Esa antena no es tan difícil...
(Diciembre 2002)
Ultima actualización 2010-03-27Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
SOLVEGJ ComunicacionesCon 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 su camino a la comprensión y elección de ellas.
Sus características eléctricas (desde el punto de vista de su alimentación de energía) y electromagnéticas (desde el de la radiación) se confunden en algunos puntos y en la práctica a veces no resulta fácil resolver ciertas situaciones contradictorias o confusas.
Lo temas que describiré están implícitos en la literatura académica profesional y amateur pero a menudo no se subrayan lo suficiente como 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 colocar en primer plano principios que simplifiquen los conceptos que empleamos a diario.
Advierto al lector que encontrará en el éter opiniones contrarias y que en la literatura amateur corriente no se encuentra fácilmente apoyo explícito a estas formulaciones (aunque hay bastante) y quizás se sienta inseguro a la hora de asumir y llevar a la práctica estas nociones (naturalmente en todos los textos académicos clásicos como en Kraus o Terman están implícitas), si aborda material algo más avanzado no encontrará objeciones como tampoco si utiliza como referencia manuales como el de antenas de la ARRL en lugar de "evidencia anecdótica" o de tradición oral donde aparecen las variadas deformaciones conceptuales que complican la comprensión y utilización de antenas.Para el aficionado que lleva algún tiempo creyendo afirmaciones que contradicen lo que aquí se explica tal vez resulte difícil o incómodo desprenderse de ellas, más todavía si se ha comprometido públicamente con las mismas; lo que obtendrá a cambio de una revisión de ideas y estudio más serio de las cuestiones es un universo bastante más benigno a la hora de poner en marcha su sistema .
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, a los pajarillos del vecindario un agradable mirador donde descansar a salvo de los gatos y para sus vecinos -por supuesto- ¡maligna fuente de toda clase de inconvenientes con sus artefactos domésticos!
Con esto apunto a que la antena puede verse desde diferentes perspectivas según quién sea el observador y qué es lo que esté observando de ellas, conviene tener esto muy presente antes de discutir casi cualquier asunto relacionado con antenas, para cerciorarse de estar juzgando la cuestión desde la misma perspectiva si 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 contemplará 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 más desde el punto de vista de sus características eléctricas, mecánicas, directivas y de su eficiencia.
En verdad están observando "diferentes cosas"; no es casualidad pues son cosas diferentes. Sucede lo mismo conmigo. aunque yo sea -o crea ser- un individuo (es decir "indivisible"): puedo ser considerado "hombre", "argentino", "esposo", "padre", "amigo", "radioaficionado" etc. y ser pensado en esos roles porque esas categorìas, si, son diferentes...La antena como receptora es "distinta" que como trasmisora y al mismo tiempo "diferente" que como "carga" de una línea de trasmisión. Esto nos permite aplicar diferentes modelos para describir más fácilmente su comportamiento. Aunque la antena "es lo que es", técnicamente conviene estudiarla desde diferentes puntos de vista (modelos) para aprehender mejor sus fenómenos.
Esta extensa introducción es para insistir que siempre debemos considerar nuestras ideas únicamente como auxiliares útiles para comprender y operar sobre esa pequeña porción del universo que llamamos "antena". Ellas siempre serán aproximaciones susceptibles de perfeccionamiento y ampliables con modelos más elaborados, por esa razón, aunque muchas nociones sean técnicamente correctas no hay que quedar atrapados en ellas al punto de perder otras perspectivas valiosas del asunto.
¿Para que sirven las antenas?
Sobre todas las cosas para hablar sobre ellas en la radio o en el club; para discutir durante horas o mostrar erudición y experiencia, para lucirlas en el cielo de nuestros hogares, para soñar con encontrar una "que llegue más lejos". Esas son sus funciones esenciales, las que realmente importan, pero ahora hablaré de otros usos como por ejemplo:
La antena como irradiante... Comenzaremos nuestro pequeño viaje resaltando un aspecto central, si logramos instalarlo en el núcleo de nuestra comprensión el resto será sencillo
Considerando la antena como "trasmisora" resulta evidente que una propiedad importante será su eficacia para transferir al éter la energía que le apliquemos. A esta capacidad la llamaremos rendimiento o eficiencia.
En lenguaje técnico serà una relación matemática sencilla 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 y eso nos produce graves perjuicios, 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 la antena!:
- En forma de energía electromagnética irradiada al éter. (2)
- En forma de calor.
(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/reasmisor directamente a la antena asumiendo que la impedancia del generador y la antena sean aquellas que permiten la transferencia de potencia prevista (para evitar la confusión que pueden introducir las nociones confusas acerca de la potencia directa y reflejada).
Considere 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 en ella misma o en sus inmediaciones...
No interesa si es grande o pequeña, si está alta o baja, tenga media onda o cualquier otra longitud, resuene o no, sea o no sea directiva. Toda la energía que ingresa a la antena a través de ella se marcharà a alguna parte.
Parafraseando un comentario jocoso de Alfred Lorona (W6WQC): si la antena no rezuma ninguna sustancia, si no emite luz o comienza a sacudirse cuando la excitamos con RF, ni tampoco vemos que la energía electromagnética se va acumulando en ella, entonces concluiremos acertadamente que la energía que arribó a ella no se transformó en masa, en luz o en movimiento, entonces nos quedan dos posibilidades => calor y radiación electromagnética en la frecuencia de excitación.Puesto que la energía provista únicamente puede irradiarse como ondas EM o transformarse en calor, se ve fácilmente que si logramos reducir lo suficiente la proporción que se transforma en calor, con cualquier antena lograríamos irradiar al éter la mayor parte de la energía que le entreguemos 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 menos) de longitud podría llegar tener en 3,5 MHz mejor rendimiento que una antena buena "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, cosa imposible de conseguir sin recurrir a superconductores... Esta es una conclusión realmente interesante y en cierto modo inesperada y atrevida...¡pero definitivamente verdadera! (2)
(2) El principio de conservación de la energía resuelve cuestiones que a veces se presentan confusas. En primer lugar nos muestra que estas afirmaciones no coinciden con las creencias populares acerca de las antenas.
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 componentes agregados para cancelar reactancias o transformar impedancias (como bobinas de carga o redes adaptadoras), en los objetos cercanos(4), en la tierra y no mucho más que eso.
(4) Producido por el efecto de "acoplamiento o impedancia mutua"
Eso significa que podemos hacer bastante para disminuir pérdidas en calor: reducir la resistencia de los conductores, mejorar la calidad de los elementos de adaptación, alejarla de objetos que las producen, de la tierra, etc.
Estos son buenos motivos para diseñar cuidadosamente las bobinas para que tengan alto Q, emplear buenos conductores en los irradiantes, no escatimar radiales en las verticales muy cercanas a tierra, recurrir a sombreros capacitivos si están acortadas, etc.
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 hacia el éter son las pérdidas en forma de calor y nada más...Comprenderemos entonces que no hay nada "mágico" en los distintos tipos de antenas. Distintas antenas podrán tener otras propiedades interesantes o útiles, como mayores anchos de banda con baja ROE, facilidades de montaje o alimentación, directividad, polarización, etc.
Nota: Puede corroborarse que el área de captura de un dipolo muy corto, llamado dipolo hertziano es ligeramente menor que uno de media onda, 0,119 l2 vs. 0.130 l2 (Kraus "Antennas")
La resistencia de radiación y el rendimiento
Introduciré este concepto aquí superficialmente, para ampliar lo dicho en párrafos precedentes a quienes han oído de él.
La "Resistencia de radiación"(que no es necesariamente la resistencia del punto de alimentación), es una resistencia imaginaria o ficticia sobre la cual se disiparía una energía igual a la que la antena irradia al éter. Con este concepto conseguimos asociar el relativamente más complejo fenómeno de la radiación electromagnètica a un sencillo componente discreto: un resistor, con el que podremos operar cómodamente empleando conocimientos de electricidad básica.Si de igual manera reunimos toda la energía disipada en calor en una "Resistencia total de pérdidas", el rendimiento de la antena puede expresarse matemáticamente como:
Rendimiento = Rrad / (Rrad + Rperd) o, lo que es lo mismo, Rendimiento = Rrad / Rtotal
Rrad = Resistencia de radiación.
Rperd = Resistencia de pérdidas;
Rtotal = Resistencia total = Rrad + RperdEsta 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), usualmente será una fracción, tal como 0,9, etc. (para expresarlo en forma porcentual 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, a ninguna otra característica, !no lo olvide...!
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 será mejor una antena con solo un 1 % de rendimiento 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 relativas a 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 rendimiento- se deberá exclusivamente a la forma de su diagrama de radiación, tanto vertical como horizontal.
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").Ya reunimos los dos conceptos que facilitarán nuestra vida, recuérdelos pues son la clave para comprender todas las antenas: Para alcanzar a los receptor de los corresponsales, las características de la antena que cuentan son su rendimiento y su 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 mayor que con la primera. Esta experiencia la constatamos al emplear un reflector en una linterna...
Recuerde: a igual rendimiento las ventajas de unas antena respecto de otras siempre están relacionadas con su capacidad de "enfocar" la energía en ciertas direcciones, lo advirtamos o no. Dos antenas cualesquiera, no específicamente diseñadas específicamente para ser directivas pueden y suelen tener en la práctica resultados diferentes al realizar ciertos contactos y si la diferencia no radica en sus rendimiento, puede dar por seguro que se debe a alguna posibilidad de enfocar más energía en una o más direcciones (verticales u horizontales), que una tiene y la otra no, para esa comunicación en particular y debemos comprender también que esa energía se obtiene a expensas de la emitida en otras direcciones.
Vemos que no hay nada particularmente "raro" o misterioso que distinga una antena de otra. La directividad vertical y la horizontal de las antenas comunes son aspectos bastante predecibles.Reiteramos: 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?
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 cierta línea, pero no tiene que ver directamente con su rendimiento eléctrico o eficacia electromagnética. La longitud de la antena puede influir en la directividad, 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 esto puede resultar muy útil, pero es una conveniencia práctica, así sucesivamente, sin embargo 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 tiene 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, 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. 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 nos ayuda a enfocar 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 en general 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 ahora imaginamos una cáscara opaca rodeando totalmente al Sol podemos deducir que ella interceptará toda la energía que el Sol irradia sin importar el tamaño de esa càscara (radio), sin embargo sospechamos que alguna diferencia hay entre una de gran radio y otra más pequeña.
Si lo pensamos un poco notamos que una cáscara grande tiene mayor superficie y que, puesto que la misma energía se reparte a lo largo de esa superficie mayor, entonces cada metro cuadrado recibirá menos energía en la grande que en la pequeña y esa energía interceptada será cada vez menor a medida que la superficie del cascarón se aleje más del Sol coincidiendo con nuestra percepción sensorial: cuando una fuente de luz o calor es más distante los recibidos por nosotros son menores. La energía del Sol se "disuelve" en el espacio (pero no se extingue) a medida que nos alejamos de él...Ahora imaginemos estar situados a cierta distancia del Sol y que deseamos acopiar cierta energía de la total emitida 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 "atrapar energía" estará limitada por esa superficie (y además acabamos de ver que la situación empeora a medida que nos alejamos de la fuente).
Eso mismo sucede con nuestra antena receptora: tiene un tamaño físico determinado y de allí una superficie interceptora limitada, por ello no puede proveer a nuestro receptor más energía que la que pasa por la porción de cáscara que ella ocupa. No puede darnos más porque en ese sector del espacio ¡no hay más...! Si necesitamos recoger más energía de una fuente, necesariamente tendremos que aumentar la superficie interceptora; algo que aprendimos de niños cuando queríamos quemar papelitos con lupas y averiguamos que las más grandes funcionaban mejor...
Si la 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 extrae de ese frente de onda, por ejemplo mediante un mili, micro, nano o pico wattímetro en sus 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 general el área efectiva se calcula como la densidad superficial de potencia en el ambiente en que se encuentra la antena y la potencia extraída por ella)
En las antenas que se emplean en microondas donde hay comportamientos cuasi 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 como nuestros dipolos no tienen un área física que podamos asociar directamente de manera sencilla, por esa razón se define al área efectiva de la antena como aquella por la cual pasa una energía igual a la que la antena es capaz de sustraer del frente de onda.
En algunas antenas esta superficie efectiva será prácticamente igual a la superficie de la antena real y en otras no (inclusive la superficie pueden ser 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 y que ayuda a vincular intuitivamente la idea que la capacidad de recuperar energía de la señal está ligada a la superficie real de las antenas. Aunque es no es un concepto usual en la práctica de los radioaficionados menos avanzados, lo conocen muy bien los radioastrónomos que construyen gigantescas parábolas como la de Arecibo para recoger las débiles señales de las lejanías cósmicas.En trasmisión se intuye mejor porqué se obtiene 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
Vimos que la energía irradiada por un radiador como el Sol puede interceptarse total o parcialmente por una superficie. Podríamos imaginar esa superficie cubierta por celdas fotovoltaicas o termoeléctricas convirtiendo la energía electromagnética luminosa o infrarroja en energía eléctrica. Así resulta bastante intuitiva la relación directa entre la superficie y la energía que podemos obtener. Comprendemos que encerrando al Sol en un cascarón esférico cubierto de celdas podríamos obtener, dentro de las limitaciones de rendimiento de las celdas, toda la energía irradiada aprovechable con ese método y producida por el Sol, pero no más.
Si observamos esa superficie que encierra todo el Sol y que intercepta la energía que él produce, veremos que tiene una propiedad fundamental: Cada pequeño trocito de esa superficie es perpendicular a la dirección en que arriban los rayos solares. Constatamos por experiencia, que la energía solar recibida por una superficie es máxima cuando los rayos inciden sobre 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 con seguridad. Comprendemos que 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 podrían interceptar prácticamente ninguna; vemos que la capacidad del cascarón para interceptar toda su energía se debe precisamente ¡a sus propiedades direccionales..! porque la propiedad fundamental del cascarón radica en que cada parte de su superficie interior está dirigida precisamente hacia el Sol. Dicho de otro modo: 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.
Esta observación nos dice que para extraer la máxima energía la superficie no solo debe ser lo más grande posible sino que también debe "mirar" hacia él, si la superficie 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 implicando al mismo tiempo una directividad importante apuntada hacia él.
Esto lleva a la idea principal: las antenas logran sustraer energía de la radiada por una fuente cualquiera por medio de su superficie de intercepción y por su directividad.Lo interesante es que estos dos conceptos no son independientes entre si. Para obtener directividad es necesario aumentar el área de captura y aumentarla implica aumentar la directividad, como en el cascarón. Nuevamente estamos ante un fenómeno que en esencia es único pero que observamos desde dos puntos de vista distintos. Directividad y superficie son conceptos de nuestra mente que utilizamos para comprender la naturaleza.
Entonces no basta con que se exponga a la fuente de ondas electromagnéticas "mucho alambre", como oímos para sustraer energía de la señal ese "alambre" debe además estar dispuesto de manera conveniente.
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 pueda recogerse y conducirse hacia punto donde se precisa como por ejemplo un receptor. Las señales que reciben "los alambres" tienen exigencias muy especiales para poder sumarse por lo que no solamente habrá que disponer la geometría de los alambres convenientemente, sino que su directividad (y de allí la posibilidad para aumentar la superficie efectiva) depende no solo de su geometría sino también de la manera de interconectarlos eléctricamente.
Los radioaficionados oído frecuentemente esto de "poner las antenas en fase". Huelga decir que si la señal recibida cambia a otra dirección habría que reorganizar la geometría para adecuarse a la nueva dirección, y por suerte a veces esto es tan simple como rotar la antena...
El concepto de "área de captura" que encontraremos en cualquier tratado involucra la directividad porque en él interviene la "ganancia" de la antena y en antenas, ganancia y directividad son nociones que aunque sean hermanas, no son gemelas. En la definición de directividad no se consideran las pérdidas de la antena y en la de ganancia si (2).Esto es importante pues una antena trasmisora directiva con muchas pérdidas podría ser peor que una antena no directiva con pocas. Tal antena tendría alta directividad pero baja ganancia. Sin embargo en recepción a veces una antena directiva con muchas pérdidas puede resultar superior a una no directiva y sin pérdidas en ciertas aplicaciones, como por ejemplo disminuir ruido en recepción.
(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 armonizar las características eléctricas del trasmisor/receptor y de la antena. La teoría de circuitos 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 allí es cuando la energía producida por el generador puede aprovecharse al máximo.
Para nuestro fin podemos considerar a la impedancia de la antena compuesta por tres términos:
La resistencia de radiación.
La resistencia de pérdidas totales.
La reactancia (inductiva o capacitiva).
- La resistencia de radiación es un resistencia ficticia que representa la energía que la antena irradia al éter y por lo tanto es la responsable de producir la comunicación.
- La resistencia de pérdidas totales es una resistencia que se suma a la anterior pero representa una disipación de energía que no sirve para transportar la información a su destino. En ella la energía se disipa en calor y para nosotros es una energía desperdiciada. (Esta resistencia representa las pérdidas producidas en la antena misma como en objetos cercanos que se acoplan electromagnéticamente a ella por inducción mutua).
- La reactancia es una magnitud que representa una 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 idéntica la compañía de electricidad le exige que instalación no presentar reactancia. La reactancia puede cancelarse en la antena a costa de alguna pérdida adicional en el elemento encargado de hacerlo (bobinas o capacitores).
Estos tres valores, así definidos, también dependen del punto en el cual los midamos sobre la antena. Por ejemplo, la misma resistencia de radiación en un dipolo de media onda podría mostrarse como 70 Ohms en su centro o 1500 Ohms cerca de uno de sus extremos, en tal caso debemos comprender que la resistencia de pérdidas se reflejará con distinto valor también según dónde la midamos. Esto 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 convencionalmente como las correspondientes a un vientre de corriente).
Como dijimos la impedancia del punto de alimentación de la antena por si misma no tiene importancia en el rendimiento eléctrico ni electromagnético, lo que importa para el eléctrico es la relación que exista entre resistencia de radiación y resistencia de pérdidas.
Algunos valores de impedancia facilitan una vinculación eficiente con líneas estándar. Por ejemplo una línea coaxil de 50 ohms es una línea conveniente por su facilidad de instalación, blindaje, etc. por lo tanto si quisiéramos emplearla para alimentar una antena sería bueno que ella presentara una impedancia de 50 ohms puramente resistivos para adaptarse a ese coaxil. Sin embargo si la antena tuviera cualquier otro valor de impedancia y por cualquier razón nos conviene esa antena tampoco habría mayores inconvenientes para usarla con esa línea recurriendo a diversos sistemas transformación de impedancia.Por ejemplo si tuviéramos una antena que presentara 50 ohms de resistencia total sumados a 40 ohms de reactancia capacitiva convendría cancelar esa reactancia intercalando una reactancia inductiva también de 40 ohms originando una resonancia serie, pero esto nos obliga a agregar un componente físico adicional y seguramente convendrá que la antena sea autorresonante. Decimos que son autorresonantes (o simplemente "resonantes") porque su resonancia no precisa de ese componente adicional y por eso resulta más fácil de interconectar a la línea.
Puesto que el rendimiento está determinado por la resistencia y no por la reactancia tal resonancia solo representa una comodidad para adaptar la antena a la línea y no una ventaja en cuanto a su rendimiento porque por ejemplo, el rendimiento de una antena Hertz común (dipolo de media onda) disminuye ligeramente cuando se la acorta respecto de la media onda exacta con el fin de hacerla autorresonante.
Dicho sea de paso, la autorresonancia de una antena no aporta nada más que lo que acabamos de mencionar a la eficacia de la antena, buscarla con la esperanza de que "rinda más" es simple pérdida de tiempo e importante error conceptual (derivado de una equívoca interpretación de la analogía electromecánica o electroacùstica).La impedancia del punto de alimentación de la antena está directamente relacionada con una magnitud que suele preocupar: la llamada Relación de Ondas Estacionarias (ROE - SWR) que se mide por ejemplo con un dispositivo llamado justamente "Medidor de Ondas Estacionarias" y que casi todo el mundo tiene -o quisiera tener- para dormir tranquilo (o no poder dormir, de acuerdo a los dictámenes del aparatito).
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... La lectura del medidor nos "sugerirá" 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 40 ohms de pérdidas y los mismos 10 de radiación otorgando la ROE 1:1 que satisface la dictadura del equipo transistorizado (o la inseguridad de su poseedor), resultando una antena "sin ROE" pero muy pobre... La impedancia del punto de alimentación de la antena es un factor que siempre debemos tener en cuenta pero que no tiene la última palabra ni mucho menos en consideraciones relativas al buen desempeño de cualquier antena.
Conclusiones Las pérdidas del sistema son una de las responsables de las señales débiles en los receptores. 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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