¿Se pueden ver las antenas como fuentes de luz?

Claramente, las antenas no son más que un dispositivo para irradiar la energía eléctrica a través de ondas electromagnéticas.

Dado que la luz visible también es simplemente un cierto rango de frecuencias, ¿no es más fácil pensar en las antenas como diferentes formas de fuentes de "luz"?

Al igual que la antena direccional es una antorcha de mano, ¿alta potencia significa luces de inundación?

¿Por qué no podemos simplemente decir esto en la naturaleza de las partículas, ya que será mucho más simple matemáticamente que la teoría de ondas?

En algunos casos, puede: Si tiene una antena direccional grande, podría, desde muy lejos, simplemente verse como una "linterna" generadora de haz para ondas de radio. Eso se descompone muy rápidamente si las longitudes de onda no son mucho, mucho más pequeñas que todos los objetos físicos que interactúan con ellos.

Incluso utilizamos términos específicos: si las longitudes de onda son muy pequeñas en comparación con todos los objetos que encuentran y algunas fórmulas simples "macroscópicas" pueden describir su comportamiento, hablamos de propagación óptica (de rayos) . Cuando se trata de RF, no lo hacemos; RF no se comporta como la luz, y por lo tanto, la utilidad de la analogía no existe. Entonces, no, no podemos ser "mucho más simples matemáticamente", porque el modelo más fácil de lo que se conoce como propagación de la luz simplemente no funciona¹.

Para la mayoría de los casos, no puede comparar antenas con fuentes de luz.

En primer lugar, la analogía con las fuentes de luz no funciona completamente: su linterna funciona con CC proveniente de una batería. Sus ondas que salen tienen frecuencias más allá de 10¹⁵ Hz. En una antena, el método de generar la onda se basa en que la corriente que entra en la antena ya tiene la frecuencia que se emitirá, y la antena solo actúa como un componente de adaptación de impedancia entre el conductor de onda y el espacio libre.

Entonces, la onda emitida desde una antena tiene algún tipo de frente de onda, lo que implica una fase coherente. Su LED o bombilla no tiene eso, en absoluto.

Entonces, el haz de luz de una antorcha es simplemente físicamente muy diferente del haz de una antena.

Tienes razón, las antenas y las fuentes de luz son construcciones equivalentes. Pero la matemática de las fuentes de luz no es tan simple como parece pensar.

La razón por la cual la mayoría de las respuestas hasta ahora las ven como diferentes es solo una cuestión de escala. Mientras que comúnmente llamaríamos longitudes de onda "RF" de 1 mm o más (300 GHz) y longitudes de onda "ligeras" de 1 µm y menos (300 THz), con alguna concesión para lo que se encuentra en el medio (¿es "luz de infrarrojo bajo" o "microondas"? ?), las ecuaciones que rigen su comportamiento son exactamente las mismas: las de Maxwell .

El problema es que una diferencia de escalas tan grande tiene consecuencias sobre cómo interactúan con el mundo. Si bien puede tener componentes discretos interactuando para generar una señal de RF de 1 m, para generar una señal de luz de 100 nm, debe considerar la interacción entre los electrones y sus niveles de energía.

• Mientras que una señal de RF de 10 m enfocada estrechamente se propagará alrededor de un disco de metal de 1 m aparentemente sin interacción, un haz de luz de 1 µm de foco estrecho se detendrá por completo en sus pistas. Mientras que el primero sería detenido por una jaula de Faraday de malla con aberturas de 10 cm, el segundo pasará sin obstáculos. Los materiales que son casi completamente transparentes para uno detendrán por completo al otro y viceversa.

• Si bien necesitaría una antena bastante masiva para enfocar un haz de RF de 10 cm para lograr una potencia del 90% en un punto de 1 m a 1 km, las lentes equivalentes para hacer lo mismo con una luz de 1 µm podrían caber en una mano.

• Si bien puede ignorar principalmente los efectos atmosféricos (la interacción de la energía de RF con las moléculas de aire) por debajo de 1 GHz más o menos, las condiciones atmosféricas pronto dominarán por encima de eso y se convertirán en el efecto principal en las frecuencias de luz.

• Las personas que diseñan lentes ópticos son muy conscientes de los problemas relacionados con las señales de banda ancha (la luz visible ocupa una octava completa de 380 a 740 nanómetros, o 430–770 THz). Esos son equivalentes a los problemas que enfrentan los diseñadores de RF de banda ancha, pero la RF de banda ancha rara vez abarca incluso el 5% de la frecuencia de la portadora.

La mayor parte de la ingeniería trata con modelos, modelos que simplifican considerablemente el problema en cuestión y tienen un rango de validez (todos los modelos están equivocados, algunos modelos son útiles). Es por eso que en los rangos más bajos de RF tratamos con las leyes de KCL, KVL y Ohm en nuestros circuitos en lugar de tratar de resolverlas mediante la aplicación directa de las ecuaciones de Maxwell. Pero vaya más alto en frecuencia y ahora tiene que cambiar a parámetros s y líneas de transmisión a medida que los cables dejan de comportarse como simples cables. Suba aún más, al dominio de la "luz", y ahora se recomienda utilizar fotones y niveles de transición de energía de electrones.

Pero todos esos modelos son simples simplificaciones de las ecuaciones de Maxwell con su estrecho dominio de aplicabilidad . Pero saber esto y dónde fallan los modelos puede ayudar a mejorar nuestra intuición de diseño.

En primer lugar, "luz" por sí sola generalmente significa "luz visible". Las antenas no emiten luz visible.

Podemos decir más correctamente que la luz es radiación EM y las antenas emiten radiación EM.

¿Por qué no podemos simplemente decir esto en la naturaleza de las partículas, ya que será mucho más simple matemáticamente?

¿Lo es? No has citado ninguna de las matemáticas en tu publicación. Y para la mayoría de los propósitos, el patrón de onda es lo que queremos; nos dice dónde se pueden recibir las ondas de radio con mayor fuerza. Para la mayoría de las frecuencias de comunicación, las ondas de radio no son un "haz" similar a la luz, difractan mucho.

En algunos casos, uno puede. Y seguramente en nuestro mundo de metros la luz puede aproximarse de manera muy confiable como un rayo. Pero también puede una onda EM en las escalas de 1000000000, con objetos que están solo en muchos miles de kilómetros.

Pero, la vida solo parece simple para la óptica en nuestro mundo. Cuando tenemos que lidiar con la luz que se propaga a través de estructuras, matrices o conductores del tamaño de micrómetros, la aproximación del rayo no sirve. (Google plasmónicos, fotónicos o cristales fotónicos, etc. Usan modos, resonancias, más ecuaciones maxwellianas). Al igual que carece del poder para explicar los fenómenos de RF con precisión en nuestro mundo.

¿Por qué no podemos simplemente decir esto en la naturaleza de las partículas, ya que será mucho más simple matemáticamente que la teoría de ondas?

Cuando decimos que un fotón es una "partícula" de energía luminosa, queremos decir que solo cantidades discretas de energía pueden ser absorbidas o emitidas en el campo electromagnético.

Pero estas partículas no se mueven de acuerdo con las reglas de balística que se aplican a las balas o las bolas de billar. Se mueven de acuerdo con una ecuación de onda que es esencialmente la misma que la ecuación de onda que describe la propagación electromagnética clásica.

Entonces no hay almuerzo gratis aquí. Las "partículas" electromagnéticas son tan matemáticamente complejas como las ondas que reemplazan.

Las antenas se pueden tratar como una fuente de luz, pero se emite de una manera diferente. Si está considerando una antena de RF normal, entonces no irradian luz visible que transporta información porque la luz tiene una frecuencia mucho más alta que la frecuencia de resonancia de la antena. Una antena de RF típica (3 KHz y 300 GHz) es simplemente demasiado grande para emitir eficientemente luz visible (430–770 THz) debido a esta falta de coincidencia de tamaño. Pero es posible con algunas antenas como las nanoantenas plasmónicas. De varios dispositivos que emiten luz visible de forma controlada, las nanoantenas plasmónicas son las más cercanas a las antenas de radio tradicionales.