Autor Tema: Clase Nº 8  (Leído 843 veces)

LU7HA

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Clase Nº 8
« en: Junio 23, 2020, 01:31:54 pm »
                                                              EMISIÓN Y RECEPCIÓN DE LAS ONDAS


                       Antena Dipolo


Cuanto más baja sea la frecuencia, más grande deberá ser la antena. Una buena antena transmisora para HF debe tener una longitud de al menos un cuarto de onda y debe estar lo suficientemente alta para enviar las señales hacia el horizonte con los menos obstáculos posibles. Aunque para recepción puede ser una antena pequeña y cercana al suelo, una antena grande y alta trabaja mejor para ambos casos.
¿Donde consigo los materiales?
En las tiendas de radio tienen cable coaxial RG-58, aisladores y cable multifilar que son perfectos para construir dipolos. Yo normalmente me construyo mis aisladores con
algún pedazo de plástico o con tuberías de plástico de las que venden en las ferreterías.
Si dispones de árboles, un tejado o algún objeto alto donde puedas sujetar la antena, estas de enhorabuena. Sujétala lo más alto que puedas.
Al contrario que en bajas frecuencias, en altas frecuencias, como televisión en VHF o radio FM, la longitud ideal de una antena eléctrica es de un metro aproximadamente.
Aunque puedes usar una pica metálica introducida en tu césped para el camino de “tierra” en tu TV, es mucho más sencillo usar una segunda antena corta orientada 180º
respecto a la antena “real”. Esta doble antena se llama “dipolo” y es el diseño de la antena más básica comúnmente usado en la radioafición y antenas de TV. Aunque no es
obvio, el conjunto de tubos metálicos delgados en lo alto de un tejado son justamente refinamientos de la “antena dipolo” básica. Una antena de radioaficionado común y
versátil es el dipolo mostrado abajo. En general en la frecuencia más baja, el dipolo debe ser más grande para que pueda funcionar bien. Un dipolo típico de radioaficionado
es el que se muestra abajo.




                                                                                                                                                  Calculo antena Dipolo
                                                     L=  150 x K / f en  MHz   = 150 x 0,95/f   =  142.5/f
                                                                                                                                                         
                                                                 
Hay que advertir de antemano que el tema de las antenas es de por sí muy extenso y de desarrollo bastante complejo. En esta parte solo se tratarán de forma somera los principios básicos que intervienen en la operación eficiente de las antenas y se describirán algunos de los tipos más comunes de antenas usados por los radioaficionados. Si alguno estuviese interesado en ampliar sus conocimientos acerca de las antenas o profundizar en los conceptos generales que aquí se tratan, recomendamos remitirse a las muchas publicaciones que existen sobre este tema.


                     Características de las antenas: La resonancia y longitud

Las antenas son circuitos oscilantes cuyo propósito es irradiar o recibir las ondas electromagnéticas, por lo que el diseño de las mismas está dirigido principalmente a que éstas irradien la mayor cantidad de energía o reciban la mayor energía posible para una frecuencia determinada. Las características de una antena son iguales ya sea que se use para transmitir o para recibir, por lo que se puede afirmar que una buena antena en transmisión será también una buena antena en recepción.
Una antena es eficiente cuando todas las características eléctricas de la antena están en un perfecto estado de balance para una frecuencia de trabajo determinada (frecuencia de resonancia) por lo que circula la mayor cantidad de corriente en la antena. Una antena en ese estado se dice que está resonante en esa frecuencia de trabajo. No obstante, en el rendimiento de la antena influyen ciertos factores, como las dimensiones de la antena, la impedancia, la altura, la ubicación, etc.
Un circuito resonante actúa como un péndulo donde oscilan valores determinados de corriente y voltaje a todo lo largo del mismo. La antena es un circuito oscilante en la que la resonancia está determinada por la frecuencia de la oscilación de los distintos valores de corriente y voltaje a lo largo de la antena en relación con la longitud de la misma. Es comparable con el rebote continuo de una pelota de básquetbol en donde la frecuencia (el impulso que recibe la pelota) para mantener el rebote constante es relativo a la altura desde la cual la hacemos rebotar.
Existe una relación entre la resonancia de la antena y la longitud eléctrica del conductor con
respecto a la longitud de onda de la frecuencia de trabajo. La fuerza del campo electromagnético irradiado por la antena dependerá de la longitud del conductor irradiante y de la magnitud de corriente que fluye por el mismo. Mientras más cantidad de corriente fluya por el conductor mayor será el campo electromagnético irradiado y existirá mayor cantidad de corriente cuando la antena es resonante en la frecuencia de trabajo.
Una antena será resonante para una frecuencia determinada (frecuencia de trabajo) cuando su longitud física se acomoda a un ciclo del recorrido completo de la carga eléctrica de un extremo al otro de la antena y de regreso.
Si la velocidad en que viaja la carga eléctrica es la velocidad de la luz, o sea 300,000,000 metros por segundo, la distancia que cubrirá la carga eléctrica en un ciclo de la frecuencia de resonancia corresponderá a la longitud de la onda; o sea, la velocidad de la carga dividida entre la frecuencia (en ciclos por segundos) dará como resultado la longitud de la onda (?*= 300,000.000 / ƒ ).
Aplicando la ecuación anterior obtendremos que para obtener la longitud de la antena en metros (l) tendremos que l (metros) = 300 / ƒ (MHz) cuyo resultado será la longitud eléctrica de la antena, o sea su longitud estrictamente teórica, sin tomar en cuenta los otros factores que hemos mencionado que influyen para que una antena alcance la resonancia. Pero, en la práctica, la longitud física de la antena es menor que la longitud eléctrica debido a que la velocidad de la carga es afectada por objetos próximos a la antena, el diámetro del conductor, la altura de la antena, etc.. Por lo tanto es necesario hacer en la fórmula un ajuste a la velocidad de la carga de aproximadamente un cinco por ciento (5%) para obtener la longitud física de la antena expresada en metros: l = (300 – 5%) / f (MHz.) o sea:
I = 285 / ƒ (MHz.)
Como en un ciclo la carga atraviesa el circuito dos veces (ida y vuelta), la longitud física mínima del conductor para que la carga viaje una distancia equivalente al largo de una onda (1?Ó), será de la mitad (½?f). Por lo tanto, la longitud física mínima de una antena para que sea resonante será de media onda: l = 142.50 / ƒ (MHz.)
Como la velocidad de la carga siempre será la misma, solamente hay dos alternativas para hacer resonante una antena: Siendo fija la longitud de la antena hay que ajustar la frecuencia para encontrar la resonancia, o siendo fija la frecuencia habrá que ajustar la longitud del conductor para hacerlo resonante a esa frecuencia.
Distribución de la corriente y el voltaje en la antena: La impedancia
La fuerza del campo electromagnético irradiado por una antena depende de su longitud y de la
magnitud de la corriente que fluye por la misma. Por lo que es deseable que circule por la antena la mayor cantidad de corriente posible, y existirá la mayor cantidad de corriente cuando la antena es resonante. Si se miden los valores de la corriente y de voltaje en diferentes punto a todo lo largo de la antena observamos que la corriente (intensidad) y el voltaje (tensión) se contraponen a todo lo largo del conductor y que habrá mayor corriente en los puntos correspondientes a un cuarto de onda (¼ ?<) y sus múltiplos impares.

         

La impedancia de la antena es el resultado de la relación entre el voltaje y la corriente existente en cualquier punto de la antena. La relación existente entre el voltaje y la corriente en un punto determinado de la antena determinara la impedancia que presenta la antena en ese punto. Si alimenta mos la antena en la frecuencia correspondiente a su resonancia, la impedancia de la antena coincidirá con la resistencia de radiación, la cual consiste en una resistencia ideal o ficticia en la que será mayor el campo electromagnético irradiado. En ese punto de alimentación tendremos un máximo de corriente creada por la potencia entregada la cual será disipada por la antena.
Como la impedancia de la antena guarda estrecha relación con la magnitud de la corriente en la
antena; tendremos el máximo de impedancia en los extremos de la antena en donde existen los mínimos de corriente y el máximo de voltaje. Si se alimenta a la antena en este punto se dice que la antena está alimentada en voltaje. Cuando la antena es alimentada en un punto de máxima corriente y mínimo voltaje la impedancia será menor y en este caso se dice que la antena está alimentada en corriente.
La impedancia es un factor que se encuentra en todos los circuitos en donde existen reactancias
capacitivas, reactancias inductivas y resistencia; por lo tanto, el factor de impedancia también existe en la antena, en la línea de transmisión y en nuestro equipo de radio, por lo que todos estos elementos del sistema deben acoplarse.
Anchura de banda
Consiste en la escala de frecuencias en que puede funcionar una antena sin que ésta sobrepase
una magnitud determinada de relación de ondas estacionarias que surja en la línea de transmisión.
Características de irradiación de las antenas
El radiador isotrópico es una antena teorética cuya característica es que irradia igual intensidad de energía en todas las direcciones y se utiliza como unidad comparativa de medida del poder de irradiación de las antenas.
El dipolo ideal es una antena que se usa también como punto de referencia comparativo para la medida del poder de irradiación de las antenas.
La ganancia de una antena es la medida de la concentración del poder entregado por la antena
(en relación con su directividad), y su unidad se expresa en decibeles (dB) que es la medida de la relación de poder de la antena con un cambio detectable en la fuerza de la señal de la antena, mirado como valor actual del voltaje de la señal. La ganancia de la antena cuando ésta es comparativa con el radiador isotrópico se expresa (dBi) que significa decibeles sobre radiador isotrópico.
La ganancia de la antena cuando es comparativa con el dipolo ideal se expresa (dBd) que significa decibeles sobre el dipolo ideal. En condiciones de laboratorio la unidad de ganancia del dipolo ideal (dBd) equivale a 2.15 dbi.
La directividad de la antena es la capacidad de una antena para concentrar el máximo valor de radiación en una dirección deseada seleccionando el objetivo a donde se desea llegar con más energía irradiada. Dependiendo de la dirección en que pueden irradiar las antenas podemos clasificarlas en antenas omnidireccionales y .antenas direccionales.
Las antenas omnidireccionales son aquellas antenas que irradian un campo igual en una circunferencia cuyo centro es la antena.
Las antenas direccionales o antenas directivas son aquellas antenas que permiten dirigir su
campo de irradiación hacia uno o más lugares específicos.



Irradiación de la antena omnidireccional y de la antena direccional
Un diagrama de radiación es un gráfico que muestra la fuerza de radiación de una antena en todas las direcciones alrededor de la misma, abarcando 360°_en el plano horizontal o de 0°_a 180°_en el plano vertical. Normalmente estos gráficos se trazan en coordenadas cartesianas o polares y son muy valiosos para los radioaficionados para determinar la efectividad de la antena con respecto a su directividad, el ángulo de radiación y la relación pecho-espalda de la antena. Siendo estos factores muy importantes para el efectivo trabajo de DX.

                       


dipolo multibanda

                       


Las antenas direccionales:
 De acuerdo con la forma en que irradian, hay antenas que “enfocan” el haz de radiación hacia un punto determinado. Una de las forma más conocidas es la antena Yagi-Uda denominada así en honor a los profesores universitarios japoneses Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda que la inventaron en los años 20, aunque por los común se le conoce simplemente como antena Yagi. Como modelo típico de antena direccional, consiste en un dipolo que actúa como elemento radiador principal, conjuntamente con un elemento reflector y un elemento director con el propósito de orientar la máxima potencia de energía transmitida en la dirección deseada.


           



Dipolo Walmar


             




                     La onda y el campo electromagnético

 Siendo la radiocomunicación el resultado de una eficaz emisión y recepción de ondas electromagnéticas es preciso entender aunque sea de forma sucinta como se irradian estas ondas y como se trasladan desde nuestra antena hasta la antena del colega que nos recibe. Ya hemos dicho que la energía aportada a un circuito puede transformarse en otras formas distintas de energía, como la electromagnética. Siempre que fluye una corriente eléctrica por un conductor se produce un campo electromagnético que rodea al conductor, cuya orientación será simétrica a la dirección del flujo de la corriente, y su intensidad y duración será proporcional a la de la corriente que fluye por el conductor.
Al suspenderse el flujo eléctrico en el conductor, el respectivo campo electromagnético a su vez
colapsa hacia el conductor. Si debido a la acción de capacitores e inductores, que hacen oscilante o resonante el circuito, invertimos en éste sucesivamente la dirección del flujo de electrones, con una velocidad suficientemente alta para exceder el tiempo que le toma colapsar el respectivo campo electromagnético que rodea al conductor; cada vez que se invierta el sentido del flujo de electrones se producirá otro campo electromagnético proporcional en intensidad al que existía antes, pero cuya orientación electromagnética será totalmente opuesta, lo que impedirá que el primero colapse totalmente hacia el conductor y, en cambio, sera impulsado hacia el espacio en forma de onda electromagnética.


                     El plano de la onda y la polarización
La onda electromagnética irradiada está compuesta por dos campos de energía: el campo eléctrico y el campo magnético y la energía de la onda se divide equitativamente entre estos dos campos los cuales se expanden por el espacio perpendicularmente entre sí a 300,000,000 metros por segundo, o sea a la velocidad de la luz.
La onda se expande en el inmenso vacío del espacio como una esfera, en todas direcciones, y
llega el momento en que se puede representar como una superficie plana (justamente como se representaría sobre el papel un mapa de la superficie de la tierra). Este plano que representa la onda cuando se encuentra lo suficientemente alejada de su punto de origen se denomina plano de la onda.
El plano de onda indica el sentido de la polarización de la onda conforme sea la dirección de las líneas que representan el campo eléctrico.


                 


Intensidad de campo:
La fuerza de la onda electromagnética se mide en términos del voltaje que existe entre un punto
de una línea del campo eléctrico y otro en el plano de la onda. La unidad de longitud es el metro y dado que usualmente el voltaje de una onda electromagnética es muy bajo, la medición es hecha en microvoltios por metro

Longitud de onda:
A la acción del electrón de atravesar completamente el circuito oscilante de una antena, de un
extremo al otro y regreso, se le denomina ciclo. La cantidad de veces que el electrón atraviesa el conductor ida y vuelta en un segundo corresponde a los ciclos por segundo, que es la unidad de medida de la frecuencia. Hoy en honor a Heinrich Rudolph Hertz la medida de la frecuencia se expresa en hertzios o hercios (Hz.), lo que equivale a ciclos por segundos, y sus exponentes decimales son los
kilohercios (Khz.), megahercios (MHz.) y giga hertzios (GHz.).
1,000 hercios (Hz.)= 1 kilohercio (KHz.)
1,000,000 hercios = 1 megahercio (MHz.)
1,000,000,000 hercios = 1 gigahercio (GHz.)
Existe una relación bien definida entre la frecuencia y la velocidad con que se propaga la onda
electromagnética. Siendo que la frecuencia de una onda es el número de ciclos completos que ocurren en cada segundo y que las ondas electromagnéticas se expanden hacia el espacio a la velocidad de la luz, o sea a 300,000,000 metros por segundo, y que esa velocidad es constante e invariable, sepuede derivar la distancia que existirá en un momento dado entre dos puntos correspondientes en planos de ondas consecutivos. Esa distancia se conoce como la longitud de onda y se representa con el signo griego lambda “”
Como la longitud de la onda solamente variará si varía la frecuencia y viceversa, la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia. A más alta frecuencia menor será la longitud de onda y a más alta longitud de onda, mas baja la frecuencia.
1,000 hercios (Hz.)= 1 kilohercio (KHz.)
1,000,000 hercios = 1 megahercio (MHz.)
1,000,000,000 hercios = 1 gigahercio (GHz.)
Longitud de onda = velocidad / frecuencia
lambda=  Velocidad de la luz/frecuencia
Donde (lambda) es la longitud de la onda en metros
y (f) es la frecuencia en hertzios del movimiento ondulatorio. La longitud de la onda se mide en metros, aunque las ondas muy cortas pueden medirse en centímetros y hasta milímetros.

                 



                            Espectro electromagnético

                       




                                  Frecuencias Subdivisión métrica Denominación

3 a 30 KHz Ondas miriamétricas VLF (Frecuencias muy bajas)
30 a 300 KHz. Ondas kilométricas LF (Frecuencias bajas)
300 a 3000 KHz Ondas hectométricas MF (Frecuencias medias)
3 a 30 MHz Ondas decamétricas HF (Frecuencias altas)
30 a 300 MHz Ondas métricas VHF (Frecuencias muy altas)
300 a 3000 MHz Ondas decimétricas UHF (Frecuencias ultra altas)

3 a 30 GHz. Ondas centimétricas SHF (Frecuencias super altas)
30 a 300 GHz. Ondas milimetricas EHF (Frecuencias extremadamente altas)


                                 Características de las líneas de transmisión:

Por lo general las antenas se instalan algo lejos del equipo de radio y de alguna manera hay que
llevar la energía de radio frecuencia (RF) hasta la antena con la mínima pérdida y sin que ésta se irradie. Tal es la función de las líneas de transmisión.
Usualmente empleamos el término línea de transmisión para referirnos principalmente a los cables que llevan la energía de radio frecuencia de nuestro transceptor a la antena y viceversa; no obstante, también se consideran líneas de transmisión las líneas que conectan nuestros equipos entre sí.
Es importante que las líneas de transmisión no irradien la energía, sino que la transporten con el máximo rendimiento posible.





Existen varios tipos de líneas de transmisión y cada uno tiene particularidades propias para ser
más eficiente en determinadas aplicaciones, por lo que hay que conocer las características físicas y las características eléctricas que distinguen a los diferentes tipos de líneas de transmisión.
De acuerdo a las características físicas las las líneas de transmisión pueden ser: paralelas o bifiliares y coaxiales por razón de la forma en que están dispuestos los conductores que la integran.
Las líneas paralelas o bifiliares están conformadas por dos conductores paralelos e independientes.
Este tipo de línea presenta algunas ventajas e inconvenientes. Los campos electromagnéticos
que generan los conductores iguales y paralelos se anulan entre sí, evitando que la línea irradie
y, siendo el aire el dieléctrico que aísla los conductores, tienen mínimas pérdidas. Sin embargo, las líneas paralelas son más difíciles     

de instalar y son afectadas por los objetos metálicos cercanos además de ser capaces de causar interferencia o de captar ruidos del entorno.
Las líneas coaxiales están formadas por conductores concéntricos (un conductor interno
central y otro externo en forma de malla) que están aislados entre sí por un dieléctrico que
puede ser de polietileno, vinilo u otros materiales,  y protegidos por un forro externo, adquiriendo una forma cilíndrica.
Aunque las líneas coaxiales tienen una mayor perdida de energía que las líneas paralelas por causa del material dieléctrico, el conductor

                 



Aunque las líneas coaxiales tienen una mayor perdida de energía que las líneas paralelas por causa del material dieléctrico, el conductor externo o malla del coaxial actúa como un “escudo” (motivo por lo que en inglés se le denomina “shield”) que confina dentro de la línea los campos electromagnéticos generados en los conductores lo que impide la irradiación de radiofrecuencia y la captación de ruidos del entorno en toda su longitud.
Además, dichas líneas son mucho más prácticas ya que son más fáciles de instalar y manejar.
De acuerdo a las características eléctricas, las líneas de transmisión pueden ser: líneas balanceadas o líneas desbalanceadas conforme esté equilibrado el factor de impedancia existente en los conductores que la integran.
Las líneas paralelas son líneas de transmisión balanceadas lo cual implica que el factor de impedancia de cada uno de los conductores que la integran es similar. En cambio, los coaxiales son líneas de transmisión desbalanceadas en virtud de que el conductor concéntrico o malla del coaxial es de mayor volumen que el conductor central del coaxial, por lo que es imposible que ambos conductores tengan el mismo factor de impedancia. Al acoplar una línea coaxial para alimentar una antena balanceada, como por ejemplo: un dipolo (que reparte la carga de forma pareja entre sus dos ramales iguales) se produce en el coaxial un efecto de desbalance que hará fluir una corriente neta de regreso por la parte externa de la malla del coaxial, produciéndose una irradiación no deseada en el mismo coaxial. La solución para cancelar esta corriente neta es intercalar entre la línea coaxial y la antena balanceada (dipolo) un dispositivo denominado “balun” cuyo nombre proviene de la contracción de las palabras en inglés “balanced-unbalanced”.

Relación de las Ondas Estacionarias (ROE)
Expresamos antes que si la onda de radiofrecuencia, al atravesar la línea de transmisión, encuentra una variación en la impedancia, parte de su energía será reflejada de regreso hacia la fuente de transmisión. Esta energía devuelta que fluye a través de la línea en sentido contrario, en forma de onda reflejada se suma vectorialmente a la onda incidente, produciendo las ondas estacionarias
La relación entre los valores máximos y mínimos de voltaje y de corriente de radio frecuencia
en la línea se denomina relación de ondas estacionarias (ROE) o, en ingles, “standing wave ratio (SWR)”, y constituye una medida de relación de desajuste entre la impedancia de la línea de transmisión y la carga (antena )

Instrumento para medir la ROE














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