Esta es una recopilación de una serie de artículos publicados durante el 2007 y el 2008 en el boletín "Radiofrecuencia" que emite el Grupo Argentino de CW, con correcciones de tipeo y redacción para mejorar su comprensibilidad.
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(última actualización 2008-07-09)
Existen en nuestro medio persistentes creencias acerca de las antenas que perjudican nuestra valoración y comprensión de los fenómenos eléctricos y electromagnéticos que ocurren en nuestros irradiantes. Es un tema largo, necesariamente deberemos acotarlo para el boletín, por eso aquí hablaremos solamente de las antenas más básicas, compuestas por un par de alambrecitos, generalmente horizontales; eso incluye, pero no se agota en: antenas Hertz en todas sus variantes: Zeppelin, Windom Carolina, doble bazooka; dobletes varios: G5RV, dipolos acortados con cargas, dipolos con trampas. antenas unifilares, etc. También vale con diferencias no muy importantes para montajes inclinados como V invertidas o sloopers.
Nunca debemos mezclar la antena con la línea de trasmisión al hablar de las propiedades de la antena, así como no lo hacemos con el foquito del velador y el cable de 220 V cuando analizamos las propiedades del foquito... A nadie se le ocurriría señalar las bondades del tubo fluorescente o la lámpara dicroica, asociándolas con el tipo de cable utilizado para alimentarlos... Sabemos perfectamente que lo que produce la luz es, la lamparita. Los cables de 220 V cuando están bien conectados, no iluminan... :>)
Para que el trasmisor funcione adecuadamente y genere la potencia nominal de diseño, su impedancia de carga debe tener el valor especificado por sus diseñadores; por eso, no importa si esa carga es una resistencia, una lamparita, una línea de trasmisión o una antena, ¡solo tiene que ser la especificada! (usualmente 50 ohms).
Las pérdidas adicionales por utilizar la línea con ondas estacionarias pueden calcularse previamente y decidir si son o no aceptables, el cálculo no es intuitivo ni inmediato; recuerde: la "potencia reflejada" no se pierde salvo en casos especiales, lo que se pierde en HF, normalmente es mucho menos, al punto que la mayoría de las veces la pérdia puede considerarse despreciable, sobre todo en las bandas más bajas.
Para muestra basta un botón: ¡Se proyectaron satélites artificiales que trabajaban con ROE de hasta 4:1 (las antenas de los Tiros-ESSA operaban con 150 - j100 -una ROET de 4,4 sobre su línea- y ¡solo emitía con escasos 30 mW...! La adaptación de Z se realizaba del lado del TX, dentro del cuerpo del satélite, es decir, paradójicamente "abajo".
Las sobretensiones en la línea rara vez son importantes con equipos comunes pero hay que considerarlas cuando se opera con amplificadores cerca del kW, esto quizás también sobreexija al adaptador o transmatch, pero ¿no se supone que para eso fueron hechos?
Lo que si hace falta es conseguir hacer
circular la máxima corriente sobre la antena; en la autorresonancia esto se da
automáticamente), pero no es indispensable: ¿que sucederá, por ejemplo, si la antena es más corta o más
larga y no autorresuena?.
En esa situación no se establecerá automáticamente la máxima corriente
sobre la antena porque la antena presentará reactancia capacitiva o
inductiva. Para maximizar la corriente en la antena basta con cancelar la su reactancia con
otra igual de signo opuesto. Esto no quitará eficiencia de radiación
a menos que los componentes utilizados para ese fin tengan pérdidas
excesivas.
La cancelación de reactancia podemos realizarla sobre la propia antena pero frecuentemente será posible hacerlo, "abajo", es decir del lado del equipo mediante nuestro servicial acoplador, tanque Pi incorporado al equipo, o transmatch (explicar porqué también escapa al alcance del artículo).
Con estos sencillos procedimientos conseguiremos maximizar la corriente sobre
la antena llevando a resonancia al conjunto Antena + Reactancia
agregada.
¿Se ve?, el efecto buscado no depende exclusivamente de que la
antena sea puramente resistiva por si misma, se logra exactamente lo mismo
cancelando su reactancia, a eso también lo llamamos "resonancia" pero ya no
implica una propiedad que la antena deba satisfacer por si misma sino que comprende
dos elementos como mínimo: La antena y la bobina, condensador o stub
asociado que llevan al sistema a resonancia.
La antena ¡pero si es muy fácil! (III parte)
Las antenas en recepción
Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
En esta tercera y última entrega veremos algo de las antenas empleadas para recepción. Más que repetir conceptos básicos que se encuentran fácilmente en los buenos libros y apuntes de nuestra actividad, intentaré hacer hincapié en cuestiones menos divulgadas.
La antena en TX y RX
Generalmente los aficionados utilizamos la misma antena para trasmisión y recepción, no obstante ello obedece más una cuestión de comodidad y practicidad que a necesidad o conveniencia técnica.
Casi siempre una antena puede operar como trasmisora o receptora y una buena antena trasmisora normalmente puede resultar bastante adecuada para recepción (no necesariamente a la inversa), sin embargo esto no siempre es lo óptimo porque requisitos que son esenciales o convenientes para una función pueden resultar secundarios o innecesarios en la otra. Esto es una consecuencia del llamado “Teorema de reciprocidad” que demuestra que las características de una antena en TX son iguales a sus características en RX y esta igualdad de características es lo que a veces no conviene por distintas razones.
Por
ejemplo: en trasmisión estamos interesados en el
rendimiento eléctrico, queremos que la mayor cantidad de energía entregada al
irradiante se transforme en campo electromagnético y poca se pierda en calor.
Si de una direccional para comunicaciones se trata, probablemente no nos interesen
demasiado sus lóbulos de radiación laterales o su relación frente-espalda, sino
maximizar la ganancia y el rendimiento o lograr una buena adaptación entre el
alimentador y la antena. Esas serán casi con seguridad las prioridades del
aficionado medio que comprende razonablemente bien el funcionamiento de sus chiches.
En recepción,
probablemente preferirá una buena relación
frente-espalda y un lóbulo de radiación "limpio" que provea una
discriminación más precisa para atenuar las señales provenientes de direcciones
diferentes de la que le interesa.
Sobre
todo en HF especialmente en sus frecuencias más bajas, la eficiencia eléctrica
de la antena receptora (rendimiento) no será tan importante como en trasmisión
porque los ruidos externos de origen natural o artificial son superiores al
ruido propio del receptor lo que nos obsequia generoso margen para operar con antenas eléctricamente ineficientes pero con
propiedades muy útiles en otros sentidos, como pequeñas antenas de cuadro, Beverage, etc.
Comprender y explorar estas posibilidades nos ayudará a sacar mejor provecho de nuestros sistemas receptores.
El ruido y las antenas
Ruido es un término ambiguo si no se especifica con precisión su contexto, técnicamente en la teoría de la información, un ruido es un ente que no transporta ninguna, un ejemplo sería el conocido ruido blanco que escuchamos al abrir el squelch de nuestro equipo de VHF-FM. Aún así, en cierto sentido, hasta ese ruido ofrece cierta información; si es poco o mucho, ¿no provee información acerca de la bondad del elemento circuital o amplificador que lo produce?
Simultáneamente, lo que nosotros consideramos un ruido molesto puede ser una señal vital para comprender otros asuntos, ¡la radioastronomía nació del trabajo de un ingeniero para eliminar un molesto ruido en los receptores que no provenía de las tormentas! (venía del espacio). Karl Jansky fue tal ingeniero, sucedió en 1932, así, lo que un día se consideró ruido, nos llevó a la moderna cosmología…
¿Es ruidosa mi antena?
Es común oír que tal o cual antena es más ruidosa o más silenciosa que otra sin especificar a qué tipo de ruido se refiere tal juicio. Ciertamente, hay diferentes tipos de energías barulleras que pueden llegar hasta nuestra antena, ¡ella no necesariamente tratará a todas por igual...!
Conviene primero aclarar que, siendo la propiedad fundamental de una antena la de convertir ondas electromagnéticas en señales eléctricas, si ella no cumpliera con esa tarea con alguna forma de energía electromagnética, estaría fallando a su propósito; en ese sentido las antenas son muy leales e invisten su propio código del honor. Por eso si una antena no captara cierto ruido electromagnético ¡tampoco captaría una señal útil con características similares...! (polarización, dirección, etc.) ¿significa esto que existen fuentes de ruido no electromagnéticas?, pues si, las más comunes son dos: ruido inducido en la antena por fuentes cercanas de carácter eléctrico o magnético y ruido generado sobre la misma antena por descargas de tipo corona o chispas debido a cargas electrostáticas propias o inducidas.
Campos magnéticos, eléctricos y electromagnéticos
En la teoría eléctrica básica aprendemos que un campo magnético variable puede inducir una fuerza electromotriz sobre un conductor cercano, sin embargo un campo magnético variable no constituye un campo electromagnético en regla. De igual modo, un campo eléctrico variable (o no) capaz de inducir tensiones eléctricas sobre un conductor tampoco puede alcanzar a ser un campo electromagnético…
Esto es importantísimo para nosotros porque hace a un concepto fundamental de lo que es la radio y colateralmente nos sirve para diferenciar diferentes clases de ruido que pueden afectar a nuestro sistema receptor pues ambas clases de fenómenos eléctricos pueden ser captados por nuestra antena aunque unas sean legítimas y aristocráticas ondas de radio y otros plebeyos subproductos de diversos chisperíos humanos o naturales.
Un campo electromagnético u onda de radio es una combinación muy especial de campo eléctrico y campo magnético (variables en el tiempo) que posee propiedades diferentes a las de sus constituyentes (como serían las del agua respecto del oxígeno e hidrógeno que la forman), por eso hacemos la distinción: nos gustaría que una antena de radio responda únicamente a campos electromagnéticos y no lo haga a campos puramente eléctricos o puramente magnéticos (los campos eléctricos y magnéticos simples son comunes, normalmente se producen por aparatos eléctricos que originan chispas o corrientes oscilatorias intensas).
La diferencia esencial entre una y otra clase de campo está en su alcance. Los fenómenos de inducción magnética o eléctrica disminuyen su intensidad con el cuadrado de la distancia (esto quiere decir que lo hacen muy rápidamente, en cambio la intensidad de una onda de radio disminuye en forma inversamente proporcional a la distancia (sin elevarla al cuadrado), allí reside la gran ventaja de nuestras estimadas ondas hertzianas.
Gracias a que una onda electromagnética contiene ambas clases de campo, podemos diseñar antenas capaces de blindarse (o ser menos sensibles) a un campo eléctrico perturbador, por ejemplo una antena de cuadro apantallada; aunque ella está blindada para el campo eléctrico el campo magnético de la señal puede inducir cómodamente corriente en sus espiras, de allí que también las conozcamos como antenas “magnéticas”. Lo mismo vale a la inversa, aunque no son tan frecuentes.
No todas son rosas… un ruido magnético o eléctrico “puro” a pocos metros de su fuente se metamorfosea en campo electromagnético, como Dr. Jekyll en Mr Hyde, y como tal ya no lo podremos blindar o apantallar sin simultáneamente blindar las señales deseadas. Ese ruido que en su origen era exclusivamente magnético o exclusivamente eléctrico, a poca distancia de su fuente se convierte en ruido radioeléctrico y la antena ya no podrá distinguirlo del codiciado DX (esta diferencia de propiedades se conoce como el campo cercano y campo lejano de un irradiante cualquiera, lo cual incluye, por supuesto a los dispositivos y cableados que originan y/o transportan el ruido).
Siempre convendrá tratar evitar la inducción directa de campos eléctricos o magnéticos montando la antena alejada de los tendidos y aparatos capaces de generar ruidos eléctricos o magnéticos puros, en nuestras zonas urbanas la altura hará gran diferencia en el nivel de ruido; uno pocos metros más de altura suelen disminuir el ruido los suficientes decibeles como para justificar el esfuerzo de elevarlas.
¿Una antena puede recibir menos estáticos que otra?
Entendiendo por estáticos señales producidas por descargas eléctricas en
la atmósfera relativamente alejadas de la antena, diremos que si y no, pues dependerá
de en qué dirección estén siendo generados esos estáticos.
La
cuestión de fondo es que aunque los estáticos no nos gusten, son legítimas
ondas de radio con iguales derechos que las de su corresponsal, ¿porqué
habría de discriminar una antena a unas de otras si no goza de
inteligencia para discernir? No puede... Se que es una mala noticia y no me
complace darla, a cambio, lo que si puede hacer -y a veces muy bien-, es discriminar
señales provenientes de diferentes direcciones (lo advirtamos o no), y esto
puede ayudar muchísimo a evitar los estáticos, veamos:
Imaginemos la antena “A” con un importante lóbulo de radiación dirigido hacia
arriba y la antena “B” con un nulo hacia arriba y un generoso lóbulo
omnidireccional sobre la
rosa de los vientos en ángulos bajos. ¿Cuál será menos ruidosa si justo
tenemos una pequeña tormenta arriba nuestro?, evidentemente la “B” ¿verdad?, por el contrario, si
estamos interesados en contactos locales con señales reflejadas en la ionosfera
con ángulos elevados y hay tormentas eléctricas distantes, la antena “B” (de
bajo ángulo) escuchará los estáticos con mayor intensidad que la “A” y menos a nuestros
corresponsales.
Podemos decir que, en este sentido, la propiedad fundamental de la antena que
puede conseguir
alguna diferencia es la directividad (conocida o no por nosotros).
La polarización de la antena puede ayudar también, especialmente cuando la señal la conserva o varía lentamente si podemos controlar la de nuestro sistema de recepción. Para ello puede resultar útil contar con dos antenas una de polarización predominantemente horizontal y otra vertical, conmutándolas manualmente a la más favorable (o construyendo un RX con dos canales capaz de elegir la mejor señal).
¿Hay antenas más ruidosas por causas no electromagnéticas?
Si, por ejemplo son más ruidosas aquellas que fácilmente se cargan electrostáticamente con el viento y presentan puntas por las que esas cargas se disipan (o lugares donde forman ángulos agudos). Tales descargas producen un ruido muy molesto en la recepción (efecto corona). Otra forma de carga electrostática que produce ruido es la producida por los denominados estáticos de las precipitaciones generados por el arribo a la antena de gotas de agua cargadas (también nieve, granizo, polvo, etc.)
Nótese que en este caso los ruidos se producen en la misma antena y no se deben a ondas electromagnéticas que llegan propagándose por el espacio como las descargas atmosféricas generadas en las tormentas.
Un dipolo abierto puede resultar más ruidoso que uno dipolo plegado o loop simplemente porque los segundos a menudo le proveen a la carga electrostática un camino para disiparse en la tierra que los primeros a veces no le ofrecen por no haberse tomado las provisiones necesarias.
Ese descuido a menudo les confiere a los nobles dipolitos mala fama que no merecen, pues bastaría con adosarles algún elemento que haga posible el drenaje de las cargas electrostáticas a tierra para a través de ellos (puede ser un simple inductor o resistor entre los terminales).
Hay antenas en las que se inducen más fácilmente campos eléctricos, como los provenientes de chispas y descargas de carteles de neón, por presentar más superficie, o aquellas que son más sensibles a los campos magnéticos originados por picos transitorios de altas corrientes en dispositivos de conmutación, como las de pequeños o grandes cuadros (loops).
No hay que culpar siempre a la antena
Un buen día Pedro decidió cambiar su antena y descubrió sorprendido que la nueva le otorgaba una recepción más limpia que su antiguo dipolo, a partir del alentador resultado no dudó en proclamar las bondades de la recién descubierta “joyita”. Juan hizo lo propio y también obtuvo las mismas ventajas, sin embargo José, no notó ninguna diferencia, (él casi apostaba que la nueva era un poco más “sordita”) ¿quién tendrá razón?
Veamos una posible causa: imaginemos que los receptores de Juan y Pedro son
“palanganas”, poca selectividad de entrada, notables y variados productos de
intermodulación, presto a sobrecargarse, mientras que el de José es un “Estado
del arte” en materia tecnológica.
¿Qué sucedería si a las palanganas
las conectamos a una antena que de por si sea bastante selectiva? (podría
poseerla ser intrínsecamente selectiva como una “Magnetic loop”, por poseer
algún circuito sintonizado de adaptación que se la agrega o serlo por
construcción como una Doble Bazooka).
Con estas antenas los pobremente construidos receptores de nuestros amigos funcionan mejor porque la antena les da aquello que están precisando para desempeñarse más o menos correctamente, entonces, ¿la antena nueva, es más silenciosa o el receptor es un cachivache?
Siempre convendrá intercalar un buen preselector (sin ganancia) antes de sentar un juicio en esta materia, especialmente con los pequeños equipos modernos que muy a menudo sacrifican muchas de sus obligaciones en aras del tamaño reducido, anchura de banda y no necesidad de sintonía.
¡Una nueva…! la ROE en recepción...
Muchos veteranos suelen afirmar en son de broma que las antenas funcionaban
mejor antes que apareciera el medidor de ROE, en cierto modo es verdad: “ojos que no ven corazón que no siente”,
seguramente a muchos lectores jamás se les ocurrió medir la ROE de su receptor
en esa santa obsesión
por conseguir la máxima eficiencia, ¡grave pecado!, en RX la impedancia
de entrada del receptor es a la línea lo mismo que en TX la impedancia de
la antena a la misma línea.
Entonces, si la antena
(que en recepción es el generador) no “ve” la impedancia de carga apropiada, tampoco podrá transferir toda la
energía disponible. Esto lo sabían bien quienes construían sus etapas de entrada
en VHF porque debían lograr la adaptación “justa” para alcanzar la
mejor relación señal-ruido de su preamplificador… ¿está seguro que su
receptor no tiene ROE?, bueno, le dejo este nuevo motivo de
desesperación, eso si ¡por favor!, Novicios: ¡no intenten medir la ROE del
receptor con el medidor tradicional acoplado a un trasmisor!
Si bien esto es absolutamente cierto, no es mi intención, habiendo escrito tanto para desmitificar la ROE, traer nuevas preocupaciones al lector, pero si señalar que muchas veces cuando no estamos empleando la antena adecuada para la banda en un sistema común, resultará conveniente intercalar entre el receptor y la línea un dispositivo adaptador de impedancias, de modo que él presente a la línea una impedancia tal que proyectada en la antena le presente a esta la impedancia de carga que ella precisa para intercambiar energía, lo cual muchas veces mejorará sustancialmente la recepción (de todas maneras si la ROE es muy alta, las pérdidas adicionales por ROE de una línea corriente seguramente se harán sentir).
Nota acerca de la polarización y el diagrama de radiación de los dipolos comunes
Solemos creer que un dipolo es una antena de “polarización horizontal”, pues no es así, la polarización de un dipolo corriente es doble.
Esto es porque definimos polarización como: “la dirección del campo eléctrico en el sentido de la máxima radiación de la antena”.
Efectivamente la idea que el dipolo es una antena de polarización horizontal concuerda perfectamente con la definición, pero ¿qué sucede en otras direcciones?, pues que a medida que observamos el campo eléctrico moviéndonos hacia las puntas de la antena, este se va inclinando más y mas hacia la vertical, hasta que en la dirección correspondiente al eje del dipolo la polarización resulta totalmente vertical.
Esto
nos lleva a considerar el diagrama de radiación acimutal en forma de ocho que
comúnmente se atribuye a los dipolos (erróneamente), ese diagrama en forma de ocho
corresponde únicamente al campo eléctrico horizontal exclusivamente. Cuando se
considera simultáneamente la componente de polarización vertical (campo total)
el diagrama se transforma en una especie de ovalo (aunque siga preponderando en
la dirección perpendicular al alambre).
De esto resulta que el dipolo es bastante más omnidireccional de lo que
habitualmente se cree y, en mi opinión constituye una ventaja a su favor.
Antenas inteligentes
Dijimos que las antenas no poseen inteligencia para discriminar las señales útiles de los ruidos o interferencias, pero nosotros si poseemos alguna, aunque sea limitada… con ella podemos idear sistemas que empleen antenas “bobas” para mejorar la recepción, sobre todo ante condiciones cambiantes.
Desgraciadamente
en HF esas posibilidades no son muy accesibles al aficionado medio,
fundamentalmente por razones de espacio. Un sistemas precursor del
concepto podría ser la recepción denominada “Diversity”, un posible
sistema Diversity consiste en la recepción simultánea en dos o más frecuencias
de la misma información trasmitida, otro puede consistir en recibir en la misma
frecuencia pero con más de una antena (o ambas cosas a la vez).
Se trata de recibir señales que hayan arribado por diferentes caminos para que no resulten
idénticamente afectadas por el desvanecimiento, esto se consigue separando las
antenas muy poco, a veces alcanza con apenas unas pocas de ondas en 40 m, por
ejemplo el mejor espaciamiento es de 7 l
a 10 l
como mínimo 4 l;
en 20 m: 10 l,
siendo 6 l
bueno y 4 l
el mínimo útil (1).
La mayoría de nosotros habrá experimentado que una emisora de broadcasting de onda corta que trasmite la misma programación en distintas bandas no se escucha igual en diferentes horarios, o épocas del año. Estando en diferentes bandas es menos probable que el fadding o la ionización ionosférica afecte igual a las dos señales simultáneamente.
También, dos o más antenas separadas entre si algunas longitudes de onda no serán afectadas por el desvanecimiento en igual forma, así, puede emplearse simultáneamente más de un receptor ya sea sintonizado en diferentes bandas (o frecuencias) o conectado a diferentes antenas sintonizado en la misma frecuencia y mediante algún artilugio automático enviar al parlante únicamente la señal más intensa (se suele hacer aprovechando la tensión del control automático de volumen para elegir la mejor señal).
También se pueden conmutar diferentes combinaciones de antenas simples o compuestas con el fin de conformar disposiciones con diferentes características directivas tanto en el plano vertical como horizontal además de elegir la polarización más adecuada. Con este arsenal de posibilidades, mediante un adecuado dispositivo de computación capaz de elegir “al vuelo”, la combinación capaz de proveer la mejor recepción se consigue esta maravilla.
Catón siempre terminaba sus discursos diciendo: "... y, además, ¡creo que hay que destruir Cartago!” finalizo estas notas parafraseándolo:
Y además, ¡no hay ganancia sin directividad…!
Aspiro que entre estas cositas hayan conocido al menos una nueva que les permita comprender o mejorar algo de la mejor amiga del Radioaficionado…
73’s
Referencias:
(1) Ladner A.. Stonner C.: "Short Wave Wireless Communication", John Wiley @ Sons, Inc.1943 Ed.- pag 464
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