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ALGUNAS OPINIONES

ROE y Líneas de Transmisión

http://www.qsl.net/lw1ecp Ing. Daniel Pérez LW1ECP

Terminó el siglo 20, y el tema ROE sigue siendo motivo de acaloradas controversias en el aire y en los radioclubes. ¿Una ROE de 3 es mala o aceptable?. La potencia reflejada, ¿por qué se llama reflejada, porque vuelve al equipo y quema los transistores?. ¿Un balún sirve para bajar la ROE?. Vamos a tratar el tema por partes. * ¿QUÉ ES LA IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0) DE UN CABLE? Cuando se dice que tal cable tiene una impedancia de 50ohm, por ejemplo, ¿dónde están esos 50ohm?. No salga corriendo con el téster a ver si son la resistencia del conductor central o la malla, o si está entre ellos. Tampoco es ninguna impedancia por unidad de longitud, ni la de efecto pelicular. En pocas palabras, decimos que un cable es de 50ohm, si al conectar una resistencia pura (sin reactancia) de 50ohm en una punta, también "vemos" (refleja) 50ohm puros en la otra punta al medir con cualquier frecuencia y para cualquier largo de cable. Lo mismo vale cuando se trata de otros valores de Z0. * ¿QUÉ ES LA IMPEDANCIA DE UNA ANTENA? Tampoco se vaya a trepar con el téster, porque le va a dar infinito o cero, según el tipo de antena. Cuando se le aplica una tensión de RF a los bornes de una antena, circula una corriente. La relación entre tensión y corriente es su impedancia de radiación, que no tiene nada que ver con la resistencia en continua. En la frecuencia denominada de resonancia de la antena, esta impedancia es puramente resistiva, en el orden del medio centenar de ohm (volveremos sobre esto más adelante). Hay una gran diferencia entre la resistencia de un resistor común y la resistencia de radiación: al menos en teoría, toda la potencia eléctrica aplicada a una antena se convierte en potencia electromagnética, no en calor. * ¿QUÉ ES LA LONGITUD "ELÉCTRICA" DE UN TRAMO DE CABLE? Es la cantidad de longitudes de onda que caben en él. Tengamos en cuenta que la RF viaja más lento en un cable que en el aire; la velocidad es de entre el 60 y el 95% según el tipo de cable, así que las ondas dentro del cable son más chicas en hasta un 40%. O sea que, aunque una onda de 300MHz mida 1m en el aire (o en el vacío para ser rigurosos), un cable de 66cm tendrá una longitud "eléctrica" de una onda si su factor de propagación es de 66%. * JUNTANDO TODO Ahora bien, de acuerdo con la definición recién vista de Z0, si a una antena de 50ohm le conectamos un cable de 50ohm de cualquier longitud, y luego el equipo, éste también "verá" una impedancia de 50ohm, que suele ser el valor exigido por su fabricante. Cuando un cable no está terminado correctamente, es decir, no está conectado en un extremo a una resistencia igual a su Z0, ocurren dos cosas importantes: * LA IMPEDANCIA NO SE MANTIENE En primer lugar, la impedancia que se ve del otro lado (el equipo) dependerá por supuesto de la que tenga la carga, pero también de la longitud eléctrica del cable. Es interesante ver lo que pasa cuando a un trozo de cable se le aplica una frecuencia tal, que en él quepa un cuarto de su longitud de onda. Si se lo termina en un cortocircuito, aunque parezca mentira, del otro lado se porta como un circuito abierto, para esa frecuencia. Por el contrario, dejando un extremo abierto, en el otro se refleja un cortocircuito. En pocas palabras, una línea de 1/4 le lleva la contra a la carga. Por lo tanto, si pensamos que una línea de 1/2 media longitud de onda son dos de 1/4 en cascada, entonces la 2a parte le llevará la contra a la 1a con lo cual a la entrada volvemos a encontrar la misma impedancia de la carga, ya sea un corto, un abierto, o cualquier otra cosa. Esto es lo que se llama línea sintonizada: un cable de cualquier impedancia, pero que mida media onda o un múltiplo de media onda, no transforma impedancia. De aquí surge una aplicación práctica: ¿necesita un cable con una cierta Z0, y el que tiene es de otra?. Córtelo a 1/2, 1, 1 1/2, etc. longitudes de onda eléctricas. Desde luego que esto vale sólo para banda angosta, o sea sin apartarse demasiado de la frecuencia para la que vale la longitud eléctrica elegida. * LA TENSIÓN NO SE MANTIENE La otra consecuencia de tener una carga desadaptada, es que la tensión de RF no será la misma en todos los puntos de la línea, y la corriente tampoco. Volviendo al caso exagerado del cortocircuito, es evidente que la tensión en este tipo de carga es cero. Si retrocedemos 1/4 de onda hacia el transmisor, recordando que ahí tenemos reflejado un circuito abierto, encontraremos una tensión alta. Retrocediendo otro 1/4 de onda, volveremos a encontrar un corto con tensión cero, y así sucesivamente. Si hacemos un gráfico de la tensión de cada punto versus la distancia a la carga, tendremos una onda que parece el oscilograma en un rectificador de onda completa sin capacitor. Reemplazando el cortocircuito del extremo por un circuito abierto, la curva será parecida: sólo cambiarán de lugar los máximos y los mínimos. En ambos casos, como los mínimos llegan a cero, al hacer la división para calcular la ROE (ya la veremos), da infinito. Si en vez de un corto o un abierto colocamos una carga más realista (ROE menor que infinito), encontraremos que los máximos de tensión son más bajos, y que los mínimos no son cero, y la graficación se parecerá a una senoidal deformada. Este dibujo es una "onda", pero ¡ojo! su eje x es distancia en vez de tiempo: no es una tensión que varía en el tiempo. Por lo tanto, se la llama... ¿ya lo adivinó?, estacionaria. La figura {roe1} nos muestra una línea de 3/4 longitudes de onda terminada en una carga que produce una ROE de 10:

 

 

A cada 1/4 de onda se incluye el oscilograma (tensión instantánea versus tiempo) que se encontraría en dicho punto, y sobre los conductores de la línea se dibujó la onda estacionaria (tensión pico versus longitud). * LA DEFINICIÓN DE ROE Si dividimos la tensión de los máximos por la de los mínimos obtenemos la ROE, relación de ondas estacionarias (en inglés se la puede encontrar como VSWR, voltage standing wave ratio, o simplemente SWR). Esto es la definición histórica de la ROE, que desde luego sólo es aplicable a líneas lo bastante largas como para que contengan por lo menos un máximo y un mínimo. Pero se demuestra matemáticamente que este número coincide con la relación entre la Z0 de la línea, y la resistencia a la que está conectada. O bien, si esta cuenta da menor que 1, se invierten los operandos. Por eso, tanto una carga de 25ohm como una de 100 producen una ROE de 2 en un cable de 50 (esta cuenta sencilla vale sólo para cargas puramente resistivas, sin reactancia). Así, en la práctica, la idea que se busca expresar con la ROE es la de relación de impedancias. Tanto es así, que en el llamado medidor de ROE (roímetro para los amigos), lo que marca la aguja rigurosamente hablando no es necesariamente la ROE, sino la relación entre el valor de lo que ve y la impedancia para la que está hecho el instrumento. Si un roímetro diseñado para líneas de 50ohm se coloca al final de un cable de, por ejemplo, 75, lo que se medirá será erróneo: el instrumento no puede adivinar en cuánto anda la verdadera relación de máximos y mínimos dentro del cable. A propósito, es conveniente desterrar la costumbre de decir que la ROE es de, por ejemplo, "1,5 a 1", y en vez de ello especificar simplemente que es de "1,5". A diferencia de cuando se especifica una relación de transformación o la escala de un plano, aquí no interesa especificar un orden. ¿Acaso se dice "ganancia = 100 a 1" en un amplificador?. * UN CASO REAL Ahora sí, por fin, vamos a analizar en qué molesta la ROE. Supongamos un transmisor diseñado para trabajar con 50ohm, pero su dueño es un tacaño y compró cable de 75 porque es más barato. Por último, la antena tiene una impedancia de 90. En medio de esta ensalada de impedancias, ¿dónde interesaría poner el roímetro?. ¿En la antena o a la salida del equipo?. La respuesta es... en ambos lugares. Pero para no hacerle gastar en dos instrumentos, analicemos cuánto importa en cada lugar. * ARRIBA? En la antena pondríamos un roímetro de 75ohm (la Z del cable) para saber en cuánto difieren la impedancia de antena y la del cable (en este caso la relación es 1,2). Atención a lo que viene ahora: a mayor ROE entre cable y antena, mayor pérdida del cable. Conociendo qué tipo de cable tiene Ud., su longitud y la frecuencia de operación, vaya a las tablas del fabricante y averigüe y compare estos dos valores: - Cuánto perdería ese cable si la ROE fuese 1. - Cuánto es la pérdida real para la ROE medida. Sólo así podrá saberse a ciencia cierta si vale la pena o no mejorar la adaptación antena - cable. Un ejemplo: 16m de RG58 en 220MHz, con ROE de 1, pierden 3dB, es decir, 50% de la potencia se pierde en calentar el cable en vez de llegar a la antena. Ahora bien, si la carga tiene una ROE de 2, la pérdida del cable pasa del 50 al 54%, o sea que en este caso no vale la pena subirse a la antena a mejorar la adaptación. Ahora bien, si la atenuación propia del cable (la especificada para ROE = 1) es bien alta, y la desadaptación con la carga también es fea, entonces la atenuación adicional por culpa de la ROE sí puede molestar bastante, pero entonces lo más juicioso tal vez sea cambiar por un cable más adecuado, en vez de intentar mejorar la adaptación a la antena. Un caso patético es el de quienes en vez de coaxil, para conectar un dipolo emplean línea abierta o cinta de TV, las cuales tienen cientos de ohm de Z0; esto origina una ROE elevadísima, pero como la línea abierta es de muy bajas pérdidas, no hay problema en ese sentido. A esto (la adaptación entre cable y antena) se refieren los artículos que intentan desterrar el arraigado mito de tener que reducir la ROE en todo lo posible. * ABAJO? Dijimos que la ROE medida a la salida del transmisor también importa. ¿Por qué?. Por ahí se dice que hay que adaptar la impedancia de la carga a la impedancia interna (de salida) de un generador para lograr máxima transferencia de potencia, y que si no, hay potencia reflejada que vuelve al generador en vez de ser aprovechada. Muy bien, pero resulta que si a un equipo diseñado para una carga de 50 le midiésemos la impedancia interna, ¡no nos daría 50!. Pasa lo mismo que con los amplificadores de audio: se podría aumentar la potencia de salida cargándolos con una impedancia de parlante menor que la especificada (si sufren, es otro tema). Entonces, ¿por qué hay que respetar la impedancia de carga que especifica el fabricante?. Simplemente porque fue diseñado para tener una cierta potencia, rendimiento, linealidad, supresión de armónicas, etc. para un dado valor de impedancia de carga ("carga" aquí no es la antena sino lo que se ve en la punta del cable que se conecta al transmisor). Si esta se respeta, o sea ROE= 1 en este punto, todos estos parámetros están garantizados, no es otra la razón. Para ello, lo correcto es conectar al equipo un roímetro con la impedancia especificada para éste, sin importar la del cable; luego un transmatch, y por último el cable. Se ajusta el transmatch para leer una ROE de 1. Aquí sí que es importante que sea baja, digamos menor que 1,5. Los muchos que no poseen un roímetro se limitan a ajustar el transmatch para máxima potencia hacia la antena, pero por lo recién visto no hay garantía de que el transmisor quede viendo la carga para la que se diseñó. Si aún no se convenció, ¿notó que la P directa indicada por el roímetro varía al regular el transmatch?. Es indicio de que la Z de salida del transmisor no coincide con la Z de carga (y no tiene por qué serlo, no se preocupe); si coincidiera, su indicación no variaría al conectarle un corto, un abierto, o cualquier otra cosa. * ¿ENTONCES LA ROE ARRIBA NO IMPORTA? Con todo lo dicho hasta ahora, queda en claro que donde realmente se debe poner el dispositivo de ajuste fino de adaptación (y el medidor) es "abajo", aunque una traducción de transmatch sea sintonizador o acoplador de antena. De todos modos, cuando se conoce de antemano que hay una gran diferencia de impedancia entre cable y antena aun en resonancia, como ocurre con las antenas móviles de HF, es conveniente usar aunque sea una adaptación "gruesa" arriba, tal como un transformador de impedancia con relación fija de 4. Además, otra razón para mantener razonablemente baja la ROE en el cable (desadaptación antena - cable), es que se facilita el trabajo del transmatch; si no, aumenta la incertidumbre acerca de qué Z deberá atacar, y a veces es necesario agregar o quitar un tramo de línea para entrar en el rango en que pueda adaptar, o bien para evitar chisporroteo en sus componentes. Por último, los transmatch tienden a perder más cuando se los obliga a adaptar impedancias muy distintas, y si Ud. cree que no necesita transmatch porque su transmisor es valvular con un PI de salida, el cual admite un amplio rango de impedancias, no se abuse: un tanque PI se perjudica en su rendimiento o su atenuación de armónicas al apartarlo excesivamente de la impedancia de diseño. * JUNTANDO LAS PIEZAS En {roe2} vamos a razonar el por qué de la ubicación de cada componente en un sistema de antena:

 

Si se usa un transmatch que incorpore un roímetro internamente, el orden tendrá que ser equipo - filtro - roímetro+transmatch - etcétera, y se deberá confiar en que el filtro se porte bien en cuanto a Z (p. ej. que no se haya puesto un filtro para la banda equivocada) ya que su influencia así escapa a la vigilancia del roímetro. Mencionemos que cuando la ROE se mide antes del filtro, es necesario que la salida del transmisor esté razonablemente limpia, pues el exceso de armónicas y las autooscilaciones engañan al roímetro, resultando imposible la anulación en la indicación de potencia reflejada por la presencia de más de una frecuencia. * ¿Y EL BALÚN? ¿Qué pito toca el balún en esta orquesta?. Bien: cuando dijimos que toda antena, a los efectos de cómo la ve el cable, equivale a una impedancia conectada entre un borne y otro, eso era parte de la verdad. Intuitivamente nos damos cuenta que además hay una capacitancia entre tierra y cada rama de un dipolo; por lo tanto el circuito equivalente no es una sino tres impedancias en triángulo. Por eso, de la corriente que llega a un borne, una parte va hacia el otro borne a través de la impedancia de radiación, y otra parte retorna a tierra. Si las tensiones en cada borne con respecto a tierra son iguales y de signo contrario, entonces las corrientes hacia tierra serán también iguales, y la corriente total de uno y otro conductor en la línea también serán iguales. Esto se llama excitación balanceada, no confundir con impedancia adaptada. Si en el extremo del transmisor uno de los conductores está a tierra (o por lo menos a un chasis) lo cual ocurre al usar coaxil, entonces no habrá tensiones iguales y contrarias en la antena. Esto ocasiona 3 problemas: 1) La radiación de cada medio dipolo no será igual, por lo que el diagrama de radiación no será el esperado. Esto es importante cuando se pagó por una antena direccional, porque se la desaprovecha al deteriorarse su directividad; y también nos engaña después que uno se tomó el trabajo de calcular el ángulo vertical de "disparo" cuando se desea trabajar DX serio por rebote ionosférico. 2) El cable irradia, aunque sea coaxil, porque las corrientes de ambos conductores no se cancelan. Esto también deforma caprichosamente los lóbulos de radiación, y aumenta el peligro de interferencia en los televisores cuyas bajadas corran paralelas a nuestro cable (nos referimos aquí únicamente a la interferencia por sobrecarga de fundamental, no por emisiones no esenciales). 3) Todo el equipo de la estación estará "vivo" porque habrá una caída de tensión en su cable a tierra por culpa de la corriente del desbalance. Esto se manifiesta como un aumento del riesgo de que la RF se meta por el micrófono, que no se pueda hacer mediciones con el téster porque ya indica algo con sólo tocar el chasis con una punta, y que tampoco el roímetro funcione bien. Además, si no se tiene una buena tierra intencional, la RF pasará a la instalación eléctrica a través de la capacitancia entre bobinados del transformador del transmisor. Todo esto se evita con un balún entre cable y antena. Su función específica, de la que se deriva su nombre en inglés, es interconectar una cosa balanceada con otra desbalanceada. Un balún no necesariamente se usa para adaptar impedancia. El llamado "1 a 1" no lo hace; el "4 a 1" es una combinación de balún y transformador de impedancia. Una forma de balún casero es dar varias vueltas del mismo coaxil, sin cortarlo, sobre un paquete de muchas varillas gruesas de ferrite; la onda que viaja entre ambos conductores, lo que se dice modo diferencial, ni se entera de la presencia del núcleo magnético allá afuera de la malla, pero la corriente de desbalance o modo común encontrará una reactancia inductiva formidable en su camino. Aclaración: no es cierto que alimentando un dipolo con un coaxil no irradie la mitad conectada a la malla porque ésta esté conectada a tierra. Esto sería cierto para una longitud de cable mucho menor que 1/4 de onda; en la práctica, hay una reactancia de modo común que produce una aislación parcial con respecto a tierra: justamente el propósito del balún es perfeccionar esa aislación de modo común. * ¿SON 50 O SON 75? La impedancia de radiación de una antena monopolo o dipolo es un rompedero de cabeza para los matemáticos. Las fórmulas son tan complicadas que muchas veces hay que conformarse con expresiones que sirven sólo para los casos especiales en que la longitud sea múltiplo impar de 1/2 onda. La simplificación es mayor si se estudia alambres de diámetro muy reducido. En una primera aproximación, un dipolo de exactamente 1/2 onda tendría una impedancia puramente resistiva, o sea que sería resonante. Mejorando la puntería matemática, se deduce que en realidad su impedancia es de 73,1 + j 42,6ohm (el +j nos dice que hay una componente inductiva) para alambre fino, en el vacío, sin efecto pelicular, e infinitamente alejado de suelo y objetos. Para que sea resistiva pura, hay que acortarlo aproximadamente un 5% por el llamado "efecto de puntas"; es como si la corriente siguiera circulando capacitivamente un poquito más allá del final. Pero entonces la resistencia es algo menor, de unos sesenta y pico. Encima, si el dipolo es horizontal y está cerca de la tierra o edificios, su Z será menor aún. Digamos que anda por los 50ohm. Dejemos constancia que cuando en el lenguaje técnico se habla de "dipolo de 1/2 onda" en realidad se está refiriendo a uno que tenga 5% menos que ese valor. Por alguna razón histórica, la especificación del popular RG58/U no es de exactamente 50ohm sino de 53, salvo que se trate del RG58C/U. Lo mismo que el RG59/U: originalmente era de 73ohm, y la versión RG59C/U sí es de 75. Si leyó atentamente hasta ahora, estas diferencias no le harán ni pestañear. En la guerra Betamax vs. VHS hubo un ganador. Lamentablemente no pasó lo mismo con la guerra 50 vs. 75ohm. Se supone que uno de dichos valores debería ser cercano a la resistencia de radiación de los dipolos, pero precisamente aquí es donde nace la discordia: El mundo de la TV insistió con los 75ohm (y su múltiplo 300) lo que se vio reforzado con la moda del videocable. Apartándonos del tema antenas: para el diseñador de circuitos, tanto 50 como 75 son niveles de impedancia convenientes para las interconexiones. Se demuestra fácilmente que con valores muy superiores o inferiores resulta difícil optimizar la respuesta en alta frecuencia, ya que molestan las capacitancias e inductancias parásitas, respectivamente. Probablemente resulte más cómodo 75 entre etapas de baja señal para reducir el consumo, y permite menor pérdida de inserción en los atenuadores PIN. * ¿POR QUÉ TIENE QUE SER DE MEDIA? No es cierto que un dipolo de 1/2 onda comunique más energía al ambiente que cualquier otra longitud. La única magia del numerito 1/2 es que produce una Z con un valor cercano al de los cables normales; caso contrario se tendría la molestia de tener que poner adaptadores arriba. Pero hay veces en que hay otras razones más importantes que hacen elegir otras longitudes. Si un dipolo de 1/2 (o bien un monopolo de 1/4) resultan demasiado largos, se puede optar por usar una longitud menor, pero el precio a pagar es que, como su Z será una R muy chica en serie con una X capacitiva muy grande, será necesario un circuito que elimine (cancele, sintonice, resuene) la reactancia y además aumente (transforme) la R para que sea potable para el cable; y cuanto mayor sea el trabajo de cancelar y transformar, más potencia se quedará perdida como calor dentro del adaptador. Otra cosa que cambia al variar la longitud es la forma de irradiar según la dirección (diagrama de radiación). Al ir aumentando la longitud de un monopolo vertical el lóbulo se va afinando, o sea dispara más porcentaje de potencia paralela a la tierra y menos hacia al cielo (dirección inútil), lo cual hace aumentar su ganancia respecto a un monopolo de 1/4. Pero si nos pasamos de 5/8 de onda la ganancia vuelve a bajar y aparecen lobulitos secundarios indeseados. Por ello es tan popular la "5/8" aunque su Z no sea 50 ni 75 ni resonante. La Ringo puede considerarse como dos de 5/8 en línea, con una línea de retardo (esa U alargada del medio) que alimenta la 2a con la fase correcta, y tampoco nadie se hace problema de que haya que adaptarla, ya que la ganancia obtenida importa más. En resumen: si no fuera por la pérdida del mecanismo adaptador y si no importara un diagrama de radiación en particular, cualquier longitud serviría. * ¡ROE=1 PUEDE SER MALO! Si la longitud de una antena vertical es una pequeña fracción de la longitud de onda (inevitable en los látigos de HF de los móviles), su resistencia de radiación es muy pequeña y está en serie con una reactancia capacitiva muy grande. Sin entrar en detalles del funcionamiento de una bobina de carga real, supongamos a que esta reactancia se la cancela con un inductor en serie, y la transformación de Z se logra con un transformador, ver {roe3}. Esto tiene dos consecuencias:

- La R de pérdidas de la bobina está en serie con la de radiación, por lo tanto tiene que ser muy baja (muy alto Q PROPIO) para que no se pierda demasiada potencia en la bobina. - Reactancias altas y resistencias bajas significa que el Q de todo el SISTEMA es indeseablemente alto: sólo se podrá lograr adaptación en un ancho de banda angosto. Si la bobina tiene bajo Q PROPIO, aportará mucha R serie de pérdidas. Pero lo curioso es que ello facilita la adaptación pues no es tan grande el salto de impedancias, y también es más ancha la banda en que se mantiene ROE aceptable, pero lo que cuenta es que la cantidad de potencia irradiada será baja. Desconfíe del lobo disfrazado de oveja. Otra: una vertical de 1/4 de onda tiene teóricamente la mitad de Z que un dipolo de 1/2, y correctamente adaptada es igual de eficiente, pero como la otra mitad de esta antena es la tierra su conductividad es mucho más importante que en el caso del dipolo: la R no nula que tenga la conexión a tierra convertirá la corriente que le circule en calor, no en ondas. La R de radiación teórica es de unos 30ohm, lo que produciría una ROE = 50/30 = 1,66 en un cable de 50; pero si la que se mide es 1 aun sin dispositivo de adaptación, ¡no se ponga contento!: es porque hay 20ohm en serie con la conexión de tierra, donde se estará perdiendo el 40% de la potencia. * ¿HAY ROE EN OTROS MUNDOS? ¿Por qué se habla tanto de Z0 cuando se tratan temas de RF, y no al hablar de audio?. Es cierto, parece que nadie se preocupa de si el cable de un parlante es de 8ohm, o si el blindado de un micrófono dinámico es de 10k. Ni siquiera el cable de la compañía telefónica es de 600ohm. La explicación es sencilla: en 3kHz, la frecuencia vocal más alta que se transmite en telefonía, y por lo tanto con menor longitud de onda, un cuarto de onda en un cable mide 10 a 20km, y si la longitud del cable es mucho menor que esto, la desadaptación introducida es pequeña. Y si la desadaptación importa, se prefiere colocar bobinas compensadoras (pupinización) cada tanto en vez de usar un verdadero cable de 600ohm. Tampoco parece haber mucha preocupación por la adaptación de impedancia en recepción. Es que cada dB que se desaproveche de nuestra potencia transmitida por culpa de desadaptación significa 1dB menos de señal recibida por el corresponsal, o sea empeora 1dB la relación señal a ruido en éste; pero si se desperdicia 1dB de lo recibido por nuestra antena, no sólo la señal sino también el QRM y el QRN (interferencias humanas y naturales) son atenuados en la misma cantidad, con lo que la relación señal a ruido que llega al receptor no sufre. Salvo en VHF y UHF en que el ruido generado internamente en el receptor es importante, esto implica que tampoco empeorará la S/R en el parlante. Y por último, ya sabemos que la ROE no puede dañar al receptor... * ¿Se puede hablar de ROE en continua?. Bueno, no es demasiado disparatado si ayuda a fijar el concepto, veamos {ROE_CC}:

 

 

 

 

"La antena. ¡Pero si es muy fácil! " Por Miguel Ghezzi (LU 6ETJ)

Algunos conceptos erróneos nacen de una excesiva simplificación, por ejemplo: una antena en las proximidades de la tierra constituye con ella un "sistema", con la tierra como reflector. En estas condiciones, suponer que las propiedades irradiantes de una antena dependen solamente de su alambrado, es equivalente a asumir que el diagrama de radiación de una direccional de dos elementos ¡depende solo del irradiante! Una de las propiedades principales, quizás la más importante => el diagrama de radiación vertical, depende casi exclusivamente de la altura de la antena sobre el terreno. Sin embargo es común que muchos de nosotros, imaginando probar las propiedades de la antena, en realidad estamos comprobando las propiedades de "la altura de su antena", o sin advertirlo, aceptarán de buen grado la afirmación que el "ángulo de disparo" de una Zeppelín será mejor (o peor) que el de una Carolina ¡aunque sea prácticamente el mismo estando instaladas a la misma altura...! (en el mismo lugar desde luego.) Podemos ver en las siguientes figuras la importante diferencia que existe entre el diagrama vertical de radiación de una antena montada a un cuarto de onda de altura sobre el terreno, respecto de la misma antena montada a media onda. Aún siendo exactamente el mismo "alambre", queda absolutamente claro que son ¡dos antenas absolutamente diferentes! Numerosas e innecesarias complicaciones tienen su origen en ciertas "asociaciones ilícitas", veamos: Jamás 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 incandescente, asociándolas con el tipo o longitud de cable utilizado para alimentarlos. Sabemos perfectamente que lo que produce la luz es la lamparita. Los cables de 220 V (aunque están bien conectados), no iluminan. Servirá para nuestro propósito tener siempre presente que las antenas son "esos alambres que están al final de la línea de trasmisión". ¿Porqué?, pues porque por definición, una línea de trasmisión (abierta, coaxial, etc.) no irradia energía (o no debería hacerlo), del mismo modo que el cable del velador no emite luz. Si las cosas están bien hechas, las propiedades de la antena como irradiante nada tienen que ver con su alimentador; así de sencillo. Alguien podría objetar que ambas cosas están muy relacionadas. Es verdad, retrucaremos diciendo que también está muy relacionado el trasmisor y sin embargo no afirmaríamos que la antena "A" funciona mejor que la "B", porque la primera está vinculada a un TX de 1 Kw y la segunda por uno de 5 W, mal cargado. Si admitimos esto -que forma parte de la teoría básica, caeremos de inmediato en cuenta, por ejemplo, que una G5RV normal para 20 m, es un simple doblete de 3/2 de longitud de onda, cuyas propiedades irradiantes nada tienen que ver con el ingenio de Louis Varney para adaptarla a su trasmisor y operar su doblete en varias bandas. Con estas dos aclaraciones fundamentales rápidamente advertimos para nuestra tranquilidad, que la mayoría de las antenas sencillas horizontales que solemos emplear, desde el punto de vista electromagnético, ¡son prácticamente iguales!, la única variable de importancia electromagnética será su longitud física, principal responsable de su diagrama de radiación horizontal y su rendimiento. En efecto, cuando la longitud de una antena comienza a ser apreciablemente mayor que media onda (lo cual sucede con casi todas las multibanda sin trampas: Hertz operando en armónicos, G5RV, Windom Carolina, hilos largos, etc.), el diagrama horizontal sufre variaciones muy notables, que pueden resultar beneficiosas (o desastrosas) para los comunicados en ciertas direcciones. Compare los diagramas de radiación horizontal de la componente eléctrica de una antena de media onda, con los mismos correspondientes a una de onda completa, en este caso en el espacio libre, observe por ejemplo que cuando el alambre es media onda presenta un máximo en la dirección 0°-180°, mientras que cuando es una onda completa, en esa misma dirección ¡hay un nulo! Esto nos lleva directamente a otra cuestión: LA GANANCIA. Admitámoslo con valentía, mal que nos pese, no hay ganancia sin directividad. Las antenas son elementos pasivos y por lo tanto la única "ganancia" que podemos obtener de ellas siempre resultará de la reubicación o reorientación espacial de la energía disponible. Siempre que una antena "empuje energía" hacia una dirección, será porque la roba de otra, realmente poco o nada es lo que podemos hacer seriamente para obtener "la mejor antena", más allá de no desperdiciar energía en calentar los cables o los alrededores producto de un montaje a baja altura o del uso de "alambre de púas" en el irradiante. Podemos si, explotar algunas las propiedades direccionales producidas por la longitud y/o la altura de las antenas sencillas y lograr una mejor antena o ganancia para condiciones particulares: se cuenta que Mr. Varney inventó su famosa antena G5RV para obtener alguna ganancia adicional en las dos direcciones de habla inglesa en las que estaba interesado desde su QTH en Uruguay => Inglaterra y USA. El sabía lo que estaba haciendo cuando desarrolló su doblete de 3/2 onda para veinte metros (más tarde vendrían las ya mitológicas virtudes "multibanda" del engendro, perdón, quise decir del ingenio. Suelo bromear afirmando que si Louis Varney se hubiera llamado Raúl Vázquez y fuera de origen criollo, la "LU5RV" sería desconocida en el mundo. Ahora, 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. 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 oírse 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" esto?, ¡pues no lo intentaré!, ¡ciencia y creencia no se llevan bien!; tampoco utilizaré argumentos de autoridad fuertes, a lo sumo recomendaré en ese sentido recurrir a buenos textos universitarios o libros bien checados de nuestra actividad tales como: El A.R.R.L. Antena Book, o los diversos manuales publicados por ella, la RSGB o similares, con preferencia a listas, revistas o sitios web no bien controlados en cuanto a su adecuación científica. También recomendaré analizar críticamente 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. Eléctricamente 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 lámpara, una línea de trasmisión o una antena, ¡sólo tiene que ser la especificada! (usualmente 50 Ohms). 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 la 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 nuestro 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 físicamente 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", sino 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 fue 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; únicamente 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). ¿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 esto 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 fue 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 físicamente. Puede ser el "Gamma match" de una Yagi, el "aro" 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 ferrita, 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 coaxial de 50 Ohms de tipo más o menos común. b) La impedancia de la antena no coincide con la de la línea de trasmisión, pero la línea es coaxial 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 fue 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 más 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, 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 sobre exija 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 coaxiales de muy bajas pérdidas, pues lo que importa para el análisis son únicamente 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 beneficioso 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 líneas con ROE radica en conocer "las pérdidas adicionales" y presentarle al equipo la impedancia de carga que necesita: si las pérdidas adicionales son bajas y la impedancia puede manejarse con el Transmatch o dispositivo transformador adecuado, entonces ¡adelante! LA AUTORRESONANCIA NO IMPORTA. ¿Cuántas veces habremos oído que las antenas comunes para ser eficientes radiadores deben ser auto resonantes?, 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 auto resonante para ser un eficacísimo radiador, existen ejemplos sobradamente populares de ello: la antena de 5/8, la Zeppelín doble extendida o la rómbica spon muy conocidas (existen otras). Justificarlo físicamente escapa a los alcances de este artículo. Aceptaremos que la auto resonancia es una condición conveniente en ciertas situaciones (por ejemplo para acoplar directamente un dipolo abierto de media onda a una línea coaxial 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 auto resonancia esto se da automáticamente. ¿Que sucederá, por ejemplo, si la antena es mas corta o mas larga y NO auto resuena? En esa situación no se establecerá automáticamente 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 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. Este concepto no viola los principios básicos conocidos acerca de los fenómenos atribuidos 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 auto resonancia sino 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 influidas por las del terreno y objetos cercanos). Cuando la antena es más larga (por ejemplo una de 5/8), No sufriremos dicha merma y la antena resultará usualmente más eficiente que el auto resonante de media onda. La antena en TX y 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 de una direccional para comunicaciones se trata, probablemente no nos interesen demasiado sus lóbulos de radiación lateral 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 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 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 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. 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 circuito 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! (provenía 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 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, 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 (o no) capaz de inducir tensiones eléctricas sobre un conductor cercano 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 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 chisperos 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 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 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 nuestras estimadas ondas hertzianas pues gracias a ello pueden alcanzar enormes grandes distancias antes de atenuarse demasiado para ser perceptibles. También, 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. 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; uno pocos metros más 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, ¿por qué 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 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 pequeña tormenta sobre nosotros?, 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 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. 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 poseen 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 arriben propagándose por el espacio como las descargas atmosféricas generadas por las tormentas. Un dipolo abierto puede resultar más ruidoso que uno dipolo plegado o cuadro (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 (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. 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, 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 (Magnetic loop), por poseer algún circuito sintonizado agregado con propósitos de adaptación o ser naturalmente 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 desempeñarse más o menos 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 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" reza el viejo refrán, 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 muy 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 allí resulta que el dipolo es bastante más omnidireccional de lo que habitualmente se cree 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 nosotros los humanos 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 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 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 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 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 ionosféricas afecte igual a las dos señales simultáneamente. 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

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Lionel Remigio KC4CLD
Opinión sobre las antenas " direccionales" y la razón por la cual, no creo en ninguna de ellas. Y lo que dicen genios y científicos sobre las mismas.


Es difícil de explicar, pero NUNCA he usado una antena direccional y la razón es simplemente, porque no creo en ellas y tengo mi teoría al respecto.  Aunque si funcionan en VHF y UHF donde la transmisión y propagación es en linea recta y SI FUNCIONAN, las antenas direccionales no son lo que dicen ser  en HF, no trabajan como dicen los fabricantes que trabajan, y al no existir la propagación en linea recta,l NO FUNCIONAN  y son varias razones que explicaré en este documento para que traten de entenderme más adelante.

En primer lugar, oigo a decenas de colegas que usan direccionales y dicen " esperate que voy a dirigir la antena hacia donde estas" y eso, es simplemente una barbaridad. Las ondas de radio viajan en la dirección que ellas les da su real gana y usted no puede pretender dirigir una señal a distancia que cuando sale de la antena y choca en el horizonte para rebotar en la atmósfera, caera en cualquier parte del mundo sin poder predecir NADIE donde será esa caida ni cual su polaridad.

Tampoco nadie podra decir si esa señal se recibirá vertical u horizontalmente polarizada por la misma razón antes expuesta. Y aunque la direccional le da capacidad de recepción mas perfecta en recepción por eliminación de  interferencias o señales laterales y señales que vienen de atrás, no es lo mismo el asunto a la hora de transmitir esa señal. Ahí, ya cambia el tema.

La verdadera diferencia en una antena direccional está en escuchar o no escuchar. Cuando usted casi no escucha a una estación que está " enterrada en el ruido" con un dipolo, con la direccional lograra escucharla y punto.  Pero la diferencia no será tal como para " sorprenderse" ni tampoco recibirá a la estación con decibeles de diferencia. Malamente 1dB si acaso a lo máximo ganará con la direccional  y esa es precisamente la diferencia. Escuchar o no escuchar. Esa es SU UNICA ventaja.

La propagación de ondas en la atmósfera, interfiere mucho con las " direccionalidad" de una antena que  solo es direccional HASTA EL MOMENTO EN QUE SU TRANSMISIÓN alcanzá el horizonte, pero de ahí en adelante, NADIE PUEDE ASEGURAR O PREDECIR en donde caera esa senal, en que polaridad y mucho menos aún, con que intensidad.

Y si vemos el costo, mantenimiento, y accesorios requeridos para mantener una direccional, comparados con una buena G5RV o una antena vertical o de alambre,  no merita la pena porque la " ganancia" de la direccionalidad sobre los inconvenientes de costos y mantenimiento, no meritan la adquisición de una direccional. Y eso sin mencionar el costo de una torre si quiere montar la direccional encima de ella. Además del rotor, etc.

Recuerdo hace tiempo que en una conversacion telefónica con el fallecido G5RV Louis Barney, creador de la  antena G5RV, me dijo que Él por regla general desmanteló sus direccionales despues de haber llegado a la conclusión que podía trabajar a todas las estaciones que escuchaba con la G5RV. Esta afirmación me la hizo estando en Uruguay donde radicaba 6 meses del año y usaba los indicativos CX5GRV. Y eso, viniendo de Louis Barney, afirmaba que no estaba loco yo en mi teoría de las direcionales.

También otro genio de las antenas que es  el Dr Walter Maxwell, W2DU y que fué el disenador de las primeras antenas de los satélites meteorológicos Tiros de Estados Unidos,  desecha el uso de las direccionales y su antena preferida es una antena que sea tan larga como la mas baja frecuencia a operar,  ( en este caso el usa una para 80 metros como la mas baja banda a trabajar), y esa antena esta alimentada por linea de 300 ohmios que conecta a un antena tuner y opera en todas las bandas. El Dr Maxwell no usa direccionales y opina de la misma manera que yo acerca de las mismas y por ende, tiene la misma " teoría" mía. Y viniendo de quien viene esa opinión, creo que al menos la de Él, esta aceptada si no quieren aceptar la mía en caso de creer que estoy errado o loco.

 


 

 

 

 

Fecha inicio: 7/mayo/2002.

Actualizado February 12, 2016

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