En ingeniería de radio , una antena ( inglés americano ) o aérea ( inglés británico ) es la interfaz entre ondas de radio que se propagan a través del espacio y corrientes eléctricas que se mueven en conductores metálicos, utilizadas 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 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 ser amplificada . Las antenas son componentes esenciales de todo equipo de radio . [2]
Una antena es un conjunto de conductores ( elementos ), conectados eléctricamente al receptor o transmisor. 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 hacia un haz u otro patrón de radiación deseado . Es difícil lograr una fuerte directividad y una buena eficiencia en la transmisión con antenas con dimensiones mucho más pequeñas que media 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 predichas por la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell . Hertz colocó antenas dipolo en el punto focal de reflectores parabólicos tanto para transmitir como para recibir. [3] A partir de 1895, Guglielmo Marconi comenzó a desarrollar antenas prácticas para la telegrafía inalámbrica de larga distancia, por lo que recibió el Premio Nobel. [4]
Las palabras antena y antena se usan indistintamente. Ocasionalmente se utiliza el término equivalente "antena" para referirse específicamente a una antena de cable horizontal elevada. El origen de la palabra antena en relación con los aparatos inalámbricos se atribuye al pionero de la radio italiana 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 cables largos suspendidas de un poste. [4] En italiano , el poste de una tienda de campaña se conoce como l'antenna centrale , y el poste con el cable se llamaba simplemente l'antenna . Hasta entonces, los elementos emisores y receptores de radiación inalámbrica se conocían simplemente como "terminales". Debido a su prominencia, el uso que hizo Marconi de la palabra antena se extendió entre los investigadores y entusiastas de la tecnología inalámbrica, y más tarde entre el público en general. [5] [6] [7]
Antena puede referirse en términos generales a un conjunto completo que incluye la estructura de soporte, el gabinete (si lo hay), etc., además de los componentes reales que transportan corriente de RF . Una antena receptora puede incluir no sólo los elementos receptores metálicos pasivos, sino también un preamplificador o mezclador integrado , especialmente en y por encima de las frecuencias de microondas .
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Cualquier receptor o transmisor de radio necesita antenas para acoplar su conexión eléctrica al campo electromagnético. [9] Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que transportan señales a través del aire (o del espacio) a la velocidad de la luz casi sin 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 dirección. La llamada antena de haz es unidireccional y está 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 tanto a la transmisión como a la recepción de ondas de radio. Una antena hipotética que irradia por igual en todos los ángulos verticales y horizontales se denomina radiador isotrópico ; sin embargo, estos no pueden existir en la práctica ni serían particularmente deseados. Para la mayoría de las comunicaciones terrestres, más bien, existe una ventaja en reducir la radiación hacia el cielo o el suelo en favor de las direcciones horizontales. Una antena dipolo orientada horizontalmente no envía energía en la dirección del conductor (esto se denomina antena nula), pero se puede utilizar en la mayoría de las demás direcciones. Varios de estos elementos dipolo se pueden combinar en un conjunto de antenas como la Yagi-Uda para favorecer una única dirección horizontal, denominada antena de haz.
La antena dipolo, que es la base de la mayoría de los diseños de antena, es un componente balanceado , con voltajes y corrientes iguales pero opuestos aplicados en sus dos terminales. La antena vertical es una antena monopolo , no equilibrada respecto al suelo. La tierra (o cualquier superficie conductora grande) desempeña el papel del segundo conductor de un monopolo. Dado que las antenas monopolo dependen de una superficie conductora, se pueden montar con un plano de tierra para aproximarse al efecto de estar montadas en la superficie de la Tierra.
Las antenas más complejas aumentan la directividad de la antena. 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 la 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. Por el contrario, 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 ningún aumento en la potencia total por encima de la suministrada por la fuente de energía (el transmisor), sólo una mejor distribución de ese total fijo.
Un conjunto en fase consta de dos o más antenas simples que están conectadas entre sí a través de una red eléctrica. A menudo 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 "broadside array" (direccional normal a una línea que conecta los elementos) o como un "end-fire array" (direccional a lo largo de la línea que conecta los elementos). 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 logarítmicas periódicas e independientes de la frecuencia emplean autosimilitud para poder funcionar en una amplia gama de anchos de banda . El ejemplo más familiar es el conjunto de dipolos log-periódicos , que puede verse como un número (normalmente de 10 a 20) de elementos dipolos conectados con longitudes progresivas en un conjunto de endfire 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"), de apariencia algo similar, tiene un solo elemento dipolo con conexión eléctrica; los otros elementos parásitos interactúan con el campo electromagnético para crear 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 en una antena depende de que sea grande en comparación con la longitud de onda, las antenas altamente direccionales (por lo tanto, con alta ganancia de antena ) se vuelven más prácticas en frecuencias más altas ( UHF y superiores).
En bajas frecuencias (como la transmisión AM ), se utilizan conjuntos de torres verticales para lograr direccionalidad [10] y ocuparán grandes áreas de terreno. Para la recepción, una antena de bebidas larga puede tener una directividad significativa. Para uso portátil no direccional, una antena vertical corta o una antena de cuadro pequeña funcionan 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 ; Para este fin, las antenas de cuadro pequeñas se sintonizan con condensadores paralelos.
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 un plato parabólico, la "alimentación" también puede referirse a una antena radiante básica integrada en todo el sistema de elementos reflectantes (normalmente en el foco del plato parabólico o en el 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 a la tierra. Puede estar conectado o aislado del terreno natural. En una antena monopolo, esto ayuda en el funcionamiento del terreno natural, particularmente cuando las variaciones (o limitaciones) de las características del terreno natural interfieren con su funcionamiento adecuado. Una estructura de este tipo normalmente está conectada a la conexión de retorno de una línea de transmisión desequilibrada, 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 hacer avanzar selectivamente partes del frente de ondas electromagnéticas que lo atraviesa. El refractor altera las características espaciales de la onda en un lado con respecto al otro lado. Puede, por ejemplo, enfocar la onda o alterar el 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 inductivo y capacitivo ) que se utiliza para igualar la 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(s) ubicación(es) 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 coincidencia .
Es una propiedad fundamental de las antenas que la mayoría de las características eléctricas de una antena, como las que se describen en la siguiente sección (por ejemplo , ganancia , patrón de radiación , impedancia , ancho de banda , frecuencia de resonancia y polarización ), sean las mismas ya sea que la antena esté transmitiendo. o recibir . [11] [12] 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 está accionada y funciona como un radiador. , aunque las distribuciones de corriente y voltaje en la propia antena son diferentes para recibir y enviar. [13] Esto es una consecuencia del teorema de reciprocidad del electromagnetismo. [12] Por lo tanto, en las discusiones sobre las propiedades de la antena generalmente no se hace distinción entre 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, que al campo o corriente en la dirección opuesta. La mayoría de los materiales utilizados en las antenas cumplen estas condiciones, pero algunas antenas de microondas utilizan componentes de alta tecnología, como aisladores y circuladores , fabricados con materiales no recíprocos como la ferrita . [11] [12] Estos pueden usarse para darle a la antena un comportamiento diferente al recibir que al transmitir, [11] lo que puede ser útil en aplicaciones como el radar .
La mayoría de los diseños de antenas se basan en el principio de resonancia . Esto se basa en el comportamiento de los electrones en movimiento, que se reflejan en las superficies donde cambia la constante dieléctrica , de una manera similar a la forma en que 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 a la fuente (o receptor en el caso de una antena de transmisión). [14]
El componente eléctrico de la señal de radio induce una tensión en el conductor. Esto hace que una corriente eléctrica comience a fluir 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 es 1 /4De una longitud de onda larga, la corriente desde el punto de alimentación sufrirá un cambio de fase de 90 grados cuando llegue al final del conductor, se reflejará 180 grados y luego otros 90 grados a medida que regresa. Eso significa que ha sufrido un cambio de fase total de 360 grados, devolviéndolo a la señal original. La corriente en el elemento se suma 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. [15]
El dipolo ordinario de media onda es probablemente el diseño de antena más utilizado. Este 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 colineal ), cada uno de los cuales alimenta un lado de un cable de transmisión de dos conductores. La disposición física de los dos elementos los coloca 180 grados desfasados, lo que significa que en cualquier instante dado uno de los elementos conduce corriente hacia la línea de transmisión mientras el otro la extrae. La antena monopolo es esencialmente la mitad del dipolo de media onda, una sola 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 es accionado.
La onda estacionaria se forma con este patrón deseado en la frecuencia operativa 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 /3el de f o ) también conducirá a un patrón de onda estacionaria. Por tanto, un elemento de antena también es resonante cuando su longitud es 3 /4de 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 . [16] 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 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 en frecuencias más altas ( UHF , microondas ), generalmente no es necesario 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 de resonancia, 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 un voltaje mínimo. Esta es la situación ideal, porque produce el máximo rendimiento con el mínimo insumo, produciendo la mayor eficiencia posible. A diferencia de un circuito resonante en serie ideal (sin pérdidas), permanece 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 cualquier pérdida eléctrica convencional por la producción de 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; Asimismo, 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 lleva 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 coincidencia de impedancia entre la línea de alimentación y la antena se mide mediante un parámetro llamado relación de onda estacionaria (ROE) en la línea de alimentación.
Considere 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. Utilizando el cable de transmisión o balun adecuado, igualamos esa resistencia para garantizar 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. Consideremos ahora 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 la señal, provocando que la corriente neta caiga mientras 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 nuevamente en la antena, lo que reducirá 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 fuente esté cerca de la frecuencia de diseño de la antena, o uno de los múltiplos resonantes. Esto hace que los diseños de antenas resonantes sean inherentemente de banda estrecha: sólo son útiles para un pequeño rango de frecuencias centradas alrededor de las resonancias.
Es posible utilizar técnicas simples de adaptación de impedancia para permitir el uso de antenas monopolo o dipolo sustancialmente más cortas que las 1 /4o 1 /2 onda , respectivamente, en la que son resonantes. A medida que estas antenas se acortan (para una frecuencia determinada), su impedancia queda 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 se puede cancelar dejando solo una resistencia pura).
A veces, la frecuencia de resonancia eléctrica resultante (inferior) de dicho sistema (antena más red coincidente) 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 [17]
Por ejemplo, a 30 MHz (10 m de longitud de onda) una verdadera resonancia 1 /4 El monopolo de ondas tendría casi 2,5 metros de largo, y el uso de una antena de sólo 1,5 metros de altura requeriría la adición de una bobina de carga. Entonces se puede decir que la bobina ha alargado la antena hasta conseguir una longitud eléctrica de 2,5 metros. Sin embargo, la impedancia resistiva resultante lograda será bastante menor que la de un verdadero 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 a la radiación cae en picado (aproximadamente según el cuadrado de la longitud de la antena), de modo que empeora el desajuste debido a una reactancia neta alejada de la resonancia eléctrica. O también se podría decir que el circuito resonante equivalente del sistema de antena tiene un factor Q más alto y, por tanto, un ancho de banda reducido [17] , que puede llegar a ser incluso inadecuado para el espectro de la señal transmitida. Las pérdidas resistivas debidas a la bobina de carga, en relación con la disminución de la resistencia a la radiación, conllevan una eficiencia eléctrica reducida, lo que puede ser de gran preocupación para una antena transmisora, pero el ancho de banda es el factor principal [ dudoso - [ dudoso - que establece el tamaño de las antenas a 1 MHz y frecuencias más bajas.
El flujo radiante varía en función de la distancia a la antena transmisora según la ley del inverso del cuadrado , ya que ésta 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 con el flujo de una onda entrante (medido en términos de 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 el costado. Si se necesita una mayor ganancia, no se puede simplemente agrandar la antena. Debido a la restricción del área efectiva de una antena receptora que se detalla a continuación, se ve que para un diseño de antena que ya es eficiente, la única manera 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, entonces se convierte en un elemento de media onda resonante que produce eficientemente una onda estacionaria en respuesta a una onda de radio incidente. Debido a que no hay carga para absorber esa potencia, retransmite toda esa potencia, posiblemente con un cambio de fase que depende críticamente de la longitud exacta del elemento. Por lo tanto, dicho conductor puede disponerse 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 forma se denominan radiadores pasivos .
Una matriz Yagi-Uda utiliza elementos pasivos para aumentar considerablemente la ganancia en una dirección (a expensas de otras direcciones). Varios elementos paralelos de aproximadamente media onda (de longitudes muy específicas) están situados paralelos entre sí, en posiciones específicas, a lo largo de una pluma; el brazo es solo para soporte y no está involucrado eléctricamente. Sólo uno de los elementos está conectado eléctricamente al transmisor o receptor, mientras que el resto de elementos son pasivos. La Yagi produce una ganancia bastante grande (dependiendo del número de elementos pasivos) y se usa ampliamente como antena direccional con un rotor de antena para controlar la dirección de su haz. Adolece de tener un ancho de banda bastante limitado, restringiendo su uso a determinadas aplicaciones.
En lugar de utilizar un elemento de antena accionado junto con radiadores pasivos, se puede construir un conjunto de antenas en el que el transmisor controle múltiples elementos a través de un sistema de divisores de potencia y líneas de transmisión en fases relativas para concentrar la potencia de RF en un solo elemento. dirección. Es más, una matriz en fase puede hacerse "orientable", es decir, al cambiar las fases aplicadas a cada elemento, el patrón de radiación se puede cambiar sin mover físicamente los elementos de la antena. Otro conjunto de antenas común es el conjunto de dipolos log-periódicos que tiene una apariencia similar a la Yagi (con varios elementos paralelos a lo largo de un brazo) pero su funcionamiento es totalmente diferente ya que todos los elementos están conectados eléctricamente al elemento adyacente con una inversión de fase. ; utilizando el principio log-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 incide en una gran lámina conductora, se refleja (con la fase del campo eléctrico invertida) tal como un espejo refleja la luz. Colocar dicho reflector detrás de una antena que de otro modo no sería direccional asegurará 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 asegurar que toda la potencia de la antena se concentra en un solo cuadrante del espacio (o menos) con el consiguiente aumento de 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 en gran medida el peso del reflector y la carga de viento . La reflexión especular de ondas de radio también se emplea en una antena reflectora parabólica , en la que una superficie reflectante curvada provoca el enfoque de una onda entrante hacia una llamada 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 utilizan otros conceptos de la óptica geométrica , como por ejemplo en la antena de lente .
La ganancia de potencia de la antena (o simplemente "ganancia") también tiene en cuenta la eficiencia de la antena y, a menudo, es la principal cifra de mérito. Las antenas se caracterizan por una serie de medidas de rendimiento que le interesarían al usuario 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 funciona bien una antena puede ser muy amplio (como en una antena logarítmica) o estrecho (como en una antena de cuadro pequeño); fuera de este rango, la impedancia de la antena no coincide con la línea de transmisión y el transmisor (o receptor). El uso de la antena muy lejos de su frecuencia de diseño afecta su patrón de radiación , reduciendo su ganancia directiva.
Generalmente, una antena no tendrá una impedancia de punto de alimentación que coincida con la de una línea de transmisión; una red coincidente entre los terminales de la antena y la línea de transmisión mejorará la transferencia de energía a la antena. Una red de adaptación no ajustable probablemente limitará aún más el ancho de banda utilizable del sistema de antena. Puede ser deseable utilizar elementos tubulares, en lugar de alambres finos, para fabricar una antena; estos permitirán 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 radioaficionado que operan 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 interrupciones creadas en elementos largos de antena. Cuando se utiliza a 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 trampa. A frecuencias sustancialmente más altas o más bajas, la trampa permite emplear toda la longitud del elemento roto, pero con una frecuencia de resonancia desplazada por la reactancia neta agregada por la trampa.
Las características de ancho de banda de un elemento de antena resonante se pueden caracterizar según su Q donde la resistencia involucrada es la resistencia a la radiación , que representa la emisión de energía desde la antena resonante al espacio libre.
El Q de una antena de banda estrecha puede llegar a 15. Por otro lado, la reactancia a la misma frecuencia fuera de resonancia de una que usa elementos gruesos es mucho menor, lo que en consecuencia da como resultado un Q tan bajo como 5. Estas dos antenas puede funcionar de manera equivalente a la frecuencia de resonancia, pero la segunda antena funcionará en un ancho de banda 3 veces mayor que la antena que consta de un conductor delgado.
Utilizando técnicas adicionales se consiguen antenas para uso en rangos de frecuencia mucho más amplios. El ajuste de una red de adaptación puede, en principio, permitir la adaptación de cualquier antena en cualquier frecuencia. Por lo tanto, la pequeña antena de cuadro incorporada en la mayoría de los receptores de transmisión 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 logarítmicas no son resonantes en ninguna frecuencia única, pero pueden (en principio) construirse para alcanzar características similares (incluida la impedancia del punto de alimentación) en cualquier rango de frecuencia. Por lo tanto, se utilizan comúnmente (en forma de conjuntos de dipolos 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) radiada por la antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad radiada en la misma distancia mediante una antena isotrópica hipotética que irradia igual potencia en todas las direcciones. Esta relación adimensional suele expresarse de forma logarítmica en decibelios , estas unidades se denominan decibelios-isotrópicos (dBi)
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 llaman decibelios-dipolo (dBd)
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 sólo 2,15 decibelios mayor que la ganancia en dBd
Las antenas de alta ganancia tienen la ventaja de tener un mayor alcance y una mejor calidad de señal, pero deben apuntar con cuidado a la otra antena. Un ejemplo de antena de alta ganancia es un plato parabólico 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 antena de baja ganancia es la antena de látigo que se encuentra en radios portátiles y teléfonos inalámbricos . La ganancia de la antena no debe confundirse con la ganancia del amplificador , un parámetro separado que mide el aumento en la potencia de la señal debido a un dispositivo amplificador colocado en la parte frontal del sistema, como un amplificador de bajo ruido .
El área efectiva o apertura efectiva de una antena receptora expresa la porción de 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 un lugar determinado tiene un flujo de 1 pW/m 2 (10 −12 vatios por metro cuadrado) y una antena tiene un área efectiva de 12 m 2 , entonces la antena entregaría 12 pW de RF. alimentación 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 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 usa para recibir. Consideremos una antena sin pérdidas , es decir, una cuya eficiencia eléctrica sea 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 manera que la ganancia promedio en todas las direcciones para una antena con 100% de eficiencia eléctrica sea igual a 1. Por lo tanto, el área efectiva A eff en términos de la ganancia G en una dirección dada viene dada por:
Para 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 aún se mantiene. Se trata, pues, 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. Por lo general, se representa mediante un gráfico tridimensional o gráficos polares de las secciones transversales horizontales y verticales. El patrón de una antena isotrópica ideal , que irradia por igual en todas direcciones, parecería una esfera . Muchas antenas no direccionales, como los monopolos y dipolos , emiten la misma potencia en todas las direcciones horizontales, y la potencia disminuye en ángulos mayores y menores; esto se llama patrón omnidireccional y, cuando se traza, parece un toroide o un donut.
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 , causando máximos en los ángulos donde las ondas de radio llegan a puntos distantes en fase , y radiación cero en otros ángulos donde las ondas de radio llegan fuera de fase . En una antena direccional diseñada para proyectar ondas de radio en una dirección determinada, el lóbulo de esa dirección está diseñado más grande 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 diagramas polares (y por lo tanto la eficiencia y la ganancia) de las antenas Yagi son más ajustados si la antena está sintonizada para un rango de frecuencia más estrecho, por ejemplo, la antena agrupada en comparación con la banda ancha. De manera similar, las gráficas polares de los yagis polarizados horizontalmente son más estrechas que las de los polarizados verticalmente. [18]
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 las regiones de campo lejano (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 lejos 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 energía suministrada a los terminales de la antena que no se irradia se convierte en calor. Esto suele deberse a una pérdida de resistencia en los conductores de la antena o a una 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 ROE indica 150 W de potencia incidente y 50 W de potencia reflejada, eso significa que la antena realmente ha absorbido 100 W (ignorando las pérdidas de la línea de transmisión). La cantidad de esa potencia que realmente se ha radiado no se puede determinar directamente mediante mediciones eléctricas en (o antes) de los terminales de la antena, pero requeriría (por ejemplo) una medición cuidadosa de la intensidad del campo . La resistencia a las pérdidas y la eficiencia de una antena se pueden calcular una vez que se conoce la intensidad del campo, comparándola con la potencia suministrada a la antena.
La resistencia a la pérdida generalmente afectará la impedancia del punto de alimentación, aumentando su componente resistivo. Esa resistencia consistirá en la suma de la resistencia a la radiación R rad y la resistencia a la pérdida R loss . Si se suministra una corriente I a los terminales de una antena, entonces se irradiará una potencia de I 2 R rad y se perderá una potencia de I 2 R perdida en forma de calor. Por tanto, la eficiencia de una antena es igual aR rad/( R rad + R pérdida ). Sólo 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 impedancia adecuada ) se reduce en la misma cantidad. En algunas aplicaciones de recepción, las antenas muy ineficientes pueden tener poco impacto en el rendimiento. En bajas frecuencias, por ejemplo, el ruido atmosférico o provocado por el hombre puede enmascarar la ineficiencia de la antena. Por ejemplo, el CCIR Rep. 258-3 indica que el ruido provocado por el hombre en un entorno residencial a 40 MHz está aproximadamente 28 dB por encima del nivel mínimo de ruido térmico. En consecuencia, una antena con una pérdida de 20 dB (debido a ineficiencia) tendría poco impacto en el rendimiento del ruido del sistema. La pérdida dentro de la antena afectará la señal deseada y el ruido/interferencia de manera idéntica, lo que no producirá ninguna reducción en la relación señal-ruido (SNR).
Las antenas que no tienen un tamaño significativo de una longitud de onda son inevitablemente ineficaces debido a su pequeña resistencia a la radiación. Las radios de transmisión AM incluyen una pequeña antena de cuadro para la recepción que tiene una eficiencia extremadamente pobre. Esto tiene poco efecto sobre el rendimiento del receptor, sino que simplemente requiere una mayor amplificación por parte de la electrónica del receptor. Comparemos este pequeño componente con las enormes y muy altas torres utilizadas en las estaciones de radiodifusión AM para transmitir en la misma frecuencia, donde cada punto porcentual de reducción de la eficiencia de la antena 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 se intenta irradiar una señal hacia un receptor utilizando un transmisor de una potencia determinada, sólo es necesario comparar la ganancia de varias antenas en lugar de considerar también la eficiencia. Esto también es válido para una antena receptora en frecuencias muy altas (especialmente microondas), donde el objetivo 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 provenientes de diferentes direcciones, ya no hay que preocuparse por la eficiencia de la antena, como se analizó anteriormente. En este caso, en lugar de citar la ganancia de la antena , uno estaría más preocupado por la ganancia directiva , o simplemente por la 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 estructura física de una antena determinan la polarización 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 ) orientado verticalmente dará como resultado una polarización vertical; si se gira de lado, la polarización de la misma antena será horizontal.
Los reflejos generalmente afectan la polarización. Las ondas de radio reflejadas en la ionosfera pueden cambiar la polarización de la onda. Para las comunicaciones con visibilidad directa o la propagación de ondas terrestres , las transmisiones polarizadas horizontal o verticalmente generalmente permanecen aproximadamente en el mismo estado de polarización en la ubicación de recepción. El uso de una antena polarizada verticalmente para recibir una onda polarizada horizontalmente (o viceversa) da como resultado una recepción relativamente pobre.
A veces, la polarización de una antena 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 un lugar distante de la Tierra, aparece como un segmento de línea horizontal, por lo que la radiación recibida allí está polarizada horizontalmente. Pero vista desde un avión en ángulo descendente, 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 del campo eléctrico traza una elipse . Dos casos especiales son la polarización lineal (la elipse colapsa formando una línea), como se analizó 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 con polarización circular o elíptica se designan como diestras o zurdas utilizando la regla del "pulgar en la dirección de propagación". Tenga en cuenta que para la polarización circular, los investigadores ópticos utilizan la regla de la mano derecha opuesta [ cita necesaria ] 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 necesaria ] . Se puede utilizar una antena con polarización circular para igualar igualmente las polarizaciones lineales verticales u horizontales, sufriendo una reducción de señal de 3 dB . Sin embargo, será ciego a una señal polarizada circularmente de orientación opuesta.
La transferencia de potencia máxima requiere hacer coincidir la impedancia de un sistema de antena (como se ve mirando hacia la línea de transmisión) con el 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 (típicamente 50 ohmios) requerido para una operación eficiente y segura del transmisor. circuitos. 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 "modificar" la coincidencia.
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 mediante el ratio de ondas estacionarias ; SWR) que un desajuste plantea en la línea, y el aumento de pérdidas en la línea de transmisión que conlleva.
La sintonización de antena, en el sentido estricto de modificar la antena misma, generalmente se refiere solo 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 diseñarse para tener una impedancia de punto de alimentación puramente resistiva (como un dipolo de 97% de media longitud de onda) en una sola frecuencia, es muy probable que esto no sea exactamente cierto en otras frecuencias para las que finalmente se utilice 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 resulta 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 levantarla hacia atrás.
La reactancia de la antena se puede eliminar utilizando elementos agrupados, como condensadores o inductores en la ruta principal de la 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 como cables radiales de "radios" abiertos o cables paralelos en bucle; por lo tanto, sintonice genuinamente la antena para que resone. Además de esos complementos que neutralizan la reactancia, las antenas de cualquier tipo pueden incluir un transformador y/o un balún 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 el sentido amplio , realizada por un dispositivo de adaptación de impedancia (llamado de manera algo inapropiada " sintonizador de antena ", o el término más antiguo y apropiado transmatch ) va más allá de simplemente eliminar la reactancia e incluye transformar 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 general de adaptación de impedancia (un " sintonizador de antena " o ATU) tendrá al menos dos elementos ajustables para corregir ambos componentes de la impedancia. Cualquier red coincidente tendrá pérdidas y restricciones de energía cuando se use para transmitir.
Las antenas comerciales generalmente están diseñadas para coincidir aproximadamente con cables coaxiales estándar de 50 ohmios , en frecuencias estándar; la expectativa de diseño es que una red coincidente se utilizará simplemente para "modificar" 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.
Las reflexiones del suelo son uno de los tipos comunes de trayectos múltiples. [19] [20] [21]
El patrón de radiación e incluso la impedancia del punto de conducción de una antena pueden verse influenciados por la constante dieléctrica y, especialmente, por la conductividad de los objetos cercanos. Para 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 ( permisividad y conductividad) del suelo, pueden ser importantes. Además, en el caso particular de una antena monopolo, la tierra (o un plano de tierra artificial ) sirve como conexión de retorno para la corriente de la antena, teniendo así un efecto adicional, particularmente en la impedancia vista por la línea de alimentación.
Cuando una onda electromagnética incide en una superficie plana como el suelo, parte de la onda se transmite al suelo y parte se refleja, según los coeficientes de Fresnel . Si la tierra es un muy buen conductor, entonces casi toda la onda se refleja (180° desfasada), mientras que una tierra modelada 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 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.
Desde frecuencias muy bajas hasta frecuencias altas (< 30 MHz), el suelo se comporta como un dieléctrico con pérdidas , [22] por lo que el suelo se caracteriza tanto por una conductividad [23] como por una permitividad (constante dieléctrica) que se pueden medir para un suelo determinado. (pero está influenciado por los niveles fluctuantes de humedad) o puede estimarse a partir de ciertos mapas. En frecuencias de onda media más bajas , el suelo actúa principalmente como un buen conductor, del que dependen las antenas de transmisión AM (0,5 a 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 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 del cielo ).
Por otra parte, la radiación polarizada verticalmente no se refleja bien en el suelo, excepto en caso de incidencia rasante o sobre superficies muy conductoras, como el agua de mar. [24] Sin embargo, la reflexión del ángulo rasante importante para la propagación de la onda terrestre, utilizando polarización vertical, está en fase con la onda directa, proporcionando un aumento de hasta 6 dB, como se detalla a continuación.
En VHF y superiores (> 30 MHz), el suelo se convierte en un reflector más pobre. 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 de la línea de visión horizontal (a excepción de las comunicaciones por satélite), por lo que el suelo se comporta casi como un espejo.
La calidad neta de una reflexión en el suelo 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 tierra 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 se desplazarán en fases aleatorias. En el caso de longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas), este suele ser el caso.
Siempre que tanto la antena receptora como la transmisora se colocan a alturas significativas sobre el suelo (en relación con la longitud de onda), las ondas reflejadas especularmente por el suelo viajarán una distancia más larga que las ondas directas, induciendo un cambio de fase que a veces puede ser significativo. Cuando una antena de este tipo lanza una onda celeste , ese cambio de fase siempre es significativo a menos que la antena esté muy cerca del suelo (en comparación con la longitud de onda).
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 tras la reflexión (un cambio de fase de π radianes, o 180°). Por otro lado, la componente vertical del campo eléctrico de la onda se refleja en ángulos de incidencia rasantes aproximadamente en fase . Estos cambios de fase se aplican también a una tierra modelada 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 estará en la misma dirección y fase absolutas si la antena emisora está polarizada verticalmente.
La antena real que transmite 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 la antena, cambiando la corriente en el punto de alimentación para un voltaje de punto de alimentación determinado. 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. Esto 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 del suelo, ya que esto afecta la fase de la onda reflejada en relación con las corrientes en la antena. Al cambiar la altura de la antena en un cuarto de longitud de onda, luego se cambia la fase de la reflexión en 180°, con un efecto completamente diferente en la impedancia de la antena.
La reflexión del suelo tiene un efecto importante sobre el patrón de radiación neto del campo lejano en el plano vertical, es decir, en función del ángulo de elevación, que por tanto es diferente entre una antena polarizada vertical y horizontalmente. Considere 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:
Por lo tanto, la potencia recibida puede ser hasta 4 veces mayor que la debida únicamente a la onda directa (como cuando θ = 0), siguiendo el cuadrado del coseno. La inversión de signos para la reflexión de la emisión polarizada horizontalmente da como resultado:
dónde:
Para la propagación horizontal entre antenas transmisoras y receptoras situadas cerca del suelo, razonablemente alejadas entre sí, las distancias recorridas por los rayos directos y reflejados son casi las mismas. Casi no hay cambio 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 se polariza horizontalmente, las dos señales se restan y la señal recibida se cancela en gran medida. Los patrones 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 (patrón izquierdo). Para la polarización horizontal, hay cancelación en ese ángulo. Las fórmulas anteriores y estos gráficos suponen que la tierra es un conductor perfecto. Estos trazados del patrón 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 en los factores anteriores para el caso de θ = 0 es la razón por la que la mayoría de las transmisiones (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 las estaciones base utilizan polarización mixta, como polarización lineal en ángulo (con componentes tanto verticales como horizontales) o 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, las imágenes fantasma se reducen porque la cantidad de reflexión en la polarización horizontal fuera del costado de un edificio es generalmente menor que en la dirección vertical. En algunas zonas rurales se ha utilizado televisión analógica con polarización vertical. En la televisión digital terrestre , tales reflexiones son menos problemáticas debido a la solidez de las transmisiones binarias y la corrección de errores .
El flujo de corriente en las antenas de alambre es idéntico a la solución de ondas que se propagan en contra 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 continúan siendo una fuente ampliamente utilizada de aproximaciones útiles y simples que describen bien los perfiles de impedancia de antenas. [26] (págs. 7-10) [25] (pág. 232)
A diferencia de las líneas de transmisión, las corrientes en las antenas aportan energía al campo electromagnético de la parte irradiada, que puede modelarse utilizando la resistencia a la radiación . [a]
El extremo de un elemento de antena corresponde a un extremo sin terminar (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 tanto, corriente neta nula, donde después de todo ya 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 longitud de onda del extremo (si el elemento es al menos esa longitud). . [26] [25]
En una antena resonante , el punto de alimentación de la antena está en uno de esos nodos de voltaje. Debido a discrepancias con la versión simplificada del modelo de línea de transmisión, el voltaje a un cuarto de longitud de onda del nodo actual no es exactamente cero, pero está cerca de 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), por lo tanto, una impedancia del punto de alimentación relativamente baja.
Alimentar la antena en otros puntos implica un alto voltaje, por lo tanto una gran impedancia, y generalmente una que es principalmente reactiva (bajo factor de potencia ), lo cual es una terrible impedancia que coincide con las líneas de transmisión disponibles. Por lo tanto, normalmente se desea que una antena funcione como un elemento resonante con cada conductor teniendo 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 de estos elementos (uno conectado a cada conductor de una línea de transmisión equilibrada) de aproximadamente un cuarto de longitud de onda. Dependiendo del diámetro 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 (pequeña) tensión del punto de alimentación estén exactamente en fase. Entonces la antena presenta una impedancia puramente resistiva, e idealmente una impedancia cercana a la impedancia característica de una línea de transmisión disponible.
A pesar de estas útiles propiedades, las antenas resonantes tienen la desventaja de que alcanzan resonancia (impedancia del punto de alimentación puramente resistiva) sólo a una frecuencia fundamental, y quizás algunos de sus armónicos , y la resistencia del punto de alimentación es mayor en resonancias de orden superior. Por lo tanto, las antenas resonantes sólo pueden alcanzar su buen rendimiento dentro de un ancho de banda limitado, dependiendo del Q en la resonancia.
Los campos eléctricos y magnéticos que emanan de un elemento de antena accionado generalmente afectarán los voltajes y corrientes en antenas, elementos de antena u otros conductores cercanos. Esto es particularmente cierto cuando el conductor afectado es un elemento resonante (múltiplo de medias longitudes de onda de longitud) aproximadamente a la misma frecuencia, como es el caso cuando todos los conductores forman parte del mismo conjunto de antenas activas o pasivas .
Dado que los conductores afectados se encuentran en el campo cercano, no se pueden considerar dos antenas simplemente como transmisoras y receptoras de 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 las tensiones como las corrientes (interacciones). a través de 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 una matriz en fase . Un análisis de este tipo 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 sus proximidades.
A menudo, estas interacciones de campo cercano son no deseadas y perniciosas. Las corrientes en objetos metálicos aleatorios cerca de una antena transmisora a menudo serán malos conductores, lo que provocará una pérdida de potencia de RF además de alterar 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 del torniquete asegura que no haya interacción entre ellos, lo que permite que se impulsen 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 por principios de funcionamiento o por su aplicación. Diferentes autoridades clasificaron las antenas en categorías más estrechas o más amplias. Generalmente estos incluyen
Estos tipos de antenas y otros se resumen con mayor detalle en el artículo de descripción general, Tipos de antenas , 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.
La corriente en una antena receptora, por ejemplo, es bastante diferente de la corriente en la misma antena utilizada como antena transmisora . [énfasis en el original]
La definición del diccionario de antena en Wikcionario
