Antena (radio)

Antena

Antenas de parche múltiple (rectangulares) encontradas encima de una torre celular
Principio de funcionamiento	Radiación electromagnética
Inventado	Heinrich Hertz (1888)
Símbolo electrónico

En ingeniería de radio , una antena ( inglés americano ) o antena aérea ( inglés británico ) es un dispositivo electrónico que convierte una corriente eléctrica alterna en ondas de radio (transmisión), o las ondas de radio en una corriente eléctrica (recepción). ^{[1] [2]} Es la interfaz entre las ondas de radio que se propagan a través del espacio y las corrientes eléctricas que se mueven en conductores metálicos, utilizados con un transmisor o receptor . ^[1] En la transmisión , un transmisor de radio suministra una corriente eléctrica a los terminales de la antena, y la antena irradia la energía de la corriente como 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 ser amplificada . Las antenas son componentes esenciales de todos los equipos de radio . ^[3]

Una antena es un conjunto de conductores ( elementos ) conectados eléctricamente al receptor o transmisor. Las antenas pueden estar diseñadas 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 . Es difícil lograr una fuerte directividad y una buena eficiencia al transmitir con antenas con dimensiones mucho menores que la mitad de la longitud de onda .

Las primeras antenas fueron construidas en 1888 por el físico alemán Heinrich Hertz en sus experimentos pioneros para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas predichas por la teoría electromagnética de 1867 de James Clerk Maxwell . Hertz colocó antenas dipolares en el punto focal de reflectores parabólicos tanto para transmisión como para recepción. ^[4] A partir de 1895, Guglielmo Marconi comenzó el desarrollo de antenas prácticas para la telegrafía inalámbrica de larga distancia, por lo que recibió el Premio Nobel de Física en 1909. ^[5]

Las palabras antena y antena aérea se utilizan indistintamente. Ocasionalmente, se utiliza el término equivalente "aéreo" para referirse específicamente a una antena de alambre 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 "antenas" de alambre largas suspendidas de un poste. ^[5] En italiano, un poste de tienda de campaña se conoce como l'antenna centrale , y el poste con el alambre se llamaba simplemente l'antenna . Hasta entonces, los elementos de transmisión y recepción 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. ^{[6] [7] [8]}

El término antena puede hacer referencia, en sentido amplio, a un conjunto completo que incluye la estructura de soporte, el gabinete (si lo hay), etc., además de los componentes que transportan la corriente de RF . Una antena receptora puede incluir no solo los elementos receptores pasivos de metal, sino también un preamplificador o mezclador integrado , especialmente en frecuencias de microondas y superiores.

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Cualquier receptor o transmisor de radio necesita antenas para acoplar su conexión eléctrica al campo electromagnético. ^{[10] Las ondas} de radio son ondas electromagnéticas que transportan señales a través del aire (o del espacio) a la velocidad de la luz con casi ninguna pérdida de transmisión .

Las antenas se pueden clasificar como omnidireccionales , que irradian energía aproximadamente por igual en todas las direcciones horizontales, o direccionales , donde las ondas de radio se concentran en alguna(s) dirección(es). Una llamada antena de haz es unidireccional, diseñada para una respuesta máxima en la dirección de la otra estación, mientras que muchas otras antenas están diseñadas para acomodar estaciones en varias direcciones pero no son verdaderamente omnidireccionales. Dado que las antenas obedecen a la reciprocidad, el mismo patrón de radiación se aplica a la transmisión y recepción de ondas de radio. Una antena hipotética que irradia por igual en todas las direcciones (verticales y en todos los ángulos horizontales) se llama radiador isotrópico ; sin embargo, estos no pueden existir en la práctica ni serían particularmente deseables. Para la mayoría de las comunicaciones terrestres, en cambio, existe una ventaja en reducir la radiación hacia el cielo o el suelo a favor de la(s) dirección(es) horizontal(es). Una antena dipolo orientada horizontalmente no envía energía en la dirección del conductor - esto se llama antena nula - pero se puede utilizar en la mayoría de las otras direcciones. Se pueden combinar varios de estos elementos dipolares en un conjunto de antenas, como la Yagi-Uda, para favorecer una única dirección horizontal, denominada así una antena de haz.

La antena dipolo, que es la base de la mayoría de los diseños de antenas, es un componente balanceado , con voltajes y corrientes iguales pero opuestos aplicados en sus dos terminales. La antena vertical es una antena monopolar , no balanceada con respecto a tierra. La tierra (o cualquier superficie conductora grande) cumple la función de segundo conductor de un monopolo. Dado que las antenas monopolares dependen de una superficie conductora, se pueden montar con un plano de tierra para aproximarse al efecto de estar montadas sobre la superficie de la Tierra.

Las antenas más complejas aumentan la directividad de la antena. Los elementos adicionales en la estructura de la antena, que no necesitan estar conectados directamente al receptor o transmisor, aumentan su direccionalidad. La "ganancia" de la antena describe la concentración de potencia radiada en un ángulo sólido particular del espacio. "Ganancia" es quizás un término elegido desafortunadamente, en comparación con la "ganancia" del amplificador, que implica un aumento neto de potencia. En contraste, para la "ganancia" de la antena, la potencia aumentada en la dirección deseada se produce a expensas de la potencia reducida en direcciones no deseadas. A diferencia de los amplificadores, las antenas son dispositivos eléctricamente " pasivos " que conservan la potencia total, y no hay un aumento de la potencia total por encima de la entregada por la fuente de energía (el transmisor), solo una distribución mejorada de ese total fijo.

Un conjunto de antenas en fase consta de dos o más antenas simples que están conectadas entre sí a través de una red eléctrica. Esto a menudo implica una serie de antenas dipolo paralelas con un espaciamiento determinado. Dependiendo de la fase relativa introducida por la red, la misma combinación de antenas dipolo puede funcionar como un "conjunto de antenas laterales" (direccional normal a una línea que conecta los elementos) o como un "conjunto de antenas de extremo" (direccional a lo largo de la línea que conecta los elementos). Los conjuntos 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 log-periódicas e independientes de la frecuencia emplean la autosimilitud para funcionar en un amplio rango de anchos de banda . El ejemplo más conocido es el conjunto dipolar log-periódico , que puede verse como un número (normalmente de 10 a 20) de elementos dipolares conectados con longitudes progresivas en un conjunto de radiación longitudinal , lo que lo hace bastante direccional; se utiliza especialmente como antena de tejado para la recepción de televisión. Por otro lado, una antena Yagi-Uda (o simplemente "Yagi"), con una apariencia algo similar, tiene solo un elemento dipolar con una conexión eléctrica; los otros 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 (es decir, con alta ganancia de antena ) se vuelven más prácticas en frecuencias más altas ( UHF y superiores).

En frecuencias bajas (como la transmisión AM ), se utilizan conjuntos de torres verticales para lograr direccionalidad ^[11] y ocuparán grandes áreas de tierra. Para la recepción, una antena Beverage larga puede tener una directividad significativa. Para uso portátil no direccional, una antena vertical corta o una antena de bucle pequeña funciona bien, siendo el principal desafío de diseño el de la adaptación de impedancia . 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 antenas de bucle pequeñas se sintonizan con capacitores paralelos para este propósito.

Una entrada de antena es la línea de transmisión , o línea de alimentación , que conecta la antena a un transmisor o receptor. La " alimentación de 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 incrustada 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 ser alimentada 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 a la tierra. Puede estar conectado a la tierra natural o aislado de ella. En una antena monopolar, esto ayuda al funcionamiento de la tierra natural, en particular cuando las variaciones (o limitaciones) de las características de la tierra natural interfieren con su funcionamiento adecuado. Una estructura de este tipo normalmente se conecta a la conexión de retorno de una línea de transmisión no balanceada, como el blindaje de un cable coaxial .

Un refractor de ondas electromagnéticas en algunas antenas de apertura es un componente que, debido a su forma y posición, funciona para retrasar o adelantar selectivamente partes del frente de onda electromagnética que pasa a través de él. El refractor altera las características espaciales de la onda de un lado en relación con el otro. Puede, por ejemplo, llevar la onda a un foco o alterar el frente de onda de otras maneras, generalmente para maximizar la directividad del sistema de antena. Este es el equivalente en radio 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 utilizar para minimizar las pérdidas en la línea de alimentación, reduciendo la relación de onda estacionaria de la línea de transmisión , y para presentar 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 del sintonizador en la propia estructura de la antena para mejorar la adaptación .

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 ya sea que la antena esté transmitiendo o recibiendo . ^{[12] [13]} Por ejemplo, el "patrón de recepción" (sensibilidad a las señales entrantes en función de la dirección) de una antena cuando se usa para recepción es idéntico al patrón de radiación de la antena cuando se activa y funciona como radiador, aunque las distribuciones de corriente y voltaje en la antena misma son diferentes para recibir y enviar. ^[14] Esto es una consecuencia del teorema de reciprocidad del electromagnetismo. ^[13] Por lo tanto, en las discusiones sobre las propiedades de las antenas generalmente no se hace distinción entre la terminología de recepción y transmisión, y la antena puede verse como transmisora ​​o receptora, lo que sea más conveniente.

Una condición necesaria para la propiedad de reciprocidad antes mencionada 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, como 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 . ^{[12] [13]} Estos se pueden utilizar para dar a la antena un comportamiento diferente en recepción que en transmisión, ^[12] lo que puede ser útil en aplicaciones como el radar .

La mayoría de los diseños de antenas se basan en el principio de resonancia , que se basa en el comportamiento de los electrones en movimiento, que se reflejan en superficies donde cambia la constante dieléctrica , de forma similar a como se refleja la luz 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 fina, 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 transmisión). ^[15]

El componente eléctrico de la señal de radio induce un voltaje en el conductor. Esto hace que comience a fluir una corriente eléctrica en la dirección del campo instantáneo de la señal. Cuando la corriente resultante llega al extremo del conductor, se refleja, lo que equivale a un cambio de fase de 180 grados. Si el conductor está 1 /4⁠ Si la corriente que llega al punto de alimentación tiene una longitud de onda determinada, experimentará un cambio de fase de 90 grados cuando llegue al final del conductor, se reflejará 180 grados y luego otros 90 grados en su viaje de regreso. Eso significa que ha experimentado un cambio de fase total de 360 ​​grados, lo que la devuelve a la señal original. La corriente en el elemento se suma así a la corriente que se crea desde la fuente en ese instante. Este proceso crea una onda estacionaria en el conductor, con la corriente máxima en la alimentación. ^[16]

El dipolo de media onda común es probablemente el diseño de antena más utilizado. Consta de dos 1 /4⁠  elementos de longitud de onda dispuestos de extremo a extremo y que se encuentran esencialmente a lo largo del mismo eje (o colineales ), cada uno alimentando un lado de un cable de transmisión de dos conductores. La disposición física de los dos elementos los coloca 180 grados fuera de fase, lo que significa que en cualquier instante dado uno de los elementos está impulsando corriente hacia la línea de transmisión mientras que el otro la está extrayendo. La antena monopolar es esencialmente la mitad del dipolo de media onda, un solo ⁠ 1 /4 Elemento 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 longitud de onda larga donde un dipolo sería imprácticamente grande. Otro diseño común es el dipolo plegado que consta de dos (o más) dipolos de media onda colocados uno al lado del otro y conectados en sus extremos, pero solo uno de los cuales está activado.

Las formas de onda estacionarias con este patrón deseado en la frecuencia de funcionamiento de diseño, f _o , y las antenas normalmente están diseñadas para tener este tamaño. Sin embargo, alimentar ese elemento con 3  f _o (cuya longitud de onda es ⁠ 1 /3⁠ la de f _o ) también dará lugar a un patrón de onda estacionaria. Por 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  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 funcionan armónicamente . ^[17] Las antenas resonantes suelen utilizar 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 un cuarto de longitud de onda también será resonante). Las antenas que deben ser pequeñas en comparación con la longitud de onda sacrifican la eficiencia y no pueden ser muy direccionales. Dado que las longitudes de onda son tan pequeñas a frecuencias más altas ( UHF , microondas ), generalmente no se requiere sacrificar el rendimiento para obtener un tamaño físico más pequeño.

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 resonante, la onda estacionaria tiene 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, porque produce la salida máxima para la entrada mínima, produciendo la mayor eficiencia posible. A diferencia de un circuito resonante en serie ideal (sin pérdidas), permanece una resistencia finita (que corresponde al voltaje relativamente pequeño en el punto de alimentación) debido a la resistencia de la antena a la radiación , así como a cualquier pérdida eléctrica convencional por producir calor.

Recuerde que una corriente se reflejará cuando haya cambios en las propiedades eléctricas del material. Para transferir eficientemente la señal recibida a la línea de transmisión, es importante que la línea de transmisión tenga la misma impedancia que su punto de conexión en la antena, de lo contrario, parte de la señal se reflejará hacia atrás en el cuerpo de la antena; de la misma manera, parte de la potencia de la señal del transmisor se reflejará de regreso al transmisor, si hay un cambio en la impedancia eléctrica donde la línea de alimentación se une a la antena. Esto conduce al concepto de adaptación de impedancia , el diseño del sistema general de antena y línea de transmisión para que la impedancia sea lo más cercana posible, reduciendo así estas pérdidas. La adaptación de impedancia se logra mediante un circuito llamado sintonizador de antena o red de adaptación de impedancia entre el transmisor y la antena. La adaptación de impedancia entre la línea de alimentación y la antena se mide mediante un parámetro llamado relación de onda estacionaria (SWR) en la línea de alimentación.

Consideremos un dipolo de media onda diseñado para funcionar con señales con una longitud de onda de 1 m, lo que significa que la antena tendría aproximadamente 50 cm de punta a punta. Si el elemento tiene una relación longitud-diámetro de 1000, tendrá una impedancia inherente de aproximadamente 63 ohmios resistivos. Usando el cable de transmisión o balun apropiado, igualamos esa resistencia para asegurar una reflexión mínima 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 el 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 que la corriente neta cayera mientras que el voltaje permanece igual. 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 en la antena, reduciendo la salida. Esto podría solucionarse cambiando el sistema de adaptación entre la antena y la línea de transmisión, pero esa solución sólo funciona bien en la nueva frecuencia de diseño.

El resultado es que la antena resonante alimentará eficientemente una señal a la línea de transmisión solo cuando la frecuencia de la señal de origen sea cercana a la frecuencia de diseño de la antena, o a uno de los múltiplos resonantes. Esto hace que los diseños de antenas resonantes sean inherentemente de banda estrecha: solo son útiles para un pequeño rango de frecuencias centradas alrededor de la(s) resonancia(s).

Es posible utilizar técnicas simples de adaptación de impedancia para permitir el uso de antenas monopolares o dipolos sustancialmente más cortas que la 1 /4⁠ o ⁠ 1 /2⁠  onda , respectivamente, en la que son resonantes. 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 agregar una " bobina de carga " de tamaño apropiado (una inductancia en serie con reactancia igual y opuesta (positiva), la reactancia capacitiva de la antena puede cancelarse dejando solo una resistencia pura.

A veces, la frecuencia de resonancia eléctrica resultante (más baja) de dicho sistema (antena más red de adaptación) se describe utilizando el concepto de longitud eléctrica , por lo que una antena utilizada a una frecuencia más baja que su frecuencia de resonancia se denomina antena eléctricamente corta ^[18].

Por ejemplo, a 30 MHz (longitud de onda de 10 m) una verdadera resonancia 1 /4Un  monopolo de onda tendría casi 2,5 metros de largo, y el uso de una antena de solo 1,5 metros de alto requeriría la adición de una bobina de carga. Entonces se puede decir que la bobina ha alargado la antena para lograr una longitud eléctrica de 2,5 metros. Sin embargo, la impedancia resistiva resultante lograda será bastante menor que la de un verdadero monopolo de onda . 1 /4⁠  monopolo de onda (resonante), 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 de acuerdo con el cuadrado de la longitud de la antena), de modo que el desajuste debido a una reactancia neta alejada de la resonancia eléctrica empeora. O 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, ^[18] que incluso puede volverse inadecuado para el espectro de la señal transmitida. Las pérdidas resistivas debido a la bobina de carga, en relación con la resistencia de radiación disminuida, implican una eficiencia eléctrica reducida, lo que puede ser una gran preocupación para una antena transmisora, pero el ancho de banda es el factor principal ^{[ dudoso – discutir ] [ dudoso – discutir ]} que establece el tamaño de las antenas en 1 MHz y frecuencias inferiores.

El flujo radiante en función de la distancia desde la antena transmisora ​​varía según la ley del cuadrado inverso , ya que describe la divergencia geométrica de la onda transmitida. Para un flujo entrante dado, la potencia adquirida por una antena receptora es proporcional a su área efectiva . Este parámetro compara la cantidad de potencia capturada por una antena receptora en comparación con el flujo de una onda entrante (medida en términos de la densidad de potencia de la señal en vatios por metro cuadrado). Un dipolo de media onda tiene un área efectiva de aproximadamente 0,13  λ ² visto desde la dirección de la onda de costado. Si se necesita una mayor ganancia, no se puede simplemente hacer la antena más grande. Debido a la restricción en el área efectiva de una antena receptora que se detalla a continuación, se ve que para un diseño de antena ya eficiente, la única forma de aumentar la ganancia (área efectiva) es reduciendo la ganancia de la antena en otra dirección.

Si un dipolo de media onda no está conectado a un circuito externo, sino que se cortocircuita en el punto de alimentación, se convierte en un elemento de media onda resonante que produce de manera eficiente una onda estacionaria en respuesta a una onda de radio incidente. Como no hay carga que absorba esa energía, retransmite toda esa energía, posiblemente con un cambio de fase que depende críticamente de la longitud exacta del elemento. Por lo tanto, un conductor de este tipo se puede disponer para transmitir una segunda copia de la señal de un transmisor con el fin de afectar 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 .

Un conjunto de antenas Yagi-Uda utiliza elementos pasivos para aumentar considerablemente la ganancia en una dirección (a expensas de otras direcciones). Una serie de elementos paralelos de aproximadamente media onda (de longitudes muy específicas) se sitúan paralelos entre sí, en posiciones específicas, a lo largo de un brazo; el brazo solo sirve de soporte y no interviene eléctricamente. Solo uno de los elementos está conectado eléctricamente al transmisor o receptor, mientras que los elementos restantes son pasivos. La antena Yagi produce una ganancia bastante grande (dependiendo de la cantidad de elementos pasivos) y se usa ampliamente como antena direccional con un rotor de antena para controlar la dirección de su haz. Sufre de un ancho de banda bastante limitado, lo que restringe su uso a ciertas aplicaciones.

En lugar de utilizar un elemento de antena controlado junto con radiadores pasivos, se puede construir una antena de matriz en la que varios elementos son controlados 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, una matriz en fase se puede hacer "orientable", es decir, al cambiar las fases aplicadas a cada elemento, se puede cambiar el patrón de radiación sin mover físicamente los elementos de la antena. Otra antena de matriz común es la matriz dipolar logarítmica periódica , 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 grande.

Cuando una onda de radio choca contra una gran lámina conductora, se refleja (con la fase del campo eléctrico invertida) de la misma manera que un espejo refleja la luz. Colocar un reflector de este tipo detrás de una antena que de otro modo no sería direccional garantizará que la potencia que habría ido en su dirección se redirija hacia la dirección deseada, aumentando la ganancia de la antena en un factor de al menos 2. Del mismo modo, un reflector de esquina puede garantizar que toda la potencia de la antena se concentre en un solo cuadrante del espacio (o menos) con un consiguiente aumento de la ganancia. En términos prácticos, el reflector no necesita ser una lámina metálica sólida, sino que puede consistir en una cortina de varillas alineadas con la polarización de la antena; esto reduce en gran medida el peso del reflector y la carga del viento . La reflexión especular de las ondas de radio también se emplea en una antena reflectora parabólica , en la que una superficie reflectante curvada enfoca una onda entrante hacia una denominada antena de alimentación ; esto da como resultado un sistema de antena con un área efectiva comparable al tamaño del propio reflector. Otros conceptos de la óptica geométrica también se emplean en la tecnología de antenas, como por ejemplo en la antena de lente .

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La ganancia de potencia de la antena (o simplemente "ganancia") también tiene en cuenta la eficiencia de la antena y, a menudo, es el factor de mérito principal. Las antenas se caracterizan por una serie de medidas de rendimiento que un usuario debería tener en cuenta al seleccionar o diseñar una antena para una aplicación particular. Un gráfico de las características direccionales en el espacio que rodea a la antena es su patrón de radiación .

El rango de frecuencia o ancho de banda en el que una antena funciona bien puede ser muy amplio (como en una antena log-periódica) o estrecho (como en una antena de bucle pequeño); fuera de este rango, la impedancia de la antena no se adapta bien a la línea de transmisión y al transmisor (o receptor). El uso de la antena muy lejos de su frecuencia de diseño afecta su patrón de radiación , lo que reduce su ganancia directiva.

Generalmente, una antena no tendrá una impedancia en el punto de alimentación que coincida con la de una línea de transmisión; una red de adaptación entre los terminales de la antena y la línea de transmisión mejorará la transferencia de potencia a la antena. Una red de adaptación no ajustable probablemente impondrá límites adicionales al ancho de banda utilizable del sistema de antena. Puede ser conveniente utilizar elementos tubulares, en lugar de cables delgados, para hacer una antena; esto permitirá un mayor ancho de banda. O bien, se pueden agrupar varios cables delgados en una jaula para simular un elemento más grueso. Esto amplía el ancho de banda de la resonancia.

Las antenas de radioaficionados que funcionan en varias bandas de frecuencia que están muy separadas entre sí pueden conectar elementos resonantes en esas diferentes frecuencias en paralelo. 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 , circuitos resonantes paralelos que se colocan estratégicamente en cortes creados en elementos de antena largos. Cuando se utilizan en la frecuencia resonante particular de la trampa, la trampa presenta una impedancia muy alta (resonancia paralela) que trunca efectivamente el elemento en la ubicación de la trampa; si se coloca correctamente, el elemento truncado forma una antena resonante adecuada en la frecuencia de la trampa. A frecuencias sustancialmente más altas o más bajas, la trampa permite que se utilice toda la longitud del elemento roto, pero con una frecuencia resonante desplazada por la reactancia neta agregada por la trampa.

Las características de ancho de banda de un elemento de antena resonante se pueden caracterizar de acuerdo con su Q , donde la resistencia involucrada es la resistencia de radiación , que representa la emisión de energía de la antena resonante al espacio libre.

El 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 Q tan bajo como 5. Estas dos antenas pueden funcionar de manera equivalente en la frecuencia de resonancia, pero la segunda antena funcionará en un ancho de banda tres veces más amplio que la antena que consiste en un conductor delgado.

Las antenas que se pueden utilizar en rangos de frecuencia mucho más amplios se consiguen utilizando técnicas adicionales. El ajuste de una red de adaptación puede, en principio, permitir que cualquier antena se adapte a cualquier frecuencia. Así, la pequeña antena de bucle incorporada en la mayoría de los receptores de radiodifusión AM (onda media) tiene un ancho de banda muy estrecho, pero se sintoniza utilizando una capacitancia paralela que se ajusta de acuerdo con la sintonización del receptor. Por otro lado, las antenas log-periódicas no son resonantes en ninguna frecuencia individual, pero pueden (en principio) construirse para lograr características similares (incluida la impedancia del punto de alimentación) en cualquier rango de frecuencia. Por lo tanto, se utilizan comúnmente (en forma de conjuntos dipolares log-periódicos direccionales ) como antenas de televisión.

La ganancia es un parámetro que mide el grado de directividad del patrón de radiación de la antena . 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 antena , o ganancia de potencia de una antena, se define como la relación entre la intensidad (potencia por unidad de superficie) irradiada por la antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad irradiada a la misma distancia por una antena isótropa hipotética que irradia la misma potencia en todas las direcciones. Esta relación adimensional suele expresarse de forma logarítmica en decibelios ; estas unidades se denominan decibelios isotrópicos (dBi).${\displaystyle I}$${\displaystyle I_{\text{iso}}}$

${\displaystyle G_{\text{dBi}}=10\log {I \sobre I_{\text{iso}}}\,}$

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 ; estas unidades se denominan decibelios-dipolo (dBd).${\displaystyle I_{\text{dipolo}}}$

${\displaystyle G_{\text{dBd}}=10\log {I \sobre I_{\text{dipolo}}}\,}$

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

${\displaystyle G_{\text{dBi}}\aprox. G_{\text{dBd}}+2,15\,}$

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

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. 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 hacia 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. Considere una antena sin pérdida , 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 λ ² /4π , la longitud de onda al cuadrado dividida por 4π . La ganancia se define de modo que la ganancia promedio en todas las direcciones para una antena con una eficiencia eléctrica del 100% sea igual a 1. Por lo tanto, el área efectiva A _eff en términos de la ganancia G en una dirección dada está dada por:

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

En el caso de una antena con una eficiencia inferior al 100%, tanto el área efectiva como la ganancia se reducen en la misma cantidad. Por lo tanto, la relación anterior entre ganancia y área efectiva sigue siendo válida. Por lo tanto, se trata de dos formas diferentes de expresar la misma cantidad. Una _eff es especialmente conveniente cuando se calcula la potencia que recibiría una antena de una ganancia específica, como se ilustra en el ejemplo anterior.

El patrón de radiación de una antena es un gráfico de la intensidad de campo relativa de las ondas de radio emitidas por la antena en diferentes ángulos en el campo lejano. Normalmente se representa mediante un gráfico tridimensional o diagramas polares de las secciones transversales horizontales y verticales. El patrón 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, y la potencia disminuye en ángulos mayores y menores; esto se denomina patrón omnidireccional y, cuando se representa gráficamente, parece un toro o una rosquilla.

La radiación de muchas antenas muestra un patrón de máximos o " lóbulos " en varios ángulos, separados por " nulos ", ángulos donde la radiación cae a cero. Esto se debe a que las ondas de radio emitidas por diferentes partes de la antena generalmente interfieren , lo que causa máximos en ángulos donde las ondas de radio llegan a puntos distantes en fase , y radiación cero en otros ángulos donde las ondas de radio llegan desfasadas . En una antena direccional diseñada para proyectar ondas de radio en una dirección particular, el lóbulo en esa dirección está diseñado más grande que los demás y se llama " lóbulo principal ". Los otros lóbulos generalmente representan radiación no deseada y se llaman " lóbulos laterales ". El eje que pasa por el lóbulo principal se llama " eje principal " o " eje de puntería ".

Los diagramas polares (y por lo tanto la eficiencia y la ganancia) de las antenas Yagi son más precisos si la antena está sintonizada para un rango de frecuencia más estrecho, por ejemplo, la antena agrupada en comparación con la de banda ancha. De manera similar, los diagramas polares de las antenas Yagi polarizadas horizontalmente son más precisos que los de las polarizadas verticalmente. ^[19]

El espacio que rodea a 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 de campo en cada una, aunque las transiciones entre ellas son graduales; no hay límites claros.

La región de campo lejano está lo suficientemente alejada de la antena como para ignorar su tamaño y forma: se puede suponer que la onda electromagnética es puramente una onda plana radiante (los campos eléctrico y magnético están en fase y son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación). Esto simplifica el análisis matemático del campo radiado.

La eficiencia de una antena transmisora ​​es la relación entre la potencia realmente radiada (en todas las direcciones) y la potencia absorbida por los terminales de la antena. La potencia suministrada a los terminales de la antena que no se radia se convierte en calor. Esto suele deberse a la resistencia de pérdida en los conductores de la antena o a la pérdida entre el reflector y la bocina de alimentación de una antena parabólica.

La eficiencia de la antena es independiente de la adaptación de impedancia , que también puede reducir la cantidad de potencia radiada mediante un transmisor determinado. Si un medidor de ROE indica 150 W de potencia incidente y 50 W de potencia reflejada, eso significa que la antena ha absorbido realmente 100 W (sin tener en cuenta las pérdidas de la línea de transmisión). La cantidad de esa potencia que se ha radiado realmente no se puede determinar directamente mediante mediciones eléctricas en (o antes de) los terminales de la antena, sino que requeriría (por ejemplo) una medición cuidadosa de la intensidad de campo . La resistencia a la pérdida y la eficiencia de una antena se pueden calcular una vez que se conoce la intensidad de campo, comparándola con la potencia suministrada a la antena.

La resistencia de pérdida generalmente afectará la impedancia del punto de alimentación, sumándose a su componente resistivo. Esa resistencia consistirá en la suma de la resistencia de radiación R _rad y la resistencia de pérdida R _loss . Si se entrega una corriente I a los terminales de una antena, se irradiará una potencia de I ²  R _rad y se perderá una potencia de I ²  R _{loss en forma de calor. Por lo tanto, la eficiencia de una antena es igual a} ⁠R _rad/( R _rad + R _pérdida )⁠ . Solo se puede medir directamente la resistencia total R _rad + R _{pérdida .}

Según la reciprocidad , la eficiencia de una antena utilizada como antena receptora es idéntica a su eficiencia como antena transmisora, descrita anteriormente. La potencia que una antena entregará a un receptor (con una adaptación de impedancia adecuada ) se reduce en la misma cantidad. En algunas aplicaciones de recepción, las antenas muy ineficientes pueden tener poco impacto en el rendimiento. A bajas frecuencias, por ejemplo, el ruido atmosférico o artificial puede enmascarar la ineficiencia de la antena. Por ejemplo, CCIR Rep. 258-3 indica que el ruido artificial en un entorno residencial a 40 MHz es aproximadamente 28 dB por encima del piso de ruido térmico. En consecuencia, una antena con una pérdida de 20 dB (debido a la ineficiencia) tendría poco impacto en el rendimiento del ruido del sistema. La pérdida dentro de la antena afectará a la señal deseada y al ruido/interferencia de manera idéntica, lo que no conduce a ninguna reducción en la relación señal/ruido (SNR).

Las antenas que no tienen un tamaño significativo de una fracción de longitud de onda son inevitablemente ineficientes debido a su pequeña resistencia a la radiación. Las radios de transmisión AM incluyen una pequeña antena de bucle para recepción que tiene una eficiencia extremadamente baja. Esto tiene poco efecto en el rendimiento del receptor, sino que simplemente requiere una mayor amplificación por parte de la electrónica del receptor. Comparemos este pequeño componente con las torres enormes y muy altas que se utilizan en las estaciones de transmisión AM para transmitir en la misma frecuencia, donde cada punto porcentual de eficiencia de antena reducida implica un costo sustancial.

La definición de ganancia de antena o ganancia de potencia ya incluye el efecto de la eficiencia de la antena. Por lo tanto, si uno está tratando de radiar una señal hacia un receptor usando un transmisor de una potencia dada, solo necesita comparar la ganancia de varias antenas en lugar de considerar también la eficiencia. Esto también es cierto para una antena receptora a frecuencias muy altas (especialmente microondas), donde el punto es recibir una señal que sea fuerte en comparación con la temperatura de ruido del receptor. Sin embargo, en el caso de una antena direccional utilizada para recibir señales con la intención de rechazar interferencias de diferentes direcciones, ya no se preocupa por la eficiencia de la antena, como se discutió anteriormente. En este caso, en lugar de citar la ganancia de antena , uno estaría más preocupado por la ganancia directiva , o simplemente directividad que no incluye el efecto de la (in)eficiencia de la antena. La ganancia directiva de una antena se puede calcular a partir de la ganancia publicada dividida por la eficiencia de la antena. En forma de ecuación, ganancia = directividad × eficiencia.

La orientación y la estructura física de una antena determinan la polarización del campo eléctrico de la onda de radio que transmite. Por ejemplo, una antena compuesta por un conductor lineal (como una antena dipolo o de látigo ) orientada verticalmente dará como resultado una polarización vertical; si se coloca de lado, la polarización de la misma antena será horizontal.

Las reflexiones generalmente afectan la polarización. Las ondas de radio reflejadas en la ionosfera pueden cambiar la polarización de la onda. Para las comunicaciones con línea de visión o la propagación de ondas terrestres , las transmisiones polarizadas horizontal o verticalmente generalmente permanecen en aproximadamente el mismo estado de polarización en la ubicación receptora. El uso de una antena polarizada verticalmente para recibir una onda polarizada horizontalmente (o viceversa) da como resultado una recepción relativamente deficiente.

La polarización de una antena a veces se puede inferir directamente de su geometría. Cuando los conductores de la antena vistos desde una ubicación de referencia aparecen a lo largo de una línea, entonces la polarización de la antena será lineal en esa misma dirección. En el caso más general, la polarización de la antena debe determinarse mediante análisis . Por ejemplo, una antena de torniquete montada horizontalmente (como es habitual), desde una ubicación distante en la Tierra, aparece como un segmento de línea horizontal, por lo que la radiación que recibe allí está polarizada horizontalmente. Pero vista en un ángulo hacia abajo desde un avión, la misma antena no cumple este requisito; de hecho, su radiación está polarizada elípticamente cuando se ve desde esa dirección. En algunas antenas, el estado de polarización cambiará con la frecuencia de transmisión. La polarización de una antena comercial es una especificación esencial .

En el caso más general, la polarización es elíptica , lo que significa que en cada ciclo el vector de campo eléctrico traza una elipse . Dos casos especiales son la polarización lineal (la elipse colapsa en una línea) como se discutió 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 a lo largo de 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 circulares o elípticamente se designan como dextrógiras o levógiras utilizando la regla del "pulgar en la dirección de la propagación". Tenga en cuenta que para la polarización circular, los investigadores ópticos utilizan la regla de la mano derecha opuesta ^{[ cita requerida ]} a la que utilizan los ingenieros de radio.

Lo mejor es que la antena receptora coincida con la polarización de la onda transmitida para una recepción óptima. De lo contrario, habrá una pérdida de intensidad de la señal: cuando una antena polarizada linealmente recibe radiación polarizada linealmente en un ángulo relativo de θ, habrá una pérdida de potencia de cos ² θ ^{[ cita requerida ]} . Una antena polarizada circularmente se puede utilizar para que coincida igualmente bien con las polarizaciones lineales verticales u horizontales, sufriendo una reducción de señal de 3  dB . Sin embargo, será ciega a una señal polarizada circularmente de la orientación opuesta.

Para lograr la máxima transferencia de potencia es necesario adaptar la impedancia de un sistema de antena (tal como se ve al mirar la línea de transmisión) al conjugado complejo de la impedancia 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 de los circuitos de transmisión. La impedancia prevista normalmente es resistiva, pero un transmisor (y algunos receptores) pueden tener ajustes adicionales limitados para cancelar una cierta cantidad de reactancia, con el fin de "ajustar" la adaptación.

Cuando se utiliza una línea de transmisión entre la antena y el transmisor (o receptor), generalmente se desea un sistema de antena cuya impedancia sea resistiva y casi igual a la impedancia característica de esa línea de transmisión, además de coincidir con la impedancia que el transmisor (o receptor) espera. La coincidencia se busca para minimizar la amplitud de las ondas estacionarias (medidas a través de la relación de ondas estacionarias ; ROE) que un desajuste genera en la línea y el aumento de las pérdidas de la línea de transmisión que conlleva.

La sintonización de la antena, en el sentido estricto de modificar la antena misma, generalmente se refiere únicamente a la cancelación de cualquier reactancia observada 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 puede estar diseñada para tener una impedancia de punto de alimentación puramente resistiva (como un dipolo de 97% de la mitad de la longitud de onda) en una sola frecuencia, es muy probable que esto no sea exactamente así en otras frecuencias para las que se utiliza la antena. En la mayoría de los casos, en principio, la longitud física de la antena se puede "recortar" para obtener una resistencia pura, aunque esto rara vez es conveniente. Por otro lado, la adición de una inductancia o capacitancia contraria se puede utilizar para cancelar una reactancia capacitiva o inductiva residual, respectivamente, y puede ser más conveniente que bajar y recortar o extender la antena y luego volver a levantarla.

La reactancia de la antena se puede eliminar utilizando elementos concentrados, como condensadores o inductores en la ruta principal de corriente que atraviesa la antena, 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 de "radio" de extremos abiertos o cables paralelos en bucle) y, por lo tanto, sintonizar genuinamente la antena para que resuene. Además de esos complementos neutralizadores de reactancia, las antenas de cualquier tipo pueden incluir un transformador y/o un balun de transformador en su punto de alimentación, para cambiar la parte resistiva de la impedancia para que coincida más con la impedancia característica de la línea de alimentación .

La sintonización de antena en sentido amplio , realizada por un dispositivo de adaptación de impedancia (llamado de manera un tanto inapropiada " sintonizador de antena ", o el término más antiguo y apropiado " transmatch ") va más allá de simplemente eliminar la reactancia e incluye la transformación de la resistencia restante para que coincida con la línea de alimentación y la radio.

Un problema adicional es hacer coincidir la impedancia resistiva restante con la impedancia característica de la línea de transmisión: una red de adaptación de impedancia general (un " sintonizador de antena " o ATU) tendrá al menos dos elementos ajustables para corregir ambos componentes de impedancia. Cualquier red de adaptación tendrá pérdidas y restricciones de potencia cuando se utilice para transmitir.

Las antenas comerciales generalmente están diseñadas para coincidir aproximadamente con  los cables coaxiales estándar de 50 ohmios , en frecuencias estándar; la expectativa del diseño es que una red coincidente se utilizará simplemente para "ajustar" cualquier desajuste residual.

En algunos casos, la adaptación 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 operación 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 denominada 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 en la frecuencia de operación deseada. El resultado es una resistencia pura que se ve en el punto de alimentación de la bobina de carga; aunque, sin medidas adicionales, la resistencia será algo menor de lo que sería deseable para que coincida con el cable coaxial comercial . ^{[ cita requerida ]}

Pequeño bucle "magnético"

Otro caso extremo de adaptación de impedancia ocurre cuando se utiliza una antena de bucle pequeña (normalmente, pero no siempre, para recepción) a una frecuencia relativamente baja, donde aparece casi como un inductor puro. Cuando un inductor de este tipo se somete a resonancia a través de un condensador conectado en paralelo a través de su punto de alimentación, el condensador no solo cancela la reactancia, sino que también magnifica en gran medida la muy pequeña resistencia de radiación de un bucle pequeño para producir una resistencia en el punto de alimentación mejor adaptada. ^{[ cita requerida ]}

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

Las reflexiones de tierra son uno de los tipos comunes de trayectorias múltiples. ^{[20] [21] [22]}

El diagrama de radiación e incluso la impedancia del punto de excitación de una antena pueden verse influidos 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 esos objetos de importancia. La altura de la antena sobre el suelo, así como las propiedades eléctricas ( permitividad y conductividad) del suelo, pueden ser importantes. Además, en el caso particular de una antena monopolar, 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 vista por la línea de alimentación.

Cuando una onda electromagnética incide sobre una superficie plana, como el suelo, parte de la onda se transmite al suelo y parte se refleja, según los coeficientes de Fresnel . Si el suelo es un muy buen conductor, casi toda la onda se refleja (180° desfasada), 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 cambio de fase 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 una función de la frecuencia.

Para frecuencias muy bajas a altas frecuencias (< 30 MHz), el suelo se comporta como un dieléctrico con pérdidas ^[23] , por lo que el suelo se caracteriza tanto por una conductividad ^[24] como por una permitividad (constante dieléctrica) que se puede medir para un suelo determinado (pero que está influenciada por los niveles fluctuantes de humedad) o se puede estimar a partir de ciertos mapas. A frecuencias de onda media más bajas , el suelo actúa principalmente como un buen conductor, del que dependen las antenas de transmisión AM (0,5–1,7 MHz).

En frecuencias 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 las ondas terrestres . Esa onda reflejada, con su fase invertida, puede anular 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 otra parte, 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. ^[25] Sin embargo, la reflexión del ángulo rasante, importante para la propagación de las ondas terrestres, utilizando polarización vertical, está en fase con la onda directa, lo que proporciona un aumento de hasta 6 dB, como se detalla a continuación.

En frecuencias VHF y superiores (>30 MHz), el suelo se convierte en un reflector más deficiente. Sin embargo, para frecuencias de onda corta , especialmente por debajo de ~15 MHz, sigue siendo un buen reflector, especialmente para polarización horizontal y ángulos de incidencia rasantes. Esto es importante, ya que estas frecuencias más altas generalmente dependen de la propagación en línea de visión horizontal (excepto para comunicaciones por satélite), y el suelo se comporta entonces casi 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, el régimen dominante es el de reflexión especular , y el receptor ve tanto la antena real como una imagen de la antena bajo el suelo debido a la reflexión. Pero si el suelo tiene irregularidades no pequeñas en comparación con la longitud de onda, las reflexiones no serán coherentes sino que estarán desplazadas por fases aleatorias. Con longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas), este suele ser el caso.

Siempre que tanto la antena receptora como la transmisora ​​se coloquen a una altura considerable sobre el suelo (en relación con la longitud de onda), las ondas reflejadas especularmente por el suelo recorrerán una distancia mayor que las ondas directas, lo que inducirá un cambio de fase que, a veces, puede ser significativo. Cuando una antena de este tipo emite una onda ionosférica , ese cambio de fase siempre es significativo, a menos que la antena esté muy cerca del suelo (en comparación con la longitud de onda).

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La fase de reflexión de las ondas electromagnéticas depende de la polarización de la onda incidente. Dado el mayor índice de refracción del suelo (normalmente n  ≈ 2) en comparación con el aire ( n  = 1), la fase de la radiación polarizada horizontalmente se invierte al reflejarse (un desplazamiento de fase de π  radianes, o 180°). Por otro lado, el componente vertical del campo eléctrico de la onda se refleja en ángulos de incidencia rasantes aproximadamente en fase . Estos desplazamientos de fase se aplican también a un suelo modelado como un buen conductor eléctrico.

Esto significa que una antena receptora "ve" una imagen de la antena emisora ​​pero con corrientes "invertidas" (opuestas en dirección y fase) si la antena emisora ​​está orientada horizontalmente (y por lo tanto polarizada horizontalmente). Sin embargo, la corriente recibida tendrá la misma dirección y fase absolutas si la antena emisora ​​está polarizada verticalmente.

La antena real que está transmitiendo la onda original también puede recibir una señal fuerte de su propia imagen desde el suelo. Esto inducirá una corriente adicional en el elemento de antena, cambiando la corriente en el punto de alimentación para un voltaje de punto de alimentación dado. Por lo tanto, la impedancia de la antena, dada por la relación entre el voltaje del punto de alimentación y la corriente, se altera debido a la proximidad de la antena al suelo. Este puede ser un efecto bastante significativo cuando la antena está a una o dos longitudes de onda del suelo. Pero a medida que aumenta la altura de la antena, la potencia reducida de la onda reflejada (debido a la ley del cuadrado inverso ) permite que la antena se acerque a su impedancia de punto de alimentación asintótica dada por la teoría. A alturas más bajas, el efecto sobre la impedancia de la antena es muy sensible a la distancia exacta desde el suelo, ya que esto afecta la fase de la onda reflejada en relación con las corrientes en la antena. Cambiar la altura de la antena en un cuarto de longitud de onda cambia la fase de la reflexión en 180°, con un efecto completamente diferente en la impedancia de la antena.

La reflexión en el suelo tiene un efecto importante en el diagrama de radiación neta de campo lejano en el plano vertical, es decir, en función del ángulo de elevación, que es por tanto diferente entre una antena polarizada vertical y horizontalmente. Considérese una antena a una altura h sobre el suelo, que transmite una onda considerada en el ángulo de elevación θ . Para una transmisión polarizada verticalmente la magnitud del campo eléctrico de la onda electromagnética producida por el rayo directo más el rayo reflejado es:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{V}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\cos \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}}$

De esta forma, la potencia recibida puede ser hasta 4 veces mayor que la que se obtiene con la onda directa sola (por ejemplo, cuando θ  = 0), según el cuadrado del coseno. La inversión de signo para la reflexión de la emisión polarizada horizontalmente da como resultado:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{H}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\sin \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}}$

dónde:

• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{0}}}$es el campo eléctrico que recibiría la onda directa si no hubiera tierra.
• θ es el ángulo de elevación de la onda que se está considerando.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$es la longitud de onda .
• ${\displaystyle \scriptstyle {h}}$es la altura de la antena (la mitad de la distancia entre la antena y su imagen).

En el caso de la propagación horizontal entre antenas transmisoras y receptoras situadas cerca del suelo y a una distancia razonable entre sí, las distancias recorridas por los rayos directos y reflejados son casi las mismas. Casi no hay desplazamiento de fase relativo. Si la emisión está polarizada verticalmente, los dos campos (directo y reflejado) se suman y hay un máximo de señal recibida. Si la señal está polarizada horizontalmente, las dos señales se restan y la señal recibida se cancela en gran medida. Los diagramas de radiación del plano vertical se muestran en la imagen de la derecha. Con polarización vertical siempre hay un máximo para θ  = 0, propagación horizontal (diagrama de la izquierda). Para polarización horizontal, hay cancelación en ese ángulo. Las fórmulas anteriores y estos gráficos suponen que el suelo es un conductor perfecto. Estos gráficos del diagrama de radiación corresponden a una distancia entre la antena y su imagen de 2,5  λ  . A medida que aumenta la altura de la antena, también aumenta el número de lóbulos.

La diferencia de los factores anteriores para el caso de θ  = 0 es la razón por la que la mayoría de las transmisiones de radiodifusión (transmisiones destinadas al público) utilizan polarización vertical. Para los receptores cercanos al suelo, las transmisiones polarizadas horizontalmente sufren cancelación. Para una mejor recepción, las antenas receptoras de estas señales también están polarizadas verticalmente. En algunas aplicaciones donde la antena receptora debe funcionar en cualquier posición, como en los teléfonos móviles , las antenas de la estación base utilizan polarización mixta, como la polarización lineal en ángulo (con componentes tanto verticales como horizontales) o la polarización circular .

Por otro lado, las transmisiones de televisión analógica suelen estar polarizadas horizontalmente, porque en las zonas urbanas los edificios pueden reflejar las ondas electromagnéticas y crear imágenes fantasma debido a la propagación por trayectos múltiples . Al utilizar la polarización horizontal, se reducen las imágenes fantasma porque la cantidad de reflexión en la polarización horizontal en el lateral de un edificio es generalmente menor que en la dirección vertical. La televisión analógica con polarización vertical se ha utilizado en algunas zonas rurales. En la televisión digital terrestre, estas reflexiones son menos problemáticas debido a la robustez de las transmisiones binarias y la corrección de errores .

En una primera aproximación, la corriente en una antena delgada se distribuye
exactamente como en una línea de transmisión. — Schelkunoff & Friis (1952) ^{[26] (p 217 (§8.4))}

El flujo de corriente en antenas de alambre es idéntico a la solución de ondas que se propagan en sentido contrario en una línea de transmisión de un solo conductor , que se puede resolver utilizando las ecuaciones del telégrafo . Las soluciones de corrientes a lo largo de los elementos de la antena se obtienen de manera 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. ^{[27] (pp 7–10) [26] (p 232)}

A diferencia de las líneas de transmisión, las corrientes en las antenas aportan potencia a la parte radiada del campo electromagnético, que se puede modelar utilizando la resistencia a la 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 da como resultado una onda reflejada idéntica a la onda incidente, con su voltaje en fase con la onda incidente y su corriente en la fase opuesta (por lo tanto, corriente neta cero, donde, después de todo, no hay ningún otro conductor). La combinación de la onda incidente y 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 la longitud de onda del extremo (si el elemento tiene al menos esa longitud). ^{[27] [26]}

En una antena resonante , el punto de alimentación de la antena está en uno de esos nodos de voltaje. ^{[ cita requerida ]} Debido a las discrepancias de la versión simplificada del modelo de línea de transmisión, el voltaje de un cuarto de longitud de onda desde el nodo de corriente no es exactamente cero, pero está cerca de un mínimo y es pequeño en comparación con el voltaje mucho grande 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), por lo tanto, una impedancia de punto de alimentación relativamente baja.

La alimentación de la antena en otros puntos implica un voltaje elevado, por lo tanto una gran impedancia, ^{[ cita requerida ]} y, por lo general, una impedancia que es principalmente reactiva ( factor de potencia bajo ), lo que supone una adaptación de impedancia terrible a las líneas de transmisión disponibles. Por lo tanto, normalmente se desea que una antena funcione como un elemento resonante con cada conductor que tenga una longitud de 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 en el que la corriente de la antena y la tensión (pequeña) del punto de alimentación estén exactamente en fase. Entonces, la antena presenta una impedancia puramente resistiva, e idealmente una 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 logran resonancia (impedancia del punto de alimentación puramente resistiva) solo a una frecuencia fundamental, y quizás ^{[ cita requerida ]} algunos de sus armónicos , y la resistencia del punto de alimentación es mayor en resonancias de orden superior. Por lo tanto, las antenas resonantes solo pueden lograr su buen rendimiento dentro de un ancho de banda limitado, dependiendo de la Q en la resonancia.

Los campos eléctricos y magnéticos que emanan de un elemento de antena activado generalmente afectarán los voltajes y corrientes en antenas cercanas, elementos de antena u otros conductores. Esto es particularmente cierto cuando el conductor afectado es un elemento resonante (múltiplo de medias longitudes de onda en longitud) a aproximadamente la misma frecuencia, como es el caso cuando los conductores son todos parte del mismo conjunto de antenas activas o pasivas .

Como los conductores afectados están en el campo cercano, no se puede tratar simplemente a dos antenas como si transmitieran y recibieran una señal según la fórmula de transmisión de Friis , por ejemplo, sino que se debe calcular la matriz de impedancia mutua que tiene en cuenta tanto los voltajes como las corrientes (interacciones a través de los campos eléctricos y magnéticos). Por lo tanto, utilizando las impedancias mutuas calculadas para una geometría específica, se puede resolver el patrón de radiación de una antena Yagi-Uda o las corrientes y voltajes para cada elemento de un conjunto en fase . Este análisis también puede describir en detalle la reflexión de las ondas de radio por un plano de tierra o por un reflector de esquina y su efecto sobre la impedancia (y el patrón de radiación) de una antena en su proximidad.

A menudo, estas interacciones de campo cercano son indeseables y perniciosas. Las corrientes en objetos metálicos aleatorios cerca de una antena transmisora ​​a menudo serán malos conductores, lo que provocará la pérdida de potencia de RF además de alterar de manera impredecible las características de la antena. Mediante un diseño cuidadoso, es posible reducir la interacción eléctrica entre los conductores cercanos. Por ejemplo, el ángulo de 90 grados entre los dos dipolos que componen la antena del torniquete asegura que no haya interacción entre ellos, lo que permite que se accionen de forma independiente (pero en realidad con la misma señal en fases de cuadratura en el diseño de la antena del torniquete).

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

Estos tipos de antena y otros se resumen con mayor detalle en el artículo de descripción general, Tipos de antena , así como en cada uno de los artículos vinculados en la lista anterior, y con aún más detalle en los artículos a los que se vinculan.

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Antenas

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