Antenas: fundamentos y tipos
En Maxwell viste el último paso: una carga que acelera desprende campos que se sueltan y viajan a . Una antena es, ni más ni menos, un dispositivo diseñado para hacer eso a propósito y con eficiencia: un transductor entre la corriente guiada por un cable (donde la energía va confinada) y la onda radiada al espacio libre. El simulador FDTD ya te muestra la onda saliendo; este post explica qué controla su forma —el patrón, la ganancia, la dirección— antes de meternos a calcularlo paso a paso en FDTD de antenas.
La idea unificadora del post. El patrón de radiación de casi cualquier antena se factoriza en dos piezas: el elemento (cómo radia una pieza, p. ej. un dipolo) y el factor de array (cómo se combinan varias por su geometría y fase). Diseñar una antena es elegir esos dos factores. Los dos laboratorios de abajo son justo esas dos piezas, y al final las multiplicamos.
Una antena acopla el cable con los 377 Ω del vacío
¿Por qué no basta con dejar un cable al aire? Porque la energía eléctrica viaja confinada en una línea con una cierta impedancia (típicamente 50 Ω), y el espacio libre tiene la suya propia —la impedancia del vacío que ya apareció en la onda plana de Maxwell—. Una antena es la pieza de transición que adapta una a la otra para que la energía salga en lugar de reflejarse de vuelta. Cuando ese acople es malo, la potencia rebota y la antena no radia: por eso media ingeniería de antenas es, literalmente, un problema de acoplamiento de impedancias.
es el coeficiente de reflexión entre la impedancia de la antena y la de la línea ; la VSWR y las pérdidas de retorno () miden lo mismo. El objetivo del diseño es () en la banda de interés.
Campo cercano y campo lejano
Pegado a la antena los campos son un lío: hay energía que oscila pero no se va (campo reactivo, almacenada como en un condensador o una bobina) mezclada con la que sí radia. Esa es la zona de campo cercano. Solo a partir de cierta distancia los campos se ordenan en una onda esférica limpia cuya forma angular ya no cambia con la distancia: el campo lejano, que es donde se define el patrón.
Con el tamaño de la antena y la longitud de onda. Más allá de esa frontera, y son perpendiculares y caen como —la onda plana de Maxwell, vista de lejos—. Todo lo que sigue (patrón, ganancia) se mide ahí.
El patrón de radiación
El patrón de radiación es el mapa de cuánta potencia radia la antena en cada dirección. Se dibuja en polar y casi siempre en decibelios: el borde es el máximo (0 dB) y hacia el centro cae. Tiene un lóbulo principal (por donde sale el grueso de la potencia), lóbulos secundarios (fugas en otras direcciones) y nulos (direcciones donde no radia nada). El ancho del lóbulo principal a media potencia (−3 dB) es el ancho de haz.
Empieza por el ladrillo de todo: el dipolo, un simple hilo. Mueve su longitud y mira el patrón pasar de la dona del dipolo corto a la del λ/2, y luego fragmentarse en lóbulos cuando el hilo es demasiado largo:
corriente en el hilo
El patrón vive en la distribución de corriente
Un dipolo corto () radia como : la clásica dona, máxima de costado, nula sobre el eje. El λ/2 aprieta un poco esa dona (más directivo). Pasado , la corriente roja ya invierte de signo a lo largo del hilo y aparecen lóbulos nuevos: partes del hilo radian en contrafase y el patrón se fragmenta.
El nulo sobre el eje no es casualidad: es el mismo del dipolo radiante de Maxwell (, nada se radia en la dirección en que oscila la carga). Aquí solo le dimos longitud al hilo.
Dos números resumen un patrón. La directividad dice cuánto concentra la potencia respecto a una antena isotrópica (que radiaría igual en todas direcciones); la ganancia es lo mismo pero descontando las pérdidas por la eficiencia :
Por eso la ganancia se da en dBi (decibelios sobre la isotrópica). Un dipolo λ/2 tiene ~2.15 dBi; un plato satelital, 30–40 dBi. Concentrar más en una dirección = más ganancia ahí, pero menos cobertura: no hay almuerzo gratis, solo se redistribuye la misma potencia.
Arrays y beamforming
Un solo elemento radia su dona y poco más. La magia llega al poner varios en formación: si se suman en fase en una dirección, sus campos se refuerzan ahí y se cancelan en otras → un haz estrecho y dirigible. La forma de esa combinación es el factor de array, y depende de cuántos elementos hay, cuán separados están y —lo crucial— de la fase con que se alimenta cada uno.
Lo asombroso: cambiando solo las fases —sin mover una sola pieza— el haz barre el espacio. Eso es el beamforming de un radar moderno, del 5G o de Starlink. Pruébalo:
Dirigir el haz sin mover la antena
Sube : el haz se afina (más directividad). Mueve el desfase y mira el lóbulo barrer el espacio: con apunta de costado (broadside, 90°); al crecer se inclina hacia el eje. Eso es el beamforming de un radar o un router WiFi: no gira nada, solo cambia las fases.
Enciende × elemento y verás la ⭐ del post: el patrón total es el del elemento por el factor de array —multiplicación de patrones—. El elemento no puede radiar donde tiene un nulo, así el array hereda los ceros del dipolo aunque el factor de array querría radiar ahí.
Al activar × elemento ves la ⭐ del post en acción: el patrón total es el del elemento por el factor de array. Una antena real es siempre esa multiplicación —por eso conviene entender cada factor por separado primero, y juntarlos al final—.
Tipos de antena
Casi todas las antenas son variaciones sobre estas ideas: un elemento radiante (a veces ayudado por parásitos o un plano de tierra), o un array de ellos. Aquí están las familias clásicas con su rasgo distintivo. Cada tarjeta abre el simulador FDTD para que la veas radiar de verdad:
El elemento canónico: hilo resonante de media onda, patrón en dona, ~2.15 dBi. La referencia de todo.
preset: Half-wave dipole
Medio dipolo sobre un plano de tierra que actúa de espejo. La antena del coche y del walkie.
preset: Quarter-wave monopole over ground
Un dipolo excitado + reflector + directores parásitos que enfocan el haz hacia adelante. La antena de tejado de la TV.
preset: Yagi 5-element
Un rectángulo de cobre sobre dieléctrico: plano, barato, integrable en placa. GPS, móviles, satélites.
preset: 3D · Parche microstrip (FR4)
Una ranura en un plano conductor: el dual del dipolo (Babinet). Radia desde el hueco, no desde el metal.
preset: 3D · Slot complementario
Muchos elementos cuyo desfase dirige el haz electrónicamente. Radares, 5G, Starlink.
preset: 3D · Phased array 1×5 (slider de fase)
Una guía de onda que se ensancha para acoplar al espacio libre. Alta ganancia, banda ancha; patrón de referencia.
preset: 3D · Bocina piramidal
Ranura de apertura exponencial: ultra banda ancha y plana. Radar de penetración, EW, imaging.
preset: 3D · Vivaldi (tapered slot)
Cada tarjeta abre el simulador FDTD; elige el preset indicado en el selector de la barra lateral. Verás en vivo la onda desprenderse y formar justo el patrón de radiación que aquí manipulaste.
Polarización
Falta un detalle que viene directo de Maxwell: la polarización es la dirección en que oscila en la onda radiada —y la fija la orientación de la antena—. Un dipolo vertical radia polarización vertical; cruzando dos dipolos con 90° de desfase se obtiene polarización circular (la misma hélice que viste en la onda plana de Maxwell). Para que dos antenas se «escuchen» bien, sus polarizaciones deben coincidir: una vertical y una horizontal, en teoría, no se hablan.
Puente: de los fundamentos al simulador
Ya tienes el vocabulario completo: patrón, lóbulos, directividad, ganancia, factor de array, polarización e impedancia. Todo eso son propiedades del campo lejano, y para obtenerlas con una forma de antena cualquiera no hay fórmula cerrada: se resuelve Maxwell en el tiempo sobre una malla y se mide el campo que sale. Ese es exactamente el trabajo del simulador FDTD —el leapfrog que dedujiste en Maxwell, corriendo en la GPU— y su playground interactivo.
El círculo de la serie se cierra: la derivada se volvió diferencia finita, la integral un acumulador, el rotacional el corazón de la malla de Yee, y Maxwell el leapfrog. Una antena es todo eso, resuelto paso a paso —y ahora sabes leer lo que el simulador te muestra.