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La Antena
Una Antena convierte la energía eléctrica de alta frecuencia,
entregada por el transmisor, en ondas electromagnéticas que pueden viajar por el
espacio, llevando la información hacia uno o varios receptores.
Cuando Hertz realizó sus primeros experimentos sobre la transmisión inalámbrica
de ondas electromagnéticas, empezó a utilizar las antenas. Pero las antenas, tal
como las conocemos hoy, se originaron en los experimentos de Marconi y Popov,
que desarrollaron las primeras tecnologías sobre este importante aspecto de las
radiocomunicaciones.
Una antena es básicamente un pedazo de material conductor que está conectado al
transmisor. Este conductor es generalmente un alambre de cobre o una varilla de
aluminio, material muy utilizado debido a su buena resistencia y bajo peso.
Una antena, para que cumpla su función correctamente, debe tener un determinado
tamaño, forma y estar construida con materiales especiales.
¿Cómo funciona una Antena?
Las antenas se basan en el principio de la radiación producida al circular una
corriente eléctrica por un conductor. Esta corriente produce un campo magnético
alrededor del conductor, cuyas líneas de fuerza están en ángulo recto con
respecto al conductor y su dirección está determinada por la dirección de la
corriente. Este campo magnético es variable y sigue las mismas ondulaciones de
la corriente eléctrica de alta frecuencia que se le entrega a la antena.
Cuando el transmisor entrega la señal de corriente alterna, ésta aumenta desde cero voltios hasta su máximo valor. Así al llegar al pico máximo de voltaje, la antena adquiere una carga eléctrica positiva. Esta carga produce a su alrededor un campo eléctrico. Cuando la señal de corriente alterna empieza a decrecer de su máximo valor hacia cero, el campo eléctrico también decrece.
Por lo mismo podemos concluir que en una antena existen un campo eléctrico y un campo magnético simultáneos que siguen las variaciones de la señal entregada a ella, y que además son perpendiculares entre sí.
Así resulta una radiación de energías eléctrica y magnética que se unen para formar las ondas electromagnéticas.
El tipo de antena más sencillo consiste en un
conductor de suficiente longitud para permitir que la carga eléctrica se
desplace de un extremo a otro y viceversa durante cada ciclo de la señal de
radiofrecuencia. Se dice entonces que ese conductor es una antena de 1/2
longitud de onda.
Hay dos tipos principales de antenas: La antena tipo Hertz, que consiste en una
antena horizontal aislada de la tierra con un tamaño de 1/2 longitud de onda de
la frecuencia que se desea transmitir. Esta antena está formada por dos alambres
y recibe popularmente el nombre de antena dipolo.
El otro tipo de antena es el tipo Marconi, que utiliza como uno de sus polos la
tierra, y mide 1/4 de la longitud de la onda para transmitir. Este tipo de
antena se monta en forma vertical (l/4). La banda
de frecuencias CB, de aproximadamente 27 Mhz, corresponde como hemos visto a una
longitud de onda de 11 mts. Por lo tanto, la correspondiente antena de varilla
de 1/4 de onda deberá ser de 2.75 mts.
De lo anterior deducimos que a longitud o tamaño
de las antenas está directamente relacionado con la frecuencia de la señal que
se va a transmitir. Mientras más alta la frecuencia, menor es la longitud de
onda, y más pequeña debe ser la antenL
Las antenas poseen diferentes características con las cuales se puede medir su
calidad. Las principales características que se deben tener en cuenta son :
Impedancia, directividad, ganancia, polarización, y el ancho de banda.
Impedancia de una Antena
El valor de la impedancia de una antena es la resistencia que ésta presenta en
su punto de conexión a la señal de corriente alterna que le llega del transmisor
por la línea de transmisión. Esta impedancia debe ser igual a la impedancia de
la línea de transmisión para que haya una máxima transferencia de energía.
La impedancia se mide en ohmios y el valor adoptado universalmente para las
antenas de los equipos de radio es de 50 ohmios. Cuando la impedancia de la
antena es de un valor diferente se utillzan bobinas o transformadores con el fin
de acoplar esas impedancias.
Directividad
De acuerdo a su posición y forma, una antena irradia la energía entregada por el
transmisor en una disposición específica. Esta disposición recibe el nombre de
patrón de radiación o directividad. Según este parámetro, existen dos grupos de
antenas: Las antenas omnidireccionales, que son las que irradian las ondas en
forma casi uniforme en todas las direcciones, y las antenas direccionales, que
concentran la energía en una sola dirección. Este patrón de radiación se refiere
teóricamente al espacio libre sin tener en cuenta los obstáculos que pueda
encontrar la señal.
Ganancia
Teniendo en cuenta el patrón de radiación, se dice que una antena tiene ganancia
no en el sentido que amplifica la señal recibida del transmisor, sino que la
concentra hacia una sola dirección, o que hace ver como si la señal fuera
emitida con una potencia mayor. Este es el caso de las antenas direccionales que
dirigen sus ondas hacia un sólo sector, llegando la señal
con más fuerza que si fuera emitida por una antena omnidireccional.
La ganancia de las antenas se mide en decibeles, que es la unidad de medida
adoptada para este tipo de parámetros. A mayor cantidad de decibeles, mejor
calidad de la antena. Para determinar la ganancia se establece la intensidad en
un punto, irradiada por una antena omnidireccional sin ganancia y la intensidad
de la señal emitida por la antena direccional. La relación de estas señales se
utiliza para obtener los decibeles de ganancia.
Polarización
La polarización de una antena se refiere a la dirección del campo eléctrico
dentro de la onda electromagnética emitida por ésta. Las antenas verticales
emiten un campo eléctrico vertical y se dice que están polarizadas
verticalmente. Las antenas horizontales tienen, por lo tanto, polarización
horizontal.
Para que haya una buena comunicación entre dos estaciones, éstas deben tener el mismo tipo de polarización. En el caso de la Banda Ciudadana, se utilizan preferiblemente las antenas verticales tanto para las estaciones fijas, como para las estaciones móviles.
Tipos de antenas para Banda Ciudadana
Los tipos básicos de antenas para Banda Ciudadana son: las de látigo
vertical, las coaxiales, las de plano de
tierra y las de haces verticales.
Las de látigo vertical reciben ese nombre debido a su flexibilidad y movimiento,
y se utilizan principalmente en las instalaciones móviles o vehiculares. La
antena coaxial se usa principalmente para instalaciones fijas de base, pero se
utilizan en algunos casos para operación móvil. Su construcción es más compleja
y casi no se ha popularizado su uso.
La antena de plano de tierra es la más popular entre los tipos básicos en todas
las instalaciones de Banda Ciudadan. Esta antena, en su forma básica, es
omnidireccional y no tiene ganancia. Sin embargo, con algunas modificaciones se
le puede introducir ganancia y hacerla semidireccional. Esta es la antena más
económica y con un rendimiento muy aceptable para comunicados locales y aún
internacionales. Estas antenas se utilizan especialmente en las estaciones fijas
o bases.
La antena de haces verticales está formada por varios elementos en forma de
parrilla o arreglo de varillas paralelas. En su forma es muy similar a las
antenas que se utilizan para los receptores de televisión; estas antenas reciben
el nombre de "YAGI", debido a que fueron ideadas por los japoneses Yagi y Uda.
Tipos de antenas para Radioafición
Los principales tipos de antenas que utilizan los radioaficionados en las bandas de HF son la dipolo, la vertical, la direccional (YAGI) y la cúbica.
La antena dipolo es la más sencilla que se puede
construir y está derivada de la forma fundamental de antena formada por un solo
conductor cuya longitud es igual a la mitad de la longitud de onda de la señal
transmitida. Esta antena está formada por dos conductores cuya longitud total es
igual a la longitud de media onda de la señal. Los conductores están aislados en
los extremos de cualquier superficie conductora y separados en el centro por
otro aislador. De estos dos terminales centrales se conecta la línea de
transmisión que va al equipo.
Debido a que, cada banda de HF (80 m, 40 m, 20 m, 10 m, etc.) tiene una longitud
de onda diferente, necesitaríamos una antena dipolo para cada una de ellas, lo
que ocuparía mucho espacio y haría muy difícil su conexión al transmisor. Para
superar esta dificultad, se pueden construir antenas dipolo multibanda, es
decir, que funcionen en todas las bandas y que tengan una sola línea de
transmisión. Existen básicamente dos formas para fabricar una antena dipolo
multibanda: en el primer caso se instalan varios dipolos utilizando los mismos
mástiles o soportes y el mismo cable coaxial; y en el segundo caso se utiliza un
solo alambre y el sistema de trampas sintonizadas, las cuales corresponden a una
serie de bobinas y condensadores.
Las antenas verticales se utilizan principalmente en casos de problemas de
espacio o montaje y para uso en vehículos de todo tipo. Existen dos tipos
básicos de antenas verticales: la antena vertical conectada a tierra y la antena
vertical con plano de tierra. La antena vertical conectada a tierra debe tener
una longiutd aproximada de media onda y la antena con plano de tierra se puede
construir con una longitud de un cuarto de onda, pero además posee en su parte
inferior unl plano de tierra formado por alambres gruesos o por tubos de
aluminio delgados que se distribuyen en forma radial. Este plano de tierra
metálico simula o reemplaza el efecto de la superficie de la tierra en el
proceso de creación de las ondas electromagnéticas en la antena. Igualmente,
estas antenas verticales pueden ser construidas multibanda a través del uso de
circuitos resonantes (bobinas y consensadores intercalados) colocados en puntos
específicos de la antena.
Las antena direccional para radioafición más
difundida es la tipo "YAGI", compuestas por un elemento principal, derivado de
la antena dipolo y de varios elementos adicionales llamados parásitos, que
reciben la energía por inducción del elemento principal y refuerzan su
transmisión en el mismo sentido.
En las antenas direccionales tipo YAGI la señal se concentra en una sola
dirección tanto de transmisión como de recepción. Se construyen con dos o más
elementos dependiendo de la ganan cia que se desee obtener. Los elementos que
están detrás del elemento principal se llaman reflectores y los que están al
frente se llaman directores.
En las antenas direccionales tipo YAGI también se utiliza el sistema de trampas
con el fin de recortar los elementos y facilitar así su construcción y montaje.
Estas antenas se instalan generalmente en una torre de hierro y tienen en su
parte central un soporte que va montado en un rotor o mecanismo giratorio
accionado desde el sitio donde se opera la estación. Allí por medio de un
control se ubica la antena hacia la dirección donde deseamos establecer uno o
varios comunicados.
Las antenas direccionales cuádricas o cúbicas están formadas por cuadros de
alambre sostenidos por elementos aislantes en forma de cruz. Cada cuadro tiene
una longitud de un cuarto de onda por cada lado. En la configuración más común
se tienen dos cuadros; uno se utiliza como elemento principal o excitador y el
otro como reflector. Este tipo de antena es muy popular debido a su fácil
construcción, bajo peso y gran rendimiento para comunicados lejanos. En cuanto a
ganancia, se puede comparar una cúbica de dos elementos con una YAGI de tres
elementos. Este tipo de antena fue desarrollada por Clarence Moore en 1942
cuando trabajó como ingeniero para la emisora HCIB en Quito, Ecuador.
Una de sus principales limitaciones es su gran tamaño cuando se trata de la
banda de 40 metros y aún en la de 20 metros, por lo que se recomienda
inicialmente utilizarla en las bandas de 15 y 10 metros en configuración
multibanda.
Propagación de Ondas Electromagnéticas
Las ondas cortas entre 3 y 30 Mhz se propagan
principalmente por medio de la reflexión o rebote en una capa de la atmósfera
llamada Ionosfera. En esta capa el aire está electrificado o
ionizado y es cargado por la luz ultravioleta que emite el sol. Debido a que
esta carga refleja las ondas de radio con ciertas frecuencias, u na nifruma
parte de la señal utiliza la onda directa que sigue la superficie de la tierra.
La teoría de esta capa fue sugerida inicialmente por los cientfficos Kennely y
Heaviside, ya que de otra forma no era posible que se lograran comunicaciones a
distancias tan grandes como se habían obtenido. En 1925 esta teoría fue
plenamente comprobada y los diferentes experimentos demostraron que esta capa es
como un espejo o un techo que tiene características eléctricas, y que refleja
mejor las ondas de radio con frecuencias entre 3 y 30 Mhz aproximadamente.
La capacidad de reflexión de la ionosfera depende de la cantidad de ionización
que le producen los rayos ultravioletas provenientes del sol. Como la radiación
ultravioleta es muy variable, la reflexión de las ondas también es muy variable
y las comunicaciones se hacen muy dependientes de varios factores atmosféricos.
Debido a esto, no es lo mismo una comunicación en cierta banda de onda corta de
día que de noche, y tampoco es lo mismo en las diferentes estaciones del año.
Se toma como la ionosfera a una región comprendida entre los 50 y los 400
kilómetros por encima de la Tierra, y está formada a su vez por varias capas o
regiones, llamadas la región D, la región E y la región F, que a su vez está
formada por dos capas, la capa F1 y la capa F2.
La capa F2 es la capa más alta de la ionosfera, se encuentra a una altura
aproximada entre los 200 y los 400 kilómetros de la Tierra y es la principal
región encargada de reflejar las frecuencias más altas. Esta capa aparece cuando
sale el sol y es la más ionizada de todas. Su ionización aumenta gradualmente en
el día y desaparece en la noche.
La capa F1 se encuentra a una altura entre 160 y 240 kilómetros y existe
solamente durante el día. Esta capa permite el paso de algunas ondas que se
reflejan en la capa F2 pero también es la encargada de reflejar la mayoría de
las frecuencias de HF. Durante la noche se va desvaneciendo y se confunde con la
capa F2, formando una capa llamada F que permanece durante casi toda la noche.
La capa E está a una altura aproximada de 100
kilómetros y su ionización depende directamente del ángulo con que le lleguen
los rayos del sol; por lo tanto alcanza su máximo valor de ionización hacia las
horas del mediodía. Esta capa desaparece totalmente durante la noche.
Debajo de la capa E está la capa D, a una altura aproximada entre 50 y 65
kilómetros y no interviene en la reflexión de las ondas, sino que por el
contrario, produce una absorción de cierto tipo de frecuencias durante algunas
horas del día.
Como se puede ver la conformación de estas capas es muy variable y dependiente
de las condiciones de la energía del sol y de otro factores planetarios. Por lo
tanto, las comunicaciones entre radioaficionados tienen cierto aspecto de
aventura; no se puede asegurar nunca cuándo se va a establecer una buena
comunicación entre dos sitios definidos. Esa es una de las partes interesantes
de esta técnica y pasatiempo.
Las Manchas Solares
Después de muchas investigaciones, experimentos y estudios se logró comprobar
que hay un ciclo de muy buenas comunicaciones en onda corta que ocurre cada once
años. Se ha demostrado que estos ciclos coinciden con las manchas solares, que
son unos puntos negros que apacecen en la superfície del sol.
Realmente la mancha solar es una depresión en la
superficie del sol, con una profundidad de varios miles de kilómetros; su
temperatura es mucho menor que la temperatura normal de la superficie del sol y
emite más o menos la mitad de la luz que éste. Estas manchas aparecen en grupos
y tienen un diámetro de 128.000 kilómetros aproximadamente.
Esta actividad de aparición de las manchas solares es cíclica con un intervalo
de 11 años, durante el cual aumentan desde muy pocas hasta un número máximo, y
luego van desapareciendo hasta llegar a una cantidad mínima. La actividad de las
manchas solares se ha registrado desde el ano de 1750 hasta la fecha, logrando
establecer curvas muy claras sobre su amplitud, duración, tiempos de ascenso y
descenso.
Este mismo ciclo se presenta para la propagación,
ya que a mayor cantidad de manchas solares, es mayor la radiación ultravioleta y
aumenta la capacidad de reflejar las ondas de radio con frecuencias hasta de
40045 Mhz.
A veces el comportamiento de la radiación solar no es muy regular y se presentan
alteraciones de carácter transitorio de poca duración. Estas alteraciones crean
perturbaciones en la propagación de las ondas de radio, e incluso llegan a
anular completamente las comunicaciones en todas o ciertas bandas de onda corta.
Zona de Silencio
Si una persona sintoniza un transmisor de onda corta en una determinada señal o
frecuencia y se va alejando de la emisora, notará que la señal va perdiendo
fuerza hasta que desaparece totalmente. Si supuestamente se sigue alejando
digamos que varios cientos o miles de kilómetros llegará el momento en que
volverá a escuchar la misma señal y quizás con mucha fuerza.
A este espacio donde no se escucha nada se le ha llamado zona de silencio o zona
muerta, ya que en él no hay transmisión.. Esto se debe a que la primera señal
que captó cerca del transmisor llegaba por medio de las ondas terrestres o de
superficie, las cuales se van rebajando rápidamente debido a los obstáculos que
encuentran a su paso. Cuando vuelve a captar la señal ha encontrado la señal
reflejada en la ionosfera.
Por eso es muy común en las transmisiones de radioaficionados, lograr
comunicaciones fáciles con países situados en otros continentes y tener
dificultades para comunicarse con algunos países cercanos en el mismo
continente.
Antena Vertical Omnidireccional
Banda de 11 Metros
| Entre los proyectos que pueden realizar
sin mucha dificultad los radioaficionados, especialmente los que efectúan
transmisiones en la banda de los 11 metros, se encuentra la construcción de
una antena verdaderamente interesante. Es una antena muy eficiente, tanto
para la emisión, como para la recepción en esta gama de frecuencias
comprendida dentro de los 27 MHz.
Esta antena de tipo vertical es conocida con el nombre de antena Ringo; suministra una ganancia de aproximadamente 4 decibelios, que equivale a un aumento de potencia de 2.5 veces. Esto significa que un transmisor de 2 vatios será captado con la misma intensidad que uno de 5 vatios. La antena Ringo presenta las mismas ventajas que una telescópica vertical, sobre todo en lo que se refiere a la omnidireccionalidad, es decir, la capacidad para transmitir la potencia en todas las direcciones, aunque su rendimiento es sensiblemente mayor. Además, presenta la característica de un reducido ángulo de radiación, que ofrece la posibilidad de alcanzar una distancia sensiblemente superior a la que es dado lograr con una antena telescópica, aprovechando para ello únicamente la onda directa que es emitida a una distancia superior, reduciendo así también la llamada zona de silencio. Por último, esta antena está equipada con un adaptador de impedancias muy eficiente, que permite obtener una perfecta adaptación entre la impedancia de la antena y del transmisor. Estas ventajas no se evidenciarán únicamente en la transmisión, sino también en la recepción. En efecto, se podrá comprobar que emisoras de radio que llegan normalmente con gran debilidad, pueden ser captadas a niveles de potencia mucho más elevados empleando esta antena. La antena está constituida de un cuerpo telescópico de 481 cms de longitud, el cual se realizará con tubos de aluminio y de un diámetro que se elegirá de modo que todo el conjunto goce de una cierta robustez. Se puede partir en la base con un tubo de 20 a 25 mm de diámetro (tubo S), y después elegir otros tubos de diámetros convenientes, que permitan introducir con precisión cada uno de ellos en el precedente, hasta alcanzar la altura indicada de 481 cms. (Ver primera figura).
Se debe comprobar al momento de introducir un tubo en el otro que las superficies de contacto estén perfectamente pulidas, de modo que ofrezcan un contacto eléctrico idóneo.Se pueden fijar los diversos tubos, a excepción del último, con tornillos o remaches de aluminio. Si deseamos que la antena se pueda desarmar totalmente, utilizaremos abrazaderas en cada unión. Para lograr la longitud total de 481 centímetros, ésta se debe distribuir entre los diferentes tubos, dejando unos 15 o 20 centímetros adicionales en cada uno a fin de que cada uno entre en el siguiente formando una estructura telescópica similar a la de las antenas de los radios portátiles. En el extremo superior de cada tubo se debe realizar a ambos lados, un corte con una sierra. En ese punto de unión se deben instalar abrazaderas ajustables del tipo que se usa para empalmar mangueras y tubos en los automóviles o en la industria. Estas abrazaderas deben ser de un material anticorrosivo con el fin de evitar oxidaciones. (Ver segunda figura).
El último tubo de la antena deberá ser extensible respecto a los precedentes de modo que se pueda variar la longitud de la antena hasta eliminar completamente toda onda estacionaria. En la extremidad inferior S del tubo se instalará el adaptador de impedancias, formado por un tubo de aluminio de 8 mm de diámetro, doblado de modo que forme una circunferencia de aproximadamente 290 mm de diámetro. Para doblar el tubo se puede proceder de modo muy simple, utilizando una rueda de madera como molde. (Ver siguientes figuras).
A = abrazadera metálica de unión entre el hilo E y el tubo circuIar M. E = hilo de cobre de 2 mm que une el borne del cable coaxial a la abrazadera A. F = brida que conecta la extremidad del tubo M a la antena vertical S. G = abrazadera que une el otro extremo del tubo M al trozo de tubo inferior G. H = borne para cable coaxial. M = tubo circular del adaptador de impedancias. N = tubo de plástico o de goma que aisla la antena vertical S del trozo inferior G.
La toma de cable coaxial está fijada al centro de la abrazadera G, o sea la que se conecta a un extremo del tubo M al soporte inferior, indicado siempre con la letra G. El diámetro del tubo circular debe ser 290 mm. Un extremo del círculo deberá unirse mediante la abrazadera F a la base del tubo superior, mientras que el otro se unirá por medio de la abrazadera H al vértice del tubo inferior, indicado con la letra G. Esta unión debe realizarse por medio de remaches de aluminio. Es preciso subrayar que los dos tubos en cuestión deberán estar aislados entre sí, lo cual se podrá lograr fácilmente colocando sobre el tubo S un tubo de plástico, de caucho o de teflón (indicado con N), que deje descubierto el tubo S por lo menos unos 10 cms. Los dos tubos se introducirán a continuación en el tubo G. El hilo E deberá desplazarse en la fase de ajuste aproximadamente 40 cm en el tubo M, de modo que no esté nunca en contacto con el tubo vertical. Una vez eliminadas las ondas estacionarias, el hilo E podrá fijarse o soldarse en el tubo M. (Ver próxima figura).
En la abrazadera inferior indicada con la letra G, se
colocará aproximadamente en la mitad, una tuerca hembra para cable coaxial (H),
a través de la cual conectaremos la antena al transmisor. El terminal
central se soldará con un hilo de cobre de 2 mm, que se unirá por medio de
una pieza deslizable, fabricada en aluminio (A) o por medio de
cualquier otro sistema metálico. De cualquier modo, esta conexión deberá
poderse deslizar sobre M, de manera que en la fase de ajuste
pueda realizarse la adaptación La antena se fijará sobre un tubo aislado. En otras palabras, el extremo inferior del tubo G deberá aislarse del soporte. Para ello se fijará la antena a un zócalo de madera, o bien se aplicará el mismo sistema que sirve para aislarr el tubo G del tubo S. La puesta a punto de la antena es extremadamente simple si se posee un medidor de ondas estacionarias. Bastará aplicar el medidor en serie con el cable coaxial de conexión con el transmisor, fijar progresivamente la abrazadera A a lo largo del tubo M, hasta obtener que el instrumento indique cero. En este punto, la adaptación para la gama de frecuencias que se desee, se habrá conseguido. Si girando M no se obtuviese una perfecta indicación de cero se puede intervenir en la longitud de la antena, moviendo el último elemento, dejándola a 477 o 485 cm, y luego girar nuevamente M, hasta obtener la deseada indicación de cero. Una vez realizada la adaptación, o sea que se ha proporcionado a la impedancia de antena el valor requerido, se deberá fijar de un modo estable A en el círculo M. En estas condiciones, la antena estará preparada para transmitir y para recibir las señales en la banda de los 11 metros. El borne para cable coaxial se fija, como ya se ha visto, en el Centro de la abrazadera G. El terminal central del mismo se soldará con el hilo E que se conecta al adaptador cirnular M. (Ver siguiente figura).
Fuente: Radioaficionado, Cekit, Tempo Cultural |
