4.1: Preludio a Antenas

Las antenas son dispositivos de conversión de energía que convierten entre energía eléctrica y energía electromagnética. Las antenas pueden actuar como transmisores y receptores. Los transmisores convierten la energía eléctrica del flujo de electrones en energía de ondas electromagnéticas. Los receptores convierten la energía de las ondas electromagnéticas a la energía eléctrica de los electrones en un circuito. La misma antena física puede operar de ambas maneras dependiendo de cómo se use.

Las antenas están a nuestro alrededor. Los celulares y laptops tienen antenas, y las antenas están montadas en los techos de la mayoría de los autos. Las antenas transmiten información sobre la red eléctrica a la red eléctrica local, y las antenas en los satélites transmiten mapas meteorológicos a las estaciones meteorológicas en la tierra. Las antenas incluso están integradas en las etiquetas RFID en las camisas de las tiendas, y estas etiquetas se utilizan para rastrear el inventario y evitar robos.

Los ingenieros eléctricos estudian tanto la energía eléctrica como la energía electromagnética, y las palabras utilizadas para describir estos fenómenos son similares. ¿Es esto realmente un proceso de conversión de energía? La respuesta es sí. La energía eléctrica implica el flujo de electrones a través de un cable. A menudo pensamos en los electrones como partículas. A menudo usamos el término onda electromagnética para describir el flujo de energía electromagnética transmitida por una antena. Sin embargo, los electrones tienen propiedades similares a ondas y partículas. De manera similar, las ondas electromagnéticas tienen propiedades similares a ondas y partículas. Las longitudes de onda involucradas están separadas por órdenes de magnitud, por lo que es conveniente discutir solo las propiedades de tipo onda o partículas. Existen diferencias fundamentales entre la electricidad y las ondas electromagnéticas. Los fermiones son partículas elementales con números cuánticos de espín medio entero y con funciones de onda mecánica cuántica que son antisimétricas cuando se intercambian dos partículas [46, p. 391]. Los bosones son partículas elementales con números cuánticos de espín entero y con funciones de onda que son simétricas cuando se intercambian dos partículas [46, p. 391]. Los electrones son fermiones mientras que las ondas electromagnéticas son bosones. Entonces, las antenas son dispositivos de conversión de energía. Una discusión completa de las diferencias entre fermiones y bosones requiere el estudio de la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos que están más allá del alcance de este libro.

Figura$\PageIndex{1}$: Antenas dipolo de media onda alimentadas por el centro y monopolo de cuarto de onda.

Una antena puede ser tan simple como una sola varilla de metal, puede ser una traza de cobre en una placa de circuito impreso, puede ser una bocina en forma de cono, o puede ser una disposición complicada de múltiples cables. Algunas antenas incluso se asemejan a fractales planos o de volumen [47] [48]. Se han desarrollado cientos de tipos de antenas. Setenta y cinco tipos se discuten en [49], y 91 tipos se discuten en [50].

La antena más simple es solo un trozo de cable. Puede ser recto y tenso, o puede estar descuidadamente colgado de un árbol. Para una antena diseñada para operar a longitud de onda$\lambda$, la longitud de la antena suele ser aproximadamente$\frac{\lambda}{2}$. Una antena recta de longitud$\frac{\lambda}{2}$ con señal suministrada al centro se denomina dipolo de media onda alimentada por el centro o$\frac{\lambda}{2}$ dipolo. Algunas antenas se colocan sobre una placa conductora, o sobre una superficie conductora, que actúa como reflector. Una antena recta de alrededor de longitud$\frac{\lambda}{4}$ suministrada por una señal en un extremo con un reflector debajo se llama monopolo de cuarto de onda o$\frac{\lambda}{4}$ monopolo. La figura$\PageIndex{1}$ ilustra ambas antenas dipolo y monopolo. Si bien un cable aleatorio actuará como antena, una antena con respuesta de frecuencia, impedancia, patrón de radiación y polarización electromagnética diseñada para la aplicación específica funcionará de manera mucho más eficiente, y estos factores se discuten a continuación en la Sec. 4.4.