Esta es una recopilación de una serie de artículos publicados durante el 2007 y el 2008 en el boletín "Radiofrecuencia" que edita el Grupo Argentino de CW con posteriores correcciones de tipeo y redacción para mejorar su comprensibilidad.
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(última actualización menor 2014-05-10)
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 los irradiantes que empleamos. Es un tema largo que tendremos que acotar para este boletín, por eso hablaremos solamente de las antenas más básicas compuestas por un par de alambrecitos generalmente horizontales; eso incluye, pero no se agota en: antenas tipo Hertz en todas sus variantes: Zeppelin, Windom Carolina, doble Bazooka; dobletes varios: G5RV, dipolos acortados con cargas, dipolos con trampas, nuestra Pamperita, antenas unifilares, etc. También vale con diferencias no muy importantes para montajes inclinados como V invertidas o sloopers.
Jamás debemos incluir la línea de trasmisión al hablar de las propiedades de la antena, como tampoco lo hacemos con el el cable de 220 V cuando analizamos las propiedades de la lámpara de un velador... a nadie se le ocurriría señalar las bondades del tubo fluorescente o la lámpara incandescente en si asociándolas con el tipo o longitud de cable utilizado para alimentarlo porque sabemos perfectamente que lo que produce la luz es la lamparita y que los cables de 220 V (cuando están bien conectados), no iluminan... :>)
Sin embargo podemos explotar algunas
propiedades direccionales producidas por la longitud y/o la altura de las antenas sencillas y lograr una mejor antena
o ganancia para condiciones/direcciones particulares. Se cuenta
que Mr. Varney diseñoó la conocida
antena G5RV para obtener alguna ganancia adicional en las dos
direcciones de habla inglesa con las que deseaba comunicar desde el QTH de
su estación en Uruguay, es decir Inglaterra y USA.
El sabía lo que estaba haciendo cuando desarrolló ese doblete de 3/2 ondas para veinte metros (más
tarde vendrían las ya mitológicas virtudes "multibanda" del
engendro, perdón, quise decir del ingenio...
Para que el trasmisor funcione adecuadamente y genere la potencia nominal de diseño sse lo debe conectar a carga que posea el valor de impedancia especificado por sus diseñadores; por eso no importa si esa impedancia de 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, este cálculo no es intuitivo ni inmediato y debemos saber que la "Potencia Reflejada" que medimos con el wattímetro direccional no se pierde salvo en casos especiales, lo que se pierde sobre es normalmente mucho menos que ese valor indicado al punto que la mayoría de las veces la pérdida puede considerarse despreciable, sobre todo en las bandas más bajas de HF.
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 ohms, una ROET de 4,4 sobre su línea, y su trasmisopr solo producía ¡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 importa es conseguir hacer
circular la máxima corriente sobre la antena; en la autorresonancia esto se da
automáticamente si la impedancia del generador es puramente resistiva. ¿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 ella presentará reactancia capacitiva o
inductiva; entonces, para maximizar la corriente en la antena ¡bastará con
cancelar esa 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 no obstante frecuentemente será posible hacerlo "abajo", es decir del lado del equipo mediante un servicial acoplador, tanque Pi incorporado al equipo o transmatch (explicar porqué también escapa al alcance del presente 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 en los buenos libros y apuntes de nuestra actividad, intentaré hacer hincapié en cuestiones menos divulgadas.
La antena en TX y en RX
Generalmente los aficionados utilizamos la misma antena para trasmisión y
recepción, no obstante esto obedece más una cuestión de comodidad y practicidad
que a 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, veamos.
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 se trata de una direccional para comunicaciones quizás 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,
tratándose de las direccionales usuales probablemente preferiremos 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 nos interesa.
Sobre
todo en HF y 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 y esto nos obsequia un generoso margen para
operar con antenas eléctricamente ineficientes pero con propiedades útiles en otros sentidos, como pequeñas antenas de cuadro, Beverage, etc.
Comprender y explorar estas posibilidades 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 no
transporta ninguna, un ejemplo de esto sería el conocido ruido blanco que
escuchamos al abrir el squelch de nuestro VHF-FM.
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 obsequió
la cosmología moderna…
¿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 el juicio. Ciertamente
hay diferentes tipos de energías barulleras que pueden llegar hasta
nuestra antena.
Conviene
primero aclarar que siendo la propiedad fundamental de una antena
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, un detalle importante
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 capaz de inducir perturbaciones eléctricas
sobre un conductor cercano tampoco puede alcanzar a ser un campo
electromagnético en el lugar perturbado…
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 todos estos campos son
susceptibles de ser captados por nuestra antena aunque unos 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, 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 que nos producen ruidos en recepción 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), esa es una virtud y ventaja de las ondas hertzianas y gracias a ella pueden alcanzar grandes distancias antes de atenuarse demasiado para llegar a ser perceptibles.
También, gracias a que una onda electromagnética contiene ambas clases de campo, podemos proyectar antenas capaces de blindarse (o ser menos sensibles) a un campo eléctrico perturbador, por ejemplo una antena de cuadro apantallada que aunque está blindada para el campo eléctrico permite que la componente magnética de la señal puede inducir corriente en sus espiras, de allí que también las conozcamos como antenas “magnéticas”. Lo mismo vale a la inversa, aunque no son tan frecuentes.
Lamentablemente un ruido magnético o eléctrico “puro” a pocos metros de su fuente se metamorfosea en campo electromagnético y como tal ya no podremos blindarlo o apantallarlo sin que al hacerlo simultáneamente eliminemos las señales deseadas porque se ha convertido en ruido electromagnético con sus componentes que ya no están separadas sino ligadas, por esto la antena ya no podrá distinguirlo del codiciado DX (esta diferencia en las propiedades de los campos cerca de la antena y lejos de ella hace que le demos justamente el nombre de campo cercano y campo lejano del irradiante (también campo de inducción y campo radiado). Naturalmente, consideraremos irradiante a cualquier conductor capaz de irradiar energía incluyendo por supuesto a los dispositivos y/o cableados que transportan ruido, como por ejemplo el cableado domiciliario).
Siempre convendrá tratar de evitar la inducción directa de campos eléctricos o magnéticos montando la antena alejada de los tendidos y aparatos que producen ruidos eléctricos o magnéticos puros; en nuestras zonas urbanas la altura hará gran diferencia en el nivel de ruido; gracias a la ley de la inversa de los cuadrados uno pocos metros más suelen disminuir el ruido 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 nuestros corresponsales, ¿porqué
habría de discriminar una antena a unas de otras si no goza de
inteligencia para discernir? No puede... es 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 a evitarlos, veamos:
Imaginemos la antena “A” con un importante lóbulo de radiación dirigido hacia
arriba y la antena “B” con un nulo hacia arriba pero con un generoso lóbulo
omnidireccional sobre la rosa de los vientos en ángulos bajos. ¿Cuál será menos
ruidosa si justo tenemos una pequeño frente de tormenta pasando justo
sobre nosotros?, evidentemente la “B” ¿verdad?, por el contrario, si estamos
interesados en contactos locales con señales reflejadas en la ionosfera que
provienen de ángulos elevados y hay tormentas eléctricas distantes, la antena “B” (de
bajo ángulo) escuchará esos estáticos con mayor intensidad que la “A” y oirá menos a nuestros
corresponsales.
Podemos decir que en este sentido la propiedad fundamental de la antena que
puede conseguir
alguna diferencia es su directividad (estemos o no conscientes de ella).
La polarización de la antena puede ayudar también, especialmente cuando la señal la conserva o varía lentamente si es que podemos controlar la de nuestro sistema de recepción. Resulta útil contar con dos antenas una de polarización predominantemente horizontal y otra vertical conmutándolas manualmente a la más favorable (o construyendo un receptor 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 o la nieve y poseen puntas por las que esas cargas se
disipan (u otros lugares donde formen ángulos agudos). Tales descargas producen ruido molesto en la recepción (efecto corona).
Otra forma de carga electrostática generadora de ruido se produce 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 estos casos los ruidos se producen en la misma antena y no se
deben a ondas electromagnéticas que arriben propagándose por el espacio como las
descargas atmosféricas generadas por tormentas.
Un dipolo abierto puede resultar más ruidoso que uno dipolo plegado
o cuadro (loop) simplemente porque los segundos a menudo le ofrecen a la carga
electrostática un camino para disiparse en la tierra que los primeros a veces no
le brindan por no haberse tomado las provisiones necesarias.
Ese descuido a menudo les da a los dipolitos corrientes una mala fama que no
merecen pues bastaría con adosarles algún elemento que haga posible el
drenaje de las cargas electrostáticas a tierra (puede ser
un simple inductor o resistor entre los terminales) para evitarlo.
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.
Sabiendo que la polarización normalmente no se conserva en la ionosfera podemos aprovechar este conocimiento y recurrir a una antena vertical -quizás descartada por su mayor susceptibilidad a los ruidos artificiales- para aprovechar en trasmisión sus ángulos bajos de radiación cuando no es posible montar una hertz a la altura conveniente para lograrlos empleando la hertz bien balanceada para recepción.
No hay que culpar siempre a la antena
Un buen día Pedro decidió cambiar su antena y descubrió sorprendido que la nueva le regalaba 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 y 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
ser intrínsecamente selectiva como una antena de cuadro o magnetic loop),
por poseer algún circuito sintonizado agregado con propósitos de adaptación o
ser algo más selectiva como una Doble bazooka.
Con
esas antenas algo selectivas los pobremente construidos receptores de nuestros amigos
quizás funcionan
mejor porque la antena les dio aquello que estaban precisando para funcionar más
correctamente, entonces, ¿la antena nueva, es más silenciosa o el receptor es un cachivache?
Siempre convendrá intercalar en la entrada del equipo un buen preselector (sin
ganancia) antes de sentar un juicio en esta materia, especialmente con los
pequeños equipos modernos que a menudo sacrifican muchas de sus obligaciones en aras del tamaño reducido,
anchura de banda, etc.
¡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 bien la energía disponible. Esto lo
sabían quienes construían sus etapas de entrada en VHF porque debían lograr la
adaptación “justa” para alcanzar la mejor relación señal-ruido del preamplificador… ¿está seguro que su
receptor no tiene ROE?... 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 ofrezca a esta la impedancia de carga que precisa para intercambiar energía lo cual puede mejorar 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 decir que un dipolo es una antena de “polarización horizontal”...
y la afirmación es correcta sin embargo la polarización de un dipolo corriente
montado horizontalmente, por ejemplo, varía con el acimut. Esto es
porque definimos a la polarización de una antena como: “la dirección del campo eléctrico en el
sentido de la máxima radiación de la antena”.
Considerar al dipolo una antena de polarización horizontal
concuerda perfectamente con esta definición, pero... ¿qué sucede en otras
direcciones?; pues que a medida que observamos la dirección del 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 reconsiderar nuestra imagen del diagrama de radiación acimutal en
forma de ocho que comúnmente se atribuye a los dipolos (erróneamente), pues ese diagrama en forma de ocho
corresponde al campo eléctrico horizontal exclusivamente. Cuando se
considera simultáneamente la componente de polarización horizontal y la vertical (campo total)
el diagrama se transforma en una especie de ovalo (aunque siga favoreciendo
la dirección perpendicular al alambre), así resulta que el dipolo es bastante
más omnidireccional de lo que habitualmente se piensa y en mi opinión esto 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 los humanos si alguna... y con ella podemos idear sistemas que empleen antenas “bobas” para mejorar la recepción, sobre todo ante condiciones cambiantes.
Desgraciadamente
en HF muchas de esas posibilidades no son accesibles al aficionado medio por razones de espacio. Un sistema precursor del
concepto podría ser la recepción denominada “Diversity”.
Un posible
sistema Diversity puede lograrse recurriendo a la recepción simultánea en
dos o más frecuencias con la misma información, 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 bastante poco, a veces alcanza con apenas unas pocas ondas, en 40 m por
ejemplo el mejor espaciamiento es de 7 l
a 10 l
y
como mínimo 4 l;
en 20 m: 10 l,
siendo 6 l
bueno y 4 l
el mínimo útil1.
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 la maravilla.
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Referencias:
(1) Ladner A.. Stonner C.: "Short Wave Wireless Communication", John Wiley @ Sons, Inc.1943 Ed.- pag 464
Copyright © 2007 - 2010 Miguel Ricardo Ghezzi - LU 6ETJ - Argentina. El artículo puede reproducirse por cualquier medio total o parcialmente, citando la fuente.