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Cómo funcionan las antenas: de los electrones en movimiento a las ondas de radio

Una introducción sencilla y visual a la física de las antenas, los dipolos y los monopolos.

Ilustración de una antena dipolo alimentada por el centro con frentes de onda de radio que se extienden hacia fuera

La respuesta corta: una antena convierte una señal eléctrica alterna en una onda de radio, y una onda de radio de nuevo en una señal eléctrica. La señal mueve los electrones de un lado a otro en el metal, y esas corrientes y cargas cambiantes lanzan una onda que viaja hacia fuera. Una antena dipolo lo hace con dos brazos alimentados por el centro. Una antena monopolo usa un solo elemento y una superficie conductora llamada plano de tierra.

La radio puede parecer magia. Un pequeño trozo de metal envía energía a través de un valle sin nada que lo conecte con el receptor. Pero la física que hay detrás empieza con algo sencillo: electrones que se mueven en un cable. Esta guía sigue ese movimiento paso a paso, desde un simple cable hasta una antena dipolo y una antena monopolo en funcionamiento, y vuelve después a cómo una antena recibe una señal.

Empecemos con un cable: ¿qué hacen los electrones?

Un cable metálico ya está lleno de electrones que pueden moverse. En el cobre, aproximadamente un electrón de cada átomo puede desplazarse libremente por el metal en lugar de estar ligado a un solo átomo. Una batería no tiene que aportar estos electrones. Ya están ahí antes de conectar nada.

Al conectar una fuente de alimentación, se crea un campo eléctrico a lo largo del cable. Ese campo empuja a cada electrón libre, y todos empiezan a derivar en la misma dirección, además de su rápido movimiento aleatorio.

Esta deriva es sorprendentemente lenta, a menudo solo una fracción de milímetro por segundo. Aun así, una lámpara se enciende casi al instante porque el campo eléctrico recorre el cable mucho más rápido que los electrones, de modo que los electrones de todo el cable empiezan a moverse casi al mismo tiempo.

Electrones que derivan por un cable metálicoUn cable lleno de átomos metálicos fijos y electrones libres. Una fuente de alimentación crea un campo eléctrico y los electrones derivan hacia el extremo positivo.Fuente de alimentaciónLos electrones derivan hacia el extremo +Campo eléctrico
El metal ya está lleno de electrones libres (azules). Una fuente de alimentación añade un campo eléctrico, y todo el mar de electrones deriva hacia el extremo positivo. Los iones metálicos grises permanecen en su sitio.

¿Qué hace que los electrones vayan y vengan?

Una batería empuja en una sola dirección. Un transmisor de radio, no. Produce una tensión alterna, que cambia suavemente, invierte su polaridad y se repite.

Cuando un extremo del cable es positivo, los electrones son empujados hacia él. Cuando la polaridad se invierte, la fuerza eléctrica también se invierte y los electrones van en sentido contrario. Nunca avanzan realmente a lo largo del cable. Solo van y vienen alrededor de sus posiciones locales.

Hay un detalle que suele causar confusión. Los electrones tienen carga negativa, así que se mueven en sentido opuesto al que llamamos por convención corriente eléctrica. La convención se estableció antes de que nadie conociera los electrones, y se mantuvo. Por eso las flechas de corriente y las de electrones apuntan en sentidos opuestos.

La tensión alterna invierte el movimiento de los electronesTres paneles conectados: un gráfico de tensión alterna, la polaridad de la tensión en un cable en dos momentos y flechas que muestran los electrones moviéndose primero en un sentido y luego en el otro.1. Tensión alternaABtiempo2. Polaridad en el cable3. Movimiento de los electronesEn Aelectronescorriente convencionalEn Belectronescorriente convencional
Cuando la tensión se invierte, la polaridad en el cable cambia y los electrones cambian de sentido. La corriente convencional se dibuja en sentido contrario al movimiento de los electrones.

Leer la onda: ¿qué muestra realmente el gráfico?

Las señales de radio suelen dibujarse como una onda sinusoidal. Cuatro términos básicos la describen:

  • Ciclo: una repetición completa del patrón.
  • Amplitud: cuánto se aleja la onda de cero.
  • Frecuencia: cuántos ciclos ocurren cada segundo, medida en hercios. Una señal de radio de 868 MHz se repite 868 millones de veces por segundo.
  • Fase: en qué punto de su ciclo está la onda en un momento dado.

Lo más importante es recordar que el gráfico muestra cómo cambia con el tiempo una magnitud como la tensión o la corriente. No es la trayectoria física de un electrón. Los electrones no recorren el cable siguiendo la forma de una curva sinusoidal.

La mejor manera de leer la onda es seguir un ciclo completo. La corriente describe directamente el movimiento colectivo de los electrones, así que la usaremos aquí. Cada electrón conserva además su rápido movimiento aleatorio, de modo que «moverse» significa a continuación su deriva colectiva. Recuerda que la corriente convencional apunta en sentido contrario a esa deriva. Sigue los números del gráfico:

Un ciclo completo de la posición de los electrones y la corrienteDos gráficos comparten un mismo eje de tiempo. Un marcador los recorre mientras los electrones se desplazan a izquierda y derecha en un cable. La posición de los electrones llega a su extremo cuando la corriente es cero, y la corriente alcanza su pico cuando los electrones pasan por el centro.Posición media de electronessobre la línea = a la derecha del centroCorrientesobre la línea = corriente convencional hacia la derecha12345Electrones en el cable, al ritmo del marcador
Un ciclo en un cable resistivo simple, numerado según los pasos siguientes. Los gráficos muestran valores a lo largo del tiempo, no una trayectoria en el espacio. El movimiento está muy ralentizado y exagerado.
  1. Extremo izquierdo. Los electrones se han desplazado todo lo posible hacia la izquierda. Su deriva colectiva se detiene brevemente, así que la corriente es cero.
  2. Hacia la derecha, a máxima velocidad. Los electrones pasan por su posición central. La corriente está en su pico y apunta a la izquierda, por lo que la curva roja está en su punto más bajo.
  3. Se frenan y llegan al extremo derecho. Los electrones alcanzan el otro extremo y su deriva colectiva vuelve a detenerse brevemente. La corriente es cero.
  4. Hacia la izquierda, a máxima velocidad. Pasan por el centro en sentido contrario. La corriente alcanza su pico apuntando a la derecha, por lo que la curva roja está en su punto más alto.
  5. De vuelta al punto de partida. Se frenan de nuevo hasta el extremo izquierdo y comienza el siguiente ciclo.

Observa que la posición y la corriente no alcanzan su pico a la vez. Los electrones están más lejos del centro justo cuando la corriente es cero, y la corriente es máxima cuando pasan por el centro.

Este ejemplo es un cable resistivo simple, en el que la tensión sube y baja al ritmo de la corriente, así que un gráfico de tensión tendría la misma sincronización. Una antena es diferente. Los electrones responden al campo eléctrico local en su propia posición, y la corriente y la carga varían a lo largo de la antena, de modo que un gráfico de tensión por sí solo no siempre indica la sincronización exacta de la corriente.

Las distancias también son diminutas. Con las frecuencias y corrientes de radio habituales, la deriva de ida y vuelta puede ser mucho menor que un átomo.

¿Cómo produce ese movimiento una onda de radio?

Aquí se unen tres hechos de la física:

  1. Los electrones tienen un campo eléctrico. Toda carga tiene uno a su alrededor, y se extiende por el espacio circundante.
  2. La corriente eléctrica produce un campo magnético. Las cargas en movimiento crean un campo magnético alrededor del cable.
  3. Los campos cambiantes se crean mutuamente. Un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético, y un campo magnético cambiante produce un campo eléctrico.

Una corriente constante genera un campo magnético constante, y ese campo simplemente permanece alrededor del cable. Pero en una antena, las corrientes y las cargas cambian de sentido millones de veces por segundo. Los campos cercanos a la antena no pueden ajustarse al instante, porque los cambios se propagan a una velocidad finita. Parte del campo cambiante sigue avanzando hacia fuera como un patrón autosostenido de campos eléctricos y magnéticos. Ese patrón que viaja es una onda electromagnética, y transporta energía lejos de la antena a la velocidad de la luz.

Los electrones se quedan en el metal. Solo la onda se aleja.

Antena que convierte una señal en una onda de radioUn gráfico de señal alimenta una antena vertical. Los electrones suben y bajan dentro del metal mientras una onda electromagnética se extiende hacia fuera.1. Señal2. Electrones se mueven en el metalNo abandonan la antena.3. Onda electromagnéticaLleva energía hacia fueravelocidad de la luz
Ocurren dos cosas distintas: los electrones se mueven una distancia diminuta dentro del metal, mientras la onda que crean se aleja. No está a escala y solo se dibuja un lado de la onda.

La onda también tiene su propia sincronización. Nace del cambio, así que el campo que transporta depende de lo rápido que cambia la corriente. La corriente cambia más rápido en el momento en que los electrones se invierten, que es cuando la propia corriente es cero. Ese efecto tarda luego en viajar, de modo que llega más tarde a cualquier punto lejano. Por tanto, la posición de los electrones, la corriente y el campo saliente no alcanzan su pico a la vez.

Posición de los electrones, corriente y campo de la onda de radio en una misma línea de tiempoTres gráficos a lo largo de un ciclo. En el momento en que los electrones se invierten, la posición está en su extremo y la corriente es cero. El punto más fuerte del campo de ese momento llega algo más tarde a cierta distancia.Posición media de electronesCorriente convencionalCampo de la onda de radio, medido a cierta distanciaretardo de viajeLos electrones se invierten aquí
Tres magnitudes distintas con tres sincronizaciones distintas. En la línea discontinua, la deriva colectiva de los electrones se ha detenido brevemente en su extremo, la corriente es cero y la corriente cambia con la máxima rapidez. El campo más fuerte de ese momento llega más tarde a un punto lejano. El retardo es ilustrativo y aumenta con la distancia.

¿Por qué importa la longitud de la antena?

La longitud de onda, a menudo escrita λ, es la distancia que recorre una onda durante un ciclo. Las ondas de radio son muy rápidas, pero a 868 MHz cada ciclo es extremadamente breve, así que una onda recorre solo unos 345 mm antes de que empiece el siguiente ciclo.

Imagina ahora una señal que se mueve por una antena. Al llegar a la punta, el metal termina, así que se refleja y vuelve atrás. Con las longitudes adecuadas, la onda de ida y la reflejada se combinan en un patrón repetitivo e intenso de corriente a lo largo de la antena. Se parece un poco a empujar un columpio en el momento justo: cada nuevo empuje del transmisor se suma al movimiento que ya existe. Esto es la resonancia, y por eso la sincronización de la señal y la longitud de la antena tienen que funcionar juntas.

Dos longitudes son especialmente comunes. Una antena de media onda mide media longitud de onda de punta a punta. Una antena de cuarto de onda es un solo elemento de un cuarto de longitud de onda que funciona con un plano de tierra.

Longitud de onda completa comparada con antenas de media onda y de cuarto de ondaA 868 MHz, una longitud de onda mide unos 345 mm, un dipolo de media onda unos 173 mm y un monopolo de cuarto de onda unos 86 mm. Dibujados a la misma escala.Una longitud de onda a 868 MHzlongitud de onda completa ≈ 345 mmDipolo de media onda≈ 173 mm (dos brazos de 86 mm)Monopolo de cuarto de onda≈ 86 mm, más un plano de tierra
Las tres longitudes están dibujadas a la misma escala y calculadas para el espacio libre. Las antenas reales suelen recortarse unos pocos por ciento.

Una vez clara la idea, la aritmética es sencilla. La longitud de onda es la velocidad de la luz dividida por la frecuencia, así que un cuarto de longitud de onda en metros es aproximadamente 75 dividido por la frecuencia en MHz. Eso da unos 86 mm a 868 MHz y 82 mm a 915 MHz, dos frecuencias habituales de LoRa.

La antena dipolo: dos brazos que trabajan juntos

Una antena dipolo son dos brazos conductores conectados a una fuente de señal en el centro. La fuente empuja electrones hacia un brazo mientras los extrae del otro, y luego se invierte. Así, los electrones se mueven por los brazos en la misma dirección general, primero en un sentido y luego en el otro, y la carga es empujada una y otra vez hacia los extremos.

En un dipolo de media onda típico, esto se estabiliza en un patrón repetitivo llamado onda estacionaria:

  • La corriente es máxima cerca del centro y cae hacia cero en las puntas, porque los electrones no pueden pasar más allá del final del metal.
  • La carga se acumula cerca de los extremos, con una punta positiva y la otra negativa, que se intercambian cada medio ciclo.
Corriente de un dipolo de media onda y diagrama de radiación en forma de rosquillaUn dipolo vertical alimentado por el centro con electrones que se mueven por sus brazos, corriente máxima en el centro y casi nula en las puntas, carga acumulada en las puntas y un diagrama de radiación en forma de rosquilla.Dipolo de media ondacorrientemáximacorriente ≈ 0cargaacumuladaen puntasDiagrama de radiacióncasi nadapor los extremosmáxima hacia los lados
Izquierda: los electrones se mueven más cerca del centro, apenas en las puntas, y la carga se acumula en los extremos. Derecha: un corte lateral del diagrama de radiación en forma de rosquilla. Gira los dos lóbulos alrededor de la antena para obtener la forma completa. El movimiento está ralentizado y exagerado.

El resultado es el conocido diagrama de radiación en forma de rosquilla. Un dipolo radia con más fuerza hacia los lados y casi nada directamente por sus extremos.

Cómo lanza una onda un dipolo, paso a paso

La carga y las líneas de campo ofrecen otra forma útil de imaginar el mismo proceso. Una línea de campo eléctrico va de la carga positiva a la negativa, así que observa lo que hacen las líneas durante el primer medio ciclo:

Un dipolo lanza una onda de radio en cuatro pasosCuatro dibujos de un dipolo alimentado por el centro. La carga se acumula en los brazos y las líneas de campo eléctrico crecen hacia fuera de la carga positiva a la negativa. En el último dibujo los electrones vuelven atrás y el campo cambiante, dibujado como bucles cerrados, se ha extendido más lejos.1. Inicio2. Expansión3. Pico4. Cambios hacia fuera
El primer medio ciclo, simplificado. Los signos más y menos muestran la carga, la línea discontinua muestra cuánta se ha acumulado en cada brazo, las líneas naranjas son el campo eléctrico y las flechas azules muestran el movimiento de los electrones. Las líneas de campo son una herramienta de dibujo, y solo se muestra el lado derecho.
  1. La carga empieza a separarse. La fuente empuja los electrones hacia abajo por la antena. El brazo superior queda con carga positiva y el inferior gana carga negativa, empezando cerca del centro. Unas líneas de campo cortas las conectan.
  2. El campo se extiende. A medida que la carga se extiende por los brazos, las líneas de campo crecen hacia fuera con ella. Los cambios del campo viajan a la velocidad de la luz, así que el espacio lejano aún no los nota.
  3. La carga alcanza su pico. Al cabo de un cuarto de ciclo, la mayor parte de la carga se ha acumulado cerca de las puntas y la deriva colectiva de los electrones se detiene brevemente. La corriente es cero, igual que en el ciclo que hemos seguido antes.
  4. Los cambios se extienden hacia fuera. Cuando los electrones invierten su sentido, cambian los campos eléctrico y magnético alrededor de la antena. Estos cambios se extienden hacia fuera a la velocidad de la luz y se llevan energía. Las líneas curvas del diagrama nos ayudan a imaginar el campo eléctrico; no son hilos físicos que se separan del cable.

En el siguiente medio ciclo la carga se acumula al revés y el patrón se repite con el campo apuntando en sentido contrario. Ese patrón repetitivo de campos eléctricos y magnéticos cambiantes, que se extiende hacia fuera, es la onda de radio.

La antena monopolo: un elemento y un plano de tierra

Un monopolo de cuarto de onda es un elemento conductor de un cuarto de longitud de onda que trabaja con una superficie conductora llamada plano de tierra. La señal se aplica entre la base del elemento y esa superficie. A pesar del nombre, un plano de tierra no tiene por qué estar conectado a la tierra.

Piensa en un plano de tierra ideal, plano y perfectamente conductor. Las cargas de su superficie se reorganizan en respuesta al elemento, y su efecto por encima del plano es exactamente el mismo que si existiera debajo una imagen especular de la antena. La carga positiva en la punta del elemento corresponde a una carga negativa en la punta de su reflejo, y la corriente de la imagen fluye en la dirección correspondiente. En conjunto, el elemento y su imagen tienen la misma forma que un dipolo de media onda. El plano de tierra aporta eléctricamente la mitad que falta.

Monopolo de cuarto de onda sobre un plano de tierra con su imagen especularUn monopolo vertical sobre un plano de tierra llano, con una imagen especular punteada debajo que completa la forma de un dipolo de media onda.plano de tierra ideal y llanoelemento real, ≈ λ/4corriente en el cableimagen especular(no existe físicamente)alimentación
Sobre un plano de tierra ideal, el monopolo y su reflejo parecen juntos un dipolo de media onda. La imagen especular es una forma de calcular el resultado, no una antena real. Con este plano ideal, la energía de radio solo va al espacio situado encima.

Esto significa que el diagrama de radiación de un monopolo ideal de cuarto de onda coincide con la mitad superior de la rosquilla de un dipolo.

Por supuesto, los planos de tierra reales no son infinitos. El techo de un vehículo, un conjunto de cables radiales o una placa de circuito pueden servir, pero una superficie pequeña o irregular cambia la sintonía y puede inclinar el diagrama. El modelo del espejo es un punto de partida, no una descripción exacta de cada dispositivo.

Dipolo vs. monopolo: una comparación sencilla

Estos son los dos diseños, uno junto a otro, a la misma frecuencia.

Dipolo de media onda y monopolo de cuarto de onda, uno junto a otroUn dipolo de media onda y un monopolo de cuarto de onda dibujados a la misma escala a 868 MHz, con sus diagramas de radiación: una rosquilla completa para el dipolo y la mitad superior de una rosquilla para el monopolo.Dipolo de media ondaMonopolo de cuarto de onda≈ 173 mm≈ 86 mm + plano de tierraalimentado en el centroalimentado en la base
Misma frecuencia (868 MHz), misma escala. Las formas naranjas son los diagramas de radiación idealizados.
Dipolo de media onda vs. monopolo de cuarto de onda
CaracterísticaDipolo de media ondaMonopolo de cuarto de onda
ConstrucciónDos brazos conductoresUn elemento más una superficie conductora
Longitud típicaAproximadamente λ/2 (≈ 173 mm a 868 MHz)Aproximadamente λ/4 (≈ 86 mm a 868 MHz)
Punto de alimentaciónCentro, entre los brazosBase, entre el elemento y el plano de tierra
Plano de tierraNo es necesarioNecesario, y forma parte de la antena
Diagrama de radiaciónRosquilla completaMitad superior de una rosquilla (plano ideal)

Ningún diseño es mejor sin más. La elección suele depender del espacio disponible, de la superficie de montaje y de aquello a lo que se fija el dispositivo.

Nota técnica opcional: impedancia y ganancia

En el caso ideal, un dipolo de media onda tiene una impedancia de alimentación de unos 73 Ω y una ganancia de unos 2,15 dBi. Un monopolo ideal de cuarto de onda sobre un plano de tierra infinito y perfectamente conductor tiene aproximadamente la mitad de esa impedancia, unos 36 Ω, y una ganancia de unos 5,15 dBi, porque la misma potencia va a la mitad del espacio. La ganancia máxima de una instalación real depende de su geometría, sus pérdidas y su diagrama de radiación.

Cómo recibe una señal una antena

Ahora invierte toda la historia. Cuando una onda electromagnética llega a una antena receptora, su campo eléctrico empuja a los electrones libres del metal. A medida que el campo se alterna, los electrones van y vienen y producen una pequeña tensión y corriente alternas en el punto de alimentación de la antena. Un receptor amplifica y decodifica esa señal.

Antena receptora que responde a una onda de radio entranteUna onda de radio llega a un cable vertical, los electrones del cable van y vienen y aparece una pequeña señal en un gráfico en el receptor.Llega la onda de radioSu campo eléctrico empuja electronesHacia el receptorUna señal eléctrica diminutaLos electrones responden en el cable
La recepción es la misma historia al revés. La onda entrante mueve los electrones del cable, y ese movimiento se convierte en una tensión muy pequeña en la entrada del receptor. No está a escala.

Gracias a una propiedad llamada reciprocidad, una antena suele tener el mismo diagrama de radiación y la misma ganancia tanto al transmitir como al recibir. Un dipolo que transmite mal por sus extremos también recibe mal desde esa dirección.

Un ejemplo práctico: un monopolo en un rastreador

El rastreador GPS Loko usa una antena monopolo, así que todo lo anterior se aplica directamente. Su diagrama es más débil en la dirección de la punta, por lo que apuntar la antena directamente a la otra radio suele ser peor que mantenerla en vertical. Necesita una superficie conductora con la que trabajar, y el metal cercano o un cuerpo pueden cambiar su sintonía y absorber energía. La colocación de la antena es solo una parte de un enlace de radio, como explican estas guías sobre la línea de vista de radio y el alcance de la señal.

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