Antena (radio)

En ingeniería de radio, una antena (inglés americano) o aerial (inglés británico) es la interfaz entre las ondas de radio que se propagan por el espacio y las corrientes eléctricas que se mueven en conductores metálicos, utilizado 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 se pueden diseñar 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.

Antena dipole de media onda que recibe una onda de radio: El campo eléctrico (E) de la onda entrante empuja los electrones en las barras de ida y vuelta, y corrientes oscilantes (flechas negras) fluyen a través del receptor

Antena radiante ondas de radio: El transmisor aplica una corriente alterna (flechas rojas) a las barras, que las carga alternativamente positivas y negativas, emitiendo bucles de campo eléctrico. Tenga en cuenta que las flechas de los bucles se revierten cada vez que la polaridad actual cambia.

Terminología

Símbolo electrónico para una antena

Las palabras antena y antena se usan indistintamente. Ocasionalmente, el término equivalente "aéreo" se utiliza para referirse específicamente a una antena de cable horizontal elevada. El origen de la palabra antena relativa a 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 cable largo. suspendido 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.

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.

Resumen

Antenas del Atacama Gran Millímetro/submillímetro Array.

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.

Antena de látigo de un automóvil, un ejemplo común de antena omnidireccional.

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 algunas direcciones. 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 radia por igual en todos los ángulos verticales así como en todos los horizontales se denomina radiador isotrópico; sin embargo, estos no pueden existir en la práctica ni serían especialmente deseables. Para la mayoría de las comunicaciones terrestres, hay una ventaja en reducir la radiación hacia el cielo o el suelo a favor de la(s) dirección(es) horizontal(es). Una antena dipolo orientada horizontalmente no envía energía en la dirección del conductor, esto se 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.

Antena dipole de media onda

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.

Diagrama de los campos eléctricos (azul) y campos magnéticos (rojo) irradiado por una antena dipole ( negro barras) durante la transmisión.

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. Antena "ganancia" describe la concentración de energía radiada en un ángulo sólido particular del espacio. "Ganancia" es quizás un término elegido desafortunadamente, en comparación con amplificador "ganancia" lo 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 las direcciones no deseadas. A diferencia de los amplificadores, las antenas son eléctricamente "pasivas" dispositivos que conservan la energía total, y no hay aumento en la energía total por encima de la entregada por la fuente de energía (el transmisor), solo una distribución mejorada de ese total fijo.

Una matriz en fase consiste en 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 funcionar como un "conjunto de banda ancha" (direccional normal a una línea que conecta los elementos) o como una "matriz de fuego final" (direccional a lo largo de la línea que conecta los elementos). Los conjuntos de antenas pueden emplear cualquier tipo de antena básica (omnidireccional o débilmente direccional), como antenas dipolo, de bucle o de ranura. Estos elementos son a menudo idénticos.

Las antenas logarítmicas periódicas e independientes de la frecuencia emplean la autosimilitud para funcionar en una amplia gama de anchos de banda. El ejemplo más familiar 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).

A bajas frecuencias (como la transmisión AM), se utilizan conjuntos de torres verticales para lograr la 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 de radiación básica incrustada en todo el sistema de elementos reflectantes (normalmente en el foco del plato parabólico o en la garganta de una bocina) 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).

Antenas de la estación central móvil

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) que se utiliza para la adaptación de impedancia entre la antena y el transmisor o receptor. Esto se puede utilizar para minimizar las pérdidas en la línea de alimentación, 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 la mayoría de las características eléctricas de una antena, como las que se describen en la siguiente sección (p. ej., ganancia, patrón de radiación, impedancia, ancho de banda, frecuencia de resonancia y polarización), sean las mismas si la la antena está transmitiendo o recibiendo. Por ejemplo, el "patrón de recepción" (sensibilidad a las señales entrantes en función de la dirección) de una antena cuando se utiliza para la recepción es idéntico al patrón de radiación de la antena cuando está impulsado y funciona como un radiador, aunque las distribuciones de corriente y voltaje en la propia antena son diferentes para recibir y enviar. 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 transmisión. línea. El conductor, o elemento, está alineado con el campo eléctrico de la señal deseada, lo que normalmente significa que es perpendicular a la línea desde la antena hasta 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 1/4 de 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 mientras 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 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 alimentando un lado de un conductor de dos cable de transmisión 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 1/4 elemento 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.

La onda estacionaria se forma con este patrón deseado en la frecuencia operativa de diseño, f_o, y las antenas normalmente están diseñadas para ser de este tamaño. Sin embargo, alimentar ese elemento con 3 f_o (cuya longitud de onda es 1/3 el de f_o) también conducirá a un patrón de onda estacionaria. Por lo tanto, un elemento de antena es también resonante cuando su longitud es 3/4 de una longitud de onda. Esto es cierto para todos los múltiplos impares de 1/ 4 longitud de onda. Esto permite cierta flexibilidad de diseño en términos de longitudes de antena y puntos de alimentación. Se sabe que las antenas utilizadas de esta manera son operadas armónicamente. Las antenas resonantes suelen utilizar 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 a frecuencias más altas (UHF, microondas), normalmente no es necesario sacrificar el rendimiento para obtener un tamaño físico más pequeño.

Distribución de corriente y tensión

Olas de pie en una media ola dipole impulsada a su frecuencia resonante. Las ondas se muestran gráficamente por barras de color (rojo para tensión, V y azul para corriente, I) cuyo ancho es proporcional a la amplitud de la cantidad en ese punto en la antena.

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 en esa posición, el elemento tiene una magnitud de impedancia mínima, generando la corriente máxima para el voltaje mínimo. Esta es la situación ideal, porque produce la salida máxima para la entrada mínima, produciendo la eficiencia más alta posible. Al contrario 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 las pérdidas eléctricas convencionales de la producción. 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 (SWR) 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 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 fuera de fase con la señal, lo que provocaría que la corriente neta caiga 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 enviará una señal de manera eficiente 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

Antena CB móvil de carga central típica con bobina de carga

Es posible usar técnicas simples de adaptación de impedancia para permitir el uso de antenas monopolo o dipolo sustancialmente más cortas que 1/4 o 1/2 ola, 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; agregando una "bobina de carga" del tamaño apropiado – una inductancia en serie con reactancia igual y opuesta (positiva) – la reactancia capacitiva de la antena puede cancelarse dejando solo una resistencia pura.

A veces, la frecuencia resonante eléctrica resultante (más baja) de dicho sistema (antena más red correspondiente) se describe utilizando el concepto de longitud eléctrica, por lo que una antena utilizada a una frecuencia más baja que su frecuencia resonante se llama antena eléctricamente corta

Por ejemplo, a 30 MHz (10 m de longitud de onda) una verdadera resonancia 1/4 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 carga bobina. 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 verdadero 1/4 monopolo de onda (resonante), que a menudo requiere una mayor 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

Las antenas de matriz Yagi-Uda y log-periodic ("fishbone") como esta pila son ampliamente utilizadas en frecuencias VHF y UHF.

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 aproximadamente 0,13 λ² visto desde la dirección lateral. Si se necesita una mayor ganancia, no se puede simplemente hacer la antena más grande. Debido a la restricción sobre el 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 reducir la antena's ganancia 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 de manera eficiente 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 utilizar un elemento de antena controlado junto con radiadores pasivos, se puede construir una antena de matriz en la que el transmisor controla todos 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 una sola dirección. Lo que es más, 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 sin mover físicamente el elementos de 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 con 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 que de otro modo no sería direccional asegurará que la potencia que hubiera ido en su dirección se redirija hacia la dirección deseada, aumentando la ganancia de la antena en un factor de al menos 2. Asimismo, una esquina El reflector puede asegurar que toda la potencia de la antena se concentre 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, en la que una superficie reflectante curva efectúa el enfoque de 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 principal figura 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.

Ancho de banda

El rango de frecuencia o ancho de banda en el que una antena funciona bien 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.

Por lo general, 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 la 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 según 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 llegar a 15. Por otro lado, Por otro lado, la reactancia a la misma frecuencia fuera de resonancia de uno que usa elementos gruesos es mucho menor, lo que resulta en una Q tan bajo como 5. Estas dos antenas pueden 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 consta de 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.

Ganancia

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 poder en una dirección particular, mientras que una antena de baja ganancia se irradiará sobre un ángulo ancho. El ganancia de antena, o ganancia de energía de una antena se define como la relación de la intensidad (fuerza por superficie unidad) I{displaystyle Yo... radiada por la antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad Iiso{displaystyle Yo... radiada a la misma distancia por una hipotética antena isotrópica que irradia igual poder en todas las direcciones. Esta relación sin dimensiones se expresa generalmente logarítmicamente en decibeles, estas unidades se llaman decibels-isotropic (dBi)

Gd Bi=10log⁡ ⁡ IIiso{displaystyle G_{text{dBi}=10log {I over I_{text{iso},}

Una segunda unidad utilizada para medir la ganancia es la relación de la potencia irradiada por la antena a la potencia irradiada por una antena dipole de media onda Idipole{displaystyle Yo...; estas unidades se llaman decibels-dipole (dBd)

Gd Bd=10log⁡ ⁡ IIdipole{displaystyle G_{text{dBd}=10log {I over I_{text{dipole},}

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

Gd Bi.. Gd Bd+2.15{displaystyle G_{text{dBi}approx G_{text{dBd}+2.15,}

Las antenas de alta ganancia tienen la ventaja de un mayor alcance y una mejor calidad de señal, pero deben 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 / m² (10⁻¹² vatios por metro cuadrado) y una antena tiene un área efectiva de 12 m², la antena entregaría 12 pW de potencia de RF al receptor (30 microvoltios RMS a 75 ohmios). Dado que la antena receptora no es igualmente sensible a las señales recibidas desde todas las direcciones, el área efectiva es una función de la dirección hacia la fuente.

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

Aeff=λ λ 24π π G{displaystyle A_{mathrm {eff}={lambda ^{2} over 4pi },G}

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. A_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

Parcelas polares de las secciones horizontales de una (virtual) Yagi-Uda-antena. Esquema conecta puntos con 3 dB potencia de campo en comparación con un emisor ISO.

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 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 la misma potencia en todas las direcciones horizontales, y la potencia 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 generalmente representan 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, p. 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; 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.

Eficiencia

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 generalmente se debe 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, lo que también puede reducir la cantidad de energía radiada con un transmisor determinado. Si un medidor SWR lee 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 realmente radiada no se puede determinar directamente a través de 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 la pérdida 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 pérdida de resistencia generalmente afectará la impedancia del punto de alimentación, lo que se sumará 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 I actual a los terminales de una antena, entonces una potencia de I² R_rad se irradiará y una potencia de I² R_pérdida se perderá como calor. Por lo tanto, la eficiencia de una antena es igual a R_rad/(R_rad + R_pérdida). Solo la resistencia total R_rad + R_pérdida se puede medir directamente.

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 aproximadamente 28 dB por encima del piso de ruido térmico. En consecuencia, una antena con una pérdida de 20 dB (debido a la ineficiencia) tendría poco impacto en el rendimiento del ruido del sistema. La pérdida dentro de la antena afectará la señal prevista y el ruido/interferencia de manera idéntica, lo que no producirá una reducción en la relación señal/ruido (SNR).

Las antenas cuyo tamaño no es una fracción significativa de una longitud de onda son inevitablemente ineficientes 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 en el rendimiento del receptor, pero 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 radiodifusión 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 válido para una antena receptora a frecuencias muy altas (especialmente de 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 la interferencia de diferentes direcciones, ya no se preocupa por la eficiencia de la antena, como se mencionó anteriormente. En este caso, en lugar de citar la ganancia de antena, uno estaría más preocupado por la ganancia directiva, o simplemente directividad que no incluye la 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 coloca 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.

La polarización de una antena a veces 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 no cumple 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 con polarización circular o elíptica se designan como de mano derecha o de mano izquierda utilizando el "pulgar en la dirección de propagación" regla. 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 cos²θ. Se puede utilizar una antena polarizada circularmente para igualar 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, es posible que la impedancia coincidente deseada no se corresponda exactamente con la impedancia de salida dinámica del transmisor analizada como una impedancia de fuente, sino con el valor de diseño (normalmente 50 ohmios) necesario 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" el partido.

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 impedancia disponible). línea de transmisión).

Aunque una antena puede estar diseñada 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 se puede usar para cancelar una reactancia capacitiva o inductiva residual, respectivamente, y puede ser más conveniente que bajar y recortar o extender la antena y luego volver a levantarla.

La reactancia de la antena se puede eliminar utilizando elementos 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 el punto de alimentación. reactancia, como "spoke" cables radiales o cables paralelos en bucle; por lo tanto, ajuste realmente la antena a la resonancia. 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 sentido amplio, realizada por un dispositivo de adaptación de impedancia (denominado algo inapropiadamente "sintonizador de antena", o el término transmatch más antiguo y más apropiado) va más allá simplemente eliminando la reactancia e incluye la transformación de la resistencia restante para que coincida con la línea de alimentación y la radio.

Un problema adicional es hacer coincidir la impedancia resistiva restante con la impedancia característica de la línea de transmisión: una red de adaptación de impedancia general (un "sintonizador de antena" o ATU) tendrá al menos dos elementos ajustables para corregir ambos componentes de impedancia. Cualquier red 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, en frecuencias estándar; la expectativa de diseño es que una red coincidente se usará simplemente para 'ajustar' cualquier desajuste residual.

Ejemplos extremos de antenas pequeñas cargadas

En algunos casos, la coincidencia se realiza de una manera más extrema, no solo 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.

Corto vertical "whip"

Por ejemplo, por razones prácticas, se puede hacer una "anterior antena" significativamente más corta que un cuarto de longitud de onda y luego resonada, utilizando una llamada bobina de carga.

El ductor físicamente grande en la base de la antena tiene una reacción inductiva que es lo opuesto a la reacción capacitativa que la antena vertical corta tiene en la frecuencia operativa deseada. El resultado es una resistencia pura que se observa en el punto de alimentación de la bobina de carga; aunque, sin más medidas, la resistencia será algo menor de lo que se desea que coincida con el coax comercial.

Loop pequeño "magnético"

Otro caso extremo de impedancia coincidente ocurre cuando se utiliza una pequeña antena de bucle (normalmente, pero no siempre, para recibir) a una frecuencia relativamente baja, donde parece casi como un ductor puro. Cuando tal ductor es resonado a través de un condensador conectado en paralelo a través de su punto de alimentación, el condensador no sólo cancela la reacción, sino que también magnifica enormemente la pequeña resistencia a la radiación de un pequeño bucle para producir una resistencia de punto de alimentación mejor ajustada.

Este es el tipo de antena utilizada en la mayoría de los receptores portátiles de radio AM (excepto radios de coche): La antena AM estándar es un bucle de herida de alambre alrededor de una varilla ferrite (una "antena"). El bucle es resonado por un condensador de afinación acoplado, que se configura para coincidir con el afinado del receptor, con el fin de mantener el resonante de antena en la frecuencia de recepción elegida sobre la banda de transmisión AM.

Efecto de suelo

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 (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, 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, según 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 pueden medir para un suelo determinado (pero está influenciada por los niveles fluctuantes 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).

A 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 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 se refleja bien en 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.

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

En VHF y superior (> 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 entonces 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 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 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 con 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 rasantes de incidencia aproximadamente en fase. Estos cambios de fase se aplican también a una tierra modelada como un buen conductor eléctrico.

Las corrientes en una antena aparecen como imagen opuesto fase cuando se refleja en ángulos de pastoreo. Esto causa una inversión de fase para las ondas emitidas por una antena horizontalmente polarizada (centro) pero no para una antena verticalmente polarizada (izquierda).

Esto significa que una antena receptora "ve" una imagen de la antena emisora pero con 'invertida' corrientes (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 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 muy sensible 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:

SilencioEVSilencio=2SilencioE0SilencioSilencio#⁡ ⁡ ()2π π hλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )Silencio{displaystyle textstyle {left sometidaE_{V}right sometida=2left habitE_{0}right sometida,left sometidacos left({2pi h over lambda }sin theta right)right}}}}}

Por lo tanto, la potencia recibida puede ser tan alta como 4 veces debido 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:

SilencioEHSilencio=2SilencioE0SilencioSilenciopecado⁡ ⁡ ()2π π hλ λ pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio )Silencio{displaystyle textstyle {left sometidaE_{H}right sometida=2left habitE_{0}right sometida,left sometidasin left({2pi hover lambda }sin theta right)right}}}}}}

donde:

• E0{displaystyle scriptstyle {E_{0}} es el campo eléctrico que sería recibido por la onda directa si no hubiera terreno.
• Silencio es el ángulo de elevación de la onda que se está considerando.
• λ λ {displaystyle scriptstyle {lambda } es la longitud de onda.
• h{displaystyle scriptstyle {h} es la altura de la antena (la mitad de la distancia entre la antena y su imagen).

Patrones de radiación de antenas y sus imágenes reflejadas por el suelo. A la izquierda la polarización es vertical y siempre hay un máximo Silencio= 0. Si la polarización es horizontal a la derecha, siempre hay un cero para Silencio= 0.

Para la propagación horizontal entre antenas transmisoras y receptoras situadas cerca del suelo a una distancia razonable 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 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 que la mayoría de las transmisiones (transmisiones destinadas a la público) usa 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 otro lado, las transmisiones de televisión analógicas 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 la primera aproximación se distribuye la corriente en una antena delgada
exactamente como en una línea de transmisión. - Schelkunoff " Friis (1952)

El flujo de corriente en las antenas de cable es idéntico a la solución de ondas que se propagan en sentido contrario en una línea de transmisión de un solo conductor, que se puede resolver mediante 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 de la parte radiada, que se puede modelar mediante 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 el onda incidente 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 tensión a un cuarto de longitud de onda del extremo (si el elemento está en menos tanto tiempo).

En una antena resonante, el punto de alimentación de la antena está en uno de esos nodos de voltaje. Debido a las discrepancias de 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 de punto de alimentación relativamente baja.

La alimentación de 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 (o cualquier otro múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda).

Por ejemplo, un dipolo de media onda tiene dos de esos elementos (uno conectado a cada conductor de una línea de transmisión balanceada) de aproximadamente un cuarto de longitud de onda. Dependiendo de los conductores' diámetros, 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.

A pesar de estas propiedades útiles, las antenas resonantes tienen la desventaja de que logran la resonancia (impedancia del punto de alimentación puramente resistiva) solo 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 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 cercanas, elementos de antena u otros conductores. Esto es particularmente cierto cuando el conductor afectado es un elemento resonante (múltiplo de la mitad de la longitud de onda) a aproximadamente la misma frecuencia, como es el caso cuando todos los conductores son parte del mismo conjunto de antenas activas o pasivas.

Debido a que los conductores afectados están en el campo cercano, uno no puede no simplemente tratar dos antenas como transmisoras y receptoras de una señal de acuerdo con la fórmula de transmisión de Friis, por ejemplo, sino que debe calcular el 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. 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, estas interacciones de campo cercano son no deseadas 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

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