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Las antenas son estructuras diseñadas para emitir y recibir ondas electromagnéticas eficazmente
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las cuales a su vez pueden ser
utilizadas para transferir información
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entre dispositivos de manera inalámbrica.
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Aunque también son utilizadas en una amplia gama de aplicaciones
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incluyendo radares, meteorología, radioastronomía, geolocalización y reconstrucción de superficies.
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En términos simples, si analizamos una antena actuando como emisora
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una cierta cantidad de carga eléctrica se moverá a través de ella
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generando un campo electromagnético que se expandirá en múltiples direcciones
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mientras que por otro lado, una antena actuando como receptora
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será afectada por ese campo electromagnético generando una
corriente alterna.
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Ésta tendrá una frecuencia similar a la del campo electromagnético
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y, por lo tanto, a la corriente que estaba inicialmente en la antena emisora
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permitiendo la transferencia de información.
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Pero hay mucho más que eso, por eso en este capítulo veremos cómo funciona una antena
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cuáles son sus principios físicos, sus características principales y los diferentes tipos que existen.
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Para entender cómo funciona una antena primero debemos comprender
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al menos dos principios físicos y algunos otros conceptos.
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El primero de ellos es la Ley de Ampère.
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Ésta nos dice que cuando una carga eléctrica se mueve a través de un conductor
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es decir, existe una corriente eléctrica
ésta genera un campo magnético
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el cual además puede ser representado como un flujo magnético
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líneas que forman un circuito cerrado y que poseen una dirección específica
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la cual por cierto puede ser determinada usando la regla de la mano derecha
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con el pulgar apuntando en la dirección de la corriente
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y el resto de los dedos indicando la dirección del flujo magnético.
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El segundo principio físico es la ley de Faraday-Lenz
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la cual nos dice que cuando un conductor se encuentra en presencia de un flujo magnético
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si éste varía en el tiempo se generará una fuerza electromotriz o voltaje por el conductor
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cuya dirección supondrá el campo magnético que la generó
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Entendiendo esto ahora veamos un
ejemplo de cómo se aplican estos principios
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en el funcionamiento de un par de antenas
compuestas de un simple cable recto
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siendo una de ellas la emisora
y la otra la receptora.
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Al alimentar la antena emisora con corriente continua
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debido a la ley de Ampère se generará un
campo magnético cilíndrico
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el cual inicialmente crecerá pero luego se estabilizará.
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Si repetimos este proceso, pero con la antena receptora a una menor distancia
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cuando el campo magnético se encuentra creciendo
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se generará un voltaje en ella, volviendo a desaparecer una vez que el campo magnético se estabilice.
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Este comportamiento es interesante, pero no muy útil
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pues básicamente estaríamos enviando una única señal y nada más.
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Sin embargo, el resultado es totalmente distinto si pasamos de corriente continua a corriente alterna
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es decir, cambiamos continuamente la dirección de la corriente que pasa por la antena emisora.
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En esta configuración, si bien el campo magnético
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continuará expandiéndose en la forma de un cilindro
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cuando nos fijamos en las líneas de flujo
magnético, nos daremos cuenta
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de que su dirección se invertirá a la misma frecuencia con que la corriente de cambio de polaridad.
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Debido a esto, la antena receptora se encontrará siendo afectada
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siempre por un flujo magnético en variación
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y por lo tanto esta vez el voltaje no desaparecerá después de un tiempo.
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Aunque, por otro lado, su signo variará continuamente
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a la misma frecuencia con que varía la dirección del flujo magnético.
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Es decir, la antena receptora estará generando una corriente alterna.
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De esta manera, si analizamos un trozo de conductor en el espacio
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el campo magnético variable generará una corriente
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por lo cual las cargas eléctricas se acumularán a cada extremo alternadamente
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generando una diferencia de potencial entre ellos con su correspondiente campo eléctrico.
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Debido a esto, cuando se tiene un campo magnético variable
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se habla de campos electromagnéticos.
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Más aún, dado que el campo magnético puede ser descrito
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por líneas de flujo magnético con una determinada dirección
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y el campo eléctrico puede ser descrito
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por un vector en la dirección de la diferencia de potencial
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podríamos analizar cómo cambian a través del tiempo en un punto en el espacio
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con lo cual obtendríamos dos vectores que oscilan continuamente
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de manera perpendicular entre sí.
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Incluso podríamos ir un paso más adelante
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y graficar el camino que sigue la punta de ambos vectores.
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Al hacer esto, se generarían dos ondas sinusoidales perpendiculares
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las cuales en conjunto son conocidas como ondas electromagnéticas
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las cuales, al igual que todas las ondas
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estarán descritas principalmente por tres parámetros relacionados
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Primero, su frecuencia
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la cual como ya mencionamos depende principalmente de la frecuencia de la corriente
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que generó el campo magnético en la antena emisora.
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Segundo, su velocidad de propagación
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la cual, para el caso particular de las ondas electromagnéticas desplazándose en el
vacío
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es igual a la velocidad de la luz, es decir aproximadamente 300.000 km por segundo
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lo cual por cierto es un poco redundante, porque la luz es una onda electromagnética.
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Y tercero, la longitud de onda
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la cual nos indica la distancia recorrida por la onda
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cuando esta realiza una oscilación completa.
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En este punto aunque pareciera que nos estamos alejando del tema principal que son las antenas
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la verdad es que entender estos conceptos es extremadamente relevante
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pues las características de estas ondas se relacionan directamente
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a cómo están diseñadas
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siendo especialmente relevante en las antenas receptoras
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pues se puede variar su tamaño en relación a una determinada longitud de onda
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para optimizar su eficiencia
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en ciertos rangos de frecuencia del espectro electromagnético.
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Cabe destacar que de manera similar al ejemplo inicial
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donde tanto la parte emisora como la receptora eran iguales estructuralmente
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todas las antenas son capaces de cumplir estas dos funciones.
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Sin embargo, esto no significa que usar antenas iguales sea la mejor opción
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pues como veremos a continuación estas tienen una serie de características
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que las hacen más o menos apropiadas para cada aplicación.
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Por ejemplo, si quisiéramos una antena capaz de emitir y recibir señales en todas las direcciones
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podríamos utilizar una antena monopolo
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que son las típicas antenas que se componen principalmente de un cilindro de metal
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o también una antena dipolo
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la cual se compone de dos conductores posicionados de forma simétrica
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formando una línea recta.
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En estos casos, al utilizarlas como emisoras
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el campo electromagnético radiado tendría una forma similar a una dona
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o, más técnicamente, un toroide.
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Esta visualización nos daría una rápida comprensión
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de dónde sería el mejor lugar para poner una antena receptora
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que sería en la banda más externa o alejada de la antena.
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Aunque cabe destacar que al buscar
las características de una antena
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es más común encontrar esta misma información en la forma de dos diagramas de radiación
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realizados en función de sus variables angulares
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el ángulo de elevación y el ángulo de azimut.
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Estos se relacionan a lo que se conoce como coordenadas polares
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una forma de describir vectores en un espacio tridimensional utilizando tres parámetros
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que es particularmente útil para describir formas que se expanden desde un punto central
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tal como lo hacen las antenas.
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El primer parámetro es una distancia R desde el punto central.
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El segundo parámetro es la elevación
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que corresponde al ángulo entre un eje vertical y el vector
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y el tercer parámetro es el azimut
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que corresponde al ángulo entre una proyección del vector
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en el plano horizontal y un eje horizontal.
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De esta forma, el diagrama de radiación relacionado al ángulo de elevación
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sería lo que veríamos al interceptar los bordes del toroide
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con un plano vertical que pasa por el centro
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mientras que el diagrama de radiación relacionado al ángulo de azimut
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sería lo que veríamos al interceptar los bordes del toroide
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con un plano horizontal que pasa por el centro.
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Si bien mencioné que este diagrama corresponde
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al campo electromagnético generado por la antena
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aún no hemos hablado de que es lo que representa exactamente el perímetro de estos diagramas.
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Claro, sabemos que mientras más alejado del centro
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mayor será la intensidad de la señal emitida por la antena en esa dirección
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pero no le hemos dado una escala
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y por lo tanto no tendríamos un punto de comparación
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para antenas con el mismo patrón de radiación.
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La unidad utilizada para este tipo de diagramas es la ganancia
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la cual se mide en decibeles o decibeles relativos a un patrón isotrópico.
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Esta parte puede ser un poco enredada, pero aguanten un minuto.
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El decibel isotrópico es una unidad adimensional que se calcula como
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la división entre la densidad de potencia de la antena a una cierta distancia y dirección
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y la densidad de potencia que se habría obtenido al utilizar un radiador isotrópico.
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ambas antenas irradiando a la misma potencia total.
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En este caso,un radiador isotrópico
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es simplemente una antena teórica de referencia
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que emite ondas electromagnéticas con una igual intensidad en todas las direcciones posibles
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De esta forma, si visualizamos la densidad de potencia de ambas antenas
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cuando la potencia de nuestra antena analizada sea mayor a la densidad de la antena isotrópica
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tendremos decibeles isotrópicos positivos
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y cuando ésta sea menor, tendremos
decibeles isotrópicos negativos.
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Una de las razones por las cuales las características de una antena
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son representadas de esta manera
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es que la información presentada seguirá siendo verdad
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aún cuando la potencia con la cual se alimenta la antena haya variado.
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Si el gráfico estuviera hecho en base a una potencia específica
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este sería válido para esa única potencia
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lo cual no sería muy útil y podría generar confusiones.
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Llegado a este punto ya hablamos bastante de las antenas desde el punto de vista físico.
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Así que ahora nos enfocaremos en su funcionalidad
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analizando algunos de los tipos de antenas más comunes que existen.
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Las antenas monopolo y dipolo, como mencioné previamente
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tienen un patrón de radiación omnidireccional.
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Debido a esto, son utilizadas como emisoras
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cuando se quiere transmitir una señal a muchos receptores
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o cuando la posición del receptor es desconocida
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y por lo tanto se quiere abarcar el mayor espacio posible.
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Por otro lado, también son útiles cuando se desconoce la posición de la antena emisora.
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Sus principales ventajas son su fácil construcción y bajo costo
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utilizándose en dispositivos muy simples que no requieren una ganancia muy alta
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como antenas de televisor, antenas de radio, celulares antiguos
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antenas de auto, módems, routers, walkie talkies, etc.
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Las antenas Yagi Uda que aunque ya no son tan populares
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es probable que las hayan visto en algún momento
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se componen de un arreglo de antenas dipolo colocadas paralelamente en un plano horizontal.
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Todas estas antenas dipolo suelen ser del mismo largo
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a exxcepción de una o varias ubicadas en la parte trasera
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que son ligeramente más largas conocidas como reflectores.
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En esta antena, un único dipolo es alimentado con corriente
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el más cercano a los reflectores
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mientras que el resto de ellos amplifican y direccionan la radiación
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es decir, esta vez nos encontramos con una antena direccional
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cuyo patrón de radiación sería algo como esto.
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Continuando con las antenas direccionales, también están las antenas de bocina
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las cuales funcionan de una manera similar a como lo hace un megáfono.
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En su interior encontraremos una antena monopolo o dipolo como las que vimos antes
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pero lo que las hace diferentes es la
integración de una guía de ondas
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la cual le proporciona directividad a la radiación
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dando también una gran ganancia a la antena.
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Además, las antenas de bocina tienen como ventaja
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el emitir radiación en un gran rango de frecuencia
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es decir, poseen un amplio ancho de banda.
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Debido a esto suelen ser utilizadas en aplicaciones como radares para el control de velocidad
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y operadores de puertas y portones.
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Otro tipo de antena direccional son las antenas de parche
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las cuales se componen básicamente de un conducto rectangular
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por el cual fluye una corriente.
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En general. este conductor es una placa cuadrada con un largo de media longitud de onda
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de la señal con que se alimenta
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siendo antenas direccionales con un ancho de radiación relativamente grande
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dada su estructura física.
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Su gran ventaja es la facilidad de implementación en circuitos impresos a un bajo costo
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usándose frecuentemente en teléfonos celulares y computadores portátiles.
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Por último también tenemos las antenas parabólicas.
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Éstas se componen de una superficie con forma de parábola
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la cual se conoce como plato
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y una guía de onda, generalmente una antena de bocina
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la cual se posiciona en el foco de la parábola
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y está dirigida directamente a dicha superficie.
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Cuando se usa como emisora, la guía de onda libera una señal
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que rebota en el plato y se transmite al espacio
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mientras que, cuando se usa como receptora
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la señal primero rebota en el plato y luego ingresa en la guía de onda.
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Debido a las propiedades geométricas de una parábola
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la señal sale en línea recta paralela al plato con una muy alta directividad.
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Actualmente, es la antena que presenta la mayor ganancia
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y con la que se obtiene el menor ancho de radiación
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concentrando la radiación en un ángulo muy pequeño
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y usándose para frecuencias muy altas en las que otras antenas serían ineficientes.
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Éstas cuentan con diversas aplicaciones como telefonía, emisión y recepción de radio
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internet inalámbrico, comunicación por satélite y radiotelescopios, entre muchas otras.
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Finalmente, si bien cada una de las antenas que vimos tienen ciertas características
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que las hacen útiles para diversas situaciones
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es importante mencionar también cuáles son sus limitaciones.
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En relación a su eficiencia, la potencia de entrada como corriente eléctrica
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siempre será mayor que la potencia de salida como ondas electromagnéticas
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pues al igual que todo el sistema eléctrico presentará pérdidas de energía
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al estar construido por materiales que disipan parte de la potencia en forma de calor.
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Además otra limitación que podemos encontrar si nos enfocamos en su funcionalidad
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es que todos los diagramas de radiación que vimos
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se hicieron considerando que las ondas electromagnéticas se propagarían en un espacio libre
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es decir, sin obstáculos que pudieran absorber, reflejar o desviar las señales.
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Lamentablemente este supuesto está muy lejos de la realidad
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donde hay todo tipo de objetos que pueden
afectar la propagación de la señal.
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De hecho en las redes 5G de alta frecuencia que operan entre 25 y 39 gigahertz
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este efecto es tan fuerte que incluso un simple árbol interponiéndose entre
dos antenas
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a menos de 100 metros la una de otra
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podría atenuar la señal y evitar la comunicación entre ellas.
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Espero que les haya gustado este vídeo.
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Eso es todo por ahora y nos vemos en el próximo capítulo!
