EL ABC DE LAS ANTENAS

 

1. Conceptos básicos

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.)

 

Introducción

Me propongo escribir una serie de artículos para asegurarme de que comprendéis bien los fenómenos radioeléctricos implicados en la radiación de vuestras antenas. Creo que es algo muy importante para que seáis capaces de sacar el máximo partido posible de vuestro equipo y de la ubicación en el que intentáis operar. Esto os permitiría utilizar la antena más adecuada a las características geográficas del terreno. Ese es el objetivo que me han propuesto y el que intentaré cumplir lo mejor posible. Empecemos pues.

 

Elementos básicos de la RF

Para lo que explicaré en próximos capítulos, me tengo que asegurar de que todos tenéis bien claro lo que representan los conceptos de tensión eléctrica, corriente electrónica y, en consecuencia, que domináis el movimiento de los electrones que se produce en los conductores de la línea de transmisión y de la antena.

En primer lugar, hay unas cuantas diferencias entre los movimientos electrónicos producidos por una "tensión alterna de RF y los que se producen en la red eléctrica de distribución, como consecuencia de los efectos en el movimiento de los electrones que ocasiona la menor longitud de onda y la más alta frecuencia de la RF que manejaremos. La conducción y los movimientos en un cable debidos a la corriente alterna de la red y en las antenas recorridas por alta frecuencia son similares, pero no son exactamente iguales. Así que empecemos por aclarar bien la diferencia.

 

¿Significan exactamente lo mismo tensión eléctrica, voltaje y diferencia de potencial?

Pues sí, porque describen exactamente el mismo fenómeno físico: la repulsión eléctrica entre los electrones (figura 1), que da lugar a una presión exactamente igual a la que le proporciona la altura a una columna de agua (figura 2). La única diferencia es que la altura del agua es un valor prácticamente absoluto (la altura sobre el terreno) y de esta altura depende la presión del agua en la red de distribución, mientras que el potencial eléctrico es relativo al nivel que escogemos como referencia, un nivel de potencial determinado, que escogemos nosotros mismos, por lo que se utiliza también como equivalente el término diferencia de potencial.

Figura 1 y 2

Incluso podríamos hablar tranquilamente de “presión eléctrica” en lugar de tensión eléctrica sin decir ninguna tontería, pues ese es exactamente el fenómeno que se produce. Tal vez la electricidad hubiera sido mucho más comprensible para todo el mundo si hubieran mantenido el término “presión eléctrica” en lugar de llamarlo tensión o diferencia de potencial o voltaje. Podría haberse definido como “diferencia de presión eléctrica”.

Cuando los electrones se encuentran a mayor tensión, están con mayor presión. Y si les proporcionamos algún camino conductor (circuito) hacia un lugar de menor tensión (con menor potencial), saldrán disparados por el conductor para dirigirse a un lugar con menor presión o tensión, igual que si hubiéramos abierto un agujero en la pared de un depósito de agua.

 

¿Salen disparados los electrones a la velocidad de la luz?

NO exactamente, no se mueven a la velocidad de la luz, pero en la práctica es como si lo hicieran. Aquí tenemos un concepto muy importante que interesa dejar bien claro. Los electrones son mucho más lentos y se mueven solo milímetros por segundo por los conductores. Lo que se desplaza a casi la velocidad de la luz es el impulso de repulsión, lo que en términos de billar llamaríamos “la tacada”. Realmente “la tacada de repulsión de los electrones” se mueve a concretamente un 95% de la velocidad de la luz (un porcentaje que varía ligeramente con el diámetro del conductor), del mismo modo que la tacada del billar se propaga a lo largo de una hilera de bolas de billar y proyecta la última bola (Figura 3), sin que apenas se muevan las de en medio.

Figura 3 y 4

Cerramos el interruptor (cerramos el circuito) y el impulso repulsivo negativo se propaga a toda velocidad (de la luz), mientras que los electrones se mueven muy despacito, aunque son muchos, muchísimos: aproximadamente 6,28 x 1018 o sea más de 6 trillones de electrones por segundo por cada amperio de corriente que pasa por el conductor y el interruptor cerrado (figura 4).

REMARQUEMOS LA CONCLUSIÓN: Cuando hablamos de que los electrones se desplazan y mueven al encontrar un camino para disminuir su presión eléctrica, estos electrones se mueven solamente un poquito, tan solo unos milímetros, mientras que la tacada, el impulso repulsivo, se mueve a casi la velocidad de la luz a lo largo del conductor.

 

Corriente alterna de baja frecuencia (50 veces por segundo)

Aquí tenemos representado (figura 5) un circuito alimentado con corriente alterna. Cuando llega un impulso negativo al cable inferior, todos los electrones de todo el cable se desplazan simultáneamente hacia el cable superior en el sentido contrario a las agujas del reloj. Todos hacia arriba. Pero apenas se mueven, sino que lo que se mueve a gran velocidad por el cable es el impulso negativo de la tacada. Prácticamente hace que todos los electrones se muevan un poquito hacia arriba todos a la vez.

Cuando cambia el semiciclo y llega un impulso positivo al polo inferior y uno negativo al polo superior (Figura 6), todos los electrones de todo el cable se tienen que desplazar hacia el cable de abajo, en el mismo sentido que las agujas del reloj. Pero apenas se mueven, solamente se mueve por el cable el impulso negativo de repulsión ahora en sentido contrario.

Figura 5 y 6

Y todo esto 50 veces por segundo, a lo que llamamos una frecuencia de 50 ciclos por segundo o 50 hercios o 50 Hz. ¿Queda claro que los electrones apenas se mueven, pero la “tacada” repulsiva recorre el cable a casi la velocidad de la luz una y otra vez (50 veces por segundo) en direcciones opuestas?.

Eso tiene una consecuencia muy importante, porque si una tensión y corriente alterna cambian de sentido de una forma cíclica o periódica, eso implica que cuando avanzan también tienen una longitud de onda medible, de forma muy parecida a las ondas que se forman un estanque cuando tiramos una piedra, pues la piedra ha provocado una oscilación periódica del agua en el punto de inmersión.

 

Frecuencia y longitud de onda

Hagamos un inciso porque queremos saber a qué velocidad se propagan las ondas en un estanque al dejar caer una piedra en el agua. Sabemos que al caer la piedra se producen unas cuantas ondas circulares, debidas al movimiento oscilatorio del agua producido por la piedra al sumergirse (Figura 7).

Comprobamos con un cronómetro que se generan 2 ondas por segundo y que entre onda y onda se puede medir una distancia de 2 metros.

Figura 7

Si queremos saber la velocidad con la que avanzan las ondas en metros por segundo, es evidente que tendremos que multiplicar el número de ondas producidas en 1 segundo (2 ondas) por la distancia entreondas y que hemos medido que son 2 metros.

Velocidad V = 2 ciclos por segundo x 2 metros cada uno = 4 metros por segundo.

Por tanto, ya somos capaces de deducir la gran fórmula que indica que la velocidad de la onda es el producto de la frecuencia (2 Hz) por la longitud entre cada onda (2 m), la longitud de onda.

Velocidad V =  f  x  L = frecuencia x longitud de onda

 

Longitud de onda de las ondas radioeléctricas

Pero nosotros, que somos muy sabios, sabemos que las ondas radioeléctricas se propagan por el aire y el vacío a la misma velocidad de la luz, que también es una onda electromagnética, o sea a una velocidad de aproximadamente 300,000.000 m/s o trescientos millones de metros por segundo, por lo que no será difícil determinar la relación entre frecuencia y longitud de onda de una onda electromagnética. Ya conocemos la fórmula.

f  (Hz)  x  L (metros) = 300.000.000 m/s

y por tanto también sabemos que L = 300.000.000 / f

y por tanto también sabemos que f = 300.000.000 / L

Se pueden recordar fácilmente todas las combinaciones utilizando la aspirina de la velocidad en función de la frecuencia y la longitud de onda.

Figura 8

¿Sabéis qué longitud de onda tiene la corriente alterna de la red?

Pues es muy fácil calcularla, pues son 300.000 km/s / 50 Hz = 6.000 km de longitud de onda.

Podemos afirmar que, a lo largo de media onda de 3.000 km (casi toda Europa), todos los electrones de un cable que recorriera Europa de punta a punta se moverían en la misma dirección, pues se encuentran impulsados por el mismo semiciclo negativo o positivo. Bailan al unísono con un ritmo perfecto de conjunto. Ahora todos hacia Rusia, ahora todos hacia España. Cambio general de sentido del movimiento exactamente cincuenta veces por segundo.

Ahora aumentamos la frecuencia a 150 MHz

Supongamos ahora que aumentamos la frecuencia de la corriente alterna hasta 150 MHz. Ahora nos encontramos con una longitud de onda mucho más pequeña. ¿Cambiará algo?

L = 300.000.000 / 150.000.000 = 2 metros

Si hablamos de una longitud de onda de 2 metros, a cada metro (media longitud de onda) cambia el sentido del movimiento de los electrones. En el metro siguiente se mueven en sentido opuesto. La cuestión se complica, porque ahora cada tramo oscila a su aire (derecha-izquierda), pero fijaos que ahora tenemos todavía un circuito cerrado recorrido por una corriente alterna de alta frecuencia o RF de 150 MHz (Figura 9a).

En el siguiente semiciclo (Figura 9b), cuando el emisor cambia de signo, todos los movimientos de los electrones serán iguales pero de sentido opuesto. Si antes iban hacia la derecha, ahora irán hacia la izquierda. Por eso es también una corriente alterna, no lo olvidemos, aunque sea de alta frecuencia.

Figura 9a y 9b

De momento mantenemos el circuito cerrado más o menos cortocircuitado en un recorrido total múltiplo de media longitud de onda. Todo funciona más o menos bien. Nuestros electrones se mueven a gusto en todo el cable, en cada tramo de 1 metro, de un lado a otro, con el ritmo previsto: 150 millones de veces por segundo.

 

Ahora abrimos el circuito eléctrico

Si dejamos el circuito abierto al final, cuando la tacada de repulsión electrónica llega al final, cuando se le acaba el cable, el impulso repulsivo aumentará la presión eléctrica en las puntas y se producirá un efecto rebote del impulso de repulsión en cada extremo. Ese impulso en cada punta hace que vuelva rebotado hacia su origen. Ahora tendremos una onda alterna de RF en dirección hacia lo que llamaremos extremos (onda directa) directa y otra onda alterna de RF reflejada en las extremos que vuelve por los mismos cables (onda reflejada) (ver Figura 10).

Figura 10

Y aquí se monta un pollo que da lugar a las llamadas ondas estacionarias y a nuestra amiga que las mide, la ROE (Relación de Ondas Estacionarias), pero esto lo dejamos para más adelante. Ya les llegará su día para explicarlo.

 

Antena dipolo resonante en media onda

Ahora giramos toda la figura 90 grados y abrimos los extremos uno hacia cada lado y obtenernos dos ramas abiertas, a las que les damos una longitud especial: hacemos que tengan cada una una longitud de ¼ de longitud de onda, Con esto conseguimos un efecto espectacular: que la onda reflejada y rebotada en los extremos se encuentre pulsando en fase con la que le llega por el cable (Figura 11a). Veamos que significa esto y qué consecuencias tiene que tengamos en total esta longitud específica de dos cuartos de longitud de onda.

En efecto, fijémonos en el impulso eléctrico negativo del lado izquierdo que representamos por un supuesto electrón [e-] que recorre L/4 hasta la punta A y luego rebota hacia el centro C. Habrá hecho un recorrido de L/4 (CA) + L/4 (AC) con un total de L/2.

Figura 11a y 11b

En ese instante, justo cuando llega rebotado al centro C, allí ahora ha cambiado la semionda del impulso eléctrico y ahora hay un impulso de signo contrario (+) positivo que está encantado de absorber electrones (Figura 11b), pues es lo que toca ahora. En la otra rama, ocurre exactamente lo opuesto. Un impulso de aspiración de electrones que había enviado electrones [e-] de B hacia C’, ahora se encuentra en C’ con un impulso negativo de repulsión que lo envía nuevamente hacia B, por lo que tiene que cambiar de sentido y dirigirse en dirección contraria nuevamente hacia B, donde ahora, después de medio ciclo, se producirá un aumento de presión electrónica y, en consecuencia, otro rebote hacia C’.

El impulso de repulsión se pasea de un extremo A hasta el extremo B de las dos ramas de la antena en un movimiento ACC’B y luego BC’CA y se encuentra reforzado con los impulsos eléctricos que siguen llegando en fase (justo al mismo ritmo) por los cables de alimentación C y C’ de modo que se refuerzan mutuamente, con lo que aumenta enormemente la amplitud del pequeño movimiento de los electrones (lo que llamamos corriente) y se alcanza un estado de perfección sincrónica que llamamos resonancia.

En este estado perfecto de resonancia la tensión (presión) en las puntas alcanza valores máximos (ahora positivos y medio ciclo más tarde negativos) y la corriente es prácticamente nula y, en cambio, en el centro, al cabo, la corriente electrónica es máxima (ahora a derechas ahora hacia izquierdas), aunque los electrones realmente ya sabemos que se mueven poco, pero hacen la intención e intentan bailar de lado a lado, porque recordemos que lo que se mueve de punta a punta es “la tacada”.

La gracia de la resonancia está en que la longitud del cable de la antena en total debe tener entre A y B exactamente media longitud de onda. He ahí la cuestión clave.

Me objetaréis que entre C y C’ no hay conducción, que la antena está interrumpida, pero en la práctica es como si C y C’ estuvieran unidos por un conductor invisible, porque exactamente los mismos electrones que salen por C por un cable de alimentación, entran por C’ en el otro cable con una corriente exactamente igual y opuesta, de forma que en la práctica se comporta como si hubiera un conductor continuo invisible. El cable de la antena no sabe que hay un “corte”. Nosotros guardaremos el secreto y tampoco se lo diremos.

 

Equivalente mecánico de la resonancia

El fenómeno de la resonancia es idéntico al de una masa M (columpio o péndulo) impulsado por una persona que se encuentra en el suelo, y que la empuja de lado sincrónicamente para que alcance su máxima oscilación de derecha e izquierda, lo cual se consigue cuando los impulsos de esa persona están bien sincronizados con la oscilación natural propia de la masa M del péndulo entre los dos muelles. También aquí, si sincronizamos bien los impulsos del empujador, se consigue una resonancia que moverá la masa a su máximo desplazamiento de extremo a extremo.

Figura 12

Continuará

Y con esto ya hemos llegado a explicar y espero que tengáis bien claro por qué nos interesa tanto que la antena dipolo sea resonante en media onda: Pues porque conseguiremos la máxima amplitud de corriente y tensiones si el radiante resuena exactamente en media onda a nuestra frecuencia de emisión y, gracias a ello, conseguiremos la máxima transferencia de energía radioeléctrica al espacio.

Cualquier antena horizontal y vertical inicialmente es una antenas dipolar o dipolo, con la única excepción de las verticales de L/4 montadas sobre un plano de tierra conductor infinito. Pero eso ya lo explicaremos otro día.

Hasta la próxima.

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