¿De qué material están normalmente hechas las antenas y por qué?

Aspectos Generales Relacionados con la Física de las Antenas

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.

Véase también: Redes de antenas

La figura de la derecha representa un ángulo de incidencia respecto de la horizontal ${\displaystyle \scriptstyle {\theta }}$ muy grande cuando, en la realidad, el ángulo suele ser muy pequeño. La distancia entre la antena y su imagen es ${\displaystyle \scriptstyle {d}}$.
La reflexión de las ondas electromagnéticas depende de la polarización. Cuando la polarización es horizontal, la reflexión produce un desfase de ${\displaystyle \scriptstyle {\pi }}$ 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:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{\perp }\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\cos \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}}$

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

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{=}\right|=2\left|E_{\theta _{1}}\right|\left|\sin \left({kd \over 2}\sin \theta \right)\right|}}$

En estas dos fórmulas:

• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{\theta _{1}}}}$ es el campo eléctrico de la onda electromagnética radiado por la antena si no hubiese la tierra.
• ${\displaystyle \scriptstyle {k={2\pi \over \lambda }}}$ es el número de onda.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$ es la longitud de onda.
• ${\displaystyle \scriptstyle {d}}$ es la altura de la antena.

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 Thévenin de una antena en recepción es el siguiente:

${\displaystyle V_{a}={{\sqrt {R_{a}G_{a}}}\,\lambda \cos \psi \over \pi {\sqrt {120}}}E_{b}}$

• ${\displaystyle \scriptstyle {V_{a}}}$ es la tensión del circuito equivalente de Thevenin.
• ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{a}}}$ es la impedancia del circuito equivalente de Thevenin y es igual a la impedancia de la antena.
• ${\displaystyle \scriptstyle {R_{a}}}$ es la resistencia en serie de la impedancia ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{a}}\,}$de la antena.
• ${\displaystyle \scriptstyle {G_{a}}}$ es la ganancia de la antena (la misma que en emisión) en la dirección de donde vienen las ondas electromagnéticas.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$ es la longitud de onda.
• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{B}}}$ es el campo eléctrico de la onda electromagnética incidente.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }}$ 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 ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }}$ la tensión inducida estará multiplicada por ${\displaystyle \scriptstyle {\cos \psi }}$.

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:
${\displaystyle {\begin{matrix}{\text{Longitud eficaz de la antena}}&=&\textstyle {{\sqrt {R_{a}G_{a}}}\lambda \cos \psi \over \pi {\sqrt {120}}}\\&&\\{\text{Potencia disponible máxima}}&=&\textstyle {{G_{a}\lambda ^{2} \over 480\pi ^{2}}E_{b}^{2}}\\&&\\{\text{Superficie eficaz o sección eficaz}}&=&\textstyle {{G_{a} \over 4\pi }\lambda ^{2}}\\\end{matrix}}}$ El corolario de estas definiciones es que la potencia máxima que una antena puede extraer de una onda electromagnética depende exclusivamente de la ganancia de la antena y del cuadrado de la longitud de onda (λ).

La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido.