La comunicación inalámbrica se efectúa por medio de campos, los cuales son establecidos por corrientes variables en un dispositivo denominado antena, el cual transfiere al espacio la energía que recibe. En un punto distante, habrá otra antena sobre la cual actúan los campos, induciendo en ésta una tensión que reproduce las variaciones de las corrientes originales, hacia el receptor al que tuviera conectado.
La tensión que puede ser inducida es mucho mayor que la que se transmitiría por medio de líneas de tx, la cual cae en forma exponencial.
La variación del campo eléctrico en el espacio libre decae con la primera potencia de la distancia, aunque realmente se puede modificar en forma apreciable por la naturaleza del terreno sobre el cual se radía, y la frecuencia de la señal.
Los factores prácticos más importantes en la elección de una antena son: Ganancia, Ancho de Banda, Impedancia y Patrón de Radiación.

PRINCIPIOS BÁSICOS.

Antena Isotrópica.

Físicamente esta antena no existe. Se define como una antena puntual que radía energía uniformemente en todas direcciones. El flujo de energía en la unidad de tiempo y por unidad de área es conocido como Vector de Poynting, o Densidad de Potencia [Watts / m²]. Este vector solo tiene componente radial para una fuente puntual.
De acuerdo a lo expresado, La potencia aplicada a dicha antena se repartirá por igual en el área de una esfera, y la Densidad de Potencia para un radiador isotrópico, a una distancia dada d es:

Figura 1 .- Línea de transmisión terminada en circuito abierto. Solo se muestra la onda estacionaria de tensión. La corriente se ilustra en color rojo, existiendo máximos en los puntos de mínima tensión.

El campo eléctrico está confinado entre los conductores. El oscilador entrega una tensión senoidal que se representa medida respecto a un plano de referencia situado a la mitad entre los conductores. A una distancia dada, las corrientes en un plano transversal a la línea, son iguales en magnitud y opuestas en dirección; sus campos magnéticos respectivos tienden a cancelarse entre sí.
Ya que la radiación solo toma lugar cuando existe simultáneamente variación tanto de campo eléctrico como de campo magnético, esta línea no radía energía al espacio. Si se tratara de una línea sin pérdidas, toda la energía regresaría a la fuente.
Si doblamos la línea en el punto situado a l/4 desde la terminal, la tensión entre los conductores y el plano de referencia sería la misma, solo que ahora el campo eléctrico se extiende al espacio (también hacia afuera y dentro de esta página). Los campos magnéticos de estos tramos, ahora asociados con corrientes en la misma dirección, no se cancelan.

Figura 2 .- Un tramo de una línea se convierte en una antena.

Cada campo ahora se expande libremente y se satisface la condición para la existencia de un campo electromagnético en el espacio. El tramo que hemos separado se ha convertido en una antena transmisora. Una antena receptora recibirá una porción de esta energía radiada, transmitirá parte de ella al receptor e irradiará de nuevo algo de ella al espacio. La antena que hemos creado se denomina dipolo simple, dipolo l/2, o Antena de Hertz.
En la figura siguiente se ilustra el proceso de radiación, incluyendo solamente al campo eléctrico.

La dirección de máxima radiación en el dipolo del ejemplo está en el plano perpendicular al eje de la antena.

Polarización

Se ha acordado utilizar el eje de variación del Campo Eléctrico para definir el concepto denominado polarización. En los ejemplos anteriores se transmite con polarización vertical. La polarización horizontal se obtiene acostando nuestro dipolo. Si el eje de variación del Campo Eléctrico girara mientras éste se propaga (como los hilos en la cuerda de un tornillo), la polarización se denomina circular; si además existen cambios en el tiempo de las componentes del campo, la polarización se define como elíptica.

Campos de Inducción y de Radiación.

El campo consiste de dos partes. En la zona cercana a la antena predomina el campo de inducción, y la intensidad de este campo sigue la ley del cuadrado inverso. Hay un intercambio de energía entre el campo eléctrico y el magnético como en todo circuito resonante. Como consecuencia de este intercambio, no hay radiación. Además, ya que uno de los campos es un máximo cuando el otro es cero, éstos se encuentran defasados 90 grados en el tiempo.
En la zona lejana (unas cuantas longitudes de onda de la antena), predomina el campo de radiación. Este campo contiene la energía radiada por la antena y es inversamente proporcional a la primera potencia de la distancia. El campo de radiación debe su existencia al hecho de que se requiere un cierto tiempo para su propagación en el espacio. Si la antena se carga, se establece el campo en su vecindad. Si esta carga se invierte lentamente, habrá un intervalo de tiempo suficiente durante el cual toda la energía del campo será restaurada al circuito y existirá una radiación muy pequeña. Pero si la carga se invierte rápidamente, se forma un campo de polaridad contraria cerca del conductor, antes de que una parte apreciable de la energía del campo pueda regresar. Parte del campo original se separa y es propagado como una onda electromagnética al espacio.

Antenas Armónicas.

Si la línea se abre en otro punto múltiplo de l/4, también tendremos condiciones para radiación, y estaremos formando antenas con longitudes múltiplos de l/2, con las distribuciones de corriente que se indican en la figura. La flecha indica el sentido y la línea punteada, la magnitud.

Figura 4.- Distribución de la corriente en antenas de diferentes longitudes, alimentadas en el centro. (NO están dibujadas a escala).

Si la longitud de una antena es un múltiplo de medias longitudes de onda y la dirección de la corriente se invierte en cada sección alternada de medias longitudes de onda, ésta es referida como una antena armónica.

De acuerdo a la figura anterior y considerando como longitud básica la de L = l/2, para la corriente, en todos los casos habrá, en el centro:
- Máximo, para antenas múltiplos impares de l/2 (a la izquierda).
- Mínimo, para antenas múltiplos pares.... pero:

Observa con detenimiento la antena con L = 2 l/2. En los dos tramos básicos la corriente tiene el mismo sentido: No es una antena armónica; realmente tenemos DOS antenas de media onda operando EN FASE en su frecuencia fundamental, en un arreglo COLINEAL de dipolos, cada uno alimentado en un extremo.
Si las mismas antenas de la figura anterior se alimentan en un extremo, la distribución de corrientes solo cambia para las antenas múltiplos pares, como se muestra:

Figura 5.- Distribución de la corriente en antenas de diferentes longitudes, alimentadas en un extremo.

Conclusión: Cuando una antena es de longitud múltiplo par de media longitud de onda, la distribución de la corriente (y consecuentemente su forma de radiar), dependen del punto de alimentación.
La dirección de máxima radiación en las antenas armónicas es hacia cuatro puntos, cuyos ángulos se alejan de la normal al eje de la antena, a medida que la antena se hace más larga.

Longitud Eléctrica y Longitud Física.

En el estudio de las líneas de tx se observó que la longitud de onda en la línea (l) era menor que la longitud de onda correspondiente a una señal de la misma frecuencia, pero viajando en el espacio libre. A esta última la denominamos en clase como l₀ para diferenciarla, y esta diferencia era provocada por las distintas velocidades de propagación.
En la antena sucede una situación similar, provocada por la presencia misma de la antena en la vecindad del suelo y otros conductores, contribuyendo también los soportes de aislamiento, con lo cual se introducen capacitancias que afectan la velocidad de la onda en la antena.
Se denomina longitud eléctrica a la calculada utilizando la longitud de onda en el espacio libre, l₀.
La longitud física es la longitud real que debe tener la antena, de acuerdo a la explicación anterior. Obviamente ésta es más corta que la longitud eléctrica. Este acortamiento es a menudo referido como efecto del borde (end effect).

Ahora: si el área transversal del conductor que conforma la antena aumenta, también lo hace su permeabilidad (m), y por lo tanto la velocidad de la onda disminuye, y con esto también la longitud física. Solo en el caso ideal de un conductor aislado en el espacio libre y con un grosor despreciable, las dos longitudes tenderían a igualarse.
Como l₀ / 2 = 150 / f, si f se expresa en MHz, la longitud física de una antena dipolo de media onda se puede expresar mediante:

Resistencia de Radiación.

Suponiendo que no existen pérdidas, la potencia radiada por una antena sería igual a la potencia entregada a ésta. Luego entonces tal potencia sería igual al cuadrado del valor eficaz de la corriente, multiplicado por un resistor: P = I² R. Este resistor no tangible es denominado Resistencia de Radiación, cuyo valor se puede considerar que tendría un resistor que disipara una energía eléctrica del mismo valor que la energía radiada.
En la práctica no toda la potencia entregada a la antena es radiada. Una parte es disipada en forma de calor a causa de ciertas pérdidas resistivas debidas a la llamada resistencia óhmica r, la cual es provocada por los conductores de la antena, aisladores de soporte, el mástil y los tirantes.
La magnitud relativa de las pérdidas óhmicas en una antena dada están determinadas en gran parte por la frecuencia empleada. En altas frecuencias, estas pérdidas son muy pequeñas comparadas con la Resistencia de Radiación, y la antena es un radiador de energía electromagnética muy eficiente. En bajas frecuencias, donde la antena es "corta" y el suelo es un componente esencial del sistema radiante, la resistencia óhmica puede llegar a ser comparable con la Resistencia de Radiación.
La Resistencia de Radiación de una antena con una longitud igual a un número n de medias longitudes de onda se puede determinar a partir de:

Figura 7 .- Variación en la Resistencia de Radiación de una antena de media onda sobre un suelo perfectamente conductor. Línea contínua para antena horizontal y punteada para antena vertical.

Eficiencia.

Se define como la relación entre la potencia radiada y la potencia total entregada a la antena, a una frecuencia dada. Se puede considerar que la resistencia total de la antena está formada por dos resistencias en serie: R y r. Una antena será tanto más eficiente cuanto mayor sea la relación R / r.
El coeficiente de eficiencia de una antena h se expresa en porcentaje % como:

Impedancia de Entrada.

Es un factor importante a considerar pues la antena recibirá una máxima potencia cuando la línea que la alimenta se encuentra acoplada a ella. En el caso de una antena de media onda alimentada en el centro, su impedancia de entrada es igual a la resistencia de radiación, esto es, alrededor de 73 Ohms. Si se alimenta en un extremo (tensión alta y corriente baja), la impedancia de entrada es alta (unos 2 500 Ohms).

Ganancia Directiva y Ganancia en Potencia.

Ambos términos se refieren a la capacidad de una antena para concentrar la energía en cierta dirección.
Si se suministrara la misma potencia a una antena cualquiera y a una antena isotrópica, la Ganancia Directiva D (o DIRECTIVIDAD) de la primera se obtiene mediante la relación:

La Ganancia en Potencia (G), se define como: la relación entre la potencia radiada que debe emitir un radiador isotrópico para obtener una intensidad de campo en cierto punto, y la potencia eléctrica que se debe suministrar a la antena directiva, para obtener la misma intensidad de campo.
Las dos definiciones aparentan ser iguales; la diferencia es que la Ganancia en Potencia considera las pérdidas óhmicas, es decir:

Aunque en algunos textos se dice que estas dos ganancias son prácticamente iguales en antenas de VHF y UHF, se debe tener cuidado de no manejarlas en forma indistinta, recordando la ecuación anterior. Cuando se hace referencia a la "ganancia", normalmente se alude a la Ganancia Directiva.
Se acostumbra expresarlas en dB mediante: 20 log (relación de intensidades de campo). O también: 10 log (relación de Potencias). Si la referencia es una antena isotrópica, estos decibeles se deben indicar como dB_i .
En la práctica es común utilizar la antena de media onda como referencia estándar, ya que no existe una antena verdaderamente isotrópica. En este caso solo se indican como dB.

Potencia Radiada Efectiva. (ERP)

Es la potencia radiada en una dirección dada, debida a la ganancia de la antena. Se encuentra mediante:

Intensidad de Campo.

La magnitud de la energía en la componente eléctrica y en la magnética es exactamente la misma. La variación de una componente resulta en la formación de la otra. Si ambas componentes tienen la misma energía, la determinación de una componente dará el valor de la otra. Se ha acordado expresar la intensidad de campo en términos de su componente eléctrica, es decir, en unidades de Volts/metro.
La intensidad de campo esperada en el espacio libre a una distancia d de una antena transmisora está dada por:

--- ( 8 )

donde:
d = distancia. [metros]
D _t = Ganancia de la antena transmisora respecto a una antena isotrópica.
P _t = Potencia radiada de la antena transmisora. [Watts]

NOTAS:
1.- El producto de estos dos últimos términos es la Potencia Isotrópica Efectiva Radiada: PIRE (eirp).
2.- Las unidades parecen no ser congruentes pero la ecuación es correcta. La explicación es que proviene de utilizar un concepto denominado Área Efectiva, el cual definiremos adelante.

El campo recibido también se puede expresar en términos de la densidad de potencia, lo cual es muy común, sobre todo a frecuencias arriba de 300 MHz (l < 1 metro). la conversión se puede efectuar mediante:

donde:
E = Intensidad de Campo. [ Volts / metro]
p = Intensidad de Campo. [ Watts / metro ²].

NOTAS:
120 p tiene unidades de Ohms y representa la oposición al flujo de energía electromagnética en el espacio libre. Es la impedancia intrínseca del espacio libre, Z₀ aprox. = 377 Ohms.
Z₀ también es igual a la raíz cuadrada del producto de m₀ e₀ (Revisar en casa).
Z₀ también es igual al cociente de E / H (Revisar apuntes de Teoría Electromagnética).

La intensidad de campo en microVolts / m², requerida para una buena recepción depende del tipo de servicio y de los niveles de ruido en área donde se localiza el receptor. En área urbana (mucho ruido y grandes construcciones), se pueden requerir 1000 para FM, y de 5000 a 10 000 para Televisión, en VHF y UHF respectivamente. En áreas rurales pueden ser suficientes 500 para Televisión en VHF.