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Tag Archives: Resonancia de la antena

TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 1: Una ROE 1:1 es indispensable para transmitir?

¿Es indispensable una ROE 1:1 en una antena bien ajustada?

Uno de los tópicos que más tiempo y esfuerzos hacen perder a los radioaficionados novatos es que deben ajustar la antena para lograr que la ROE en el medidor de ondas estacionarias a la salida del transmisor sea 1:1. Y si eso no lo consiguen, están convencidos de que la antena no funciona de una forma óptima. Aquí explicamos por qué conseguir el valor mínimo a 1:1 no vale realmente la pena de arriesgarse a hacer cambios subido a la antena.

¿Es imprescindible una ROE 1:1 para que una antena sea resonante y funcione óptimamente? ¿Verdadero o falso?

Así lo preguntábamos en el Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición.

La respuesta correcta a esa pegunta es que es FALSO. Una antena puede ser perfectamente resonante aunque funcione con una ROE de por ejemplo 3:1 y aunque no haya manera de rebajar esa cifra en modo alguno ajustando la longitud de sus elementos.

Mínimo de ROE en la antena

Como ya anunciábamos en las respuestas al Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición, la resonancia de la antena en una frecuencia genralmente viene indicada porque la antena presenta un mínimo de ROE en esa frecuencia, independientemente de que en esa frecuencia el mínimo de la ROE sea 1,5:1, 2:1, 2.5:1 o 3:1 e incluso mucho mayor.

Así que es perfectamente posible que se observe una ROE más elevada de 2:1 en un medidor a la salida del transmisor y, en cambio, la antena esté resonando correctamente en esa frecuencia, de forma que, podría perfectamente ser utilizada dando todo su rendimiento óptimo, puesto que la resonancia nos garantiza que la máxima radiación se produce en la antena.

¿Por qué es tan importante la resonancia de una antena?

Recalquemos que la resonancia nos garantiza corrientes y tensiones máximas en el centro del elemento radiante, el que está alimentado por la línea de transmisión. Eso significa que toda la energía emitida se radia en el lugar correcto, en ese elemento alimentado, justo donde nosotros pretendíamos que se radiara, donde nos proporcionará el ángulo de radiación deseado o la directividad deseada, concentrando la radiación hacia donde nosotros deseamos.

 

Fig. 1: Dipolo de media onda

 

¿Y qué pasa si no resuena en esa frecuencia ni en sus proximidades?

Si la antena no resonara ni mucho menos en esa frecuencia ni en sus proximidades, si presentara una ROE superior a 10, es muy posible que no le llegue toda la energía generada en el emisor al elemento radiante y las corrientes y tensiones que se producen en ese elemento y que son las responsables de que se produzca una radiación en forma de campos magnéticos y eléctricos entrelazados, es decir, una onda electromagnética, no sea la óptima que se produciría si fuera realmente resonante.

Aunque utilicemos un acopladorpara adaptar perfectamente el conjunto línea-antena a los 50 ohmios que le gustan al transmisor y hacer resonar de ese modo también el conjunto antena-línea de transmisión, es muy posible que las corrientes máximas se produzcan en otro lugar que no sea el elemento radiante. Por ejemplo, que las corrientes máximas se produzcan en el cable coaxial o en la bajada de cable paralelo de alimentación de la antena, en lugar de en el elemento radiante. Eso no es precisamente lo que más nos interesa, pues puede que se produzca mayores pérdidas en el coaxial de las previstas e incluso una radiación indeseada en ese cable de bajada, en lugar de radiarse toda la energía en el elemento radiante que es la antena. Así que debemos intentar en lo posible que la resonancia sea de la antena propiamente dicha.

¿Cuándo se garantiza la resonancia en una frecuencia con un medidor de ROE?

Cuando se produce un mínimo en la ROE en esa frecuencia. El mínimo de ROE en los bornes de la antena nos garantiza la resonancia de la antena y, además, que la antena en esa frecuencia y sus alrededores, presenta una impedancia totalmente resistiva. En esa frecuencia queda cancelada completamente cualquier reactancia inductiva o capacitiva; la antena se comporta como una resistencia pura.

Otra cuestión es que al transmisor le guste o no esa resistencia. Y otra cuestión es si esto es realmente un problema para el transmisor o no. Puede que al transmisor con el paso amplificador transistorizado no le guste encontrarse con una resistencia que no sean los 50 ohmios, pues ha sido diseñado para dar su máxima potencia a esta carga de 50 ohmios y, si no los encuentra, esto haga que automáticamente proteja sus amplificadores que no están diseñados para soportar otra impedancia

En la práctica todo esto significa que si en vez de 50 ohmios, encuentra 150 , la ROE que se observa sea de 3:1, que es igual al resultado de dividir las dos resistencias: 150/50 = 3.

Lo más probable es que al no estar diseñado para soportar estos 150 ohmios a plena potencia, el emisor redujera la ganancia de las etapas anteriores de un excitador, para proteger el amplificador lineal transistorizado. Al reducir la potencia de salida, con eso se reducen las tensiones y corrientes que aparecen en el amplificador lineal final del emisor, de forma que ahora las soporte sin peligro de cascar.

 

¿Y qué pasa con la potencia reflejada? ¿Se pierde totalmente?

Al fin y al cabo, una ROE 2:1 representa una potencia reflejada por la antena del 10% solamente y no creo que me digáis que un amplificador final ha sido calculado tan justo que no soporta una disipación solamente un 10% mayor de la de diseño. Sería un margen de seguridad muy pobre. Sin embargo, las tensiones y corrientes máximas pueden incrementarse con ROE 2:1 hasta un 33%, lo que puede ser algo peligroso si el margen de seguridad no existe o es mínimo.

Si el paso final es a válvulas, como por ejemplo en un amplificador lineal con una o dos potentes válvulas 3500-Z, nos bastaría con manejar los mandos PLATE y LOAD para volver a adaptar la corriente de la válvula a las corrientes previstas y no pasaría absolutamente nada. Lo que hacen los condensadores PLATE Y LOAD bien ajustados del circuito PI de adaptación, es devolver la potencia reflejada hacia la antena otra vez, donde será radiada sin problemas un ciclo más tarde. Y eso será siempre así si lo ajustamos correctamente, aunque la ROE en el inicio de la línea de transmisión sea 3:1, 4:1, 5:1 e incluso alcance valores de hasta 10:1, siempre que consigamos una buena adaptación con los mandos Plate y Load..

Por otra parte en un equipo con el amplificador final transistorizado, una ROE 3:1 significaría que la antena devuelve una potencia reflejada de aproximadamente un 25%, de forma que hasta la antena solamente se radiaría el 75% de la potencia emitida. Ese 25% de potencia reflejada por la antena puede ir a parar de vuelta al paso final del emisor y aumentar la potencia disipada en el paso final transistorizado al disiparse en él. Si el cálculo de diseño de su disipación máxima ha sido muy justo, de algún modo deberíamos impedir que se superaran estos valores y utilizar algún mecanismo que redujera la potencia para evitar ponerlo en peligro.

Normalmente todos los transmisores transistorizados resisten una ROE hasta 2:1 sin arrugarse, pero los hay que soportan 2,5:1 y 3:1 sin problemas. Incluso ahora hay algunos que soportan una ROE infinita, pues han sido sobradamente dimensionados para soportar cualquier ROE, incluso que nos hayamos olvidado de conectar la antena. Haberlos, “hailos”.

 

El acoplador de antena y su función

En cualquier caso, podemos conseguir que esa potencia reflejada no afecte al paso final del transmisor y no se despilfarre, devolviéndola rebotada nuevamente hacia la antena por medio de un acoplador de impedancias.

La función del acoplador de antena es múltiple:

-Por una parte, transforma los posibles la impedancia reflejada por la antena a los 50 ohmios que le gustan al paso final transistorizado del transmisor.

-Por otra parte, devuelve esa potencia reflejada por la antena nuevamente hacia la antena para que se radie sumada al siguiente ciclo de RF. De este modo se radiará por la antena el 100% de la energía suministrada.

-Finalmente, si la potencia reflejada fuera debida a que la impedancia reflejada por la antena contiene reactancia inductiva o capacitiva, le proporciona una reactancia conjugada que la cancela y anula para que el transmisor no la vea y solamente vea 50 ohmios resistivos.

 

¿Pero en qué consiste la resonancia de una antena y cómo se consigue?

Si tenemos un cable horizontal de ½ longitud de onda en cuyo centro C se encuentra nuestro amigo, el electrón, perteneciente a un átomo cualquiera del cable de la antena. Si llega en ese momento una onda electromagnética cuyo campo eléctrico es paralelo al cable, éste campo hace que el electrón se desplace a la izquierda, pues es un campo negativo de repulsión.

Nuestro electrón sale lanzado desde el centro C hacia el extremo A de la antena. Cuando llega al punto A, se le acaba el cable y no tiene más remedio que volver rebotado hacia el centro C. No tiene otra opción, pues en el extremo A ha encontrado muchos otros electrones que se han movido también hacia A, produciendo allí un aumento de tensión (repulsión) que lo devuelve repelido hacia el centro C.

 

Fig. 2: Electrones: ¡Izquierda, AR!

Fig. 3: Electrones: ¡Derecha, AR!

En su viaje completo desde el punto C inicial hasta el extremo A y, posteriormente, de vuelta al centro C, el electrón ha recorrido la distancia d = CA + AC = ?/4 + ?/4 = ?/2 o sea media longitud de onda.

Pero cuando llega de vuelta al centro C, las cosas han cambiado allí. Los tiempos también han cambiado y ahora estamos en la figura de la derecha. En el tiempo en que ha hecho este recorrido d = L/2, la semionda negativa de la onda electromagnética ha sido sustituida por la semionda positiva y se encuentra una orden general de movimiento hacia el punto B. Toca moverse a derechas. La onda incidente ha cambiado de polaridad (180º) y envía el electrón hacia el extremo opuesto B. Allí vuelve a tropezar con una acumulación de electrones y no tiene más remedio que rebotar hacia el centro C. Y cuando llega de vuelta a C las cosas han vuelto a cambiar y tocan otra vez a izquierdas y dirigirse al punto A.

Así que nuestro electrón prosigue su viaje rebotando de A a B y de B a A, incrementando cada vez más la corriente en el cable, gracias al refuerzo de la onda electromagnética que llega en fase con el movimiento de resonancia propio de los electrones en el cable al desplazarse de punta a punta.

Fig. 4 Símil mecánico de la resonancia del dipolo

Como se observa en la figura, nuestra antena de ½ onda se parece mucho a un columpio horizontal formado por dos muelles horizontales entre los cuales una masa M (el electrón) oscila de lado a lado, animada por los impulsos de un caballero (la onda electromagnética) que sincrónicamente lo agita impulsando sincrónicamente el columpio horizontal para alcanzar la máxima amplitud del balanceo.

 

¿Tanto se mueven los electrones por el cable de una antena?

No, esto es completamente falso. En realidad, este viaje del electrón es imaginario, porque los electrones apenas se desplazan unos milímetros por el cable, y lo que realmente se desplaza es el impulso de repulsión que viaja de punta a punta del cable a casi la velocidad de la luz (a un 95% para ser más exactos), igual que la tacada se propaga por la fila de bolas de un billar sin que estas apenas se muevan.

Fig. 5 Igual que la tacada se propaga por las bolas de billar

¿Cuál es pues la clave de la resonancia de una antena dipolo de media onda?

La clave de la resonancia de un dipolo es esa dimensión de L/2 , que está formada por dos tramos de L/4. Porque para que el movimiento de los electrones (la onda de repulsión entre ellos) pueda progresar desde al centro de la antena hasta un extremo y volver reflejado al centro de un modo sincrónico, de modo que se refuerce cada vez y le permita alcanzar la máxima amplitud (resonancia), este viaje debe producirse en un tiempo que coincida con medio período exacto de la onda, y eso se consigue gracias a que la longitud total que recorrería hipotéticamente el electrón en la antena seríaL/4 + L/4 = L/2.

 

¿Y entonces cómo se produce la resonancia en una antena vertical que sólo tiene L/4?

Vamos a poner ahora el dipolo en posición vertical y a sustituir la rama inferior del dipolo por dos radiales iguales y opuestos de ¼ de longitud de onda, que quedarán horizontales precisamente debajo del radiante vertical de ¼ de onda. Los radiales elevados de ¼ de onda horizontales iguales y opuestos cancelan las tensiones y corrientes iguales y opuestas captadas y sólo contamos con la energía captada por el radiante de ?/4 vertical.

   

Fig. 6: Electrones: ¡Abajo, AR!

Fig. 7 Electrones: ¡Arriba, AR!

Si llega una onda electromagnética de polarización vertical hasta un dipolo vertical en el que hemos sustituido uno de los brazos por dos radiales horizontales iguales y opuestos, la onda electromagnética no conseguirá mover los electrones de los radiales, porque éstos sólo pueden moverse perpendicularmente al campo eléctrico vertical que llega.

Sin embargo, a un electrón situado en el radiante vertical de ?/4, cuando le llega una semionda negativa, se ve impulsado hacia abajo, hacia el punto C. La onda negativa manda moverse a todos los electrones hacia abajo y la repulsión se propaga por los radiales desde C hacia las puntas B y D con movimientos iguales y opuestos. Al llegar los electrones a B y D, no pueden proseguir, aumenta la presión (tensión) y rebotan hacia el centro, donde serán de nuevo movidos por el campo eléctrico de la onda electromagnética captado solamente por el tramo vertical AC.

Cuando vuelven y llegan rebotados al centro C, habiendo recorrido L/4 + L/4 = L/2, la onda electromagnética ya ha cambiado de fase (de polaridad), pues ha pasado un semiperíodo y ahora la onda electromagnética tiene campo eléctrico positivo que representa mandarlos todos hacia arriba desde C hacia la punta A. Allí, en C, rebotan de nuevo y se establece también una resonancia cuando la oscilación de los electrones oscilando entre la punta A del radiante y las puntas B y D de los radiales esté en fase con la onda electromagnética que los agita y, de este modo, aumentará la corriente electrónica en la antena hasta un máximo, siempre que la frecuencia de la onda electromagnética se corresponda con la longitud física de ?/2.

Recordemos nuevamente que en la práctica, los electrones no se desplazan realmente por toda la antena, sino sólo unos milímetros, pues es el impulso de repulsión el que se propaga a casi la velocidad de la luz por la antena desde la punta A a las puntas B y D.

Fig. 8 Símil mecánico de la resonancia de una vertical con radiales

La antena vertical con radiales es equivalente a una masa M (el electrón) sujeta a un muelle vertical que cuelga de un techo y sujeta a también a los radiales, equivalentes a dos muelles laterales que complementan el movimiento y agitación causado por el caballero que impulsa la masa (la onda electromagnética) y que se sirve del suelo como elemento de apoyo.

La impedancia de una antena vertical de ?/4 es la mitad de la del dipolo o sea de unos 37 ohmios, pero si los dos radiales opuestos de¼ de onda los colocamos inclinados en lugar de estar horizontales, la impedancia de la antena sube hasta los 50 ohmios

 

Conclusiones sorprendentes deducibles de todo esto:

Si tenemos en cuenta que un dipolo horizontal de media onda tiene una impedancia mínima en el centro de 72 ohmios en el centro cuando está en resonancia, concluimos que una antena dipolo horizontal alimentada por un cable coaxial de 50 ohmios nunca podrá tener una ROE inferior a 1,45:1 pues la mínima ROE sería: 72/50 = 1,45. Si conseguimos una ROE inferior a 1,45, es porque la antena dipolo horizontal de media onda le hemos aplicado uno de los dos sistemas siguientes:

-Un sistema para conseguir una ROE más cercana a 1:1 sería instalarle un balun de relación 1,5:1 para adaptarla perfectamente a un cable coaxial de 50 ohmios.

-Otro sistema sería instalarla como V invertida, de forma que baje su impedancia el centro en resonancia hasta los 50 ohmios, aunque eso disminuye muy ligeramente su rendimiento como dipolo, pero apenas se nota en la práctica, puesto que lo que hace es prestarle cierta omnidireccionalidad.

Por otra parte, una antena vertical de L/4 con dos radiales horizontales iguales y opuestos tiene una impedancia en el espacio libre de 37,6 ohmios, que es prácticamente la mitad de la de un dipolo, lo cual implicaría que la ROE mínima en su punto de alimentación sería de 50/37,5 = 1,33. Para resolver este problema, lo que hacemos normalmente es inclinar los radiales hacia abajo de forma que nos aproximemos ligeramente más a un dipolo horizontal y, de ese modo, aumente su impedancia en el punto de alimentación hasta 50 ohmios.

 
 Fig. 9 Vertical GP con dos radiales opuestos e inclinados 30º

Superconclusión:

Debemos ser conscientes de que es importante optimizar la radiación de cualquier antena ajustándola para que presente un mínimo de ROE a la frecuencia de trabajo y sus alrededores, pero no debe importarnos demasiado que ese mínimo no sea 1:1. La ROE mínima realmente puede tener cualquier valor con tal de que no moleste excesivamente al transmisor o amplificador lineal. Y si lo molesta, nos veremos obligados a utilizar un acoplador.

Tengo la esperanza de que mis argumentos hayan sido lo suficientemente poderosos para haberos convencido de todo esto.

73 Luis A. del Molino EA3OG