Antena direccional

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

La medida en que la distribución angular de la potencia radiada de una antena, su patrón de radiación , se concentra en una dirección se mide mediante un parámetro llamado ganancia de antena . Una antena de alta ganancia ( HGA ) es una antena direccional con un ancho de haz estrecho y enfocado , lo que permite una orientación más precisa de las señales de radio. ^[1] Estas antenas, que se mencionan con más frecuencia durante las misiones espaciales , ^[2] también se utilizan en toda la Tierra , con mayor éxito en áreas planas y abiertas donde no hay montañas que interrumpan las ondas de radio. ^{[ cita requerida ]}

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

Todas las antenas prácticas son al menos algo direccionales, aunque normalmente solo se considera la dirección en el plano paralelo a la tierra, y las antenas prácticas pueden ser fácilmente omnidireccionales en un plano. Los tipos de antena direccional más comunes son ^{[ cita requerida ]}

• la antena Yagi-Uda ,
• la antena log-periódica , y
• La antena reflectora de esquina .

Estos tipos de antenas, o combinaciones de varias versiones de frecuencia única de un tipo o (raramente) una combinación de dos tipos diferentes, se venden con frecuencia comercialmente como antenas de TV residenciales . Los repetidores celulares a menudo hacen uso de antenas direccionales externas para dar una señal mucho mayor que la que se puede obtener en un teléfono celular estándar . Los receptores de televisión por satélite generalmente utilizan antenas parabólicas . Para frecuencias de longitud de onda larga y media , en la mayoría de los casos se utilizan conjuntos de torres como antenas direccionales.

Al transmitir, una antena de alta ganancia permite que más de la potencia transmitida se envíe en la dirección del receptor, lo que aumenta la intensidad de la señal recibida. Al recibir, una antena de alta ganancia captura más de la señal, lo que nuevamente aumenta la intensidad de la señal. Debido a la reciprocidad , estos dos efectos son iguales: una antena que hace que una señal transmitida sea 100 veces más fuerte (en comparación con un radiador isotrópico ) también capturará 100 veces más energía que la antena isotrópica cuando se usa como antena receptora. Como consecuencia de su directividad, las antenas direccionales también envían menos (y reciben menos) señal desde direcciones distintas del haz principal. Esta propiedad puede evitar la interferencia de otros transmisores fuera del haz y siempre reduce el ruido de la antena. (El ruido proviene de todas las direcciones, pero una señal deseada solo provendrá de una dirección aproximada, por lo que cuanto más estrecho sea el haz de la antena, mejor será la relación señal-ruido crucial ).

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

La ganancia de la antena se suele citar con respecto a una antena hipotética que irradia por igual en todas las direcciones, un radiador isotrópico . Esta ganancia, cuando se mide en decibeles , se llama dBi. La conservación de la energía dicta que las antenas de alta ganancia deben tener haces estrechos. ^[4] Por ejemplo, si una antena de alta ganancia hace que un transmisor de 1  vatio parezca un transmisor de 100 vatios, entonces el haz puede cubrir como máximo ⁠1/100⁠ del cielo (de lo contrario, la cantidad total de energía radiada en todas las direcciones sumaría más que la potencia del transmisor, lo que no es posible). A su vez, esto implica que las antenas de alta ganancia deben ser físicamente grandes, ya que según el límite de difracción , cuanto más estrecho sea el haz deseado, más grande debe ser la antena (medida en longitudes de onda).

La ganancia de la antena también se puede medir en dBd, que es la ganancia en decibelios comparada con la dirección de máxima intensidad de un dipolo de media onda. En el caso de las antenas tipo Yagi, esto equivale más o menos a la ganancia que se esperaría de la antena en prueba menos todos sus directores y reflectores. Es importante no confundir dB i y dB d ; los dos difieren en 2,15 dB, siendo el valor dBi más alto, ya que un dipolo tiene 2,15 dB de ganancia con respecto a una antena isótropa.

La ganancia también depende del número de elementos y de la sintonización de dichos elementos. Las antenas se pueden sintonizar para que resuenen en una gama más amplia de frecuencias, pero, en igualdad de condiciones, esto significará que la ganancia de la antena será menor que la de una antena sintonizada para una sola frecuencia o un grupo de frecuencias. Por ejemplo, en el caso de las antenas de televisión de banda ancha, la caída de la ganancia es particularmente grande en la parte inferior de la banda de transmisión de televisión. En el Reino Unido, este tercio inferior de la banda de televisión se conoce como grupo A. ^[5]

Otros factores también pueden afectar la ganancia, como la apertura (el área de la que la antena recoge la señal, casi totalmente relacionada con el tamaño de la antena, pero que en el caso de las antenas pequeñas se puede aumentar añadiendo una varilla de ferrita ) y la eficiencia (de nuevo, afectada por el tamaño, pero también por la resistividad de los materiales utilizados y la adaptación de impedancia). Estos factores son fáciles de mejorar sin ajustar otras características de las antenas o coincidentemente se mejoran con los mismos factores que aumentan la directividad, por lo que normalmente no se les da importancia.

Las antenas de alta ganancia son típicamente el componente más grande de las sondas del espacio profundo, y las antenas de radio de mayor ganancia son estructuras físicamente enormes, como el Observatorio de Arecibo . La Red del Espacio Profundo utiliza platos de 35 m en longitudes de onda de aproximadamente 1 cm. Esta combinación da a la antena una ganancia de aproximadamente 100.000.000 (u 80 dB, como se mide normalmente), lo que hace que el transmisor parezca aproximadamente 100 millones de veces más fuerte y un receptor aproximadamente 100 millones de veces más sensible, siempre que el objetivo esté dentro del haz . Este haz puede cubrir como máximo una cienmillonésima (10 ⁻⁸ ) del cielo, por lo que se requiere una orientación muy precisa.

El uso de alta ganancia y comunicación de ondas milimétricas en la ganancia de WPAN aumenta la probabilidad de programación concurrente de transmisiones sin interferencias en un área localizada, lo que resulta en un inmenso aumento en el rendimiento de la red. Sin embargo, la programación óptima de la transmisión concurrente es un problema NP-Hard . ^[6]

• 
  Un ejemplo temprano (1922) de un transmisor de radio AM direccional que utiliza una antena de alambre largo , construido para WOR , entonces en Newark, Nueva Jersey y dirigido tanto a la ciudad de Nueva York como a Filadelfia además de Newark.
• 
  Karl Jansky y su antena de radio direccional giratoria (1932) en Holmdel, Nueva Jersey , que fue el primer radiotelescopio del mundo y descubrió las emisiones de radio de la Vía Láctea .
• 
  Antena casera de Grote Reber en Wheaton, Illinois (1937), segundo radiotelescopio del mundo y primer radiotelescopio parabólico
• 
  Antena de bocina Holmdel en Holmdel, Nueva Jersey (década de 1960). Construida para apoyar el programa de comunicaciones por satélite Echo , ^[7] se utilizó posteriormente en experimentos que revelaron el fondo cósmico de microondas que permea el universo. ^[8]
• 
  Antena parabólica : la antena de 70 m del complejo de comunicaciones del espacio profundo Goldstone en el desierto de Mojave, California
• 
  Nave espacial Voyager 2. La HGA (antena parabólica) es un objeto grande con forma de cuenco.
• 
  Un radar gigante de matriz en fase en Alaska
• 
  Una antena Yagi-Uda . De izquierda a derecha, los elementos montados en el brazo se denominan reflector, elemento accionado y director. El reflector se identifica fácilmente por ser un poco más largo (5 % o más) que todos los demás elementos, y el o los directores un poco más cortos (5 % o más).

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