EL ABC DE LAS ANTENAS

 

4. Líneas de transmisión

Por Luis A. del Molino EA3OG (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.)

 

Necesitamos dos conductores

Las líneas de alimentación son las que nos sirven para llevar la energía de RF del transmisor hasta la antena y viceversa, para trasportar la energía captada por la antena hasta el receptor. Nos interesa siempre que realice esta función de transporte con las mínimas pérdidas posibles.

Como todo circuito eléctrico, una línea de transmisión forma un circuito cerrado con el transmisor y la antena, de forma que necesita dos conductores para conducir la energía proporcionada por el movimiento de los electrones. No existen líneas de transmisión de un solo cable conductor, aunque en algunas veces aparentemente eso parece, puesto que en esos casos efectuamos el retorno por la Tierra que actúa de conductor de cierre.

Las líneas de transmisión, al constar de dos conductores (Figura 1), tienen una inductancia propia L cada uno y una capacidad propia C por unidad de longitud y una impedancia Zo característica que depende de sus dimensiones. Este último parámetro es muy importante como veremos a continuación.

Figura 1

Podemos clasificar las líneas de transmisión en tres grandes clases: las simétricas formadas por dos cables paralelos idénticos y las asimétricas, es decir, aquellas que están constituidas por dos cables coaxiales (el vivo y la malla), que constan de un conductor central interior y otro exterior concéntrico (coaxial) que lo envuelve totalmente como un cilindro, pero que generalmente es de malla de cobre.

Y finalmente, para microondas se emplean las llamadas guías de onda, que son conductores huecos de sección rectangular.

 

Línea simétrica de conductores paralelos

Toda línea de transmisión debe tener dos conductores, uno de ida y el otro de vuelta y la idea más simple es colocar los dos conductores paralelos de forma simétrica con separadores de plástico a cada medio metro, de forma que se puede afirmar que el dieléctrico que separa los dos cables es prácticamente el aire, por lo que se forma una línea de transmisión que no tiene prácticamente pérdidas y que puede llegar a tener una impedancia característica de unos 600 ohmios.

Las líneas de transmisión paralelas no radian, porque las corrientes en los dos cables paralelos son iguales y de sentido opuesto, por lo que los campos magnéticos que crean a su alrededor se anulan prácticamente y no generan una onda electromagnética, porque el campo eléctrico que queda confinado entre entre los dos cables es insuficiente él solito para crear la onda electromagnética radiada (recordemos que se necesitan los dos campos, eléctrico y magnético entrelazados).

En la práctica, para hacer las líneas paralelas más manejable y fáciles de instalar que las instaladas en el aire con separadores, se fabricaron líneas de transmisión de cables paralelos que se mantienen separados por medio de cintas de polietileno, con impedancias características de 240 y 300 ohmios. Eran perfectas para adaptarse a dipolos plegados. Si son con ventanitas perforadas (más aire) en la cinta de polietileno, pueden encontrarse cintas paralelas de 450 ohmios de impedancia característica y con muy bajas pérdidas, que se llaman también líneas de escalerilla (Figura 2)

Figura 2

Sin embargo, el separador de polietileno las hace muy sensibles a la lluvia, la cual aumenta las pérdidas, y se afectan por los elementos metálicos próximos, que alteran su impedancia, aparte de que mecánicamente son todo un problema para instalarlas y se afectan mucho con mal tiempo y es complicado realizar las instalaciones medio decentes con ellas mecánicamente.

Como tienen que instalarse en toda su longitud bien alejadas de estructuras y elementos metálicos conductores, pues afectan a su impedancia característica y pueden producir pérdidas de importancia por absorción en esos elementos y perturbaciones en su impedancia característica, los cables de 300 ohmios de muy bajas pérdidas deben alejarse de mástiles y paredes con unos separadores de unos 15 cm de longitud, muy característicos y frecuentes en los primeros tiempos de la TV, pues se utilizaron mucho en VHF.

Por otra parte, las cintas paralelas son mucho más difíciles de hacerlas entrar en un edificio y dejar sellado el agujero en marcos de puertas y ventanas, que tendrían que ser de un radio más bien grande para no afectar a su impedancia.

Actualmente su única aplicación es en el tramo de bajada paralela que forma parte de la antena G5RV y en la antena J para VHF. Se utilizan principalmente las líneas de escalerilla de 450 ohmios que tienen pérdidas inferiores.

Finalmente para superar todos estos problemas mecánicos, se inventaron con gran éxito los cables coaxiales que resolvieron todos estos problemas mecánicos.

 

Los cables coaxiales

El cable coaxial está formado por un conductor interior y una malla externa, separados por un dieléctrico intermedio concéntrico (Figura 3). Tiene la gran ventaja, sobre los cables paralelos, de que es mucho más manejable y fácil de instalar, especialmente porque no se ve afectado por los elementos metálicos vecinos junto a los que pasa, ni se altera su impedancia por las inclemencias del tiempo.

Además, tiene una estructura ideal para no verse afectado por la humedad exterior, ya que consta de un conductor interno (el vivo) central por el que viaja la señal, y vuelve por el otro conductor, que es una malla conductora, que es la que lleva la corriente de retorno y que, a su vez, está rodeada por otra capa de caucho aislante. Esta malla metálica realiza una función adicional de apantallamiento y es la que lo hace insensible a elementos metálicos vecinos junto a los que pasa y esto facilita mecánicamente su instalación. Un gran invento.

Figura 3

Los inconvenientes del cable coaxial

El primer inconveniente del cable coaxial es que el dieléctrico que separa el vivo de la malla introduce pérdidas superiores a las de los cables realizados con líneas paralelas y, por tanto, aislados por el aire, y hemos de tener en cuenta que estas pérdidas aumentan con la frecuencia, con lo que llega un momento en que para frecuencias muy elevadas (SHF) ya no es práctico utilizarlos y hay que recurrir a las guías de onda.

El segundo inconveniente del cable coaxial es que se comporta realmente como si tuviera 3 hilos en lugar de 2>conductores. El culpable es el efecto pelicular o skin que hace que la radiofrecuencia no circule bien por el interior de los conductores, sino que se limite a circular por su superficie. Este efecto se debe a la autoinducción que se produce en la sección central del conductor y que disminuye su sección útil. Los campos magnéticos de las corrientes que circulan por la periferia en el centro del cable se suman en el centro del cable, donde producen una reactancia inductiva muy superior a la de la periferia.

Los tres cables que conducen RF en un cable coaxial son por tanto (Figura 4):

· El conductor central interior o vivo
· El lado interior de la malla concéntrica que lo rodea
· El lado exterior de la malla concéntrica (si no lo evitamos).

Figura 4

Esto da lugar a problemas de RF circulando por la estación porque cierta RF circula por el exterior del cable y las masas de nuestra instalación, pero estas corrientes de malla son fácilmente eliminables con la ayuda de lo que llamamos balun (de BALance-UNbalance), dispositivo que simetriza los cables coaxiales y neutraliza la corriente independiente que pretende circular por el exterior de la malla. Los veremos con mucho detalle más adelante en otro capítulo.

 

Guías de onda

Para las frecuencias más elevadas, en lugar de utilizar cables coaxiales, para conseguir menores pérdidas, se emplean las llamadas guías de onda, que son conductos metálicos huecos de sección rectangular (Figura 5), los cuales tienen una frecuencia de corte por debajo de la cual es imposible la transmisión de ondas electromagnéticas. Esta frecuencia está directamente relacionada con la geometría de la guía, por lo que sólo son físicamente realizables para frecuencias superiores a 1 GHz, en las que la longitud de onda es inferior a 30 cm.

Figura 5

Impedancia característica de una línea de transmisión (Zo)

La impedancia característica Zo de una línea de transmisión es el valor de una resistencia que se podría colocar como carga final en cualquier punto de la línea y por la que desaparecería toda la energía entregada. Eso le haría parecer como si fuera una línea de longitud infinita, sin que se pudiera averiguar desde el transmisor, qué la longitud tendría la línea, pues aparentemente no devolvería ninguna energía reflejada hacia atrás y desaparecería toda ella por el otro extremo.

Figura 6

Pero si nosotros colocamos al final de nuestra línea, en lugar de esa resistencia característica, una antena que tenga esa misma impedancia resistiva que la característica del cable, conseguiremos que toda la energía llegue a la antena y sea radiada, puesto que desaparecerá en ella como si la entregáramos a una línea infinita. Esta condición se escribe Zo = Rr.

Esta condición para transportar toda la energía es válida tanto para cables coaxiales de 50 y 75 ohmios, como para líneas de cables paralelos, que tienen impedancias características más elevadas, como por ejemplo 240, 300 y 450 ohmios.

 

Relación de ondas estacionarias (ROE)

Si una línea (independientemente de su longitud) termina en una resistencia (la de radiación de la antena) de un valor que NO sea exactamente igual a la de su impedancia característica, no se comporta como una línea infinita y devuelve reflejada hacia atrás parte de la energía de RF transportada, de forma que entre la onda directa hacia la antena y la reflejada de vuelta por la antena que circulan simultáneamente y viajan en direcciones opuestas, al sumarse ambas se producirán un tinglado que da lugar a máximos y mínimos, es decir a lo que llamamos una onda estacionaria.

Figura 7

Esta onda estacionaria hace aparecer en la línea unos máximos de tensión de radiofrecuencia superiores a los previstos (y también mínimos) cuando está perfectamente adaptada, máximos que pueden llegar al doble de la tensión de funcionamiento en una adaptación perfecta con la carga (la antena). Esto puede producir daños en los amplificadores finales de un transmisor si no está prevista esta circunstancia. Para superar este problema, actualmente la mayoría de equipos están equipados con un protector de potencia reflejada que reduce la salida del transmisor para que, si tiene que disipar esta potencia también, de algún modo los parámetros de funcionamiento queden dentro de los límites que soporta el amplificador final.

Se llama relación de ondas estacionarias (ROE) al valor relativo entre los máximos y mínimos de tensión y ese valor concuerda con la relación entre la resistencia característica de la línea y la que encuentra al final.

ROE = Z/Zo = Vmax/Vmin = Imax /Imin

Para poner un ejemplo, cuando la ROE es 2, esto representa que la radiofrecuencia o potencia reflejada por la antena es del 10% y si la ROE = 3, esto representa una potencia reflejada del 25% aproximadamente. Cuando la ROE alcanza el valor de 6, la antena está devolviendo reflejada la mitad de la potencia (50%).

 

Factor de velocidad de una línea de transmisión

La radiofrecuencia se propaga por todos los conductores a una velocidad menor que en el vacío y en el aire y, en general, por los cables habituales en nuestras antenas circula con un 5% menos de velocidad y, por tanto, las longitudes de onda debemos multiplicarlas por un factor de velocidad de 0,95 para calcular las antenas de media onda. La longitud resonante se calcula por la fórmula: L/2 = 142,5 / fc

Si en lugar de ser el espacio libre, la radiofrecuencia circula por línea de transmisión formada por conductores entre los cuales hay un dieléctrico que los separa, como en una cinta paralela o un cable coaxial, esta velocidad de propagación es aún menor y debemos aplicar un factor corrector de velocidad correspondiente al material dieléctrico utilizado.

Cada fabricante nos debe informar del factor de velocidad de su cable, pero como norma general, los cables coaxiales de dieléctrico sólido tienen un factor de velocidad de 0,66, y los de espuma de polietileno (foam) de 0,80, así como también tiene 0,80 la cinta paralela de polietileno. Véase la Tabla I.

Tabla 1

 

Pérdidas en las líneas de transmisión

Si el dieléctrico de una línea de transmisión fuera el aire, las únicas pérdidas que se producirían serían las óhmicas del conductor, aunque recordemos que éstas siempre son mayores que las previstas por culpa del efecto pelicular o skin que reduce la sección útil del conductor.

Figura 8

La presencia de un dieléctrico de polietileno entre los dos conductores también hace que aumenten las pérdidas en las líneas coaxiales, pero disminuyen considerablemente si cambiamos el polietileno sólido por espuma de polietileno, porque contiene una mayor proporción de aire en su interior. También existen cables coaxiales con un tubo semirrígido en cuyo interior una espiral de polietileno mantiene centrado al conductor central. Estos cables son los que tienen menores pérdidas, pero con el inconveniente de una mayor rigidez y complejidad mecánica de una instalación, aparte de su mayor coste.

Podemos conocer las pérdidas en un cable mediante los datos de atenuación del fabricante que acostumbra a darlos por cada 100 pies o por cada 100 metros y eso para cada frecuencia, ya sea mediante una tabla o un gráfico, así como su factor de velocidad que nos interesa conocer para aplicaciones especiales.

Se recomienda buscar en Internet el programa Transmission Line Details y arrancar el ejecutable TLDetails.exe, para obtener todos los datos imaginables de las líneas de transmisión más conocidas y estándar.

 

Adaptación y desadaptación de la antena a la línea de transmisión

Si la antena no es exactamente resonante o, aunque resuene, si la impedancia resistiva que presenta a la línea de transmisión no es exactamente igual a su impedancia característica, ya hemos dicho que se producirán ondas estacionarias en la línea de transmisión (ROE > 1) y la impedancia reflejada por la antena y el cable al transmisor no serán los 50 ohmios que éste espera encontrar. Tenemos un problema a resolver que se puede resolver muy fácilmente mediante el dispositivo que llamamos acoplador de antena.

Aparece una parte de la potencia enviada por el transmisor a la antena que vuelve como potencia reflejada por la desadaptación en el extremo del cable, al encontrar una impedancia distinta de 50 ohmios por no ser la antena resonante (aparece reactancia) y/o por que la componente resistiva de la impedancia no es igual a la impedancia característica del cable (en general 50 ohmios).

 

¿Se pierde la potencia reflejada?

Hemos dicho que una parte de la potencia puede volver reflejada a la antena. El porcentaje que corresponde a cada valor de la ROE lo podemos encontrar en la siguiente Tabla II:

Tabla 2

Si el transmisor no encuentra la impedancia de 50 ohmios y se encuentra con una alta relación de ondas estacionarias (generalmente ROE > 2), se activa un protector que reduce la potencia de transmisión, pues tendría que absorber la potencia reflejada por la antena.

Para evitar este problema y, además, para evitar que se pierda la potencia reflejada y no sea radiada, disponemos de un dispositivo que se la devuelve como un espejo a la antena y se llama “acoplador de antena”.

El acoplador de antena actúa como un espejo que devuelve la potencia reflejada hacia la antena para que allí sea finalmente radiada, después de haber sido nuevamente reflejada hacia el transmisor (la potencia devuelta). En estos viajes se pierde algo más de potencia en las líneas de transmisión, por lo que es preferible que la antena sea resonante y no devuelva ninguna potencia reflejada al transmisor.

Pero si no conseguimos que sea perfectamente resonante, no sale demasiado a cuenta intentar arreglarlo en a antena, porque solo lo conseguiremos para una sola frecuencia y las bandas son más anchas de frecuencia, en cuyos bordes sube rápidamente la ROE. Por tanto, casi siempre es más práctico utilizar un acoplador de antena.

 

Acopladores de antena

La relación de ondas estacionarias elevadas aumenta las tensiones y corrientes y las potencias disipadas que tienen que soportar los transistores amplificadores finales. Como los transmisores actuales están calculados bastante justos (Figura 9), para protegerlos de estas sobretensiones producidas por la potencia reflejada, disponen de medidores de ROE que actúan un sistema de protección que reduce la potencia emitida.

Para que no sufran por esta desadaptación de la antena que da lugar a la ROE, es conveniente utilizar algún sistema que convierta la impedancia devuelta por la antena en los 50 ohmios resistivos que necesitan los transmisores para dar su plena potencia.

Figura 9

El acoplador de antena (Figura 10) realiza esta función de transformación convirtiendo la impedancia resistiva al valor adecuado de 50 ohmios que necesita el transmisor y, si hace falta, también proporciona una reactancia conjugada de la reactancia reflejada por la antena, de forma que queda cancelada cualquier reactancia presente en la conexión al transmisor. Con esto se consigue que el acoplador devuelta toda la potencia reflejada a la antena donde será radiada en el siguiente ciclo sumándose a la potencia directa.

Aquí tenemos las dos configuraciones básicas y más clásicas de los acopladores de antena, aunque pueden simplificarse aún más. En el fondo todos consisten en circuitos que se sintonizan hasta ponerlos en resonancia con las impedancias reflejadas por la antena.

Figura 11

Si la ROE presente en la línea es superior a 2:1, probablemente el emisor con el paso final transistorizado reducirá automáticamente su salida. En ese caso, será muy conveniente utilizar un acoplador o adaptador de impedancias o sintonizador de antena que cancele cualquier reactancia y transforme la impedancia anormal en los 50 ohmios resistivos deseados.

El ajuste de un acoplador se realiza utilizando un medidor de ROE, variando las capacidades e inductancias hasta reducir al mínimo posible la energía reflejada por la antena y aproximar la ROE a un valor de 1:1 todo lo posible. Actualmente ya existen acopladores automáticos capaces de buscar la mejor adaptación ellos solitos y encontrarla en breves segundos y también muchos equipos transistorizados nuevos ya los incorporan en su interior.

Los amplificadores lineales equipados con válvulas (Figura 12) no necesitan normalmente un acoplador externo porque normalmente ya disponen de un adaptador de antena interno que consiste en un circuito adaptador en PI, imprescindible para adaptar la alta impedancia de salida de las válvulas (Z > 1000 ohmios) a la baja impedancia de los cables coaxiales de 50 ohmios.

Figura 12

 

Acopladores automáticos

Existen actualmente acopladores equipados con medidores de ROE y memorias, los cuales, mediante un microprocesador y unos algoritmos inteligentes, conmutan capacidades e inductancias a gran velocidad para encontrar los mejores valores de adaptación posibles para cualquier antena y son capaces de conseguirlo en unos cuantos segundos.

Lo primero que decide el microprocesador es cuál será la estructura del filtro, si la que vemos en A (Figura 13a) o la que vemos en B (Figura 13b), según determine que la reactancia reflejada por la antena y el coaxial es reactancia capacitiva o inductiva, a semejanza de las dos configuraciones anteriores de un acoplador en T que hemos visto anteriormente.

Figura 13

Una vez decidida la estructura del acoplador (figuras 14a o 14b) , se insertan automáticamente condensadores y bobinas en busca de una relación de ondas estacionarias mejor y se detiene la búsqueda cuando encuentran una suficientemente, aceptable por debajo de un valor mínimo prefijado que puede ser 1,5 e incluso 2, si no somos tan exigentes y el transmisor no se queja.

Figura 14

Los acopladores automáticos nos permiten prescindir bastante de preocuparnos por la resonancia perfecta de la antena y de su perfecta adaptación, pues en unos segundos tenemos dispuesto el quipo para transmitir y radiar toda la potencia posible, sin que el aumento de las pérdidas por la inclusión del acoplador o sintonizador de antena sea realmente significativa.

 

Sintonizador en la antena

Para disminuir las pérdidas en el cable por la presencia de una ROE elevada (potencia reflejada que circula arriba y abajo), la solución óptima es colocar el acoplador en la antena con lo que se le debería llamar más apropiadamente sintonizador de antena, aunque en el fondo estamos hablando del mismo dispositivo, solo que ha sido preparado para funcionar herméticamente a prueba de agua y de las inclemencias del tiempo.

Nota: Todo lo explicado aquí solo es de aplicación a antenas de HF, porque si tenemos ROE elevada (superior a 1,5:1) en una antena de VHF o de UHF, entonces hay un problema serio en la antena que merece la pena revisar, porque las antenas de VHF y UHF son antenas monobanda, específicamente diseñadas para estas frecuencias. Si la ROE (la potencia reflejada) es demasiado elevada (> 1,5:1), tenemos algún problema en la antena y esa ROE hace que aumenten las pérdidas en el cable coaxial de forma extraordinaria. Nunca se debe intentar mejorar la ROE de una antena de VHF y UHF con un acoplador. Las pérdidas en el cable coaxial se mantendrían a un nivel excesivo. Debemos reparar la antena.

 

Otras impedancias conseguibles

Si nos encontramos con una antena monobanda (por ejemplo Delta, Cúbica), que presenta ina impedancia distinta que no coincide exactamente las de las líneas de transmisión de 50 o 75 ohmios y no estamos dispuestos a utilizar un acoplador de antena, nuestros recursos para adaptarla no se acaban en el uso de un acoplador. También podemos conseguir fácilmente líneas de transmisión de otras impedancias con el simple truco de combinar líneas de 50 ohmios en serie y en paralelo de la misma longitud como se muestran en la Figura 15.

Figura 14

Hay que recalcar que las mallas deben estar unidas y los vivos pueden conectarse en serie o en paralelo, según nos interese doblar la impedancia o dividirla por dos.

 

Líneas λ/4 como transformadoras de impedancias

Las líneas de transmisión de ¼ de longitud de onda eléctrica (λ/4 x FV) de 50 y 75 ohmios sirven para transformar las impedancias que se encuentran a cada lado de su conexión mediante la fórmula:

Formula

Veamos unos cuantos ejemplos de cómo conseguir adaptaciones de antenas monobandas con otras impedancias a un cable coaxial de 50 ohmios:

12,5 Ω se adaptan a 50 Ω con 2 cables paralelos de 50 Ω de λ/4 x 0,66 (25 ohmios)

25 Ω se adaptan a 50 Ω con 2 cables paralelos de 75 Ω de λ/4 x 0,66 (37,5 ohmios)

100-125 Ω (112,5) se adaptan bien a 50 Ω con 1 cable de 75 Ω de λ/4 x 0,66 (75 Ω)

200 Ω se adaptan con 2 cables serie de 50 Ω de λ/4 x 0,66 (100 Ω)

450 Ω se adaptan con 2 cables serie de 75 ohmios de λ/4 x 0,66 (150 Ω)

 

Y eso es todo por ahora.

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