¿Por qué importa la longitud de una antena, en relación con la longitud de onda?

No puedo entender la siguiente ilustración de wikipedia:

animación de antena dipolo

Muestra la antena en ángulo recto con respecto a la dirección de viaje de la onda EM. La longitud de onda se mide en la dirección de desplazamiento. Entonces, ¿por qué importa la longitud relativa de la antena a la longitud de onda?

Importa en el sentido de la eficiencia, qué tan buena será la antena para capturar energía de esa onda EM. Cuando sea más larga o más corta que cierta longitud óptima, la antena seguirá funcionando pero será menos sensible y efectiva. Para una antena transmisora, por ejemplo, se radiará menos potencia en forma de ondas y se reflejará más potencia en el amplificador que impulsa la antena; esta potencia se convierte luego en calor y se pierde. Lea también: en.wikipedia.org/wiki/Electrical_length
@FakeMoustache Gracias, he leído el enlace, pero estoy preguntando particularmente sobre el problema de que la longitud de la antena está en ángulo recto con la longitud de onda.
@FakeMoustache Si no fuera por el hecho de que la velocidad de la electricidad en la antena era solo de 0.7-0.9c, habría adivinado que era solo una cuestión de que la antena estaba "sintonizada". Hubiera esperado que la antena de un cuarto de onda fuera un 10-30% más corta que un cuarto de la longitud de onda, para resonar de manera más eficiente.
La respuesta a eso es similar, todas las antenas tienen cierta sensibilidad dependiendo de su dirección, consulte electronics.stackexchange.com/questions/273932/… por lo que si las ondas no "golpean" la antena en la dirección óptima, la onda será todavía ser recogido pero con menos eficiencia.
la velocidad de la electricidad en la antena era solo 0.7-0.9c ¿ de dónde aprendiste esto? Que yo sepa, la longitud de onda no cambia entre el aire o un conductor.
@FakeMoustache quora.com/Does-electricity-travel-at-the-speed-of-light dice 0.7-0.9c y 0.5-1.0c. en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity dice 0.5-1.0c. No debería creer todo lo que leo en Wikipedia...
La velocidad de los electrones en movimiento es algo diferente a la velocidad de una onda. Un pato de goma que flota en un estanque sube y baja con las olas, pero las olas mismas se mueven a una velocidad completamente diferente.
@Bimpelrekkie, la velocidad de movimiento de los electrones es muy lenta, del orden de 0,1-1 mm/s en un cable de metal. La velocidad de la electricidad es diferente, que es 0.5c-0.99c . La velocidad en un cable coaxial es solo ~80% de la velocidad de la luz . La longitud de onda definitivamente cambia según el entorno, así es como ocurre la refracción.

Respuestas (2)

Suponga que tiene una antena receptora, dipolo. Ignore la existencia de espacio libre alrededor de la antena, ignore esa longitud de onda, y solo piense en la porción del campo electromagnético inmediatamente alrededor de la antena. El campo ejerce una fuerza sobre los electrones en la antena, perpendicular a la propagación de la onda (o más precisamente, en la misma dirección que la polarización de la onda). De ahí viene el ángulo recto.

La longitud de onda de la onda en el espacio es irrelevante, hasta ahora, porque los elementos de la antena no la ven, solo ven un campo que oscila localmente.

Ahora piensa en lo que sucede en el conductor de la antena. Hay una fuerza que hace que los electrones se muevan (una corriente). Por otro lado, la antena tiene extremos y la corriente no puede fluir por el extremo de un cable (fuera de las condiciones que no se aplican aquí).

Considere solo el campo que incide sobre algunos electrones cerca del centro de la antena e ignore el resto del campo. Pueden comenzar a moverse y, al igual que cualquier otro cambio en la corriente en un conductor, se propaga, como una onda, a lo largo del conductor a una velocidad cercana (pero no igual) a la velocidad de la luz. Cuando este cambio llega a un extremo del cable, la corriente ya no puede fluir allí, por lo que, al igual que cualquier onda que golpea un obstáculo, se refleja y llega a su punto de partida, y hay ondas estacionarias dentro de la antena.

Ha indicado que ya comprende la idea de las ondas de sonido y las ondas estacionarias en una tubería, por lo que no entraré en más detalles allí. Solo tenga en cuenta que la analogía adecuada puramente desde la perspectiva del análisis de ondas estacionarias es:

  • extremo del cable: extremo cerrado de la tubería — nodo de corriente — antinodo de tensión
  • medio del dipolo: medio del tubo cerrado en ambos extremos - antinodo de corriente - nodo de voltaje

No existe una analogía directa obvia para la interacción de la onda EM, ya que se extiende a lo largo de toda la longitud: es como si tuviera una serie de ventiladores en la tubería, no como una onda de presión exterior que pasa a través de una abertura.

Para resumir: las dos longitudes son similares no porque la extensión de la onda en el espacio libre se corresponda de alguna manera con la extensión del cable a pesar de estar en ángulo recto, sino porque hay dos fenómenos de onda de la misma frecuencia y casi la misma velocidad de propagación. .

Entonces, ¿por qué importa la longitud relativa de la antena a la longitud de onda?

Una antena monopolar (por ejemplo) puede ser "corta" y captará una señal que es proporcionalmente más pequeña Y parecerá una impedancia que es altamente capacitiva para el receptor. La parte "resistiva" de la señal también será muy pequeña: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Foto tomada desde aquí

Esto es bueno para las radios de cristal porque en (digamos) una longitud de 0.05 λ puede sintonizar reactivamente con una bobina y producir un factor Q decente para brindar una buena selectividad en la radio de cristal.

Por otro lado, para una antena transmisora, esto es problemático porque tienes que hacer dos cosas: -

  • Contrarreste la capacitancia (alrededor de 1000 ohmios a 0,05 λ ) con un inductor en serie para poder conducir una corriente decente a dicha antena
  • Conduzca una resistencia de valor realmente bajo (la impedancia transformada del espacio libre en los terminales eléctricos de la antena). ¡También es difícil encontrar un cable coaxial de menos de 1 ohmio!

Por lo tanto, las antenas transmisoras se eligen para tener una longitud que haga que la interfaz eléctrica sea más simple. Por ejemplo, a 0,25 λ la impedancia es puramente resistiva a unos 37 ohmios. Incluso podría elegir una longitud que sea un poco menos de 0.5 λ y obtener una resistencia de más de 2000 ohmios sin parte reactiva.

Si va a longitudes de antena más grandes, obtendrá un patrón repetido: -

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Foto tomada desde aquí

La base del gráfico está en MHz con un cuarto de onda a 2,5 MHz. La parte reactiva de la impedancia es azul y la resistiva es roja, ambas en ohmios a lo largo del eje y. Hay algunas discrepancias en las amplitudes entre las dos imágenes, pero este no es el punto: el punto es que la longitud de la antena afecta en gran medida a la impedancia y se repite a medida que pasa de una antena eléctricamente corta a una antena eléctricamente larga.

Con respecto al patrón de antena, un dipolo se ve así con la antena vertical y en el centro: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Foto tomada desde aquí

No se menciona el problema del ángulo recto.
@chrisdew, mi imagen final intenta abordar eso: le dice que la parte más sensible de una antena dipolo simple está en ángulo recto con la "línea" de la antena, pero es diferente para otras antenas: es un gran tema.
Sí, entiendo por qué la antena debe estar en la dirección del componente de campo eléctrico de la onda electromagnética. Lo que no tengo una comprensión intuitiva es por qué resuena una antena, a menos que la velocidad de la electricidad en la antena sea casi la misma que la velocidad de la luz en el aire (es decir, la velocidad de la onda electromagnética). En ese caso, es como una tubería de un cuarto de onda con un extremo cerrado, lo cual puedo entender.
¿Dónde estaba esto en tu pregunta original? Lo responderé, pero señalaré que esto no se mencionó en la pregunta original. Básicamente, transforma la impedancia de (digamos) la impedancia eléctrica de 37 ohmios de un monopolo de onda qtr a la impedancia del espacio libre. La velocidad aumenta a medida que cambia la impedancia de la antena desde el punto de conducción eléctrica hasta las puntas de la antena.
¿Son las alturas reductoras de los picos de resistencia de entrada con longitud debido a una mayor atenuación?
@LewisKelsey a medida que cae la longitud de la antena, cae la resistencia a la radiación efectiva de la antena. Esto se traduce en un menor voltaje recibido pero la misma potencia recibida. Por supuesto, esto podría necesitar algún tipo de traductor de impedancia para recuperar el voltaje con pérdidas mínimas. Me refiero principalmente a los receptores aquí y, aunque el término "resistencia a la radiación" parece aplicarse a una antena transmisora, también se aplica a la recepción.
Según tengo entendido, la resistencia de entrada es cómo se ve el circuito abierto en la entrada. Si no hubiera pérdida o resistencia a la radiación, sería 0 resistencia para un dipolo de media onda (transformador de cuarto de onda). Creo que la onda incidente y los reflejos se ven atenuados por la pérdida y la resistencia a la radiación y, por lo tanto, produce un valor distinto de cero en la entrada, aparentemente igual a la pérdida más la resistencia a la radiación. Para un dipolo de onda completa, el circuito abierto debe tener una resistencia infinita en la entrada, pero está atenuado a un valor no infinito por la radiación y la pérdida de resistencia.
Bien, escucho lo que dices, así que ahora te animo a que hagas una pregunta formal sobre este tema para que otros puedan contribuir. Los comentarios no son para una discusión extensa y están planteando cosas nuevas que le gustaría que se abordaran. También necesita ser más claro en lo que pregunta/dice. Por favor, no intentes arreglar eso aquí pero, cuando dices esto: the input resistance is how the open circuit is seen at the inputno tiene sentido para mí de lo que estás hablando. Haz justicia y haz una nueva pregunta por favor.
¿Por qué importa la longitud de una antena, en relación con la longitud de onda?
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