Una antena es un dispositivo que se utiliza para transmitir o recibir ondas electromagnéticas. Debe ser de un material apto para la generación de las ondas, como un conductor. Su desempeño y función están asociados a su forma.

Hay muchas antenas como para cubrirlas todas, al ser una cuestión geométrica hay tantas como formas quieras imaginar. Pero tienen unas características comunes que nos ayudan a entender como funcionan si que tengamos que estudiar sus detalles en un programa especializado.

El principio básico de cualquier antena es que pueden convertir la corriente alterna en ondas electromagnéticas y las ondas electromagnéticas en corriente alterna.

Dependiendo de la forma y orientación del elemento radiante, respecto del plano de referencia del horizonte, se establece la polarización de la antena. Hay tres polarizaciones:

Dependiendo de sus características constructivas físicas la antena resonará de forma natural con un rango de frecuencias; y esto también determina el ancho de banda de la antena.

Toda antena convierte corriente alterna en ondas, y ondas en corriente alterna: son las dos caras de lo mismo.

Transmisión

Una antena transmite cuando está conectada a un circuito de corriente alterna. Esta corriente genera un campo electromagnético que se propaga fuera de antena.

Las antenas están construidas para ser resonantes en una o varias frecuencias.

La forma y tamaño de una antena esta diseñado cuidadosamente para presentar una resonancia específica en una o mas frecuencias. Estas frecuencias en las que la antena es resonante son los puntos donde maximiza su eficiencia.

Recepción

Cuando una onda electromagnética toca una antena induce una corriente alterna en la misma. Estas corrientes son muy pequeñas, y su uso efectivo depende de las pérdidas en la linea de transmisión y otras características deseables del receptor.

Corriente y voltaje

El ejemplo de antena más sencilla es el dipolo; usándola de ejemplo podemos entender que la corriente y el voltaje de la antena son las que generan el campo electromagnético; y que son importantes para entender las precauciones a tomar en su uso.

En un dipolo, la intensidad de corriente es máxima en el punto de alimentación de la antena; como un dipolo se alimenta por el medio, ese seria el punto, donde está enchufada la linea de transmisión. Esta intensidad disminuye gradualmente según nos acercamos al extremo de cada rama del mismo. En las puntas de la antena la intensidad de corriente es mínima o prácticamente 0; esto se debe a que en estos puntos toda la energía electromagnética se convierte en radiación.

En cuanto al voltaje, este es mínimo en el punto de alimentación y a medida que nos desplazamos hacia los extremos de la antena el voltaje es máximo; esto es debido a la resonancia de la antena, donde la energía eléctrica se acumula en forma de diferencia de potencial.

Este patrón de corriente y voltaje se debe a la naturaleza de las ondas estacionarias en la antena resonante. La antena actúa como un resonador, similar a una cuerda de guitarra que vibra a una frecuencia particular.

Donde la corriente es máxima el voltaje es mínimo, y viceversa: la antena resonante es una cuerda de guitarra vibrando.

Animación de las ondas estacionarias de corriente y voltaje en un dipolo resonante

Fuente: Chetvorno, Wikimedia Commons (CC0).

La antena como circuito resonante

Cualquier antena exhibe las propiedades de resonancia electromagnética y puede ser analizada como un circuito resonante.

Aunque no vamos a explicar con detalle que es un circuito resonante, vamos a repasar que partes tiene.

La antena tiene una corriente eléctrica fluyendo por su interior, de manera que se genera un campo magnético a su alrededor. Y la forma del campo magnético está relacionado con la forma de la antena. Este es el comportamiento que tiene una bobina; y el fenómeno físico se llama inductancia.

La forma de la antena distribuye y almacena cargas en su interior, de la misma manera que lo hace un condensador; como y cuanto almacena depende de como actual los elementos físicos de la antena entre si. Esto le confiere a la antena un comportamiento parecido al de un condensador, y por lo tanto presenta capacitancia, que es como se llama el fenómeno físico asociado.

Una antena no es más que una bobina, un condensador y una resistencia con forma de alambre.

Finalmente, como la antena emite ondas electromagnéticas esta energía debe salir de algún sitio; de manera que la radiación electromagnética que emite le da el mismo comportamiento que una resistencia.

Como los circuitos resonantes la antena es resonante en más de una frecuencia. Presenta resonancia en las frecuencias que son fracciones de la longitud de onda para la que están diseñadas, como la media onda; a esto se le conoce como armónicos.
Para entenderlo podemos seguir la metáfora de la cuerda de guitarra; cuando una cuerda vibra y se generan ondas estacionarias, es decir, presenta nodos y anti-nodos estáticos, esta en resonancia. Y estos nodos suelen aparecer en fracciones de la longitud de la cuerda; por ejemplo en medio, en cada tercio, en cada cuarto, etc.

Uno de los conceptos más complicados de entender del comportamiento resonante es la impedancia que presenta. La impedancia puede parecer un concepto difícil de entender, pero no tiene que asustarnos. Siempre que escuches impedancia piensa en resistencia.

Cuando la antena es resonante en una frecuencia pasa una cosa muy interesante, y es que la impedancia en el punto de alimentación es mínima. En los circuitos resonantes cuando la inductancia y la capacitancia tienen el mismo valor, es decir que están en equilibrio, solo nos queda el comportamiento resistivo natural de la antena. Y esto es justo el punto interesante de la antena, porque lo que significa es que toda la energía se esta radiando como radiación electromagnética.

Cuando la antena está en resonancia, toda la energía que entra se convierte en radiación: nada se queda atrapado dentro.

Físicamente lo que esta pasando es que la energía almacenada en el campo magnético esta migrando al campo eléctrico y de vuelta con una sincronización perfecta, de manera que no se pierde, como si la energía estuviese subida a un columpio.

Y también se da el caso contrario, si este vaivén no se da, la energía acumulada a destiempo de una lado a otro se pierde. Y por lo tanto a impedancia en el punto de alimentación de la antena varia.

Por eso cuando estudiamos las antenas entender un circuito resonante nos ayuda a saber como se esta comportando la energía en su interior.

La resistencia de la antena

Una antena tiene una resistencia natural que esta compuesta por la resistencia de perdidas mas la resistencia de radiación. Esta resistencia claro es una simplificación que nos ayuda a entender desde un punto de vista eléctrico como está funcionando una antena; y nos ayuda a representar la energía que se está radiando.

La resistencia de la antena depende de muchos factores, pero la podemos reducir a que impedancia tiene en una frecuencia especifica. Como es una cuestión geométrica es muy útil para nosotros pensar en términos de la longitud de onda; ya que nos permite relacionar la frecuencia al tamaño de la antena; por eso los radioaficionados usamos tanto la longitud en lambda: \(\lambda / 2\) , o \(\lambda / 9\) .
Esto nos permite hablar de la forma de las antenas y tener claro su comportamiento e impedancia característica. Por ejemplo, en un dipolo de media onda la impedancia característica es de \(75\,\Omega\) . Y esto es cierto en un dipolo resonante en 7 Mhz y en 14 Mhz.

La resistencia de perdida representa la energía que se pierde y no se radia, ya sea por las características físicas de los materiales usados o por las interacciones de los elementos cercanos a la antera.

La eficiencia de una antena normalmente se representa con la letra griega eta \(\eta\) . Y es la relación de la potencia radiada entre la entregada:

\[\eta = \frac{P_{radiada}}{P_{entregada}}\]
La eficiencia de una antena es, en el fondo, una pelea entre la energía que se radia y la que se pierde en calor.