LA RADIO, Parte III: ANTENAS

1-QUÉ ES

Las antenas y los sistemas de antenas son transductores entre los equipos (transmisores y radios) y el medio circundante.

Si el equipo es un transmisor de radio (es decir, un emisor de ondas de radio), la antena es un transductor que convierte ondas de corriente eléctrica en ondas de radiación electromagnética que se propagan en el espacio. Simbólicamente,

Emisión del Transmisor: Corriente eléctrica en la antena → Onda (radiación)

Ambas, las ondas de corrientes eléctricas de entrada en la antena y las ondas de radiación de salida en la antena, son ondas de radiofrecuencia (RF) moduladas por la señal audiofrecuencia (AF)

Por el contrario, si el equipo es una radio (i.e., un receptor de ondas de radio), la antena es un transductor que convierte ondas de radiación electromagnética en ondas de voltaje de RF moduladas por la señal AF:

Captación en la Radio: Onda (radiación) sobre la antena → Voltaje en la antena



2-PARA QUÉ SIRVE

Las antenas y los sistemas de antenas de los transmisores y de las radios son estructuras diseñadas respectivamente para radiar o para recibir eficazmente la energía e información de las ondas de radio.



3-DE QUÉ ESTÁ HECHO

Lo que sigue se refiere al caso de las antenas de la radio, es decir antenas receptoras y para radiodifusión.

(1) El material

En las piezas (alambres, cables, barras) de las antenas circulan corrientes de alta frecuencia. Por lo tanto, para que no existan considerables pérdidas por disipación Joule, es necesario que el material sea buen conductor eléctrico. Pero cuando se trata de alta frecuencia, ser buen conductor tiene otra ventaja: la onda casi no penetra en el metal, sino que se desvanece en un pequeñísimo espesor (como se explica en la sección siguiente). Esta es una de las importantes razones por las que en la fabricación de antenas relativamente grandes se utilizan tubos y que sean de aluminio.

Mejor conductor que el aluminio es el oro, y mejor aún el cobre (σ ≈ 5.80×10⁷S/m). Pero el oro es demasiado caro y el cobre además de ser relativamente caro, también es demasiado denso (δ ≈ 8.94g/cm³). El aluminio es muy maleable, posee suficiente resistencia máxima a la tracción ("tensile strength", σ_TS > 90MPa) y una extremadamente baja densidad (δ ≈ 2.71g/cm³). Por lo tanto tiene muy buena resistencia específica (≡ σ_TS/δ). Su superficie se oxida rápidamente con un óxido que protege al material de una oxidación posterior (a diferencia de lo que ocurre con el hierro, que continúa oxidándose). Y además, como se dijo antes, por ser muy buen conductor eléctrico (con conductividad eléctrica σ ≈ 3.54×10⁷S/m, un 61% de la conductividad del cobre), la "profundidad de penetración" δ_skin de ondas de alta frecuencia es menor. Por lo tanto, es suficiente que los electrodos de las antenas sean cañitos con paredes de poco espesor (en vez de ser barras macizas).

En el caso de las antenas "telescópicas" que se observan en las radios de FM, también se usan tubos, pero en vez de aluminio, para estos tubos concéntricos se utiliza algún tipo de latón (que es básicamente una aleación de cobre con aproximadamente un 30% de zinc) o de bronce (cobre con un 10% de estaño), que son mecánicamente más resistentes, aunque más densos. Para que también sean químicamente resistentes (a la corrosión), suelen tener la superficie "niquelada", lo que hace que también sean más caros. Pero su mayor peso y costo, no es un problema en las antenas pequeñas de las radios portátiles.


(2) Los tamaños y tipos

Desde el punto de vista de la eficiencia de la antena de la radio, lo importante es detectar la onda portadora con la mayor selectividad y amplitud. El tipo, forma, tamaño y orientación que debe tener la antena receptora, dependen de la frecuencia f de la portadora (RF), de la distancia y ubicación del receptor (respecto del emisor), y de la intensidad de la señal de voltaje V_ant producida por la onda portadora, que se desea tener en el receptor.

Se puede decir que en los receptores de radiodifusión hay 3 clases típicas de antenas, según el rango de frecuencia de la onda portadora:

(a) Frecuencia Media (Onda Media, MW):
dentro de la cual se utiliza la sub-banda de 530-1710 kHz en AM.

Antiguamente muchas radios también utilizaban la sub-banda de 148-284 kHz (dentro de la banda de Baja Frecuencia (Onda Larga, LW) en AM, pero en la actualidad, prácticamente ha quedado solo la banda de MW.

(b) Alta Frecuencia (Onda Corta, SW):
Las radios de Onda Corta tienen sub-bandas (SW1, SW2, SW3, ...) cuyas ondas portadoras tienen frecuencias dentro del rango 4-22 MHz (dentro de las SW), también en AM.

(c) Muy Alta Frecuencia (VHF), en Frecuencia Modulada (FM):
Para alta fidelidad de sonido, hay receptores que captan ondas de FM en el rango 76-108 MHz (dentro de las VHF).

En general, cuando se ve una radio funcionando, los 3 tipos de receptores, de LW/MW, de SW y de FM, se distinguen externamente entre sí por el tipo y tamaño de antena que se esté usando. Pero la antena no es diferente por ser AM o FM. Si bien es cierto que la antena para FM es diferente de la antena usada en AM, hay que aclarar que la razón no es el tipo de modulación, sino la frecuencia mucho mayor de la onda portadora con la que opera la FM.

Fig. 1: Esquema del tipo de antena para cada grupo de banda.


Los aparatos portátiles de MW tienen una antena interior (que no se vé desde fuera), y por eso es común ver a la gente girar la radio (sin antena exterior) hasta encontrar una mejor recepción. La antena está formada por un conjunto de 2 ó 3 bobinas magnéticamente acopladas y enrolladas sobre una barra de ferrita (material cerámico ferrimagnético), que se encuentra fija en el interior del aparato. Esta antena receptora forma un "circuito resonante LC" entre el bobinado secundario y un condensador variable, que hace posible la mejor captación de la energía de esa onda, correspondiente a la emisora sintonizada.

Los aparatos AM/FM para la FM tienen una antena exterior, inclinable, giratoria y "telescópica" (de unos 10 cm estirable hasta unos 60 cm). Mover esta antena no sirve en MW porque no está conectada a ese circuito. Pero para FM sí hay que estirarla, inclinarla y orientarla.

En el caso de los receptores que también incluyen SW, la parte visible y exterior de la antena de Onda Corta suele ser un alambre de 1 m ó más, colocado en un cuadro, o bien, suelto y que hay que extender y colgar de forma conveniente en algún sitio.
Los aparatos de SW que también tienen FM (ver aparato de la Figura), usan una misma antena telescópica en común para FM y para SW, pero cuando se usa para Onda Corta, hay que colocarla en posición vertical (perpendicular al suelo), ya que la onda que llega a la radio, viene desde una reflexión en la ionosfera.

Fig. 2: Receptor Sony ICF-SW30, con antena telescópica para FM y SW.


Para mejorar la recepción de las sub-bandas de SW (que es el caso en el cual es común que se desee sintonizar una señal muy débil), hay accesorios pasivos (sin amplificador) y activos (con amplificador):

"Extensiones de antena": son dispositivos pasivos formados por un alambre largo enrollado, que hay que conectar a la antena telescópica de FM por medio de algún "clip" o pinza. Esto es un accesorio opcional para radios como la Sony ICF-SW30, pero viene incluído en algunos receptores más completos (como el ICF-SW7600).

"Antenas activas": son dispositivos que poseen una antena y un circuito amplificador de RF, para que la onda de SW llegue amplificada a la radio.

Hay que observar que dentro del conjunto de bandas LW/MW, SW y FM, mientras menor sea la frecuencia f, mayor debe ser la capacidad de la antena para transformar la energía de la onda en un voltaje. Y por eso es justamente, que las de menor frecuencia (LW/MW) son las que tienen un circuito resonante con núcleo de ferrita en las bobinas de antena; y por el contrario, las de mayor frecuencia (que son las de FM), tienen la antena más simple y de menor tamaño.

El mayor tamaño que a veces tienen las antenas de SW no se debe a la alta frecuencia, sino a que las ondas que debe captar el receptor son más débiles. Y por el contrario, el menor tamaño que tienen las antenas de ferrita para LW/MW, se debe a una razón práctica, ya que deben estar en el interior del receptor para que éste sea portátil.


(3) El cable

Otro tipo de elemento que es muy importante para todos los transmisores, y para algunos receptores (como los de TV y algunas radios de SW), son los cables conectados entre la antena y el receptor. Estos elementos son líneas de transmisión formadas por dos conductores separados con un material dieléctrico, que se utilizan para la transmisión "eficiente" de potencia e información de punto a punto (en este caso, entre el aparato y la antena).

En general, el modelo para entender el comportamiento de las líneas de transmisión está caracterizado por 4 "parámetros distribuidos" por unidad de longitud Δz:

Dos parámetros distribuidos en serie a lo largo de la línea:

(a) Resistencia R (que se mide en ohm por metro, Ω/m) y
(b) Autoinductancia L (en henry por metro, H/m),

y dos parámetros distribuidos en paralelo a lo largo de la línea:

(c) Conductancia G (en siemens por metro, S/m) y
(d) Capacidad C (en farad por metro, F/m).

Fig. 3: Modelo de alta frecuencia de una línea de transmisión, y esquema de 3 tipos importantes: placas paralelas, alambres paralelos y coaxial.

Si el material de los 2 conductores es de conductividad eléctrica σ, y están separados con dieléctrico de permitividad eléctrica ε y permeabilidad magnética μ, el especialista determina R a partir de la pérdida de potencia en los conductores, y utiliza las siguientes relaciones de diseño válidas para este modelo:

(a) G/C = σ/ε
(b) LC = με.

Un factor importante para evaluar la calidad de una línea de transmisión es la distorsión o dispersión de la señal original. La señal tiene distorsión cuando las diferentes componentes en frecuencia (de Fourier) de una señal se propagan por la línea con velocidades distintas.

El otro factor que determina la calidad de una línea de transmisión, es la atenuación de la señal que ésta produce.

La "eficiencia" o calidad de las líneas de transmisión está caracterizada por tener mínima distorsión y mínima atenuación. Se puede ver que:

(i) En una línea de transmisión R/L = G/C ⇔ es un línea sin distorsión.

(ii) En una línea de transmisión R = 0 Ω/m y G = 0 S/m ⇔ es un línea sin pérdidas.

(iii) Una línea sin pérdidas, no tiene distorsión, pero una línea sin distorsión, sí puede tener pérdidas. Matemáticamente,

R = 0 Ω/m y G = 0 S/m (sin pérdidas) ⇒ R/L = G/C (sin distorsión)

pero la recíproca no es necesariamente cierta.

La velocidad de propagación de una onda en una línea de transmisión sin pérdidas (y por lo tanto también en una línea sin distorsión), es igual a la velocidad de propagación de una onda plana no guiada. En el vacío (o en el aire), esta velocidad es:

c ≡ (ε₀μ₀)^-1/2 ≡ 2.997 924 58 × 10⁸ m/s (velocidad de la luz en el vacío)

donde ε₀ = 8.854 187 817... × 10^-12 F/m y μ₀ = 4π 10^-7 Tm/A son respectivamente las constantes eléctrica y magnética universales. Y si el medio es dieléctrico, la velocidad de propagación es:

v_n = (με)^-1/2 = c/n

donde n es el índice de refracción del material dieléctrico (relativo al aire y para una dada longitud de onda λ).

Físicamente, una línea de transmisión en general se puede considerar como uniforme, con 2 conductores casi perfectos en paralelo, muy largos, y cuya distancia de separación es pequeña en comparación con la longitud de onda de la señal que se propaga. Los casos importantes para los equipos de radiodifusión, son los siguientes 3 tipos de líneas de transmisión:
(a) Placas paralelas, de conductores separados por un dieléctrico de espesor uniforme, utilizados en microondas. Algunos son micrométricos o aún menores, denominados "microstrips" (microtiras);
(b) Alambres paralelos, separados una distancia uniforme, pero torcidos con una determinada cantidad de vueltas por metro; Este tipo es muy utilizado para conectar los aparatos de TV a la antena receptora. Tienen una impedancia característica de 300-1000 Ω. Y finalmente el
(c) Coaxial, donde un conductor es concéntrico a otro, separados por un medio dieléctrico. Esta estructura confina completamente los campos electromagnéticos en el dieléctrico, de modo que es bastante inmune a las interferencias externas (que provocarían distorsión en la señal). Tienen una impedancia característica de 50-100 Ω.

El cable de antena adecuado para una dada aplicación (equipo, antena y medio entre ellos), es el tipo para el que la disminución de calidad (debida a distorsión y pérdidas) sea mínima. Es importante destacar que esta disminución de calidad no se produce solamente por la calidad de los cables en sí mismos (los que suelen ser de buena calidad), sino principalmente por "desadaptación de impedancias" entre equipo y antena, con el cable.

Para explicar bien todo esto, habría que dar más detalles y entrar demasiado en el terreno del especialista. Lo que se ha comentado hasta aquí es para enfatizar que los cables de antena no son simples "cables de electricidad" (par de conductores), sino que son líneas de transmisión.

Si no se dispone del "cable de alimentación", en principio se podría conectar un aparato a la red eléctrica usando en su lugar un cable de antena, porque en ese caso se estarían usando solamente los "dos conductores" del cable de antena (sin importar su forma, ni su separación, ni el tipo de dieléctrico que los separa). Si los conductores tienen suficiente espesor, en general, se puede hacer y funcionaría todo bien (Pero esto es muy peligroso y NO debe hacerse NUNCA).

Pero al revés no se puede: no sirve reemplazar por cualquier "par de conductores" un cable de antena. Este cable además de ser un par de conductores, está diseñado para guiar ondas de radio de un rango específico de frecuencias, desde un punto a otro, y entre un tipo específico de aparato y de antena, con mínimas distorsión y pérdidas. Para una dada aplicación, es solo uno el tipo recomendado de cable.

En general, el cable de antena ni siquiera se puede intercambiar con otro tipo distinto de cable de antena, sin que haya pérdida de calidad en la señal. Para intercambiarlos, hay que usar un dispositivo transformador denominado "adaptador de impedancia".



4-CÓMO FUNCIONA

En esta sección se explica cómo se emite una onda en la antena del transmisor y cómo se capta en la antena de la radio, con unos pocos comentarios en cuanto a la propagación y reflexiones que ocurren entre ambas antenas.

(1) Radiación (Emisión de las Ondas de Radio)

Dentro del transmisor, la onda eléctrica de frecuencia f se amplifica y aplica al circuito de salida de radiofrecuencia (RF). Esta onda se aplica al bobinado primario del transformador de salida de RF. Los terminales de la antena se encuentran conectados a la bobina secundaria de este transformador. Los terminales y elementos de la antena, para corriente continua (DC) o para baja frecuencia, están eléctricamente separados (como en "circuito abierto"), pero para las RF no. Para la alta frecuencia (donde la reactancia capacitiva es menor), la bobina del secundario junto con la antena, forman bucles o lazos invisiblemente cerrados a través de las capacidades distribuidas.

(Esto también sucede en el transformador de alto voltaje de la esfera de plasma, donde se cierran lazos con el bobinado secundario debido a la alta frecuencia. Pero en este caso, el sistema está adaptado para ionizar una mezcla de gases, y no para irradiar una onda electromagnética).

Por lo tanto, las oscilaciones del voltaje en la antena del emisor, hacen que haya dos tipos de fenómenos ondulatorios:
(a) oscilaciones de los electrones libres en el material conductor de la antena, es decir, superposición de corrientes de transporte AC con frecuencia f, y
(b) oscilaciones del campo eléctrico en las proximidades del espacio entre de los elementos (o barras) que forman la estructura de la antena ("dentro" de las capacidades invisibles), es decir, superposición de "corrientes de desplazamiento" (de Maxwell) AC con frecuencia f. Esta corriente no es "de transporte" formada por cargas libres, sino que es equivalente a una corriente formada por variación de campo eléctrico E.

Estas variaciones en las fuentes (densidades de carga ρ y corrientes J) y variaciones de campos eléctricos E y D, están relacionadas con variaciones de campos magnéticos B y H a través de las Ecuaciones de Maxwell. Entonces, a partir de la aceleración de las cargas y de las variaciones de campo eléctrico en la antena emisora, se irradia y propaga una onda electromagnética (onda de radio en este caso), tal como lo predice la Teoría Electromagnética.

Como las capacidades están distribuidas entre los elementos de la estructura de la antena, la corriente en general no es uniforme en la misma. Por lo tanto, ninguna antena física produce radiación de manera uniforme en todas las direcciones del espacio. Es un problema tridimensional que se estudia en ciertos planos. La gráfica que describe la intensidad del campo lejano en función de la dirección a una distancia fija de una antena se denomina "diagrama (de radiación) de la antena". Hay diferentes diagramas con un plano constante para representar la intensidad en dos dimensiones.

Para ver la emisión y propagación a través de los cálculos, primero se considera una perturbación electromagnética dada por un impulso de corriente en la antena. Se plantean las Ecuaciones de Maxwell, escribiendo el campo eléctrico E (en V/m) como "menos el gradiente del potencial eléctrico V y menos la derivada parcial del potencial vector A", y el campo magnético B (en tesla) como el "rotacional del potencial vector A", es decir,

E ≡ -∇V - ∂A/∂t

B ≡ ∇×A

junto con el "gauge" de Lorentz, condiciones de frontera y demás detalles físicos y matemáticos conocidos por el especialista.

Resumiendo los resultados, se puede decir que V y A verifican las ecuaciones de onda escalar y vectorial respectivamente. De las ecuaciones se ve que "cerca" de la antena se producen cambios de V y cambios de A que se propagan "lejos", a todo el espacio, como ondas progresivas (Los términos "cerca" y "lejos" son relativos a la longitud de onda λ de la RF).

Este fenómeno es esencialmente dinámico y se denomina "radiación", donde E está determinado por las variaciones de B, y éste a su vez, está determinado por las variaciones de E. No se pueden separar. Las variaciones de un campo conllevan las variaciones del otro, ya que, como muestran las ecuaciones fundamentales, los campos electromagnéticos y sus variaciones están acoplados entre sí.

La solución de las ecuaciones de onda son las componentes del campo electromagnético, formadas por términos potenciales r ^-n que decaen con las 3 primeras potencias (n = 1, 2, 3) de la distancia r a la antena. En estas expresiones se puede hacer una separación ficticia pero muy instructiva, que consiste en considerar a las componentes del campo como suma de dos grupos de términos.

Muy cerca de la antena, dominan los términos con las potencias r ^-2 y r ^-3. Ese campo (donde se han despreciado los términos con r ^-1 frente a los otros dos), rodea la estructura de la antena, se desvanece lejos de ella y se denomina "campo de inducción".

Por otro lado, lejos de la antena "sobreviven" solo los términos que decaen como r ^-1, y forman la onda que se aleja, por lo que se le denomina "campo de radiación". Éste es el que se propaga hacia fuera, transportando la energía electromagnética, y alejándose del circuito donde se generó.

Un análisis de estas componentes muestra que el campo de radiación no se origina directamente de las "fuentes" (corrientes y cargas) en la antena, sino que:

que rodea a la antena. Hay que enfatizar que la antena del transmisor está radiando, porque entre sus elementos hay cargas eléctricas libres oscilando a la frecuencia f de la onda eléctrica aplicada. Pero para que esto suceda:

(a) el material de la antena debe ser conductor (al menos superficialmente), y
(b) la f de la onda debe ser alta. La alta frecuencia hace que las reactancias entre las capacidades distribuidas sean bajas, y por eso se pueden establecer lazos invisibles de corrientes oscilantes entre las barras de los electrodos, o entre un electrodo y el otro electrodo conectado a tierra.


(2) Propagación

El transporte de energía electromagnética entre antenas, se realiza como se explicó en la parte "4-Cómo Funciona" de Ondas electromagnéticas (Ecuaciones de Maxwell).


(3) Reflexión de las LW en la tierra

Antes de llegar a la antena del receptor, la onda de radio puede sufrir una reflexión en la tierra, ya que el suelo se comporta como un "plano conductor" con cierta resistividad eléctrica y constante dieléctrica. Entonces, a una antena receptora pueden llegar dos ondas, una onda directa y otra onda reflejada en tierra, que puede ser ventajosa ("interferencia constructiva") o desventajosa ("interferencia destructiva").

Conociendo los parámetros de distintos suelos, se puede estimar la máxima frecuencia para la cual el suelo refleja las ondas como un buen conductor. Por ejemplo, el agua de mar refleja hasta unos 90MHz, la tierra húmeda hasta 1MHz, y el suelo húmedo arenoso hasta unos 200kHz. Estos valores muestran porqué este fenómeno se aplicó con la banda de 148-284kHz de radiodifusión en Ondas Largas (LW, 30-300kHz).

Las antenas de transmisores de frecuencias más bajas, suelen ser verticales y aprovechan la presencia de tierra para doblar su "longitud efectiva". Las antenas de alta frecuencia por otra parte, son comúnmente "dipolos" horizontales a alguna distancia de tierra. Si alguna de las antenas está muy baja, podrían llegar en oposición de fase y no se recibiría ninguna señal. Por el contrario, si son lo suficientemente altas, la señal podría casi duplicar su intensidad. Por eso, prácticamente no es deseable tener antenas horizontales demasiado bajas. Para aumentar la altura efectiva de la antena, en las "antenas de tope chato" o extremo plano, se aumenta su capacidad en la parte superior, colocando una superficie conductora. Esta placa aumenta la corriente de desplazamiento eléctrico. Esto sirve para multiplicar casi 4 veces la energía emitida por la antena.


(4) Reflexión de las SW en la Ionosfera

El rango de frecuencias de ondas electromagnéticas que sufren reflexión total en la "Ionosfera" (capas de aire con unos 10¹⁰-10¹² electrones libres/m³, ubicadas entre 50 y 1000 km sobre la superficie terrestre) es aproximadamente 3-30 MHz en la noche y 3-40 MHz en el día.

Por lo tanto, en el caso de transmisiones entre puntos muy distantes, se utiliza Onda Corta (SW, 3-30MHz) con reflexiones en la Ionosfera.


(5) Recepción de la Onda de Radio en la Antena

La onda electromagnética que se dirige hacia el receptor, posee un campo magnético B variable, asociado a un campo eléctrico E. Este campo eléctrico tiende a producir corrientes cuyo campo magnético se opondría al B de la onda (Ley de inducción electromagnética de Faraday-Lenz). Cuando la onda está lejos de algún conductor, el E no tiene electrones libres próximos para acelerar, por lo tanto no aparece ningún campo magnético inducido que pudiera debilitar a la onda.

Y de este modo, la onda continúa propagándose en el espacio libre, casi sin atenuación.

Pero cuando la onda de radio ya se ha acercado lo suficiente al conductor de la antena, se inducen corrientes en el metal, y en la antena suceden dos cosas:

(a) Por un lado, los campos muy próximos, justo sobre la superficie de la antena, sufren una distorsión y debilitamiento debido a las "corrientes de apantallamiento" inducidas por la onda sobre el conductor (denominadas "corrientes parásitas", "Eddy Currents" en inglés). La onda electromagnética de frecuencia f penetra en el material de conductividad eléctrica σ de la antena, su campo eléctrico produce una corriente en el metal, y estas corrientes producen un campo magnético que se opone al de la onda, debilitándolo más y más, a medida que penetra en el metal de la antena. Por lo tanto las intensidades de todos los campos (incidentes y de apantallamiento) disminuyen hasta "desvanescerse" total y simultáneamente, con el factor e ^-z/δ_skin, donde z es la profundidad desde la superficie del material por donde llega la onda, y δ_skin es una longitud característica denominada "profundidad de penetración" dada por:

δ_skin ≈ (πfμ₀σ)^-1/2

A una profundidad de z = δ_skin este desvanecimiento corresponde aproximadamente al 37% (e^-1 = 0.367879...) del valor máximo, y los campos prácticamente han desaparecido bajo una profundidad superior a 5δ_skin, donde la intensidad ya es menor que el 1% (e^-5 = 0.0067379...). Cuando el material tiene mayor conductividad eléctrica σ, y también para ondas con frecuencias f mayores, el apantallamiento será más intenso y la profundidad de penetración menor.

Fig. 8: Efecto pelicular y profundidad de penetración.


Debido a este curioso fenómeno denominado "efecto pelicular" ("skin effect") por el cual las ondas electromagnéticas de alta frecuencia penetran en el metal de la antena solo un pequeñísimo espesor (del orden de unos 5δ_skin), las antenas pueden ser "tubos" delgados más livianos y económicos (en vez de barras macizas). Esta es una de las importantes razones por las que se utilizan tubos de aluminio en la fabricación de antenas.

Pero en el proceso de captación de la onda hay algo más:

(b) Las corrientes de apantallamiento inducidas en la superficie del metal de la estructura de las antenas, circulan en lazos formados por las barras conductoras y las capacidades "invisibles" entre barras próximas. Estas corrientes producen caídas de potencial sobre los elementos de la antena, y estas caídas constituyen una fuerza electromotriz neta V_ant entre los terminales eléctricos, que se puede amplificar y detectar. Ese voltaje es el resultado final de la captación, es decir, la interacción entre la onda electromagnética y la antena receptora.

En relación a este voltaje V_ant que produce la onda de radiación en los terminales de la antena, hay 2 detalles muy importantes. Por un lado

(i) las dimensiones de los elementos de la antena no son arbitrarios, sino que tienen una relación bien definida con la longitud de onda λ de la onda portadora que se desea detectar. Por eso, cada antena es eficiente solo para un dado rango de frecuencias f=c/λ de estaciones de radio. Y por otro lado,

(ii) sobre la antena hay una superposición de voltajes V_ant(f), cada uno debido a la onda de radio de una estación emisora de radiodifusión con portadora f. La selección de la emisora deseada, se realiza posteriormente, mediante un circuito resonante en la entrada, como se explica en la Parte IV: "Radio Galena" (Circuito Resonante; Detector de AM), y variando la frecuencia de un oscilador local, como se explica en la Parte V: Receptor "Superheterodino".

Finalmente, vamos a mencionar que las antenas receptoras para señales débiles (como es el caso de las Ondas Cortas, SW), deben ser transductores más eficientes, para que los voltajes V_ant sean lo suficientemente grandes. Estas antenas se pueden dividir en 3 grupos:

(a) Conductor recto vertical aislado de tierra; La longitud efectiva de una antena corta y recta es la mitad de la longitud real L_ant, y el voltaje inducido V_ant es el valor de la proyección del campo eléctrico E en la longitud efectiva de la antena, es decir V_ant es proporcional al producto EL_ant/2. Para aumentar la corriente en la antena, se agrega una inductancia (que forma un circuito resonante LC). El punto óptimo de trabajo de la antena se obtiene en la resonancia, es decir, es una "antena sintonizada".

A este tipo pertenecen las antenas telescópicas de las modernas radios portátiles de onda corta.

(b) Conductor recto vertical, con un extremo conectado a tierra; Este tipo de antena funciona de modo similar a la anterior, pero con la mitad de la longitud. El valor efectivo de V_ant a menudo se aumenta colocando conductores en paralelo en el extremo superior, para disminuir la impedancia capacitiva de la antena a tierra.

(c) Antena de cuadro; Son bobinas delgadas de N_ant espiras con superficie S_ant, donde el voltaje neto V_ant inducido por la onda es proporcional a N_antS_ant. La constante de proporcionalidad cambia con la orientación de la antena en relación a la dirección de la onda incidente, y es máxima cuando la antena está bien orientada. En estas antenas, la mejor captación se produce con el plano del cuadro paralelo a E y a la dirección de propagación, k (o sea, perpendicular a B).



5-MISCELÁNEAS

Cómo comenzó el estudio de las ondas electromagnéticas sin conocer las antenas?

Esto se puede responder observando los siguientes 5 hitos históricos:

1-La teoría de Maxwell (1865):
Cuando el físico teórico y matemático escocés James Clerk Maxwell (1831-1879) predijo en 1865 la existencia de las ondas electromagnéticas (incluyendo la luz), nadie sabía cómo hacer experimentos generando ondas electromagnéticas (con excepción de la luz visible), y menos aún se sabía cómo captarlas !

Maxwell no estuvo involucrado en la invención de las antenas ni en experimentos con ondas electromagnéticas en general. Nadie experimentó hasta más de 20 años después, ya que su teoría fue muy avanzada para la época.

2-Los experimentos de Hertz (1888):
El primer paso en la captación experimental de ondas electromagnéticas fue dado por el físico teórico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894). Él fue el primero en experimentar y captar ondas electromagnéticas. Publicó su genial trabajo pionero en 1888 (9 años después de la muerte de Maxwell), demostrando las propiedades ondulatorias y de la Óptica de las ondas electromagnéticas, predichas 23 años antes, cuando nadie sabía cómo captar ni trabajar con ellas. Hertz generó ondas de RF (VHF, UHF) mediante chispas, con una "antena emisora" formada por el par de electrodos entre los que "saltaban" estas chispas. Como "antena receptora" utilizó un aro conductor con una pequeña abertura, por donde saltaba una chispa más o menos intensa, según se encontrara captando o no los máximos de ondas.

3-El "coherer" de Branly (1890):
En 1850 (15 años antes de la teoría de Maxwell), Pierre Guitard había mostrado que en el aire electrizado, las partículas de polvo tendían a adherirse entre sí y formar hilos. Basado en este fenómeno, en 1884-6 (más de 2 años antes que los experimentos de Hertz !!), el físico e inventor italiano Temistocle Calzecchi Onesti (1853-1922) mostró experimentos donde partículas muy finas de hierro dentro de un tubo aislante, conducían una corriente eléctrica cuando se alineaban de algún modo bajo la acción de una onda electromagnética. En 1890 (2 años después de los experimentos de Hertz), el inventor y físico francés Édouard Eugène Désiré Branly (1844-1940), basándose en los trabajos de Calzecchi Onesti, inventó la primera versión del dispositivo hasta hoy denominado "coherer", que es algo así como una cápsula de vidrio con 2 electrodos, donde partículas metálicas en su interior se disponen "coherentemente" para permitir la conducción eléctrica, cuando se expone a una onda electromagnética (mostrando de ese modo haber captado la onda).

Diferentes versiones del coherer fueron el tipo de dispositivos que se usaron durante poco más de una década, como captadores de la presencia de ondas electromagnéticas, tanto en la práctica de la "telegrafía sin alambres" ("wireless telegraphy") que se desarrollaría a partir del 1901, como también en los experimentos de investigación.

Dada la importancia de la telegrafía sin alambres, en esta época la emisión y captación de ondas electromagnéticas ya no se estaba estudiando solamente desde el punto de vista físico, sino que además se estudiaban como un nuevo y revolucionario medio de comunicación. Dentro de las personas interesadas ya no se encontraban solo físicos, sino también ingenieros eléctricos e inventores.

En 1891 el ingeniero electromecánico y gran inventor de origen serbio Nikola Tesla (1856-1943) que había llegado a U.S.A. 7 años antes, propuso y patentó la transmisión de energía eléctrica sin alambres (tremendamente adelantado para su época !!). Luego mostró en una exposición (1893) un sistema de alumbrado público sin alambres (Pero en cuanto a la telegrafía sin alambres, su primera patente no sería presentada hasta 1897).

4-La publicación de los experimentos de Lodge (1894):
El siguiente paso en la detección de ondas electromagnéticas, fue dado por el físico y escritor británico Oliver Joseph Lodge (1851-1940), quien en 1894 (año en el que murió Hertz), dió detalles en la revista "The Electrician", de sus experimentos públicos sobre telegrafía sin alambres.

Lodge inventó y utilizó una versión mejorada del coherer de Branly, al cual le agregó el "decoherer", para volver a desalinear las partículas haciendo que vuelva a ser sensible, y pueda captar la próxima onda.

En 1894 (o 1895) el físico, biólogo, botánico, arqueólogo y escritor de ciencia ficción bengalí Jagadish Chandra Bose (1858-1937) realizó públicamente experimentos asombrosos y pioneros usando microondas. En 1899 Bose presentó en la London Royal Society el desarrollo de un coherer con limaduras de hierro y mercurio ("iron-mercury-iron coherer with telephone detector"), que patentó en U.S.A. en el año 1904.

Este nuevo tipo de coherers fueron denominados de unión imperfecta, para distinguirlos de los coherers del tipo de limaduras de hierro (de Branly). En general tienen un electrodo en mercurio cubierto por una película de aceite aislante, y alguna pieza flotante conectada al otro electrodo. Tenían la ventaja de no requerir un sistema de decohering, ya que la tensión producida por el aceite, restituía la posición del electrodo flotante, tornando nuevamente al coherer en no-conductor.

En 1894 el físico ruso Alexander Stepanovich Popov (1859-1906) construyó un receptor de radio usando un coherer, y el 7 de Mayo de 1895 presentó en la Sociedad de Física y Química soviética un aparato mejorado para detectar rayos (Por eso cada 7 de Mayo en Rusia se celebra el "Día de La Radio").

Pero a pesar de todos estos avances importantes, nadie sabía cómo aumentar considerablemente el alcance de las ondas hertzianas.

La relevancia del trabajo de Lodge no fue solo mejorar el coherer de Branly, sino la tremenda motivación que produjo en todo el mundo la publicación de su artículo difundiendo experimentos fantásticos que parecían ser relativamente fáciles de repetir. Esto motivó, en particular, al inventor italiano Marchese Guglielmo Marconi (1874-1937), quien fue el que finalmente resolvió cuál era el problema que limitaba el alcance.

5-Marconi descubre la importancia de la antena (1895):
El físico italiano Augusto Righi de la Università di Bologna (fundada en el año 1088, probablemente la más antigua universidad que ha existido sin interrupción), había investigado el trabajo experimental de Hertz, y estaba suscrito a The Electrician. Righi periódicamente le enseñaba física a su vecino, Marconi. Cuando Lodge publicó su trabajo, Righi y Marconi tuvieron en sus manos todos los detalles para reproducir experimentos de telegrafía inalámbrica. Finalmente, con el objetivo de lograr un sistema práctico (es decir, de gran alcance), Marconi armó su propio laboratorio donde vivía, en Villa Griffone, Pontecchio, Italia (donde ahora existe el Museo Marconi, en su honor).

Marconi usó casi lo mismo que sus antecesores: un generador de chispas con la llave para emitir los puntos y rayas del código Morse, y un coherer conectado a dos alambres, con un electroimán y auriculares. Pero cuando sacó el equipo para realizar los experimentos fuera de su casa, hizo 3 cosas de un modo diferente:
(a) usó cables más largos,
(b) los puso en posición vertical, y
(c) puso un alambre del coherer conectado a “tierra”.

Con estos 3 cambios aumentó significativamente el alcance y pronto logró superar cerros y alcanzar casi 2 km. Inmediatamente Marconi se dio cuenta de la importancia comercial y estratégica de su trabajo, y que sus posibilidades en Italia eran limitadas. Como hablaba inglés con fluidez, en 1896 (cuando tenía 21 años) emigró a Inglaterra con su madre. Desde entonces comenzó el desarrollo y estudio de las antenas, fenomenológicamente al principio, y usando la teoría de Maxwell después.

Un comentario más:
es sorprendente que en la actualidad, más de 115 años desde que Marconi descubriera la importancia de las antenas, no se conozca con exactitud el mecanismo de funcionamiento del coherer, en el que bajo la presencia de una onda de RF, habría una corriente eléctrica entre las partículas a través de un efecto cuántico: el efecto túnel.



REFERENCIAS

(1) Skilling H H 1955 Fundamentals of Electric Waves, 2nd. Edition (John Wiley & Sons, N.Y.)
5ta. Ed. en Castellano: 1972 Los Fundamentos de las Ondas Eléctricas (Librería Del Colegio, Bs.As.)

(2) Cheng D K 1993 Fundamentals of Engineering Electromagnetics (Addison-Wesley, N.Y.)
En Castellano: 1997 Fundamentos de Electromagnetismo para Ingeniería (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington)

(3) Collin Robert E 1985 Antennas and Radiowave Propagation; International Student Edition (New York: McGraw-Hill)

(4) McWhorter G and Evans A J 1994 Basic Electronics: Electronic Devices and Circuits, How They Work and How They Are Used (Richardson: Master) Radio Shack 62-1394



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Giordano J L 2010 Cómo funcionan las cosas: Antenas . Disponible en www.profisica.cl