RADIOCOMUNICACIONES.

Dentro de los sistemas de transmisión, la antena forma parte fundamental de los emisores, ya que de ella depende que la transmisión sea de calidad y la señal a transmitir ofrezca todo su rendimiento y potencia al medio.

Por ello, parte de esta clase establecerá todo el conocimiento que se tienen sobre las antenas, acoplamientos y reactancias que generan a ciertas frecuencias y que, hará posible una transmisión totalmente límpia de la señal.

Principio de irradiación.

Ya debes de haber adquirido los conocimientos adecuados sobre electromagnetismo. Entonces sabrás que cualquier conductor recorrido por corriente eléctrica posee un campo eléctrico que a su vez, genera un campo magnético. Dicho campo se llama campo electromagnético.

Si la corriente que atraviesa el conductor es alterna, los campos eléctricos y magnéticos son también variables.

Un campo eléctrico y magnético variable da origen a las ondas electromagnéticas que poseen la característica de propagarse por el espacio.

En una emisora de radio, la energía en forma de pulso variable (señal modulada) se inyecta a la antena para que pueda ser transmitida dicha energía en forma de radiación electromagnética.

La antena es un dispositivo mecánico cuya finalidad es transmitir la señal modulada en forma de onda electromagnética. Para ello, la señal de que llega a la antena debe de estar adaptada de acuerdo a unos valores de frecuencia y de amplitud como verás en éste capítulo más adelante.

La antena debe de disponer de un alto rendimiento para transmitir o recibir señales radioeléctricas. Por ello, debe de cumplir unas condiciones como la de guardar una relación entre la longitud de onda de la señal a transmitir y la longitud física de la antena.
Eso complica mucho la construcción de antenas, ya que cada señal tiene su propia longitud de onda.

La relación entre la longitud de onda de la señal y la longitud física de la antena tiene mucho que ver con el principio de la máxima transferencia de energía.

En un conductor recorrido por una corriente eléctrica variable de alta frecuencia, el efecto de la radiación de energía al espacio es máximo cuando en este conductor la disposición de la corriente se distribuye en forma de ondas estacionarias.

Ondas estacionarias.

Para el estudio de las ondas estacionarias deberíamos de repasar conceptos físicos básicos.

Supón una cuerda atada por dos extremos a un dispositivo capaz de ceder energía y hacer que la cuerda se mueva produciendo ondas como las producídas al agitar una cuerda saltando la comba, por ejemplo.

Imagina una cuerda atada a un motor que mueve de lado a lado la cuerda. En el otro extremo de la cuerda, está fija a un punto en una pared.
Esto es similar al latigazo de un domador de leones, o el de Indiana Jones.

Si ponemos el motor para que proporcione un latigazo a la cuerda (1), el movimiento del motor genera una onda (2). Esta onda se desplaza hasta que llega al punto B (3). En este punto, la onda como no puede continuar porque la pared es rígida y no es elástica como la cuerda.

Entonces la onda rebota (4), y cambia su sentido pero antes en el choque de la pared ha cedido parte de su energía, por lo que la onda se empieza a amortiguar. En el punto siguiente (5), la onda está a punto de volver a su punto de origen, pero de sentido contrario. Al llegar al punto de origen (6), la onda es de menor amplitud que la onda original (1).

Como has visto, hemos transmitido a la cuerda energía mecánica y ésta se ha transmitido a lo largo de la cuerda en forma de onda mecánica. La onda ha llegado a un extremo y a vuelto.

Sin aplicar mas energía al motor, cuando la onda regresa de nuevo al punto de origen, vuelve a transmitirse, pero vuelve a ceder parte de su energía con lo que al final, la onda se consumirá.

Pero imagina que cuando ponemos el motor en marcha, se genera un onda mecánica que se transmite por la cuerda, y justo cuando rebota en el punto B dicha onda, el motor genera otra onda mecanica.

En el punto (9), podemos ver como sale la segunda onda del motor a través de la cuerda. En (8) la primera onda está regresando. En el punto (7) estamos viendo lo que hacen las dos ondas al chocar. Como la trayectoria de las ondas es inversa, se produce un choque que se traduce en una superposición de las ondas. Es decir, la amplitud de ambas ondas se suman instantáneamente creando una onda de mayor amplitud.

Pero en realidad, la onda que va al punto B, pasa a través de la onda que vuelve del punto B (por ser una onda con menor energía). Como consecuencia, se produce en el instante del choque una superposición de ambas ondas que se expresa como una subida de amplitud.

Después del momento del choque, las ondas siguen su camino hasta que llegan a los respectivos puntos, en donde empieza de nuevo el proceso.

Ahora supón que el proceso continua. Es decir el motor sigue generando movimiento y se siguen transfiriendo movimiento a la cuerda en forma de ondas. Las ondas que se están creando, chocarán con las que están rebotando del punto B. Coincida o no la fase de las ondas rebotadas con las ondas producidas por el motor, se producirá una superposición de las mismas generando una señal alterna que tendrá mucho que ver con las fases de las ondas.

Si suponemos que el motor se mueve a la misma velocidad y genera las mismas vibraciones que se transmiten a la cuerda continuamente, las ondas que rebotan y las ondas que transmite el motor a la cuerda, tendrán la misma fase, el resultado aparecerá como ondas estacionarias y que se caracterízan porque aparecen a lo largo de la cuerda y parecen que están inmóviles a la vista.

La formación de las ondas estacionarias tiene que ver con la longitud de la cuerda, y la frecuencia del movimiento del motor a la misma.

Por lo tanto, si reducimos la longitud de la cuerda, se crearán otras ondas estacionarias a diferentes frecuencias.

Por ejemplo. Supón un generador de alterna que se conecta a dos conductores de 7,5 metros cada uno. El generador ofrece una tensión a 10000KHz de frecuencia.

En el momento del primer semiciclo positivo, el punto A del primer conductor tiende a hacerse positivo, y el punto B negativo. Los electrones libres del conductor A -1, serán atraidos hacia el positivo del generador. En cambio, los electrones del conductor 1 - B, serán rechazados hacia el punto B del mismo.

En este caso se ha desarrollado una diferencia de potencial en los cables A - 1 y 1 - B, por falta de electrones en A y un exceso de los mismos en B.

Los electrones libres del conductor A - 1 se desplazan al conductor 1 - B a una velocidad de:

(7,5m) ÷ c (30 x 107)= 0,0025µs 

Y la longitud de onda a esa frecuencia es de:

λ = 300000 ÷ 10000 = 30 metros 

Si la longitud de los conductores es de 7,5 metros y la longitud de onda del generador es de 30 metros, 7,5 metros de 30 metros es un poco mas de un cuarto de onda de la longitud total (la suma de los dos conductores ofrece la mitad del ciclo de la onda generada, es decir media onda).

El tiempo que tarda en reproducirse un cuarto de onda es:

t = 1 ÷ 4 x 107= 0,0025 µs

Observa que los tiempos coinciden a la perfección por lo que los electrones que salgan de A podrán llegar a 1 (+), y los que salen de 1 (-), podrán llegar a B.

Una vez que el semiciclo superior empieza a decrecer, los extremos de los conductores empiezan a perder potencial. Esto ocasiona un movimiento de electrones inverso al que se ha dado hasta ahora.

Estos electrones, chocan con los electrones que estaban en los terminales de los cables y producen ondas estacionarias debido a la igualdad de fase. Las ondas estacionarias se crean a lo largo de los dos conductores.

Observa el detalle que a la máxima intensidad de la señal, la onda portadora circula por el centro del conductor mientras que en los extremos de los conductores la señal es mínima.

El circuito se comporta como un circuito resonante serie, ya que a su frecuencia de resonancia la impedancia que presenta es mínima. Eso acasiona la máxima transferencia de energía del generador al medio.

En esta condición se garantiza la máxima transferencia de la antena al medio.

Ahora imagina que al conductor, en vez de una señal de 10000KHz le aplicamos una señal de 50 Hz como la de la red eléctrica.

La longitud de onda de esta señal es de:

λ = 300000 Km ÷ 50 Hz = 6000 Km 

Y el periodo será de:

T = 1 ÷ 50 Hz = 0,02s

Comparándolo con la anterior frecuencia, deducimos que para la antena de 15 metros casi no circula corriente eléctrica pues el breve recorrido con respecto al largo periodo hace que no se origine diferencia de potencial, y la distribución de la intensidad y tensión a lo largo de la misma se hace casi constante, por lo que no da lugar a ondas estacionarias.

Por lo tanto, la antena se comportará de manera diferente de acuerdo a la frecuencia.

Tipos de antenas.

El tipo de antena estudiada hasta ahora es una antena dipolo abierto de media onda.

Como ya he dicho, esta antena funciona a la mitad de la longuitud de onda y es muy fácil de cálcular conociendo la longitud de onda de la señal a transmitir.

Pero por desgracia este planteamiento es solo válido para una antena resonante de 1 / 2 de la longitud de onda sin nigún elemento que la sujete.

Realmente, una antena larga debe de estar sujeta a cualquier estructura que modificara su resonancia aunque se utilicen aisladores.

Efecto de puntas.

Esa capacidad residual hará que siempre circule corriente por las puntas de la antena (aunque se dijo que en las puntas, la corriente era mínima o nula).

Para corregir este efecto, la antena se reduce un 5% de us longitud física con respecto a la longitud de onda. Por lo que nuestra antena de 15 metros, ahora debería de ser de 75cm menor para evitar el efecto de las cargas residuales, es decir 37,5cm en cada extremo.

Tomando como referencia éste tipo de antena de media onda, existen dos tipos fundamentales de antenas.

Antena de Hertz.

Por tus estudios de electromagnetísmo, sabes que el campo electromagnético se propaga en dirección perpendicular al conductor que hace de antena, ya que por el centro circula la máxima intensidad de corriente de la onda electromagnética. Esto ocasiona la máxima transferencia de señal al medio en sentido perpendicular al centro de la antena.

La máxima propagación de la antena se da para las ondas perpendiculares al conductor (90º), disminuyendo de acuerdo se reduce el ángulo de transmisión de la señal. Así pues una onda totalmente paralela al conductor no se transmitirá ni un centímetro (0º - 180º).

NOTA: No se han representado todas las ondas de propagación, para evitar complicar el gráfico representativo.

Esta antena ofrece una gran direccionalidad, muy importante cuando se quiere establecer comunicaciones radioeléctricas entre dos puntos. Este tipo de antena era la que tenía el Titanic instalada entre las chimeneas de vapor.

Antena de Marconi.

De acuerdo a la distribución de la intensidad y de la tensión a lo largo de la antena Hertz, en el centro de la misma la tensión es cero, por lo tanto no existe ningún problema al conectarla a tierra.

En ese sentido, la porción de la antena marcada por A - B, se coloca verticalmente sobre la superficie conductora (en este caso la tierra). Esta superficie conductora va a reflejar la energía de manera que parece que ha sido radiada por la sección enterrada en ella (la parte enterrada de la antena).

Por lo tanto, realmente la antena de Marconi está formada por la sección A - B y la sección conductora de la tierra que formarán una sección de 1 / 2 de la longitud de onda de la señal.

La diferencia entre una antena y otra es que ésta segunda es omnidireccional, ya que su irradiación cubre todo el área a su alrededor.
Esta antena es la que usan las emisoras de radio comerciales.

Otras frecuencias de trabajo de las antenas de λ = 1 ÷ 2.

Ten en cuenta que si aumentas la frecuencia de la señal, los valores de V e I variarán formándose una onda completa.

Por tanto, cualquier múltiplo de la longitud de media onda (1λ; 1 - 1÷2λ; etc.) producirá similares condiciones de resonancia.

Características de las antenas.

De lo deducido, una antena es un dispositivo eléctrico que posee una ciertas características y que paso a enumerar.

Ángulo de irradiación.

Mientras menor sea el ángulo de irradiación, mayor será el alcance de las ondas reflejadas, ya que abarcarán mayores distancias.

Puedes ver que el ángulo de irradiación 2, llegará mas lejos porque es mayor que el primero, por lo tanto en su rebote, mayor será la distancia. Eso si, requieren mas energía que el primero.

En esta ángulo de irradiación influye la altura de la antena. Por ejemplo, una antena de media onda a la altura de su longitud de onda, irradiará aproximadamente a 16º. Para una antena de altura igual a una onda completa, el ángulo será de 7,5º aproximadamente.

También afecta la frecuencia sobre el ángulo de irradiación ya que a mayor frecuencia, menor influencia tiene el ángulo de irradiación.

Resistencia de irradiación.

El valor de la resistencia de irradiación no tiene nada que ver con la resistencia óhmica que ofrecen los conductores de la antena como podría ser el cableado, las uniones o materiales.

Impedancia de la antena.

La impedancia es la carga que ofrece la antena al punto en el cual va a recibir la señal para irradiar.

Cuando la antena es de 1 / 2 de onda en la frecuencia de funcionamiento, la impedancia en el centro de la misma coincide con la resistencia de irradiación.

Una antena de 1 / 2 de onda con una altura de 1 / 2 de onda de la frecuencia de funcionamiento, y alimentada por el centro ofrece una impedancia media de 72Ω.

Ganancia de potencia de antena.

Potencia irradiada.

Antena receptora.

Aunque será en el siguiente capítulo cuando empecemos con el estudio de los receptores de radio, hay que hablar de la antena receptora que será la encargada de recibir la señal irradiada por la antena transmisora.

La antena receptora, recibe la onda electromagnética y se induce una corriente eléctrica de frecuencia modulada que se aplica al receptor de radio para su posterior tratamiento y demodulación.

Hasta ahora hemos visto las antenas emisoras. Para las antenas receptoras se aplica el mismo principio, ya que el proceso es reversible.
La única diferencia es que la energía que se quiere transmitir con la primera tiene que ser eficaz y no producir perdidas, mientras que en la segunda no importa el diseño de construcción.

La razón principalmente es que para una cierta frecuencia debe de haber una antena con unas características específicas de construcción como por ejemplo una longitud específica. Mientras que la antena receptora este detalle no importa porque tiene un circuito selectivo que se encargará de coger la frecuencia que el receptor crea oportuna. Además los receptores actuales son tan selectivos que pueden tratar señales tan lejanas y débiles aunque estén rodeadas de otras frecuencias de la misma potencia o mayor potencia.

En la actualidas se han impuesto las antenas de ferrita fabricadas con materiales ferromagnéticos no conductores. Estas antenas permiten circuitos receptores muy sensibles.