Taller de Antenas


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Previo

Antes de nada, dejar claro que este no va a ser un documento científico lleno de formulas incomprensibles para el profano, para eso existen ya infinidad de páginas en la red y multitud de bibliografia . La idea básica es hacer un sencillo documento o "HowTo" para que todo aquel que este minimamente interesado en la construcción de una antena para mejorar su red, punto de acceso o lo que se tercie, con un mínimo de voluntad, habilidad y conocimientos, llegue a comprender el "porque" su antena funciona o no funciona y cómo y qué puede hacer para solucionar el posible problema y culminar el proyecto con éxito.

Conocimientos básicos

Lo primero que debemos tener claro es como funciona una antena y porque funciona. Un sistema radiante se compone básicamente de 3 elementos, emisor/receptor, linea de transmisión y antena. El emisor es el encargado de convertir la información analógica o digital en ondas electromágneticas que, posteriormente, a traves de la linea de transmisión, llegarán a la antena, que es el elemento que se encargará de lanzarlas al aire. El receptor es el encargado de convertir las ondas electromágneticas que reciba nuestra antena en información útil. Pero, en definitiva, ¿que es una antena?.

 

 

¿QUE ES Y COMO FUNCIONA UNA ANTENA?

 

Podriamos decir de una forma simple que una antena es un conductor eléctrico que recibe o radia energia en forma de radiofrecuencia al circular por él una corriente alterna. Todo campo, ya sea eléctrico o mágnetico supone la existencia de una cantidad de energía en el espacio que rodea al conductor. Este, para nosotros, es una ANTENA , y ya hemos dicho que a ella se aplica, provinente del transmisor, una tensión alterna de radiofrecuencia. De acuerdo a las variaciones de valor y signo de esta tensión, el campo electrico se desarrollará y desaparecerá intantánea y periódicamente. Otro tanto ocurrirá con el campo mágnetico, que seguirá las variaciones de la corriente que circula por la ANTENA. Esto significa que la ANTENA tomará y devolverá energia al generador periódicamente. Sin embargo no toda la energia es devuelta, sino que, parte de ella, en forma de campo electromágnetico no vuelve al generador, sino que es RADIADA a través del éter.
Las ondas electromágneticas que se radian al espacio constituyen, pues, una cantidad de energía que se sustrae al circuito de la antena. Podemos pues suponer que en el conductor se ha intercalado una resistencia que consume esa cantidad de energía radiada. El valor de esa resistencia sería el de la RESISTENCIA DE RADIACIÓN que logicamente es muy superior al la resistencia propia del conductor. Podemos decir, pues, en terminos generales, que una antena es tanto más eficiente cuanto mayor es la relación entre la resistencia de radiación y la de perdidas.

LA LONGITUD DE ONDA

Se entiende por longitud de onda la longitud en metros que correspondería a un ciclo de la corriente considerada, sabiendo que las ondas herzianas viajan en el espacio con la velocidad de la luz, o sea, 300.000 Km/segundo. Es decir, que, suponiendo una onda electromágnetica cuya frecuencia fuese de 1 ciclo, esta recorrería en 1 segundo 300.000 Km. y esa seria su Longitud de Onda . Asi pues, en nuestro caso concreto, si hablamos de una frecuencia de 2.400.000.000 c/s (2,4 Ghz), nuestra Longitud de onda seria:

300.000 Km./2.400.000.000 c/s= 0.000125 Km, o lo que es lo mismo = 12,5 cm

No hace falta decir que si tuvieramos que diseñar una antena para esta frecuencia, la antena estaria en RESONANCIA con la misma cuando tuviera esa misma longitud, es decir, 12,5 cm. Esto, sin embargo, no es del todo cierto, ya que como veremos mas adelante hay una serie de factores como el tipo de material utilizado para construir la antena o el efecto "puntas" que haran que esa longitud fisica de la hipotetica antena sea algo menor. A este tipo de antenas se les denomina de ONDA COMPLETA, pero no suelen usarse por los problemas de IMPEDANCIA (600 ohmnios) que presentan a la hora de ser alimentadas. Fijemonos de todas formas en el comportamiento de la tensión y la intensidad en una antena de onda completa (A-B).

TIPOS DE ANTENAS

Como hemos dicho anteriormente no suelen utilizarse antenas de onda completa por los problemas que comporta su adaptación a las impedancias tipicas (600 ohmnios) de las lineas de alimentación . Las antenas "tipicas" usadas son las llamadas antena de Hertz y la denominada Marconi, que respectivamente son ANTENAS DE MEDIA ONDA y de CUARTO DE ONDA.
Para nuestras anteriores explicaciones hemos dado por hecho siempre que "atacabamos" directamente a nuestra antena desde un generador de radiofrecuencia, pero en la práctica, eso no se produce normalmente, sino que la energia generada llega a nuestra antena a traves de una linea de alimentación o transmisión , que es la encargada de llevar la radiofrecuencia generada desde el emisor a la antena. Los puntos de ataque o excitación convenientes en las antenas en general son los extremos, el centro o su tercio. La excitación en los extremos se hace con lineas abiertas y resonantes utilizando un cuarto de onda o NUMERO IMPAR DE ELLAS, y esto es importante tenerlo en cuenta como veremos mas adelante observando la imagen anterior.

ANTENA DE MEDIA ONDA (DIPOLO)

La siguiente imagen nos representa una antena de media onda a la que suministramos alimentación de radiofrecuencia por medio de una linea de alimentación paralela que describiremos posteriormente cuando hablemos de IMPEDANCIAS. Esta antena tendria un valor de:

Longitud de Onda x 1/2

Tal y como hemos dicho antes, al aplicar una corriente alterna a nuestra antena, se generará una tensión y una intensidad. Estas estarán desfasadas 90º, de tal forma que, si pudieramos visualizar la radiofrecuencia aplicada a nuestra antena veriamos que, en la onda generada, en el centro de la misma la tensión seria "0" y en los extremos de la antena seria la máxima generada por la fuente de RF (menos pérdidas, evidentemente), mientras que si pudieramos ver la intensidad, observariamos que es justo a la inversa, es decir en el centro de la antena la intensidad sería la máxima eficaz mientras que en los extremos sería "0". Veamoslo de forma gráfica:

 

En cualquier tipo de antena la relación entre el valor de la tensión y de la intensidad en un punto cualquiera de la antena determina el valor de la IMPEDANCIA en ese punto. Como la tensión y la intensidad (corriente) son variables es lógico que el valor de la impedancia (Z) tambien lo sea. En un extremo de una antena de media onda el valor de la tension es máximo, mientras que el de corriente es minímo, por tanto también sera máximo el valor de la impedancia, mientras que si observamos el centro de la antena de media onda comprobamos que es a la inversa por lo que el valor de la impedancia será MINIMO . Por lo común, en este tipo de antenas el valor de la IMPEDANCIA en el centro de la antena es de 73 ohmnios mientras que en los extremos ronda los 2.500 ohmnios. Estos valores, que corresponden a vientres y nodos de tensión, se consideran como valores de RESISTENCIA PURA solamente en esos puntos. El conocimiento del valor de la IMPEDANCIA de una antena en un punto es muy importante desde el punto de vista del aprovechamiento de la energía que se envia a la antena puesto que representa la RESISTENCIA DE CARGA aplicada al transmisor.

LONGITUD FISICA Y ELECTRICA DE UNA ANTENA DE MEDIA ONDA

La longitud eléctrica de una antena de media onda ya hemos dicho que es igual a la Longitud de Onda dividida por 2. La longitud FISICA es algo menor debido a distintas causas. El valor REAL de una antena de media onda se obtiene multiplicando la Longitud de Onda en metros x 0,475 . Como os podeis imaginar, este valor es fruto de una serie de formulas cientificas que dan como resultado el valor de esta constante. Si sois curiosos y quereis llegar por vosotros mismos a la conclusión os recomiendo la lectura del libro Fundamentos de Antenas de Belotserkovski editado por Marcombo. Asi pues, para nuestro caso concreto y a efectos prácticos vamos a realizar el cálculo de una antena de media onda, habitualmente denominada DIPOLO, para la frecuencia central de la banda ICM ubicada entre 2.400 y 2.450 Mhz, es decir, mas o menos sobre el canal 6 que corresponderia a una frecuencia de 2.437 Mhz. Aplicamos la fórmula para deducir la Longitud de Onda:

300.000 Km/2.437.000.000 = 12,31 cm. x 0,475 = 5,84725 cm

esa sería la longitud total de nuestra antena de media onda, asi que, si quisieramos saber cuanto debe de medir cada uno de los elementos de nuestro dipolo, bastaria con dividir entre 2. Esta claro que, en las frecuencias en la que estamos trabajando 1 mm tiene una importancia vital, y esto podremos comprobarlo en las demostraciones prácticas de los próximos capitulos.

ANTENA DE 1/4 de ONDA

Si echamos un vistazo al diagrama de tension/intensidad de la antena de media onda deduciremos facilmente el comportamiento de una antena de 1/4 de onda y comprobaremos que podemos utilizarla perfectamente en nuestras aplicaciones, eso si, con solo la mitad de "rendimiento" que la antena de media onda, alimentandola por un extremo y referenciando la misma con la "masa" conectada a un plano de tierra isotrópico. Si extraemos del gráfico del ejemplo anterior una de las mitades tendremos lo siguiente:

Efectivamente podemos ver que, en el punto de alimentación la tensión sigue siendo "0" y la intensidad presenta su máximo valor, asi que nos sigue siendo útil, aunque en las frecuencias en las que vamos a trabajar el tamaño no será importante y, habitualmente trabajaremos a partir de antenas de media onda.

UNIDADES DE REFERENCIA EN CUANTO A GANANCIA

Tal es la importancia que tuvieron (y aun tienen) estos dos tipos de antena que acabamos de ver, que, cualquier referencia a GANANCIA de cualquier otro tipo de antena tiene como punto de referencia el DIPOLO DE MEDIA ONDA. Es decir, se atribuye al dipolo un valor intrinseco de 1 db (decibelio) y a la antena de 1/4 de onda 1 dbi (decibelio isotropico), asi pues, deduciendo, nuestra antena de media onda tendria una ganancia de 2 dbi respecto a una antena de 1/4 de onda. Habitualmente deberiamos realizar siempre las relaciones de ganancia correspondientes usando la medida patrón en cada caso, pero algunos fabricantes de antena no especifican las unidades a posta e "hinchan" las ganancias reales de sus antenas especificando en dbi en lugar de en db estos valores. Asi no es extraño ver antenas direccionales con unas ganancias increibles en sus especificaciones técnicas que no son mas que fruto de una manipulación tendente a confundir al comprador.

 

LINEAS DE ALIMENTACIÓN

Las lineas de transmisión a la antena son básicas ya que, raramente, un equipo transmisor estara conectado directamente a la antena. La linea de transmisión o alimentación de una antena tiene como objeto , pues, hacer llegar la energia desde el transmisor a la antena SIN RADIAR ENERGIA , es decir, debe comportarse simplemente como un medio de transporte y no como una parte integrante de la propia antena. Para conseguir la máxima transferéncia de energía es preciso cuidar que exista entre el alimentador y la antena, en su punto de inserción, el debido equilibrio de impedáncias, esto es, hacer que en el extremo de la linea de alimentación conectada a la antena se reproduzcan lo mas fielmente posible las condiciones existentes que tendriamos si tuvieramos conectada directamente la antena al transmisor.
¿Como se consigue esto?. Pues en el hipotético caso de tuvieramos una antena de media onda cortada a la frecuencia de trabajo deseada, es decir, con una impedáncia típica de 73 ohmnios, con una linea de alimentación simétrica con una impedáncia típica también de 73 ohmnios y nuestro transmisor presentara también una impedáncia en su circuito resonante de 73 ohmnios, sería muy fácil, puesto que si volvemos al gráfico del comportamiento de nuestra antena de media onda, bastaria con calcular que longitud de linea de alimentación necesitariamos, mas o menos, y aproximar a esa longitud un valor en el que se reproducieran los parametros que tenemos a la salida de nuestro transmisor, es decir, una intensidad MAXIMA y una tensión MINIMA, justo en el punto de inserción de la linea de alimentación de nuestra antena. Es decir, si tenemos en cuenta que por cada cuarto de onda de longitud del cable de alimentación se invierten los valores de impedáncia en sus extremos, nos bastara con darle al cable de alimentación el equivalente a los CUARTOS PARES de la longitud de onda, es decir, 2 longitudes de onda, 4,6,8,10.... de esta forma nos coincidiria en fase, intensidad y tensión con el origen del mismo cable conectado al generador en ambos puntos de inserción de los ramales de nuestro dipolo. Esta sería pues la linea de alimentación PERFECTA de un circuito de emisión PERFECTO y con una antena PERFECTA.

* Si teneis curiosidad como se calcula la impedancia de una linea de alimentación de una antena podeis dar un vistazo aqui.
* Si quereis conocer algo mas sobre los parámetros a tener en cuenta para los calculos de antenas daros una vuelta por aqui.

 

Pero , como en todo en esta vida, no hay nada perfecto, tenemos que:
-Las lineas de alimentación ya no son simetricas, sino coaxiales, ya que son mucho mejores técnicamente.
-Los circuitos resonantes de nuestros transmisores estan sintonizados a 52 ohmnios (o eso suponemos).
-Los cables tienen un factor de velocidad distinto segun el que usemos.

Y LAS ONDAS ESTACIONARIAS, ¿QUE SON?

Las "ondas estacionarias" o SWR (Standing Wave Ratio) no son otra cosa que el producto de la desadaptación o el desfase que pueda existir en nuestra antena o en nuestra linea de alimentación con respecto al generador de señal, en nuestro caso el emisor. Es decir, nuestra antena PERFECTA, despreciando pérdidas típicas, era capaz de irradiar al éter el máximo de energia que le llegaba del transmisor debido a que la impedancia que presentaba al mismo era "igual" a la del propio transmisor. Pero, ¿que ocurre si esa impedancia es distinta?, pues ocurre que nuestra antena no puede irradiar parte de esa energía al éter y la devuelve al generador de forma directamente proporcional a la desadaptación, es decir, cuanto mayor es la desadaptación, mayor es la cantidad de energía devuelta al punto de origen, pudiendo llegar fácilmente a la destrucción del mismo. Por ello es MUY IMPORTANTE el asegurar una buena adaptación entre nuestro equipo, nuestra linea de transmisión y nuestra antena, ya no solo por el mejor rendimiento (tanto en emisión como en recepción) que nos proporcionará, sino por el peligro que conlleva para la vida de nuestro emisor una mala adaptación, aunque sea en potencias bajas, el efecto es proporcional. ¿Que puede provocar esa desadaptación?. Pues, lógicamente, una medida erronea de los elementos radiantes de nuestra antena, una mala adaptación de la linea de transmisión, la proximidad de cuerpos u objetos metálicos que impidan una buena radiación de nuestra antena etc... (yo he visto algún articulo "técnico" con una antena "pegada" literalmente a un armario metálico...y, encima decia que la antena funcionaba de perlas... HI). Para que os hagais una idea de como afectan las SWR a nuestro transmisor, echad un vistazo aqui.

Asi pues, nuestra misión será acercar lo máximo posible, teniendo en cuenta el material que usemos, a esa instalación perfecta que hemos visto antes. De momento ya teneis una idea de cómo y porque funciona una antena y los parámetros mas importantes que debeis tener en cuenta, a partir de aqui, en los proximos capitulos ireis viendo como ir solucionando esos "problemillas" que se nos iran presentando, y más en estas frecuencias de microondas en donde la teoría parece no coincidir nunca con la práctica, a menos que nos armemos con una buena dosis de paciencia y unos cuantos litros de café para llegar a descubrir en la práctica la técnica de las microondas. Y eso es lo que vamos a hacer en los próximos capitulos.

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©Pere Espunya. EA3CUU  para Unión de Radioaficionados Españoles