Taller de antenas (5)

Calculando la linea de alimentación

Sin lugar a dudas este es un tema que ha levantado y levantará todo tipo de controversias y opiniones. Si os dais una vuelta por los buscadores de Internet buscando una formula "mágica" acabareis como estais, es decir, sin sacar nada en claro. Desde explicaciones matematicas fundamentadas que, al llevarlas a la practica, no funcionan, hasta articulos con mas o menos buena voluntad del "a mi me han dicho". Lo cierto es que la mejor definición es aquella que, llevada a la práctica, funciona. En frecuencias bajas, donde hacen falta grandes longitudas de cable es bastante dificil de demostrar cualquier teoria, pero en frecuencias altas y de microondas, aunque tengamos que luchar muchas veces con longitudes imposibles de cortar (por lo micrometricas), tenemos la ventaja de que podemos "ver" fisicamente el comportamiento y la incidencia de las mismas en nuestros equipos. Hay incluso quie se atreve a decir que las ondas estacionarias o SWR "no existen" y luego dice, muy ufano,que lo unico que hay es una "desadaptación" de impedancias y que "eso" no afecta para nada en el rendimiento de nuestros equipos. En este capitulo demostraremos en la practica que si existen y, ademas, la incidencia que tienen en nuestras instalaciones tanto en emisión como en recepción, y habeis leido bien, en recepción afectan de la misma forma, y de que manera.

De momento vamos a olvidarnos de nuestra antena del capitulo anterior.¿Porque?... pues bien, aunque hemos visto que realmente hemos sido capaces de "clonar" una original, lo que queremos es ser capaces de diseñar nuestras propias antenas o bien comprobar si esas antenas que ya tenemos en nuestra instalacion realmente funcionan o nos han vendido una "moto".

Lo primero que debemos tener en cuenta a la hora de diseñar nuestra linea de alimentación, lease "pigtail", "latiguillo" o como le querais llamar, son las caracteristicas técnicas del material que vayais a utilizar.

Toda línea de transmisión tiene unas características especiales por las cuales la distinguimos de las otras, siendo su rendimiento mejor o peor según sea la aplicación que le demos o la onda de radiofrecuencia que transporte. Atendiendo a su constitución física se clasifican en: Unifilares, Bifilares, Multifilares, de Cinta, Tubulares, Coaxiales y Guiaondas. Según su utilización se clasifican en dos grandes grupos: aperiódicas o sea no resonantes, y periódicas (sintonizadas). Las líneas de transmisión no deben radiar energía, sino que la deben transportar con el máximo rendimiento posible. Una de las características más importantes de las líneas de transmisión es su impedancia, que está determinada físicamente por los materiales que la constituyen: diámetro y disposición de los conductores así como el dieléctrico que los separa.

El valor de la impedancia característica de una línea de transmisión Zd se halla en función de la autoinducción y de la capacidad de la misma. Se expresa por la formula:

Zd es la impedancia característica que corresponde a la unidad de longitud, por lo que podemos afirmar que toda línea de transmisión tiene un determinado valor de impedancia característica.

Se llama factor de velocidad a la relación entre la velocidad con que una onda de radio viaja por una línea de transmisión y la velocidad con que se propagaría en el caso de una línea teórica cuyo dieléctrico sea el vacío con factor de velocidad uno. En líneas físicas este factor siempre será menor que la unidad, ya que la constante dieléctrica también lo es. Cuanto menor sea el factor de velocidad más tardara la onda en recorrer la línea.

Al circular una onda de radio por una línea de transmisión cuya impedancia varía de repente, una parte de la energía será reflejada hacia el generador y se producirán ondas estacionarias. Por lo tanto, sobre la línea tendremos dos ondas, una que circula del generador hacia el extremo de la línea y otra desde la discontinuidad al generador, de tal modo que se crearán a lo largo de la línea unos puntos en que la tensión variará de cero al doble de su valor; la corriente hará lo mismo en los puntos intermedios.

Para analizar el efecto de las ondas estacionarias consideremos una línea acoplada por un extremo al generador de radiofrecuencia y cuyo otro extremo esté en corto circuito. En este punto tendremos un máximo de intensidad y un cero de tensión. El valor instantáneo de la corriente reflejada será diferente a lo largo de la línea; en ciertos puntos será tal que la fase de la corriente reflejada y la salida se anularán entre si, mientras que en otros puntos se sumarán. La distancia entre estos puntos varía según el factor de velocidad de la línea y de la frecuencia de la onda, de tal manera que si en el extremo corto-circuitado las intensidades están en fase, a una distancia múltiplo de medias longitudes de onda lo volverán a estar. En el caso de que el extremo de la línea opuesto al generador esté abierto, la corriente y tensión circulan en concordancia de fase a lo largo de ella, hasta que llegan al extremo abierto. En este punto la corriente tiene que desaparecer, ya que no hay movimiento y tendrá que volver sobre su camino retornando hacia el generador; en el extremo abierto de la línea existirá un máximo de tensión. Si en el extremo abierto la corriente está en fase, volverá a estarlo en un punto distante de aquél un cuarto de onda y en todos los múltiplos impares. La onda reflejada tiene la misma velocidad de propagación sobre la línea de transmisión que la onda incidente.

Hemos visto los casos en que la línea de transmisión termina en corto-circuito o está abierta. Cuando la línea termina con una resistencia pura, parte de la potencia de radiofrecuencia será absorbida por la resistencia; la potencia reflejada será inferior a la incidente y, por lo tanto, en ningún punto de la línea la tensión y la intensidad de la onda reflejada podrán anular la tensión e intensidad de la onda incidente.

En el caso de estar terminada la línea en una reactancia pura, la forma de la onda estacionaria será intermedia entre la que se forma en una línea terminada en corto-circuito y la terminada en circuito abierto; la separación entre los modos de corriente y tensión seguirá siendo de 900. La línea puede terminar en una capacidad grande y una inductancia pequeña; en este caso la forma de la onda estacionaria se aproximará a la de corto-circuito. En el caso de terminar en una inductancia elevada y una capacidad pequeña se aproximará a la forma de onda de una terminación abierta.

La relación entre los valores máximo y mínimo de tensión o corriente medidos a lo largo de la línea determina la relación de ondas estacionarias.

Cuando la potencia es absorbida completamente por la carga en el extremo de la línea, la relación de ondas estacionarias es uno. Si la línea está terminada por una resistencia pura, tendremos que la relación de ondas estacionarias "ROE" será la relación entre la impedancia de carga y la impedancia de la línea

Cuanto mayor sea el cociente de reflexión, mayor será la ROE normalmente referida a la tensión o a la corriente. Las pérdidas en las líneas de transmisión suelen ser debidas a los aislantes y a los conductores. Las primeras, debidas al dieléctrico, son directamente proporcionales a la frecuencia; a mayor frecuencia más pérdidas. Las segundas aumentan en función de la raíz cuadrada de la frecuencia y a causa del efecto peculiar de los conductores, que tendrán más resistencia efectiva cuanto más alta sea la frecuencia de la onda que circule por ellos.

Asi pues, sabiendo esto, lo primero que debemos conocer es el factor de velocidad del cable que vayais a usar. En nuestro caso estamos utilizando cable RG58 C/U, no porque sea el mejor, sino porque es el que mas a mano teniamos, y, a pesar de que no es el mejor entre los propios RG-58, tampoco es el peor para una distancia corta. Vamos pues a ver las caracteristicas de nuestro cable.

Description	Nominal O.D. (inches)	Nominal Capacitance pF/ft	Nominal Impedance (Ohms)	Nominal % Velocity of Propagation	Nominal Attenuation
Description	Nominal O.D. (inches)	Nominal Capacitance pF/ft	Nominal Impedance (Ohms)	Nominal % Velocity of Propagation	MHz	dB/100 ft
RG 58C/U 20/19 STC Solid Polyethylene Dielectric 95% Tinned Copper Braid PVC Jacket, CSA - UL Flame Rated FT-1 or FT-4	.195	30.8	50	66	50 100 200 500 900	4.1 5.3 8.2 12.6 20.0

Si nos fijamos en el recuadro de "Nominal Attenuation" rapidamente nos daremos cuenta de que no es el cable mas adecuado para trabajar a 2,4 Ghz ya que vamos a tener una atenuacion de mas de 2db por metro, pero, todo y asi, vamos a usarlo en nuestro ejemplo puesto que solo necesitamos un par de metros para hacer un "pigtail" o "latiguillo". Para distancias mayores os recomendamos cables del tipo RG-213 o en su defecto, si no teneis problemas de presupuesto, LMR-400 que, sin duda, es de los mejores, sino el mejor.

Pero vamos a lo que ya tenemos. Es decir, un factor de velocidad del 66% y una impedancia de 50 ohms para el cable RG-58 C/U.

Establezcamos pues la medida de cable que necesitemos, en nuestro caso, para hacer pruebas de antenas y hardware posteriores nos bastaria con una longitud de cable que rondara 1'5 mts. Asi pues, si partimos de la base de que queremos igualar las condiciones de impedancia que tenemos a la salida del transmisor y trabajar con una antena con una impedancia de 50 ohms, la formula seria:

Longitud de onda / 4 x Numero impar x Factor de velocidad = Longitud fisica del cable

Pasandolo a numeros

12,3 / 4 = 3.075 x 75 x 0,66 = 152,212 cm

Este valor es teorico y raramente sera exacto debido a posibles errores milimetricos, de inducción, conexion y/o fabricación del cable, asi que, cortando el cable aproximadamente sobre los 154 cm. podremos ir recortandolo milimetro a milimetro hasta obtener un "pigtail" perfecto para trabajar posteriormente con cualquier antena que tenga una impedancia tipica de 50 ohms, que , a la postre, es lo que nos interesa.

En nuestro caso, vamos a comprobar la validez de nuestros calculos colocando una resistencia "pura" de carbón de 51 ohms como resistencia de carga,(ni se os ocurra poner una resistencia bobinada), aunque lo mas adecuado seria una carga artificial comercial de 50 ohms blindada. De esta forma tenemos la seguridad de que nuestro "pigtail" tendra la longitud adecuada para esa impedancia. En el ejemplo de la fotografia hemos soldado directamente la resistencia al cable, pero yo os aconsejaria hacerlo ya con el conector que vayais a usar posteriormente con vuestras antenas para no tener que andar luego retocando la longitud del cable. Ni decir tiene que los rabillos de la resistencia deben de ser lo mas cortos posible y debeis de ubicar la resistencia de carga lejos de cualquier objeto metalico que os pueda proporcionar lecturas erroneas, en nuestro caso hemos utilizado un tubo de PVC a modo de soporte.

Vamos a ver ahora las lecturas que vamos obteniendo con WlanExpert. Logicamente no vamos a verlas todas para no sobrecargar la pagina, pero es interesante ver la evolución, milimetro a milimetro, del comportamiento de nuestra linea de alimentación para que os deis cuenta de la importancia de la linea de alimentación... para que luego nos digan que "cualquier medida" nos vale. Si en lugar de una resistencia de carga optais ya directamente por una antena y teneis un punto de acceso cercano, prestad atención a la evolución del "Signal Strength" de la misma en función de la longitud del "pigtail" en la pantalla "General" del WlanExpert. Posteriormente, cuando hablemos de antenas, ya lo iremos viendo pero, mientras, id tomando vistas.

Para empezar vamos a ver la lectura "habitual" cuando aun estemos fuera del punto de resonancia. Aunque aparezcan dos "picos" en dos canales determinados esto no indica que nuestra linea funcione correctamente, mas bien son puntos aleatorios de resonancia en determinados canales. En definitiva, nada a tener en cuenta.

A partir de aqui vais a ir viendo la secuencia de progresión a medida que nos acercamos al punto de resonancia. No quiere decir esto que en vuestro cable tengais que ver "exactamente" lo mismo, porque, como ya hemos explicado, son multitud los factores que influyen en la medida "final".

Nos acercamos. Cuando veais algo parecido, afinad el corte porque no estais lejos.

Se va "aplanando".Ya, asi mismo, nos seria útil.

Un poco mas....

¿Nos habremos pasado?

No, por suerte no nos habiamos "pasado"...una linea con una respuesta como esta es ya excelente. De hecho nosotros solo conseguimos "aplanarla" casi totalmente una sola vez, pero ya fue cuestión de suerte al cortar el cable.

Esto seria perfecto...aunque, posiblemente, cuando intenteis soldarle el conector deberiais volver a retocarla y cuando le coloqueis la antena otra vez, etc... y tampoco se trata de ser mas "papistas que el papa", ya que lo que buscamos es un "pigtail" correcto y que no nos confunda cuando le conectemos una antena.

Bien, esto que habeis visto hasta aqui y que parece facil, nos llevo mas de 5 horas hacerlo ya que, entre soldar, cortar, medir y a veces nos pasabamos y otras no llegabamos, pero, la seguridad de tener un "pigtail" casi perfecto y que no nos engañe respecto a las antenas que podamos usar en el futuro, paga con creces el esfuerzo...y ya lo ireis viendo. Nuestro "pigtail" en concreto mide 151,1 cm. , es decir, algo mas corto de lo que, en teoria, deberia, pero eso no quiere decir que el vuestro deba de medir lo mismo ya que, como hemos dicho, son muchos los factores que influyen, desde los conectores, pasando por el tipo de cable (segun el fabricante), el rabillo de la resistencia de carga, etc... asi que tendreis que jugar un poco con el hasta que deis con la medida correcta... y aqui os dareis cuenta del porque del precio de los "pigtails" comerciales, que, ademas, en la mayoria de los casos, solo sirven para "sus" antenas.

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