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Nociones muy básicas sobre antenas Diego R. Rodriguez Herlein – LW1DQ [email protected]

Cuando compramos una antena (por ejemplo una ringo), debemos realizar ciertos ajustes antes de instalarla. En general, y siguiendo con el ejemplo, debemos ajustar la longitud del irradiante en función de la frecuencia en que la vamos a operar. Luego, con un medidor de R.O.E., debemos ajustar el famoso “gama” hasta obtener el preciado 1 a 1. Este sencillo procedimiento de ajuste, lleva implícito dos conceptos básicos inherentes al funcionamiento de las antenas en general: Resonancia y adaptación de impedancia. Cuando nosotros ajustamos la longitud del irradiante, mediante las tablas provistas por el fabricante para una frecuencia determinada, lo que en realidad estamos haciendo es lograr que la antena entre en resonancia o “resuene” en dicha frecuencia. Por el contrario, cuando ajustamos el “gama” de la ringo para lograr que no halla potencia reflejada (ROE 1:1), lo que estamos haciendo en realidad es adaptar la impedancia de entrada de nuestra antena con la línea de transmisión (coaxial). Si bien ambos ajustes son imprescindibles para el funcionamiento óptimo de la antena, en general dichos ajustes pueden ser independientes y, en muchos casos, se trabaja con sólo uno de ellos, no logrando de esta forma, el buen funcionamiento de la antena; por ejemplo cuando se ajusta la antena con el medidor de ROE, logrando una relación 1:1, pero, rendirá la antena? Para contestar esta pregunta debemos introducirnos más en estos conceptos. Partamos de una soga (por ejemplo, la soga para colgar la ropa) tal que ambas puntas estén fijas a la pared. Si la pulsamos, vemos que aparece una perturbación que se propaga hasta “chocar” con la pared y regresa sobre si misma hasta nuestra posición. Esta perturbación no es otra cosa sino una onda que se propaga por un medio: la soga. En toda onda que se propaga por un medio determinado, cuando llega a una interfase (superficie que separa dos medios diferentes, en nuestro caso soga-pared), una parte de ella se propaga o refracta (sigue su camino original, y continua por el medio siguiente) y la otra parte se refleja y regresa en sentido contrario. Dependiendo de las características de los medios que forman la interface (en este caso la soga y la pared), es la proporción de la onda que se refleja y que se refracta. En nuestro caso, prácticamente la totalidad de la onda es reflejada y nada se transmite a la pared.(nada continua en el sentido en el que venía propagándose la onda). Esto es lo que pasa en nuestra antena. La característica del medio de transmisión (coaxial) esta dado por su impedancia característica (nominalmente 50 ohms). En él, nuestra onda viene propagándose en dirección a la antena. Cuando llega al final del coaxial y comienzo de la antena (interfase) nuestro objetivo es que la totalidad de la potencia pase a la antena y nada regrese al transmisor por el coaxial. Para lograr esto, la antena tiene que tener también 50 ohms de impedancia, de manera que la onda “no se entere” que cambio el medio y no exista potencia reflejada. (toda la potencia que genera nuestro transmisor esta disponible en la antena). A esta operación, de ajustar la impedancia de entrada de la antena, para que coincida con la del coaxial se la llama adaptación de impedancia y es lo que logramos ajustando el gama de nuestra ringo. La adaptación perfecta es prácticamente utópica, pero los resultado que se pueden lograr son más que buenos, pues la fracción que se refleja es muy pequeña.

Volvamos a nuestro ejemplo de la soga. Si en vez de pulsarla una sola vez, la pulsamos constantemente, tenemos un tren de perturbaciones que se desplazan hacia la pared. Cuando estas llegan al final de la soga, se reflejan en la pared y regresan por la soga en sentido contrario. Así, como continuamos pulsando la soga, coexisten ondas que se propagan en dirección a la pared y las que regresan. El resultado de estas ondas que van y vienen (sumando punto a punto cada onda) es una onda fija que no se desplaza. Es decir, el resultado de la suma de todas las ondas que se desplazan en la cuerda en ambas direcciones, es una onda fija en el espacio, o sea, quieta con respecto a la soga. A esta onda que se forma se la llama onda estacionaria. De esta manera, la relación (cuando hablamos de relación en matemáticas, hablamos de división) que existe entre la amplitud de la onda estacionaria y de la onda incidente (la que sale de nuestro transmisor, es decir, la que se propaga hacia la pared) se denomina relación de onda estacionaria o, simplemente su sigla ROE. Obviamente, deseamos que la onda estacionaria sea nula, pues ello implicaría que no existe la onda que se refleja y regresa, es decir, toda la potencia se transmite al siguiente medio (antena o, en el ejemplo, pared). Como vemos, el 1 a 1 de ROE, no garantiza el rendimiento de la antena. Lo que garantiza es que toda la potencia disponible llegue a la antena y que nuestro tranceptor no se destruya por la proporción de potencia que podría regresar por su reflexión en la interfase. Cuando uno piensa en ROE y adaptación de impedancia, instantáneamente piensa en un TRANSMACH. Un transmach no es otra cosa que un para de capacitores variables y una bobina, también variable, conectadas en forma de T. Cuando lo conectamos entre el equipo y el coaxial, y lo ajustamos, lo que estamos haciendo, en general, es engañar al sistema y, de esta manera, lograr que no exista potencia reflejada entre el transmach y el equipo. Sin embargo, como resulta muy evidente, no logramos ninguna mejora en la interfase coaxial-antena, en donde seguirá existiendo potencia reflejada que será absorbida por el transmach. El beneficio es que logramos proteger nuestro tranceptor y, en el caso de los equipos modernos que limitan su potencia en la existencia de ROE, obtenemos, a su salida, toda la potencia que es capaz de entregar. Este es el único beneficio que obtenemos, pues en lo que se refiere a nuestra estación no hemos mejorado nada más, en la antena estará disponible la misma potencia para ser irradiada que cuando no teníamos el transmach. Por esta razón el transmach es un “parche” y no una solución a un problema. Es una solución de compromiso para salir del paso, pero de ninguna manera reemplaza a una buena adaptación de impedancias. Este concepto se hace más evidente cuando utilizamos el transmach para ajustar como antena las cosas más descabelladas, por ejemplo, una puerta metálica: de hecho podemos ajustarla, lograr el 1:1 de ROE entre el equipo y el transmach, que el equipo entregue sus 100 vatios y no se queme, pero acaso Ud. cree que vamos a poder comunicar con alguien? A Ud. le parece que va a rendir de la misma forma un dipolo perfectamente adaptado y un dipolo con un ROE importante “transmacheado”? Vimos que no. La respuesta es obvia, pues si bien suponemos que ambos dipolos están resonando correctamente en la frecuencia de transmisión, al dipolo “transmacheado” le llega mucha menos potencia que al dipolo ajustado. El otro concepto en juego vimos que es la RESONANCIA. El concepto de resonancia es bastante más complejo. En el banco de preguntas para el ingreso a la categoría “Novicio” se define que existe resonancia en un circuito eléctrico cuando la reactancia capacitiva (Xc) es igual a la reactancia inductiva (Xl) en el circuito. Este concepto es realmente muy poco útil. Creo que la forma de ver este concepto un poco más claro es observar la resonancia mecánica y después llevarlo a nuestra antena.

Todo elemento tiene una frecuencia propia o natural en la que es capaz de oscilar. Como primer ejemplo de esto, veamos el primer ejemplo que me dio en la Facultad de Ingeniería, mi profesor de Física I. Decía mi profesor que “algunos muchachos que no tenían nada mejor que hacer, en una triste época de nuestra historia, se dedicaban a volcar e incendiar vagones de trenes utilizando la resonancia” y estas son palabras casi textuales, según las recuerdo. Para ello, se paraban en las dos puertas del vagón, a ambos lados, y comenzaban a saltar sincronizados: primero los de un lado, después los del otro y nuevamente los del primer lado. De esta manera, el vagón comenzaba a oscilar con una pequeña amplitud. A medida que esta secuencia se iba acercado a la frecuencia natural o de resonancia la amplitud de esas oscilaciones era cada vez mayor. Cuando llegaba justamente a la frecuencia de resonancia la amplitud de la oscilación era tan grande que volcaban el tren. Cada sistema mecánico, eléctrico, etc. tiene definida su frecuencia de resonancia que es fija y única para cada uno de ellos. Es inherente a sus características. En el caso de un circuito eléctrico depende del valor de la inductancia y del valor del capacitor y, una vez fijados estos valores existe una única frecuencia para la cual Xc = Xl, es decir resonancia. La resonancia es la causa que los soldados rompan el paso para cruzar un puente, pues en el caso que todos ellos, al unísono, lo pulsaran a su frecuencia natural (de resonancia), el puente oscilaría más allá de sus límites de elasticidad y se destruiría. En el caso de las antenas la frecuencia de resonancia esta dada, en general, por la longitud del elemento excitado. No es casualidad que calculemos los dipolos para cada banda, de media longitud de onda, justamente para que resuene en la frecuencia que queremos trabajar. La resonancia de nuestra antena nos va a permitir que las magnitudes eléctricas que genera nuestro tranceptor (tensión y corriente) sean transformadas más eficientemente en una onda electromagnética. Una buena forma de pensar la resonancia, aunque no del todo ortodoxa, es pensar que la resonancia es la adaptación de impedancia de la antena con el espacio. Es decir, nos permite asegurar si existe resonancia, que toda la potencia existente en la antena pasa (se irradia) al espacio. Volviendo al ejemplo de ajustar una puerta metálica, con una transmach, como antena, podemos ahora ver que si bien el equipo no se destruye, de la pequeña fracción de potencia que llega a ella (debido a la desadaptación que existe entre el coaxial y la puerta), una fracción todavía más pequeña llega al espacio (debido a la no resonancia de la puerta a esa frecuencia). El ajuste de la resonancia de la antena, como vimos anteriormente, se realiza ajustando la longitud del elemento, según tablas provistas por el fabricante o, en el caso de los dipolos, haciendo algunas cuentas. De esta forma, los resultados son más que aceptables. Sin embargo, si quisiéramos hacer un ajusta mucho más fino, deberíamos utilizar un medidor de campo y, alimentando la antena siempre con la misma potencia, modificar la longitud del elemento para obtener la máxima lectura. La máxima lectura implica que la energía irradiada por esta al espacio, es la máxima posible, es decir, esta resonando a esa frecuencia. Estos son, en rasgos muy generales, los conceptos más importantes de las antenas. Digo en rasgos generales, pues si bien analizamos una ringo, los conceptos son válidos para todas las antenas y sin embargo, existen un sin fin de casos particulares en distintas antenas, como por ejemplo, como se adapta la impedancia en un dipolo?. Para no quitarle generalidad a lo escrito, dejamos estos casos particulares para la próxima.