1. Introducción
Una antena es un dispositivo que, conectado a un transmisor, es capaz de recibir y emitir ondas de radio. Una antena está constituida por un conjunto de conductores que permiten transmitir un campo electromagnético cuando se le aplica una fem alterna. A la hora de recibir, la antena, en contacto con un campo electromagnético, genera como respuesta una fem alterna. El tamaño de la antena tiene una relación con la longitud de onda. El tamaño pueden ser múltiplos o submúltiplos exactos de la longitud de onda.
Resistencia de radiación (Rr). Es una resistencia equivalente que, recorrida por la misma corriente que circula por la antena, disiparía una potencia igual a la que esta radia en forma de ondas electromagnéticas al espacio. Esta potencia tiene su valor más alto cuando la antena es resonante; por eso es importante que la impedancia de salida y la de entrada a la antena sean iguales.
2. Líneas de transmisión
Una línea de transmisión es un dispositivo que sirve para transmitir (guiar) energía en forma de radiofrecuencia de un punto a otro. En radio, las antenas son un ejemplo claro, pues se conectan al equipo mediante estas líneas de transmisión. Entre sus características clave debemos mencionar la inductancia (L), la capacitancia (C) y la impedancia (Z). A mayor diámetro del conductor, menor impedancia. No obstante, a mayor distanciamiento, menor capacitancia. Las más usadas son las líneas de conductos paralelos y las líneas de conductores concéntricos.
Línea de conductores paralelos. Es una línea de transmisión muy sencilla. Está formada por dos conductores paralelos separados por un dieléctrico. Para conocer la impedancia (Z), teniendo en cuenta una línea donde el dieléctrico es simplemente aire, tenemos la siguiente fórmula:
Cable coaxial. Está formado por dos conductores concéntricos. El conductor central es un hilo de cobre (o cobre trenzado) rodeado por un dieléctrico que lo separa del extremo, formado a su vez por una malla trenzada de cobre. Todo el conjunto está aislado. Dentro, se produce un efecto de apantallamiento. Entre los dieléctricos más usados están el aire, el polietileno celular o esponjoso y el polietileno macizo.
Guías de onda. Es otro modo de transmitir ondas EM. Se entiende por guía de onda cualquier estructura que permite que una onda EM se propague en una determinada dirección. Esto se consigue gracias a que se establece una conexión entre los campos y las corrientes en los contornos por condiciones específicas de reflexión en los límites, dado el material y la estructura que conforman estas guía. A frecuencias muy altas, se pueden hacer guías de tan modo que puedan viajar varias ondas EM de diferente frecuencia a la vez, aunque con diferentes velocidades.
Factor de velocidad. Es la relación entre la velocidad de una onda EM a lo largo de la línea y su velocidad en el vacío. Depende pues del dieléctrico que acompaña la conexión. Es un valor que suele oscilar entre 0,6 y 0,97. El coaxial de polietileno tiene un factor de velocidad de 0,66.
Relación de ondas estacionarias (ROE). Expresa el cociente entre la tensión máxima de una línea de transmisión y la tensión mínima. Es una medida de la energía reflejada que es devuelta al transmisor. La ROE nos indica el grado de adaptación que hay entre una línea de transmisión y la antena. Además de las ondas estacionarias, hay que tener en cuenta que las pérdidas en una línea de transmisión se producen también debido a la resistencia y al dieléctrico. A mayor frecuencia o longitud, mayores serán las pérdidas.
Balun. Es un dispositivo que adapta una línea balanceada a una linea no balanceada. Su uso es necesario ya que al acoplar, por ejemplo, un cable coaxial a una antena dipolo, se produce un desbalance de impedancias. El resultado es que hay una corriente que fluye de regreso a tierra por la parte externa del conductor.
Unidades de sintonización de antenas (T y Pi). Para transmitir energía radioeléctrica de un circuito a otro, debe haber un acoplamiento. Éste se realiza mediante transformadores. El acoplamiento puede ser inductivo, capacitivo o resistivo. Los acopladores en T hacen resonar el condensador variable de entrada con una bobina. Los acopladores en Pi tienen dos condensadores en paralelo con la salida, aunque también cuentan con una bobina en serie.
3. Características de las antenas
El emisor emite señales en RF moduladas por otras señales. El producto es conductivo a las antenas a través de una línea de transmisión. La antena irradia la señal modulada generando de esta manera un campo EM. Más tarde, la antena receptora recibe la señal y la aplica al receptor, reproduciendo la señal de audiofrecuencia original.
Polarización de una antena. Es importante destacar que la polarización es la trayectoria que describe el campo eléctrico cuando se observa en el sentido de propagación de la onda. La polarización, desde el punto de vista del observador, puede ser lineal o circular. La primera puede ser horizontal o vertical respecto al suelo. La segunda, puede se describir un campo eléctrico circular hacia la derecha (sentido horario) o hacia la izquierda (sentido antihorario). Aquí es importante recordar que la longitud de onda dependerá de la frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia, menor longitud de onda tendrá.
Distribución de la tensión y corriente. En la antena se genera un campo EM que tiene unas ciertas particularidades. Por ejemplo, en una antena resonante, la distribución de corriente es máxima en el centro mientras que la tensión se incrementa en los extremos. Esto ocurre porque la tensión tiende a anularse en el punto central, allí donde la corriente es máxima.
Resistencia de radiación. Es el valor de la resistencia que disipará óhmicamente la misma potencia que la radiada por la antena.
Impedancia en el punto de alimentación. La impedancia varía según el tipo de antena y el punto donde se conecta. Por ejemplo, una antena dipolo de media onda tiene una resistencia de 73Ω en aquella frecuencia en a que su longitud es de media longitud de onda. Podrá tener otras resonancias en otras frecuencias, pero su impedancia no será la misma. Si se conecta en un extremo, podría alcanzar los 2.000Ω.
Área de captura. Es una medida que indica la capacidad de una antena para recoger energía del espacio libre. Es una medida un tanto abstracta.
Potencia radiada. Una antena de alta ganancia concentra la potencia que el emisor le transmite en una determinada dirección a costa de dedicar poca potencia a las otras. Aquí hay dos potencias a tener en cuenta.
- Potencia radiada efectiva (ERP). En inglés, Effective Radiated Power. Es la potencia que emite en la dirección principal. Se compara con una antena dipolo ideal.
- Potencia isotrópica radiada efectiva (EIRP). En inglés Effective Isotropic Radiated Power. Cuando se compara con una antena que emita isotrónicamente.
Relación frente-espalda. También denominada relación adelante-atrás. Es una medida de la capacidad de una antena direccional para rechazar señales del lado opuesto. Se expresa en dB.
Diagramas de radiación horizontales y verticales. Se pueden expresar en imágenes la radiación vertical y horizontal de un dipolo situado a la altura del suelo de media onda. Gracias a este tipo de representación podemos ver cómo se irradia la energía de una antena en el espacio. Sirven como ayuda para posicionar mejor las antenas y también para el diseño de las mismas.
4. Tipos de antenas
Existen dos tipos principales de antenas. Las lineales y las de apertura. Las primeras se denominan así porque los elementos radiantes son lineales. Los conductores tienen una sección de grosor mínima respecto a su longitud física total y respecto a la longitud de onda en la que trabajan. Las de apertura se llaman así porque sus elementos radiantes son aperturas o superficies.
4.1 Antena de media onda alimentada en el centro
- Antena dipolo horizontal. Es la antena ordinaria. Es efectiva en la f para la que ha sido elaborada. Su impedancia en el punto de alimentación es de 75Ω. La línea de alimentación puede estar constituida por conductores paralelos o un cable coaxial. En este último caso es importante contar con un balun.
- Dipolo inclinado. Es una variante de la anterior. Ofrece mayor radiación en el plano que forman el mástil y la antena.
4.2 Antena de media onda alimentada en un extremo
Como ejemplo, tenemos el dipolo Zeppelin. Es simplemente una antena dipolo alimentada por un extremo. Es una antena que trabaja en multibanda y cuya impedancia puede oscilar entre 200Ω y 600Ω.
4.3 Dipolo doblador
También llamado dipolo plegado. Se trata de un dipolo clásico, pero con una varilla adicional que une los extremos. Presenta una impedancia de 300Ω. Es una antena muy usada con líneas paralelas.
4.4 Antena vertical de cuarto de onda
La más conocida es la antena ground plane. Se llama así porque es una antena de tipo vertical que se sitúa sobre un plano de tierra. Tiene buena eficiencia y puede trabajar en distintas bandas, aunque también capta más ruido. Para trabajar en otras bandas lo que se hace es introducir una inductancia o bobina de carga en su base para obtener una resonancia a la frecuencia con la que se desea trabajar.
4.5 Antena con elementos parásitos
Como ejemplo, mencionamos la antena Yagi. Se trata de una antena direccional que consta de un dipolo activo, uno o varios directores (parásitos delanteros) y un reflector (parásitos traseros). Los delanteros refuerzan la señal en la dirección al punto emisor. Los reflectores bloquean la captación de señales opuestas. Este tipo de antenas tienen alta ganancia ya que al añadir estos elementos, se consigue un incremento.
4.5 Dipolos con trampas
Son una antena dipolo a la que se han añadido un sistema de trampas para operar en determinadas frecuencias. La trampa actúa como un aislante, desconectando la parte de la antena restante.
4.6 Otras antenas
Hay otras antenas dentro de esta primera categoría usadas en las comunicaciones por radio. Tenemos las antenas de hilo largo, las antenas de cuadro, las antenas para espacios reducidos, las antenas de aro, las dipolo en V invertida y las antenas EH.
4.7 Antenas de apertura
Las más conocidas son el reflector parabólico (las antenas parabólicas). Cada una de estas antenas tiene dos variantes que incluyen las antenas de ancho estándar y las de apertura sintética, que funcionan por software. Por la forma del reflector, las parabólicas pueden ser de foco primario (reflector centrado), offset (reflector desplazado) o cassegrain (con un segundo reflector cerca del foco). Además de las parabólicas, están las llamadas antenas de bocina, que son antenas rectangulares o circulares que se usan para las conexiones con satélites.