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martes, 12 de enero de 2010

LA ANTENA,PERO SI ES MUY FÁCIL-II PARTE

Por Miguel Ghezzi-LU6ETJ-
Anteriormente dimos un vistazo a la antena desde el punto de vista de sus propiedades electromagnéticas las que se reflejan,como dijimos en su diagrama directivo o de radiación,polarización,etc.
En este caso,abordaremos su aspecto eléctrico,es decir:La antena considerada como carga de un generador de corriente alterna de alta frecuencia.Esta visión nos sitúa fuera de la radio,nos lleva al reino de la electricidad convencional,igual que cuando tratamos con una instalación de audio.En esta instancia podremos reemplazar a la antena por un circuito equivalente idealizado con elementos de circuito discretos,es decir,resistores,capacitores e inductores.
antenas2


Este procedimiento no dará lugar a conflictos con el comportamiento de la antena real,es un modelo científico probado y garantizado.Podemos aplicarlo porque,aunque la antena sea una sola y misma “cosa”,tratarla desde diferentes perspectivas facilita la compresión y el análisis (análisis proviene del griego,quiere decir”dividir en partes”).Tal enfoque se facilita cuando los fenómenos mantienen suficiente independencia unos respecto de otros,como sucede afortunadamente con las propiedades eléctricas de las antenas:ellas no influyen en sus propiedades electromagnéticas.Es muy,muy importante recordarlo:asuntos tales como la resistencia,la reactancia,la impedancia,la ROE en la línea y demás no afectan las propiedades de la antena como radiador.Por eso,podrá ser tan buen irradiante una antena cuya resistencia en el punto de alimentación sea 50 como 1000 ohms,que seas bastante reactiva o puramente resistiva,que la ROE que produzca en una línea dada sea 1:1 o 10:1.
Esta noción puede chocar al lector porque en el ambiente radial suelen oirse cosas muy diferentes(a veces de boca de profesionales,lo cual es una verdadera desgracia porque habitualmente su palabra es estimada en mayor valor).¿Como lograr convencer a tal lector para que “crea” en ésto?,¡pues no lo intentaré!,¡ciencia y creencia no se llevan bién!;tampoco utilizaré argumentos de autoridad fuertes,a lo sumo recomendaré en ese sentido recurrir a buenos textos universitarios o libros bien chequeados de nuestra actividad tales como el ARRL Antena Book,o los diversos manuales publicados por ella,la RSGB o similares,con preferencia a listas,revistas o sitios www no bien controlados en cuanto a su adecuación científica.También recomendaré analizar criticamente las opiniones de gente común como yo (aunque hayamos estudiado,porque no hay que olvidar que los exámenes finales en la facultad aquí ¡se aprueban con cuatro…!.Hecha la salvedad,continuamos…..
Aunque las propiedades electromagnéticas de la antena no dependan de sus propiedades como carga,eso no implica que podamos descuidarlas o que no estén relacionadas,significa que podemos independizarlas con el fin de tratarlas por separado,sabiendo que unas no influirán sobre las otras al hacerlo.Electricamente nos interesa transferir eficazmente la energía desde el trasmisor hacia la antena,para ello,desde el punto de vista del equipo,hay que disponer las cosas para que la línea le presente la carga necesaria para que funcione como lo previeron sus diseñadores(olvide el teorema de “la máxima transferencia de energía”,no es necesario ni lo aplicamos para comprender el acoplamiento entre un trasmisor real y su carga,ese concepto en estas circunstancias sólo sirve para “embarrar la cancha”).Véalo de este modo mas simple que es correcto y productivo en esta situación: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,¡sólo tiene que ser la especificada!(usualmente 50 omhs).
Para acotar el problema a lo mas esencial,imaginemos que deseamos conectar directamente el trasmisor a los terminales de antena,sin línea de trasmisión de por medio.Si la antena tuviera casualmente las impedancia que espera el TX sería buenísimo,pues entonces sólo restaría conectarlo y listo,si ése no fuera el caso,se nos presentan varias alternativas:1-Construir una antena cuya impedancia coincida con la que necesita nuesdtro TX(esto es difícil en general,pero en las condiciones prácticas suele darse,porque los equipos se diseñan inteligentemente para facilitar la coincidencia.)2-Diseñar el trasmisor para que funcione bien sobre la carga que presente la antena que se piense usar.Es posible aunque engorroso en general,sin embargo se hace así para una típica clase de antena ¿adivina?,sí,aquellas que presentan aproximadamente 50 ohms.También se puede proceder así con equipos que operarán con un sólo tipo de antena-habitualmente incorporada al mismo-por ejemplo un Walkie Talkie,teléfono inalámbrico doméstico o celular.3-Intercalar algún dispositivo transformador que convierta la impedancia de la antena (cualquiera sea)en la que precisa el trasmisor(esto es muy corriente).Ese dispositivo frecuentemente está fisicamente instalado sobre la misma antena y parece formar parte de ella (pero no lo es)por ejemplo:el Gamma match de una Yagi.
4-Idem con el dispositivo adaptador física y claramente diferenciado.Obviamente es el mismo caso anterior.Nótese que no hemos mencionado para nada la ROE,¡es natural!,no habiendo línea de trasmisión….¡entonces no puede haber ondas estacionarias en la inexistente línea!podrá haber cosas “feas”,pero ondas estacionarias,definitivamente NO las ondas estacionarias que siempre nos preocupan únicamente habitan en las líneas de trasmisión,recuerde lo siguiente:si intercalamos un medidor de ROE común entre el equipo y la antena él no medirá la ROE que “hay”,sinó la que “habría”¡si se intercalara una línea de 50 ohms entre ellos!(el medidor intercala una pequeña sección de línea para hacer la medición).
No hay mucho más…..Es muy simple si no nos enredamos en confusiones.Igualmente,en bien de la curiosidad,agregaremos datos adicionales.
El primer caso(emplear una antena que se “hermane” bien con el TX)es usual en nuestra actividad:una de las antenas elementales(La Hertz alimentada al centro o “dipolo de media onda”)presenta una impedancia predominantemente resistiva próxima a los 50 ohms en su punto de alimentación,pidiendo vincularse directamente a un equipo que a propósito fué diseñado para operar con ese valor de carga.
Para el resto de las situaciones,el tercero y cuarto caso son muy comunes:se intercala un dispositivo transformador de impedancias entre la antena y el equipo;unicamente importa que este aparato haga su trabajo de transformación de impedancia sin introducir pérdidas significativas(anote que escribimos “transformación” no “adaptación”,no estamos adaptando la Zin de la antena a la Zout del equipo,sino transformando la Zin de la antena a la que precisa el equipo,que es cosa muy distinta).
ANT_VHF
¿Porqué hice la explicación sin emplear línea de trasmisión?,pues para que resulte mas claro que la cuestión fundamental es obtener directamente(o convertir)una impedancia de antena a la que precisa el trasmisor y hacerlo con pocas pérdidas.Conseguido ésto no habrá mucho más que hacer para mejorar los resultados del irradiante,excepto utilizarlo inteligentemente y aprovechar las condiciones de propagación…..
¿Y LA LÍNEA DE TRASMISIÓN?
Aquí trataremos de no embrollarnos con posibles ideas preexistentes,no pierda de vista lo que hemos dicho el ítem anterior.Para no tener el equipo “colgado” directamente de una antena exterior,normalmente lo interconectamos a ella mediante una línea de trasmisión.Con ella también precisaremos:1-Presentarle al equipo el valor de impedancia de carga para el que fué diseñado.2-Tratar que la mayor cantidad posible de energía suministrada por el trasmisor llegue a la antena.3-Lograr que cualquier transformación de impedancias que se produzca por la inclusión de la línea en el circuito(o sea preciso realizar por cualquier razón)se haga con la menor cantidad de pérdidas posible.Estos puntos se resuelven en la práctica casi sin esfuerzo disponiendo de una antena que ofrezca una impedancia cercana a los 50 ohms acoplada a una línea de trasmisión corriente de 50 o 75 ohms,sin muchas pérdidas,vinculada a un equipo proyectado para operar con cargas de aproximadamente 50 ohms.En este caso especial la línea trabaja sin ondas estacionarias-o con muy pocas-(se dice que la línea funciona como “línea plana”).Por suerte esta es una situación muy frecuente pues-como dijimos-no es casual:la mayoría de las piezas responde a un diseño inteligente.Situación casi idéntica se presenta cuando intercalamos un buen dispositivo transformador entre la antena y la línea para lograr que la línea “vea” al conjunto transformador de Z+antena,como una resistencia pura de valor cercano a los 50 ohms.A este artificio se recurre con esos dispositivos transformadores de impedancia que aún cuando “están en la antena”no forman parte de ella más que fisicamente.Puede ser el “Gamma match” de una Yagi,el “arito” de una Ringo,un “Hairpín”o cualquier otro invento parecido(transformador de impedancia será cualquiera de los dispositivos que solemos llamar “adaptadores de impedancia”:transformadores comunes con o sin núcleo de ferrite,redes L-C,líneas,”transmatches”,etc).En la práctica se pueden presentar dos situaciones especiales o una combinación de ellos.a)La impedancia de la antena no coincide con la de la línea de transmisión y la línea es una coaxil de 50 ohms de tipo mas o menos común.b)La impedancia de la antena no coincide con la de la línea de trasmisión,pero la línea es coaxil o abierta con muy bajas pérdidas a la frecuencia de operación.En ambos casos se generarán ondas estacionarias en la línea por la diferencia de impedancias carga-línea,esas ondas estacionarias darán lugar a tres efectos principales.1-Producen transformaciones de impedancias dependientes de su longitud.En general el trasmisor verá una Z diferente de la que tiene la antena.2-Introducen pérdidas adicionales(no necesariamente elevadas).3-Con altas potencias pueden producir tensiones elevadas que la línea u otros elementos asociados pudieran no ser capaces de soportar(conectores,aisladores,chisperos,etc)
CASO A (línea común).
Cuando la antena no presenta una Zin igual a la Zo característica de la línea estándar de 50 ohms,lo usual será que la línea,”abajo”,no presente al trasmisor la impedancia para la que él fué diseñado(salvo que las cosas hayan sido dispuestas intencionalmente para soslayar el efecto transformador de la línea,por ejemplo haciéndola de media onda eléctrica,o aprovechar dicha transformación a nuestro favor),esta situación se resuelve comúnmente mediante un circuito de adaptación(transmatch o similar)instalado al lado del equipo.Es una solución absolutamente correcta e idónea,no se trata de una trampa o “engaño al equipo para que no vea ROE”,es práctica estándar en Ingeniería de Radio.
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 no inmediato;recuerde:la “Potencia Reflejada” no se pierde salvo en casos especiales,lo que se pierde en HF,normalmente es mucho menos que ese valor,al punto que la mayoría de las veces la pérdida puede considerarse despreciable,sobre todo en las bandas mas bajas.Si las pérdidas adicionales por estacionarias resultaran excesivas o inaceptables no quedará mas remedio que adaptar la Z del lado de la antena si se desea minimizarlas,no hay reglas fijas,cada caso debe ser evaluado por el interesado.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 ROE 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,paradojicamente,”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?….
CASO b)
La antena no se adapta a la línea pero la línea es de muy bajas pérdidas a la frecuencia de trabajo.A las románticas,bonitas y eficientes líneas abiertas,las trataremos junto a los coaxiles de muy bajas pérdidas,pues lo que importa para el análisis son unicamente las bajas pérdidas a la frecuencia de trabajo.Quiero destacar muy especialmente que nuestras reconocidamente eficaces líneas abiertas han sido desde siempre utilizadas con muy altos valores de ROE,del orden de 10:1,esto de por sí debería otorgar absoluta tranquilidad acerca de la eficacia que se puede alcanzar aún con muy altos valores de ROE si las líneas tienen bajas pérdidas.Dijimos que cuando hay ondas estacionarias,las líneas se comportan como transformadoras de impedancia y a menos que se tenga en cuenta tal efecto para aprovecharlo a nuestro favor,normalmente producirán del lado del equipo variados valores de Z,en general diferentes de los de la antena,con los que deberá ser capaz de lidiar el acoplador elegido.Deseche posibles e injustificados prejuicios negativos que pudiera haber adquirido acerca de operar las antenas con medianas o altas relaciones de ondas estacionarias.En ocasiones esto no es conveniente,sin embargo en muchas otras,no sólo NO tiene ninguna importancia sino que resulta baneficioso hacerlo así,por ejemplo cuando empleamos una línea abierta,cuyas ventajas compensan con creces sus normalmente altos valores de ROE en operación(10 o más).La clave para operar las lçineas con ROE radica en conocer “las pérdidas adicionales”y presentarle al equipo la impedancia de carga que necesita:si las pçerdidas adicionales son bajas y la impedancia puede manejarse con el Transmatch o dispositivo trnsformador adecuado,entonces ¡adelante!
LA AUTORRESONANCIA NO IMPORTA.
¿Cuántas veces habremos oído que las antenas comunes para ser eficientes radiadores deben ser autorresonantes?,es decir,que deben cortarse muy cuidadosamente para que alcance un desempeño óptimo en sus posibilidades de comunicación,¿verdad?.Pues bien,se trata de un error conceptual muy común (en el que frecuentemente incurren también algunos profesionales de las comunicaciones)que nos obliga a cumplir con una condición totalmente innecesaria.Una antena no tiene porqué ser autoresonante para ser un eficacísimo radiador,existen ejemplos sobradamente populares de ello:la antena de 5/8,la Zeppelin doble extendida o la rómbica spon archiconocidas (existen otras).Justificarlo fisicamente escapa a los alcances de este artículo.Aceptaremos que la autorresonancia es una condición conveniente en ciertas situaciones(por ejemplo para acoplar directamente un dipolo abierto de media onda a una línea coaxil común)que trataremos de aprovechar cuando nos convenga y que descartaremos sin ningún temor cuando no la precisemos.Lo que sí hace falta es conseguir hacer circular la máxima corriente sobre la antena,en la autorresonancia esto se da automaticamente.¿Que sucederá,por ejemplo,si la antena es mas corta o mas larga y NO autorresuena?.En esa situación no se establecerá automaticamente la máxima corriente sobre la antena porque la antena 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 nuestro servicial acoplador,taque 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 vé?,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,sinó que comprende dos elementos como mínimo:La antena y la bobina,condensador o Stub asociado que llevan al sistema a resonancia.Este concepto no viola los principios básicos conocidos acerca de los fenómenos atribuídos a la resonancia porque ahora estamos hablando de la longitud eléctrica del irradiante,simplemente le quita límites artificialmente impuestos por una simplificación excesiva de la teoría involucrada que por otro lado está perfectamente explicada en los libros de la especialidad.Si la antena es bastante mas corta de lo necesario la progresiva pérdida de rendimiento a medida que disminuye su longitud no se debe a la falta de autorresonancia sinó a la disminución de la resistencia de radiación respecto de su resistencia de pérdidas totales que es harina de otra bolsa(ellas,aunque también incluyen las de la bobina están muy influídas por las del terreno y objetos cercanos).Cuando la antena es mas larga(por ejemplo una de 5/8),NO sufriremos dicha merma y la antena resultará usualmente mas eficiente que la autorresonante de media onda.

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