Antena

En ingeniería de radio, una antena es la interfaz entre las ondas de radio que se propagan por el espacio y las corrientes eléctricas que se mueven en conductores metálicos, que se utilizan con un transmisor o receptor. En la transmisión, un transmisor de radio suministra 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 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.

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 en un haz u otro patrón de radiación deseado. Una fuerte directividad y una buena eficiencia al transmitir son difíciles de lograr con antenas con dimensiones que son mucho más pequeñas 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 probar la existencia de ondas predichas por la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell. Hertz colocó antenas dipolo en el punto focal de los reflectores parabólicos tanto para transmitir como para recibir. 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.

Terminología

Las palabras antena y antena se usan indistintamente. Ocasionalmente, el término equivalente "aéreo" se usa 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 alambre largo suspendidas de un poste. 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 de transmisión y recepción de radiación inalámbrica se conocían simplemente como "terminales". Debido a su prominencia, el uso de Marconi de la palabra antena se difundió entre los investigadores y entusiastas inalámbricos, y más tarde entre el público en general.

La antena puede referirse en términos generales a un conjunto completo, incluida la estructura de soporte, el recinto (si lo hay), etc., además de los componentes reales que transportan corriente de RF. Una antena receptora puede incluir no solo los elementos receptores metálicos pasivos, sino también un preamplificador o mezclador integrado, especialmente en frecuencias de microondas y superiores.

Visión general

Cualquier receptor o transmisor de radio requiere antenas para acoplar su conexión eléctrica al campo electromagnético. 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(s) dirección(es). La llamada antena de haz es unidireccional, diseñada para una respuesta máxima en la dirección de la otra estación, mientras que muchas otras antenas están destinadas a 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 deseables. Para la mayoría de las comunicaciones terrestres, más bien, hay una ventaja enreducir 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 denomina antena nula, pero se puede utilizar en la mayoría de las otras direcciones. Varios de estos elementos dipolo se pueden combinar en un conjunto de antenas como el Yagi-Uda para favorecer una sola dirección horizontal, por lo que se denomina 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 balanceada con respecto a tierra. El suelo (o cualquier superficie conductora grande) desempeña el papel del segundo conductor de un dipolo. Dado que las antenas monopolares se basan en 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 antena describe la concentración de energía 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 antena, la potencia aumentada en la dirección deseada es 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 en la potencia total por encima de la entregada por la fuente de alimentación (el transmisor), solo una distribución mejorada de ese total fijo.

Una matriz en fase consta de dos o más antenas simples que están conectadas entre sí a través de una red eléctrica. Esto a menudo implica varias antenas dipolo paralelas con un cierto espacio. Dependiendo de la fase relativa introducida por la red, la misma combinación de antenas dipolo puede operar como un "arreglo lateral ancho" (direccional normal a una línea que conecta los elementos) o como un "arreglo final de fuego" (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 son a menudo idénticos.

Las antenas logarítmicas periódicas e independientes de la frecuencia emplean la autosimilitud para ser operativas en una amplia gama de anchos de banda. El ejemplo más conocido es el conjunto de dipolos logarítmicos periódicos que puede verse como un número (típicamente de 10 a 20) de elementos dipolares conectados con longitudes progresivas en un conjunto de fuego final que lo hace bastante direccional; encuentra uso especialmente como antena de techo para la recepción de televisión. Por otro lado, una antena Yagi-Uda (o simplemente "Yagi"), con una apariencia algo similar, tiene solo un elemento dipolo con conexión eléctrica; los otros elementos parásitos interactúan con el campo electromagnético para realizar 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 una alta ganancia de antena) se vuelven más prácticas en frecuencias más altas (UHF y superiores).

En frecuencias bajas (como la transmisión de AM), se utilizan conjuntos de torres verticales para lograr direccionalidad 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; pequeñas antenas de cuadro se sintonizan con condensadores 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 llamada "antena de apertura", como una bocina o un plato parabólico, la "alimentación" también puede referirse a una antena radiante básica incrustada en todo el sistema de elementos reflectantes (normalmente en el foco del plato parabólico o en el garganta de un cuerno) que podría considerarse el único elemento activo en ese sistema de antena. Una antena de microondas también se puede alimentar 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 de la tierra natural. En una antena monopolo, esto ayuda en la función del terreno natural, particularmente donde las variaciones (o limitaciones) de las características del terreno natural interfieren con su función adecuada. Dicha estructura normalmente se conecta 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 avanzar selectivamente partes del frente de onda electromagnética que lo atraviesa. El refractor altera las características espaciales de la onda en un lado en relación con el otro lado. Puede, por ejemplo, enfocar la onda o alterar el frente de onda de otras formas, generalmente para maximizar la directividad del sistema de antena. Este es el equivalente de 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) utilizada 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, al reducir 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(n) 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.

Reciprocidad

Es una propiedad fundamental de las antenas que las características eléctricas de una antena descritas en la siguiente sección, como ganancia, patrón de radiación, impedancia, ancho de banda, frecuencia de resonancia y polarización, sean las mismas ya sea que la antena esté transmitiendo o recibiendo. Por ejemplo, el " patrón de recepción " (sensibilidad en función de la dirección) de una antena cuando se utiliza para la recepción es idéntico al patrón de radiación de la antena cuando se activa y funciona como un radiador. Esto es una consecuencia del teorema de reciprocidad del electromagnetismo. Por lo tanto, en las discusiones sobre las propiedades de la antena, 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, 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. Estos se pueden usar para dar a la antena un comportamiento diferente al recibir que al transmitir, lo que puede ser útil en aplicaciones como el radar.

Antenas resonantes

La mayoría de los diseños de antenas se basan en el principio de resonancia. Esto se basa en el comportamiento de los electrones en movimiento, que se reflejan en las superficies donde cambia la constante dieléctrica, de manera similar a como se refleja la luz cuando cambian las propiedades ópticas. En estos diseños, la superficie reflectante se crea al final de un conductor, normalmente un alambre o varilla de metal delgado, 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 de la antena a la fuente (o receptor en el caso de una antena de transmisión).

El componente eléctrico de la señal de radio induce un voltaje 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 del 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 viaja de regreso. 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.

El dipolo ordinario de media onda es probablemente el diseño de antena más utilizado. Este consta de dos elementos de ¹ ⁄ _{4 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 desfasados ​​180 grados, lo que significa que en un instante dado uno de los elementos conduce corriente a la línea de transmisión mientras que el otro la extrae. La antena monopolo es esencialmente la mitad del dipolo de media onda, un solo elemento ^{de 1} ⁄ _{4 de} longitud de onda con el otro lado conectado a tierra o un plano de tierra equivalente (o contrapeso).). Los monopolos, que tienen la mitad del tamaño de un dipolo, son comunes para las señales de radio de longitud de onda larga donde un dipolo sería poco práctico. 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 excitado.

Las formas de onda estacionaria 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 ₀ (cuya longitud de onda es ¹ ⁄ ₃ de la de f _o) también conducirá a un patrón de onda estacionaria. Por lo tanto, un elemento de antena también es resonante cuando su longitud es ^{de 3} ⁄ ₄ de longitud de onda. Esto es cierto para todos los múltiplos impares de ¹ ⁄ _{4 de} longitud de onda. Esto permite cierta flexibilidad de diseño en términos de longitudes de antena y puntos de alimentación. Se sabe que las antenas utilizadas de esta manera sonoperado armónicamente. Las antenas resonantes generalmente usan un conductor lineal (o elemento), o un par de dichos elementos, cada uno de los cuales tiene una longitud de 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), por lo general no es necesario sacrificar el rendimiento para obtener un tamaño físico más pequeño.

Distribución de corriente y tensión

Los elementos de cuarto de onda imitan un elemento eléctrico resonante en serie debido a la onda estacionaria presente a lo largo del conductor. A 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 el elemento tiene una reactancia 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 eficiencia más alta posible. Al contrario 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 radiación de la antena, así como a las pérdidas eléctricas reales.

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 (SWR) en la línea de alimentación.

Considere un dipolo de media onda diseñado para trabajar 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 de longitud a diámetro de 1000, tendrá una impedancia inherente de alrededor de 63 ohmios resistivos. Usando el cable de transmisión o balun apropiado, igualamos esa resistencia para asegurar una mínima reflexión de la señal. Alimentar esa antena con una corriente de 1 amperio requerirá 63 voltios, y la antena irradiará 63 vatios (ignorando las pérdidas) de potencia de radiofrecuencia. Ahora considere el caso cuando la antena recibe una señal con una longitud de onda de 1,25 m; en este caso, la corriente inducida por la señal llegaría al punto de alimentación de la antena desfasada con respecto a la señal, lo que provocaría una caída de la corriente neta mientras que el voltaje permanece 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 nuevo 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 solo 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: solo son útiles para un pequeño rango de frecuencias centradas alrededor de la(s) resonancia(s).

Antenas eléctricamente cortas

Es posible utilizar técnicas sencillas de adaptación de impedancias para permitir el uso de antenas monopolo o dipolo considerablemente más cortas que las1/ 4 o1/ 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 una 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.

Por ejemplo, a 30 MHz (10 m de longitud de onda) una resonancia verdadera1/ 4  El monopolo de onda tendría casi 2,5 metros de largo, y el uso de una antena de solo 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 alcanzar una longitud eléctrica de 2,5 metros. Sin embargo, la impedancia resistiva resultante será un poco más baja que la de un verdadero1/ 4  monopolo de onda (resonante), que a menudo requiere más adaptación de impedancia (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 de acuerdo con el cuadrado de la longitud de la antena), de modo que empeora el desajuste debido a una reactancia neta que se aleja 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 lo tanto, un ancho de banda reducido, que incluso puede volverse 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, implican una eficiencia eléctrica reducida, lo que puede ser motivo de gran preocupación para una antena transmisora, pero el ancho de banda es el factor principal.que establece el tamaño de las antenas en 1 MHz y frecuencias más bajas.

Matrices y reflectores

El flujo radiante en función de la distancia a la antena transmisora ​​varía según la ley del inverso del cuadrado, 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 captada 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 alrededor de 0,13 λvisto desde la dirección del costado. Si se necesita una mayor ganancia, no se puede simplemente hacer la antena más grande. Debido a la limitación 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 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 tiene un cortocircuito en el punto de alimentación, entonces se convierte en un elemento resonante de media onda que produce eficientemente una onda estacionaria en respuesta a una onda de radio incidente. Debido a que no hay carga para absorber ese poder, retransmite todo ese poder, 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 para 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.

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; la pluma es solo para soporte y no está involucrada eléctricamente. Solo 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 mucho 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 ciertas aplicaciones.

En lugar de usar un elemento de antena accionado junto con radiadores pasivos, se puede construir un conjunto de antenas en el que el transmisor acciona varios 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. Además, una matriz en fase se puede hacer "dirigible", es decir, al cambiar las fases aplicadas a cada elemento, el patrón de radiación se puede cambiar sinmoviendo físicamente los elementos de la antena. Otra antena de matriz común es la matriz de dipolo logarítmico-periódica que tiene una apariencia similar a la Yagi (con una cantidad de 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 choca contra una hoja conductora grande, se refleja (con la fase del campo eléctrico invertida) tal como un espejo refleja la luz. Colocar un reflector de este tipo detrás de una antena no 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. Asimismo, un reflector de esquina puede garantizar que toda la potencia de la antena se concentra en un solo cuadrante de espacio (o menos) con el consiguiente aumento de ganancia. En términos prácticos, el reflector no necesita ser una lámina de metal 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,efectos de superficie reflectante curva que enfocan una onda entrante hacia la 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 con la antena de lente.

Características

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

Banda ancha

El rango de frecuencia o ancho de banda en el que funciona bien una antena puede ser muy amplio (como en una antena logarítmica periódica) o estrecho (como en una pequeña antena de cuadro); 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 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. Lo más probable es que una red de adaptación no ajustable limite aún más el ancho de banda utilizable del sistema de antena. Puede ser deseable usar elementos tubulares, en lugar de alambres delgados, para hacer 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 radioaficionados 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 los cortes creados en elementos de antena largos. Cuando se usa en la frecuencia de resonancia 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 que se emplee la longitud completa del elemento roto, pero con una frecuencia resonante desplazada por la reactancia neta añadida 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 a la radiación, que representa la emisión de energía de la antena resonante al espacio libre.

La Q de una antena de banda estrecha puede ser tan alta como 15. Por otro lado, la reactancia a la misma frecuencia no resonante de una que usa elementos gruesos es mucho menor, lo que resulta en una Q tan baja como 5. Estas dos antenas puede funcionar de manera equivalente a la frecuencia resonante, pero la segunda antena funcionará en un ancho de banda 3 veces más ancho que la antena que consiste en un conductor delgado.

Las antenas para usar en rangos de frecuencia mucho más amplios se logran utilizando técnicas adicionales. El ajuste de una red de adaptación puede, en principio, permitir que cualquier antena se adapte a cualquier frecuencia. Por lo tanto, la pequeña antena de cuadro integrada en la mayoría de los receptores de transmisión de 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 periódicas no son resonantes en ninguna frecuencia única, pero pueden (en principio) construirse para lograr características similares (incluida la impedancia del punto de alimentación) en cualquier rango de frecuencia. Por lo tanto, estos se utilizan comúnmente (en forma de conjuntos de dipolos log-periódicos direccionales) como antenas de televisión.

Ganar

La ganancia es un parámetro que mide el grado de directividad del patrón de radiación de la antena. Una antena de alta ganancia irradiará la mayor parte de su potencia en una dirección particular, mientras que una antena de baja ganancia lo hará en un ángulo amplio. La ganancia de antena, o ganancia de potencia de una antena, se define como la relación de 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 al mismo distancia por una antena isotrópica hipotética que irradia la misma potencia en todas las direcciones. Esta relación adimensional se suele expresar logarítmicamente 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 solo 2,15 decibelios mayor que la ganancia en dBd

Las antenas de alta ganancia tienen la ventaja de un mayor alcance y una mejor calidad de señal, pero deben apuntar con cuidado a la otra antena. Un ejemplo de una 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.

Área efectiva o apertura

El área efectiva o apertura efectiva de una antena receptora expresa la porción de la potencia de una onda electromagnética que pasa 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 (10 vatios por metro cuadrado) y una antena tiene un área efectiva de 12 m, entonces la antena entregará 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 (analizada 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 pérdidas, es decir, cuya eficiencia eléctrica es del 100%. Puede demostrarse que su área efectiva promediada en todas las direcciones debe ser igual a λ /4π, la longitud de onda al cuadrado dividida por 4π. La ganancia se define de forma que la ganancia media en todas las direcciones para una antena con un 100 % de eficiencia eléctrica es igual a 1. Por lo tanto, el área efectiva A _eff en términos de la ganancia G en una dirección determinada 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. Un _eff es especialmente conveniente cuando se calcula la potencia que recibiría una antena de una ganancia específica, como se ilustra en el ejemplo anterior.

Patrón de radiación

El patrón de radiación de una antena es una gráfica de la resistencia al campo relativo 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 diagramas polares de las secciones transversales horizontal y vertical. 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 monopolos y dipolos, emiten el mismo poder en todas las direcciones horizontales, con el poder que cae en ángulos más altos y más bajos; esto se denomina patrón omnidireccional y, cuando se traza, parece un toro o una dona.

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 normalmente interfieren, provocando máximos en los ángulos en los que las ondas de radio llegan a puntos distantes en fase, y radiación cero en otros ángulos en los que 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 denomina " lóbulo principal ". Los otros lóbulos suelen representar radiación no deseada y se denominan " lóbulos laterales ". El eje a través del lóbulo principal se llama "" 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 las yagis polarizadas horizontalmente son más estrechas que las de las polarizadas verticalmente.

Regiones de campo

El espacio que rodea una antena se puede dividir en tres regiones concéntricas: el campo cercano reactivo (también llamado campo cercano inductivo), el campo cercano radiante (región de Fresnel) y 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 y no hay límites precisos.

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 en la dirección de la onda). propagación). Esto simplifica el análisis matemático del campo radiado.

Eficiencia

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 irradia se convierte en calor. Esto suele deberse a la pérdida de resistencia en los conductores de la antena o 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 la impedancia, que también puede reducir la cantidad de energía radiada utilizando un transmisor determinado. Si un medidor SWR lee 150 W de potencia incidente y 50 W de potencia reflejada, eso significa que la antena ha absorbido 100 W (ignorando las pérdidas de la línea de transmisión). La cantidad de esa potencia se ha irradiado no se puede determinar directamente mediante mediciones eléctricas en (o antes) los terminales de antena, pero requerirían (por ejemplo) una medición cuidadosa de la resistencia al campo. La resistencia a la pérdida y la eficiencia de una antena se pueden calcular una vez que se conoce la resistencia al campo, comparándola con la alimentación suministrada con la antena.

La pérdida de resistencia generalmente afectará la impedancia del punto de alimentación, añadiéndose a 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 entrega una corriente I a los terminales de una antena, entonces se radiará una potencia de I R _rad y una potencia de I R _loss se perderá en forma de calor. Por lo tanto, la eficiencia de una antena es igual aR _rad/(R _rad + R _pérdida). Solo se puede medir directamente la resistencia total R _rad + R _pérdida.

De acuerdo con 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 provocado por el hombre 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 está unos 28 dB por encima del umbral 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 la señal deseada y el ruido/interferencia de manera idéntica,

Las antenas cuyo tamaño no es una fracción significativa 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 baja. Esto tiene poco efecto sobre el rendimiento del receptor, sino que simplemente requiere una mayor amplificación por parte de la electrónica del receptor. Compare este diminuto componente con las torres masivas y muy altas que se utilizan en las estaciones de transmisión de AM para transmitir a 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 uno está tratando de radiar una señal hacia un receptor utilizando un transmisor de una potencia determinada, 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 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 rechazarinterferencia de diferentes direcciones, uno ya no se preocupa por la eficiencia de la antena, como se discutió anteriormente. En este caso, en lugar de citar la ganancia de la antena, uno estaría más preocupado por la ganancia directiva, o simplemente 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.

Polarización

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 un dipolo o una antena de látigo) orientada verticalmente dará como resultado una polarización vertical; si se gira de lado, la polarización de la misma antena será horizontal.

Los reflejos generalmente afectan la polarización. Las ondas de radio reflejadas en la ionosfera pueden cambiar la polarización de la onda. Para las comunicaciones de línea de vista 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 deficiente.

A veces, la polarización de una antena se puede deducir 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 en la tierra, aparece como un segmento de línea horizontal, por lo que su radiación recibida allí está polarizada horizontalmente. Pero vista desde un ángulo hacia abajo desde un avión, la misma antena nocumplir con 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 en una línea) como se mencionó anteriormente y la polarización circular (en la que los dos ejes de la elipse son iguales). En la polarización lineal, el campo eléctrico de la onda de radio oscila en una dirección. En la polarización circular, el campo eléctrico de la onda de radio gira alrededor del eje de propagación. Las ondas de radio polarizadas circulares o elípticamente se designan como diestras o zurdas utilizando la regla del "pulgar en la dirección de la propagación". Tenga en cuenta que para la polarización circular, los investigadores ópticos usan la regla de la mano derecha opuesta a la que usan los ingenieros de radio.

Es mejor 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 θ. Una antena con polarización circular se puede utilizar para adaptarse igualmente bien a 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.

Coincidencia de impedancia

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 (normalmente 50 ohmios) requerido para un funcionamiento eficiente y seguro 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 usa 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 igualar la impedancia que el transmisor (o receptor) espera. El ajuste busca minimizar la amplitud de las ondas estacionarias (medidas a través de la relación de ondas estacionarias; SWR) que genera un desajuste en la línea, y el aumento de pérdidas en la línea de transmisión que conlleva.

Sintonización de antena en la antena.

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

Aunque una antena puede diseñarse para tener una impedancia de punto de alimentación puramente resistiva (como un dipolo del 97% de la mitad de la longitud de onda), esto podría no ser exactamente cierto en la frecuencia en la que finalmente se usa. 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 puede usarse para cancelar una reactancia capacitiva o inductiva residual, respectivamente, y puede ser más conveniente que bajar la antena.

La reactancia de la antena se puede eliminar utilizando elementos agrupados, como capacitores 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 resuene. Además de esos complementos que neutralizan la reactancia, las antenas de cualquier tipo pueden incluir un balun en su punto de alimentación para transformar la parte resistiva de la impedancia para que coincida más con la impedancia característica de la línea de alimentación.

Coincidencia de línea en la radio

La sintonización de antena en el sentido amplio, realizada por un dispositivo de adaptación de impedancia (denominado algo inapropiadamente " sintonizador de antena ", o el término más antiguo y más 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 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 coincidente tendrá pérdidas de energía y restricciones de energía cuando se use para transmitir.

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

Ejemplos extremos de antenas pequeñas cargadas

En algunos casos, el emparejamiento 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.Pequeño “látigo” vertical

Por ejemplo, por razones prácticas, una "antena de látigo" se puede hacer significativamente más corta que un cuarto de longitud de onda y luego resonar, usando la llamada bobina de carga.

El inductor físicamente grande en la base de la antena tiene una reactancia inductiva que es opuesta a la reactancia capacitiva que tiene la antena vertical corta a la frecuencia operativa deseada. El resultado es una resistencia pura vista en el punto de alimentación de la bobina de carga; aunque, sin más medidas, la resistencia será algo menor de lo que se desearía para igualar el coaxial comercial.Pequeño bucle “magnético”

Otro caso extremo de adaptación de impedancia ocurre cuando se usa una pequeña antena de cuadro (generalmente, pero no siempre, para recibir) a una frecuencia relativamente baja, donde aparece casi como un inductor puro. Hacer resonar un inductor de este tipo con un capacitor a la frecuencia de operación no solo cancela la reactancia (sino que cuando resuena a través de un capacitor paralelo) magnifica en gran medida la resistencia de radiación muy pequeña de un bucle pequeño para producir una impedancia de punto de alimentación mejor adaptada.

Esto se implementa en la mayoría de los receptores de radiodifusión AM, con una pequeña antena de cuadro enrollada alrededor de una barra de ferrita (una antena de "bucle"), resonada por un condensador que se varía simultáneamente con la sintonización del receptor a una nueva frecuencia, para mantener la resonancia de la antena. a través de la banda de transmisión AM

Efecto de tierra

Los reflejos en el suelo son uno de los tipos comunes de trayectos múltiples.

El patrón de radiación e incluso la impedancia del punto de activación 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 (permitividad 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, lo que tiene un efecto adicional, particularmente en la impedancia vista por la línea de alimentación.

Cuando una onda electromagnética golpea una superficie plana como el suelo, parte de la onda se transmite al suelo y otra parte se refleja, de acuerdo con los coeficientes de Fresnel. Si la tierra es un muy buen conductor, casi toda la onda se refleja (desfasada 180°), mientras que una tierra modelada como un dieléctrico (con pérdidas) puede absorber una gran cantidad de energía 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.

Para frecuencias muy bajas a frecuencias altas (< 30 MHz), el suelo se comporta como un dieléctrico con pérdidas, por lo que el suelo se caracteriza tanto por una conductividad como por una permitividad (constante dieléctrica) que se puede medir para un suelo dado (pero está influenciada por fluctuaciones). niveles de humedad) o puede estimarse a partir de ciertos mapas. En frecuencias de onda media más bajas, la tierra actúa principalmente como un buen conductor, del cual 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 con polarización horizontal se refleja en el suelo, con una reflexión casi total en los ángulos rasantes importantes para la propagación de la onda de superficie. Esa onda reflejada, con su fase invertida, puede cancelar o reforzar la onda directa, según la altura de la antena en longitudes de onda y el ángulo de elevación (para una onda del cielo).

Por otro lado, la radiación polarizada verticalmente no es bien reflejada por el suelo excepto en incidencia rasante o sobre superficies altamente conductoras como el agua de mar. Sin embargo, la reflexión del ángulo rasante importante para la propagación de la onda de superficie, utilizando polarización vertical, está en fase con la onda directa, proporcionando un impulso 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. Eso es importante ya que estas frecuencias más altas generalmente dependen de la propagación de la línea de visión horizontal (excepto para las comunicaciones por satélite), el suelo se comporta casi como un espejo.

La calidad neta de un reflejo en el suelo depende de la topografía de la superficie. Cuando las irregularidades de la superficie son mucho más pequeñas que la longitud de onda, el régimen dominante es el de la 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, los reflejos no serán coherentes sino que se desplazarán 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 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, lo que inducirá un cambio de fase que a veces puede ser significativo. Cuando una antena de este tipo lanza una onda del cielo, 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 otra parte, la componente vertical del campo eléctrico de la onda se refleja en ángulos rasantes de incidencia 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 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 la 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. Esto puede ser un efecto bastante significativo cuando la antena está dentro de 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 inverso del cuadrado) 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 muysensible a la distancia exacta desde el suelo, ya que esto afecta la fase de la onda reflejada relativa a las corrientes en la antena. Cambiando la altura de la antena por un cuarto de longitud de onda, luego cambia la fase del reflejo por 180°, con un efecto completamente diferente en la impedancia de la antena.

La reflexión en el suelo tiene un efecto importante en el patrón de radiación de campo lejano neto en el plano vertical, es decir, en función del ángulo de elevación, que 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 con polarización vertical, 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 tan alta como 4 veces la debida solo a la onda directa (como cuando θ = 0), siguiendo el cuadrado del coseno. En cambio, la inversión de signo para la reflexión de la emisión polarizada horizontalmente da como resultado:

dónde:

• es el campo eléctrico que recibiría la onda directa si no hubiera tierra.
• θ es el ángulo de elevación de la ola que se está considerando.
• es la longitud de onda.
• es la altura de la antena (la mitad de la distancia entre la antena y su imagen).

Para la propagación horizontal entre las antenas de transmisión y recepción de las situadas cerca del suelo razonablemente lejos del otro, las distancias recorridas por los rayos directos y reflejados son casi las mismas. Casi no hay cambio de fase relativo. Si la emisión se polariza 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 polarización horizontal, hay cancelación en ese ángulo. Tenga en cuenta que las fórmulas anteriores y estas gráficas asumen que la tierra es un conductor perfecto. Estos gráficos 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 cual la mayoría de las transmisiones (transmisiones destinadas al público) utilizan polarización vertical. Para los receptores cerca del suelo, las transmisiones polarizadas horizontalmente sufren cancelación. Para una mejor recepción, las antenas receptoras de estas señales también están polarizadas verticalmente. En algunas aplicaciones en las que 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 verticales y horizontales) o polarización circular.

Por otra parte, las transmisiones de televisión analógica suelen estar polarizadas horizontalmente, ya que en las zonas urbanas los edificios pueden reflejar las ondas electromagnéticas y crear imágenes fantasma debido a la propagación por trayectos múltiples. Con la polarización horizontal, se reduce la imagen fantasma porque la cantidad de reflexión en la polarización horizontal desde el costado de un edificio es generalmente menor que en la dirección vertical. La televisión analógica polarizada verticalmente se ha utilizado en algunas áreas rurales. En la televisión digital terrestre, tales reflejos son menos problemáticos debido a la solidez de las transmisiones binarias y la corrección de errores.

Modelado de antenas con ecuaciones de línea

En primera aproximación, la corriente en una antena delgada se distribuyeexactamente como en una línea de transmisión. — Schelkunoff y Friis (1952)

El flujo de corriente en las antenas de alambre es idéntico a la solución de las ondas que se propagan en sentido contrario en una línea de transmisión, que se puede resolver utilizando las ecuaciones del telegrafista. Las soluciones de las 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 línea de transmisión se han abandonado en gran medida por el modelado de precisión, pero continúan siendo una fuente ampliamente utilizada de aproximaciones simples y útiles que describen bien los perfiles de impedancia de antenas

A diferencia de las líneas de transmisión, las corrientes en las antenas aportan energía al campo electromagnético, que se puede modelar utilizando la resistencia a la radiación.

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 (duplicando así el voltaje neto en el extremo) y su corriente en la fase opuesta (por lo tanto, corriente cero neta, donde, después de todo, no hay más 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 tan largo).

En una antena resonante, el punto de alimentación de la antena está en uno de esos nodos de voltaje. Debido a las discrepancias del modelo de la línea de transmisión, el voltaje de un cuarto de longitud de onda del nodo actual no esexactamente cero, pero está cerca de un mínimo y es pequeño en comparación con el voltaje mucho mayor en el extremo del conductor. Alimentar la antena en ese punto implica 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. Alimentar la antena en otros puntos implica un gran voltaje, por lo tanto, una gran impedancia y, por lo general, uno que es principalmente reactivo (bajo factor de potencia), que es una impedancia terrible para las líneas de transmisión disponibles. Por lo tanto, generalmente se desea que una antena funcione como un elemento resonante con cada conductor con una longitud de un cuarto de longitud de onda (u otro múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda).

Por ejemplo, un dipolo de media onda tiene dos elementos (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 llegar al punto donde la corriente de la antena y el (pequeño) voltaje del punto de alimentación están exactamente en fase. Entonces la antena presenta una impedancia puramente resistiva, e idealmente cercana a la impedancia característica de una línea de transmisión disponible. Sin embargo, las antenas resonantes tienen la desventaja de que logran resonancia (impedancia de punto de alimentación puramente resistiva) solo a una frecuencia fundamental, y quizás algunos de sus armónicos. 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.

Impedancia mutua e interacción entre antenas

Los campos eléctricos y magnéticos que emanan de un elemento de antena activado generalmente afectarán los voltajes y las corrientes en antenas, elementos de antena u otros conductores cercanos. Esto es particularmente cierto cuando el conductor afectado es un elemento resonante (múltiplo de media longitud de onda) a aproximadamente la misma frecuencia, como es el caso cuando los conductores son todos parte del mismo conjunto de antenas activas o pasivas. Debido a que los conductores afectados están en el campo cercano, uno no puede simplemente tratar dos antenas como si estuvieran transmitiendo y recibiendo una señal de acuerdo con la fórmula de transmisión de Friis, por ejemplo, sino que debe calcular la impedancia mutua.matriz que tiene en cuenta tanto las tensiones 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 una matriz en fase. Tal 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 vecindad.

A menudo, tales interacciones de campo cercano son indeseables y perniciosas. Las corrientes en objetos metálicos aleatorios cerca de una antena transmisora ​​a menudo serán conductores deficientes, lo que provocará una 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 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 estos, lo que permite que se controlen de forma independiente (pero en realidad con la misma señal en las fases de cuadratura en el diseño de la antena del torniquete).

Tipos de antena

Las antenas se pueden clasificar por principios de funcionamiento o por su aplicación. Diferentes autoridades colocaron antenas en categorías más estrechas o más amplias. Generalmente estos incluyen

• Antenas dipolo y monopolo
• Conjunto de antenas
• Antenas de cuadro
• Antenas de apertura
• Antenas de onda viajera

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, e incluso con más detalle en los artículos a los que se vinculan.