La física detrás de las antenas

Si ha realizado algún trabajo de radio, probablemente tenga una buena idea de lo que hacen las antenas. También es bastante fácil tener una comprensión superflua de ellos. Probablemente sepa que hay algo mágico en las antenas de un cuarto de onda de largo o de media onda y otros múltiplos. ¿Pero sabes por qué importa eso? ¿Entiende la física de por qué un cable en una configuración especial hará que las señales se propaguen por el espacio? [Learn Engineering] sí, y su nuevo video es una de las mejores explicaciones gráficas de lo que realmente está sucediendo en una antena que hemos visto. Puedes ver el video a continuación.

Si se trata de antenas con matemáticas, es una discusión larga. Sin embargo, este video dura aproximadamente 8 minutos y utiliza excelentes gráficos para mostrar cómo las cargas en movimiento pueden producir un campo electromagnético disperso.

Sin embargo, el límite de tiempo de 8 minutos nos dejó con ganas de más, ya que la primera parte explica perfectamente el movimiento de carga en un dipolo, pero lo que sigue se ve muy rápido en algunas antenas de TV, satélite y teléfono móvil.

Este video no lo convertirá en un experto en diseño de antenas, pero a menos que sea un gurú, apostamos a que encontrará al menos una cosa que no sabía en ellos. Si quieres ir más lejos, [Mark Hughes’] La introducción tiene gráficos que no son tan fluidos como estos, pero aún así brindan una explicación mucho más fácil que la que encontrará en un libro de texto. Si inserta antenas, modelarlas es más fácil que antes, gracias por supuesto a las computadoras.

  • Ostraco dice:

    “Si se trata de antenas con matemáticas, es una discusión larga. Sin embargo, este video dura aproximadamente 8 minutos y utiliza excelentes gráficos para mostrar cómo las cargas en movimiento pueden producir un campo electrónico en expansión. “

    Cuando Flash y JLNP eran un problema donde había ejemplos interactivos en línea.

    • Jackson dice:

      ¿Por qué los terminales de la antena están en circuito abierto … Aunque es capaz de producir un campo magnético en un circuito cerrado …?

  • hexandflex dice:

    Como ingeniero de antenas, puedo apoyar felizmente este mensaje. Gran video.

    Errata. La recepción del frente de onda suele ser plana en lugar de estrechamente curvada en el transmisor. Además, los electrones no recorren toda la longitud del cable como se muestra en la animación, pero el resultado final es el mismo.

    • Llave de torsión dice:

      Así es. ¿Podría hacer una buena introducción al tema en nuestro curso sobre E&M?

    • Lucas dice:

      Pregunta: ¿explica la antena del monopolio?

      El plano de tierra debajo de la antena actúa como un espejo, tengo entendido, pero ¿cómo interactúa para hacer que el cable sobresalga del plano como una antena dipolo?

      • De vuelta de APS2019 dice:

        Teoría de la imagen – ver:

        https://en.m.wikipedia.org/wiki/Image_antenna

      • aberraciones de la lente dice:

        las antenas monopolísticas no existen. Piense en el almacenamiento de carga.

      • Derek dice:

        La mejor manera de imaginar lo que está sucediendo es considerar colocar una vela encendida de 4 a 6 pulgadas en un mosaico de espejo cuadrado de 1 pie. (Puede usar Tea Light, pero debe usar un mosaico de espejo mucho más pequeño, tal vez una montaña rusa).
        Ahora mueva su campo de visión hasta que pueda ver dos llamas: la original y la reflejada.
        En este ángulo, tienes el doble de poder que la vela “verdadera”. Ahora mueva su campo de visión hasta que pueda ver solo una llama (la original). Acaba de descubrir parte del límite de la plantilla de su modelo de antena.

        Así es como funciona un contrapunto.

        • 12AU76L6GC dice:

          Piense en un dipolo como un imán que cambia muy rápidamente con un polo norte y sur que se alternan muy rápidamente. En un dipolo vertical, el elemento inferior sirve para proporcionar presión opuesta o contraria a los diversos campos electrostáticos y electromagnéticos a través de los elementos superior e inferior. Si coloca un plano de tierra en el punto central donde se alimenta la antena, generalmente con una fuente de alimentación desequilibrada, se inducen corrientes y voltajes en el plano de tierra que se aproximan a lo que estaría presente en esa ubicación de la onda constante creada por el elemento opuesto. . El plano de tierra sirve para crear un patrón estándar acercándose a un dipolo, pero no hay necesidad de irradiar RF. Como se mencionó, se acerca al patrón, pero de hecho no es equivalente. Considere una antena terrestre alta con un plano de tierra bastante grande elevado unos cientos de pies sobre el suelo. Debido a la falta de un elemento de posición opuesta radiante, el patrón radial debajo del horizonte del punto central horizontal es casi inexistente, que es muy diferente del patrón toroidal creado por el dipolo. ¿Elementos radiantes sin contrapoder? Los tipos de radioaficionados lo hacen todo el tiempo. Se llama antena de cable largo.

  • Thomas Barth dice:

    Jaja, lo vi hace unos días y pensé: hmm, tal vez sea un video para la-tecnologia … naaah

    Es genial verlo aquí, realmente me ayudó FINALMENTE a entender el concepto.

  • Lutz Herting dice:

    “Las cargas móviles pueden producir un campo electrónico en expansión” ¿Y ahora qué? ¿Quizás la palabra que busca es “campo electromagnético”? : PAG

    • Al Williams dice:

      Memoria de dedos … arreglada

      • Tenaja dice:

        ¡Me encanta que la-tecnologia es mi fuente de noticias más gramaticalmente correcta!

        • anónimo dice:

          El video tiene dos palabras mal escritas.

  • Jay Hattler dice:

    Veo que el video usa la vieja idea de “electrones que se acumulan al final del cable” para explicar la difusión. ¿No es esta idea esencialmente falsa? ¿No cuestiona esto el resto del contenido del video?

    • dinero dice:

      Sí, es falso.
      La única forma de entender realmente una antena es en términos de problemas de valor límite para la ecuación de onda 3d.
      Consulte “Ecuaciones diferenciales parciales” de Aaron Sommerfeld, quien lo hace muy bien.

      • jafinch78 dice:

        @penny et.al. “Consulte” Ecuaciones diferenciales parciales “de Aaron Sommerfeld, que lo hace muy bien”.

        ¿Hay otras presentaciones gráficas en Internet que sepa explicar? Una representación gráfica de cualquier fenómeno físico y lógico matemático es esencial para que pueda captar los detalles y pasar a una memoria a largo plazo.

        No encontrar una copia del libro de texto o papel a menos que este Quarterly of Applied Mathematics Vol. 10, núm. 2 (julio de 1952), pág. 193 “Ecuaciones diferenciales parciales” de Arnold Sommerfeld: https://www.jstor.org/stable/43633950?seq=1

        • dinero dice:

          Es parte de la serie de Sommerfeld sobre física matemática. Prueba Google Books.
          Creo que probablemente sea el libro que encontraste reseñado.
          Ahora puede ser un libro de Dover.
          No conozco una presentación gráfica en línea, pero trato de buscar una sobre la ecuación de onda 3D y sus problemas de valor límite. Yo mismo no encuentro muy útiles las presentaciones gráficas. Suelen estar llenos de mentiras y confusión.
          Sin embargo, usando las fórmulas de Sommerfeld, se podrían graficar las soluciones en Mathematica (controles deslizantes útiles) de
          Matlab. Eso funcionaría bien. La ecuación de onda es lineal, las soluciones son explícitas y esto las facilita.

          • jafinch78 dice:

            “La serie de Sommerfeld sobre física matemática … … podría ser un libro de Dover …”

            Pensando en esto es el libro: https://www.abebooks.com/Partial-Differential-Equations-Physics-Lectures-Theoretical/30582289412/bd

            Esta parece ser la cuarta impresión: https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.469819/page/n11/mode/2up

            “No encuentro muy útiles las presentaciones gráficas. Suelen estar llenos de mentiras y confusión. “

            Creo que entiendo lo que dices, es decir, cuando la representación gráfica de un sistema es realizada por diseñadores gráficos y no por un científico o ingeniero.

            Lo sé, si no fuera por Logo tal vez primero o con BASIC con la TI-99 / 4A bastante burda (no recuerdo haber conceptualizado las matemáticas, aunque realmente bien, entonces … había más plug), entonces definitivamente la TI-83, luego TI-92, luego EXCEL (lo sé, no tan exacto) y luego MATLAB … No pude ver las matemáticas tan bien en relación con lo que puedo.

            No he usado Maple o Mathematica desde que tenía física a finales de los 90 y solo lo usé brevemente porque podía hacer más con las calculadoras. Tendré que ver qué puede hacer R ahora y creo que acabo de instalar Octave con QucsStudio. Recuerdo que Octave era un equivalente a MATLAB de código abierto … así que sigue leyendo, porque podría ser un buen video, ya que también se puede hacer con la grabadora de pantalla.

            Todavía necesito leer más en los programas de simulación 3D, ya que solo estoy aprendiendo LTspiceIV, MicroCap12 y QucsStudio (este último parece realmente impresionante) … aunque parece CST Studio y tal vez algunos otros programas pueden realizar representaciones gráficas artísticas de manera más matemática precisa / necesitas
            https://eo.wikipedia.org/wiki/Simulia_(kompanio)#CST_Studio_Suite

            Descargué una edición para estudiantes de CST Studio … aunque todavía estoy al comienzo de mis estudios y aún no la he usado. Es el momento de pensar en leer en Octave y probar algunos ejemplos, luego conectar y perseguir algunos datos en ecuaciones.

          • jafinch78 dice:

            Leí una clave con una aplicación relacionada después de leer el artículo “Una mirada práctica a los chokes para el control de EMI”, luego “Diseño de RF en el mundo real y construcción de filtros” y la sección de comentarios del artículo siguiente tenía una referencia a OpenEMS.

            La-Tecnologia también tiene un artículo sobre OpenEMS. https://la-tecnologia.com/2017/07/28/openems-makes-electromagnetic-field-solving-merely-difficult/

            Parece que en lugar de saltar a CST Studio; Hay algunas otras opciones de código abierto que podrían ser útiles que veo después de leer en los comentarios que podrían probar mejor el fenómeno:

            http://openems.de/index.php/Tutorials (OpenEMS)
            http://onelab.info/wiki/ONELAB (ONELAB)
            https://www.qsl.net/4nec2/ (4NEC2)

            Este comentario tiene algunas buenas referencias para leer y también se cree que se puede hacer referencia aquí para obtener más detalles para otros. https://la-tecnologia.com/2017/07/28/openems-makes-electromagnetic-field-solving-merely-difficult/#comment-3809495

  • difracción de luz dice:

    Mis sentimientos sobre este video son contradictorios.

    La afirmación (después de 2:50) “Es interesante saber que la longitud de onda de propagación así producida es exactamente el doble de la longitud del dipolo” puede ser engañosa. Esto sugiere que la longitud de onda depende de la longitud de la antena, lo que por supuesto es una tontería (la longitud de onda es la velocidad de la luz / frecuencia). Por supuesto, las antenas lambda / 2 son eficaces. Sin embargo, los radioaficionados a veces usan antenas más largas. Y piense en un átomo o molécula que emite luz: la antena (básicamente el tamaño del átomo o molécula) es mucho más pequeña que la longitud de onda (por cierto: ¡emisión con una eficiencia del 100%!).

    Siguiente: 4:36: El campo que actúa sobre una antena receptora no suele ser una copia invertida en el tiempo del campo de radio. La mayoría de las antenas se excitan con ondas planas. Por supuesto, existe el llamado teorema recíproco. Y una onda plana se puede expresar mediante expansión multipolar en ondas multipolares. Lo mismo ocurre con la oleada de LNBC (después de las 6:35).

    La LNBC tiene dos encuestas: “… el espectro disponible se puede utilizar dos veces”. ¿Espectro? ¿Dos veces? Esto no tiene nada que ver con el espectro. Las dos sondas se utilizan para obtener ondas polarizadas horizontales y verticales y, dado que la distancia entre ellas es de un cuarto de longitud de onda, para obtener de forma eficaz tanto polarizaciones circulares derechas (RHCP) como polarizaciones circulares izquierdas (LHCP).

    • Lucas dice:

      Las antenas más largas tienen el mismo efecto; todavía necesitan tener noblemente más de 1/2 longitud de onda. La cuestión es que debe formar una onda constante dentro de la antena (con la velocidad de propagación dentro del metal, no en el aire libre). No importa cuántos nodos de una onda constante tenga, aunque las antenas más largas tienen un patrón de radiación diferente al de los dipolos simples de 1/2 onda.

      Simplemente muestran la frecuencia natural de la antena. “Así producido” se refiere al hecho de que solo la frecuencia natural formaría la onda constante que describen.

      • difracción de luz dice:

        Hola

        ¿Cuál es la “tasa de difusión dentro del metal”? (p. ej. para aluminio)

        ¡Gracias!

        • Neil dice:

          ¿Es eso un factor de velocidad? Felix escribió al respecto: https://lowpowerlab.com/guide/rf-best-practices/velocity-factor/

      • 12AU76L6GC dice:

        Realmente no. La mayoría de las torres AM tienen 5/8 longitudes de onda. Las antenas de los coches de policía tienen un cuarto de longitud de onda y hay muchas más. Las señales indirectas para los aeropuertos tienen unos 30 pies de altura, donde la longitud de onda es de aproximadamente 1/2 km. y tienen una distancia de aproximadamente 60 millas con 10 vatios. La 1/2 onda, 1/4 de onda, longitud de onda, etc. no es una necesidad, sino una forma de hacer coincidir fácilmente una impedancia con una fuente de energía.

        La tasa de propagación en una varilla dipolo está en algún lugar en el rango del 95%, pero generalmente no se calcula. La velocidad de propagación hace que la varilla de la antena sea físicamente más corta que la fracción de longitud de onda. Una antena está configurada con un analizador de red para obtener la máxima pérdida de retorno ajustando la longitud del dipolo.

        • TechnicallyCorrect-TheBestCorrect dice:

          Espero que encuentres que 1/4 * lambda es lo mismo que 0.5 * lambda / 2, ¿verdad?
          Y 5/8 * lambda es solo 5/4 * lambda / 2, ¿verdad?

          • 12AU76L6GC dice:

            Divertido

    • 12AU76L6GC dice:

      Sí, puede usar las polarizaciones vertical y horizontal o la polarización circular izquierda y derecha para señales completamente separadas. Es una práctica común con sistemas de microondas de punto a punto de alta gama y la forma en que VSAT rechaza las señales de los satélites adyacentes (los satélites adyacentes alternan las polarizaciones en las señales cocanal). La relación de polarización es de alrededor de 20 dB (100: 1) a 30 dB (1000: 1) y, dependiendo de la relación Eb / No o C / SN requerida, generalmente es suficiente mantener 2 rutas independientes en la misma frecuencia.

  • gmcurrie dice:

    Después de conocer el concepto de “antena desarrollada” –

    https://en.wikipedia.org/wiki/Evolved_antenna

    Me preguntaba qué más podría beneficiarse de manera similar de esta metodología “darwinista”.

    • Alan McIntyre dice:

      Resulta que muchas cosas, tal vez quieras ver el trabajo de John Koza: http://www.genetic-programming.org

  • 12AU76L6GC dice:

    Realmente no adoro el primer video en absoluto, ya que se basa principalmente en declaraciones erróneas. Me pregunto por dónde empezar …
    Primero, la suposición de que atar un bucle y recibir un campo de RF magnético no funciona para la transmisión o la recepción es completamente incorrecta.
    No hay diferencia de eficiencia entre un guardabarros que recibe su radiación de una corriente que fluye alrededor de un bucle de metal contra un dipolo que parece irradiar en función del voltaje en varillas opuestas.
    Algunas antenas de mesa agrietadas de transmisión de televisión de un cuarto de millón de dólares se basan en radiación inductiva (para recibir la polarización horizontal del campo E desde una estructura de tubo vertical), casi todas las radios AM están alimentadas por una antena de bucle (devanado) envuelta alrededor de un núcleo enrollado una de las antenas de jamón más populares son las inductivas Hall.
    Las ondas de radio consisten en mediciones iguales de componentes del campo electrostático y del campo electromagnético y el video lo ignora por completo.
    Parece que se hace mucho del dipolo y la frecuencia radiada, pero nada especial se trata del dipolo y no es necesario para una RF efectiva, solo es útil como referencia de patrón y un dipolo con 2 elementos de cuarto de onda es útil como uno de los las opciones para mínimo un radiador que tiene un acoplamiento inactivo para irradiar.
    El video se enfoca en la radiación electrostática, pero se perdió por completo que los elementos de voltaje y corriente ocurren para crear la onda de radio.
    El video que muestra las “burbujas de radio” y la forma de una perturbación de voltaje y el comentario de que la forma se basa en la “memoria” que tiene la onda de radio es completamente erróneo. Si ha visto esto, probablemente necesite aprender esto.
    Aunque es una búsqueda noble tratar de visualizar lo que está sucediendo dentro del campo cercano de una antena, la respuesta real es que es una combinación desorganizada de electrostática (campo E) y electromagnética (campo H) muy fácilmente perturbada y si trató de medir el cambio de sus características. Si coloca 2 dipolos resonantes uno al lado del otro en el campo cercano, adquieren los atributos de un transformador con acoplamiento recíproco y dejan de irradiarse casi por completo. El “plano” del patrón probablemente se relaciona más con el retardo de propagación de la onda de radio y la distancia al centro del elemento dipolo de varilla. No hay “efecto memoria” de las ondas de radio. No hay “planitud” o retraso de patrón en el campo lejano donde todos los componentes radiantes se combinan para crear una onda plana a partir de una fuente puntual.
    Hay muchas otras afirmaciones y teorías sorprendentes en el video. Solo diría que lo omita por completo y no tenga que ver las cosas.
    Los otros videos son geniales, pero es posible que desee volver a enviar el primero para reescribirlo. (y posiblemente revisión ortográfica)

    • difracción de luz dice:

      +1

  • Ungüento Pinta dice:

    ¿No es esa capacitancia?

  • Jorge L. Salazar-Cerreno dice:

    Me pregunto cómo haces tu animación … realmente genial …

Alberto Gimenez
Alberto Gimenez

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