¿Qué es una antena dipolo? Guía completa

La antena dipolo es uno de los tipos de antena más fundamentales y utilizados en los sistemas de comunicación. Conocidas por su sencillez y eficiencia, las antenas dipolo desempeñan un papel fundamental a la hora de permitir la comunicación inalámbrica en diversas aplicaciones, desde la radiodifusión hasta las modernas redes IoT y 5G. Su versatilidad y facilidad de implementación las han convertido en un punto de inflexión en la evolución de la tecnología de la comunicación.

Este artículo profundiza en las antenas dipolo y sus principios fundamentales. Examinaremos sus características fundamentales, los distintos tipos y los diagramas de radiación. Se analizarán configuraciones avanzadas, como las antenas en array y los diseños bipolarizados, para destacar su adaptabilidad en los sistemas modernos. Además, profundizaremos en las aplicaciones, ventajas y limitaciones de las antenas dipolo y las compararemos con las antenas monopolo. Por último, exploraremos su papel en la tecnología moderna, incluyendo IoT, 5G y comunicación espacial. Al final, comprenderá claramente por qué las antenas dipolo siguen siendo indispensables en los sistemas de comunicación.

¿Qué es una antena dipolo y cómo funciona?

El tipo de antena más sencillo y a la vez más utilizado en radio y telecomunicaciones es la antena dipolo, formada por dos elementos conductores o varillas que envían y reciben ondas electromagnéticas. Normalmente, las dos partes conductoras tienen la misma longitud de metal. Es un componente esencial de los sistemas de comunicación inalámbrica por su sencillo diseño, que le permite enviar y recibir señales con eficacia en una amplia gama de frecuencias.

Cuando se aplica una corriente alterna (CA) a la línea de alimentación, se crea un campo eléctrico alrededor de la antena. El campo eléctrico cambia de dirección junto con la corriente alterna, produciendo ondas electromagnéticas que irradian desde la antena.

La longitud de la antena dipolo es importante para su funcionamiento. Tiene que ser un determinado porcentaje de la longitud de onda de la señal de radio que se pretende enviar o recibir. El término "antena dipolo de media onda" hace referencia a que esta longitud suele ser la mitad de la longitud de onda. La antena transforma eficazmente la energía eléctrica en ondas de radio cuando la longitud y la longitud de onda coinciden.

Las antenas dipolo emiten y reciben señales igualmente bien en dos direcciones opuestas perpendiculares a la antena, lo que se conoce como diagrama de radiación bidireccional. Esto se debe a que el campo eléctrico de la corriente alterna es más débil en los extremos de la antena y más elevado en el centro. En consecuencia, la mayor parte de la energía emitida por la antena se dirige perpendicularmente a su longitud.

En los conductores de una antena dipolo se crea una corriente alterna cuando las ondas de radio inciden sobre ella. Un receptor u otro equipo electrónico puede alimentarse con esta corriente una vez que se ha transmitido a la línea de alimentación. Al transformar de nuevo las ondas de radio en energía eléctrica, la antena dipolo sirve de antena receptora.

Así, al enviar, una antena dipolo transforma la energía eléctrica en ondas de radio, y al recibir, vuelve a transformar las ondas de radio en energía eléctrica. Para que la transmisión y recepción de señales sea eficaz, su longitud y diseño son importantes.

Características principales de una antena dipolo

1. Diseño sencillo

La estructura de una antena dipolo, formada por dos partes conductoras de igual longitud acopladas a una línea de alimentación, la hace sencilla. Su diseño sencillo facilita el despliegue y la fabricación. Las antenas dipolo pueden funcionar en las bandas HF (alta frecuencia), VHF (muy alta frecuencia) y UHF (frecuencia ultraalta) del espectro radioeléctrico.

2. Resonancia a media longitud de onda

Los elementos de una antena dipolo suelen tener la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento. Esta resonancia permite obtener la máxima eficacia de radiación. Como la longitud del dipolo es la mitad de la onda y la primera longitud de resonancia, su radio no influye en su impedancia de entrada. En su frecuencia de resonancia, que se produce en su longitud de resonancia, una antena funciona con eficacia.

3. Patrón de radiación omnidireccional

Esta radiación omnidireccional es perfecta para enlazar dispositivos en el mismo plano y en lados opuestos entre sí debido a su patrón de emisión en forma de donut. Se suelen utilizar mal en aplicaciones móviles y en edificios. Las antenas dipolo omnidireccionales en aplicaciones móviles carecen del patrón adecuado necesario para conectarse a una torre a una elevación significativamente mayor. Las antenas dipolo omnidireccionales en determinadas aplicaciones son especialmente malas en despliegues punto a multipunto, en los que un usuario puede encontrarse en una zona muerta estando inmediatamente debajo de una antena transmisora.

4. Polarización lineal

La polarización de una antena dipolo es lineal por naturaleza. La orientación de la polarización dependerá de cómo esté montada la antena. La energía se transmite a lo largo de una dirección perpendicular a la varilla del dipolo cuando una antena dipolo irradia a lo ancho.

5. Ganancia

La ganancia de la antena es un parámetro específico que se utiliza para medir la directividad del diagrama de radiación de la antena. En concreto, una antena de alta ganancia emitirá en una dirección determinada. La ganancia de la antena es un fenómeno pasivo en el que la electricidad simplemente se reasigna para proporcionar más potencia radiada en una dirección concreta en lugar de añadirse a través de la antena. La ganancia de la antena puede expresarse como dBi y dBd.

En relación con la antena dipolo de referencia, la ganancia de la antena dipolo puede calcularse en dBd. La ganancia de la antena dipolo es 2,15 dBi como referencia. Utilizando la fórmula dBi = dBd + 2,15, es bastante fácil cambiar entre dBi y dBd sumando o restando 2,15.

Tipos de antenas dipolo

1. Antena dipolo de media onda

Las antenas dipolo de media onda son un tipo específico de antena dipolo en la que la longitud del dipolo es la mitad de la longitud de onda a la frecuencia de funcionamiento. Esta antena también suele denominarse antena de Hertz. En comparación con otras antenas, ésta tiene una estructura de resonancia más sencilla, lo que la hace adecuada tanto para transmisión como para recepción en diversas aplicaciones. Esta antena funciona en la gama de frecuencias de 3 kHz a 300 GHz.

Las antenas dipolo de media onda ofrecen las siguientes ventajas: son ligeras, económicas y tienen una impedancia de entrada comparable a la de la línea de transmisión. Los inconvenientes de una antena de media onda son su diagrama de radiación omnidireccional y su independencia, que le permite servir de componente básico para otros tipos de antenas que funcionan a frecuencias muy altas. Los receptores de TV y radio son los principales aparatos que utilizan este tipo de antenas.

2. Antena dipolo plegada

Una antena de tipo plegado es un grupo de antenas de dos dipolos que simplemente se unen de uno en uno para formar un bucle de alambre fino. Como su nombre indica, la antena dipolo está plegada y consta de dos dipolos de media onda, uno de ellos partido en el centro y el otro continuo. En ambos extremos, éstos se pliegan y se unen en paralelo.

El diagrama de radiación de una antena dipolo plegada es comparable al de una dipolo normal, con la excepción de una mayor impedancia de entrada y directividad bidireccional. El amplio ancho de banda y el alto valor de la impedancia de alimentación de esta antena son las principales características de su uso. Como resultado, estas antenas se utilizan de forma independiente, como parte fundamental de otras antenas y para ofrecer un gran ancho de banda. Hay tipos de dos y tres hilos de estas antenas.

3. Antena dipolo corta

El tipo más básico de antena es el dipolo corto. Se trata sólo de un cable alimentado en su centro y en circuito abierto. En ingeniería de antenas, los términos "pequeño" o "corto" siempre significan "en relación con una longitud de onda". Por lo tanto, sólo importa el tamaño del cable en relación con la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento, no el tamaño exacto de la antena dipolo. Si la longitud de un dipolo es inferior a la décima parte de una longitud de onda, suele considerarse corto.

4. Antena dipolo logarítmica periódica

Una antena direccional multielemento con un amplio rango de frecuencias de funcionamiento se denomina antena log-periódica. Es perfecta para aplicaciones que necesitan soluciones de comunicación fiables y ágiles en frecuencia gracias a su característica estructura geométrica, que permite un rendimiento y una ganancia constantes en todo su ancho de banda.

5. Antena dipolo cruzada

Una antena dipolo cruzada, también conocida como antena torniquete, es un tipo de antena de radio formada por dos antenas dipolo idénticas alimentadas en cuadratura de fase y colocadas en ángulo recto entre sí. Las dos corrientes que se aplican a los dipolos están desfasadas 90 grados. La idea de que la antena se parece a un torniquete cuando se coloca horizontalmente se refleja en el nombre.

La antena tiene dos modos de funcionamiento. La antena emite ondas de radio polarizadas horizontalmente y perpendiculares a su eje cuando está en modo normal. La antena emite radiación polarizada circularmente a lo largo de su eje cuando está en modo axial. Estas antenas son perfectas para aplicaciones MIMO y de satélite.

Patrón de radiación de antenas dipolo

El diagrama de radiación de una antena dipolo es toroidal, parecido a un donut. Tiene una radiación máxima perpendicular al eje de la antena y una radiación mínima a lo largo del eje. Este patrón es eficaz para la comunicación horizontal, por lo que las antenas dipolo son muy versátiles.

Las 2 principales Configuraciones Dipolares avanzadas son:

1. Antenas en array con dipolos

Los conjuntos de antenas dipolo pueden utilizarse para aumentar la cobertura, la ganancia y la directividad. Los sistemas de comunicación a gran escala y los radares son dos ejemplos de aplicaciones que utilizan estos arrays. Varios dipolos, a menudo dipolos de media onda, se utilizan en la construcción de diversos tipos de antenas de matriz. Con la utilización de varios dipolos se pretende aumentar la ganancia direccional de la antena por encima de la de un solo dipolo, la radiación de los dipolos individuales interfiere con el aumento de la potencia emitida en direcciones específicas. La línea de alimentación se divide mediante una red eléctrica para suministrar energía a los elementos en conjuntos con numerosos dipolos. Se tienen muy en cuenta los retardos de fase relativos resultantes de la transmisión entre el punto común y cada elemento.

Para mejorar la ganancia de la antena en direcciones horizontales, se pueden apilar antenas en dirección vertical en un conjunto de antenas laterales en el que las antenas se alimentan en fase entre sí. Esto preserva la direccionalidad de las antenas dipolo horizontales y las anula en la dirección de sus elementos. Sin embargo, esa dirección nula se convierte en vertical en un conjunto de antenas denominado colineal si cada dipolo está orientado verticalmente. Esto permite que el conjunto adquiera el diagrama de radiación omnidireccional (en el plano horizontal) normalmente requerido. En las bandas de frecuencia de VHF y UHF, donde las longitudes de onda de los elementos son pequeñas para poder apilar varios en una torre, se utilizan los conjuntos colineales verticales.

2. Diseños de dipolos bipolarizados (antenas MIMO)

Los dipolos bipolarizados pueden manejar varias señales a la vez utilizando dos antenas polarizadas ortogonalmente. Las redes inalámbricas modernas se benefician enormemente de este diseño, que es esencial para los sistemas MIMO y aumenta el caudal de datos y la fiabilidad. Una antena que puede recibir y transmitir simultáneamente señales de radiofrecuencia con dos polarizaciones diferentes, normalmente polarización horizontal o vertical, se conoce como antena MIMO de doble polaridad.

En la dirección de propagación, las señales de RF son emitidas por antenas de polarización lineal en un solo plano. Además de requerir la alineación entre el transmisor y el receptor, las antenas con polarización lineal pueden orientarse vertical u horizontalmente. Las antenas con polarización circular emiten radiofrecuencia en un patrón cilíndrico.

Las antenas de doble polaridad emiten simultáneamente patrones de radiofrecuencia horizontales y verticales. La aplicación de antenas de polaridad dual en entornos de alta densidad es su principal ventaja frente a las antenas de polaridad horizontal y vertical. Las zonas con alta densidad de población experimentan una congestión extrema de radiofrecuencias, que incluye altos niveles de interferencias y ruido. En contraste con las antenas tradicionales de polarización lineal, que irradian en un único patrón lineal, las antenas de polaridad dual superan la congestión emitiendo en patrones horizontales y verticales.

Existen tres técnicas para polarizar antenas de RF: la más frecuente es la polarización vertical, seguida de la polarización horizontal y la menos popular es la polarización circular. La orientación de la onda de RF viene determinada por el plano del campo eléctrico.

¿Para qué sirve una antena dipolo?

Las antenas dipolo son importantes en los sistemas de comunicación por su adaptabilidad. Estas son algunas de las aplicaciones más utilizadas:

1. Radiodifusión

Los aparatos de radiocomunicación, como los walkie-talkies y las radios bidireccionales, suelen utilizar antenas dipolo. Se utilizan para transmitir y recibir señales de corto alcance.

2. Televisión

Garantizan una transmisión y recepción eficaces de la señal y se ven con frecuencia en antenas de televisión de VHF y UHF. Las señales de televisión se envían desde las estaciones emisoras a las viviendas a través de antenas dipolo. También se pueden utilizar para recibir señales de televisión en casas que no tienen acceso a Internet o televisión por satélite.

3. Comunicación inalámbrica

Las antenas dipolo proporcionan una conectividad fiable y son esenciales para los dispositivos Bluetooth, los sistemas Wi-Fi y otras soluciones de redes inalámbricas. Los routers y puntos de acceso Wi-Fi son ejemplos de dispositivos de redes inalámbricas que utilizan antenas dipolo. El acceso inalámbrico a Internet es posible gracias a su ayuda en la transmisión y recepción de señales entre dispositivos.

4. Redes celulares

Las estaciones base emplean antenas dipolo para proporcionar comunicación celular, lo que permite una conectividad fiable y una rápida transferencia de datos. Los teléfonos móviles transmiten y reciben señales celulares mediante antenas dipolo. Permiten una comunicación fiable entre las torres celulares y los dispositivos móviles.

5. Radioaficionados

Las antenas dipolo se utilizan para comunicaciones VHF y UHF por su facilidad de uso y eficacia. Los radioaficionados suelen utilizar antenas dipolo. En las comunicaciones de radioaficionados, se emplean tanto para la transmisión como para la recepción de señales.

6. Comunicación de aviación

Las antenas dipolo se utilizan en los aviones para los sistemas de comunicación VHF, que garantizan la eficacia y seguridad de la aviación. Los sistemas de radar que detectan y rastrean objetos como barcos, aviones y patrones meteorológicos utilizan antenas dipolo. Al ayudar en la transmisión y recepción de señales de radar, permiten medir la distancia, velocidad y dirección de un objeto.

Ventajas de las antenas dipolo

1. Simplicidad

El diseño de las antenas dipolo es sencillo: dos piezas conductoras de igual longitud se acoplan a una línea de alimentación. Debido a su simplicidad, pueden construirse con conocimientos sencillos de tecnología y herramientas. Además, como la solución de problemas y las reparaciones sólo requieren pequeñas modificaciones o sustituciones, su sencillo método facilita su mantenimiento.

2. Coste-eficacia

Las antenas dipolo se fabrican con materiales de fácil acceso y precio razonable, como el cobre y el aluminio. Esto, junto con un diseño sencillo que elimina la necesidad de componentes complejos, garantiza que las antenas dipolo se encuentren entre las opciones de antena más baratas. Por su asequibilidad, son perfectas para instalaciones a gran escala, como la electrónica de consumo de gran consumo o la transmisión por radio.

3. Versatilidad

Las antenas dipolo pueden modificarse fácilmente para diferentes rangos de frecuencia cambiando la longitud de los elementos conductores. Gracias a su adaptabilidad, pueden utilizarse para diversos fines, como redes celulares, Wi-Fi de alta frecuencia y emisiones de radio AM de baja frecuencia. Su aplicabilidad en los sistemas de comunicación tradicionales y modernos está garantizada por su capacidad para funcionar eficazmente en una gama de frecuencias.

4. Rendimiento fiable

Las antenas dipolo se utilizan desde hace muchos años en redes inalámbricas, emisiones de radio y televisión y comunicaciones aéreas. Su eficacia para enviar y recibir mensajes, así como sus patrones de radiación regulares, son las principales razones de su fiabilidad. Se consideran una opción fiable tanto en sistemas críticos como no críticos.

5. Radiación omnidireccional

Las antenas dipolo irradian energía uniformemente en el plano horizontal, lo que significa que proporcionan una intensidad de señal constante en todas las direcciones perpendiculares al eje de la antena. Son perfectas para aplicaciones como Wi-Fi y radiodifusión, donde la cobertura en múltiples direcciones es importante, debido a su patrón de radiación omnidireccional. Su capacidad para ofrecer una cobertura horizontal constante mejora la conexión y garantiza un funcionamiento fiable en diversos entornos.

Limitaciones de las antenas dipolo

1. Tamaño de la antena

La longitud de onda de la señal a la que está destinada una antena dipolo tiene una correlación directa con su longitud. La longitud total de la antena de un dipolo de media onda es la mitad de la longitud de onda de la señal. Para las transmisiones de baja frecuencia se necesitan dipolos más largos, ya que la longitud de onda aumenta a medida que disminuye la frecuencia. Por ejemplo, un dipolo de media onda utilizado en radio FM diseñado para una frecuencia de 100 MHz tendría una longitud aproximada de 1,5 metros. Para aplicaciones como la radiodifusión AM, que deben funcionar a frecuencias extremadamente bajas, este tamaño puede resultar inviable.

2. Limitaciones direccionales

Las antenas dipolo irradian energía por igual en toda la antena y suelen incluir un diagrama de radiación omnidireccional en el plano horizontal. Cuando se necesita un haz focalizado o dirigido, como en los sistemas de comunicación punto a punto, esto se convierte en una limitación, aunque es beneficioso para aplicaciones que requieren una amplia cobertura. Para conseguir una radiación direccional se necesitan otras piezas, como reflectores o directores (utilizados en las antenas Yagi-Uda) o combinar dipolos en conjuntos, lo que complica el diseño.

3. Adaptación de impedancias

La impedancia de la antena debe coincidir con la de la línea de transmisión y los dispositivos conectados para obtener resultados óptimos; en la mayoría de los sistemas de comunicación, es de 50 ó 75 ohmios. En el espacio libre, la impedancia de entrada de una antena dipolo estándar es de unos 73 ohmios. Aunque estos valores se aproximan bastante a los estándar, las diferencias basadas en el entorno o la configuración de la instalación pueden dar lugar a desajustes de impedancia que provoquen pérdidas de potencia y reflexión de la señal. La instalación se complica cuando se requieren modificaciones adecuadas, como el uso de baluns o circuitos de adaptación, para garantizar una transferencia de potencia eficaz.

Antenas dipolo frente a antenas monopolares

Hay varias formas en las que una antena dipolo difiere de una antena monopolo. Analicemos con más detalle las principales diferencias entre estos dos tipos de antena.

1. La antena dipolo tiene radiación en la parte inferior y campos en ambos lados. Por el contrario, la antena monopolo tiene radiación cero por debajo del plano de tierra y un solo campo en la mitad superior del área.

2. Para crear un plano de tierra sintético, las antenas dipolo suelen necesitar un radiador adicional. En cambio, una antena monopolo requiere un plano de tierra real.

3. Los elementos radiadores de la antena dipolo están desfasados 180 grados. La antena monopolo, en cambio, tiene el conductor exterior de un cable coaxial y el plano de referencia de la conexión de la línea de transmisión. Cuando se utiliza una antena monopolo, estos patrones constituyen el plano de tierra.

4. El diagrama de radiación de una antena dipolo es verticalmente simétrico, pero el de una antena monopolo no lo es. Mientras que el diagrama de radiación de la antena monopolo depende de la orientación del plano de tierra, la antena dipolo es un tipo de antena muy frecuente.

5. Una antena monopolo tiene un número limitado de tipos y variedades en el mercado, mientras que una dipolo es una antena común con muchas variedades.

Antenas dipolo con tecnología moderna

Las antenas dipolo se han convertido en cruciales para las redes 5G y los dispositivos del Internet de las Cosas porque ofrecen un servicio fiable y una conectividad rápida en diseños pequeños. Cumplen los numerosos requisitos y las elevadas demandas de datos de las tecnologías modernas. Las antenas dipolo se emplean ampliamente en muchas aplicaciones de tecnología inalámbrica para la comunicación inalámbrica. Las antenas dipolo pueden soportar comunicaciones multifrecuencia como 5G, LTE, Wi-Fi, etc. porque suelen tener un gran ancho de banda.

En la comunicación por satélite, las antenas dipolo cruzadas se utilizan para la polarización circular, que permite una transmisión fiable de la señal en el espacio. En los sistemas de comunicación y radiodifusión por satélite es frecuente encontrar antenas simples de alambre llamadas dipolos.

Conclusión

La sencillez, asequibilidad y rendimiento de una antena dipolo la convierten en una opción excelente. Es fácil de construir y no necesita circuitos complejos de sintonización o adaptación. Puede funcionar bien en diversas frecuencias y tiene un gran ancho de banda. Una antena dipolo también proporciona una alimentación equilibrada, lo que reduce las interferencias y el ruido de modo común. En definitiva, una antena dipolo es una opción ideal para múltiples aplicaciones.

En conclusión, la comunicación inalámbrica requiere antenas dipolo. Ofrecen un buen equilibrio entre rendimiento y sencillez. Comprender las antenas dipolo le beneficiará en la industria inalámbrica, independientemente de su formación.