Una antena transmisora convierte señales eléctricas en ondas electromagnéticas, manejando típicamente niveles de potencia de 10 W a 50 kW. Una antena receptora captura estas ondas y las convierte de nuevo en señales eléctricas, operando generalmente a baja potencia, como de -50 dBm a -20 dBm.
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Uso
Las antenas transmisoras se utilizan en estaciones de radio, torres de señal de TV y estaciones base de comunicación móvil. Las antenas transmisoras de las estaciones de radio FM operan en la banda de 88 a 108 MHz, y la potencia de transmisión puede alcanzar los 5.000 vatios o más. Esta potencia puede cubrir un radio de unos 80 kilómetros, asegurando que los usuarios dentro de este rango puedan recibir la señal con claridad. La potencia de la antena transmisora de la estación base de comunicación móvil está entre 20 vatios y 100 vatios según la necesidad de cubrir el área; la potencia de la estación base es mayor en las zonas suburbanas o rurales, y menor en la ciudad porque las estaciones base son densas.
La antena receptora de un televisor doméstico puede recibir señales de torres de TV desde unos pocos kilómetros hasta decenas de kilómetros de distancia. En el caso de la televisión digital, el usuario utiliza una antena receptora con una sensibilidad entre 25 y 35 dBi, y dicha antena puede recibir ondas electromagnéticas en el rango de intensidad de señal de 1 μV a 50 μV. El precio de la antena receptora doméstica suele ser de 200 a 600 yuanes.
Capacidad de manejo de potencia
Las antenas de transmisión utilizadas para la radiodifusión de onda media tienen una potencia de hasta 50 kilovatios, y las pequeñas antenas de transmisión para uso doméstico tienen una potencia de solo unas pocas decenas de vatios, como las antenas de transmisión utilizadas por los routers Wi-Fi de entre 0,1 vatios y 1 vatio. El diseño de la antena del router también está optimizado para diferentes bandas de frecuencia, como la banda de 2,4 GHz, que es adecuada para un mayor rango de cobertura, y la banda de 5 GHz, que tiene una mayor tasa de transferencia de datos.
La potencia de la señal de la antena receptora de TV por satélite se puede procesar entre -50 dBm y -20 dBm, y la sensibilidad de la antena satelital con un diámetro de 1,8 metros puede alcanzar más de 45 dBi.
Los materiales de las antenas transmisoras comúnmente utilizados incluyen el cobre y la aleación de aluminio; la conductividad del hilo de cobre es de 5,96 × 10^7 S/m, mucho más alta que otros materiales comunes. Una antena transmisora de alta potencia para una estación de radio puede costar cientos de miles de yuanes, y su vida útil es de 10 a 15 años.
Una antena receptora exterior estándar puede durar de ocho a 12 años, y el precio oscila entre 300 y 1.000 yuanes, dependiendo de las especificaciones y el material de la antena. La vida útil de la antena receptora interior suele ser de 5 a 8 años, y el precio es relativamente bajo, entre 100 y 300 yuanes.
El coste de instalación de la antena transmisora de la estación de radio puede ser de cientos de miles o incluso millones de yuanes, y la potencia de la antena transmisora puede necesitar ser más de un 30% superior a la de la zona llana para superar los obstáculos del terreno. Los costes de mantenimiento requieren decenas de miles de dólares al año para inspecciones regulares, calibración de equipos y sustitución de piezas dañadas.
El coste de instalación de la antena receptora de TV por satélite oscila entre 500 y 2.000 yuanes, dependiendo del lugar de instalación y de la dificultad para recibir la señal. Los costes de mantenimiento son más baratos, y los usuarios domésticos generalmente solo necesitan ajustar la dirección de la antena cada pocos años, con un coste de unos 100 a 200 dólares.
Consideraciones de diseño
Una antena transmisora de radiodifusión AM típica utiliza una antena omnidireccional de polarización vertical, y para las estaciones de radio AM con una potencia de más de 10 kW, la altura de la antena está entre 100 y 200 metros. La altura de la antena debe ser una cuarta parte de la longitud de onda de la señal para garantizar una transmisión eficiente. Cuando opera en la banda de 1000 kHz, la altura de la antena es de unos 75 metros.
Las antenas transmisoras de señales de TV de ultra alta frecuencia (UHF) suelen diseñarse con antenas de matriz (array), que pueden enfocar la potencia de transmisión en una dirección específica para aumentar la intensidad de la señal y reducir la pérdida de energía en otras direcciones. Las antenas de TV UHF transmiten una potencia de entre 5 kW y 20 kW, y el tamaño de la matriz de antenas varía según las necesidades específicas de cobertura; la longitud de la matriz de antenas de algunas grandes torres de TV urbanas puede superar los 50 metros.
Las señales de alta frecuencia (como las de radio FM y televisión) requieren antenas relativamente cortas, como la radio FM con un rango de frecuencia de 88 a 108 MHz y una longitud de onda de unos 3 a 4 metros, por lo que la longitud típica de una antena es de un cuarto o media longitud de onda, es decir, entre 0,75 metros y 2 metros. Los tamaños de las antenas de transmisión de señales de baja frecuencia, como las antenas de radiodifusión de onda larga, operan en el rango de frecuencia de 30 a 300 kHz, con longitudes de onda de entre 1 km y 10 km.
Tomando como ejemplo la antena receptora de TV doméstica, la señal de TV en la banda UHF (470 a 862 MHz) utiliza una longitud de onda de antena de 30 a 60 cm, por lo que el tamaño de la antena receptora está entre 10 cm y 30 cm. La antena receptora de TV por satélite opera en la banda de frecuencia superior a 10 GHz, y el diámetro del plato receptor oscila entre 60 cm y 1,8 m, dependiendo de la potencia de la señal del satélite y de la ubicación geográfica del punto de recepción.
La antena transmisora utiliza cobre o aluminio como material principal; el cobre tiene una conductividad eléctrica de aproximadamente 5,96 × 10^7 S/m, una de las más altas entre los metales comunes. Aunque la conductividad del aluminio es de solo 2,38 × 10^7 S/m, sigue siendo un material común para las antenas transmisoras de alta frecuencia debido a su ligereza y resistencia a la corrosión. Para las estaciones transmisoras de onda corta de alta potencia de 50 kW, el rendimiento de disipación de calor del material de la antena es muy importante y debe controlarse mediante sistemas de refrigeración por aire o por líquido.
Las torres y antenas deben estar diseñadas para soportar vientos de más de 200 kilómetros por hora. Según los estándares de la industria, una antena transmisora eficiente debe ser capaz de mantener un rendimiento estable durante 20 a 30 años, y los costes de mantenimiento representan del 10% al 15% del coste del equipo; las antenas comunes tienen funciones de interferencia antirradio y blindaje electromagnético, y el precio oscila entre 100 y 300 yuanes.
Ganancia de la antena
La ganancia de la antena es una medida importante de la capacidad de una antena para dirigir la radiación o recibir ondas electromagnéticas, y se expresa en dBi (ganancia relativa a una antena isotrópica) o dBd (ganancia relativa a una antena dipolo). Una antena transmisora omnidireccional típica tiene una ganancia de 3 dBi, lo que significa que puede enfocar la señal horizontalmente y aumentar la fuerza de la señal en comparación con una antena isotrópica. Las antenas direccionales de alta ganancia pueden enfocar la energía en una dirección específica, siendo posible obtener ganancias de 10 dBi a 20 dBi. Algunas antenas transmisoras de alta ganancia para Wi-Fi tienen ganancias de hasta 12 dBi y pueden cubrir distancias de cientos de metros.
En el campo de la radiodifusión, una antena transmisora de FM típica suele tener una ganancia de 10 dBi, lo que garantiza la cobertura de la señal en un radio de 50 km a 100 km, dependiendo de la potencia de transmisión. En el caso de una emisora que transmita 5.000 vatios, una antena con 10 dBi de ganancia puede mantener la calidad de la señal a largas distancias. En las estaciones base de comunicación móvil, la ganancia de la antena transmisora suele estar entre 14 dBi y 18 dBi. Estas antenas de alta ganancia pueden lograr una cobertura precisa en la ciudad, mejorando la estabilidad y eficiencia de la comunicación. Tomando como ejemplo una estación base urbana típica, una estación base con una potencia de transmisión de 50 vatios tiene una ganancia de antena de 16 dBi, lo que puede cubrir un radio de varios kilómetros.
Una antena receptora de satélite típica tiene una ganancia de 30 dBi a 45 dBi, y cuanto mayor es la ganancia, más fuerte es la señal recibida y mayor es la claridad de la señal. En Europa, una antena receptora de satélite de 1,2 metros de diámetro tiene una ganancia de entre 38 dBi y 40 dBi, lo que garantiza que la atenuación de la señal se mantenga dentro de los límites aceptables incluso con mal tiempo. Si la ganancia de la antena receptora es inferior a 30 dBi, es posible que no reciba una señal de TV clara en climas tormentosos.
Para las antenas receptoras de TV digital doméstica, la ganancia está entre 15 dBi y 25 dBi. Una antena receptora de TV digital con un precio de mercado de 200 yuanes y una ganancia de 20 dBi puede recibir señales de TV a decenas de kilómetros de distancia. La antena de 25 dBi de ganancia, con un precio de unos 500 yuanes, es adecuada para usuarios que viven en zonas remotas.
Las antenas omnidireccionales que cubren un área amplia suelen tener una ganancia baja, con una ganancia típica de antena omnidireccional de 2 dBi a 5 dBi, lo que es adecuado para escenarios que requieren la cobertura simultánea de señales en múltiples direcciones, como los routers Wi-Fi domésticos. Una antena Wi-Fi con una ganancia de 2 dBi puede cubrir un radio de unos 30 metros, mientras que una antena de 5 dBi de ganancia puede extenderse a 50 metros o más. Muchos routers de alto rendimiento utilizan antenas con una ganancia de 5 dBi a 9 dBi para garantizar la cobertura de toda la casa y el jardín.
Las antenas direccionales aumentan la cobertura al enfocar las señales en una dirección. Tomemos como ejemplo la antena direccional parabólica común; su ganancia suele ser superior a 20 dBi y es capaz de cubrir una distancia de varios kilómetros o más. Algunas antenas direccionales utilizadas para transmisiones Wi-Fi de larga distancia pueden ganar hasta 24 dBi, lo que permite la transmisión de señales a varios kilómetros en áreas despejadas. En las telecomunicaciones o la comunicación por radio, las antenas direccionales de alta ganancia son particularmente comunes. Algunas antenas utilizadas en comunicaciones militares o espaciales, por ejemplo, pueden alcanzar ganancias de 30 dBi a 40 dBi, y pueden transmitir señales eficazmente durante cientos de kilómetros, garantizando que se pueda recibir una retroalimentación de señal fuerte incluso en entornos extremos.
