Ondas estacionarias en antenas dipolo

Soy el creador de la animación dipolo de arriba. Ha habido algunos puntos excelentes mencionados anteriormente. Creo que la razón por la que todavía hay confusión sobre la pregunta es que falta información debido a una ligera inexactitud en la animación (que también está presente en todos los dibujos de ondas estacionarias de dipolo en los libros de texto).

Sí, hay ondas estacionarias en la antena. El dipolo, además de ser una antena, también es un resonador. Cuando se alimenta a su frecuencia resonante, además de radiar, almacena energía en campos eléctricos y magnéticos oscilantes de campo cercano alrededor de la antena, creados por una onda de voltaje y corriente que rebota entre los extremos de la antena. Las ondas dirigidas de manera opuesta interfieren para formar una onda estacionaria de voltaje (rojo) y corriente (azul) en la antena, que se muestra en la animación.

La información que falta es que el dipolo es un resonador Q bastante alto. Esto significa que la energía almacenada en la antena de ciclos anteriores es mucho mayor que la energía agregada desde la línea de alimentación en cada ciclo, que es igual a la energía radiada como ondas de radio en cada ciclo. Los dipolos típicos tienen una Q de 10 a 15; esto significa que la energía almacenada es de 10 a 15 veces la energía agregada por ciclo, por lo que el voltaje máximo de la onda estacionaria es de 10 a 15 veces el voltaje máximo en la línea de alimentación. Dado que el voltaje de alimentación es tan pequeño, esta animación (así como los gráficos de ondas estacionarias de dipolo en los libros de texto) lo omite: solo muestra las ondas estacionarias, que representan la energía almacenada. No muestra la energía de alimentación. Para ser exactos, esta imagen representa una antena que almacena energía, no irradia.

Observe que en la animación, la diferencia de voltaje (barra roja) a través de la línea de alimentación es cero. Para representar el voltaje de alimentación que impulsa las oscilaciones en la antena, debe haber un pequeño paso de voltaje oscilante a través de la línea de alimentación. Dibujé una animación más precisa que muestra esto: (También cambié las flechas actuales para representar con mayor precisión la velocidad lenta de los electrones en la antena y disminuí la velocidad de la animación)

En una línea de transmisión que transporta energía sin reflexión, la corriente y el voltaje están en fase. En una onda estacionaria que solo almacena energía y no la transporta (como en un trozo resonante), la corriente y el voltaje deben estar desfasados ​​90°. Esta es la razón por la que la corriente y el voltaje de la antena en la animación superior están desfasados ​​90°, porque solo muestran la energía almacenada. En la animación inferior, la diferencia de fase en las partes internas de los elementos difiere un poco de 90° debido a la potencia que fluye desde la línea de alimentación hacia los elementos.

Si la impedancia característica de la línea de alimentación coincide con la impedancia de la antena, no hay ondas estacionarias en la línea de alimentación. Observe en la animación inferior que, a diferencia de la onda estacionaria de voltaje, el voltaje de alimentación (el paso de voltaje oscilante a través de la línea de alimentación) está en fase con la corriente en la antena, que también es la corriente en la línea de alimentación. Por lo tanto, la impedancia que la antena presenta a la línea de alimentación es puramente resistiva, por lo que (suponiendo que coincida con la impedancia característica de la línea, como es habitual) no habrá energía reflejada de vuelta por la línea de alimentación ni ondas estacionarias en ella.

1. Si la antena y la línea coinciden perfectamente, ¿no hay ondas estacionarias en la línea?

Correcto. Las ondas estacionarias se producen como resultado de reflexiones; si una onda reflejada se encuentra con una onda incidente en una línea de transmisión, pueden interactuar para causar interferencias constructivas y destructivas en ciertos puntos a lo largo de la línea de transmisión, esto es lo que causa las "ondas estacionarias". Tener una red perfectamente adaptada significa no tener reflejos y, por lo tanto, no tener ondas estacionarias.

2. Si es así, ¿qué sucede con estas ondas viajeras una vez que llegan al final de las antenas dipolo?

Nada especial sucede cuando llegan al final. Toda la longitud de la antena es responsable de acoplar la onda en el aire (o espacio libre), lo que hace al oscilar a la frecuencia para la que está diseñada para transmitir (piense en ella como si vibrara cuando la agita a cierta frecuencia).

El trabajo de una antena es convertir la impedancia vista por la onda EM, de la impedancia característica de 50 ohm o 75 ohm de la línea de transmisión, a la impedancia de 377 ohm del espacio libre. Cuanto mejor sea la antena, menos parte de la onda que la alcance se reflejará en el cable y más se propagará a través del espacio libre.

La mayoría de las imágenes muestran que en realidad hay ondas estacionarias en dos lados del dipolo.

Correcto. Aunque la antena no refleja nada de la onda EM hacia la línea de transmisión y causa ondas estacionarias en la línea de transmisión, resuena a la frecuencia a la que está diseñada para transmitir. Sin embargo, la resonancia no debe confundirse con las ondas estacionarias.

Le aconsejo que lea sobre circuitos resonantes, creo que puede ayudarlo a comprender qué le sucede a la onda dentro de la antena (es más o menos equivalente a un circuito RLC paralelo)

Me gustaría agregar un comentario sobre la respuesta anterior:

La onda TEM tiene su campo E y H completamente en fase. En la línea de transmisión adaptada, también el voltaje y la corriente están en fase (sin onda estacionaria), por lo tanto, la onda estacionaria significa que el voltaje y la corriente (campo E y H) están desfasados ​​90 grados.

Antes de convertirse en una onda TEM, "nace" en la vecindad de la antena, que a su vez presenta este extraño fenómeno: la onda EM tiene un campo E y H desfasado - campo cercano, y luego se transforma en TEM con E y H en fase - campo lejano.

Por lo tanto, es realmente difícil responder si la antena tiene una onda estacionaria o no, ya que se encuentra en algún punto intermedio entre la transformación de la señal eléctrica a la onda EM.