Antena

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Antena de radar banda-C de 15 m y 3 kW.

Una antena es un dispositivo capaz de emitir o recibir ondas de radio. Está constituida por un conjunto de conductores diseñados para radiar (transmitir) un campo electromagnético cuando se le aplica una fuerza electromotriz alterna.

De manera inversa, en recepción, si una antena se coloca en un campo electromagnético, genera como respuesta a éste una fuerza electromotriz alterna.

El tamaño de las antenas está relacionado con la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida, debiendo ser, en general, un múltiplo o submúltiplo exacto de esta longitud de onda. Por eso, a medida que se van utilizando frecuencias mayores, las antenas disminuyen su tamaño.

Asimismo, dependiendo de su forma y orientación, pueden captar diferentes frecuencias, así como niveles de intensidad.

[editar] Parámetros de una antena

Las antenas se caracterizan eléctricamente por una serie de parámetros, estando los más habituales descritos a continuación.

[editar] Diagrama de radiación

Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena. Es habitual representar el módulo del campo eléctrico o la densidad de potencia radiada, aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase.

[editar] Ancho de banda

Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.

[editar] Directividad

Es la relación entre la densidad de potencia radiada en la dirección de máxima radiación, a una cierta distancia r y la potencia total radiada dividida por el área de la esfera de radio r. La Directividad se puede calcular a partir del diagrama de radiación. La Ganancia de una antena es igual a la Directividad multiplicada por la eficiencia.

[editar] Ganancia

Es la relación entre la Densidad de Potencia radiada en la dirección del máximo a una distancia r y la Potencia total entregada a la antena dividida por el área de una esfera de radio r. La eficiencia de una antena es la relación entre la Ganancia y la Directividad. Dicha relación coincide con la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena.

[editar] Impedancia de entrada

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. $Z=\frac{V}{I}$ . La impedancia es compleja. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.

[editar] Anchura de haz

Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es superior a la mitad de la máxima. También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.

[editar] Polarización

Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal, circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º ). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras) , según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).

Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (Crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.

[editar] Tipos de antenas

Existen dos tipos principales de antenas:

Las antenas de hilo. Son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda.Se utilizan extensamente en las bandas de MF,HF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:
- El monopolo vertical
- El dipolo y su evolución, la antena Yagi
- La espira
- La hélice

Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.

De apertura. La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección, formando ángulos sólidos, la más conocida y utilizada en la actualidad es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como satelitales, la ganancia de dichas antenas estará relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor ganancia en una menor apertura angular. El elemento radiante es el Iluminador, el cual puede iluminar en forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un sub reflector, dependiendo del diseño de la misma. El iluminador está generalmente ubicado en el foco de la parábola.

En general, se puede calcular la directividad de este tipo de antenas, $D_0\,$ , con la siguiente expresión, donde $S\,$ es el área y $\lambda\,$ es la longitud de onda:

$D_0={4 \pi} \frac {S} {\lambda^2} \,$

Hay dos tipos de antenas de apertura según su tipo de apertura:

de ancho estándar
de apertura sintética (por software)

Ejemplos de aperturas son:

- La antena de bocina
- La antena parabólica
- La antena parabólica del Radar Doppler
- Superficies reflectoras en general

Y dentro de la polarización lineal se encuentra la vertical y la horizontal.

[editar] Antenas en recepción

Los diferentes tipos de antenas y su irradiación.

El campo eléctrico de una onda electromagnética induce una tensión en cada pequeño segmento del conductor de una antena. La corriente que circula en la antena tiene que atravesar la impedancia de la antena.

Utilizando el teorema de reciprocidad se puede demostrar que el circuito equivalente de Thevenin de una antena en recepción es el siguiente:

$V_a={\sqrt{R_aG_a}\,\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}E_b$

$\scriptstyle{V_a}$ es la tensión del circuito equivalente de Thevenin.
$\scriptstyle{Z_a}$ es la impedancia del circuito equivalente de Thevenin y es igual a la impedancia de la antena.
$\scriptstyle{R_a}$ es la resistencia en serie de la impedancia $\scriptstyle{Z_a}\,$ de la antena.
$\scriptstyle{G_a}$ es la ganancia de la antena (la misma que en emisión) en la dirección de donde vienen las ondas electromagnéticas.
$\scriptstyle{\lambda}$ es la longitud de onda.
$\scriptstyle{E_B}$ es el campo eléctrico de la onda electromagnética incidente.
$\scriptstyle{\psi}$ es el ángulo que mide el desalineado del campo eléctrico con la antena. Por ejemplo, en el caso de una antena formada por un dipolo, la tensión inducida es máxima cuando el dipolo y el campo eléctrico incidente están alineados. Si no lo están, y que forman un ángulo $\scriptstyle{\psi}$ la tensión inducida estará multiplicada por $\scriptstyle{\cos\psi}$ .

El circuito equivalente y la fórmula de la derecha son válidos para todo tipo de antena: que sea un dipolo simple, una antena parabólica, una antena Yagi-Uda o una red de antenas.

He aquí tres definiciones que se explican solas:

$\begin{matrix} { Longitud\ eficaz\ de\ la\ antena}&=&\textstyle{{\sqrt{R_aG_a}\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}} \\ & & \\ { Potencia\ disponible\ m\acute{a}xima}&=&\textstyle{{G_a\lambda^2\over 480\pi^2}E_b^2} \\ & & \\ { Superficie\ eficaz\ o\ secci\acute{o}n\ eficaz}&=&\textstyle{{G_a\over4\pi}\lambda^2}\\ \end{matrix}$

El corolario de estas definiciones es que la potencia máxima que una antena puede extraer de una onda electromagnética solo depende de la ganancia de la antena y del cuadrado de $\scriptstyle{\lambda}$ .

[editar] Influencia de la Tierra

La conductividad del terreno es un factor determinante en la influencia de la tierra sobre la propagación de las ondas electromagnéticas. La conductividad de la superficie de la tierra depende de la frecuencia de las ondas electromagnéticas que inciden sobre ella y del material por la que esté compuesta, comportándose como un buen conductor a bajas frecuencias y reduciendo su conductividad a frecuencias mayores.

El coeficiente de reflexión del suelo es un parámetro relacionado con la conductividad e informa acerca de como se reflejan las ondas en él. Su valor depende del ángulo de incidencia y del material que conforma el suelo: tierra húmeda, tierra seca, lagos, mares, zona urbana, etc.

Para un determinado coeficiente de reflexión, la energía reflejada por el suelo aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia respecto de la normal, siendo la mayor parte de la energía reflejada cuando la incidencia es rasante, y teniendo los campos eléctrico y magnético de la onda reflejada casi la misma amplitud que los de la onda incidente.

En el caso de las antenas, tratándose habitualmente de emisión o recepción a grandes distancias, casi siempre existe una incidencia rasante.

El rayo reflejado por la tierra puede modelarse, desde el punto de vista de la antena receptora, como el rayo transmitido por una antena imagen de la antena transmisora, situada bajo el suelo. El rayo reflejado recorre más distancia que el rayo directo.

La apariencia de la antena imagen es una imagen especular de la apariencia de la antena transmisora real. En algunos casos se puede considerar que la onda transmitida desde la antena real y la onda transmitida desde la antena imagen tienen aproximadamente la misma amplitud, en otros casos, por ejemplo cuando el suelo tiene irregularidades de dimensiones similares o mayores que la longitud de onda, la reflexión del rayo incidente no será neta.

La distancia recorrida por el rayo reflejado por la tierra desde la antena transmisora hasta la antena receptora es mayor que la distancia recorrida por el rayo directo. Esa diferencia de distancia recorrida introduce un desfase entre las dos ondas (ver Radiación de un par de antenas).

La figura de la derecha representa un ángulo de incidencia respecto de la horizontal $\scriptstyle{\theta}$ muy grande cuando, en la realidad, el ángulo suele ser muy pequeño. La distancia entre la antena y su imagen es $\scriptstyle{d}$ .

La reflexión de las ondas electromagnéticas depende de la polarización. Cuando la polarización es horizontal, la reflexión produce un desfase de $\scriptstyle{\pi}$ radianes, mientras que cuando la polarización es vertical, la reflexión no produce desfase.

La componente vertical de la corriente se refleja sin cambiar de signo, en cambio, la componente horizontal cambia de signo.

En el caso de una antena que emite con polarización vertical (campo eléctrico vertical) el cálculo del campo eléctrico resultante es el mismo que en radiación de un par de antenas. El resultado es:

$\textstyle{\left|E_\perp\right|=2\left|E_{\theta_1}\right| \left|\cos\left({kd\over2}\sin\theta\right) \right|}$

La inversion de signo para el campo paralelo solo cambia un coseno en un seno:

$\textstyle{\left|E_=\right|=2\left|E_{\theta_1}\right| \left|\sin\left({kd\over2}\sin\theta\right) \right|}$

En estas dos fórmulas:

$\scriptstyle{E_{\theta_1}}$ es el campo eléctrico de la onda electromagnética radiado por la antena si no hubiese la tierra.
$\scriptstyle{k={2\pi\over\lambda}}$ es el número de onda.
$\scriptstyle{\lambda}$ es la longitud de onda.
$\scriptstyle{d}$