📡 Radiacion de Antena — Patrones de Campo del Dipolo

La potencia irradiada promediada en el tiempo por unidad de angulo solido de un dipolo hertziano de longitud dℓ y corriente I es dP/dΩ = (I² dℓ² / 8λ²) × Z⊂0; × sin²θ, donde Z⊂0; ≈ 377 Ω es la impedancia del espacio libre y λ es la longitud de onda. La potencia total irradiada es P = (I² dℓ² / 12) × Z⊂0; / λ². El vector de Poynting en el campo lejano decae como 1/r², por lo que la amplitud del campo electrico decae como 1/r. Estos resultados se derivan directamente de los potenciales retardados de las ecuaciones de Maxwell.

Una red en fase alimenta cada elemento con una senal de fase progresivamente desplazada β respecto a su vecino. El factor de red combinado es AF = Σ exp(i(k d cosθ + β)n) para n = 0 a N-1, donde k = 2π/λ y d es la separacion entre elementos. El haz principal alcanza su maximo donde k d cosθ + β = 0, dando un angulo de haz θ⊂0; = arccos(-β/(kd)). Cambiando β electronicamente en nanosegundos, los radares modernos y los sistemas 5G escanean el haz por el cielo sin latencia mecanica.

Si. El teorema de reciprocidad del electromagnetismo establece que el patron de ganancia y la impedancia de una antena son identicos tanto si transmite como si recibe. Un dipolo de media onda que irradia con mas fuerza de forma perpendicular tambien es mas sensible a las senales entrantes que llegan de forma perpendicular. Por eso el mismo diseno de antena (e incluso la misma antena fisica, mediante un duplexor) puede usarse tanto para transmitir como para recibir en sistemas de radar y radios bidireccionales.

Heinrich Hertz realizo los experimentos decisivos entre 1886 y 1888, produciendo y detectando ondas de radio con un transmisor dipolo de chispa y un receptor de bucle resonante. Midio la longitud de onda y demostro que las ondas se reflejaban, refractaban y polarizaban tal como predecia la teoria de Maxwell de 1865, confirmando que la luz y la radio son el mismo fenomeno en frecuencias diferentes. Guglielmo Marconi extendio despues la demostracion de laboratorio de Hertz hacia la telegrafia inalambrica practica de largo alcance, enviando la primera senal transatlantica en 1901.

El campo cercano (zona reactiva, dentro de aproximadamente λ/2π de la antena) almacena energia oscilante que regresa a la fuente en cada ciclo en lugar de irradiarse; los campos decaen como 1/r² y 1/r³ y son altamente reactivos. El campo lejano (zona de radiacion, mas alla de aproximadamente 2D²/λ para antenas de apertura) contiene la onda que se propaga, donde los campos decaen como 1/r y la razon E/H = Z⊂0;. Impactos practicos: el acoplamiento de campo cercano se aprovecha en NFC, carga inalambrica y bobinas de resonancia magnetica; el comportamiento del campo lejano rige la cobertura de radiodifusion, el alcance de radares y los enlaces satelitales.

La ganancia de la antena, el ancho de haz, los niveles de lobulos laterales y la relacion frente-espalda son cifras de merito centrales en cualquier presupuesto de enlace inalambrico. Las estaciones base celulares usan antenas sectoriales con un ancho de haz horizontal de unos 120° para cubrir celdas sin interferir con sectores adyacentes. Las antenas parabolicas satelitales usan reflectores parabolicos para enfocar un haz perpendicular a 0,5° o menos, logrando ganancias de 40-50 dBi. Los radiotelescopios agrupan cientos de antenas de forma coherente (por ejemplo, el VLA) para sintetizar aperturas de kilometros de ancho, alcanzando mapas de galaxias distantes con resolucion de miliarcosegundos.

Las areas activas de investigacion incluyen: superficies inteligentes reconfigurables (RIS) — redes pasivas de reflectores ajustables electronicamente que dan forma al canal inalambrico en redes 6G; haces de momento angular orbital (OAM) que multiplexan flujos de datos independientes en modos de vortice coaxiales; antenas de terahercios (100 GHz - 10 THz) para imagenes sub-milimetricas y enlaces mas alla de 5G; y antenas inspiradas en metamateriales que logran aperturas sub-longitud de onda y una eficiencia de radiacion casi unitaria. La deteccion cuantica con centros de vacancia de nitrogeno tambien permite la deteccion sin antena de campos magneticos oscilantes a escala nanometrica.