Saludos cordiales mis estimados lectores, especialmente a la comunidad científica de #stem-espanol; nuevamente retomo la iniciativa de publicar contenido de interés en el área de las Telecomunicaciones. Para esta entrega se abordarán aspectos concernientes a los medios de transmisión “no guiados” o mejor conocidos como medios de transmisión “inalámbricos”, concretamente el desarrollo de este artículo estará basado en una experiencia que pude llevar a cabo en el transcurso de mi carrera (y aún sigo aplicando lo aprendido) que consistió en el diseño y fabricación de un modelo funcional de Antena capaz de operar en Frecuencia Modulada (FM) tanto a nivel de transmisión como de recepción.

Antes de entrar en detalles técnicos y hablar de las especificaciones de la antena, dedicaré un apartado inicial (cualitativo) donde se describirán nociones básicas del tema a abordar; esta sección inicial dará un abreboca para comprender el funcionamiento de las antenas y su aplicación en el campo de las radiocomunicaciones, posteriormente, se puntualizarán y explicarán los fundamentos que rigen la construcción de este artefacto capaz de radiar ondas electromagnéticas.

Generalidades de las antenas -- Análisis Cualitativo

Para dar inicio, hay que decir que dentro del mundo de la tecnología existe una amplia gama de dispositivos destinados a realizar tareas específicas, por lo general, día a día, se van desarrollando nuevos paradigmas que convierten a estos dispositivos en artefactos “más sofisticados”, dotándolos de nuevas prestaciones que “complejizan” su fabricación y “optimizan su rendimiento”, o al menos eso es lo que tratan de aparentar las marcas comerciales más reconocidas. Lo interesante del caso, es que las antenas (sin entrar mucho en detalles) son de los dispositivos más sencillos que existen (esto es discutible claro está… ); naturalmente, dentro de cualquier sistema de comunicaciones las antenas son fundamentales para establecer conectividad a distancia sin la necesidad de medios físicos, pero cada vez más se crean mitos sobre que antena usar, por lo general el desconocimiento es el principal enemigo que conlleva a la toma infundada de decisiones al momento de adquirir un equipo u otro.

Pues bien, ¿qué es una antena?

Una antena no es más que un material conductor que posee unas dimensiones geométricas las cuales le permiten radiar ondas electromagnéticas al espacio libre, así como también recibir estas ondas y traducirlas en un voltaje efectivo en la etapa de recepción de un sistema de comunicaciones. Con esta primera definición se puede apreciar lo sencillo que resulta el plantearse la construcción de una antena, pues a diferencia de otros dispositivos empleados en telecomunicaciones, la complejidad en este artefacto es casi despreciable.

Pues bien, como se decía, una antena es cualquier tipo de conductor eléctrico, siempre y cuando las dimensiones de estas sean equiparables en tamaño a las longitudes de onda de una señal a una frecuencia determinada (de esto se hablará en detalle más adelante); existen casos puntuales en los que dentro de un circuito de radiofrecuencia (RF) los excedentes de hilos conductores por ejemplo, pueden presentar comportamientos de radiación no intencionados (no deseados) si no son debidamente aterrados.

La radiación producida por el material se debe al movimiento acelerado de los electrones en dicha superficie, básicamente al conectar un generador de corriente alterna a la estructura de la antena. Dependiendo de la forma que adopte el conductor podrán ocurrir varias cosas:

Suponiendo que el conductor tenga forma de línea recta horizontal o vertical, los electrones se moverán de un lado a otro, cuando estos lleguen a los extremos frenaran y repetirán el proceso de aceleración de forma indefinida, este movimiento acelerado y desacelerado asocia consigo la presencia de campos eléctricos y magnéticos cuyas ondas resultantes se separan del conductor.

Por otro lado si la forma del conductor es curva, la fuerza centrífuga y la aceleración asociada harán posible la radiación.

Y si la disposición del conductor es un doblaje, como se aprecia en la figura, con el cambio en la dirección de los electrones también se producirá radiación.

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Ahora bien, las ondas electromagnéticas se caracterizan fundamentalmente por las frecuencias a la que estas oscilan, por ello se debe tener muy claro el tipo de aplicación que se desea llevar a cabo, pues para cada caso (frecuencia de operación) existe un tamaño de antena especifico; para ayudarnos a entender esto más claramente, el espectro electromagnético establece un conjunto de bandas de frecuencias ordenadas desde oscilaciones muy bajas hasta oscilaciones muy altas, siendo inversamente proporcional la relación frecuencia-longitud de onda, que en palabras simples significa: a mayor frecuencia menor será la longitud de onda y viceversa. Esta relación gobierna el tamaño de las dimensiones de una antena, como se decía anteriormente, una antena debe ser equiparable al tamaño de la longitud de onda que se desea transmitir; por ejemplo, en el caso de la radio AM las frecuencias involucradas (535-1605 kHz) son muy bajas, por tanto las longitudes de ondas son muy grandes y consecuencia de esto, una antena de AM posee una longitud sumamente considerable; caso contrario serían las antenas de Wi-Fi cuyas longitudes son muy reducidas debido a su frecuencia de operación a los 2,4GHz.

La relación matemática que deja en manifiesto lo antes explicado es la siguiente:
λ=C/f

Donde λ es la longitud de onda, C es el valor constante de la velocidad de la luz en el espacio libre (3x10^8m/s) y f es la frecuencia de oscilación de la onda en cuestión.

A nivel práctico una antena puede operar a una determinada frecuencia si por lo menos sus dimensiones concuerdan entre 1/8 λ y 1 λ de la señal que se desee transmitir/recibir, por debajo o por encima de estos valores la comunicación será bastante ineficiente.

Una antena debe verse como un elemento más dentro del sistema de comunicaciones, de hecho, es acertado decir que las antenas son componentes de un circuito, por tanto, las tensiones y corrientes que circulan por el mismo deben ser transferidas con la mayor eficiencia posible, es decir, el acoplamiento de impedancia de cada disposito (incluyendo la antena) debe ser optimo; de no existir el debido acople, la antena no será capaz de aprovechar la máxima energía transmitida y parte de esta será reflejada en la línea de transmisión que le antecede, trayendo como consecuencia adicional la formación de “Ondas estacionarias”, estas involucran distorsiones en la señal que se transporta originalmente y recalentamiento en los componentes de todo el sistema en general.

Para finalizar este primer apartado, se afirma que las antenas son elementos “pasivos”, es decir, no amplifican la señal que transmiten/reciben. Me gusta hacer hincapié en este punto, pues muchas personas creen lo contrario, y es que una antena por mucha publicidad que tenga, JAMAS AMPLIFICARÁ una señal, su trabajo es captar las ondas electromagnéticas guiadas por la línea de transición y radiarlas al espacio libre.

Fundamentos de la Radiación para un Dipolo de media onda (λ/2)

En esta sección se describirá el funcionamiento técnico que tienen las antenas como punto final en un circuito de una línea de transmisión, especificando así los parámetros más relevantes que caracterizan a dichos radiadores electromagnéticos. Para ello se tomará el modelo de “Dipolo de Media Onda”. Este corresponde a un diseño bastante económico y fácil de realizar; posteriormente se detallarán los materiales empleados para su construcción así como las medidas de cada elemento que conforma la antena, finalmente se hablará de su efectividad en las transmisiones de Radio FM y cuan viable resulta su implementación.

Lo primero que ha de considerarse, es el comportamiento eléctrico que presenta una antena al momento de ser excitada con un generador de energía alterna, pues las distribuciones de voltaje y corriente son las que las distinguen de otros medios como las líneas de transmisión.

Para el caso de las líneas de transmisión se pueden hacer comparaciones referentes al comportamiento inductivo y capacitivo de los circuitos clásicos, concretamente, para una línea terminada en circuito abierto la impedancia será sumamente elevada si se realiza una medición en este punto, de hecho seria como tener un circuito en paralelo bobina-condensador. Esta situación conlleva a que se formen ondas estacionarias asociadas con un máximo de voltaje y en simultaneo, tendremos ondas estacionarias con mínimos de corriente, este fenómeno es producto del “choque” entre la onda que incide en la carga y la onda que se devuelve hacia el generador, es decir, la onda reflejada; recordar en física el experimento de los muelles. Para una apreciación más profunda de las ondas estacionarias pueden consultar el artículo de @lorenzor donde nuestro compañero explica esto con sumo detalle.

Lo crítico de todos esto, es la distancia de λ/4 con respecto a la fuente de energía, pues es en este punto ocurren ciertas cosas: esta vez el comportamiento inductivo y capacitivo denotan un circuito del tipo serie cuyas corrientes e impedancias serán muy reducidas (mínimas); las tensiones producidas por la fuente alterna concebirán distribuciones de carga variables en el tiempo que llevarán consigo campos eléctricos, de igual forma ocurre con las corrientes oscilatorias, las cuales inducirán campos magnéticos. Ambos campos fluirán por la línea conductora pero desfasados entre si 90º, como consecuencia de todo esto los campos electromagnéticos retornarán toda la energía a la fuente generadora siendo así la línea incapaz de radiar las ondas al espacio libre.

La clave para la radiación está en que los campos eléctricos y magnéticos viajen en fase.
Esto se logra adaptando una antena en el extremo de la línea tomando la referencia de λ/4. Para este caso en específico, se considera la implementación de un dipolo, donde Monachesi (2011) indica que :

Al realizar un doblaje en cada una de las líneas a una distancia de λ/4 desde los extremos formando un ángulo de 90º respecto al eje de cada una ellas, la onda de tensión en los extremos de cada conductor será la misma respecto a su plano origen de referencia, mientras que los campos eléctricos se van a distribuir en forma colineal en cada uno de los nuevos segmentos. Las corrientes en cada segmento tienen la misma dirección y por tanto los campos magnéticos en estos tramos no se anulan.

Cada uno de estos tramos que se han añadido pueden ser hilos propios de la línea de transmisión o bien pueden ser brazos metálicos de longitud λ/4 (para nuestro caso fueron utilizados tubos cilíndricos de aluminio).

Fabricación de Antena Dipolo para operar en la Banda de Frecuencia Modulada (FM)

A continuación se explica el proceso de construcción de la Antena dipolo de media onda (λ/2).

Como se había dicho en principio, este texto está basado en una experiencia realizada en la comunidad de Carrizal La Vela de Coro – Estado Falcón, específicamente en la “Escuela para la Transferencia del Conocimiento”, sede de la casa de construcción de antenas de radio; esta actividad fue programada en conjunto con los alumnos del 5to semestre de la Carrera Ingeniería en Telecomunicaciones de la UNEFA CORO y la Fundación ROMUNINO, siendo Jesús Amaya y Carol Zavala los facilitadores del Taller.

Jesús Amaya y Carol Zavala (este último fallecido en 2016) fueron los acreedores del premio “Ibrahím López García” en su tercera edición (2014) por su inventiva e innovación tecnológica en el área de la fabricación de antenas de radio. Para más información puede consultar el siguiente enlace.

Como se decía en principio , La principal consideración que tomamos en cuenta para la construcción de una antena, es la aplicación para la cual será dispuesta, en este caso nuestro interés estará centrado en la Radio FM, cuyas bandas de frecuencias se sitúan entre 88 y 108 MHz. Este resulta ser un dato muy valioso pues si recordamos la relación λ=C/f fácilmente podremos calcular el tamaño de las longitudes de onda para FM y con esto la longitud de nuestro dipolo, sin embargo, a esta fórmula hay que hacerle una ligera modificación, pues nuestra antena trabajara con λ/2, es decir medio ciclo de la señal, por tanto la longitud del dipolo viene dada por :

Ldip=150x10^6m/s/f(MHz)

El valor resultante en metros debe ser corregido pues dicha relación obedece a una condición ideal donde la onda electromagnética se propaga en el espacio libre, en esta situación al haber un conductor de por medio se aproxima a la siguiente expresión:
Ldip=142,5x10^6m/s/f(MHz) (una corrección del 5%).

En nuestra práctica, el elemento principal de la antena conocido como irradiante se calculó de la siguiente manera: Ldip=142,5x10^6m/s/107.7MHz = 1,32m La frecuencia elegida fue de 107,7MHz debido a que este es el dial de la emisora “PATRIMONIAL” de la Fundación ROMUNINO.

Aproximadamente, el elemento principal del dipolo debe medir 1,32m, por lo que cada tramo de λ/4 mide 0,66 m respectivamente.

Los materiales empleados para armar el elemento irradiante fueron tubos de aluminio brillante de ½ pulgada cortados a las medidas especificadas.
El punto de alimentación fue diseñado con un tubo de aluminio (a este elemento se le denomina gamma), en su interior reposa un alambre de cobre esmaltado (elemento excitado), el cual cumplirá la función de conducir la energía proveniente de la estación trasmisora hacia el elemento principal; se le adapto un conector del tipo N para que serviría de interfaz entre la línea de transmisión y el elemento “excitado”. La longitud de este conductor es de aproximadamente 36cm.

Entre el irradiante y el tubo gamma se colocó una tira de aluminio denominada “barra cortocircuitante” cuya función es inducir el campo electromagnético guiado por el conductor hacia el elemento irradiante. Esta barra es variable y se ajusta en función del ROE, es decir, podemos desplazarla de un lado a otro y una vez obtenida una relación de estacionarias aceptable es fijada o “Machada” como coloquialmente se le dice.

Utilizamos un tubo rectangular para “encajonar” los elementos, obteniendo la siguiente impresión:

Acotación:
La antena debe conectarse a un cable coaxial (línea de transmisión) por el conector tipo N. Este modelo al no contar con un acoplador de impedancias es muy importante que la longitud del cable sea un múltiplo de la media longitud de onda para la frecuencia a la cual se está operando, pues así (en teoría) se logra obtener impedancias iguales entre el punto de alimentación de la antena y la salida del equipo transmisor.
Para las pruebas realizadas se utilizó un cable coaxial de 6,5m aproximadamente entre el equipo transmisor y la antena.
Los resultados fueron bastante aceptables, con un gran rendimiento por parte del dipolo. Se pudo sintonizar de forma efectiva la frecuencia de 107.7 MHz.

Y así mis estimados lectores doy por finalizada esta entrega. El modelo de antena dipolo resulta ser un modelo económico, sencillo y muy potente para la transmisión en FM.
Nos vemos pronto, espero sigan teniendo éxitos mis estimados lectores en sus proyectos y convicciones. !

Ajustando el cable de alimentación

Las fotos fueron tomadas con mi cámara Sony compacta

Referencias

Antenas –2da Edición Ángel Cardama ; UPC 2002.

Sistemas de comunicaciones electrónicas ; Wayne Tomasi. (2003).

Compact and Broadband Microstrip Antennas; KL Wong (2002)

Efecto de la Foresta en las Transmisiones electromagnéticas dentro de una WLAN (LAN inalámbrica) Conceptos generales de Antenas

Construcción de dipolos

Imagen elaborada por @carloserp-2000 y @iamphysical.