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ANTENAS
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Es el momento adecuado para recordar uno de los principios más importantes a tener en cuenta cuando
estudiamos el comportamiento de las antenas.
La ley de Lenz para el campo electromagnético relaciona cambios producidos en el campo eléctrico en un conductor
con la variación de flujo magnético en dicho conductor, y afirma que las tensiones o voltajes inducidos sobre un conductor y los campos eléctricos asociados son de un
sentido tal que se oponen a la variación del flujo magnético que las induce.
Esta ley explica y permite prever el valor y sentido de las corrientes de primario y secundario de un transformador, y por ende el de las fuerzas electromotrices (E) que las acompañan.
Y si contemplamos las dos antenas (transmisora y receptora) como si fueran espiras virtuales de un transformador cuyo núcleo comparten a través del éter, el razonamiento nos
sirve para explicarnos que:
1.- Una antena inmersa en un campo electromagnético, si está en circuito cerrado genera corriente hacia el receptor. 2.- Una antena inmersa en un campo electromagnético y abierta genera un importante voltaje (FEM) inducido. 3.- Una antena en cortocircuito genera a su alrededor una SOMBRA porque anula el campo electromagnético que la excita. 4.- Como consecuencia del punto anterior, una antena en cortocircuito genera una perturbación desfasada 180º respecto de la del campo electromagnético que la alcanza.
PRINCIPIO DE RECIPROCIDAD:
El espectro de radiación, directividad y ganancia de una antena es similar se la hace funcionar en emisión y en
recepción, pues los fenómenos de reflexión, refracción e interferencia que se producen en la transmisión son recíprocos de los que se producen en la recepción.
A menudo nos acogemos a este principio para explicarnos fenómenos que se distinguen mejor observando el
funcionamiento en un sentido que en el otro.
Antena Monopolo: Es la configuración que nos ha servido para explicar el
fundamento de las antenas. Es la antena más sencilla y la más utilizada en frecuencias
discretas y aplicaciones sencillas.
Encontramos monopolos en estaciones particulares, portátiles, emisoras de pequeño
alcance…
…Pero también en enormes estaciones de gran potencia y alcance.
El diagrama de radiación es una rosquilla viciada hacia arriba.
Plano de Tierra.- El polo que falta debe tener potencial fijo (Tierra). Si la antena trabaja flotante, hay que
añadírselo.
Las instalaciones de radiodifusión de gran potencia instalan, en lugares estratégicos (cimas de montaña), grandes amplificadores (de kW) y enormes antenas.
Caja de sintonía.- Semejantes potencias obligan ajustar la sintonía para que las frecuencias aledañas no afecten a las emisoras
laterales intercalando filtros en "la base de antena".
El Monopolo es omnidireccional, y aunque casi siempre es una ventaja, no tiene gran alcance.
Los fabricantes han visto en ello una salida comercial que ha inundado el mercado de "varillas" que prometen
milagros tan solo porque SON MÁS LARGAS.
La única manera de ganar alcance es incluyendo direccionalidad, y para ello existen alternativas,
como la antena de Panel y la Yagi.
Antena Dipolo:
En lugar de conectar la rama inferior a tierra, se incorpora otra rama radiante en línea.
La distancia entre los extremos de ambas ramas debe ser, obviamente, 1/2λ, por eso le llamamos Antena de
Media Onda.
El diagrama de radiación es la típica "rosquilla". Si la antena no está sintonizada el alcance disminuye sensiblemente, pero aparecen lóbulos verticales.
Patrón normalizado para 1/2 λ Patrón normalizado para 1,5 λ
La popular antena "de cuernos" puede convertirse en un dipolo convenientemente ajustada, pero como permite
otras orientaciones es muy versátil.
La impedancia característica de una antena dipolo sintonizada es 75Ω.
Lejos de constituir una espira, el dipolo así construido contempla en la rama superior un elemento reflector que resuena con él y hace que la impedancia característica se
multiplique por 4: 𝑅𝑒(𝑍𝑒) ≈ 300Ω
Dipolo Doblado:
Si es necesario tener plena orientación, el dipolo se puede curvar. Es el caso de las antenas para
radiodifusión en la banda II (FM).
Dipolo Doblado:
Antena Yagi Uda:
Es la típica Antena de TV que observamos en los tejados.
En 1.926, en Japón, el Dr. Hidetsugu Yagi de la universidad imperial y su ayudante, el Dr. de Tohoku Shintaro Uda
desarrollaron una antena de estructura simple pero con un alto rendimiento.
Curiosamente quienes la aprovecharon en un principio
fueron los Europeos y Americanos. Los Japoneses
apreciaron su valor cuando, en la segunda guerra mundial
vieron su importante función en el radar de las fuerzas
aliadas.
El invento fue patentado por sus autores en el año 1.940.
Consta de un Boom donde se alojan transversalmente los Elementos.
De todos ellos el único que tiene conexión con el emisor (o receptor) es el Dipolo Activo, que normalmente suele ser un Dipolo Doblado al que, por analogía con el instrumento hay quien le llama Trombón.
El resto de elementos son pasivos (Parásitos, nombre demasiado riguroso al caso), y son Reflectores o Directores, dependiendo si
se encuentran delante o detrás del Dipolo Activo.
Al ser simples varillas, los ELEMENTOS son antenas en cortocircuito que captan la señal que emite el dipolo (en
transmisión) o la emisora (recepción) y la reflejan desfasada unos 180º.
La onda creada por el dipolo (color verde) se propaga en los dos sentidos.
El elemento parásito es una antena en cortocircuito y para hacerle honor a la Ley de Lenz, genera un campo desfasado
180º con la "intención" de anular el que le excita.
Jugando con la distancia entre ellos se puede realzar la emisión en alguno de los sentidos, lo que convierte a la antena en
Unidireccional. Este efecto se puede mejorar aún más.
Lo que se logra haciendo que el parásito esté fuera de sintonía, pues al ser capacitivo (corto) o inductivo (largo) introduce un
desfase que favorece la interferencia constructiva en uno de los sentidos.
El estudio en recepción y analizado con vectores es bastante aclaratorio.
El primer Director recibe una cresta de onda representada por el vector de color negro, vertical
Está en cortocircuito y por tanto su reacción es generar la corriente de sentido inverso para anular el campo en sus
alrededores (vector de color verde). Pero como es corto y su naturaleza es capacitiva, solo puede
generar un campo de corriente adelantado (vector de color azul).
Así las cosas, alrededor del elemento se genera un campo no nulo, representado por el vector de color rojo.
Ahora observemos el estado del segundo director, que "ve" la onda de la emisora retrasada debido a que está a mayor distancia
de ésta que el primero (vector negro).
Simultáneamente también es batido por la onda generada desde el primer director, que le alcanza con el mismo retraso (vector rojo).
Se puede apreciar cómo la perturbación que alcanza al segundo director es de de mayor amplitud que la que llegaría sin la
presencia del primer director.
Si se introducen más directores en el recorrido hasta el dipolo (convenientemente situados), el efecto es acumulativo y por tanto la ganancia de la antena aumenta considerablemente.
El reflector tiene que ejercer un efecto diferente, pues ha de reforzar el campo reflejado en sentido contrario.
Hay que contar con que la onda que alcanza al reflector debe "retroceder" hacia el dipolo, lo que conlleva un Retardo extra,
cuando en el caso de los directores era Adelanto.
Así, la corriente que puede generar el reflector ahora se retrasa, lo que da lugar al vector de color rojo.
Por lo tanto hay que pensar que el objetivo se conseguirá dotándole al elemento carácter inductivo y para ello se
construye más largo que el tamaño de sintonía.
Como al añadir más reflectores se produce un complicado cruce de trayectorias que debilita el efecto de reflexión, no se suele
instalar más de un reflector.
El reflejo del reflector en el dipolo, de color verde y el campo captado por la emisora en ese mismo momento (vector negro) también son
constructivos, reforzando por tanto el nivel de la señal captada.
En definitiva, podemos asegurar que los elementos capacitivos (cortos) favorecen la amplitud en el sentido de
su posición, y la atenúan en el sentido inverso. A estos elementos se les llama DIRECTORES.
El elemento inductivo (largo) favorece la amplitud en el sentido inverso. Se le llama REFLECTOR.
El resultado es una antena que ofrece una extraordinaria direccionalidad
A mayor número de Directores (no más de 15) mejor rendimiento. Sin embargo en lo referente a los reflectores, a
partir del primero no se gana de forma significativa.
La antena Yagi es la antena más popular porque es relativamente fácil de construir y muy eficiente.
Este aficionado ha errado en el tipo de
cable de conexión, pues el coaxial es
asimétrico y el dipolo requiere conexión
balanceada.
Antena de Panel: Es un condensador con armaduras en forma de cinta:
1.- Masa (Ground).- O plano de tierra. 2.- Superficie radiante.- Es la armadura activa, que recibe la señal a transmitir o entrega la señal recibida, según el caso.
La frecuencia de trabajo depende de:
1.- Longitud L.- Suponiendo que la forma es rectangular, aunque pueden adoptarse otras formas. 2.- Anchura W.- Sirve lo dicho para L. 3.- Permitividad del dieléctrico (εr).- Obviamente, la capacidad del condensador construido interviene de forma notable y por ende, la naturaleza de su dieléctrico.
𝑓𝑐 ≈𝑐
2𝐿 ε𝑟=
1
2𝐿 ε0ε𝑟μ0
La anchura (W) interviene en el parámetro impedancia
La antena de panel solo radia en el sentido de la armadura activa, lo que hace que su ganancia sea
elevada.
A este tipo de antena también se le llama De Parche y Microstrip
(microcinta):
Para frecuencias elevadas resultan unas dimensiones muy pequeñas, lo que permite
construirlas como verdaderos circuitos impresos.
Son una muy buena alternativa para mejorar el alcance Wi-Fi, pero hay que contar con su extrema
direccionalidad.
Antena Parabólica:
No es una antena sino un Reflector.
Es el reflector más conocido popularmente, pues se utiliza en la recepción de las emisiones de TV doméstica por satélite.
Como no tiene que resonar, sino reflejar, la parábola tiene tanto más rendimiento cuanto mayor
sea.
En el foco de la parábola se instala el receptor propiamente dicho.
La parábola no tiene porqué ser sólida. Una estructura de alambre permite construirla mucho más liviana y soportar mejor las ráfagas de aire
Si geométricamente es viable, la antena instalada en el foco puede ser de cualquier tipo.
Es muy familiar la pseudoparabólica que se comercializa para captar la TV en interiores, pero su estructura es
solo parecida a la de una parábola real.
A partir de 1 GHz las pérdidas del cable, aunque sea coaxial, son muy elevadas. La alternativa es el uso de tubos
metálicos que confinan toda la energía en su interior.
El cálculo de las formas y tamaños, basado en las ecuaciones de Maxwell, exige una adecuada especialización.
Cariñosamente, a los técnicos que se dedican a ello les llamamos "Fontaneros".
Guias de onda:
Para la emisión de las ondas guiadas al éter y para su captación se tallan ensanchamientos, lo que les da
forma de Bocinas.
El control de las formas, tanto de entrada como de salida permite una polarización precisa que introduce un
determinante factor de selectividad.
Bocinas:
Como se acaba de indicar, la señal de microondas que emiten los satélites es de una frecuencia demasiado elevada (más de 10 GHz) para poder ser guiada por cable coaxial corriente, y en las aplicaciones domésticas (TV
satélite) no es práctico el uso de guías de onda.
La solución adoptada es hacer que antes de entrar "en casa" la señal sea convertida a una frecuencia menor llamada Frecuencia
Intermedia mediante un LNB que se instala en el foco de la antena.
El LNB:
El acrónimo LNB significa L (Low) N (Noise) B (Block). Se le da especial importancia al Bajo Ruido porque en el proceso de conversión de frecuencia los sistemas tradicionales generan demasiados parásitos y para esta aplicación se requiere algo
especial.
Frecuencia Intermedia.- El LNB convierte las señales que envía el satélite en la banda Ku (10,7 a 12,75 GHz) a una
Frecuencia Intermedia del orden de 1GHz.
El primer bloque de un LNB es la antena de microondas, una Bocina (horn) resonadora.
En la base de la bocina se encuentra tallada la forma que complementa la selección de la frecuencia y polarización
deseadas.
A continuación viene la electrónica, que en las primeras etapas incorpora transistores de Arseniuro de Galio
para conseguir el imprescindible bajo ruido.
En los LNB domésticos la alimentación, que suele ser de entre 12V y 15V, suele ir por el mismo cable coaxial de
salida (frecuencia intermedia).
Para obtener la señal de un determinado satélite no basta con orientar la parábola en la dirección
geográfica adecuada.
Hay que tener en cuenta la polarización, para lo cual se ha de girar la posición del LNB en el ángulo correcto.
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