comparación con la impedancia de sobretensión del elemento de antena (cientos de ohmios), y dado que el aire seco es un muy buen aislante, la antena a menudo se modela como sin pérdidas: $R'$ $=$ $G'$ $= 0.$ [ ⁴⁹^]^La pérdida o ganancia esencial de voltaje debido a la transmisión o recepción generalmente se inserta a posteriori, después de las soluciones de la línea de transmisión, aunque puede modelarse aproximadamente como un pequeño valor añadido a la resistencia de pérdida $R'$ , a costa de trabajar con números complejos .^[⁴⁸^]

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Definición de antena en el diccionario Wikcionario

[50] Exceptuando las antenas de bucle de onda completa, la resistencia de radiación suele ser pequeña (decenas de ohmios ) en comparación con la impedancia de sobretensión del elemento de antena (cientos de ohmios), y dado que el aire seco es un muy buen aislante, la antena a menudo se modela como sin pérdidas: $R'$ $=$ $G'$ $= 0.$ [ ⁴⁹^]^La pérdida o ganancia esencial de voltaje debido a la transmisión o recepción generalmente se inserta a posteriori, después de las soluciones de la línea de transmisión, aunque puede modelarse aproximadamente como un pequeño valor añadido a la resistencia de pérdida $R'$ , a costa de trabajar con números complejos .^[⁴⁸^]

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