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TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 2: Si la ROE es elevada, la línea radia interferencias?

TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN-2: Si la ROE es elevada, la línea radia interferencias

Otro de los tópicos que está presente en la mente de muchos radioaficionados novatos es que la presencia de ondas estacionarias en la línea de transmisión, es decir, una ROE elevada a la salida del transmisor es una fuente de radiación de interferencias y espurias. Y están convencidos de que las interferencias mejorarán si la  antena se adapta de una forma óptima hasta conseguir el soñado 1:1 en el medidor de ROE. Aquí explicamos claramente  por qué la ROE normalmente no tiene la culpa de la radiación de interferencias, sino la falta de simetrizadores.

Si la ROE en la línea de transmisión es elevada, la línea puede radiar más interferencias. ¿Verdadero o falso?

Así lo preguntábamos en el Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición. Preguntábamos si es cierto o falso que las ondas estacionarias presentes en una línea de transmisión hacen que radie más interferencias por culpa de esa ROE elevada y, por tanto, en caso de problemas de interferencias de RF, debemos dedicar todos los esfuerzos posibles a exterminar esa plaga de la ROE como sea.

La respuesta correcta a esa afirmación es que es totalmente FALSA y vamos a exponer aquí las razones que justifican esta respuesta, y que podemos dividir en tres argumentos principales:

Corrientes en modo común

En primer lugar, porque  la radiación que pueda proceder de una línea de transmisión no se debe a la presencia de ondas estacionarias en la línea de transmisión, sino a problemas de corrientes de RF en modo común que circulan por el cable coaxial, concretamente por la parte exterior de la malla de la línea coaxial.  Una antena de cualquier tipo  bien instalada no debe tener problemas de radiación desde la línea coaxial, tenga o no ondas estacionarias.

Si una línea de transmisión radia energía no deseada, veremos con más  detalle a continuación  que eso siempre es por nuestra culpa. Siempre sucede porque no hemos tomado las precauciones más elementales en la instalación de una antena, sea horizontal o vertical, concretamente para evitar que circulen corrientes en modo común (en un solo sentido del cable coaxial), es decir, por el exterior de la malla.

Si tomamos las precauciones que luego veremos con todo detalle, no debemos preocuparnos  de que una línea de transmisión, sea del tipo que sea, radie energía, porque no radiará nada. Toda la energía emitida llegará a la antena, hayan o no ondas estacionarias, y saldrá radiada por la antena.

Por supuesto que la potencia reflejada por una desadaptación de la antena a la impedancia característica de la línea, si no utilizamos un acoplador, es muy posible que, al llegar devuelta rebotada, se disipe en el transmisor y radiemos algo menos de potencia real en la antena, pero podemos conseguir fácilmente que no sea radiada por la línea de transmisión como veremos posteriormente.

Linealidad de los amplificadores

En segundo lugar, porque las interferencias generadas siempre se deben a la falta de linealidad de los amplificadores lineales (o no tan lineales), o bien, se deben a otras espurias generadas en los osciladores del transmisor. Lo que sí es cierto es que, si hay una gran desadaptación de la antena con la línea, esto puede que afecte al transmisor, especialmente si el paso final es transistorizado y éste se encuentra con una carga no adecuada. Entonces y sólo entonces, es muy posible que se degrade ligeramente la linealidad del amplificador final y esto hace posible que aumenten  la generación de armónicos en ese amplificador.

Si el amplificador lineal es un amplificador a válvulas y realizamos bien la sintonía y adaptación del paso final (normalmente equipado con un circuito PI de acoplamiento), no debemos preocuparnos por la presencia de ondas estacionarias en la línea ni por la linealidad del amplificador, pues siempre tendrá la carga adecuada, una vez bien sintonizado.

Por otra parte, siempre la falta de linealidad del amplificador final es la que ocasiona la generación de más armónicos y el aumento los productos de intermodulación dentro en la banda pasante de la emisión. Cuando  hay una mala linealidad en el amplificador final, aparte de generarse más  armónicos, se produce otro problema: esto hace que se mezclen los componentes de la voz en una banda lateral (sea la superior o la inferior) emitidos al modular y el resultado es que una vez demodulada la voz en un receptor, esta se nota menos nítida y se vuelve más áspera o más rasposa.  Esto se debe a que se mezclan entre sí las propias señales de la banda lateral y se generan productos de intermodulación entre ellas, dando como resultado frecuencias que no deberían estar presentes  dentro de esa banda lateral.

Generación de espurias

En tercer lugar, las espurias que genere un emisor son emisiones que no se encuentran dentro de la banda pasante de la modulación, y se deben generalmente a la falta de pureza del sintetizador principal PLL y al ruido de fase del oscilador. Para mejorar la estabilidad, se procura que el oscilador principal sintetizado funcione a una frecuencia relativamente baja, lo cual nos obliga a añadir conversores elevadores de frecuencia para obtener la frecuencia final adecuada en cada banda.

En cualquier caso, el sintetizador es muy difícil que genere señales sinusoidales puras y las espurias generadas se agravan en los mezcladores posteriores, encargados de elevar la frecuencia de la señal  del oscilador hasta alcanzar la banda de transmisión deseada.  Estas frecuencias espurias, al pasar por mezcladores sucesivos, dan lugar a la generación de nuevos productos de intermodulación entre ellas que aumentan en cada conversión.

Como veis, las espurias generalmente no tienen que ver nada con la linealidad del amplificador, ni con la adaptación de la antena  con la línea de transmisión. Se han generado mucho antes.

El ruido de fase del oscilador principal

Por otra parte, lo mismo pasa con el ruido de fase del oscilador. Este ruido se genera por culpa de pequeñas irregularidades de las corrientes electrónicas en los osciladores y es un subproducto que siempre se intenta reducir al mínimo con mayor o menor éxito. Así pues, debe mantenerse a la mayor distancia posible en decibelios del pico de la frecuencia fundamental del oscilador desde que se inicia su generación. Pero, desgraciadamente, el ruido también aumenta al pasar por cada uno de los mezcladores de conversión, los mezcladores elevadores de frecuencia para cada banda, pues el ruido, en cuanto nos referimos al espectro frecuencial del mismo, está desperdigado por las frecuencias de los alrededores de la frecuencia fundamental emitida, y esas frecuencias vecinas también se mezclan entre sí y dan lugar a un ruido adicional que se suma al ruido de fase original al pasar por los mezcladores.

Lo importante es que no radie la línea

Pero como decíamos anteriormente, se generen o no espurias, la cuestión es que debemos conseguir que la bajada o línea de transmisión no radie, es decir, que no se comporte como una antena, sino como lo que debe ser: un transportador de RF que no radie absolutamente nada, sino que traslade toda la energía generada a la antena, de modo que se radie allí y se convierta en ondas electromagnéticas .

Pero ahora veamos cómo es posible que una línea de transmisión radie por ella misma y no cumpla bien esta misión transportadora.

¿Por qué puede radiar una línea de transmisión coaxial?

Veamos dos figuras claves a continuación. Un transmisor que alimenta un dipolo con una línea paralela (Figura 1) y otro que lo alimenta con una línea coaxial ( Figura 2).

   

Figura 1 – Dipolo con cable paralelo

Figura 2 – Dipolo con cable coaxial directo

En la línea de transmisión paralela que alimenta un dipolo simétrico (Figura 1), las dos corrientes que circulan por los dos cables paralelos son exactamente iguales y opuestas, por lo que los campos eléctricos y magnéticos generados a una cierta distancia, pongamos  por ejemplo a una distancia suficientemente alejada, como por ejemplo 10 veces la separación de la línea, ya son prácticamente iguales y opuestos. Si los campos eléctricos y magnéticos generados de los dos cables se anulan entre sí, la radiación electromagnética radiada es prácticamente nula. Conclusión: la línea de cables paralelos de una antena simétrica está garantizado que no radia nada.

En la línea de transmisión coaxial que alimenta un dipolo simétrico (Figura 2), todo esto no ocurre de una manera tan simétrica y tan bonita: la asimetría del cable coaxial nos produce problemas  inesperados. El cable coaxial se puede comportar como una línea de tres conductores en lugar de dos (Figura 3 y 3 bis):

   

Figura 3 – Dipolo con cable coaxial directo = 3 conductores.

Figura 3 bis –Detalle del cable coaxial con 3 corrientes.

 

Los tres conductores son:

1- El vivo del coaxial

2- El interior de la malla

3- El exterior de la malla

Ahora tenemos un problema: El exterior de la malla, conectada directamente a una rama del dipolo, se puede comportar  como una antena  resonante independiente con una  longitud L/4 + h (Fig. 4).  Las corrientes en el vivo y el interior de la malla pueden ser iguales y opuestas y no radiar absolutamente nada, pero el exterior de la malla puede hacer la guerra por su cuenta y resonar en la misma frecuencia aproximada o en otras frecuencias, e introducir corrientes en el medidor de ROE  y mostrarnos lecturas totalmente distintas de las que hay realmente en el interior de la línea.

 

Figura 4 – Dipolo con cable coaxial directo

La suma de longitudes puede resonar como un múltiplo impar de cuartos de onda y modificarnos la curva de resonancia de la antena para comportarse como una antena vertical independiente  (máxima corriente abajo)o resonar en un múltiplo de media onda y llenarnos de radiofrecuencia el interior de la estación (máximo de tensión abajo). ¡Qué desastre! El fenómeno se pone en evidencia cuando, al alargar o acortar la línea con un latiguillo, la ROE indicada  por el medidor cambia también. Podemos volvernos locos intentando ajustar la antena a resonancia, cuando lo que la desvía de su resonancia es la longitud resonante de la bajada, combinada con una rama de la antena. El cambio de la longitud afecta a la resonancia y al comportamiento de la antena. Efectivamente, tenemos un problema.

¿Por qué diablos no utilizamos entonces siempre los cables paralelos?

Si los cables coaxiales producen tal desastre, me preguntaréis, ¿cómo es posible que todo el mundo los utilice? ¿Por qué no se utilizan siempre las bajadas de cables paralelos?

Muy sencillo: porque los cables de bajada paralelos son un problema mecánico tremendo. Si se hacen con separadores en escalerilla, pueden retorcerse por el viento y cruzarse la línea, y no son fáciles de introducir dentro de la estación por las ventanas, y no pueden pasar cerca de elementos metálicos o conductores sin afectarse, no podemos doblar esquinas ni ángulos fácilmente, y…  etcétera, etcétera. Todo les afecta y pueden acabar muy mal en cualquier momento con tan solo que haga un poco de viento o cualquier otro fenómeno meteorológico.

Si se utilizan cables paralelos con cintas separadoras de algún tipo de plástico, estos cables se afectan también por la lluvia y por la nieve, y por las proximidades de elementos conductores, por lo que hay que mantenerlos separados de las paredes por lo menos 10-15 cm, y además, no se pueden introducir tampoco fácilmente en el interior de la estación sin que se afecten. Un desastre de instalación y bastante problemática.

Todas las ventajas mecánicas son del cable coaxial

En cambio, el cable coaxial bien instalado no se afecta por nada: puede curvarse, introducirse por agujeros, por tubos, por ventanas  hasta el interior de la estación, no le afectan elementos metálicos próximos, puede colocarse pegado a las paredes. Es comodísimo y fantástico de instalar. ¿No te parecen que éstas son unas cuantas razones muy importantes para intentar superar el pequeño inconveniente de la asimetría que presenta?  Y ni siquiera estos problemas que presenta son difíciles de resolver. Nada de eso.

¿Cómo podemos superar la asimetría del cable coaxial?

Pues es fácil, la solución es muy simple: impidiendo la circulación de la corriente parásita de RF externa por la malla y obligando a que todas las corrientes de RF circulen por el interior del cable y sean exactamente iguales y opuestas, de forma que su radiación se cancele en el espacio lejano.  Asunto resuelto.

En las antenas de HF, se utilizan principalmente  tres métodos para impedir las corrientes en modo común en un dipolo, aunque hay alguno más como veremos, que se utiliza más bien en VHF.

Balún de tensión:

Este es un balun consistente en tres devanados sobre un núcleo de ferrita como el que se contempla en la figura 5. Cualquier diferencia entre las corrientes que circulan por las dos ramas del dipolo crea una tensión correctora en el devanado central que tiende a compensar la diferencia de corrientes hasta hacerlas iguales y opuestas, es decir hasta anular cualquier radiación.

 

Figura 5 – Balun de tensión

 

Además este balun, cambiando la relación entre devanados, puede actuar como  un transformador de impedancias y utilizarse para adaptar un coaxial de 50 o 75 ohmios a impedancias superiores. Es decir, cambiando las relaciones entre devanados nos permite transformar un cable de 50 ohmios en una impedancia de 200 ohmios muy apropiada para Windoms (balun 4/1) o adaptar antenas de tipo hilo largo (largo de verdad) con relaciones más elevadas (9/1) y alcanzar hasta los 450 ohmios de impedancia.

Balun de espiras de cable

A partir de los 20 metros y en las bandas superiores (incluidas VHF), es muy fácil y barato evitar las corrientes de malla enrollando el cable coaxial en un forma de bobina de espiras juntas  con media docena de vueltas (Figura 6) y generando así una inductancia en el exterior del cable que es suficiente para frenar las corrientes externas, sin que el interior del cable se entere de que se ha realizado un arrollamiento.

 

Figura 6 – Balun de coaxial enrollado

 

Para las bandas de frecuencias más bajas (160, 80 y 40 m), este método no es nada  práctico porque no es fácil conseguir suficiente inductancia y, si se aumentan las espiras, aparece una capacidad entre espiras que empieza a ser excesiva para frecuencias superiores, si se pretende que sea multibanda. Se recomienda utiizar el primero o el tercer método.

Balun de anillos de ferrita sobre el cable:

Modernamente se ha puesto de moda realizar balunes (por ejemplo el MFJ-915) que consisten en numerosas ferritas en anillo colocadas a lo largo de un palmo de cable coaxial de forma que se frena el paso de la RF por el exterior del cable. Estos balunes se han popularizado, no son caros y reciben normalmente el nombre de UN/UN (de unbalanced/unbalanced). Se intercalan en el cable coaxial cerca del punto central de alimentación de la antena para evitar las corrientes por el exterior de la malla (Figura 7).

 

Figura 7 – Ferritas para frenar corrientes de RF

 

Incluso se está popularizando su colocación en el interior de la estación en el punto de salida de la RF final, por ejemplo, a la salida del transceptor y después del acoplador por los motivos de que pueden ahorrarnos también que la RF afecte el equipo, especialmente ahora que se ha puesto de moda que muchos equipos estén controlados por CAT a través de un puerto USB y la RF pueda llegar al ordenador a través de los cables de conexión. Y también nos evita la RF captada directamente por la línea de bajada como veremos a continuación.

Bazooca en el boom de la antena

Hay otros métodos que no se utilizan para antenas de cable, pero que utilizan mucho los fabricantes de antenas de VHF, como por ejemplo colocar un stub resonante de ¼ de onda que impida el paso de corrientes por el exterior de la malla. Uno de estos métodos es el llamado bazooka que consiste en hacer pasar el cable coaxial por dentro de un tubo de ¼ de longitud de onda que se conecta a la malla del cable en el extremo más alejado de la antena como se observa en la figura 8.

 

Figura 8 – Bazooka para eliminar corrientes de RF

¿De qué otra forma puede captar radiofrecuencia una línea?

A pesar  de que pongamos un balun de cualquier tipo en el punto de alimentación del dipolo, la línea de bajada o de transmisión de la antena puede captar radiofrecuencia por si misma si da la casualidad de que resuena como antena de ½ onda en cualquiera de las bandas.

En sí, este problema es difícil de evitar y los problemas que produce son muy inferiores a los que puede llegar a producir las corrientes una antena sin balun en el punto de alimentación, porque estamos hablando de otra magnitud. En el caso de las tensiones de Rf producidas por corrientes de malla por formar parte de la antena, podemos estar hablando de voltios de RF, mientras que si hablamos de RF captada por la antena podemos estar hablando de milivoltios como mucho.

Esta RF captada no era un problema que preocupara a nadie ni tenía la menor trascendencia ni siquiera cuando llegó la era de los ordenadores y comenzaron las transmisiones digitales con ordenador, mediante las conexiones RS-232 a los decodificadores de RTTY y las TNC de radiopaquete. Pero las cosas han cambiado ahora modernamente con la conexión USB.

Nuevo problema: La conexión USB

El problema se ha presentado con toda su crudeza  con la aparición de los dispositivos decodificadores conectados por puerto USB. El conector y el cable USB se ha demostrado muy sensible a la RF y eso ha dado lugar a que aparezcan cuelgues del programa decodificador y del ordenador y de los receptores SDR con gran facilidad. Y eso se presenta con tensiones muy pequeñas de RF que antes no le importaban a nadie que se captaran.

Ahora tenemos que vigilar que la RF no se pasee por todos los cables que bajan de la antena, y colocar ferritas partidas en cualquier cable, si no queremos que nos pasen toda clase de cosas raras en el ordenador. A mí personalmente me ocurrió con los cables de los rotores de las antenas de satélite, que se encontraban en otra torreta, pero que captaban la RF y la llevaban hasta el mismo ordenador en que funcionaban los equipos SDR. Me llevó mucho tiempo  descubrir por qué saltaba el equipo SDR solamente cuando transmitía en 15 metros.  Esto ya era una indicación de que había una resonancia en algún cable. Un día por casualidad descubrí que los cables del rotor resonaban en una longitud de onda completa  (15 metros) y me introducían la RF hasta el ordenador a través del controlador de rotores conectado al puerto paralelo.

¿Cómo podemos evitar problemas?

Aparte de colocar ferritas en las líneas de todos los dispositivos que, de alguna forma, pueden conducir la RF al ordenador, es prudente evitar cualquier problema de RF captada por nuestra línea de transmisión, incluso en las de las demás antenas, colocando un balun UN/UN de anillos de ferrita en el interior de la estación, justo antes de la entrada al acoplador de antena o al paso final del amplificador lineal (Figura 9).

 

Figura 9 – Colocación de un un-un junto al transmisor

Especialmente si utilizamos lineales de gran potencia, los altos niveles de RF pueden afectar mucho más a los ordenadores. En todos estos casos, debemos poner en práctica todos los recursos posibles para evitar que circule la RF por nuestra estación, y tampoco llegue al ordenador. La RF debe salir por el interior del cable coaxial y llegar a la antena y no dejarla volver por otros caminos.

Y por supuesto, nada de utilizar toma de tierra común de RF en la estación.

La nefasta toma de tierra común

Lo peor que puede ocurrirnos al colocar una toma de tierra común de RF en una estación emisora es que funcione bien y realmente derive la RF a masa. Con ello resulta que la RF se pasea y se radia en el interior de la estación, porque la toma de tierra de RF ahora forma parte de la antena. Todas nuestras buenas intenciones de que la energía de RF se radie en la antena se han ido a la porra.

En la Figura 10 tenemos un buen ejemplo de una mala instalación. Una antena dipolo sin balun que cancele la corrientes en modo común y una toma de tierra oportuna que acaba de complicarlo todo, formando parte de la antena y radiando por su cuenta.

 

Figura 10 – Dipolo sin balun y con toma de tierra de RF

 

Tenemos una resonancia en el dipolo y otra en el sistema formado por una rama del dipolo, la malla del cable coaxial y la toma de tierra de RF. Toda una segunda antena de polaarización vertical completa que radia energía de otra forma y en el interior de nuestra estación, en el que a lo mejor incluso hay un máximo de corriente a nuestros pies. Toda una garantía de que tendremos RF en el micrófono y en todos los dispositivos conectados al transceptor.

Así que lo más prudente, en este caso, aparte de colocar un balun en la antena, es impedir de alguna forma con ferritas partidas que la RF circule por cualquier toma de tierra común de protección eléctrica que tengamos.

Pero por lo menos las antenas verticales no necesitan balun, ¿o sí?

Igual que los dipolos, las antenas verticales de tipo GP con radiales también deben llevar un balun, e incluso un un/un a la salida del transmisor o del acoplador, que impida la circulación de corrientes por el exterior de la malla, pues  la RF puede circular en modo común exactamente igual que lo hace por las líneas de transmisión conectadas a los dipolos de media onda horizontales sin balun. Recordad que el problema de la RF por la malla no lo produce la asimetría de la antena, sino precisamente la asimetría del cable coaxial.

El caso extremo es el que se muestra en la figura 11 en el que la línea coaxial tiene una longitud múltiplo de 1/4 de longitud de onda y en el que, por consiguiente, se produce un máximo de tensión de RF junto al transmisor, porque el otro extremo es de baja impedancia por fuerza. Si en este caso no ponemos un balun, tendremos problemas de RF elevados en los bigotes al modular. Si tampoco ponemos un un/un junto al transmisor, es posible que la RF captada directamente por la antena nos dé también algún problemilla en algún dispositivo USB del ordenador (si lo utilizamos), porque ya hemos comentado que es un nuevo problema: la mayor sensibilidad a pequeñas corrientes de RF simplemente captadas por resonancias en los cables, sean coaxiales o no de las conexiones USB.

 

Figura 11 – Vertical GP con linea 1/4 onda

 

En cambio, en las antenas verticales con plano de tierra natural, en las que la malla del coaxial se conecta a tierra-tierra y en la que el suelo conductor forma una imagen perfecta del radiante de cuarto de onda, no está muy claro que se produzcan corrientes por el exterior de la malla, salvo que la línea de transmisión tenga un múltiplo impar de cuarto de onda exacto.

En este caso, se produciría un máximo de  la tensión de RF captada en la conexión al transmisor igual al de la figura 11. Pero en este caso estoy convencido de que esta tensión de RF puede anularse poniendo también a una tierra-tierra este extremo. En este caso, si que puede ser útil la tierra común de RF y no haría falta colocar un balun a la salida del transmisor. Pero siento deciros que esto no lo he podido comprobar personalmente, así que dejémoslo en el aire hasta que algún otro radioaficionado nos confirme si representa problemas o no.

Pero no echemos nunca más la culpa de la RF  en la estación a la ROE elevada cuando esta varia al modificar la longitud del cable porque no hemos puesto ningún balun en la antena que evite las corrientes de malla en modo común.

73 de Luis EA3OG