Por: Hugo Martinez (LU9DR) y
Miguel R. Ghezzi (LU6ETJ)
SOLVEGJ Comunicaciones
A lo largo de los años, luego de escuchar tantas conversaciones sobre antenas, noté que ciertos aspectos de su funcionamiento tienden a oscurecer la formación de conceptos simples que faciliten al radioaficionado el camino para la comprensión y elección de sus antenas. Sus características eléctricas (desde el punto de vista de su alimentación), y electromagnéticas (desde el punto de vista de la radiación), se confunden en algunos puntos por lo que, en la práctica, no resulta tan fácil resolver algunas situaciones contradictorias o confusas.
Si bien, tanto en la literatura profesional como en la amateur, lo que describiré en este artículo está implícito (en el sentido de que no se realizan afirmaciones que señalen lo contrario), no se destaca lo suficiente como para evitar la formación de conceptos que definitivamente complican las cosas y conducen al aficionado a dudas, dificultades y muchos esfuerzos estériles para la consecución de sus objetivos. Citaré como ejemplo la cantidad de tiempo que muchos han dedicado a "calibrar" el simple dipolo de media onda auspiciados por la idea de que "eso influye mucho en el alcance de la antena..."
Decidí comenzar la exploración de la eficacia de las antenas desde un punto diferente al convencional y que colocara en un primerísimo primer plano aquellos principios que guíen al aficionado a una simplificación de las razones que sustentan el alcance o buen resultado de sus antenas. Debo señalar al lector que recién esté comenzando su aventura con estos dispositivos, que encontrará en el éter opiniones encontradas con lo aquí explicado y que no hallará fácilmente en la literatura un apoyo explícito a estas formulaciones por lo que quizás se sienta inseguro a la hora de llevar a la práctica estos principios, pero si estudia los textos clásicos de electrodinámica no encontrará objeciones. Para el aficionado que lleva algún tiempo creyendo afirmaciones que contradicen lo que aquí explico tal vez resulte incómodo desprenderse de las mismas, más si se ha comprometido públicamente con ellas, pero lo que puede obtener a cambio es un universo mucho más benigno a la hora de poner en marcha y comprender mejor lo que sucede con nuestras queridas antenas...
Las antenas no son antenas...
Lo que para usted es la antena, para su mamá bien pudiera ser "esa cosa que puso mi hijo en el techo", para su perro algo que no puede alcanzar en su diaria recorrida de demarcación territorial, para los pajarillos del vecindario un punto más donde descansar a salvo de los gatos domésticos y para los vecinos, por supuesto, una maligna y agorera fuente de toda clase de inconvenientes con los artefactos domésticos. Con esto quiero destacar que la antena puede ser vista desde muchas y diferentes posiciones según quién sea el observador y qué esté observando. Es preciso tenerlo presente antes de discutir cualquier asunto relacionado con antenas y asegurarse minuciosamente de estar mirando el objeto desde la misma perspectiva cuando nuestras apreciaciones no coinciden.
Los rasgos importantes de una antena serán diferentes vistos desde la física, la ingeniería o la radioafición. El físico quizás la verá como un dispositivo que modifica las propiedades del espacio circundante al establecer campos eléctricos y magnéticos variables, el ingeniero en comunicaciones probablemente la considere desde el punto de vista de su impedancia, sus características direccionales o su eficiencia. En verdad ellos están observando distintas cosas y eso no es casualidad, son distintas cosas del mismo modo que aunque yo sea (o crea ser) un individuo (es decir, algo que no puede ser dividido) puedo ser considerado hombre, argentino, esposo, padre, amigo, radioaficionado y esas cosas si son distintas. La antena como receptora es "distinta" de la antena como trasmisora y al mismo tiempo "diferente" de la antena como "carga" de la línea de trasmisión. Eso nos da la ventaja de poder aplicar diferentes modelos para describir más fácilmente su comportamiento, pero no significa que la antena sea realmente diferentes cosas; ella es lo que es, somos nosotros los que debido a nuestra limitación para poder comprender el fenómeno íntegramente lo dividimos más o menos arbitrariamente. La representación mental de la antena que posee un científico puede no solamente ser diferente, sino también más integral o más completa que la que tiene un ingeniero sobre el objeto.
Esta introducción tiene como fin insistir vehementemente en que estas ideas que formaremos acerca de las antenas no serán otra cosa que auxiliares útiles para comprender u operar con el universo; no es necesario quedar atrapados o identificados con ellas al punto de perder otras perspectivas valiosas del asunto.
¿Para que sirven las antenas?
Por sobre todas las cosas, para hablar sobre ellas en la radio o en el club, para discutir horas enteras, para mostrar erudición o experiencia, para lucirlas en el cielo de nuestras casas, para soñar con encontrar una "que llegue más lejos", para darnos alas para volar en el éter; esas son sus funciones esenciales, las que realmente importan, pero eso usted ya lo sabe, entonces voy a ocuparme de hablar sobre otros usos que también tienen, como por ejemplo:
La antena como irradiante (Lo fundamental es el rendimiento...)
Comenzaremos nuestro pequeño viaje resaltando un aspecto esencial de nuestro dispositivo. Si logramos instalar en el primer plano de nuestra comprensión esta cuestión, todo lo demás resultará luego mucho más sencillo cuando nos dispongamos a estudiarlo. Principalmente aclarará las aparentes inconsistencias y contradicciones que se presentan al agregar el resto de las variables del problema.
Si primeramente observamos a la antena como trasmisora resulta evidente que su propiedad más importante sería su eficacia para transferir al éter la energía que le provee la línea de alimentación. A esta capacidad la expresamos mediante lo que llamamos rendimiento. El rendimiento es una relación útil entre la energía provista a la antena, la irradiada al éter y la desperdiciada en pérdidas. Si bien esto puede parecer obvio, no está del todo afincado en las intuiciones cotidianas de la radioafición, veamos: Existe un principio físico fundamental llamado "Principio de la conservación de la energía" que nos obliga a aceptar que, "toda la energía que llega a una antena (adaptada a su línea de trasmisión (1)) será disipada por ella de un modo u otro". Y hay solamente dos modos en que la energía normalmente abandona a la antena:
En forma de energía electromagnética irradiada al éter (2).
En forma de calor.
Considere detenidamente lo siguiente:
No importa cual sea la antena de que se trate, toda la energía que llegue a ella necesariamente se irradiará o se transformará en calor...
No interesa si es grande o pequeña, esté alta o baja, tenga media onda o cualquier otra dimensión, resuene o no resuene, sea o no sea directiva. Toda la energía que ingresa a la antena, a través de ella se irá.
Puesto que la energía provista únicamente puede irradiarse o transformarse en calor, se advierte de inmediato que, si conseguimos minimizar la parte que se transforma en calor, con cualquier antena lograremos irradiar al éter casi toda la energía que le entreguemos(3) y allí, en el éter, es donde justamente están nuestros corresponsales.
Mediante este principio podemos aceptar que una antena de un metro de largo pueda llegar a tener más rendimiento que una antena de media onda en la banda de ochenta metros a condición de que las pérdidas de la primera sean tan bajas que su rendimiento supere a la de media onda considerada. Esta es una conclusión realmente interesante y hasta, en cierto modo, inesperada...¡pero definitivamente verdadera!
Entonces nos preguntamos: ¿En cuales lugares la energía tiene oportunidad de transformarse en calor y perjudicar el rendimiento?
Respuesta: Puede hacerlo en la resistencia de los propios conductores que forman la antena, en elementos agregados para cancelación de reactancias como las bobinas de carga, en los objetos cercanos (4) , en la tierra y no mucho más que eso. Esto significa que es posible hacer bastante para disminuir las pérdidas: reducir la resistencia de los conductores con que está construida, mejorar la calidad de los elementos de adaptación, alejarla de objetos que producen pérdidas, de la tierra, etc. Estas consideraciones dan buenos motivos para diseñar cuidadosamente las bobinas, no escatimar radiales en las verticales cercanas a tierra y emplear buenos conductores en los irradiantes. También para saber que es posible emplear antenas cortas si se trabaja esmeradamente en reducir las pérdidas.
Si podemos aceptar que el rendimiento (definido como en los párrafos precedentes) de la antena es el factor principal, comprenderemos que lo único que normalmente conspira con el objetivo de irradiar toda la energía al éter son las pérdidas en forma de calor, nada más, así vemos que no hay nada especialmente "mágico" en los distintos tipos de antenas en cuanto a su capacidad para irradiar eficazmente. Distintas antenas podrán tener otras propiedades interesante o útiles, tales como mayores anchos de banda con baja R.O.E, facilidades de montaje o alimentación, etc. que bien puede valer la pena considerar.
La resistencia de radiación y el rendimiento
Introduciré este concepto aquí superficialmente para ampliar lo dicho a quienes ya han oído de él. La resistencia de radiación es una resistencia imaginaria sobre la cual se disiparía una energía igual a la que la antena irradia al éter. Mediante este concepto asociamos el fenómeno de la irradiación a un componente discreto, tal como lo es un resistor, con el cual podemos operar más cómodamente empleando conceptos de electricidad comunes.
Si, del mismo modo, asociamos toda la energía disipada en calor a una "resistencia de pérdidas", el rendimiento de una antena puede expresarse como:
Rendimiento = Rr / (Rr + Rp) o, lo que es lo mismo Rendimiento = Rr / Rt
Donde, Rr = Resistencia de radiación; Rp=Resistencia de pérdidas; Rt = Resistencia total = Rr + Rp
Desde esta perspectiva eléctrica vemos también muy claramente que la capacidad de emitir energía eficazmente al éter está únicamente asociada al concepto de resistencia de radiación y resistencia de pérdidas de la antena y no a otras características de la misma.
(1) Puesto que estamos analizando las propiedades de la antena, no es necesario considerar la adaptación a la línea desde el punto de vista del rendimiento ya que nada impide conectar el generador directamente a la antena asumiendo que la impedancia del generador sea aquella que permite la máxima transferencia de energía (para evitar así la confusión que suelen introducir las nociones comunes acerca de la potencia directa y reflejada).
(2) Energía consistente con la que llegó a ella (es decir de la misma frecuencia y características).
(3) El principio de conservación de la energía, resuelve cuestiones que a veces se presentan confusas. En primer lugar se advierte que estas afirmaciones no coinciden con las creencias populares acerca de las antenas.
(4) Producido por el efecto de "acoplamiento o impedancia mutua".
El diagrama de radiación
Si el rendimiento es la característica más importante desde el punto de vista de la transferencia de energía hacia el éter*, el diagrama de radiación no tiene menos importancia porque nos obliga a considerar hacia adonde se dirige esa energía radiada. Ciertamente, aunque lográramos irradiar toda la energía disponible, si no pudiéramos hacerlo hacia donde nos interesa, de poco servirá un buen rendimiento; se comprende fácilmente que si el objetivo fuera comunicar en VHF con un vecino a pocas cuadras, será preferible una antena con solo un 0,01 % de rendimiento que emita algo de energía en la dirección de nuestro vecino antes que una con un rendimiento del 100% ¡y que lo hiciera como un láser hacia el cielo...!
Cualquier diferencia en el alcance que tenga una antena respecto de otra, a igualdad de rendimientos, se deberá exclusivamente a la forma de su diagrama de radiación, (dejando de lado la polarización). En ese caso afirmamos que la directividad de la antena será la única responsable de su eficacia para comunicar con algún dado punto distante.
Reunimos ya dos conceptos que simplifican nuestras actividad como radioaficionados: Para alcanzar el receptor de los corresponsales las características de la antenas que realmente cuentan son el rendimiento y la directividad. Todo lo demás es secundario...
Imaginemos una antena que irradie la energía en todas las direcciones horizontales y verticales. Si estamos enviando un llamado general indudablemente será una excelente antena, en cambio, si quisiéramos comunicar con un punto determinado nos damos cuenta que, si mediante alguna disposición especial consiguiéramos enfocar o dirigir la energía disponible hacia ese punto, la cantidad que llegaría a él sería mucho mayor que con la primera. Esta es la experiencia que todos tenemos al emplear un reflector en una linterna...
A igual rendimiento las ventajas de unas antena respecto de otras siempre están relacionadas con esta capacidad de "enfocar" la energía en ciertas direcciones, ya sea que lo advirtamos o no. Dos antenas cualesquiera, no específicamente diseñadas para ser direccionales pueden tener, en la práctica, resultados muy diferentes al realizar ciertos contactos y, si la diferencia no radica en sus rendimiento, puede darse por seguro que se debe a alguna posibilidad de enfocar más energía en una o más direcciones (tanto verticales como horizontales), que una de ellas posee y la otra no, para esa comunicación en particular (por supuesto a expensas de las otras direcciones). Nuevamente vemos que no hay nada particularmente misterioso que distinga una antena de otra. Tanto la directividad vertical como la horizontal de las antenas comunes son aspectos fácilmente predecibles que permitirán elegir una antena de acuerdo con nuestras preferencias y posibilidades.
Reiteramos: una vez excluida la cuestión del rendimiento, cuando juzgamos sus resultados desde el punto de vista de las señales que alcanzan al receptor siempre estaremos juzgando su diagrama directivo. Insistimos en que no interesan en este sentido asuntos tales como su frecuencia de resonancia, que su longitud sea media onda o cualquier otra, y demás mitos que complican innecesariamente la comprensión y la utilización práctica de las mismas.
* Eter: en el sentido metafórico que habitulmente le damos al espacio
¿Y esos otros factores no importan?
Esos factores no son irrelevantes, los postergamos porque son secundarias a la hora de comprender los mecanismos fundamentales que hacen a una antena eficaz para irradiar la energía al éter en las direcciones útiles.
La resonancia de un dipolo, por ejemplo, puede ser a veces (otras no) un fenómeno útil para adaptar fácilmente su impedancia a la línea, pero no tiene que ver directamente con el rendimiento. La longitud de la anena puede influir en la directividad y así, una antena "de hilo largo" presentará propiedades muy interesantes en este sentido..
La impedancia puede ser tal que la antena se pueda conectar directamente a una línea coaxil común de baja impedancia y así sucesivamente, pero todas estas variables no se relacionan directamente con el asunto que nos ocupa.
La antena como receptora
Si ha pensado que las características de la antena como receptora han de tener mucho que ver con sus características como trasmisora, ha acertado pues en verdad son hermanas de sangre, es solo que a la hora de comprender el fenómeno los aficionados la miramos desde otra perspectiva. ¿Usted cree que alguna vez hemos visto una manzana?, si es así advertirá que no es cierto: Siempre vemos media manzana, la otra mitad queda oculta por la mitad visible. No importa cuantas vueltas demos a la manzana siempre vemos media manzana. La otra media la imaginamos o la recordamos. Esto parece obvio pero ¿que hay de nuestro perro? ¿acaso hemos visto su interior? por dentro ¿es otro perro o es una visión diferente del mismo perro?. Lo mismo podemos decir de la antena como receptora, ahora prestaremos atención a otra visión de ella. La antena es la misma, los fenómenos también, lo único que difiere es nuestra mirada. En las secciones precedentes hemos preferido ver a la antena únicamente como elemento irradiante porque de esa manera se facilitaba enfocar la atención en un par de aspectos que al ser resaltados facilitan la comprensión del proceso.
En los siguientes párrafos trataré de mostrar un aspecto que normalmente no presenta dudas y es que tanto la directividad como el "tamaño" de las antenas tiene un valor esencial en su desempeño como receptoras. A diferencia de la cuestión anterior, una vez establecidas las características de una "buena" antena trasmisora nuestra intuición acertadamente nos indica que será también igualmente buena receptora para el tipo de contacto considerado. Para aquellos que quieren saber todos los "porqué" intentaré una visualización que ponga de relieve una manera de comprender la antena que es más típica de los sistemas de mircoondas o de los radiotelescopios, pero vinculándolos a las antenas usuales en HF y a conceptos comunes de nuestra experiencia cotidiana.
Por un momento olvidaremos a las antenas y nos concentraremos en fenómenos más "visibles". No serán una simples analogías, sino que estaremos considerando otra sector del espectro electromagnético.
La ganancia depende de la superficie
Pensemos en nuestro sol: Un gigantesco reactor de fusión termonuclear (los primeros radioaficionados hubieran dicho "una gigantesca bola de fuego") enviando al espacio enormes cantidades de energía radiante a lo largo de un amplísimo espectro electromagnético. Aún así, visto desde nuestra segura y relativamente lejana perspectiva, es poco más que un punto de brillante luz. Intuitivamente podemos ver que el sol irradia en todas las direcciones tanto la luz como el calor (que también son formas de energía electromagnética). De esta manera la luz y el calor alcanzan a los distintos planetas, cualquiera sea su órbita. A un radiador con estas características se lo denomina "radiador isotrópico". También advertimos que la mayoría de esta energía se dispersa hacia el resto del universo porque los planetas son tan pequeños que apenas alcanzan a interceptar una minúscula fracción de toda la energía irradiada por el sol.
Si imaginamos una cáscara opaca que rodeara totalmente al sol, podemos deducir que ella interceptaría toda la energía que el sol irradie. Esta cáscara o superficie esférica interceptará toda la energía que produce el sol, no importa cuál sea su tamaño (radio), aun así sospechamos que alguna diferencia habrá entre una cáscara de gran radio respecto de una de pequeño radio. Si lo meditamos un poco vemos que una cáscara grande tiene mayor superficie y que, puesto que la misma energía se reparte a lo largo de una superficie mayor cada metro cuadrado de la misma recibirá menos energía en la cáscara grande que en la cáscara pequeña, cuando llega el reparto... Entonces, cada metro cuadrado de superficie de una cáscara imaginaria recibe una cantidad de energía menor a medida que el radio de la cáscara aumenta, o dicho de otro modo a medida que ese metro cuadrado está más lejos del sol. Esto coincide perfectamente con nuestra percepción sensorial de que, cuando la fuente de energía está más distante, la intensidad de la luz o el calor recibido es menor. En este caso la energía se "disuelve" en el espacio a medida que nos alejamos de su fuente...
Ahora imaginemos estar situados a una cierta distancia del sol y que deseamos acopiar cierta energía de la irradiada por él. ¿No resulta fácil comprender que para hacerlo precisaremos interponer una superficie tanto mayor cuanto mayor sea la energía que queremos interceptar?. Es como si quisiéramos obtener agua de lluvia; trataremos de emplear un recipiente de "boca ancha" ¿verdad?. Pero también intuimos que por una dada superficie pasa una cantidad limitada de energía y que nada podríamos hacer para obtener más energía como no sea ampliar la superficie interceptora y, si la superficie interceptora de la cual disponemos es fija (el tamaño de la boca del recipiente para el agua), nuestra capacidad para "quedarnos" con parte de la energía total producida por el sol estará limitada. Además acabamos de ver que la situación empeora a medida que nos alejamos de la fuente.
Pues bien, precisamente esa es la situación con nuestra antena receptoras: Tiene un tamaño físico determinado y de allí una superficie interceptora limitada, por ello no puede proveer a nuestro receptor de más energía que la que le corresponda a esa porción de la cáscara que ella esté ocupando. No puede darnos más porque en ese sector del espacio ¡no hay más...! Si necesitamos recoger más energía, necesariamente tendremos que aumentar la superficie interceptora, a lo cual ya nos habíamos acostumbrado cuando de niños queríamos quemar papelitos con las lupas y averiguamos que las grandes funcionaban mejor que las pequeñas...
Una antena receptora es capaz de extraer cierta energía de una onda que está pasando por su lugar de emplazamiento. Midamos la energía que ella extrae de ese frente de onda. Ahora, de algún modo, que puede ser teórico, averiguamos cuál sería una superficie que, colocada en el lugar de la antena, recibiría una energía (a loa frecuencia considerada) igual a la que acabamos de medir, entonces podemos decir que esa antena tiene una superficie equivalente a la de esa superficie imaginaria.
Recibe varios nombres "Area efectiva", "Superficie de captación" o "Superficie de intercepción" de la antena. En las antenas que se emplean en frecuencias de microondas donde el comportamiento es "casi óptico" esa superficie es prácticamente la misma que la verdadera del sistema de antena sobre la cual incide el campo electromagnético (por ejemplo el área de la boca de una antena "de bocina"), pero otras antenas, tales como nuestros habituales dipolos no tienen un área física que podamos asociar de esta manera, por ello hemos preferido definir al área efectiva de la antena como aquella por la cual pasa una energía igual a la que la antena es capaz de sustraer. En algunas antenas esta superficie efectiva será igual a la superficie de la antena real y en otras no, pero el concepto es igualmente útil. El área efectiva de una antena es una medida que tiene usos práctico y que nos vincula intuitivamente con la idea de que la capacidad de recuperar energía de la señal está indisolublemente ligada a un aumento en la superficie real de las antenas. Aunque es un concepto no muy común en las apreciaciones sobre antenas de HF, lo conocen muy bien los árboles que extienden su follaje cuando precisan captar más energía del sol y los radioastrónomos que construyen gigantescas parábolas como la de Arecibo para recoger las débiles señales de las lejanías cósmicas.
En trasmisión se intuye bastante bien porqué se obtiene una ventaja concentrando la energía en una determinada dirección pero, en recepción, aunque todos saben que así sucede por la experiencia práctica. no es tan tan obvio el proceso.
Para recoger más energía hace falta directividad
Hemos visto que la energía irradiada por un productor como el sol puede ser interceptada total o parcialmente por una superficie. Podríamos imaginar la superficie llena de celdas fotovoltaicas convirtiendo la energía electromagnética luminosa en energía eléctrica, o convirtiendo la energía infrarroja en energía eléctrica mediante termocuplas. Así resulta intuitivo comprender la relación entre la energía que podemos obtener y el empleo de una superficie, tanto mayor cuanto mayor sea la energía que queramos rescatar. Vemos que, en el mejor de los casos, encerrando al Sol en un cascarón esférico podríamos obtener de este cascarón toda la energía irradiada por el Sol, pero no más que eso. Es decir que aún empleando una superficie capaz de encerrar totalmente a la fuente de energía, hay un límite, aún cuando nuestros dispositivos de conversión fueran ideales.
Si observamos esa superficie que encierra todo el Sol y que intercepta toda la energía que él produce, veremos que tiene una propiedad fundamental. Cada pequeño trocito parcial de esa superficie es perpendicular a la dirección en que le llegan los rayos solares. Todos sabemos, por experiencia, que la energía solar recibida por una superficie es máxima cuando los rayos inciden en ella perpendicularmente y casi nula cuando lo hacen en forma rasante. Por eso evitamos exponernos al sol en un mediodía veraniego y disfrutamos de él en los atardeceres. Entonces, cada trocito de esa superficie tiene que ser perpendicular a los rayos solares para poder recibir eficazmente su energía, si fueran paralelos a ellos no interceptarían nada. Esa capacidad que tiene el cascarón que rodea el sol para interceptar toda su energía se debe ¡a sus propiedades altamente direccionales..! En efecto, la propiedad fundamental del cascarón radica en que cada parte de su interior está dirigida precisamente hacia el sol que está en el centro del mismo. Dicho de otro modo: Todo el cascarón no es otra cosa que un gran dispositivo direccional en el que todas y cada una de sus partes están "mirando" hacia el sol. De allí que su capacidad para interceptar la energía solar esté profundamente enraizada en esa direccionalidad.
Esta observación nos permite ver que para extraer una parte importante de la energía irradiada por el sol la superficie no solo ha de ser grande, también debe "mirar" hacia él, si estuviera "de canto", nada podría extraer por más amplia que fuera. Si sustituimos al sol por una antena trasmisora, nada cambia, el concepto es el mismo: Cualquier dispositivo destinado a interceptar mucha energía de ese trasmisor debe tener un área de intercepción importante lo que implica una directividad importante dirigida hacia él.
Esto nos conduce de lleno a nuestro concepto principal, las antenas logran sustraer energía la energía irradiada por medio de su superficie de intercepción y su directividad.
Pero aquí está la sorpresa: estos dos componentes no son independientes entre si. Para obtener directividad es necesario aumentar la superficie útil del sistema y al aumentar la superficie útil aumenta la directividad. Nuevamente estamos ante un fenómeno que es esencialmente único e indivisible pero que lo observamos desde dos puntos de vista distintos. Recordemos que directividad y superficie son conceptos para comprender la naturaleza, no existen en "la realidad", solo existen en nuestra mente.
Entonces no basta con que se exponga a la fuente de ondas electromagnéticas "mucho alambre", para sustraerle energía, ese "alambre" ha de estar dispuesto de una manera conveniente. Alguien afirmaba que una buena antena involucraba "mucho metal expuesto". Estaba parcialmente equivocado... Extraer energía de una onda electromagnética coherente de radio exige que la superficie que se expone al paso de los frentes de onda reúna ciertos requisitos eléctricos para que la energía pueda recogerse y conducirse al punto donde se precisa, por ejemplo el receptor. Las ondas tienen exigencias muy especiales para poder sumarse, por lo que no solamente habrá que disponer los alambres convenientemente para recoger la energía del trasmisor, sino que su directividad y de allí la posibilidad para aumentar la superficie efectiva dependen no solo de su ubicación geométrica sino también de su interconexión eléctrica. Los radioaficionados hemos oído muchas veces esto de "poner las antenas en fase". Demás está decir que si la señal recibida proviniera de otra dirección, habría que proveer los medios para que la antena se reorganice físicamente para adecuarse a la nueva dirección. El concepto matemático de "area de intercepción" ya involucra la directividad porque en él interviene la llamada "ganancia" de la antena.
Pero aunque la ganancia y la directividad son hermanas, no son gemelas. En la definición de directividad no se toman en cuenta las pérdidas de la antena, en cambio en la definición de la ganancia si (2).
Esto es importante pues una antena trasmisora muy directiva pero con muchas pérdidas podría ser peor que una antena no directiva. Es decir, la antena tendría alta directividad pero baja ganancia. En cambio, en recepción, a veces una antena muy directiva con muchas pérdidas igualmente puede ser superior a una no directiva y sin pérdidas.
(2) De acuerdo a los estándares de la IEEE la ganancia no incluye las pérdidas debidas a desadaptaciones de impedancia o de polarización.
La impedancia del punto de alimentación
La impedancia de la antena es una noción eléctrica que no está relacionada estrictamente con su rendimiento ni con su directividad, pero que será importante para "aparear" las características eléctricas del trasmisor/receptor a las de la antena misma. Los libros de electricidad nos enseñan que cuando conectamos a un generador cualquiera una resistencia de carga cuyo valor sea igual al de la resistencia interna del generador se produce la máxima transferencia de energía desde el generador hacia la carga y la energía producida por el generador puede aprovecharse al máximo.
Para nuestro propósito podemos considerar a la impedancia de la antena compuesta por tres términos:
La resistencia de radiación
La resistencia de pérdidas totales
La reactancia.(inductiva o capacitiva)
La resistencia de radiación es un resistencia ficticia que representa la energía que la antena irradia al éter y por lo tanto es la que efectivamente "disipa" la energía capaz de producir una comunicación.
La resistencia de pérdidas totales es una resistencia que se suma a la anterior pero que representa una absorción de energía que no sirve para conducir la información a su destino. En esa resistencia la energía se disipa en forma de calor y es una energía "desperdiciada". (Esta resistencia representa tanto las pérdidas producidas en la antena misma como en los objetos cercanos que se acoplan electromagnéticamente a la misma por inducción mutua).
La reactancia es una magnitud que representa energía que es "almacenada" en el sistema antena-medio pero que no se disipa en forma de calor ni es emitida al éter. Esta energía almacenada en la reactancia es intercambiada continuamente entre el generador y la antena y, si bien no se disipa, en este intercambio continuo de ida y vuelta hacia el generador una parte de ella se malgasta en la línea de alimentación en forma de calor. Por esa misma razón la compañía de electricidad le exige a su instalación no presentar reactancia o lo que técnicamente se define como un "coseno phi" igual a uno). Se puede cancelar en la antena a costa de alguna pérdida adicional en el elemento encargado de hacerlo (bobinas o capacitores).
Estos tres valores también dependen de el punto en el cual los midamos en la antena. Por ejemplo, la resistencia de radiación de un dipolo de media onda podría ser de 70 Ohms en su centro o de 1500 Ohms cerca de uno de sus extremos, en tal caso hay que comprender que la resistencia de pérdidas se reflejará con distinto valor según dónde la midamos. Ello no implica que la energía disipada en la resistencia de radiación o la resistencia de pérdidas varíe según cual sea el punto de alimentación, puesto que estas resistencias son justamente aquellas que resentanla absorción de energía.
La impedancia del punto de alimentación de la antena en si misma, como dijimos, no tiene ninguna importancia en el rendimiento, lo que importa es la relación que exista entre su resistencia de radiación y su resistencia de pérdidas, pero, algunos valores de impedancia facilitan la vinculación eficiente con la línea. Por ejemplo una línea coaxil de 50 Ohms es una línea útil por su facilidad de instalación, su blindaje, etc y por lo tanto si quisiéramos emplearla para alimentar una antena sería muy conveniente que esta antena presentara una impedancia de 50 Ohms puramente resistivos para adaptarse a este coaxil, porque de esa manera bastaría con conectarla directamente a la antena, pero si la antena tuviera cualquier otro valor de impedancia no habría mayores inconvenientes en hacerlo empleando algún sistema de transformación de impedancia, aunque esto produzca algunas complicaciones de tipo práctico.
Por ejemplo si tuviéramos una antena que presentara 75 Ohms de resistencia total sumados a 40 Ohms de reactancia capacitiva, sería conveniente por lo visto, tratar de eliminar es reactancia mediante el simple expediente de conectar una reactancia inductiva también de 40 Ohms, pero eso nos obliga a agregar un componente físico adicional, por lo cual si lográramos que esa antena no presentara esa componente reactiva indeseable se facilitarían su conexión a un coaxil de 75 Ohms. Precisamente ese es el caso del empleo de antenas "resonantes" como el dipolo de media onda. Se dice que son "resonantes" porque no presentan esa componente reactiva y por eso son más fáciles de conectar a la línea, pero puesto que el rendimiento está determinado por la resistencia y no por la reactancia esa resonancia solo representa una mejora en la comodidad para adaptar la antena a la línea pero no una ventaja en cuanto a su rendimiento (por el contrario si la antena tuviera un resistencia total de digamos 15 Ohms, el hecho de que sea parcialmente inductiva no solo no perjudica el rendimiento sino que facilita su adaptación mediante un simple capacitor en derivación).
La impedancia del punto de alimentación de la antena está directamente relacionada con una magnitud que preocupa bastante a los aficionados a la radio y que es la denominada "Relación de Ondas Estacionarias" (R.O.E.) la cual se mide con un dispositivo llamado justamente "Medidor de Ondas Estacionarias" que casi todo el mundo tiene o quisiera tener para dormir tranquilo o no poder dormir, de acuerdo a sus inapelables dictámenes. Es así que si una antena presenta exactamente 50 Ohms puramente resistivos el instrumento no dará motivos de alarma al feliz poseedor de una antena tan dócil, pero esto suele conducir a una trampa... El medidor indicará que todo está bien siempre que la resistencia total sea 50 Ohms, no importa si está compuesta por 49 Ohms de resistencia de radiación y solo 1 Ohm de resistencia de pérdidas o 49 Ohms de pérdidas y solo 1 de radiación...
Muchas veces una antena que presenta una resistencia de radiación de 10 Ohms con una resistencia de pérdida de 1 Ohm (que da una lectura de R.O.E. de 4,5:1), luego de "ciertos ajustes" termina con 39 Ohms de pérdidas y los mismos 10 de radiación (R.O.E. 1:1) para satisfacer la dictadura del equipo transistorizado (o la inseguridad de su poseedor), dando por resultado una antena "sin R.O.E." pero muy pobre... La impedancia del punto de alimentación de la antena es un factor que siempre hemos de tener en cuenta pero que no tiene la última palabra ni mucho menos en las consideraciones relativas a su buen desempeño.
B>Nota: Para el aficionado que ya posee conocimientos eléctricos más avanzados puede ser útil aclarar que la impedancia del punto de alimentación está compuesta por la impedancia propia de la antena (autoimpedancia) y la impedancia reflejada por los objetos cercanos acoplado (impedancia mutua).
Conclusiones
Las pérdidas del sistema son una de las responsables principales de la producción de señales débiles en los receptores de nuestra señal. Una fuente de pérdidas será la resistencia de los conductores que conforman la antena así como sus bobinas de carga o trampas, si los hay, por ello es importante mantener el diámetro de los conductores y su resistividad baja, del mismo modo el Q de los inductores empleados ha de ser el más alto posible lo cual se denota por bobinas de generoso diámetro, tanto de su forma como de su alambre. En general siempre podremos tomar medidas para bajar estas pérdidas (más necesario aún si la resistencia de radiación es pequeña como sucede en las antenas cortas), pero una fuente muy importante, frecuentemente la más importante, son las pérdidas producidas por la tierra y los objetos cercanos, por eso será siempre conveniente que la antena se encuentre lo más alejada posible de ellos, la altura es de mucha importancia para disminuir las pérdidas por lo cual hay que hacer lo más posible por lograrla, cuando la resistencia de radiación es alta frente a la resistencia de pérdidas, este factor no será tan crítico, tal como es el caso de antenas cuya longitud sea cercana, o mayor que media onda, pero, a medida que la resistencia de radiación disminuye, evitar las pérdidas de tierra se torna el factor a considerar más cuidadosamente al buscar emplazamiento. Naturalmente en una antena móvil tipo látigo se presenta siempre este problema y casi nada podremos hacer, en tal caso para lograr un buen rendimiento de ella convendrá emplear bobinas de carga del más alto Q y poco más que eso, aceptando el bajo rendimiento como un hecho consumado. La altura y el despeje siempre serán los mejores amigos de su antena.
Elegir la antena por su diagrama horizontal: En la práctica no suele haber espacio suficiente por lo que las opciones más comunes serán como máximo una antena de media onda (cualquier antena de media onda), con suerte una "Zeppelin doble extendida" o una de hilo largo, además de la clásica direccional rotativa para las bandas de HF "altas". Pero tanto la Zeppelin doble extendida como el hilo largo presentan directividad y aunque hubiera espacio para disponer de una antena con un diagrama horizontal aún más interesante por su ganancia, siempre está vigente el problema de que el precio a pagar por la ganancia azimutal es la directividad con lo cual si no podemos rotar la estructura dispondremos de ganancia en alguna/s dirección/es ¡y pérdida en todas las demás...!
Elegir la antena por su diagrama de radiación vertical: Aquí tampoco puede hacer mucho en las condiciones de instalación habituales. El diagrama de radiación vertical depende casi exclusivamente de la altura (con ello también el famoso "ángulo de disparo"), por lo que prácticamente, en este sentido, da lo mismo cualquier antena, ya sea una G5RV como una Hertz o una "doble bazooka", cualquiera de estas antenas producirá cambios dramáticos en sus diagrama de radiación vertical a medida que se eleve su altura sobre la tierra, básicamente usted no podrá conseguir "ángulos bajos" de radiación con antenas a poca altura en términos de longitudes de onda, recién a partir de una altura mínima de 1/2 onda comienza a producirse una emisión significativa en estos ángulos bajos. La altura frecuentemente será la mejor amiga de sus DX´s ...
Una oportunidad para tener un ángulo bajo de radiación es emplear una antena vertical con plano de tierra, esta antena produce un ángulo de radiación bajo cuando esta apoyada a nivel del suelo y es una muy buena alternativa al problema de no conseguir altura, pero exige un plano de tierra muy buen conductor para no ser afectada por las pérdidas en tierra lo cual se logra únicamente con una generosa provisión de radiales.
La antena direccional clásica de varios elementos no solamente provee un diagrama de radiación directivo en el plano horizontal, sino que también produce un diagrama directivo vertical más bajo a la misma altura que una antena de un solo elemento por lo cual será muy recomendable siempre que el espacio y el presupuesto lo permita, pero atención, normalmente las antenas tipo Yagi son antenas acortadas por lo que su resistencia de radiación es más baja que una "full size" y habrá que asegurarse que sus bobinas de carga/trampa y conductores estén a la altura de la inversión; su rendimiento en trasmisión Puede ser menor que el obtenido en recepción. Tal vez por eso también muchos aficionados definitivamente se inclinan por las "cúbicas" cuando de direccionales se trata.
73´s, DX´s
Bibliografía consultada:
Señales y circuitos radiotécnicos. I.S. Gonorovsky
Electrodinámica y propagación de ondas de radio. V. V. Nikolsky
