CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Electrotecnia. Electricidad


Transmisión de señales de RF

ANTENAS DE RADIOFRECUENCIA

Directividad de un dipolo resonante de media onda

Mientras que una fuente puntual colocada en el espacio irradia igualmente en todas direcciones, esto no es nunca cierto en una antena práctica. Todas las antenas irradian más energía en una dirección que en la otra. La dirección en la cual una antena irradia mejor es la favorable para obtener una máxima respuesta en una antena receptora. La representación gráfica de la imagen de la radiación se denomina "diagrama direccional", y se aplica tanto en trasmisión como en recepción. La causa de la irradiación direccional en una antena resonante de media onda es que la intensidad de la radiación es proporcional al cuadrado de la corriente en la antena, pero como la corriente no es la misma en toda la longitud de ésta, se irradia mayor energía en ciertas partes y menor en otras.

Figura : Todo dipolo de media onda en resonancia, irradia y capta mejor las señales sobre el costado del elemento de antena.

En el dipolo resonante de media onda, la irradiación y la captación de señal toma lugar perpendicularmente a lo largo del eje de la antena. Una antena montada horizontalmente en el espacio tiene un diagrama de irradiación semejante a un 8, con la antena colocada en su centro. Si el eje mayor apunta en la dirección Este-Oeste, la máxima irradiación y captación de señal se producirá en la dirección Norte-Sur, y viceversa. La práctica normal para orientar una antena horizontal, es trazando una línea imaginaria normal al punto medio de ésta, y que pase por la dirección deseada. La proximidad de la antena al suelo, altera el diagrama de irradiación, cambiando el ángulo de irradiación en el plano vertical.

Antenas parásitas (Antenas Yagui)

La antena parásita es una forma de uso del dipolo resonante de media onda, en el cual se concentra la radiación en una dirección deseada y se reduce al mínimo la irradiación en direcciones indeseables. Esto aumenta la ganancia de la antena. Como referencia se toma el dipolo resonante de media onda previamente identificado como antena de ganancia de 0 db. Si una antena ofrece una ganancia de 3 db, el resultado de irradiar energía en una determinada dirección, es el mismo que si se hubiera utilizado una dipolo resonante de media onda de 0 db de ganancia, aplicando el doble de potencia del trasmisor (3 db = duplicar la potencia; 6 db = cuadruplicar la potencia; 10 db = aumentar 10 veces la potencia). Una antena con ganancia tiende a concentrar la energía irradiada en un haz estrecho, y por lo tanto debe ser dirigida más cuidadosamente.

Figura: Antenas parásitas o de haces

 

Una antena de haces o antena parásita, contiene varios elementos: un dipolo de media onda que recibe la potencia del trasmisor, o que manda al receptor la energía recibida, y se llama "elemento driven" o "elemento excitado"; además, una o varias varillas continuas de metal, los elementos parásitos, que se hallan paralelos al elemento driven y a su mismo nivel. Estas varillas se hallan acopladas eléctricamente, pero no están conectadas al driven. La varilla que se halla frente al driven se llama "director". A veces se usan dos o más directores. La varilla que se halla detrás del driven se llama "reflector", y sólo se usa uno. Frecuentemente el conjunto driven, director y reflector se usan en una misma antena.

Operación y características de la antena parásita

Cuando se habla en términos de trasmisión, la energía se manda al elemento driven. Éste irradia energía hacia delante y hacia atrás. Parte de esta energía induce una corriente en los elementos parásitos, los cuales a su vez re-irradian toda la energía. Dimensionando convenientemente los elementos parásitos, respecto del elemento driven, así como su distancia entre ellos, la energía eléctrica re-irradiada puede serlo de forma tal que refuerce a la corriente en el elemento driven. Además refuerza la radiación en el frente, mientras que tiende a anularla en la parte posterior. El resultado es una concentración de la radiación en el frente de la antena, es decir en la dirección deseada. Cuando se recibe, los elementos parásitos y el driven o elemento excitado actúan sobre el frente de onda pero no en el mismo momento, debido al espacio que existe entre ellos. Por medio de un dimensionado y espaciado correcto, la energía recibida es reforzada en el elemento driven; mientras que la energía que se recibe por la parte posterior al driven, queda anulada.

Figura : La disposición parásita irradia hacia el frente, con mínima radiación (y señal captada) hacia atrás. Cuanto mas grande es el número de elementos, mas estrecho es el haz y mas grande la concentración de energía.

Dado que la corriente en el elemento driven es una combinación de la que se recibe del trasmisor y de la que se forma en los elementos parásitos, la impedancia del punto de alimentación del driven es mucho menor que 72 ohms. Puede llegar a ser de 25 ohms. Por esta razón se requieren métodos especiales para adaptarla a la línea de trasmisión. Además el comportamiento de los elementos de la antena como circuitos acoplados, tiende a estrechar la banda de frecuencias alrededor del punto de resonancia. Una antena de haces es de sintonía mucho más crítica que un dipolo resonante de media onda. Generalmente, la longitud del director es el 5 % menor que el driven, mientras que el reflector es el 5 % más largo.

El dipolo plegado

Una variación del dipolo convencional de media onda es el dipolo plegado. Se trata de dos dipolos de media onda -uno, una várilla continua y el otro partido en el centro- conectados en paralelo. La linea de trasmisión se conecta al dipolo partido. Su comportamiento difiere del que presenta el dipolo convencional de media onda, en varios aspectos. El dipolo plegado es bidireccional, pero debido a la distribución de las corrientes en las partes del plegamiento, su impedancia es mucho más alta. Si todas las partes de la antena se hacen con tubo o varilla del mismo diámetro, la impedancia del punto de alimentación es de 288 ohms.

En esta forma es un elemento excelente para adaptar a las lineas de trasmisión planas de 300 ohms. Otra característica del dipolo plegado es que tiene una banda de frecuencias más amplia alrededor de su punto de resonancia. A veces se lo usa como elemento driven en antenas parásitas debido a su alta impedancia, la cual en esa disposición disminuye y es conveniente para ser adaptada a lineas de 50 a 75 ohms.

PROBLEMA 1. Un dipolo plegado de media onda está construido con dos varillas de 0,63 cm, espaciadas 2,54 cm, y están conectadas en los extremos. Determinar la longitud de las varillas a 100 Mc/s y su impedancia. Ver cálculos relacionados

Figura: Factor de multiplicación K. Relación de media longitud de onda del diámetro del conductor

La antena vertical

LA ANTENA VERTICAL DE CUARTO DE ONDA : es una antena omnidireccional. Irradia igualmente en toda dirección, excepto en la línea de su eje.

 

Una forma standard de antena es la vertical de 1/4 λ, también conocida como "antena Marconi". Es una varilla vertical de longitud igual a 1/4 de la longitud de onda a la frecuencia de resonancia, y posee su base a tierra. Se la usa para todas las frecuencias que comienzan en 500 KHz y hasta 150 MHz. Cuando se la utiliza en vehículos, éste actúa como tierra. La antena irradia una onda polarizada vertical de bajo ángulo, y las líneas de fuerza eléctrica son perpendiculares a la tierra. Conectando el extremo inferior directamente a tierra, ésta presenta a la antena una imagen especular de sí misma. Esta imagen de espejo es el equivalente de 1/4 λ perdido, de forma tal que la antena tiene una distribución de corriente y voltaje similar a un dipolo resonante de media onda. La corriente es mínima en el extremo superior y máxima en el extremo de tierra, mientras que el voltaje es máximo en el tope y mínimo en tierra. El punto de alimentación para esta antena se halla ligeramente por encima de la base. La resistencia del punto de alimentación es de 36 ohms medidos en el punto de conexión al sistema de acoplamiento. Las antenas verticales de longitud menor a 1/4 λ tienen una impedancia de alimentación y una resistencia de radiación más bajas. Si la antena es demasiado larga, la resistencia de radiación aumenta mucho por encima de 36 ohms.

La antena vertical de cuarto de onda se usa sobre una banda estrecha de frecuencias alrededor de resonancia. Cuando es necesario modificar la longitud eléctrica de una antena eléctricamente corta, se lo hace agregando inductancia en serie; igualmente para acortarla puede agregarse capacidad en serie. Dijimos que la impedancia del punto de alimentación o resistencia de radiación de la antena vertical de cuarto de onda es de 36 ohms. Se pueden obtener impedancias más altas elevando la antena verticalmente, respecto de tierra. Con todo, la tierra es uno de los puntos de conexión en ambos casos.

La antena de soporte plano es un radiador vertical, en el cual desde su base se extienden varias varillas que actúan como tierra. Estas varillas de longitud aproximada a 1/4 λ actúan como planos de tierra, y en efecto son tierras artificiales denominadas a veces "contrapiso", que se usan como tal para conectar la línea de trasmisión. La impedancia de alimentación de estas antenas es de alrededor de 30 ohms.

Antenas de alambres largos.

La antena de hilo largo está formada por un cable de dos o tres longitudes de onda (cuatro o más 1/2 λ). Se la conoce también como antena armónica. Cuanto mayor es el número de 1/2 λ que contiene la longitud de la antena, más efectiva es la ganancia de ésta sobre el dipolo de 0 db de ganancia y mejor es su directividad. Irradia una onda polarizada horizontal de poco ángulo. Éste está comprendido entre 17° y 25° respecto de la superficie de la tierra. La ganancia varía entre 1,5 db cuando la antena es cuatro veces 1/2 λ, hasta 4,5 db cuando su longitud es diez y seis veces 1/2 λ. Esta antena se alimenta por un extremo y tiene una impedancia de 500 a 600 ohms.

Las antenas de hilo largo son de dos tipos -no terminadas (resonante) y terminadas en la impedancia característica de la antena (no resonante). La resonante tiene ondas estacionarias a lo largo de su longitud. el voltaje invierte su polaridad cada 1/2 λ, y la corriente invierte su dirección. La antena terminada tiene un flujo de corriente sustancialmente uniforme.

La diferencia esencial entre los dos tipos de antenas de hilo largo radica en su directividad. La línea resonante es bi-direccional a pequeños ángulos a lo largo del eje del alambre, mientras que la antena no resonante es unidireccional hacia la dirección en que termina la antena. Cuando la longitud es cinco o más veces la longitud de onda de la frecuencia de operación, hay algo de radiación en ángulo recto a lo largo del eje de la antena.

En vez de ser de media longitud de onda de largo, las antenas pueden operar armónicamente en algún múltiplo integral de media longitud de onda, dado que la resonancia se produce para cada número integral de ondas estacionarias a lo largo de la longitud de la antena. La ventaja de las antenas de hilo largo es el aumento de la directividad y la ganancia en la dirección favorecida. En la figura siguiente se indican los diagramas de corriente, de ondas estacionarias, resistencia de radiación aproximada y resistencia de antena para un número de resonancias en antenas de alambres largos.

 

 

Figura : Diagrama de onda estacionarias, resistencia de antena y de radiación de un alambre largo.

La frecuencia o relación de longitud, N, que se ve en la figura (valores de 1 a 8 ) es el número de longitudes de onda sobre la antena y es igual a la relación de la frecuencia de trabajo a la frecuencia para la cual la antena tiene una longitud de media onda.

La longitud física (en metros) de una antena de alambre largo se puede estimar por

donde N =relación de frecuencia = número de medias ondas sobre la antena. Para relaciones impares de frecuencia (N impar), la resistencia de radiación es igual a la resistencia de antena, y ambas están dadas aproximadamente por

PROBLEMA 2. Determinar la longitud aproximada, resistencia de radiación, y resistencia de antena de un alambre largo de antena que tiene una longitud de 10 medias ondas a 30 megaherts. (Supongamos una impedancia de 500 ohms.)

Antena V

La antena V es una versión de la antena de hilo largo. Es el equivalente de dos alambres largos dispuestos en una V plana, cada uno de los cuales está alimentado por un voltaje 180º fuera de fase con respecto del otro. Las ventajas de esta antena son la ganancia y la directividad. Esto se logra por anulación entre las radiaciones opuestas en cada rama, y por la acción de suma en las radiaciones similares. El resultado final es un diagrama de radiación en el cual los lóbulos son mucho más estrechos que en un solo alambre. La ganancia de una antena en V es aproximadamente el doble que la que se obtiene con un solo hilo largo, que tenga una longitud igual a la de las ramas de la V. Se obtiene una ganancia de casi 12 db sobre un dipolo de media onda, cuando la longitud de cada rama de la V es . El ángulo que forma el vértice de la V es muy importante. Varía entre 35° para una estructura de de largo hasta cerca de 70º para otra de . Cuando la antena se usa sobre un amplio rango de frecuencias, el ángulo del vértice se hace de un valor promedio entre el óptimo para las frecuencias más bajas y las más altas en términos de 1/2 λ. por rama. A la frecuencia más baja las ramas deben ser varias longitudes de onda. Si cada rama termina en una resistencia de 500 ohms, el diagrama de radiación es unidireccional.

Antena rómbica

La antena rómbica es muy eficiente y con gran capacidad de frecuencia y es ultilizable en todas las radiocomunicaciones en las que se disponga de espacio para grandes estructuras. Puede decirse que es una antena doble V, colocada horizontalmente y puede ser terminada o no, radicando sus diferencias en su directividad. Cuando se la usa, su resistencia terminal es 600 a 700 Ω no inductiva, y ambos tipos se alimentan con líneas abiertas de 600 Ω de impedancia. Su ventaja se hace evidente cuando cada rama del rombo es de varias longitudes de onda de largo y cuando el ángulo Θ está comprendido entre 50° y 70°. En este caso la antena muestra una ganancia de 8 a 12 db frente a un dipolo convencional de media onda. Cuando está terminada, el diagrama de radiación es unidireccional en el sentido del extremo terminal y tiene un lóbulo principal muy estrecho. Debido a esto, la antena debe apuntar a la dirección de la comunicación deseada. Puede ser hecha bidireccional, simplemente eliminando la resistencia terminal. Es ésta una antena excelente para operar sobre un amplio rango de frecuencias, especialmente si las ramas del rombo se encuentran comprendidas entre 5 y 6λ de la frecuencia más baja de operación. Además puede ganarse algo haciendo cada rama mayor que 8λ.

La alta directividad característica de la antena rómbica se debe al hecho de que dos lóbulos principales se desarrollan, en las ramas de la antena terminada, y que un lóbulo en cada rama anula al correspondiente opuesto en la otra. Esto hace que haya cuatro lóbulos, uno en cada rama, que apuntan todos en la misma dirección.

Alimentación de la antena (SWR)

Es muy importante que exista una adaptación apropiada entre la línea de trasmisión y la antena. Si la impedancia característica de la línea (Zo) difiere de la impedancia del punto de alimentación (Ra) , se produce una reflexión del punto de alimentación y se producen ondas estacionarias sobre la línea. La relación entre el máximo y el mínimo de corriente o de voltaje sobre la línea se llama "relación de ondas estacionarias" (SWR). El valor deseado para SWR es 1, es decir que no hay cambios de valores de E o I a lo largo de la línea. Se puede trabajar en forma aceptable con un valor SWR de 1,75, en trasmisores de baja potencia. El valor de SWR puede obtenerse también por medio de la relación Ra/Zo. Si Ra es 70 ohms y Zo es 50 ohms, el valor SWR será 70/50, es decir 1,4. Desgraciadamente, la impedancia del punto de alimentación se conoce sólo bajo ciertas condiciones, tales como la de resonancia, y para ciertos tipos de antenas, o si no debe ser medido. Cuando la frecuencia de trabajo no es la de resonancia, la impedancia del punto de alimentación, no sólo varía en gran forma sino que se hace reactiva. En resonancia, la impedancia del punto de alimentación es resistiva.

 

Las antenas trasmisoras pueden ser alimentadas al centro o a un extremo. Cuando contiene un número impar de 1/2 λ a resonancia, la corriente máxima se halla en el centro, y la impedancia del punto de alimentación es igual a la resistencia de radiación, la cual a su vez es una función del número de 1/2 λ en el conductor. Cuando la antena contiene un número par de 1/2 λ a la frecuencia de resonancia, los picos de corriente aparecen a cada lado del centro. El punto de alimentación puede ser colocado sobre cualquiera de los picos. Solamente en el caso de un dipolo de media onda, operado en resonancia, la impedancia en el centro es de 72 ohms. Las antenas que tienen dos o más 1/2 λ pueden ser alimentadas en un extremo - punto de alta impedancia. La línea de trasmisión de alta impedancia para alimentar en un extremo puede ser una línea resonante o una línea abierta de 1/4 λ cortada para la frecuencia de trabajo, la cual actúa como un transformador de impedancia entre la línea de trasmisión y la antena. Con antenas parásitas el punto de alimentación puede ser determinado experimentalmente.

 

 

 

 

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