Antenas de un cuarto de onda y de cinco octavos de onda

La diferencia entre una antena de λ/4 (cuarto de onda) y una de 5λ/8 (cinco octavos de onda) es significativa y el cambio en el lóbulo de radiación es la clave.

Veamos las diferencias:

1. Patrón de radiación (lóbulo de radiación)

Esta es la diferencia más importante desde el punto de vista práctico.

• Antena λ/4 (monopolo de cuarto de onda):
  • Su patrón de radiación es omnidireccional en el plano horizontal (en forma de donut achatado).
  • La radiación máxima se encuentra en el horizonte (90° respecto al eje de la antena), con un nulo justo en la parte superior (a lo largo del eje de la antena). Es excelente para comunicaciones terrestres en todas direcciones.
• Antena 5λ/8 (monopolo de cinco octavos de onda):
  • A medida que la antena se alarga más allá de λ/2, el patrón de radiación comienza a inclinarse. En el caso de 5λ/8, el lóbulo principal se aplana y se inclina ligeramente hacia abajo.
  • La máxima radiación ya no está exactamente en el horizonte, sino a un ángulo por debajo (por ejemplo, entre 15° y 30° por debajo del horizonte, dependiendo del plano de tierra).
  • El efecto principal es reducir la radiación hacia el cielo y concentrar más energía en un cono cercano al horizonte, lo que es ideal para comunicaciones a larga distancia en tierra.

Analogía: Imagina una lámpara.

• La de λ/4 es como una pantalla que dispersa la luz en un ángulo de 180° (todo alrededor, horizontalmente).
• La de 5λ/8 es como una pantalla que dirige la luz en un cono más estrecho y apuntando ligeramente hacia el suelo, iluminando un área más lejana.

2. Ganancia

• λ/4: Tiene una ganancia teórica de aproximadamente 0 dBi (referida a un radiador isotrópico) en el plano horizontal. Es el estándar de referencia para muchas antenas omnidireccionales.
• 5λ/8: Debido a que concentra su energía en un lóbulo más dirigido y bajo, tiene una ganancia efectiva mayor en su dirección de máxima radiación. Típicamente, presenta una ganancia de 3 a 5 dBi (incluso más en algunos diseños) respecto a un monopolo λ/4. Esto se conoce como ganancia de apilamiento vertical.

3. Impedancia y adaptación

• λ/4: Su impedancia en el punto de alimentación (sin pérdidas y sobre un plano de tierra ideal) es de aproximadamente 37 Ω. Se adapta relativamente bien a cables coaxiales de 50 Ω con un ajuste simple.
• 5λ/8: Su impedancia en el punto de alimentación es alta y compleja (típicamente con un componente resistivo alto y reactiva). No se puede alimentar directamente con cable coaxial de 50 Ω. Requiere una bobina de carga (inductor) o una red de adaptación (matching network) en la base para transformar esa impedancia alta a 50 Ω y cancelar la reactiva. Esta bobina es un componente crítico en su diseño.

4. Alcance y aplicación práctica

• λ/4: Alcance óptimo para cobertura omnidireccional cercana y media. Es la elección perfecta para estaciones base que necesitan cubrir un área circular uniforme (como un repetidor local, radioenlaces en ciudad, WiFi residencial).
• 5λ/8: Mayor alcance en la dirección del lóbulo principal (cerca del horizonte). Es ideal para enlaces punto a punto a larga distancia o para estaciones base que quieren «lanzar» la señal más lejos en un área específica, sacrificando un poco la cobertura omnidireccencial perfecta. Muy popular en comunicaciones móviles en HF/VHF y en algunos tipos de antenas para automóviles.

En conclusión: La elección no es sobre cuál es «mejor», sino sobre cuál es más adecuada para la aplicación. Si necesitas cobertura uniforme en todas direcciones, elige λ/4. Si tu objetivo es maximizar el alcance en el horizonte y tienes un punto de instalación elevado, la 5λ/8 es, en general, una opción más eficiente para comunicaciones terrestres a larga distancia.

¿Cuál sería la óptima para usar en un entorno urbano y cuál para usar en el campo?

La elección óptima depende de la geometría del entorno y del objetivo de la comunicación.

Entorno urbano (ciudad)

Elección recomendable: Antena de 5λ/8 (cinco octavos de onda)

Razones:

1. Geometría de los obstáculos: En la ciudad, los edificios actúan como grandes barreras. La señal no viaja solo por línea de vista, sino que se propaga por reflexiones y difracciones. La ligera inclinación hacia abajo del lóbulo de la 5λ/8 ayuda a «iluminar» las calles y a llegar a objetivos móviles a nivel del suelo de manera más eficiente, reduciendo la energía que se desperdicia hacia el cielo despejado.
2. Mayor ganancia: La ganancia extra (3-5 dBi) es crítica para superar las pérdidas por penetración en edificios, vehículos y la atenuación general de un entorno denso. Se necesita un «haz» más potente para mantener un buen nivel de señal en calles y plazas.
3. Alcance en calles: La forma del lóbulo se adapta mejor al «túnel» que forman las calles entre edificios, permitiendo que la señal se propague más lejos a lo largo de ellas.

Entorno rural (campo)

Elección recomendable: Antena de λ/4 (cuarto de onda)

Razones:

1. Cobertura omnidireccional real: En el campo, generalmente no hay obstáculos masivos. El objetivo es cubrir el área más amplia posible en todas direcciones, ya que los objetivos pueden estar en cualquier punto cardinal. La antena λ/4, con su lóbulo perfectamente horizontal, es la herramienta ideal para esto.
2. El ángulo bajo no es tan crítico: Como el terreno es relativamente plano y abierto, el hecho de que la λ/4 irradie máximo justo en el horizonte es una ventaja, no un problema. La señal llegará bien a largas distancias de todos modos.
3. Simplicidad y fiabilidad: La antena λ/4 no requiere bobina de carga en la base. Esto la hace más robusta, menos propensa a fallos y con un ancho de banda ligeramente mayor.

Excepción y matiz Importante

La recomendación anterior (la referente a la antena de λ/4) asume que la antena está en una ubicación elevada (mástil, torre, edificio alto).

Si la antena está a baja altura (ej. en un vehículo o en una casa baja), en este caso, incluso en el campo, una 5λ/8 puede ser mejor. Su lóbulo inclinado compensa la baja altura al dirigir la energía hacia el horizonte en lugar de hacia arriba, mejorando el alcance terrestre. Es por esto que muchas antenas móviles para coche (especialmente en 27 MHz CB o 2 metros) son de diseño 5λ/8