Fundamentos de Antenas

Introducción
El objetivo de este articulo es dar una introducción a estudiantes de cursos como teoría electromagnética o comunicaciones eléctricas sobre los fundamentos básicos de antenas y sus principales parámetros, con el fin de que los estudiantes conozcan y empiecen a indagar en este denso tema.
Cabe destacar que como es un tema de amplio espectro, nos vamos a enfocar en los principios básicos de cómo es que funciona una antena, ¿Cómo es que se arma una antena? Además de ¿Cómo es que se propagan las ondas electromagnéticas en el medio?
Definición de Antenas
Una antena es un dispositivo que se utiliza para transferir ondas electromagnéticas guiadas (señales) a la radiación en un medio ilimitado, generalmente espacio libre, y viceversa (ya sea en la operación en modo de transmisión o recepción).
Una antena puede concebirse también como un transductor para el acoplamiento de una línea de transmisión o una guía de ondas con el medio circundante o viceversa.

Parámetros de Antenas
DIAGRAMA DE RADIACIÓN
DENSIDAD DE RADIACIÓN
La antena más simple es el radiador isotrópico, el cual no existe en la práctica, pero hace un excelente modelo teórico. Un radiador isotrópico, como se muestra en la figura 2, el cuál es un punto no dimensionable en el espacio, genera ondas con frentes de onda “esferical” que son radiadas uniformemente en todas direcciones. Cuando el transmisor de potencia Ps idealmente emparejado es aplicado, entonces la distancia r da crecimiento a la densidad de radiación. [2]

PATRÓN DE RADIACIÓN
Los tres comportamientos de las dimensiones radiales son descritas por el patrón de radiación, como se observa en la figura 3. Solamente un radiador isotrópico exhibiría la misma radiación un cualquier dirección espacial, sin embargo, este radiador no puede ser implementado por cualquier tipo de polarización específica, y existe principalmente como un modelo de comparación estándar. Además, los dipolos y mono-polos poseen directividad. [3]

ANCHO DE BANDA
El ancho de banda es la banda de frecuencia de funcionamiento de la antena, dentro del cual la antena funciona como se desea. El ancho de banda (BW) puede ser relacionado con la combinación de la banda de la antena si son patrones de radiación no cambiará dentro de la banda. De hecho, este es el caso para antenas pequeñas donde un límite fundamental relaciona el BW, tamaño y eficiencia. El BW de otras antenas puede ser afectado por las características de los patrones de radiación, y éstas características pueden cambiar a pesar de que el acople de la antena sea aceptable. [4]
DIRECTIVIDAD
La directividad de una antena es una medida de concentración de la potencia radiada en una dirección en particular, se puede decir que es la “habilidad” de una antena de direccionar la energía radiada en una dirección en especifico, o bien, la relación de intensidad de radiación en una dirección en comparación a la intensidad promedio isotrópica. [5]
GANANCIA
Cuando se habla de ganancia, se habla de una medición del grado de directividad del patrón de radiación de una antena. Se dice que una antena con alta ganancia irradia en una dirección en particular, específicamente, se define como “la relación de la intensidad irradiado por una antena en la dirección de su salida máxima, a una distancia arbitraria, dividida por la intensidad irradiada a la misma distancia por una hipotética antena isotópica”, esa relación entre la energía que es propagada por una antena direccional y por una que no lo fuese, es conocida como ganancia y esta es constante. [6]
EFICIENCIA
La eficiencia de una antena va relacionada con el área de la misma, es conocida como “el área efectiva AW” y es un parámetro definido especialmente para la recepción de antenas y se traduce como la medida de potencia máxima recibida (Pr) que una antena puede captar de una onda plana de densidad de potencia (S).
Esta puede ser vista también como el área perpendicular a la dirección de propagación de la onda incidente. [6]
IMPEDANCIA DE ENTRADA
La impedancia de entrada es uno de los parámetros mas relevantes al hablar de antenas, esta es en si la impedancia en la alimentación de una antena; puede constar de una resistencia de radiación y una de perdida en su parte real, como se muestra en la ecuación 1.
Cabe resaltar, que la impedancia nominal de una antena “se especifica comúnmente como la impedancia característica del cable de la antena, a la impedancia de la antena y debe coincidir como regla que sea de 50 Ohmios”. Si la antena posee una impedancia diferente, entonces existe una discordancia, por lo que ocuparía de un circuito de adaptación de impedancias para equilibrarlo. [6]

RESISTENCIA DE RADIACIÓN
La parte real Rin de la impedancia de entrada (Zin) puede ser separada en: resistencia de radiación y la resistencia de pérdida, como se observa en la ecuación 2. Debe conocerse que la resistencia de radiación, siendo el cociente de la potencia radiada y el cuadrado del valor RMS de la corriente de antena, es espacialmente dependiente. Esto aplica además para la misma corriente de antena. Consecuente a esto, cuando se está especificando la resistencia de radiación, se necesita indicar la localización en la antena. Muy comúnmente el punto de alimentación de la antena es especificado, e igualmente a menudo la corriente máxima. Los dos puntos coinciden para algunos, pero de ninguna forma para todos los tipos de antena. [6]

APERTURA DE HAZ
Conocido también como Beamwidth en inglés, es usualmente considerado para ser el ancho angular de la potencia media radiada dentro de un cierto corte a través del haz principal de la antena donde la mayoría de la potencia está radiando. Desde la intensidad de la punta de la radiación del patrón de radiación, el cual es el pico del haz principal, el nivel de potencia media es de 3 dB, debajo de una punta donde los dos puntos del haz principal son localizados; estos puntos son definidos como la apertura de haz. La potencia media es expresada de decibelios (dB). Usualmente son consideradas las aperturas de haz como horizontal y vertical. [7]
POLARIZACIÓN
La polarización de una antena es la orientación del campo eléctrico (Plano-E) del radio de la onda respecto a la superficie de la tierra y es determinada por la estructura física y la orientación de la antena. No tiene nada en común en términos de direccionalidad de la antena: Horizontal, vertical y circular. La direccionalidad horizontal y vertical se pueden observar en la figura 4. Así, una simple antena de cable recto hará una polarización cuando sea montada verticalmente y una diferente polarización cuando sea montada horizontalmente. Los filtros polarizadores de la onda electromagnética son estructuras que pueden ser empleadas para actuar directamente en la onda electromagnética al filtro de la energía de onda del filtro de salida de una indeseada polarización y pasar la energía a una deseada polarización. La reflexión generalmente afecta la polarización. Para el radio de las ondas, el reflector más importante es la iosfera, la polarización de señales reflejadas cambiarán impredeciblemente. [8]

Modelos de Antenas
DIPOLO
Existen muchos tipos de antenas dipolo en la actualidad, dipolo corto, normal, media-onda, etc. Sin embargo, todos poseen ciertas similitudes importantes a la hora de trabajar con estas.
Primeramente, el patrón de elevación de una antena dipolo muestra que es la mejor en cuanto la trasmisión y recepción, desde el lado amplio de la misma. Por otro lado, son sensibles al movimiento fuera de su posición vertical, tanto así que a partir de alrededores de los 45° baja su desempeño a la mitad. Este tipo de antena son físicamente cilíndricas por naturaleza, se clasifican según su forma y son alimentadas por una entrada en la parte inferior, o por medio de un conector en el centro de la misma.
Dentro de sus características principales, encontramos que su patrón de radiación es amplio, pero su ganancia, directividad y polarización son bajas. [9]
DIPOLO MULTI-ELEMENTO
Este tipo de antena dipolo, se diferencia del resto debido la utilización de múltiples elementos que hacen que posea mayor dirrecionalidad de la antena en el plano de elevación y un incremento en la ganancia del mismo; con respecto al patrón de elevación es similar al resto.
Esta antena puede ser configurada con diferentes ganancias según lo que desee, lo cual la hace mas versátil pero de mayor dificultar para su creación. [9]

YAGI
La antena Yagi se caracteriza por basarse en un elemento radiante básico. Este diseño tiene un fuerte componente de optimización debido a la cantidad de variables que tiene que manipular. El diseño convencional de la antena Yagi-Uda convencional es mostrado en la figura 6. Las variables más comunes que se manejan en este modelo son: la longitud del reflector, el dipolo y los directores.
Esta antena es direccional con un elemento de accionamiento sencillo y componentes parásitos paralelos adicionales que están montados en un eje individual separado por aisladores, un reflector y uno o varios directores hechos con barras de metal. Los reflectores por lo general son mas largos que el dipolo y los directores son mas cortos. Con ello se logra aumentar la ganancia del dipolo en una dirección.
Los materiales a utilizar son de aluminio y acero. La ganancia que tiene esta antena es moderada-alta sobre un ancho de haz reducido. La frecuencia de esta antena se encuentra entre los 50Mhz hasta los 5.8 Ghz, coincidiendo con bandas de frecuencia HF, VHF Y UHF. La ganancia depende del número y la colocación de los componentes parásitos que tenga la antena. [11]
Otro aspecto a recalcar es que normalmente se utiliza en exteriores instalándose de forma paralela o perpendicular al suelo, a pesar de ello, también las hay para interiores. El tipo de terminal de la antena es del tipo coaxial por lo que se conecta mediante extensiones externas que usando conectores SMA, RP SMA y tipo N.
La antena funciona emitiendo un retardo de fase en cada uno de los componentes, cada una de las ondas que se emite esta en fase de la dirección de avance, mientras que las ondas en la dirección opuesta están fuera de fase anulándose en esa dirección. Estas ondas hacia adelante se suman de manera constructiva, aumentando en esa dirección para que las pueda recoger el receptor. Por eso la anchura del haz es reducido y la ganancia hacia una dirección.
Debido al reducido ancho de banda de la antena, ofrece un ruido relativamente bajo con un confiable rendimiento de ganancia. También son idóneas para comunicaciones de punto a punto y de punto a múltiples puntos.
Los usos principales son:
- Operadores de radio aficionados y civiles.
- Satélites de comunicación.
- Equipo de comunicación militar.
- Dispositivos de radar de corto alcance.
- Receptores de televisión VHF y UHF, ver figura 7.

VENTAJAS:
- Alta ganancia.
- Alta directividad.
- Facilidad de manejo y mantenimiento.
- Menos cantidad de energía se desperdicia.
- Una cobertura más amplia de frecuencias.
DESVENTAJAS:
- Propensas al ruido.
- Propensos a los efectos atmosféricos.

Microstrip
La antena de Microstrip es una antena impresa de forma resonante que se usa para bandas angostas de ondas microondas que requieren de cobertura semiesférica. Debido a su configuración plana y fácil integración es bastante estudiada y usada como un elemento para un desarrollo de redes.
Las formas más comunes de esta antena son cuadradas (como se observa en la figura 8), rectangulares, circulares (como se observa en la figura 8), anillo, triángulos equiláteros y elípticos. Aunque para desarrollar esta antena lo único que se necesita es que sea de forma continua. Algunas de estas antenas utilizan un substrato dieléctrico y suspenden un parche metálico sobre la parte aterrizada de tal forma que se parezca a espaciadores dieléctricos. [12]

Puede que no se observe robusto el diseño pero provee un mayor ancho de banda. La forma que más se observa es el rectángulo, como se muestra en la figura 9. Esta forma es de aproximadamente 1 a media longitud de onda. Cuando el substrato de la antena es aire, ella se modela como 1 a media longitud de onda. Pero, si es usado un dieléctrico como substrato el largo de la antena decrece considerablemente mientras que la constante relativa del dieléctrico del substrato aumenta.
La longitud resonante de la antena es un poco pequeña debido a los campos marginales, que aumenta la longitud eléctrica. El dieléctrico que se le agrega a la antena afecta el modelo de radiación y la impedancia del ancho de banda. Conforme se aumenta la constante dieléctrica del substrato, el ancho de banda de la antena disminuye. Esto hace que el factor Q de la antena aumente y disminuya la impedancia del ancho de banda.
VENTAJAS:
- Plana
- Bajo perfil
- Fácil integración con la tecnología.
- Puede integrarse con elementos del circuito.
- Tiene gran habilidad en cambios de polarización.
- Bajo coste y peso.
DESVENTAJAS:
- Ancho de banda angosto, requiriendo de técnicas para ampliar el ancho de banda.
- Gran pérdida de impedancia.
- Puede manejar valores pequeños de radiofrecuencias.
Reflector Parabólico

El origen de esta antena se remonta a el año 1888 en el laboratorio de Heinrich Hertz, demostrando de manera experimental la existencia de ondas electromagnéticas que habían sido predichas por James Maxwell. Para ello se utilizó un reflector parabólico cilíndrico de zinc, como el mostrado en la figura siguiente, excitado por una chispa en la parte central de un dipolo colocado en la línea focal y otro utilizado como reflector. En el caso de Hetz, las dimensiones del reflector eran de 1.2 m de abertura por 2 metros de largo.[14]

El reflector tiene la forma parabólica debido a que maximiza la directividad. En el foco se le coloca la fuente primaria dirigiéndose hacia el reflector, como se observa en la figura siguiente. Se utiliza ampliamente en sistemas de comunicaciones UHF, SHF y EHF.

En las antenas parabólicas se aplican las propiedades ópticas de las ondas electromagnéticas. Esto es debido a que las ondas emitidas por el alimentador se reflejan por la parábola en un haz de rayos paralelos al eje de la parábola, de modo que la longitud del trayecto del foco al reflector y la superficie de la abertura que pasa por los bordes de la parábola es la misma en cualquier ángulo.[14]
Si bien es cierto, el coste de construcción de la antena es muy bajo. Pero tiene el inconveniente que para analizarla se deben de utilizar teorías de rayos para dar una imagen aproximada. También es necesario emplear teoría de difracción para obtener resultados precisos.[14]
Tabla comparativa de los modelos de antenas

Vídeo I
Vídeo II
Conclusiones
Las comunicaciones inalámbricas nos han dado muchos beneficios a la sociedad, a tal punto que podemos prescindir de los cables. El simple hecho de poder movernos a cualquier lugar sin tener de transportar un cable ya nos hace independientes de tener que estar en un lugar estático.
Con las diferentes invenciones en los modelos de las antenas podemos diversificar su uso dependiendo de las necesidades y presupuesto que tengamos disponible.
Cada modelo de antena se basa aprovechar de una mejor forma los diferentes parámetros. Unas tienen mejor ganancia, otras directividad, apertura, entre otras. Por eso su provecho en aplicaciones específicas.
REFERENCIAS
[1] Matthew N. O. Sadiku. Elementos de Electromagnetismo. Oxford University Press, 2003.
[2] M. Reckeweg Dr. C. Rohner. Antenna basics. Rohde Schwarz, page 9, 2015.
[3] M. Reckeweg Dr. C. Rohner. Antenna basics. Rohde Schwarz, page 10-11, 2015.
[4] Ahmed A. Kishk. Fundamentals of antennas. University of Mississippi,page 3-4, 2009.
[5] M. Reckeweg Dr. C. Rohner. Antenna basics. Rohde Schwarz, page 13, 2015.
[6] M. Reckeweg Dr. C. Rohner. Antenna basics. Rohde Schwarz, page 14, 2015.
[7] Ahmed A. Kishk. Fundamentals of antennas. University of Mississippi, page 5, 2009.
[8] Ahmed A. Kishk. Fundamentals of antennas. University of Mississippi, page 7, 2009.
[9] Wni mexico s.a.. (s.f.). tipos de antenas y funcionamiento. recuperado 28 octubre, 2019, de https://www.wni.mx/index.php?option=com content.
[10] Ladino Elkin y Parra Brayan. Diseño de antena yagi-uda a una frecuencia de 5.8 ghz. Universidad Catolica de Colombia, page 11, 2017.
[11] George Hardesty. Antenas direccionales yagi: Punto a punto o punto a multiples puntos. Data Alliance USA, page 1, 2019.
[12] Ahmed A. Kishk. Fundamentals of antennas. University of Mississippi, page 15-16, 2009.
[13] Imagen recuperada de: https://1.bp.blogspot.com/-brYU7kLrwd4/WdrHKJ7lEeI/AAAAAAAAAkk/SeUP-zyJiCAlC3fcLXXBuwgfz9yqKVUOwCLcBGAs/s1600/antenaparabolicainicio.jpg.
[14] Perez C. Antenas con reflector parabólico. Universidad de Cantabria, 2008. Recuperado de: https://personales.unican.es/perezvr/pdf/Antenas%20con%20Reflector%20Parab%C3%B3lico_V4.pdf

