Las emisoras de radio de Frecuencia Modulada tienen una misión muy específica, que alcanza un marco mucho mayor al mero hecho de ofrecernos música, noticias y servicios útiles para la comunidad. Esta misión es la de llegar lejos, muy lejos. Tan lejos como la normativa técnica nos permita, ya que no podemos provocar interferencias en emisoras de localidades vecinas que trabajan en la misma frecuencia. Por lo tanto, hasta ese límite posible intentaremos llegar con buena señal, a cualquier receptor y bajo cualquier condición. Para esto, debemos tener en claro algunos conceptos muy simples y fáciles de asimilar, comprender y llevar a cabo. Sin perder más tiempo, podemos comenzar hablando de la polarización de una señal de radio. Caminando por la calle y observando las azoteas, nos encontramos ante una variedad interesante de antenas, en tamaños, formas o alturas y la mayoría de las veces nos preguntamos lo mismo: ¿Para qué será esta antena?
Llegar más allá, más lejos y a mayor cantidad de oyentes, es la meta de cualquier emisora de radio.
Para comenzar, vamos a reiterar un concepto elemental que nos ayuda a diferenciar la realidad de creencias particulares y/o populares. Siempre tenemos que considerar por un ladola torre de soporte y por otro lado la antena emplazada en las alturas, “sobre” la torre. Por lo tanto, nunca debemos asombrarnos de ver una “antena alta”. No, eso es una terminología errónea, lo que tiene altura es la torre y lo que se encuentra allí arriba es la antena que, según su posición y naturaleza, nos ofrecerá el tipo de polarización. Existen algunos pocos ejemplos en los que la estructura total es la antena completa, pero eso puede ser motivo de otros artículos. Como algunos saben, la señal que transporta la información emitida por una estación de radio se llama onda electromagnética y su comportamiento está regido por un conjunto de relaciones matemáticas conocidas como “Ecuaciones de Maxwell”. Estas se encargan de explicar desde el movimiento de un electrón dentro de un conductor hasta el comportamiento de las ondas electromagnéticas en el espacio.
La polarización de una onda de radio está, por lo general, determinada por la orientación de su campo eléctrico. En este gráfico, tendríamos una antena polarizada en forma horizontal, que emite su energía en dirección del eje X
Por supuesto que este artículo está muy lejos de intentar emular un texto académico, por lo tanto, no haremos hincapié en los detalles matemático-analíticos que hacen a una antena (o un conjunto de ellas). La teoría pura y dura se reemplaza por explicaciones que intentan ser amenas y agradables de leer. Respecto a esto, podemos agregar que la polarización de una onda electromagnética, que se inicia en la separación de los campos eléctricos (E) y magnéticos (H), desfasados 90° entre sí, llevaría varias hojas de explicación analítica, sin embargo, lo que nos interesa que comprendas es lo siguiente: Los servicios que utilizan ondas electromagnéticas para llegar a un determinado público en particular y que se encuentran en frecuencias próximas entre sí, “se aprovechan” de la polarización de las señales emitidas para provocar la menor interferencia posible sobre los receptores de otros servicios y para alcanzar la máxima recepción en los equipos de su servicio propio.
La posición física del dipolo, determina la polarización de la señal emitida y el patrón de radiación. Observa como una misma antena cambia a irradiar en todo su alrededor (omnidireccional) al montarla en forma vertical.
Por ejemplo, la banda comercial de Frecuencia Modulada comienza en 88Mhz (u 87,5Mhz.) y allí mismo, termina la banda de canales analógicos bajos de TV en América (canal 6, que ocupa desde 82 a 88Mhz). Para favorecer una atenuación de señales que provoquen interferencias, los servicios de televisión transmiten con polarización horizontal y las FM comerciales lo hacen (en su mayoría) con polarización vertical. ¿Cómo es esto en la práctica? Muy sencillo: observa siempre que los dipolos de las antenas transmisoras de FM se instalan en forma vertical junto a la torre (tal como puedes ver en la imagen cabecera del artículo) mientras que las antenas receptoras de TV, siempre son dipolos o antenas direccionales (Yagi) que se colocan en posición horizontal. Allí tienes un ejemplo de aplicación de un tipo de polarización y otro. Esto es lo que se conoce como enlace “punto a multipunto”, es decir, un transmisor e infinitos receptores.
La polarización de una señal puede ocasionar una recepción nula en una antena que posea una posición perpendicular a la emisora
Otro caso es el de un enlace “punto a punto”, donde dos estaciones fijas y particulares utilizan la misma frecuencia para intercambiar información entre ellas. Todos pensaríamos en que esto es imposible. Si una de las estaciones transmite, esa frecuencia estará “ocupada” y en su campo de acción sólo se escuchará su transmisión. Sin embargo, utilizando una polarización para emitir y otra para recibir se puede, con dos antenas individuales, entablar una comunicación simultánea (duplex) con otra estación. Esto es: yo transmito conpolarización vertical y él recibe con la misma polarización en su antena receptora. Por otro lado, él transmite con polarización horizontal y mi antena receptora está montada en esa posición para atenuar cualquier transmisión de polarización vertical, aunque ésta se encuentre en la misma frecuencia. Con una separación de varias longitudes de onda, la atenuación es muy efectiva y la comunicación es óptima. Como dato adicional, podemos agregar que también existe la polarización circular, utilizada en comunicaciones con satélites, pero eso no es motivo de este artículo.
Algunos dipolos combinan estructuras que permiten polarizaciones verticales y horizontales en simultáneo
Volviendo a nuestra antena para transmitir dentro de la banda de FM comercial, todos sabemos que las antenas telescópicas (esas que se estiran) de los receptores, se ubican en forma vertical en los mismos. Sin embargo, esto no siempre es así, ya que el uso del cable de los auriculares (cascos o audífonos) en los modernos receptores que encontramos dentro de un reproductor de música móvil, pueden tener el elemento que actúa como antena dispuesto de cualquier forma física y la polarización puede ser horizontal o vertical, de acuerdo a la actividad, y en esas oportunidades, se provocan “agujeros o vacíos” en la recepción de la señal. Para evitar esto, algunas antenas transmisoras incorporan una estructura física que permite tener ambas polarizaciones (Vertical y Horizontal), en un mismo dipolo. Físicamente, este tipo de antenas son como la que te mostramos en la imagen superior y aquí tienes una guía de fabricación para que puedas construirla (¡Gracias Jogyweb!). En nuestro caso, sólo haremos un dipolo para que sea instalado en forma tradicional, con polarización vertical y que alcanzará a satisfacer las necesidades de cualquier emisora. Como ya hemos visto en otros artículos, el dipolo actuará como una antena omnidireccional, irradiando su señal en los 359° alrededor de su emplazamiento.
Esquema elemental de un dipolo abierto con adaptador Gamma (Gamma Match)
Pasando a otra característica importante de nuestra antena, vamos a aclarar que existe una gran variedad de modelos y formatos que pueden instalarse en polarización vertical. Antenas “J”, dipolos abiertos, cerrados (plegados) con adaptadores Gamma, Delta, en “T”, Omega, con irradiante aislado, o puesto a tierra y muchas variantes constructivas. Nuestra antena será un dipolo abierto, con irradiante a tierra y adaptador Gamma, con sus medidas ajustadas a 103.9Mhz. Por supuesto, tú podrás llevarla de manera muy sencilla a otras frecuencias, dentro de la banda comercial realizando pequeñas reformas en las medidas y los ajustes. Esto que te mostramos es una base, una plataforma de trabajo, una forma de construir la antena y a partir de aquí, tú podrás adaptar la construcción según tus necesidades. Esta es la antena que construiremos:
La realización física está basada en caños de aluminio, un conector SO-239, un trozo de conductor central de cable coaxial RG-213 y por supuesto, las herramientas necesarias para realizar el trabajo. Las dimensiones indicadas en el esquema, como mencionamos antes, corresponden a un dipolo abierto para una frecuencia ubicada entre los 103 y 104Mhz. El elemento activo, o irradiante, se calcula como siempre hemos hecho con cualquier dipolo, empleando la fórmula L = 142,5 / f (Mhz), donde L es la longitud del elemento, expresada en metros, y f (Mhz) es la frecuencia a la que deseamos hacer trabajar nuestra antena, valor expresado en Mhz. Esta longitud resultante, a pesar de ser importante en la resonanciaadecuada de la antena, no es algo de deba ajustarse o cortarse con rigor milimétrico. La longitud del conductor central que recorre el tubo Gamma determinará también la frecuencia exacta de resonancia de la antena. Por lógica, la barra cortocircuitante que une al irradiante y al tubo Gamma en un punto determinado, nos llevará a un ajuste mínimo de la ROE (Relación de Ondas Estacionarias) en la frecuencia de corte mecánico resultante.
Esquema completo del dipolo para FM 88 - 108Mhz.
Las dimensiones restantes, además de la del irradiante que se calcula por la fórmula enunciada, terminan siendo siempre una relación porcentual respecto a esa medida. Por ejemplo, el conductor central que se inserta en el tubo Gamma, será de un 12% el valor del irradiante. El tubo Gamma tendrá una longitud del 20 al 25% del irradiante y la separación del tubo respecto a la estructura metálica será de 7 a 10 milímetros, en función del óptimo ajuste que se pueda brindar a la antena. Dicho en otras palabras, tampoco esa medida es estricta y relevante, sino que se ajustará a la necesidad de una calibración, tan buena como sea posible. La separación física, en forma paralela, entre el adaptador Gamma y el irradiante será de 5% la medida del irradiante y estará ajustado y soportado por la barra cortocircuitante. Este valor de separación no es crítico, ya que lo importante es el valor capacitivo alcanzado por el adaptador Gamma, porque en realidad es eso, un capacitor (o condensador) ajustable. El punto de acoplamiento de este capacitor con el irradiante es la medida relevante en la construcción. Es en ese punto donde se transfiere la energía de RF que atraviesa el capacitor (que se obtiene con el adaptador Gamma) y se acopla al irradiante en un punto exacto, donde se alcanza la máxima resonancia a la frecuencia de trabajo deseada.
Algunos tubos de aluminio y la antena dipolo para FM es una realidad muy sencilla de construir
El Boom o elemento de soporte del conjunto irradiante será (en este caso) un caño cuadrado y tendrá una longitud suficiente como para que el dipolo quede separado de la torre, o la estructura de anclaje, a (no menos de) 0,5 metros. Vale destacar, en este punto, un aspecto muy importante respecto al montaje: la correcta y efectiva puesta a tierra de toda la estructura metálica que soportará a la antena (o al conjunto de ellas). Por supuesto que esto no significará una mejor o mayor calidad de recepción, sino que nos permitirá tener una cifra de ruido más bajo y una mayor seguridad, para los equipos conectados y para el coaxial, ante las descargas atmosféricas que puedan producirse sobre el metal. Una descarga atmosférica puede dañar en forma severa un transmisor o un receptor y afecta también a la línea de transmisión coaxial. Cuando veas que un cable coaxial posee manchas de tizne (negro) en su interior, es porque las descargas eléctricas han caído sobre la antena.
La antena vista desde el lado del conector SO-239
Una de las terminaciones agradables a la vista, que puede tener cualquier antena, es la utilización de tapones de goma o plástico en los extremos de los caños utilizados para, como mencionamos, brindar un aspecto estético de buena terminación. Sobre este particular, otro consejo útil puede ser la práctica de pequeños orificios (2 milímetros de diámetro) en los extremos de los caños que posean estos tapones. No debemos olvidar que los cambios de temperatura condensan la humedad, transformándola en agua y provocando acumulaciones de líquido, algunas veces en forma peligrosa. El peso del líquido puede quebrar el aluminio debilitado por los rayos UV con el paso de los años. Otros enemigos que no podemos eludir, son las aves y las bolsas de plástico que vuelan sin control en los días ventosos. Una de ellas que se “enganche” en un elemento junto a la fuerza ejercida por el viento, pueden quebrar el metal. Pero, como mencionamos antes, estos son enemigos que no podemos evitar.
En HF las señales “rebotan” en la ionósfera. En VHF viajan en línea recta hasta el horizonte visible o hasta un obstáculo
Si hay un tema muy importante para hablar (y para soñar con la vuelta al mundo) es el alcance que tendrá nuestra emisora y uno de los errores habituales radica en que, la creencia popular estima que la distancia cubierta por nuestra emisión es directamente proporcional a la potencia del transmisor. Este concepto está muy lejos de ser real. En la banda de VHF, porción del espectro radioeléctrico (30-300Mhz.) donde se ubican las transmisiones de FM comercial, el alcance de una transmisión está directamente ligado a la altura de la antena. A diferencia de las Ondas Cortas o HF (hasta 30Mhz), en VHF se considera que el alcance de un sistema de radio dependerá de la línea óptica de la antena. En bandas de HF, las ondas de radio rebotan en partes de la ionósfera y son devueltas a la tierra. Gracias a este fenómeno, las señales pueden viajar de un continente a otro. Por lo tanto, a mayor potencia de transmisión, mayores posibilidades de lograr un gran alcance eficaz, con mayor cantidad de energía devuelta a la tierra. En VHF, las señales atraviesan las capas atmosféricas sin ser devueltas a tierra, por lo que el alcance sólo dependerá de la altura de la antena. Sin embargo, mayor potencia no significará llegar más lejos, sino que, hasta donde lleguemos, lo haremos con buena señal.
Por lógica curvatura de la tierra y deficiencias del terreno, esta distancia puede ser desde unas decenas de kilómetros hasta varios cientos, si la antena está emplazada sobre un cerro, en terrenos muy elevados o altos edificios. Un cálculo empírico (de los muchos que existen), enuncia que la distancia que alcanza una transmisión (con óptima señal), es igual al producto de la raíz cuadrada de la altura de la antena (en metros) por 4,124 y el resultado viene expresado en kilómetros. Por supuesto, el resultado es sólo aproximado y más allá del valor obtenido, seguiremos escuchando la transmisión, aunque con una intensidad mucho más débil, entrando en lo que se conoce como “zona marginal”.
En bandas de VHF o superiores, la altura de emplazamiento de la antena es un factor fundamental para obtener el mejor alcance
El procedimiento de ajuste de este tipo de antenas, con adaptador Gamma, nos trae una de las tareas más agradables y sencillas del trabajo; porque lo complejo, será lograr una construcción fuerte, robusta, liviana y que pueda durar años arriba, en una torre. El ajuste es tan simple como lo vimos en la construcción de la antena Yagi. Sólo será necesario respetar las medidas enunciadas antes y sus relaciones en porcentaje. Si a esto lo podemos mantener, sin apartarnos demasiado por lógicas tolerancias en métodos de fabricación, la ROE, apenas ajustado el último tornillo de la antena, deberá estar muy cercana a relaciones de 2:1. Pequeños retoques a la posición de la barra cortocircuitante nos llevarán a recorrer el tubo Gamma buscando el mínimo de ROE. Si el mínimo no llega al punto en que el indicador quede en reposo, podemos trabajar con la longitud del conductor interno del tubo Gamma (el conductor central del RG-213). Por supuesto, si acortamos demasiado la longitud de este conductor, la ROE se incrementará y tendremos que colocar un nuevo trozo de cable hasta lograr el punto óptimo, donde la ROE se mantenga en una relación 1:1 (o lo más aproximado que se pueda alcanzar). Para realizar este trabajo, utilizaremos nuestro Medidor de ROE NeoTeo y un transmisor apropiado, con una salida de potencia de una decena de Watts (o Vatios). La impedancia de salida del transmisor deberá coincidir con el cable coaxial que utilicemos en nuestra instalación y este valor, en FM, es de 50 Ohms.
Los cables de alta calidad, junto a sus conectores especiales, poseen un precio prohibitivo para el aficionado
Por último, podemos agregar que cualquier línea de transmisión que utilicemos para llevar nuestra energía de radiofrecuencia hasta la antena, no será perfecta o ideal, sino que presentará una atenuación (pérdida de potencia dentro del cable) y cuanto más metros tengamos de cable, menos Watts (o Vatios) llegarán a la antena. Esto es, si utilizamos un cable del tipo RG-58, obtendremos más atenuación, “a igual altura de antena”, que con un cable RG-213 (mayor diámetro y mejor calidad constructiva). Por supuesto que existen mejores cables como los del tipo Cellflex o Heliax, pero además de ser muy caros estos cables, y los conectores especiales que necesitan, son muy difíciles de manipular y almacenar. Estos cables son básicamente tubos de cobre corrugado, que sólo admiten curvas pronunciadas y cualquier mal esfuerzo provoca que el cable “se aplaste y se quiebre”. Por lo tanto, para nuestros comienzos, “invertir” en un buen RG-213, puede ser la mejor opción.
Nos falta aún hablar de cómo conectar y montar varios dipolos en forma apropiada para construir lo que se conoce como “formación de dipolos” con su respectivo arnés o red de fase. Nos faltó hablar de los cambios climáticos (lluvia – frio – calor) y la dilatación de los metales con respecto a la ROE y lo que también sucede dentro de la línea de transmisión con estos fenómenos. Tampoco pudimos mencionar la importancia que tienen los aisladores y las longitudes de las “riendas” o líneas de alambre que sostienen la torre (resonancia a la frecuencia de transmisión). No tuvimos espacio para escribir cómo afecta el diámetro del tubo utilizado como irradiante sobre el “ancho de banda” de transmisión y la resistencia de radiación. Es decir, hay mucho, pero mucho por escribir y comentar sobre un simple y sencillodipolo
Nos falta aún hablar de cómo conectar y montar varios dipolos en forma apropiada para construir lo que se conoce como “formación de dipolos” con su respectivo arnés o red de fase. Nos faltó hablar de los cambios climáticos (lluvia – frio – calor) y la dilatación de los metales con respecto a la ROE y lo que también sucede dentro de la línea de transmisión con estos fenómenos. Tampoco pudimos mencionar la importancia que tienen los aisladores y las longitudes de las “riendas” o líneas de alambre que sostienen la torre (resonancia a la frecuencia de transmisión). No tuvimos espacio para escribir cómo afecta el diámetro del tubo utilizado como irradiante sobre el “ancho de banda” de transmisión y la resistencia de radiación. Es decir, hay mucho, pero mucho por escribir y comentar sobre un simple y sencillodipolo
un articulo excelente, es mi primera noche como posible radioaficionado y me ha dejado una bastante clara introduccion a las especificaciones fisicas de una antena. Gracias por el esfuezo, un saludo de un curioso.
ResponderEliminarPd: estaba buscando la manea de fabricar mi propia emisora de radio, con ordenadores a nuestro alcance(arduino o raspberripi) creo que el paradigma pasa de pertenecer al ambito de la electronica en una placa base a ser programas informaticos con los aparatos necesarios para la trasmision, si hay alguna opinion o comentario sobre por donde empezar (a parte del articulo que ya he leido) soy todo ojos.
un saludo