Esa antena no es tan difícil...

(Diciembre 2002) 
Ultima actualización 2010-03-27

Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
www.lu6etj.org.ar
SOLVEGJ Comunicaciones
www.solred.com.ar/solvegj

Con el paso de los años, luego de escuchar tantas conversaciones sobre de antenas, advertí que ciertos aspectos de su funcionamiento tienden a oscurecer la formación de conceptos simples que faciliten al radioaficionado un camino a la comprensión y elección de sus antenas.
Sus características eléctricas (desde el punto de vista de su alimentación) y electromagnéticas (desde el punto de vista de la radiación), se confunden en algunos puntos y en la práctica a veces no resulta fácil resolver algunas situaciones contradictorias o confusas.
Lo temas que describiré están implícitos en la literatura profesional y amateur pero a menudo no se subrayan lo suficiente para evitar que se forman ideas que complican las cosas o conduzcan al aficionado a dudas, dificultades y esfuerzos estériles que podrían evitarse. Citaré como ejemplo la cantidad de tiempo que muchos han dedicado a "calibrar" el simple dipolo de media onda auspiciados por la idea de que "influye críticamente en el alcance de la antena..."

Decidí comenzar este viaje acerca de la eficiencia de las antenas desde un punto diferente al convencional para situar sobre el primer plano principios que simplifiquen los conceptos que sustentan el buen desempeño de las antenas.
Advierto al lector novel que encontrará en el éter opiniones contrarias a lo que se explica aquí y en la literatura amateur corriente no hallará fácilmente apoyo explícito a estas formulaciones y probablemente se sienta inseguro a la hora de llevar a la práctica estos principios (aunque textos los de Kraus o Terman lo tengan implícito), si aborda material más avanzado no encontrará objeciones en los textos clásicos de electrodinámica.
Para el aficionado que lleva algún tiempo creyendo afirmaciones que contradicen lo que aquí se explica tal vez resulte difícil o incómodo desprenderse de las mismas, más todavía si se ha comprometido públicamente con ellas; lo que obtendrá a cambio de una revisión es un universo mucho más benigno a la hora de poner en marcha y comprender lo que sucede con estos dispositivos.


La antenas no son antenas...

Lo que para usted es antena, para su esposa bien pudiera ser "esa cosa horrible que puso mi marido en el techo", para el perro un "inalcanzable" en su diaria recorrida de demarcación territorial, para los pajarillos del vecindario un agradable mirador donde descansar a salvo de los gatos domésticos y para los vecinos, por supuesto, ¡maligna fuente de toda clase de inconvenientes con sus artefactos domésticos!.
Con esto quiero señalar que la antena puede verse desde diferentes perspectivas según quién sea el observador y qué es lo que esté observando de ellas.
Conviene tenerlo presente antes de discutir cualquier cosa relacionado con antenas, para cerciorarse de estar observando la cuestión desde la misma perspectiva si es que nuestras apreciaciones discrepan demasiado.

Los rasgos importantes de una antena son diferentes mirados desde la física, la ingeniería o la radioafición.
El físico quizás la verá como un objeto un tanto abstracto, capaz de modificar las propiedades del medio, estableciendo campos eléctricos y magnéticos variables. El ingeniero en comunicaciones la considerará desde el punto de vista de sus características eléctricas, mecánicas, directivas o de su eficiencia.
En verdad están observando diferentes cosas; no es casualidad pues, son cosas diferentes. Sucede lo mismo conmigo. aunque yo sea un individuo (es decir "indivisible"): puedo ser considerado "hombre", "argentino", "esposo", "padre", "amigo", "radioaficionado"...
Esas categorías, si, son diferentes. La antena como receptora, es "distinta" de la antena como trasmisora y al mismo tiempo "diferente" de la antena como "carga" de su línea de trasmisión. Eso nos permite aplicar diferentes modelos para describir más fácilmente su comportamiento; aunque la antena "es lo que es", somos nosotros quienes precisamos "dividirla" más o menos arbitrariamente para poder aprehender el fenómeno íntegralmente debido a nuestras limitaciones. Debido a esto es casi seguro que nuestras respectivas representaciones mentales del mismo objeto sean muy distintas por ello es necesario intentar unificarlas detrás de algunos conceptos básicos.

Esta larga introducción es para insistir vehementemente que nuestras ideas serán únicamente auxiliares útiles para comprender y operar sobre esa pequeña porción del universo que llamamos "antena"; siempre serán aproximaciones a la realidad susceptibles de ser perfeccionadas y ampliadas con modelos más elaborados. Por esa razón, aunque son técnicamente correctas, no es necesario quedar atrapados o identificados con ellas al punto de perder otras perspectivas valiosas del asunto.

¿Para que sirven las antenas?

Por sobre todas las cosas, para hablar sobre ellas en la radio o en el club; para discutir durante horas, para mostrar erudición o experiencia, para lucirlas en el cielo de nuestros hogares, para soñar con encontrar una "que llegue más lejos" y nos de mejores alas para volar en el éter... Esas son sus funciones esenciales, las que realmente importan, usted lo sabe, entonces le hablaré de otros usos que también tienen, como por ejemplo:

La antena como irradiante...

Comenzaremos nuestro pequeño viaje resaltando un aspecto esencial de nuestro juguete. Si logramos instalarlo en el primer plano de nuestra comprensión, el resto será muy sencillo

Si primero consideramos a la antena como "trasmisora" resultará evidente que su propiedad más importante será su eficacia para transferir al éter la energía que le apliquemos. A esta capacidad la llamamos rendimiento.
El rendimiento es una relación matemática entre la energía provista a la antena, la efectivamente irradiada al éter y la desperdiciada en otras formas.
Aunque obvio, el concepto no está debidamente instalado en el centro de las intuiciones cotidianas de nuestro mundillo, ello nos produce graves perjuicios conceptuales, veamos:

Existe un principio físico fundamental llamado "Principio de la conservación de la masa-energía" que nos obliga a aceptar que: "toda la energía que llega a una antena (adaptada a su línea de trasmisión (1)) será canalizada a través de ella de un modo u otro". ¡Y hay solamente dos modos en que la energía normalmente abandona a la antena!: 

Considere muy cuidadosamente lo siguiente:

No importa cual sea la antena de que se trate, toda la energía neta que llegue a ella necesariamente se irradiará al éter o se transformará en calor...

No interesa si es grande o pequeña, si esta alta o baja, tenga media onda o cualquier otra dimensión, resuene o no resuene, sea o no sea directiva. Toda la energía que ingresa a la antena, a través de ella se irá.
Parafraseando un comentario jocoso de Alfred Lorona (W6WQC), si la antena no rezuma ninguna sustancia química, si no emite luz o comienza a sacudirse cuando la excitamos, ni tampoco vemos que la energía electromagnética se va acumulando en la misma, entonces concluiremos  que la energía que arribó a ella no se ha transformado en masa, ni en luz, ni en movimiento, entonces solo nos quedan dos posibilidades: el calor y la radiación electromagnética...

Puesto que la energía provista únicamente puede irradiarse o transformarse en calor, se advierte fácilmente que, si conseguimos reducir mucho la proporción que se transforma en calor, con cualquier antena lograríamos irradiar al éter la mayor parte de la energía que le entreguemos(3) y allí, en el éter, ¡es donde justamente están nuestros corresponsales...!

Mediante este principio podemos aceptar que, bajo ciertas circunstancias, una antena de un metro (o mucho menos) de longitud podría tener en 3,5 MHz más rendimiento que una antena "oficial" de media onda, con la condición que las pérdidas de la pequeña sean tan bajas, que su rendimiento supere a la de media onda...
Esta es una conclusión realmente interesante, en cierto modo inesperada y atrevida...¡pero definitivamente verdadera! (1)

Nos preguntamos: ¿En cuáles lugares la energía tiene oportunidad de transformarse en calor y perjudicar el rendimiento?

Respuesta: En la resistencia de los conductores que forman la antena, en elementos agregados para cancelar reactancias (como las bobinas de carga), en los objetos cercanos(4), en la tierra y no mucho más que estos.

Eso significa que podemos hacer bastante para disminuir las pérdidas:reducir la resistencia de los conductores, mejorar la calidad de los elementos de adaptación, alejarla de objetos que producen pérdidas, de la tierra, etc.
Son buenos motivos para diseñar cuidadosamente las bobinas de carga, emplear buenos conductores en los irradiantes, no escatimar radiales en las verticales cercanas a tierra.
También, para saber que es posible emplear antenas cortas si se opera esmeradamente en reducir pérdidas....
Si podemos aceptar que el rendimiento (definido como en los párrafos precedentes) de la antena es el factor principal, comprenderemos que lo único que normalmente conspira con el objetivo de irradiar toda la energía al éter son las pérdidas en forma de calor, nada más...

Comprenderemos entonces que no hay nada "mágico" en los distintos tipos de antenas en cuanto a su capacidad para irradiar eficazmente. Distintas antenas podrán tener otras propiedades interesante o útiles, tales como mayores anchos de banda con baja ROE, facilidades de montaje o alimentación, directividad, polarización, etc.

(1) Puede corroborarse que el área de captura de un dipolo muy corto, llamado dipolo hertziano posee un área de captura ligeramente menor que uno de media onda 0,119 l2 vs 0.130 l2 (Kraus ob. cit., p. 44 y 45-)

La resistencia de radiación y el rendimiento

Introduciré este concepto aquí, aunque superficialmente, para ampliar lo dicho a quienes han oído de él.

La "Resistencia de radiación" es una resistencia imaginaria sobre la cual se disiparía una energía igual a la que la antena irradia al éter. Con este concepto asociamos el complejo fenómeno de la irradiación a un sencillo componente discreto: un resistor, con el que podremos operar cómodamente empleando conocimientos comunes de electricidad.

Si, del mismo modo, asociamos toda la energía disipada en calor a una "Resistencia total de pérdidas", el rendimiento de la antena puede expresarse como:

Rendimiento =  Rrad / (Rrad + Rperd) o, lo que es lo mismo Rendimiento = Rrad / Rtota

Rrad  = Resistencia de radiación.
Rperd = Resistencia de pérdidas;
Rtotal = Resistencia total = Rrad + Rperd

Esta fórmula nos dice que el rendimiento de la antena es igual a la Resistencia de radiación dividida por la resistencia total o, lo que es lo mismo que el rendimiento es la Potencia irradiada, dividida por la potencia total aplicada a la antena. Idealmente el Rendimiento es 1 (uno), normalmente será una fracción, tal como 0,9, etc.
Frecuentemente (igual que en otros ámbitos), acostumbramos a expresarlo en forma porcentual, para ello basta multiplicar los resultados por cien.

Desde esta perspectiva se destaca claramente que la capacidad de emitir energía eficazmente al éter está únicamente asociada a los conceptos de Resistencia de radiación y Resistencia de pérdidas de la antena, no a otras características de la misma, !no lo olvide...!

(1) Puesto que estamos analizando las propiedades de la antena, no es necesario considerar la adaptación a la línea desde el punto de vista del rendimiento ya que nada impide conectar el generador directamente a la antena  asumiendo que la impedancia del generador sea aquella que permite la máxima transferencia de energía (para evitar así la confusión que suelen introducir las nociones comunes acerca de la potencia directa y reflejada).

(2) Energía consistente con la que llegó a ella (es decir de la misma frecuencia y características). 

(3) El principio de conservación de la energía, resuelve cuestiones que a veces se presentan confusas. En primer lugar se advierte que estas afirmaciones no coinciden con las creencias populares acerca de las antenas.

(4) Producido por el efecto de "acoplamiento o impedancia mutua"

El diagrama de radiación

Si el rendimiento es la característica más importante desde el punto de vista de la transferencia de energía hacia el éter*, el diagrama de radiación no tiene menos importancia porque nos obliga a considerar hacia adónde se dirige la energía radiada.
Ciertamente, aunque lográramos irradiar toda la energía disponible, si no pudiéramos hacerlo hacia donde nos interesa, de poco servirá el buen rendimiento; comprendemos fácilmente que si nuestro objetivo fuera comunicar en VHF con un vecino a pocas cuadras, es mejor una antena con solo un 1 % de rendimiento pero que emita un poco de energía en la dirección de nuestro vecino, antes que una con un rendimiento del 100% ¡y que lo hiciera como un láser en la dirección del cielo...!

Esto nos lleva a la segunda importante conclusión que servirá para eliminar para siempre todas las complicaciones en nuestra comprensión de porqué la antena "A" es "mejor" que la antena "B"

Cualquier diferencia en el alcance que tenga una antena respecto de otra, a igualdad de rendimientos, se deberá exclusivamente a la forma de su diagrama de radiación, (dejando de lado la polarización). En este caso afirmamos que: la directividad de la antena será la única responsable de su eficacia para comunicar con algún dado punto distante (nótese que hemos recalcado la noción de un punto "dado").

Reunimos ya los dos conceptos que simplifican nuestras actividad como radioaficionados, recuérdelos bien, son la clave para comprender todas las antenas: Para  alcanzar el receptor de los corresponsales las características de la antenas que cuentan son el rendimiento y la directividad. Todo lo demás es secundario...

Imaginemos una antena que irradie la energía en todas las direcciones horizontales y verticales. Si estamos haciendo un llamado general indudablemente será una excelente antena, en cambio, si quisiéramos comunicar con un punto determinado nos damos cuenta que, si pudiéramos enfocar, dirigir o concentrar la energía disponible hacia ese punto, la cantidad que llegaría a él sería mucho mayor que con la primera. Esta experiencia la verificamos al emplear un reflector en una linterna...

Recuerde esto: a igual rendimiento las ventajas de unas antena respecto de otras siempre están relacionadas con esta capacidad de "enfocar" la energía en ciertas direcciones, ya sea que lo advirtamos o no. Dos antenas cualesquiera, no específicamente diseñadas para ser direccionales pueden tener, en la práctica, resultados muy diferentes al realizar ciertos contactos y, si la diferencia no radica en sus rendimiento, puede darse por seguro que se debe a alguna posibilidad de enfocar más energía en una o más direcciones (verticales u horizontales), que una de ellas posee y la otra no, para esa comunicación en particular (y que esa energía se obtiene a expensas de las otras direcciones). Aquí vemos nuevamente que no hay nada particularmente misterioso que distinga una antena de otra. Tanto la directividad vertical como la horizontal de las antenas comunes son aspectos bastante predecibles.

Reiteramos: una vez excluida la cuestión del rendimiento, cuando juzgamos los resultados de una antena cualquiera desde el punto de vista de las señales que alcanzan al receptor del corresponsal, siempre estaremos juzgando su diagrama directivo. Insistimos en que no interesan en este sentido asuntos tales como su frecuencia de  resonancia, que su longitud sea media onda o cualquier otra, y demás errores conceptuales que complican innecesariamente la comprensión y la utilización práctica de las mismas. 

* Eter: en el sentido metafórico que habitulmente le damos al espacio

¿Y esos otros factores no importan?

Esos factores no son irrelevantes, los postergamos porque son secundarias a la hora de comprender los mecanismos fundamentales que hacen a una antena eficaz para irradiar la energía al éter en las direcciones útiles.

La resonancia de un dipolo, por ejemplo, puede ser a veces (otras no) un fenómeno útil para adaptar fácilmente su impedancia a la línea, pero no tiene que ver directamente con el rendimiento. La longitud de la antena puede influir en la directividad y así, una antena de hilo largo podrá presentar propiedades interesantes en este sentido..
La impedancia puede ser tal que la antena se pueda conectar directamente a una línea coaxil común de baja impedancia y así sucesivamente, pero todas estas variables no se relacionan directamente con el asunto que nos interesa en este momento.

La antena como receptora

Si piensa que las características de la antena como receptora han de tener mucho que ver con sus características como trasmisora, acierta pues en verdad son hermanas de sangre, solo que a la hora de comprender el fenómeno los aficionados la miramos desde otra perspectiva. ¿Usted cree que alguna vez hemos visto una manzana?, no es cierto: Nunca lo hemos hecho, siempre vemos media manzana, la otra mitad queda oculta por la mitad visible. No importa cuantas vueltas demos a la manzana siempre vemos media manzana. La otra media la imaginamos o la recordamos. Esto parece obvio pero ¿que hay de nuestro perro? ¿acaso hemos visto su interior? por dentro ¿es otro perro o es una visión diferente del mismo perro?. Lo mismo podemos decir de la antena como receptora: La antena es la misma, los fenómenos también, lo que difiere es nuestra mirada. En las secciones precedentes preferimos observar la antena únicamente como irradiante porque así enfocamos la atención en un par de aspectos que facilitan nuestra comprensión.

En los siguientes párrafos intentaré mostrar un aspecto que normalmente no presenta dudas y es que tanto la directividad como el "tamaño" de las antenas tiene un valor esencial en su desempeño como receptoras. A diferencia de la cuestión anterior, una vez establecidas las características de una "buena" antena trasmisora nuestra intuición acertadamente nos indica que será también igualmente buena receptora para el tipo de contacto considerado. Para quienes quieren saber todos los "porqué" plantearé una manera de mirar la antena que es más típica de los sistemas de microondas o los radiotelescopios, relacionándola a las usuales de HF y a conceptos comunes de nuestra experiencia radial.

Por un momento olvidemos las antenas y concentrémonos en fenómenos más "visibles". No son analogías, estamos considerando otra sector del espectro electromagnético.

La ganancia depende de la superficie

Pensemos en nuestro Sol: Un gigantesco reactor de fusión termonuclear (los primeros radioaficionados hubieran dicho "una gigantesca bola de fuego") enviando al espacio enormes cantidades de energía radiante a lo largo de un amplísimo espectro electromagnético. Aún así, visto desde nuestra segura y relativamente lejana perspectiva, es poco más que un punto de brillante luz en el cielo. Intuitivamente comprendemos que el Sol irradia en todas las direcciones tanto la luz como el calor (que también son formas de energía electromagnética). La luz y el calor alcanzan a los distintos planetas, cualquiera sea su órbita. También comprendemos que la mayoría de esta energía se dispersa hacia el resto del universo porque los planetas son tan pequeños que apenas alcanzan a interceptar una minúscula fracción de la energía irradiada por el Sol.

Si imaginamos una cáscara opaca que rodeara totalmente al Sol, podemos deducir que ella interceptaría toda la energía que el Sol irradie. Esta cáscara o superficie esférica interceptaría toda la energía producida por el sol, no importa cuál sea su tamaño (radio), sin embargo sospechamos que alguna diferencia habrá entre una cáscara de gran radio respecto de una de pequeño radio.
Si lo meditamos un poco vemos que una cáscara grande tiene mayor superficie y que, puesto que la misma energía se reparte a lo largo de una superficie mayor cada metro cuadrado de la misma recibirá menos energía en la grande que en la pequeña. Cada metro cuadrado de superficie de una cáscara imaginaria recibe una cantidad de energía menor a medida que el radio de la cáscara aumenta, o dicho de otro modo a medida que ese metro cuadrado está más lejos del sol.
Esto coincide perfectamente con nuestra percepción sensorial: cuando la fuente de energía está más distante, la intensidad de la luz o el calor recibido es menor. En este caso la energía se "disuelve" en el espacio a medida que nos alejamos de su fuente...

Ahora imaginemos estar situados a una cierta distancia del Sol y que deseamos acopiar cierta energía de la irradiada por él. ¿No resulta fácil comprender que para hacerlo precisaremos interponer una superficie tanto mayor cuanto mayor sea la energía que queremos interceptar?. Es como si quisiéramos obtener agua de lluvia; trataremos de emplear un recipiente de "boca ancha" ¿verdad?. Pero también intuimos que por una cierta superficie pasa una cantidad limitada de energía y que nada podríamos hacer para obtener más energía como no sea ampliar la superficie interceptora y, si la superficie interceptora de la cual disponemos es fija (el tamaño de la boca del recipiente para el agua), nuestra capacidad para "quedarnos" con parte de la energía total producida por el Sol estará limitada. Además acabamos de ver que la situación empeora a medida que nos alejamos de la fuente.

Pues bien, precisamente esa es la situación con nuestra antena receptora: Tiene un tamaño físico determinado y de allí una superficie interceptora limitada, por ello no puede proveer a nuestro receptor de más energía que la que le corresponda a esa porción de la cáscara que ella esté ocupando. No puede darnos más porque en ese sector del espacio ¡no hay más...! Si necesitamos recoger más energía, necesariamente tendremos que aumentar la superficie interceptora; ya nos habíamos acostumbrado cuando de niños queríamos quemar papelitos con lupas y averiguamos que las más grandes funcionaban mejor...

Una antena receptora es capaz de extraer cierta energía de una onda que está atravesando su lugar de emplazamiento. Midamos con algún dispositivo la energía que ella extrae de ese frente de onda, por ejemplo un microwattímetro en los terminales. Ahora, de algún modo (que puede ser teórico), averiguamos cuál sería una superficie que, colocada en el lugar de la antena, recibiría una energía (a la frecuencia considerada) igual a la que acabamos de medir, entonces podemos decir que la antena tiene una superficie equivalente a la de esa superficie imaginaria. Ella recibe diferentes nombres: "Área efectiva", "Area de captura", "Apertura efectiva", "Superficie de captación", "Superficie de intercepción" de la antena.

En las antenas que se emplean en frecuencias de microondas donde el comportamiento es "casi óptico" esa superficie es prácticamente la misma que la verdadera del sistema de antena sobre la cual incide el campo electromagnético (por ejemplo el área de la boca de una antena tipo bocina), pero otras antenas, tales como nuestros habituales dipolos no tienen un área física que podamos asociar de esta manera sencilla, por ello hemos preferido definir al área efectiva de la antena como aquella por la cual pasa una energía igual a la que la antena es capaz de sustraer.
En algunas antenas esta superficie efectiva será igual a la superficie de la antena real y en otras no (inclusive la superficie de algunas pueden ser mucho más pequeña que su área de captura), pero el concepto es igualmente útil.
El área efectiva de una antena es una medida que tiene usos prácticos que nos vinculan intuitivamente con la idea que la capacidad de recuperar energía de la señal está indisolublemente ligada a un aumento en la superficie real de las antenas. Aunque es un concepto no muy común en las apreciaciones sobre antenas de HF, lo conocen muy bien los árboles que extienden su follaje cuando precisan captar más energía del Sol y los radioastrónomos que construyen gigantescas parábolas como la de Arecibo para recoger las débiles señales de las lejanías cósmicas.

En trasmisión se intuye bastante bien porqué se obtiene una ventaja concentrando la energía en una determinada dirección pero, en recepción, aunque todos saben que así sucede por la experiencia práctica. no es tan tan obvio el proceso, veamos...

Para recoger más energía hace falta directividad

Hemos visto que la energía irradiada por un productor como el Sol puede ser interceptada total o parcialmente por una superficie. Podríamos imaginar la superficie llena de celdas fotovoltaicas convirtiendo la energía electromagnética luminosa en energía eléctrica, o convirtiendo la energía infrarroja en energía eléctrica mediante termocuplas. Así resulta intuitivo comprender la relación entre la energía que podemos obtener y el empleo de una superficie tanto mayor cuanto mayor sea la energía que queramos rescatar. Vemos que, en el mejor de los casos, encerrando al Sol en un cascarón esférico podríamos obtener de este cascarón toda la energía irradiada por el Sol, pero no más que eso. Es decir que aún empleando una superficie capaz de encerrar totalmente a la fuente de energía, hay un límite, aún cuando nuestros dispositivos de conversión fueran ideales.

Si observamos esa superficie que encierra todo el Sol y que intercepta toda la energía que él produce, veremos que tiene una propiedad fundamental. Cada pequeño trocito parcial de esa superficie es perpendicular a la dirección en que le llegan los rayos solares. Todos sabemos, por experiencia, que la energía solar recibida por una superficie es máxima cuando los rayos inciden en ella perpendicularmente y casi nula cuando lo hacen en forma rasante. Por eso evitamos exponernos al Sol en un mediodía veraniego y disfrutamos de él en los atardeceres. Entonces, cada trocito de esa superficie tiene que ser perpendicular a los rayos solares para poder recibir eficazmente su energía, si fueran paralelos a ellos no interceptarían nada. Esa capacidad que tiene el cascarón que rodea el Sol para interceptar toda su energía se debe ¡a sus propiedades altamente direccionales..! En efecto, la propiedad fundamental del cascarón radica en que cada parte de su interior está dirigida precisamente hacia el Sol que está en el centro del mismo. Dicho de otro modo: Todo el cascarón no es otra cosa que un gran dispositivo direccional en el que todas y cada una de sus partes están "mirando" hacia el sol. De allí que su capacidad para interceptar la energía solar esté profundamente ligada a esa directividad.

Esta observación nos permite ver que para extraer una parte importante de la energía irradiada por el Sol la superficie no solo ha de ser grande, también debe "mirar" hacia él, si estuviera "de canto", nada podría extraer por más amplia que fuera. Si sustituimos al Sol por una antena trasmisora, nada cambia, el concepto es el mismo: Cualquier dispositivo destinado a interceptar mucha energía de ese trasmisor debe tener un área de intercepción importante lo que implica una directividad importante apuntada hacia él.

Esto nos conduce de lleno a nuestro concepto principal: las antenas logran sustraer energía la energía irradiada por medio de su superficie de intercepción y de allí de su directividad.

Y aquí está lo interesante pues estos dos conceptos no son independientes entre si. Para obtener directividad es necesario aumentar el área de captura y aumentarla implica aumentar la directividad. Nuevamente estamos ante un fenómeno que es esencialmente único e indivisible pero que lo observamos desde dos puntos de vista distintos. Directividad y superficie son conceptos que utilizamos para comprender la naturaleza.

Entonces no basta con que se exponga a la fuente de ondas electromagnéticas "mucho alambre", para sustraer energía a la señal ese "alambre" ha de estar dispuesto de una manera conveniente. Alguien afirmaba que una buena antena involucraba "mucho metal expuesto", pues estaba parcialmente equivocado...
Extraer energía de una onda electromagnética coherente de radio exige que la superficie que se expone al paso de los frentes de onda reúna ciertos requisitos eléctricos para que la energía pueda recogerse y conducirse hacia punto donde se precisa, por ejemplo un receptor. Las ondas tienen exigencias muy especiales para poder sumarse, por lo que no solamente habrá que disponer los alambres convenientemente para recoger la energía del trasmisor, sino que su directividad y de allí la posibilidad para aumentar la superficie efectiva dependen no solo de su ubicación geométrica sino también de su interconexión eléctrica.
Los radioaficionados hemos oído muchas veces esto de "poner las antenas en fase". Demás está decir que si la señal recibida proviniera de otra dirección, habría que proveer los medios para que la antena se reorganice físicamente para adecuarse a la nueva dirección.
El concepto matemático de "área de intercepción" ya involucra la directividad porque en él interviene siempre la llamada "ganancia" de la antena.
Aún así, aunque la ganancia y la directividad son hermanas, no son gemelas. En la definición de directividad no se toman en cuenta las pérdidas de la antena, en cambio en la definición de la ganancia si (2).

Esto es importante pues una antena trasmisora muy directiva con muchas pérdidas podría ser bastante peor que una antena no directiva con pocas. Tal antena tendría alta directividad pero baja ganancia. En recepción a veces una antena muy directiva con muchas pérdidas igualmente puede ser superior a una no directiva y sin pérdidas.

(2) De acuerdo a los estándares de la IEEE la ganancia no incluye las pérdidas debidas a desadaptaciones de impedancia o de polarización.

La impedancia del punto de alimentación

La impedancia de la antena es una noción eléctrica que no está relacionada estrictamente con su rendimiento ni con su directividad, pero que será importante para "aparear" las características eléctricas del trasmisor/receptor a las de la antena misma. La teoría de circuitos nos enseña que cuando conectamos a un generador cualquiera una resistencia de carga cuyo valor sea igual al de la resistencia interna del generador se produce la máxima transferencia de energía desde el generador hacia la carga y la energía producida por el generador puede aprovecharse al máximo.

Para nuestro propósito podemos considerar a la impedancia de la antena compuesta por tres términos:

  1. La resistencia de radiación;

  2. La resistencia de pérdidas totales;

  3. La reactancia.(inductiva o capacitiva).

  1. La resistencia de radiación es un resistencia ficticia que representa la energía que la antena irradia al éter y por lo tanto es la que efectivamente disipa la energía capaz de producir una comunicación.
  2. La resistencia de pérdidas totales es una resistencia que se suma a la anterior pero que representa una disipación de energía que no sirve para conducir la información a su destino. En esa resistencia la energía se disipa en forma de calor y es una energía desperdiciada. (Esta resistencia representa tanto las pérdidas producidas en la antena misma como en los objetos cercanos que se acoplan electromagnéticamente a la misma por inducción mutua).
  3. La reactancia es una magnitud que representa energía que es "almacenada" en el sistema antena-medio pero que no se disipa en forma de calor ni es emitida al éter. Esta energía almacenada en la reactancia es intercambiada continuamente entre el generador y la antena y, si bien no se disipa, en este intercambio continuo de ida y vuelta una parte de ella se malgasta en forma de calor. Por similar misma razón la compañía de electricidad le exige a su instalación no presentar reactancia (lo que técnicamente se define como tener un "coseno Phi" próximo a uno). La reactancia se puede cancelar en la antena a costa de alguna pérdida adicional en el elemento encargado de hacerlo (bobinas o capacitores). 

Estos tres valores también dependen de el punto en el cual los midamos en la antena. Por ejemplo, la resistencia de radiación de un dipolo de media onda podría ser de 70 Ohms en su centro o de 1500 Ohms cerca de uno de sus extremos, en tal caso hay que comprender que la resistencia de pérdidas se reflejará con distinto valor según dónde la midamos. Ello no implica que la energía disipada en la resistencia de radiación o la resistencia de pérdidas varíe según cual sea el punto de alimentación, puesto que estas resistencias son justamente aquellas que representan la absorción de energía (por esa razón la resistencia de radiación y de pérdidas suelen considerarse como las correspondientes a un vientre de corriente).

La impedancia del punto de alimentación de la antena en si misma, como dijimos, no tiene ninguna importancia en el rendimiento, lo que importa es la relación que exista entre su resistencia de radiación y su resistencia de pérdidas, pero, algunos valores de impedancia facilitan la vinculación eficiente con la línea. Por ejemplo una línea coaxil de 50 ohms es una línea útil por su facilidad de instalación, blindaje, etc. por lo tanto si quisiéramos emplearla para alimentar una antena sería bueno que la antena presentara una impedancia de 50 ohms puramente resistivos para adaptarse a este coaxil, de esa manera basta con conectarla directamente a la antena. Si en cambio si la antena tuviera cualquier otro valor de impedancia tampoco habría mayores inconvenientes en hacerlo empleando algún sistema de transformación de impedancia, pero ello ocasionará complicaciones de tipo práctico y mayores costos.

Por ejemplo si tuviéramos una antena que presentara 75 ohms de resistencia total sumados a 40 ohms de reactancia capacitiva, sería conveniente tratar de eliminar esa reactancia mediante el simple expediente de conectar una reactancia inductiva también de 40 ohms, pero eso nos obliga a agregar un componente físico adicional el cual facilitará su conexión a un coaxil de 75 Ohms.
Ese es el caso donde puede convenir una antena "resonante" como el dipolo de media onda. Se dice que son resonantes porque no presentan esa componente reactiva y por eso pueden resultar más fáciles de interconectarse con la línea.
Puesto que el rendimiento está determinado por la resistencia y no por la reactancia esa resonancia solo representa una mejora en la comodidad para adaptar la antena a la línea y no una ventaja en cuanto a su rendimiento (por el contrario si la antena tuviera un resistencia total de digamos 15 Ohms como sucede en una móvil, el hecho de ser parcialmente inductiva no solo no perjudica el rendimiento sino que facilita su adaptación a 50 ohms mediante un simple capacitor en derivación a masa).

La impedancia del punto de alimentación de la antena está directamente relacionada con una magnitud que preocupa bastante a los aficionados a la radio: la denominada Relación de Ondas Estacionarias (ROE - SWR) la cual se mide con un dispositivo llamado justamente "Medidor de Ondas Estacionarias" que casi todo el mundo tiene o quisiera tener para dormir tranquilo (o no poder dormir, de acuerdo a sus inapelables dictámenes).
Curiosamente si una antena presenta exactamente 50 Ohms resistivos el instrumento no dará motivos de alarma al feliz poseedor de una antena tan dócil; esto suele conducir a una trampa... El medidor indicará que todo está bien siempre que la resistencia total sea 50 ohms, no importa si está compuesta por 49 ohms de resistencia de radiación y solo un ohm de resistencia de pérdidas o, a la inversa:  49 ohms de pérdidas y solo uno de radiación...

Muchas veces una antena que presenta una resistencia de radiación de 10 ohms con una resistencia de pérdida de 1 ohm (que da una lectura de ROE de 4,5:1), luego de "ciertos ajustes" termina con 39 ohms de pérdidas y los mismos 10 de radiación (ROE 1:1) para satisfacer la dictadura del equipo transistorizado (o la inseguridad de su poseedor), dando por resultado una antena "sin ROE" pero muy pobre... La impedancia del punto de alimentación de la antena es un factor que siempre hemos de tener en cuenta pero que no tiene la última palabra ni mucho menos en las consideraciones relativas a su buen desempeño.

Nota: Para el aficionado que ya posee conocimientos eléctricos más avanzados puede ser útil aclarar que la impedancia del punto de alimentación está compuesta por la impedancia propia de la antena (autoimpedancia) y la impedancia reflejada por los objetos cercanos acoplado (impedancia mutua).

Conclusiones

Las pérdidas del sistema son una de las responsables principales de la producción de señales débiles en los receptores de nuestra señal. Una fuente de pérdidas será la resistencia de los conductores que conforman la antena así como sus bobinas de carga o trampas, si los hay, por ello es importante mantener el diámetro de los conductores y su resistividad baja, del mismo modo el Q de los inductores empleados ha de ser el más alto posible lo cual se denota por bobinas de generoso diámetro, tanto de su forma como de su alambre.

En general siempre podremos tomar medidas para bajar estas pérdidas (especialmente si la resistencia de radiación es pequeña como en las antenas cortas), pero una fuente muy importante, frecuentemente la más importante, son las pérdidas producidas por la tierra y los objetos cercanos, por eso siempre será conveniente que la antena se encuentre lo más alejada posible de ellos, la altura es de mucha importancia para disminuir las pérdidas por lo cual hay que hacer lo más posible por lograrla; cuando la resistencia de radiación es alta frente a la resistencia de pérdidas, este factor no será tan crítico, tal como es el caso de antenas cuya longitud sea cercana, o mayor que media onda, pero, a medida que la resistencia de radiación disminuye, evitar las pérdidas de tierra se torna el factor a considerar con más cuidado al buscar emplazamiento. Naturalmente en una antena móvil tipo látigo se presenta siempre este problema y casi nada podremos hacer; en tal caso para lograr un buen rendimiento de ella convendrá emplear bobinas de carga del más alto Q y una buena conexión eléctrica para la RF a la carrocería metálica y entre las partes de ella; poco más que eso podremos hacer, aceptando el bajo rendimiento como un hecho consumado. La altura y el despeje siempre serán los mejores amigos de su antena.

Elegir la antena por su diagrama horizontal: En la práctica no suele haber espacio suficiente por lo que las opciones más comunes serán como máximo una antena de media onda (cualquier antena de media onda), con suerte una "Zeppelin doble extendida" o una de hilo largo, además de la clásica direccional rotativa para las bandas de HF altas. Pero tanto la Zeppelin doble extendida como el hilo largo presentan directividad y aunque hubiera espacio para disponer de una antena con un diagrama horizontal aún más interesante por su ganancia, siempre está vigente el problema de que el precio a pagar por la ganancia azimutal es la directividad con lo cual si no podemos rotar la estructura dispondremos de ganancia en alguna/s dirección/es ¡y pérdida en todas las demás...!

Elegir la antena por su diagrama de radiación vertical: Aquí tampoco puede hacer mucho en las condiciones de instalación habituales. El diagrama de radiación vertical depende casi exclusivamente de la altura (con ello también el "ángulo de disparo"), por lo que prácticamente, en este sentido, da lo mismo cualquier antena, ya sea una G5RV como una Hertz o una "doble bazooka", cualquiera de estas antenas producirá cambios dramáticos en sus diagrama de radiación vertical a medida que se eleve su altura sobre la tierra, básicamente usted no podrá conseguir "ángulos bajos" de radiación con antenas a poca altura en términos de longitudes de onda, recién a partir de una altura mínima de 1/2 onda comienza a producirse una emisión significativa en estos ángulos bajos. La altura frecuentemente será la mejor amiga de sus DX ...

Una oportunidad para tener un ángulo bajo de radiación es emplear una antena vertical con plano de tierra, esta antena produce un ángulo de radiación bajo cuando esta apoyada a nivel del suelo y es una muy buena alternativa al problema de no conseguir altura, pero exige un plano de tierra muy buen conductor para no ser afectada por las pérdidas en tierra lo cual se logra únicamente con una generosa provisión de radiales (también es necesario que la zona tenga buena conductividad para lograr esos bajos ángulos, las ventajas de la vertical se aprecian cerca o sobre el mar).

La antena direccional clásica de varios elementos no solamente provee un diagrama de radiación directivo en el plano horizontal, sino que también produce un diagrama directivo vertical más bajo a la misma altura que una antena de un solo elemento por lo cual será muy recomendable siempre que el espacio y el presupuesto lo permita, pero atención, normalmente las antenas tipo Yagi son antenas acortadas por lo que su resistencia de radiación es más baja que una "full size" y habrá que asegurarse que sus bobinas de carga/trampa y conductores estén a la altura de la inversión; su rendimiento en trasmisión puede ser menor que el obtenido en recepción. Tal vez por eso también muchos aficionados definitivamente se inclinan por las "cúbicas" cuando de "llegar" con direccionales se trata.

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Lecturas recomendadas

Lerena, Alfred. Antennas and Feedlines http://members.dslextreme.com/users/w6wqc/antenna.html

Bibliografía consultada:

Gonorovsky, I. S. , Señales y circuitos radiotécnicos. Editorial MIR, Moscú, 1972.

Nikolsky V. V., Electrodinámica y propagación de ondas de radio. Editorial MIR, Moscú, 1976.

Terman, Frederic E., Manual del Radio Ingeniero. Editorial HASA, Buenos Aires, 1947.

Kraus, John D., Antennas. 2nd Edition, Tata McGraw-Hill Edition, 1997.


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