Ramón Miranda: FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA, PARA EL RADIOAFICINADO

Archivo didáctico, en el cual se describe la importancia de la Frecuencia y Longitud de Onda en el proceso de formación de personas aspirantes a certificarse como Radioaficionados

FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA PARA EL RADIOAFICIONADO

Por: Ing. Ramón Miranda (siglas YY5RM).

Saludos Colegas. Consciente de la importancia que implica el conocimiento de la frecuencia y longitud de onda, como uno de los temas de mayor relevancia para la formación técnica de personas aspirantes a certificarse como Radioaficionados y usuarios del espectro radioeléctrico en general, en el presente artículo se describen generalidades y términos típicos hablados en conversaciones y temas de radios, además de la teoría básica necesaria para reconocer sus significados (en lenguaje apto para principiantes), sirviendo de complemento del tema “Frecuencia y Longitud de Onda, del Manual para Radioaficionados del Radio Club Venezolano”, institución la cual ha sido garante del conocimiento desde el año 1.934 y donde me desempeño como Instructor de Electrónica.

TEMAS

1. Introducción.

2. Términos y conceptos aplicados.

3. Generalidades de la frecuencia y longitud de onda.

4. Frecuencia y longitud de onda aplicada al cable coaxial.

5. Frecuencia y longitud de onda en antenas.

6. Comentarios finales.

INTRODUCCIÓN

En la naturaleza existen infinidades de sonidos de diversas intensidades y tonos, pero el oído humano solo tiene capacidad de percibirlos dentro de rangos limitados. Un sencillo y explicativo ejemplo cotidiano sobre el tema tratado a continuación sería equivalente a que usted se encuentre en una tasca (taberna o bar), con música en vivo a todo volumen, personas a su alrededor platicando, discutiendo, cantando, etc., pero si en la barra usted se encuentra bien acompañado, su vista, oídos y mente se sincronizan solo para la persona que le está hablando. Sin darse cuenta, en esos instantes sus sentidos se encuentran suprimiendo todo lo que sucede a su alrededor. Igualmente cualquier evento cercano y de alta relevancia pudiera distraer su atención, perdiendo la concentración actual y sincronizando sus sentidos hacia dicho evento.

De forma similar, en la antena de un equipo radio-receptor llegan infinidades de ondas del espectro radioeléctrico, todas con diferentes propiedades y características, provenientes desde diversas estaciones transmisoras y las cuales se encuentran en el espacio al mismo instante. Para complementar la comunicación, dicho equipo radio-receptor debe sintonizarse exclusivamente para recibir la señal de radiofrecuencia deseada y suprimir el resto se señales que provienen desde la antena.

TÉRMINOS Y CONCEPTOS APLICADOS

ONDAS SINUSOIDALES (O SENOIDALES): Son señales cuyos valores y sentido varían constante y repetitivamente, alternando entre valores positivos y negativos, siguiendo la forma de la función matemática “seno”.

Las ondas sinusoidales de corriente alterna (AC) para el consumo eléctrico residencial, público, industrial y similares, consisten en un flujo de electrones (corriente eléctrica) que alternan su sentido 50 ó 60 ciclos por cada segundo (50 Hz ó 60 Hz), dependiendo de las normas en cada país. Éstas provienen desde centrales y plantas generadoras de electricidad, las cuales convierten la energía mecánica, en energía eléctrica, se transforman en amplitud (alto voltaje) para ser transportadas a través de materiales conductores de la electricidad (cables), que recorren grandes distancias, para finalmente volver a transformarse en amplitudes de voltajes aptos para la distribución de energía eléctrica requerida en nuestros hogares, oficinas, industrias, etc. y así producir calor, alumbrado, mover maquinarias, herramientas, etc.

Las ondas sinusoidales de señales de audiofrecuencia (AF) requieren del aire o cualquier medio físico denso para propagarse. El oído humano percibe sonidos que oscilan aproximadamente desde 20 hasta 20.000 vibraciones u ondas por cada segundo (audiofrecuencia humana: 20 Hz ↔ 20.000 Hz). En la naturaleza, estas señales de audio se generan desde cualquier material capaz vibrar mecánicamente, produciendo ondas de sonido, las cuales se propagan en el aire con velocidad aproximada de 340 metros/segundos. Eléctricamente se generan desde dispositivos transductores actuadores acústicos, capaces de convertir las ondas de corriente alterna, en ondas de sonido o audiofrecuencia (altavoces y similares) y viceversa en caso de dispositivos transductores sensores (micrófonos y similares).

La luz visible, infrarroja y ultravioleta, los rayos X, ganma y cósmicos, también son señales u ondas sinusoidales, pero con propiedades electromagnéticas, es decir, además de vibrar a determinadas frecuencias, en estos casos poseen longitudes de ondas y se propagan en el espacio a la velocidad de la luz. Las ondas electromagnéticas, teóricamente pudieran tener tamaños de longitudes de ondas que tienden a cero o al infinito, por consiguiente también pudieran compartir los mismos rangos de frecuencias típicos para ondas de audiofrecuencia y de consumo eléctrico AC.

Estas señales electromagnéticas se generan cuando una colisión externa excita los átomos, haciendo que algunos electrones absorban energía, moviéndolos temporalmente hacía otra órbita con mayor nivel energético y cuando se normalizan dichos niveles energéticos, los electrones retornan a su orbital, liberando el exceso de energía en forma de partículas portadoras de la radiación electromagnética, denominadas “cuantos de luz” (posteriormente denominadas “fotones”).

Todas estas ondas sinusoidales antes mencionadas, sirven de referencia inicial, pero resultan de poca importancia para los temas tratados en el presente artículo. Para resumir y evitar generalizar términos o conceptos, en lo sucesivo solo se considera lo necesariamente relacionado con ondas de radiofrecuencia (Espectro Radioeléctrico).

En la figura YY5RM-01 se muestran los parámetros generalmente usados en temas de ondas sinusoidales, donde para el caso del espectro radioeléctrico, en el eje “Y” pudieran referirse a las amplitudes de ondas de corriente u ondas de voltaje RF, donde la relación entre ambas determinan la potencia RF, resistencia de radiación, entre otros. También pudiera referirse a la amplitud de la modulación, cálculos de ganancia en amplificadores, relación de ondas estacionarias de voltaje, etc. Las unidades de amplitudes de ondas típicamente se expresan en valores pico o máximos (Vp = Vmax), valores pico a pico (Vpp), valor eficaz (root mean square o raíz media cuadrática = Vrms) y valor promedio (Vpr), el cual a su vez se considera solo para un semiciclo de la AC y equivale aproximadamente al 63.6% del Vp ó al 89% del Vrms en ondas sinusoidales perfectas y sin deformaciones.

· Valor pico a pico (Vpp) = 2 x Vp

· Valor eficaz o RMS (Vrms) = Vp / 1.4142, también = Vp x 0.7071

· Valor promedio (Vpr) = Vp x 0.636, también Vrms x 0.89

El eje “X” es útil para determinar cálculos relacionados con longitudes de ondas (λ), tiempos o fases de señales (típicamente en grados), cantidad de ciclos u ondas que transcurren en 1 segundo (frecuencia en Hertz, Kilohertz, Megahertz o Gigahertz), distancias, dimensiones físicas relacionadas al entorno de antenas y propagación de ondas, etc.

RADIOFRECUENCIA (RF): También denominado como ”espectro de radiofrecuencia” o radioeléctrico. Es la porción menos enérgica del espectro electromagnético, situada entre los 3 KHz y 300 GHz. Son señales alternas, cuyas ondas se propagan en el espacio a la velocidad de la luz y se clasifican en sub-rangos, según sus longitudes de ondas (λ), en las que podemos mencionar:

1. VLF (Muy Bajas Frecuencias) con λ desde 10 Kilómetros → 100 Kilómetros.

2. LF (Bajas Frecuencias) con λ desde 1 Kilómetro → 10 Kilómetros.

3. MF (Frecuencias Medias) con λ desde 100 metros → 1Kilómetro.

4. HF (Altas Frecuencias) con λ desde 10 metros → 100 metros.

5. VHF (Muy Altas Frecuencias) con λ desde 1 metro → 10 metros.

6. UHF (Ultra Altas Frecuencias) con λ desde 10 centímetros → 100 centímetros.

7. SHF (Super altas frecuencias o microondas) con λ desde 1 centímetro → 10 centímetros.

8. EHF (Frecuencias extremadamente altas o microondas de altas frecuencias) con λ desde 1mm → 10mm.

FRECUENCIA: Es la cantidad de ondas sinusoidales (ciclos) de una señal alterna, que transcurren en un tiempo determinado, siendo su unidad patrón el Hertz o Hercio (1 Hz = 1 ciclo por segundo). Típicamente se emplean los múltiplos equivalentes:

· 1 KHz (Kilohertz) = 1000 Hz

· 1 MHz (Megahertz) = 1000.000 Hz

· 1 GHz (Guigahertz) = 1000.000.000 Hz.

Los equipos para Radioaficionados generalmente usan frecuencias inferiores de 3.5 KHz para ondas de audio (voz humana, tono de telegrafía, modulación digital, etc.) y la sintonía de frecuencias RF generalmente se muestran en MHz, mediante diales o diaplays visibles en el panel de controles.

Los sub-rangos del espectro de RF o radioeléctrico son:

1. VLF = 3 KHz → 300 KHz.

2. LF = 30 KHz → 300 KHz.

3. MF = 300 KHz → 3000 KHz (0.3 MHz → 3 MHz).

4. HF = 3 MHz → 30 MHz

5. VHF = 30 MHz → 300 MHz.

6. UHF = 300 → 3000 MHz (0.3 GHz → 3 GHz).

7. SHF = 3 GHz → 30 GHz.

8. EHF = 30 GHz → 300 GHz.

Según los estándares IEC60050 y IEEE100, sitúan las microondas compartiendo EHF, SHF y parte de UHF, entre 1 GHz y 300 GHz.

LONGITUD DE ONDA (λ): Es la distancia recorrida por una onda electromagnética, desde que se inicia un ciclo, hasta que éste termina, o empieza a repetirse. La longitud de onda suele representarse con la letra griega λ (lambda) y sus unidades se expresan en sistema métrico, incluyendo múltiplos o sub-múltiplos.

La frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales, es decir, en la medida que incrementa la frecuencia, disminuye la λ y viceversa. Para una distancia constante, si incrementamos el número de ciclos que caben en él, entonces cada ciclo ocupará menor espacio o menor longitud.

Conociendo la frecuencia es posible determinar la λ y viceversa (explicado más adelante):

ANTENA: Dispositivo transductor que convierte la señal AC de radiofrecuencia (proveniente desde el transmisor) en onda electromagnética. Por el contrario, es el dispositivo que capta las señales electromagnéticas para convertirla en sañal AC de radiofrecuencia para el receptor. Básicamente las hay direccionales, bidireccionales u omnidireccionales y de polaridades vertical, horizontal, circular o elípticas.

La frecuencia y λ principalmente determinan los cálculos de dimensiones y longitudes de las antenas, líneas de transmisión, propagación de ondas en distintos medios atmosféricos, entre otros.

ANTENA TV SATELITAL

(Microondas)

GENERALIDADES DE LA FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA

La señal RF, electrónicamente se genera desde un circuito o etapa del equipo de radio denominada “Oscilador de RF“, cuyo principio de funcionamiento consiste en hacer vibrar u oscilar a la frecuencia deseada, mediante un circuito tanque (compuesto de bobina y capacitor) o dispositivo piezoeléctrico (cristal resonador), el cual produce una débil señal AC, que posteriormente es amplificada en amplitud mediante circuitos transistorizados o de tubos de vacío, produciendo la señal RF (portadora del mensaje a transmitir), para finalmente ser emitida mediante la antena.

Ésta señal RF pura (onda portadora), permite combinarse o modificar mediante señales de audiofrecuencia, con la finalidad de transmitir la humana o mensajes en general (modulación). Si la audiofrecuencia se usa para variar la amplitud de una señal portadora, se genera el modo de transmisión por AM (amplitud modulada). Si esta señal de audiofrecuencia se usa para variar unos pocos KHz (desviación) a la frecuencia de la señal portadora, entonces se genera el modo de transmisión por FM (frecuencia modulada), en el receptor se captan estas variaciones (en la amplitud o de frecuencia), para volver a convertir en señal de audiofrecuencia.

En el modo de transmisión por FM, la señal de audiofrecuencia es modula desde la etapa osciladora.

En modo AM, esta señal de audiofrecuencia modula en cualquier etapa amplificadora RF, preferiblemente en el circuito amplificador final o driver (último o penúltimo amplificador RF).

Existen otros modos de transmisión, los cuales combinan modulaciones de amplitudes, frecuencias y hasta suprimiendo total o parcialmente componentes de la señal portadora RF (LSB, USB y CW).

En los circuitos electrónicos de equipos receptores de radiofrecuencia sintonizada, cada etapa amplificadora de RF cumple la función de incrementar la amplitud de onda, en una frecuencia específica (sintonizada) y suprimiendo el resto de frecuencias de espectro radioeléctrico, que llegan desde la antena:

· A mayor número de etapas amplificadoras RF, incrementa la capacidad de recibir señales débiles (sensibilidad).

· A mayor número de pasos sintonizados, incrementa la capacidad de recibir exclusivamente la señal RF deseada y suprimir el resto de señales del espectro radioeléctrico (selectividad).

· La fidelidad es la propiedad del receptor para reproducir fielmente el audio, voz humana o mensajes en general (de poca relevancia para Radioaficionados. Solo en FM es posible excelente fidelidad).

El principio de receptor superheterodino consiste en adicionar una etapa osciladora local, la cual genera una señal RF de baja potencia, que se mezcla con la señal sintonizada por el receptor, con la finalidad de crear una señal RF de frecuencia fija y resultante de la resta entre ambas señales (FI = frecuencia intermedia).

Típicamente la frecuencia intermedia (FI) en receptores AM, es 455 KHz ó 470 KHz (0.455 MHz ó 0.470 MHz), ejemplo: Si un receptor AM, CB 11 metros está sintonizado en 27.205 MHz (canal 20), su oscilador local estará generando una señal RF en 26.750 MHz y la resta entre ambas frecuencias es: 27.205 MHz – 26.750 MHz = 0.455 MHz. Todas las etapas amplificadoras RF siguientes, se ajustan o sintonizan en 0.455 MHz.

La frecuencia intermedia para receptores FM es 10.7 MHz y a pesar de ser un estándar, existen equipos para Radioaficionados con selección de diferentes FI, incluso con FI de desplazamiento variable (IF SHIT).

El control automático de sensibilidad (CAS) o de ganancia (AGC) controla o adapta la ganancia del receptor, dependiendo de la intensidad de la señal recibida (máxima ganancia para señales débiles). La mayoría de receptores en MF y HF, incorporan selección de respuesta lenta o rápida en la ganancia AGC (FAST – SLOW).

En los primeros equipos radio-receptores y transceptores, se realiza la sintonía analógicamente mediante electro-mecanismos y cuya frecuencia se indican en diales con escalas en KHz y MHz.

Según el Sistema Internacional (SI), la frecuencia se mide en hercios (Hz), en honor Heinrich Rudolf Hertz. En cursos de formación para Radioaficionados, es necesario que los participantes aprendan las conversiones entre los múltiplos típicos (KHz = Kilohertz, MHz = Megahertz y GHz = Gigahertz).

· 1000 Hz = 1 KHz.

· 1000 KHz = 1 MHz.

· 1000 MHz = 1 GHz.

Entre cada unidad múltiplo hay 3 lugares (dividir o multiplicar por 1000 entre cada conversión de lugar).

Para evitar confusiones, en los ejemplos siguientes se usa la coma “,” para separar los decimales:

1. 27,205 MHz convertir en KHz (1 lugar bajando): 27,205 MHz x 1000 = 27.205 KHz.

2. 27,205 MHz convertir en GHz (1 lugar subiendo): 27,205 MHz / 1000 = 0,027205 GHz.

3. 1.800 KHz convertir en MHz (1 lugar subiendo): 1.800 KHz / 1000 = 1,8 MHz.

4. 7,1 MHz convertir en Hz (2 lugares bajando): 7,1 MHz x 1000.000 = 7.100.000 Hz.

5. 2,4 GHz convertir en MHz (1 lugar bajando): 2,4 GHz x 1000 = 2.400 MHz.

6. 2,4 GHz convertir en KHz (2 lugares bajando): 2,4 GHz x 1000.000 = 2.400.000 KHz.

Para comprobarlo, se aplica una regla de tres. Ejemplo # 3:

Los actuales equipos transceptores para Radioaficionados, realizan la sintonía digitalmente, seleccionando amplios rangos de frecuencias (típicamente abarcan frecuencias fuera de los rangos permitidos por ley) desde un control de mando denominado VFO (Oscilador de Frecuencia Variable) e indican la frecuencia seleccionada en pantallas o displays, con escalas generalmente en MHz.

Los indicadores para la recepción (RX) y transmisión (TX), sean analógicos o digitales, generalmente son aprovechados para indicar otras escalas, seleccionadas desde conmutadores o similares. En las imágenes siguientes se aprecian conmutadores “METERS”, para seleccionar:

· SWR (relación de ondas estacionarias).

· RF ó Po (potencia de salida del transmisor).

· ALC (control automático de nivel Potencia).

· COMP (compresión de señales de bajo nivel de modulación).

· Ic (corriente de colectores en los transistores amplificadores finales de RF).

· Vc (voltaje entre Colectores y Emisores en los transistores amplificadores finales de RF).

La relación entre la señal RF transmitida, respecto a la señal RF recibida, "es logarítmica", es decir, al multiplicar la potencia diez (10) veces en el transmisor, la señal en el receptor incrementa una unidad en su indicador. El ejemplo siguiente muestra 4 unidades de una señal recibida y su ligero incremento al aumentar considerablemente la potencia en el transmisor.

Esta relación logarítmica demuestra la prioridad en usar buenos sistemas de antenas y no de potencias exuberantes en transmisores.

Si todas las señales electromagnéticas en el espacio viajan aproximadamente a la velocidad de la luz, entonces para cualquiera que sea su frecuencia, debe recorrer 300.000.000 metros en un segundo, donde la distancia recorrida por 1 ciclo de esta frecuencia se le denomina “Longitud de Onda (λ)”. Conociendo la frecuencia es posible determinar la λ y viceversa.

En HF y VHF las λ se expresan en metros y las frecuencias en MHz, por consiguiente para facilitar cálculos se sugiere cancelar 6 ceros tanto en el dividendo como en el divisor de la fórmula anterior, resultando la fórmula siguiente:

Ejemplos (es importante saber que los rangos de frecuencias asignados en bandas de Radioaficionados, no siempre coinciden exactamente con su λ, por tal motivo en estos casos los cálculos normalmente se redondean o aproximan):

· Si la frecuencia es 146 MHz y se requiere determinar su λ, entonces 300 / 146 MHz = 2.05 metros (banda de 2 metros).

· Si la frecuencia es 27.205 MHz y se requiere determinar su λ, entonces 300 / 27.205 MHz = 11.02 metros (banda CB 11 metros).

· Si la frecuencia es 21.2 MHz y se requiere determinar su λ, entonces 300 / 21.2 MHz = 14.15 metros (banda de 15 metros).

· Si la frecuencia es 7.1 MHz y se requiere determinar su λ, entonces 300 / 7.1 MHz = 42.2 metros (banda de 40 metros).

Ejemplos de cálculos a la inversa, es decir, conociendo la λ y se requiere determinar la frecuencia:

· Si la λ es 80 metros y se requiere determinar una frecuencia, entonces 300 / 80m = 3.75 MHz (se ubica dentro del rango 3.5 MHz ↔ 4 MHz).

· Si la λ es 20 metros y se requiere determinar una frecuencia, entonces 300 / 20m = 15 MHz (se aproxima al rango 14 MHz ↔ 14.35 MHz).

· Si la λ es 10 metros y se requiere determinar una frecuencia, entonces 300 / 10m = 30 MHz (se aproxima al rango 28 MHz ↔ 29.7 MHz).

En UHF o microondas las λ se expresan en centímetros o milímetros y las frecuencias en MHz o GHz, por consiguiente para facilitar cálculos se sugieren las fórmulas siguientes:

La mayoría de frecuencias para Radioaficionados son armónicas, es decir son múltiplos entre si y permiten cálculos de longitudes de ondas compatibles, siendo la 1ra armónica la frecuencia base o actual. La 2da armónica el doble de la 1ra, la 3ra armónica el triple de la 1ra y así sucesivamente.

Los equipos para Radioaficionados destinan sus usos y difieren sus modos según las características del rango de frecuencias que cubren:

· Los equipos en VHF normalmente se destinan para comunicados locales, por repetidores, satelitales, sistemas de enlaces, etc. Sus ondas viajan en línea recta y pueden rebotar con objetos metálicos u otros. La comunicación es segura y el modo de transmisión FM proporciona buena calidad de audio (fidelidad).

· Igualmente los equipos para UHF emplean el modo FM, se destinan para comunicados locales, por satelitales y en línea recta. Las comunicaciones son seguras y debido a su pequeña λ las ondas tienen alto poder de penetración, por lo tanto son más efectivos para comunicados entre edificaciones y obstáculos.

· En microondas los equipos típicamente se usan para comunicados punto a punto y vía satélite. Sus λ extremadamente pequeñas permiten diseñar antenas extremadamente grandes en comparación con el tamaño de su λ. Las comunicaciones son seguras, con inconvenientes de pérdidas por absorción de señal que produce la humedad en la atmósfera y otros.

· Los equipos MF y HF, normalmente se usan para comunicados a medias y largas distancias, en modos de transmisión USB, LSB, AM o CW, donde la fidelidad es de poca importancia. A causa de sus grandes λ las ondas no atraviesan la atmósfera, sino que se vuelven a reflejar hacia la tierra, haciendo posible la propagación celeste o DX. Las comunicaciones no son seguras y dependen de la hora del día, época del año, ciclo solar, condiciones climáticas y atmosféricas, etc.

· Para todos los casos anteriores, la mayoría de equipos para Radioaficionados, cubren todo el rango de frecuencias en la banda asignada por ley.

El nombre asignado a cada banda para Radioaficionados está asociado a su longitud de onda y dentro de las mismas se asignan rangos de frecuencias para diversos usos y categorías.

En Venezuela existen dos tipos de categorías, la “A” para siglas con prefijo YY y la categoría “B” para siglas con prefijo YV. A continuación se indica la tabla de asignación de frecuencias para cada banda (gaceta oficial No 38.588 del 20-12-2006 “CUNABAF”):

Existen otros tipos de equipos de radios de bajas potencias, los cuales operan en estrechos rangos de frecuencias, su uso se destina para satisfacer las necesidades familiares, particulares y/o profesionales a corto alcance, no exige conocimientos técnicos, de legislación, técnicas de operación, telegrafía, además no requieren licencia u autorización previa.

La mayoría de Radioaficionados legalmente habilitados inician el hobby de la radio en CB (Banda Ciudadana), banda HF de 11 metros, cuyo oso está regulado por la REFORMA DE LAS CONDICIONES PARA LA CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE USO LIBRE (No 863 del 23-08-2012 “ Ley Orgánica de telecomunicaciones).

Normalmente estos equipos de libre uso no seleccionan frecuencias mediante VFO ni disponen de controles complicados que pudieran requerir conocimientos a nivel de Radioaficionado. Entre sus controles básicos generalmente se incluye de un selector para 40 canales de comunicación (de frecuencias fijas), control de volumen, squelch y algunos otros controles básicos. La tabla siguiente muestra los 40 canales asignados para frecuencias en banda CB 11 metros.

La misma reforma de ley asigna un rango de frecuencia en UHF, preestablecido para los primeros 14 canales de radios Talkabout y similares (de antena no desmontable), el mismo rango contiene frecuencias para GMRS (Servicio General de Radio Móvil) y FRS (Servicio de Radiofrecuencia Familiar).

Actualmente existen diversos rangos de frecuencias asignadas para Radioaficionados en microondas. La tabla siguiente muestra los rangos de frecuencias y λ para bandas a nivel internacional (típicamente usadas para enlaces digitales y comunicaciones satelitales).

Las ondas de radio de mayor frecuencia tienen mayor poder energético, pero al propagarse en el aire sufren mayores atenuaciones en su densidad de potencia, debido a la absorción que se produce al transferir energía hacía los átomos y moléculas que conforman la atmósfera terrestre. Estas pérdidas hacen que sea casi nula la propagación de ondas ubicadas hacía el límite superior el espectro radioeléctrico (en el vacío no ocurren pérdidas por absorción) y atenuaciones casi despreciables hacía el límite inferior de dicho espectro.

Para cualquier frecuencia, las ondas de radio también sufren pérdidas al distanciarse de la antena, debido a que su densidad de potencia ocupa mayor espacio al dispersarse continuamente. El color azul en la imagen siguiente ilustra un ejemplo de pérdida de intensidad al dispersarse continuamente u ocupar mayor espacio (en comparación con la RF emitida desde una antena omnidireccional).

FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA APLICADA AL CABLE COAXIAL

La velocidad de propagación (VP) de la señal RF que se transporta por la línea coaxial, es más lenta que la velocidad de la luz (de 60% a 95% menor) y depende principalmente del material aislante (dieléctrico) entre el conductor central y la malla del mismo cable coaxial. Mientras más denso sea dicho aislante, menor será el factor de la VP.

La VP es factor determinante del acortamiento de la longitud física del cable coaxial, cuanto más se aproxime a la unidad (1), mayor será la longitud física de dicho cable coaxial. Típicamente en el mercado es posible adquirir cables coaxiales con VP de 0.66, 070 y 0.82. Los cables con VP = 0.82 están construidos con aislante central del tipo espumoso (foam) y actualmente son de fácil de adquisición.

Al igual que las antenas, las líneas de transmisión también tienen longitudes de resonancias. Nota: una línea coaxial de longitud aleatoria también se hace resonante cuando hay perfecto equilibrio de impedancias (1.0 ROE), exclusivamente en la frecuencia de resonancia de la antena.

La longitud de resonancia en una línea coaxial consiste en usar cables coaxiales de longitudes físicas múltiplos de 1/2 λ y multiplicarlo por su VP, ejemplo: Para la banda de 40 metros, usando 7.1 MHz como frecuencia central del rango y empleando cable coaxial RG8/U con VP de 0.82, el cálculo sería: 150 dividido entre 7.1 MHz y multiplicado por 0.82, el resultado = 17.32 metros (sus múltiplos: 34.64 metros, 51,96 metros, 69.28 metros, 86.6 metros, etc.).

La Longitud Eléctrica del Cable Coaxial se determina por el número de longitudes de ondas que caben en él, ejemplo: Un tramo de cable coaxial de aproximadamente 55 metros de largo, representa 1/2 λ para HF banda de 160 metros (línea coaxial eléctricamente corta), el mismo tramo de cable en HF banda de 80 metros representaría 1 λ, en HF banda de 40 metros equivale a 2 λ, en HF banda de 20 metros equivale a 4 λ y en VHF banda de 2 metros son aproximadamente 40 λ (cable eléctricamente largo. No indicado en la imagen siguiente). Las líneas eléctricamente largas producen pérdidas significativas.

Un tramo de cable coaxial calculado para 7.1 MHz (banda de 40 metros), será resonante en sus frecuencias armónicas. Es posible verificar longitud de resonancia en la línea coaxial, cortocircuitando el extremo que conecta hacía la antena y el extremo opuesto se conecta directamente al instrumento analizador de antenas.

Las imágenes siguientes muestran un ejemplo de éste procedimiento, realizado en un cable coaxial de longitud calculada para 7.1 MHz. En este caso se observa resonancia en el 2do armónico (14.16 MHz), 3er armónico (21.32 MHz) y 4to armónico (28.42 MHz), etc. En frecuencias distintas, si la ROE es diferente de 1.0, se adicionan reactancias al sistema, incrementando la posibilidad de optimizar con parámetros y longitudes alteradas en la antena, imposibilitando lograr máxima eficiencia de la misma.

Variando la longitud del cable coaxial, si la ROE es diferente de 1.0, se hace posible desplazar la frecuencia de resonancia de la antena, vista desde el extremo de la línea que conecta al transmisor. Esto permite mejorar la respuesta del sistema en frecuencias vecinas a la de resonancia de la antena. También hace posible ubicar la impedancia que mejor se adapte a la del transmisor. En palabras sencillas, al modificar la longitud de la línea coaxial se observa variación en la ROE, cuando su verdadera causa es que la misma ROE se traslada hacía frecuencias vecinas. Para conocer sobre el tema se sugiere lectura del archivo “Longitud del Cable Coaxial y Nodos.pdf”, en el cual se usan recursos demostrativos de última generación. Enlace:

https://yy5rm.blogspot.com/2011/11/longitud-del-cable-coaxial-y-nodos.html

FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA EN ANTENAS

Existen longitudes físicas de antenas que mejor se adaptan o acomodan a la longitud de onda (longitudes resonantes = garantía de máxima eficiencia). Dichas longitudes equivalen a múltiplos impares de 1/4 λ, permiten la correcta distribución de ondas de corriente y ondas de voltaje a lo largo de la antena, determinando su mejor resistencia de radiación, lo cual permite absorber la máxima potencia posible proveniente desde el transmisor (igualmente sucede para la recepción). Nota: Las Dipolos estándar de 1/2 λ se comportan como una misma antena compuesta de 2 brazos de longitudes resonantes de 1/4 λ cada uno y de polaridades opuestas.

Para facilitar y estandarizar cálculos de longitudes resonantes en antenas se usan cifras numéricas constantes, las cuales equivalen aproximadamente al -5% del tamaño de la λ con la cual se propagan las ondas electromagnéticas en el espacio. Este factor del acortamiento se debe principalmente de la relación existente entre longitudes y diámetros del material conductor de la antena, al efecto de borde (end effect) y otros factores de menores relevancias tales como: Chaqueta del alambre conductor, las capacidades producto de la cercanía del suelo, el tipo de material conductor y otros.

Una longitud de onda (1 λ) de referencia para calcular dimensiones en sistemas de antenas, equivale a usar la constante 285 y dividirla entre la frecuencia en MHz (285 / F = El resultado será en metros). Esta constante equivale a 300 – 5% y proviene de la simplificación matemática de velocidad de la luz (300.000.000 metros/segundos), con respecto a la frecuencia en MHz (1 MHZ = 1.000.000 ciclos/segundos), es decir, cancelando los 6 ceros en el dividendo y en el divisor. A continuación se muestran ejemplos del uso de cifras constantes para realizar cálculos de longitudes de antenas:

· La constante 142.5 equivale a 150 – 5% y es útil para calcular antenas de 1/2 λ, lo que es igual a usar la constante 285 y dividida a la mitad (285 / 2 = 142.5). Las antenas Dipolos estándar son de 1/2 λ:

En el enlace siguiente se muestran mayores detalles sobre el tema:

https://yy5rm.blogspot.com/2011/10/ensayos-con-dipolos.html

· Para calcular antenas de 1/4 λ se usa la constante 71.25 (equivale a 75 – 5%), lo que es igual a usar la constante 285 dividida en 4 (285 / 4 = 71.25). Las antenas Plano Tierra estándar son de 1/4 λ:

· La constante 178.125 es útil para calcular antenas de 5/8 λ (equivale a 187.5 – 5%), lo que es igual a usar la constante 285 multiplicada por 5/8 (285 x 0.625 = 178.125). Típicamente las antenas de estaciones bases en UHF, VHF y CB 11 metros, son de 5/8 λ, las cuales pudieran tener planos tierras artificiales conformados por grupos de radiales de 1/4 λ cada uno.

· Para calcular antenas de 3/4 λ, se usa la constante 213.73 (equivale a 225 – 5%), lo que es igual a usar la constante 285 multiplicada por 3/4 (285 x 0.75 = 213.73). Las antenas Dipolos de 1/2 λ (2 brazos de 1/4 λ cada uno), se convierten en antenas Dipolos de 1.5 λ (2 brazos de 3/4 λ cada uno = 6/4 λ = 1.5 λ) cuando operan en su 3ra. frecuencia armónica.

La gráfica siguiente facilita cálculos de longitudes y frecuencias en antenas típicas. Solo requiere tapar con un dedo la incógnita, e ingresar el dato faltante (nota: la frecuencia en MHz y λ en metros).

En el ejemplo siguiente se calculan longitudes para tres tipos de antenas VHF 2 Metros, de 1/4 ʎ, 1/2 ʎ y 5/8 ʎ, usando 146 MHz como frecuencia central de su ancho de banda útil:

· Longitud de resonancia para antena de 1/4 λ: 71.25 / 146 MHz = 0.488 metros.

· Longitud de resonancia para antena de 1/2 λ = 142.5 / 146 MHz = 0.976 metros.

· Longitud de resonancia para antena de 5/8 λ = 178.125 / 146 MHz = 1.22 metros.

Ejemplos a la inversa. Se desea saber para qué frecuencia serán tres antenas, las cuales previamente solo se sabe que son de 1/4 ʎ, 1/2 ʎ y 5/8 ʎ:

· Una antena Dipolo de 1/2 λ la cual mide 20.07 metros de longitud, entonces: 142.7 / 20.07 metros = 7.1 MHz

· Una antena vertical de 1/4 λ la cual mide 2.62 metros de longitud, entonces: 71.25 / 2.62 metros = 27.19 MHz

· Una antena vertical de 5/8 λ que mide 0.405 metros de longitud, entonces: 178.125 / 0.406 metros = 438.7 MHz

La popular antena Plano Tierra, se compone de un elemento vertical de 1/4 λ (denominado radiador), más un grupo de 3 ó 4 radiales en la base (pueden ser más) de 1/4 λ C/U, conformando el plano tierra artificial. La Dipolo se considera como una antena compuesta de dos tramos de 1/4 λ cada uno, aunque no esté alimentado desde su centro. Las antenas de 5/8 λ se consideran como 3/4 λ de longitud reducida, con reactancias canceladas.

Debido a que la frecuencia y la ʎ son inversamente proporcionales, explica porque en HF las antenas son de mayores dimensiones físicas que las antenas para VHF y éstas a su vez resultan de mayor tamaño en comparación con antenas para UHF y microondas. Las imágenes siguientes muestran ejemplos de antenas Yagis para diferentes ʎ.

La longitud de la antena uno de los factores determinantes de su impedancia compleja y dicha impedancia a su vez está compuesta de componente real o resistiva [consume potencia proveniente desde transmisor. R (Ohm) de la siguiente figura RM-22], más la componente imaginaria o reactiva [casi no absorbe potencia, pero si adiciona pérdidas. jX (Ohm) de la siguiente figura RM-22].

Cuando la longitud física de la antena es superior de la longitud resonante, entonces incrementa la reactancia inductiva (XL = jX de signo positivo) de su impedancia compleja, por el contrario, si dicha longitud física es inferior de la longitud resonante, entonces incrementa la reactancia capacitiva (XC = jX de signo negativo). Las XC y XL se cancelan (jX = 0.0Ω) cuando la frecuencia está en resonancia con la longitud de la antena, en el archivo “Longitud del Cable Coaxial y Nodos.pdf” describen mayores detalles sobre longitudes resonantes.

No necesariamente las antenas para Radioaficionados son de longitudes resonantes, es posible construir antenas de longitudes aleatorias y cancelar sus componentes reactivas adicionando dispositivos de signos contrarios. Para antenas de longitudes reducidas se usan bobinas y en antenas largas se emplean capacitores.

Igualmente es posible emplear estos dispositivos como segmentadores de la longitud eléctrica en antenas dualband y multibandas.

Optimizar antenas variando su longitud resonante no es lo correcto. Desafortunadamente la mayoría de Colegas Radioaficionados no disponen de instrumentos analizadores de antenas para verificar reactancias y con ayuda del instrumento medidor de ROE, solo es posible optimizar mediante equilibrios de impedancias.

Para optimizar antenas, lo mejor es mantener su longitud resonante y corregir desequilibrios de impedancias mediante dispositivos adaptadores, modificando la relación de conversión en el balun, desplazamiento del punto de alimentación, o cualquier otro método que modifique o transforme su impedancia. En el archivo “ENSAYOS CON DIPOLOS.pdf“ se sugieren procedimientos para corregir desequilibrios de impedancias.

La altura (en λ) con respecto al suelo, además de hacer variar la impedancia y longitud de resonancia de la antena, también modifica su patrón de radiación, lo cual representa uno de los factores de mayor importancia para elegir el tipo de propagación deseada.

Las ondas de radio en bandas HF no atraviesan la atmósfera, sino que a determinada altura sus capas actúan como un espejo, volviendo a reflejar dichas ondas hacía la tierra. En comunicaciones locales donde las ondas de radio recorren distancias hasta aproximadamente 300 Kilómetros, pudiera ser útil un patrón de radiación que determine mayor emisión de señales en ángulo vertical (antenas de propagación NVIS), mientras que en comunicaciones a media y largas distancias (DX), dependiendo de la hora del día, conviene usar patrones de radiación que maximicen la emisión de señales en ángulos horizontales.

La figura RM-22 muestra el análisis virtual realizado mediante el programa MMANA_GAL, donde se simula una Dipolo horizontal calculada para transmitir en HF banda de 40 metros, 7.1 MHz y montada en tubo mástil de 9 metros de altura sobre el suelo. Se observa que al modificar dicha altura (Add H. desde 3 metros hasta 14 metros), se altera la longitud de resonancia de la antena (al incrementar jX la antena se hace más larga. La antena se hace pequeña cuando jX es negativo) y el ángulo de elevación (Elev = desde 90° hasta 32°). La figura RM-22 muestra los cambios en el patrón de radiación conformado por dicha antena.

La popular antena Plano Tierra se compone básicamente de un elemento vertical de 1/4 λ (denominado radiador), más un grupo de 3 ó 4 radiales en la base (pueden ser más) de 1/4 λ cada uno, conformando un plano tierra artificial.

Diversas antenas de 5/8 λ también requieren dicho plano tierra artificial, donde el radio, separación al elemento radiador, ángulos y demás geometría conformada por los elementos que componen dicho plano tierra artificial, tienen influencia en el tipo de propagación de señales, patrón de radiación, impedancia y debido a que mejora la distribución de corrientes en la antena, minimiza la irradiación en la línea coaxial.

Mediante el programa MMANAGAL Basic se muestra un ejemplo de análisis a diferentes alturas, de un elemento irradiante vertical, ”sin radiales” y de longitud ligeramente superior de 1/4 λ, para la banda de 11 metros (27.2 MHz). A nivel del suelo (Add H = 0.0) y con un plano tierra natural buen conductor de la electricidad, presenta una impedancia de 44.77 –j0.0331 Ω, pero al elevar dicho elemento, su impedancia ronda los 4.9 Ω, con altos incrementos de reactancias (jX) y ROE (SWR):

Seguidamente se analiza un elemento irradiante vertical de 1/4 λ, acompañado de un plano tierra artificial conformado por 3 radiales de 1/4 λ cada uno e inclinado a 30 grados por debajo del horizontal. En este caso, la inclinación de los radiales impide analizar a nivel de suelo. A pesar que la ganancia (Ga bBi) y el ángulo de elevación son algo similares (similar patrón de radiación), la impedancia, ROE y reactancias mejoran notablemente.

La imagen siguiente muestra un ejemplo de antena VHF Ringo 5/8 λ, con plano tierra conformado de 3 radiales y separados a 5/8 λ por debajo del elemento irradiante. Esta separación mejora el ángulo de máxima radiación horizontal con el propósito de aprovechar la máxima emisión de señales hacía el horizonte (propagación en línea recta) y mínima emisión de señales hacía arriba o de ángulos verticales.

La λ influye en distanciamientos entre antenas. En la misma imagen anterior se observa una separación considerable entre la antena Ringo 5/8 ʎ, respecto a una antena Yagi UHF, esto se debe a que para minimizar deformaciones entre los diagramas de radiación de antenas independientes y montadas en una misma torre o tubo mástil, las separaciones físicas entre ellas deberían quedar fuera de sus áreas de aperturas (descrito más adelante). Incluso entre elementos de una misma antena, la ʎ influye en distanciamientos específicos con el propósito de mejorar directividad o aumentar ganancia.

La polarización de una antena está determinada por la figura geométrica que trazan los extremos de los vectores del campo eléctrico y campo magnético al distanciarse de la antena, en determinada dirección. Para evitar pérdidas de potencia por desacoplo del campo electromagnético, tanto la antena transmisora y receptora deben tener similar polarización, la cual pudiera ser puede ser lineal, circular o elíptica.

La polarización lineal a su vez pudiera orientarse horizontal o verticalmente. El plano eléctrico se genera paralelo al elemento radiador de la antena y el plano magnético se genera perpendicular a éste. Para comunicaciones satelitales es importante considerar las coordenadas en latitud y longitud, debido a que la posición en La Tierra cambia el ángulo respecto al horizonte. La polarización circular y elíptica pudieran ser a la derecha o a la izquierda.

ANTENA SLIM JIM

La Slim Jim es una antena plegada de 3/4 λ de polarización vertical, la cual no requiere plano tierra artificial y típicamente es usada en estaciones fijas VHF o UHF. Está conformada por un tramo superior de 1/2 λ (irradiante = "B" de la imagen), más el tramo inferior de 1/4 λ el cual no irradia energía sino que constituye un adaptador de impedancias denominado “ stub “ ("C" de la imagen). La impedancia de esta antena se pudiera adaptar desde casi 0 Ω hasta aproximadamente 400 Ω y depende de la altura ("D" en la imagen) en la que se conecte la línea coaxial.

El patrón de radiación de esta antena aprovecha gran parte de la emisión de señales horizontalmente, incluso si se monta a pocas λ distanciada del suelo. El inconveniente de la Slim Jim es la irradiación que produce en la línea coaxial, razón por la que requiere incorporar dispositivos Choques RF para ayudar a suprimir el efecto.

La envoltura es de material aislante, típicamente PVC, lo que la hace resistente al agua de lluvia, nieve, salitre y otros (el Sol intenso pudiera hacer que no perdure después de la primera década). Las imágenes siguientes pertenecientes al archivo “ANTENA SLIM JIM PARA 2MT-FM-UHF.pdf” describen su construcción artesanal.

DRIVEN ELEMENT

El “Driven Element“ es el irradiante más popular y comúnmente usado en la mayoría de diseños de arreglos de antenas para UHF, VHF y HF de corta λ. Básicamente consiste en un tubo conductor de 1/2 λ, firmemente soportado desde el centro del mismo y acoplado a la línea coaxial mediante de un dispositivo capacitivo denominado “adaptador ganma-matching“. En el archivo “ELEMENTO DRIVEN CON ADAPTADOR GANMA.pdf“ se describen mayores detalles.

ARREGLOS DE ANTENAS (YAGI Y COLINEALES)

La popular antena Yagi consiste en un arreglo donde exclusivamente se alimenta el elemento irradiante, aunque por inducción el resto de los elementos acomodados de forma paralela igualmente irradian (reflector y directores), concentrando la mayor energía en una sola dirección. Las longitudes, distanciamientos y cantidad de elementos determinan la ganancia y características de dichas Yagis, en VHF y UHF es posible calcular según la figura siguiente.

Para el resto de arreglos y distanciamientos entre antenas en general es necesario conocer principalmente el término básico de mayor relevancia (área de captura o apertura) de cada elemento o antena.

En Dipolos de 1/2 λ la apertura es de forma elíptica y mide aproximadamente 3/4 λ x 1/4 λ.

θh y θe representan las anchuras de haz de potencia media en los planos eléctricos y magnéticos respectivamente. El plano eléctrico θe se genera en el mismo plano que el elemento radiador (Dipolo o Driven Element), mientras que el plano magnético θh se genera perpendicularmente. La apertura física es el área frontal del sistema de antena y puede ser menor o mayor que la apertura efectiva.

En el caso de dos o más antenas que conforman un mismo arreglo (Yagis conectadas en staking o arreglos colineales), para maximizar ganancia el cálculo del distanciamiento debe permitir que las aperturas sólo se toquen (evitar el solapamiento).

El ejemplo siguiente muestra el patrón de radiación resultante al conectar 2 antenas Yagis en Staking, en función de la separación entre ambas (sede 1/4 hasta 1.5 ʎ)

En antenas de arreglo colineal construida con elementos irradiantes de 1/2 ʎ, la separación máxima entre ellos debe ser 1/4 ʎ y la máxima ganancia está determinada por la longitud total del arreglo (a mayor número de elementos irradiantes, mayor longitud del arreglo y mayor ganancia).

Para el caso de antenas de arreglos colineales verticales y enfasadas mediante stubs, la longitud total de cada tramo, más su respectivo anfasador stub, debe sumar aproximadamente 1 ʎ. El ejemplo mostrado en la imagen de la derecha es copiado del software MMANA-GAL. El arreglo de la izquierda está conformado por 3 tramos de 5/8 λ cada uno (15/8 λ) y a la derecha 3/4 λ x 3 (9/4 λ).

La imagen siguiente muestra otro ejemplo de antena de arreglo colineal para VHF 2 metros, con una longitud total equivalente a 19/8 λ, la misma está compuesta de:

· 1 plano tierra artificial ubicado en la base y conformado de 6 radiales

· 3 tramos irradiantes de polarización vertical, de 5/8 λ cada uno y separados entre sí mediante bobinas enfasadoras.

· 2 bobinas enfasadoras de 1/4 λ cada una.

· 1 bobina de acople de impedancias, ubicada en la base de la antena.

· En el archivo “ANTENA COLINEAL 3x5-8.pdf“ se describen mayores detalles y técnicas para su construcción artesanal.

REFLECTORES PARABÓLICOS

Los reflectores parabólicos típicamente se usan en antenas UHF (superior de 800 MHz) y microondas, esto se debe a que sus dimensiones representan longitudes extremadamente grandes en relación con sus λ (pudiera ser desde 10 λ, 100 λ y más). Básicamente están conformadas por 2 componentes; ① Reflector parabólico, el cual pudiera ser cilíndrico, paraboloide de revolución, múltiple reflector, de foco centrado o descentrado (offset), etc. ② Elemento alimentador, el mismo pudiera ser un Dipolo de polarización horizontal o vertical, ubicado en el foco de la parábola.

Todo el ancho señales que llegan a la parábola, son reflejadas hacía el foco de la parábola (y viceversa). Si no existiera el reflector parabólico, todo el ancho de señales recorrieran igual distancia hasta una línea imaginaria denominada “directriz”.

Ideas para trazar un molde de reflector parabólico (se muestra un ejemplo para SHF banda K, rango 24 GHz ↔ 24.5 GHz, λ = 12.5 milímetros, asignado para Radioaficionados según cuadro Cunabaf):

1. Inicialmente se escoge una distancia focal, la cual pudiera ser de 50 veces la λ. Esta longitud se duplica (ejemplo: 12.5 mm x 50 = 625 mm. Al duplicar = 1250 mm) y se traza perpendicularmente en el centro de la línea directriz (en este caso 1/2 directriz es 919 mm).

2. La relación f/D, existente entre la distancia focal & el diámetro de la parábola normalmente va desde 0.34 hasta 0.38 (no necesariamente) y determina entre otros la profundidad de la parábola (mientras mayor es la distancia focal, la parábola se hace más plana). Es decir, si elegimos 50 λ como distancia focal y 0.34 de relación f/D, entonces el diámetro de la parábola será 1838 milímetros, es decir: 625 mm / 0.34 = 1838 mm

3. Para trazar la parábola, se procede a ubicar todas las distancias que hay desde el foco hasta la parábola, las cuales deben coincidir con las mismas distancias existentes desde la parábola hasta “directriz”.

4. En la WED es posible descargar software gratuitos para cálculos y simulaciones de parábolas, pero si desea realizar el cálculo matemático, inicialmente se traslada la directriz paralelamente hasta el origen de la parábola (matemáticamente representará el eje de coordenadas “ X”).

Luego este eje “X” se divide a la mitad, debido a que únicamente se calcula 1/2 parábola, la otra mitad es simétrica y no requiere cálculos (de este ejemplo: 1838 mm / 2 = 919 mm).

Dependiendo de la precisión requerida, esta mitad del eje “X” a su vez se divide en 5 ó 10 porciones iguales, conformando una progresión matemática (para este ejemplo, si la mitad de “X” mide 919 mm de longitud, entonces se puede dividir en 10 porciones de 91.9 mm cada una (representan las coordenadas en el eje “X”).

Las coordenadas en el eje “Y”, se determinan asignando cada una de las coordenadas del eje “X” en la ecuación de la parábola ("p" es la distancia focal). Los resultados se copian en una tabla:

Para trazar completamente la parábola, en el molde se grafican los mismos valores del eje “X” para ambos sentidos (“X” de signos positivos y negativos).

PARA CULMINAR

Las imágenes y artículos que he escrito son de libre uso, eventualmente son modificados y la última actualización siempre estará disponible para descargar desde www.qrz.com (YY5RM en el buscador), o directamente desde https://www.qrz.com/db/YY5RM