En la ingeniería de radio , una antena o antena es la interfaz entre las ondas de radio que se propagan a través del espacio y las corrientes eléctricas que se mueven en conductores metálicos, que se utilizan con un transmisor o receptor . [1] En la transmisión , un transmisor de radio suministra una corriente eléctrica a los terminales de la antena y la antena irradia la energía de la corriente en forma de ondas electromagnéticas (ondas de radio). En 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 una matriz de conductores ( elementos ), conectados eléctricamente al receptor o transmisor. Las antenas pueden diseñarse para transmitir y recibir ondas de radio en todas las direcciones horizontales por igual ( antenas omnidireccionales ), o preferentemente en una dirección particular ( antenas direccionales , de alta ganancia o de “haz”). Una antena puede incluir componentes no conectados al transmisor, reflectores parabólicos , bocinas o elementos parásitos , que sirven para dirigir las ondas de radio hacia un haz u otro patrón de radiación deseado .
Las primeras antenas fueron construidas en 1888 por el físico alemán Heinrich Hertz en sus experimentos pioneros para demostrar la existencia de ondas predichas por la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell . Hertz colocó antenas dipolo en el punto focal de los reflectores parabólicos tanto para transmitir como para recibir. [2] A partir de 1895, Guglielmo Marconi comenzó a desarrollar antenas prácticas para telegrafía inalámbrica de larga distancia, por lo que recibió un premio Nobel. [3]
Terminología
Las palabras antena y antena se utilizan indistintamente. Ocasionalmente, el término equivalente "antena" se utiliza 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 largas "antenas" de alambre suspendidas de un poste. [3] En italiano, un poste de tienda se conoce como l'antenna centrale , y el poste con el alambre se llama simplemente l'antenna . Hasta entonces, los elementos transmisores y receptores inalámbricos radiantes se conocían simplemente como "terminales". Debido a su prominencia, el uso de Marconi de la palabra antena se extendió entre los investigadores y entusiastas de la tecnología inalámbrica, y luego entre el público en general. [4] [5] [6]
Antena puede referirse en términos generales a un conjunto completo, incluida la estructura de soporte, el gabinete (si lo hubiera), etc., además de los componentes funcionales reales. Una antena receptora puede incluir no solo los elementos receptores metálicos pasivos, sino también un preamplificador o mezclador integrado , especialmente en y por encima de las frecuencias de microondas .
Descripción general
Cualquier receptor o transmisor de radio requiere antenas para acoplar su conexión eléctrica al campo electromagnético. [8] Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que transportan señales a través del aire (o del espacio) a la velocidad de la luz sin casi ninguna pérdida de transmisión .
Las antenas se pueden clasificar como omnidireccionales , que irradian energía aproximadamente por igual en todas las direcciones, o direccionales , donde la energía irradia más en una dirección que en otras. (Las antenas son recíprocas, por lo que ocurre el mismo efecto para la recepción de ondas de radio). Una antena omnidireccional completamente uniforme no es físicamente posible. Algunos tipos de antenas tienen un patrón de radiación uniforme en el plano horizontal, pero envían poca energía hacia arriba o hacia abajo. Una antena "direccional" generalmente está destinada a maximizar su acoplamiento al campo electromagnético en la dirección de la otra estación.
Una antena vertical o una antena de látigo irradia en todas las direcciones horizontalmente, pero envía menos energía hacia arriba o hacia abajo. De manera similar, una antena dipolo orientada horizontalmente envía poca energía en vectores de dirección paralelos al conductor; esta región se llama antena nula.
La antena dipolo, que es la base para la mayoría de los diseños de antenas, es un componente balanceado , con tensiones y corrientes iguales pero opuestas aplicadas en sus dos terminales. La antena vertical es una antena monopolo , no balanceada con respecto a tierra. La tierra (o cualquier superficie conductora grande) juega el papel del segundo conductor de un dipolo. Dado que las antenas monopolo dependen de una superficie conductora, se pueden montar con un plano de tierra para aproximar el efecto de estar montadas en la superficie de la Tierra.
Las antenas más complejas aumentan la directividad de la antena. Los elementos adicionales en la estructura de la antena, que no necesitan conectarse directamente al receptor o transmisor, aumentan su direccionalidad. La "ganancia" de la antena describe la concentración de energía radiada en un ángulo sólido particular del espacio. "Ganancia" es quizás un término elegido por desgracia, en comparación con "ganancia" de amplificador, que implica un aumento neto de potencia. Por el contrario, para la "ganancia" de la 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 suministrada por la fuente de alimentación (el transmisor), solo una mejor distribución 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 una serie de antenas dipolo paralelas con un cierto espaciado. 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 un "conjunto de fuego final" (direccional a lo largo de la línea que conecta el elementos). Los conjuntos de antenas pueden emplear cualquier tipo de antena básica (omnidireccional o débilmente direccional), como antenas dipolo, de bucle o de ranura. Estos elementos suelen ser idénticos.
Una red de dipolos log-periódica consta de varios elementos de dipolos de diferentes longitudes para obtener una antena algo direccional que tiene un ancho de banda extremadamente amplio. Las antenas dipolo que lo componen se consideran "elementos activos" ya que están todos conectados eléctricamente entre sí (ya la línea de transmisión). Una antena Yagi-Uda (o simplemente "Yagi"), tiene un solo elemento dipolo con una conexión eléctrica; los otros elementos parásitos interactúan con el campo electromagnético para realizar una antena direccional en un ancho de banda estrecho. Puede haber varios denominados "directores" delante del elemento activo en la dirección de propagación, y uno o más "reflectores" en el lado opuesto del elemento activo.
Se puede obtener una mayor direccionalidad utilizando técnicas de formación de haz como un reflector parabólico o una bocina. Dado que la alta directividad en una antena depende de que sea grande en comparación con la longitud de onda, los haces estrechos de este tipo se logran más fácilmente en las frecuencias de UHF y microondas.
A bajas frecuencias (como la transmisión de AM ), se utilizan conjuntos de torres verticales para lograr la direccionalidad [9] y ocuparán grandes áreas de tierra. 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 bucle pequeño funcionan bien, y el principal desafío de diseño es la adaptación de impedancia . Con una antena vertical, se puede emplear una bobina de carga en la base de la antena para cancelar la componente reactiva de la impedancia ; Las antenas de bucle pequeño están sintonizadas con condensadores en paralelo 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 una bocina) que podría considerarse el único elemento activo en ese sistema de antena. También se puede alimentar una antena de microondas directamente desde una guía de ondas en lugar de una línea de transmisión (conductora) .
Un contrapeso de antena , o plano de tierra , es una estructura de material conductor que mejora o sustituye a la tierra. Puede estar conectado o aislado del suelo natural. En una antena monopolo, esto ayuda en la función del suelo natural, particularmente cuando las variaciones (o limitaciones) de las características del suelo natural interfieren con su función adecuada. Una estructura de este tipo está normalmente conectada a la conexión de retorno de una línea de transmisión desequilibrada, como el blindaje de un cable coaxial .
Un refractor de ondas electromagnéticas en algunas antenas de apertura es un componente que debido a su forma y posición funciona para retrasar o hacer avanzar selectivamente porciones del frente de ondas electromagnéticas que lo atraviesan. El refractor altera las características espaciales de la onda en un lado con respecto al otro lado. Puede, por ejemplo, enfocar la onda o alterar el frente de onda de otras 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 igualar la impedancia entre la antena y el transmisor o receptor. Esto puede usarse para mejorar la relación de ondas estacionarias con el fin de minimizar las pérdidas en la línea de transmisión y presentar al transmisor o receptor con una impedancia resistiva estándar que espera ver para un funcionamiento óptimo.
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 resonante y polarización , sean las mismas tanto si la antena está transmitiendo como si está recibiendo . [10] [11] 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. Esta es una consecuencia del teorema de reciprocidad de los electromagneticos. [11] Por lo tanto, en las discusiones sobre las propiedades de la antena no se suele hacer 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 , hechos de materiales no recíprocos como la ferrita . [10] [11] Estos pueden usarse para darle a la antena un comportamiento diferente en la recepción que en la transmisión, [10] lo cual 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 una manera similar a la forma en que se refleja la luz cuando cambian las propiedades ópticas. En estos diseños, la superficie reflectante se crea por el extremo 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 está conectado 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 desde la antena a la fuente (o receptor en el caso de una antena de transmisión). [12]
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 tiene 1 ⁄ 4 de longitud de onda, la corriente desde el punto de alimentación sufrirá un cambio de fase de 90 grados cuando llegue al final del conductor, se reflejará 180 grados y luego otros 90 grados a medida que regrese. 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 a partir de la fuente en ese instante. Este proceso crea una onda estacionaria en el conductor, con la máxima corriente en la alimentación. [13]
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 alimentando un lado de un cable de transmisión de dos conductores. La disposición física de los dos elementos los coloca 180 grados fuera de fase, lo que significa que en un instante dado uno de los elementos está impulsando corriente hacia 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 impracticablemente grande. Otro diseño común es el dipolo plegado que consta de dos (o más) dipolos de media onda colocados uno al lado del otro y conectados en sus extremos, pero solo uno de los cuales es impulsado.
Las formas de onda estacionaria con este patrón deseado a la frecuencia de funcionamiento de diseño, f O , y las antenas están normalmente diseñados para ser de este tamaño. Sin embargo, alimentar ese elemento con 3 f 0 (cuya longitud de onda es 1 / 3 que de f o ) también dará lugar a un patrón de onda estacionaria. Por lo tanto, un elemento de antena también esresonante cuando su longitud es 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 funcionan armónicamente . [14] Las antenas resonantes usualmente usan un conductor lineal (o elemento ), o un par de tales elementos, cada uno de los cuales tiene aproximadamente un cuarto de la longitud de onda (un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda también será resonante). Las antenas que deben ser pequeñas en comparación con la eficiencia de sacrificio de longitud de onda 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 intercambiar 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. En la frecuencia de resonancia, la onda estacionaria tiene un pico de corriente y un nodo de voltaje (mínimo) en la alimentación. En términos eléctricos, esto significa que el elemento tiene una reactancia mínima , generando la corriente máxima para un voltaje mínimo. Ésta es la situación ideal, porque produce la máxima salida para la mínima entrada, produciendo la mayor eficiencia posible. A diferencia de un circuito resonante en serie ideal (sin pérdidas), permanece una resistencia finita (correspondiente al voltaje relativamente pequeño en el punto de alimentación) debido a la resistencia a la 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 estaría aproximadamente a 50 cm de punta a punta. Si el elemento tiene una relación de longitud a diámetro de 1000, tendrá una impedancia inherente de aproximadamente 63 ohmios resistivos. Usando el cable de transmisión apropiado o balun, 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. Consideremos ahora el caso en el que la antena recibe una señal con una longitud de onda de 1,25 m; en este caso, la corriente inducida por la señal llegaría al punto de alimentación de la antena fuera de fase con la señal, provocando que la corriente neta caiga mientras el voltaje permanece igual. Eléctricamente, esto parece ser una impedancia muy alta. La antena y la línea de transmisión ya no tienen la misma impedancia y la señal se reflejará nuevamente en la antena, reduciendo 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 final es que la antena resonante alimentará de manera eficiente una señal en la línea de transmisión solo cuando la frecuencia de la señal fuente esté cerca de la frecuencia de diseño de la antena, o una de las múltiples resonantes. Esto hace que los diseños de antenas resonantes sean intrínsecamente 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 simples de adaptación de impedancia para permitir el uso de antenas monopolo o dipolo sustancialmente más cortas que las 1 ⁄ 4 o 1 ⁄ 2 de longitud de onda, respectivamente, a la que resuenan. A medida que estas antenas se acortan (para una frecuencia determinada), su impedancia pasa a estar dominada por una reactancia capacitiva (negativa) en serie; mediante la adición de un tamaño apropiado “ bobina de carga ” - una inductancia en serie con la reactancia igual y opuesta (positiva) - reactancia capacitiva de la antena puede ser cancelada dejando sólo 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 [15]
Por ejemplo, a 30 MHz (10 m de longitud de onda) un verdadero resonante El monopolo de 1 ⁄ 4 de longitud 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 para lograr una longitud eléctrica de 2,5 metros. Sin embargo, la impedancia resistiva resultante lograda será bastante menor que la de un verdadero Monopolar de 1 ⁄ 4 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 según el cuadrado de la longitud de la antena), de modo que empeora el desajuste debido a una reactancia neta alejada de la resonancia eléctrica. O también se podría decir que el circuito resonante equivalente del sistema de antena tiene un factor Q más altoy, por lo tanto, un ancho de banda reducido, [15] 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 de gran preocupación para una antena transmisora, pero el ancho de banda es el factor principal [ dudoso ] [ dudoso ] que establece el tamaño de las antenas a 1 MHz y frecuencias más bajas.
Matrices y reflectores
La cantidad de señal recibida de una fuente de transmisión distante es de naturaleza esencialmente geométrica debido a la ley del cuadrado inverso , y esto conduce al concepto de área efectiva . Mide el rendimiento de una antena comparando la cantidad de energía que genera con la cantidad de energía en la señal original, medida en términos de densidad de potencia de la señal en vatios por metro cuadrado. Un dipolo de media onda tiene un área efectiva de. Si se necesita más rendimiento, no se puede simplemente agrandar la antena. Aunque esto interceptaría más energía de la señal, debido a las consideraciones anteriores, disminuiría significativamente la salida debido a que se aleja de la longitud resonante. En roles donde se necesita un mayor rendimiento, los diseñadores a menudo usan múltiples elementos combinados.
Volviendo al concepto básico de los flujos de corriente en un conductor, considere lo que sucede si un dipolo de media onda no está conectado a un punto de alimentación, sino en cortocircuito. Eléctricamente, esto forma un solo 1 ⁄ 2 elemento de longitud de onda. Pero el patrón actual general es el mismo; la corriente será cero en los dos extremos y alcanzará un máximo en el centro. Por lo tanto, las señales cercanas a la frecuencia de diseño continuarán creando un patrón de onda estacionaria. Cualquier corriente eléctrica variable, como la onda estacionaria en el elemento, irradiará una señal. En este caso, además de las pérdidas resistivas en el elemento, la señal de retransmisión será significativamente similar a la señal original tanto en magnitud como en forma. Si este elemento se coloca de manera que su señal llegue al dipolo principal en fase, reforzará la señal original y aumentará la corriente en el dipolo. Los elementos utilizados de esta manera se conocen como " elementos pasivos ".
Una matriz Yagi-Uda utiliza elementos pasivos para aumentar considerablemente la ganancia. Está construido a lo largo de un brazo de soporte que apunta hacia la señal y, por lo tanto, no ve ninguna señal inducida y no contribuye al funcionamiento de la antena. El extremo más cercano a la fuente se denomina frontal. Cerca de la parte trasera hay un solo elemento activo, típicamente un dipolo de media onda o un dipolo plegado. Los elementos pasivos se disponen delante ( directores ) y detrás ( reflectores ) del elemento activo a lo largo del brazo. El Yagi tiene la cualidad inherente de que se vuelve cada vez más direccional y, por lo tanto, tiene una mayor ganancia a medida que aumenta el número de elementos. Sin embargo, esto también lo hace cada vez más sensible a los cambios de frecuencia; si la frecuencia de la señal cambia, el elemento activo no solo recibe menos energía directamente, sino que todos los elementos pasivos que se agregan a esa señal también disminuyen su salida y sus señales ya no llegan al elemento activo en fase.
También es posible utilizar múltiples elementos activos y combinarlos con líneas de transmisión para producir un sistema similar donde las fases se suman para reforzar la salida. El conjunto de antenas y el conjunto de antenas reflectantes muy similares constan de varios elementos, a menudo dipolos de media onda, espaciados en un plano y conectados entre sí con líneas de transmisión con longitudes de fase específicas para producir una única señal en fase en la salida. La antena logarítmica-periódica es un diseño más complejo que usa múltiples elementos en línea similares en apariencia a la Yagi-Uda pero usando líneas de transmisión entre los elementos para producir la salida.
La reflexión de la señal original también ocurre cuando golpea una superficie conductora extendida, de manera similar a un espejo. Este efecto también se puede utilizar para aumentar la señal mediante el uso de un reflector , normalmente colocado detrás del elemento activo y espaciado para que la señal reflejada llegue al elemento en fase. Generalmente, el reflector seguirá siendo muy reflectante incluso si no es sólido; huecos menores que 1 ⁄ 10 generalmente tienen poco efecto sobre el resultado. Por este motivo, los reflectores suelen adoptar la forma de mallas de alambre o hileras de elementos pasivos, lo que los hace más ligeros y menos sujetos a los efectos de la carga del viento , de especial importancia cuando se montan en elevaciones más elevadas con respecto a las estructuras circundantes. El reflector parabólico es quizás el ejemplo más conocido de una antena basada en reflector, que tiene un área efectiva mucho mayor que el elemento activo solo.
Modelado de antenas con ecuaciones lineales
Las ecuaciones que gobiernan el flujo de corriente en las antenas de alambre son idénticas a las ecuaciones del telegrafista , [16] : 7-10 [17] : 232 por lo que los segmentos de antena se pueden modelar como líneas de transmisión de dos vías y un solo conductor. La antena se divide en múltiples segmentos de línea, teniendo cada segmento parámetros de la línea primaria aproximadamente constante, R , L , C , y G , y dividiendo la corriente en cada unión basado en la impedancia. [a]
En la punta del cable de la antena, la impedancia de la línea de transmisión es esencialmente infinita (de manera equivalente, la admitancia es casi cero) y la onda inyectada en el punto de alimentación invierte la dirección, fluyendo hacia el punto de alimentación. La combinación de ondas superpuestas y dirigidas de manera opuesta forma las ondas estacionarias familiares más a menudo consideradas para la construcción práctica de antenas. Además, se producen reflejos parciales dentro de la antena donde siempre hay una impedancia no coincidente en la unión de dos o más elementos, y estas ondas reflejadas también contribuyen a las ondas estacionarias a lo largo de la longitud de los cables. [16] [17] Cuando la antena es resonante, las ondas estacionarias se fijan en su posición; cuando no son resonantes, las ondas de corriente y voltaje se desvían entre sí, siempre con corriente cero en la punta, pero por lo demás con relaciones de fase complicadas que se desplazan a lo largo del cable con el tiempo.
Caracteristicas
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 interesarían al usuario al seleccionar o diseñar una antena para una aplicación particular. Un gráfico de las características direccionales en el espacio que rodea a la antena es su patrón de radiación .
Banda ancha
El rango de frecuencia o ancho de banda sobre el que funciona bien una antena puede ser muy amplio (como en una antena logarítmica periódica) o estrecho (como en una antena de cuadro pequeño); fuera de este rango, la impedancia de la antena no coincide con la línea de transmisión y el transmisor (o receptor). El uso de la antena lejos de su frecuencia de diseño afecta su patrón de radiación , reduciendo su ganancia directiva.
Generalmente, una antena no tendrá una impedancia en el punto de alimentación que coincida con la de una línea de transmisión; una red 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 imponga límites adicionales al ancho de banda utilizable del sistema de antena. Puede ser deseable utilizar elementos tubulares, en lugar de alambres delgados, para hacer una antena; estos permitirán un mayor ancho de banda. O bien, se pueden agrupar varios alambres 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 las roturas creadas en elementos de antena largos. Cuando se usa a la frecuencia de resonancia particular de la trampa, la trampa presenta una impedancia muy alta (resonancia paralela) truncando efectivamente el elemento en la ubicación de la trampa; si se coloca correctamente, el elemento truncado crea una antena resonante adecuada a la frecuencia de la trampa. A frecuencias sustancialmente más altas o más bajas, la trampa permite que se emplee la longitud total del elemento roto, pero con una frecuencia de resonancia 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 desde 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 de resonancia apagada de una que usa elementos gruesos es mucho menor, por lo que resulta en una Q tan baja como 5. Estas dos antenas puede funcionar de manera equivalente a la frecuencia de resonancia, pero la segunda antena funcionará en un ancho de banda 3 veces más ancho que la antena que consiste en un conductor delgado.
Las antenas para su uso 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 antena de cuadro pequeña incorporada 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 según la sintonización del receptor. Por otro lado, las antenas log-periódicas no resuenan a ninguna frecuencia, pero pueden 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 logarítmicos 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 irradiará sobre un gran ángulo. La ganancia de antena , o ganancia de potencia de una antena, se define como la relación entre la intensidad (potencia por unidad de superficie) radiada por la antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad Radiado a la misma 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 "decibeles-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 denominan "decibelios-dipolo" (dBd)
Dado que la ganancia de un dipolo de media onda es 2,15 dBi y el logaritmo de un producto es aditivo, la ganancia en dBi es solo 2,15 decibeles mayor que la ganancia en dBd
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 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 parte 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 a un lugar determinado tiene un flujo de 1 pW / m 2 (10 -12 vatios por metro cuadrado) y una antena tiene un área efectiva de 12 m 2 , a continuación, la antena entregaría 12 pW de RF alimentación al receptor (30 microvoltios RMS a 75 ohmios). Dado que la antena receptora no es igualmente sensible a las señales recibidas de todas las direcciones, el área efectiva es una función de la dirección a la fuente.
Debido a la reciprocidad (discutida anteriormente), la ganancia de una antena usada para transmitir debe ser proporcional a su área efectiva cuando se usa para recibir. Considere una antena sin pérdidas , es decir, una cuya eficiencia eléctrica es del 100%. Se puede demostrar que su área efectiva promediada en todas las direcciones debe ser igual a λ 2 / 4π , la longitud de onda al cuadrado dividida por 4π . La ganancia se define de 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:
Para una antena con una eficiencia de menos del 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. Por tanto, se trata 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 especificada, como se ilustra en el ejemplo anterior.
Patrón de radiación
El patrón de radiación de una antena es un gráfico de la intensidad de campo relativa de las ondas de radio emitidas por la antena en diferentes ángulos en el campo lejano. Por lo general, se representa mediante un gráfico tridimensional o gráficos polares de las secciones transversales 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 los monopolos y dipolos , emiten la misma potencia en todas las direcciones horizontales, disminuyendo la potencia en ángulos más altos y más bajos; esto se llama patrón omnidireccional y cuando se traza parece un toro o una rosquilla.
La radiación de muchas antenas muestra un patrón de máximos o " lóbulos " en varios ángulos, separados por " nulos ", ángulos donde la radiación cae a cero. Esto se debe a que las ondas de radio emitidas por diferentes partes de la antena típicamente interfieren , causando máximos en ángulos donde las ondas de radio llegan a puntos distantes en fase , y radiación cero en otros ángulos donde las ondas de radio llegan fuera de fase . En una antena direccional diseñada para proyectar ondas de radio en una dirección particular, el lóbulo en esa dirección está diseñado más grande que los demás y se llama " lóbulo principal ". Los otros lóbulos generalmente representan radiación no deseada y se denominan " lóbulos laterales ". El eje que pasa por el lóbulo principal se denomina " eje principal " o " eje de puntería ".
Los diagramas polares (y por lo tanto la eficiencia y la ganancia) de las antenas Yagi son más ajustados si la antena está sintonizada para un rango de frecuencia más estrecho, por ejemplo, la antena agrupada en comparación con la banda ancha. De manera similar, las gráficas polares de los yagis polarizados horizontalmente son más ajustadas que las de los polarizados verticalmente. [18]
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 el 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 existen límites precisos.
La región de campo lejano está lo suficientemente lejos de la antena para ignorar su tamaño y forma: se puede suponer que la onda electromagnética es puramente una onda plana radiante (los campos eléctricos y magnéticos están en fase y perpendiculares entre sí y a la dirección de 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 energía 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 pérdida entre el reflector y la bocina de alimentación de una antena parabólica.
La eficiencia de la antena es independiente de la adaptación de impedancia , que también puede reducir la cantidad de energía radiada con un transmisor determinado. Si un medidor de ROE 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 que se ha irradiado realmente no se puede determinar directamente mediante mediciones eléctricas en (o antes) de los terminales de la antena, pero requeriría (por ejemplo) una medición cuidadosa de la intensidad del campo . La resistencia a 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 resistencia a la pérdida generalmente afectará la impedancia del punto de alimentación, aumentando su componente resistivo. Esa resistencia consistirá en la suma de la resistencia a la radiación R r y la resistencia a la pérdida R pérdida . Si se envía una corriente I a los terminales de una antena, entonces se irradiará una potencia de I 2 R r y una potencia de pérdida de I 2 R se perderá en forma de calor. Por lo tanto, la eficiencia de una antena es igual a R r ⁄( R r + R pérdida ). Solose puede medir directamente lapérdidatotal de resistenciaRr+R.
Según la reciprocidad , la eficiencia de una antena utilizada como antena receptora es idéntica a su eficiencia como antena transmisora, descrita anteriormente. La potencia que una antena entregará a un receptor (con una impedancia adecuada ) se reduce en la misma cantidad. En algunas aplicaciones de recepción, las antenas muy ineficientes pueden tener poco impacto en el rendimiento. A bajas frecuencias, por ejemplo, el ruido atmosférico o provocado por el hombre puede enmascarar la ineficacia de la antena. Por ejemplo, CCIR Rep. 258-3 indica que el ruido artificial en un entorno residencial a 40 MHz está aproximadamente a 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 deseada y el ruido / interferencia de manera idéntica, lo que no provocará una reducción en la relación señal / ruido (SNR).
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 pobre. Esto tiene poco efecto en el rendimiento del receptor, pero simplemente requiere una mayor amplificación por parte de la electrónica del receptor. Compare este pequeño componente con las torres enormes y muy altas que se utilizan en las estaciones de transmisión de AM para transmitir a la misma frecuencia, donde cada punto porcentual de eficiencia de antena reducida implica un costo sustancial.
La definición de ganancia de antena o ganancia de potencia ya incluye el efecto de la eficiencia de la antena. Por lo tanto, si uno está tratando de irradiar una señal hacia un receptor usando un transmisor de una potencia dada, solo necesita comparar la ganancia de varias antenas en lugar de considerar también la eficiencia. Esto también es cierto para una antena receptora a frecuencias muy altas (especialmente microondas), donde el punto es recibir una señal que sea fuerte en comparación con la temperatura de ruido del receptor. Sin embargo, en el caso de una antena direccional utilizada para recibir señales con la intención de rechazar la interferencia 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 de la directiva , o simplemente por la directividad que no incluye el efecto de la (in) eficiencia de la antena. La ganancia directiva de una antena se puede calcular a partir de la ganancia publicada dividida por la eficiencia de la antena. En forma de ecuación, ganancia = directividad × eficiencia.
Polarización
La polarización de una antena se refiere a la orientación del campo eléctrico de la onda de radio que transmite, y está determinada por la estructura física de la antena y su orientación. Por ejemplo, una antena compuesta por un conductor lineal (como un dipolo o una antena de látigo ) orientado verticalmente dará como resultado una polarización vertical; si se 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 comunicaciones con línea de visión o propagación de ondas terrestres , las transmisiones polarizadas horizontal o verticalmente generalmente permanecen aproximadamente en el mismo estado de polarización en la ubicación de recepción. El uso de una antena polarizada verticalmente para recibir una onda polarizada horizontalmente (o viceversa) da como resultado una recepción relativamente pobre.
La polarización de una antena a veces se puede inferir directamente de su geometría. Cuando los conductores de la antena, vistos desde una ubicación de referencia, aparecen a lo largo de una línea, entonces la polarización de la antena será lineal en esa misma dirección. En el caso más general, la polarización de la antena debe determinarse mediante análisis . Por ejemplo, una antena de torniquete montada horizontalmente (como es habitual), desde 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 en ángulo descendente 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 de campo eléctrico traza una elipse . Dos casos especiales son la polarización lineal (la elipse se colapsa en una línea) como se discutió anteriormente, y la polarización circular (en la que los dos ejes de la elipse son iguales). En polarización lineal, el campo eléctrico de la onda de radio oscila en una dirección. En polarización circular, el campo eléctrico de la onda de radio gira alrededor del eje de propagación. Las ondas de radio circulares o polarizadas elípticamente se designan como diestras o zurdas usando la regla de "pulgar en la dirección de propagación". Tenga en cuenta que para la polarización circular, los investigadores ópticos utilizan la regla de la mano derecha opuesta [ cita requerida ] de la utilizada por 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 2 θ. Se puede usar una antena polarizada circularmente para igualar bien las polarizaciones lineales verticales u horizontales, sufriendo una reducción de señal de 3 dB . Sin embargo, estará ciego a una señal polarizada circularmente de la orientación opuesta.
Emparejamiento 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 complejo conjugado de la impedancia del receptor o transmisor. Sin embargo, en el caso de un transmisor, la impedancia de adaptación deseada podría no corresponder con la impedancia de salida dinámica del transmisor analizada como una impedancia de fuente, sino más bien con el valor de diseño (típicamente 50 ohmios) requerido para un funcionamiento eficiente y seguro de los circuitos de transmisión . La impedancia prevista es normalmente resistiva, pero un transmisor (y algunos receptores) pueden tener ajustes adicionales para cancelar una cierta cantidad de reactancia con el fin de "modificar" la coincidencia. Cuando se utiliza una línea de transmisión entre la antena y el transmisor (o receptor), generalmente se desea un sistema de antena cuya impedancia sea resistiva y cercana a la impedancia característica de esa línea de transmisión para minimizar la relación de onda estacionaria (SWR) y la aumento de las pérdidas en la línea de transmisión que conlleva, además de igualar la impedancia que espera el transmisor (o receptor).
La sintonización de la antena, en el contexto de la modificación de la antena en sí, generalmente se refiere solo a la cancelación de cualquier reactancia vista en los terminales de la antena, dejando solo una impedancia resistiva que puede o no ser exactamente la impedancia deseada (la de la línea de transmisión). Aunque una antena puede estar diseñada para tener una impedancia de punto de alimentación puramente resistiva (como un dipolo de 97% de media longitud de onda), esto podría no ser exactamente cierto a la frecuencia a la que finalmente se usa. En algunos casos, la longitud física de la antena se puede "recortar" para obtener una resistencia pura. Por otro lado, la adición de una inductancia en serie o una capacitancia en paralelo se puede utilizar para cancelar una reactancia capacitiva o inductiva residual, respectivamente. La sintonización de la antena utilizada en el contexto de un dispositivo de adaptación de impedancia llamado sintonizador de antena implica tanto la eliminación de la reactancia como la transformación de la resistencia restante para que coincida con la radio o la línea de alimentación.
En algunos casos, esto se hace 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. Por ejemplo, una "antena de látigo" puede hacerse significativamente más corta que 1 ⁄ 4 de longitud de onda, por razones prácticas, y luego resonó usando una llamada bobina de carga . Este inductor físicamente grande en la base de la antena tiene una reactancia inductiva que es opuesta a la reactancia capacitativa que tiene una antena vertical corta a la frecuencia de operación deseada. El resultado es una resistencia pura que se ve en el punto de alimentación de la bobina de carga; esa resistencia es algo menor de lo que se desearía para igualar el cable coaxial comercial. [ cita requerida ]
Un problema adicional es hacer coincidir la impedancia resistiva restante con la impedancia característica de la línea de transmisión. Una red de adaptación general (un sintonizador de antena o ATU) tendrá al menos dos elementos ajustables para corregir ambos componentes de impedancia. Las redes coincidentes tendrán pérdidas y restricciones de potencia cuando se utilicen para transmitir. Las antenas comerciales generalmente están diseñadas para obtener una coincidencia aproximada con los cables coaxiales estándar, simplemente utilizando una red coincidente para "modificar" cualquier desajuste residual. Las antenas de cualquier tipo pueden incluir un balun en su punto de alimentación para transformar la parte resistiva de la impedancia para una coincidencia más cercana a la línea de alimentación.
Otro caso extremo de adaptación de impedancia ocurre cuando se usa una antena de cuadro pequeña (generalmente, pero no siempre, para recibir) a una frecuencia relativamente baja donde aparece casi como un inductor puro. La resonancia de un inductor de este tipo con un condensador a la frecuencia de funcionamiento no solo cancela la reactancia, sino que aumenta enormemente la muy pequeña resistencia a la radiación de dicho bucle. [ cita requerida ] Esto se implementa en la mayoría de los receptores de transmisión de AM, con una pequeña antena de bucle de ferrita que resuena con un condensador que se varía junto con la sintonización del receptor para mantener la resonancia en la banda de transmisión de AM
Efecto del suelo
Los reflejos del suelo son uno de los tipos comunes de trayectos múltiples. [19] [20] [21]
El patrón de radiación e incluso la impedancia del punto de conducción de una antena pueden verse influenciados por la constante dieléctrica y especialmente por la conductividad de los objetos cercanos. Para una antena terrestre, el suelo suele ser uno de esos objetos de importancia. La altura de la antena sobre el suelo, así como las propiedades eléctricas ( 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 parte se refleja, según los coeficientes de Fresnel . Si el suelo es un conductor muy bueno, entonces casi toda la onda se refleja (180 ° fuera de fase), mientras que un suelo modelado como un dieléctrico (con pérdidas) puede absorber una gran cantidad de la potencia de la onda. La potencia restante en la onda reflejada y el cambio de fase tras la reflexión dependen en gran medida del ángulo de incidencia y polarización de la onda . La constante dieléctrica y la conductividad (o simplemente la constante dieléctrica compleja) dependen del tipo de suelo y es una función de la frecuencia.
Para frecuencias muy bajas a altas frecuencias (<30 MHz), el suelo se comporta como un dieléctrico con pérdidas , [22] por lo que el suelo se caracteriza tanto por una conductividad [23] como por una permitividad (constante dieléctrica) que se puede medir para un suelo dado. (pero está influenciado por los niveles de humedad fluctuantes) o puede estimarse a partir de ciertos mapas. A frecuencias más bajas, el suelo actúa principalmente como un buen conductor, del que dependen las antenas de transmisión de onda media AM (0,5–1,6 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 ondas terrestres . Esa onda reflejada, con su fase invertida, puede cancelar o reforzar la onda directa, dependiendo de la altura de la antena en longitudes de onda y ángulo de elevación (para una onda del cielo ).
Por otro lado, la radiación polarizada verticalmente no se refleja bien en el suelo, excepto en casos de incidencia rasante o sobre superficies muy conductoras como el agua de mar. [24] Sin embargo, la reflexión del ángulo rasante importante para la propagación de la onda terrestre, utilizando polarización vertical, está en fase con la onda directa, proporcionando un impulso de hasta 6 dB, como se detalla a continuación.
En VHF y por encima (> 30 MHz) el suelo se vuelve un reflector más pobre. Sin embargo, sigue siendo un buen reflector, especialmente para polarización horizontal y ángulos de incidencia rasante. 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 del 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 es generalmente 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 de forma especular por el suelo viajarán una distancia más larga que las ondas directas, induciendo un cambio de fase que a veces puede ser significativo. Cuando una onda del cielo es lanzada por una antena de este tipo, 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 (típicamente n ≈ 2) en comparación con el aire ( n = 1), la fase de radiación polarizada horizontalmente se invierte con la reflexión (un cambio de fase deradianes o 180 °). Por otro lado, la componente vertical del campo eléctrico de la onda se refleja en ángulos de incidencia rasante 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 "inversas" (opuestas en dirección / fase) si la antena emisora está orientada horizontalmente (y por tanto polarizada horizontalmente). Sin embargo, la corriente recibida estará en la misma dirección / fase absoluta si la antena emisora está orientada / 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 cuadrado inverso ) permite que la antena se acerque a su impedancia de punto de alimentación asintótica dada por la teoría. A alturas más bajas, el efecto sobre la impedancia de la antena es muy sensible a la distancia exacta del suelo, ya que esto afecta la fase de la onda reflejada en relación con las corrientes en la antena. Cambiando la altura de la antena en un cuarto de longitud de onda, luego cambia la fase de la reflexión en 180 °, con un efecto completamente diferente en la impedancia de la antena.
La reflexión del suelo tiene un efecto importante sobre el patrón de radiación de campo lejano neto en el plano vertical, es decir, en función del ángulo de elevación, que por lo tanto es diferente entre una antena polarizada vertical y horizontalmente. Considere una antena a una altura h sobre el suelo, que transmite una onda considerada en el ángulo de elevación θ . Para una transmisión polarizada verticalmente, la magnitud del campo eléctrico de la onda electromagnética producida por el rayo directo más el rayo reflejado es:
Por lo tanto, la potencia recibida puede ser hasta 4 veces mayor que la debida a la onda directa solo (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 antenas transmisoras y receptoras situadas cerca del suelo razonablemente alejadas entre sí, las distancias recorridas por los rayos directos y reflejados son casi las mismas. Casi no hay cambio de fase relativo. Si la emisión está polarizada verticalmente, los dos campos (directo y reflejado) se suman y hay un máximo de señal recibida. Si la señal está polarizada 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 de la izquierda). Para la polarización horizontal, hay cancelación en ese ángulo. Tenga en cuenta que las fórmulas anteriores y estos gráficos 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 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 donde la antena receptora debe funcionar en cualquier posición, como en los teléfonos móviles , las antenas de la estación base utilizan polarización mixta, como polarización lineal en ángulo (con componentes verticales y horizontales) o polarización circular .
Por otro lado, las transmisiones de televisión analógica suelen estar polarizadas horizontalmente, porque en las zonas urbanas los edificios pueden reflejar las ondas electromagnéticas y crear imágenes fantasma debido a la propagación por trayectos múltiples . Con la polarización horizontal, el efecto fantasma se reduce porque la cantidad de reflexión en la polarización horizontal del costado de un edificio es generalmente menor que en la dirección vertical. La televisión analógica con polarización vertical se ha utilizado en algunas zonas rurales. En la televisión digital terrestre, tales reflexiones son menos problemáticas, debido a la robustez de las transmisiones binarias y la corrección de errores .
Impedancia mutua e interacción entre antenas
La corriente que circula en una antena generalmente induce un voltaje a través del punto de alimentación de antenas o elementos de antena cercanos. Tales interacciones pueden afectar en gran medida el rendimiento de un grupo de antenas.
Con una geometría particular, es posible que la impedancia mutua entre antenas cercanas sea cero. Este es el caso, por ejemplo, entre los dipolos cruzados utilizados en la antena del torniquete .
Tipos de antenas
Las antenas se pueden clasificar por principios de funcionamiento o por su aplicación.
Ver también
- Categoría: Tipos de antenas de radiofrecuencia
- Categoría: Propagación de radiofrecuencia
- Repetidor celular
- DXing
- Electromagnetismo
- Módem de banda ancha móvil
- Código numérico electromagnético
- Radial (radio)
- Mástiles y torres de radio
- Conector RF
- Antena inteligente
- TETRA
- Antena de banda ancha de onda corta
- Monitor de seguridad de RF personal
Notas al pie
- ^ Dado que el voltaje perdido debido a la radiación es típicamente pequeño en comparación con los voltajes requeridos debido a la impedancia de sobretensión de la antena, y dado que el aire seco es un muy buen aislante, la antena a menudo se modela como sin pérdidas: R = G = 0 . La pérdida o ganancia de voltaje esencial por transmisión o recepción suele insertarse post-hoc, después de las soluciones de línea de transmisión, aunque puede modelarse como un valor pequeño de R a expensas de trabajar con números complejos .
Referencias
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La definición del diccionario de antena en Wikcionario