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Curso Básico de Electrónica - Lección 9 – Ondas Electromagnéticas (CUR009S)

Las ondas de radio u ondas electromagnéticas se utilizan de forma muy amplia en la electrónica moderna, principalmente en equipos de telecomunicaciones. La mayoría de los dispositivos electrónicos que operan "sin cables" hace uso de ondas electromagnéticas u ondas de radio, como también son conocidas en función de su frecuencia. Incluyen en esta categoría los equipos de telecomunicaciones, control remoto, detección, transmisión de datos y muchos otros. Para entender que su principio de funcionamiento debemos empezar a entender lo que son las ondas de radio.

 

Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas, incluyendo las llamadas ondas de radio, tienen una naturaleza completamente diferente de las ondas sonoras. Estas ondas, se propagan a una velocidad mucho más alta y no necesitan de medio material para propagarse, lo que significa que se puede propagar en el vacío.

Las ondas electromagnéticas son producidas por cargas eléctricas que oscilan o vibran alrededor de una posición determinada, como explicaremos a continuación.

Tomamos para nuestras explicaciones sólo una carga eléctrica como un ejemplo. Ver, sin embargo, que las mismas explicaciones se aplican a una grande cuantidad de cargas móviles, como los que forman una corriente en un cable.

Si tenemos una carga eléctrica en reposo (parada) en su torno formase apenas un campo eléctrico, como se muestra en la figura 232.

 

 

Figura 232 – Una carga eléctrica en reposo crea un campo eléctrico
Figura 232 – Una carga eléctrica en reposo crea un campo eléctrico

 

 

Si esta carga salir de esta posición, moviendo rápidamente a otra posición, las líneas de fuerza del campo eléctrico se contraen y al mismo tiempo aparece un campo magnético cuyas líneas de fuerza envuelven la trayectoria de la carga.

Cuando la carga llega a la nueva posición de reposo en B, las líneas del campo magnético contraen y, al mismo tiempo, expande el campo eléctrico alrededor de la nueva posición de la carga.

Ahora, suponiendo que la carga vuelva a su posición inicial en A, tenemos otra vez la contracción de las líneas de campo eléctrico con la expansión del campo magnético, como se muestra en la figura 233.

 

 

Figura 233 – Una carga eléctrica crea un campo magnético, o el campo tiene orientación depende de la dirección del movimiento
Figura 233 – Una carga eléctrica crea un campo magnético, o el campo tiene orientación depende de la dirección del movimiento

 

 

Si la carga eléctrica oscila rápidamente, pasando de posición A para B en un proceso rítmico, tenemos la producción de una perturbación de origen eléctrica y magnética. Esta perturbación se propaga a través del espacio a una velocidad de 300 000 kilómetros por segundo en forma de una onda.

Decimos que se trata de una onda electromagnética que lleva energía a través del espacio y no necesita soporte material, es decir, puede propagarse en el vacío.

Las ondas electromagnéticas pueden tener frecuencias tan bajas como unos pocos Hertz. Es el caso de las ondas producidas por las cargas que oscilan dentro de los cables de nuestra instalación eléctrica, pero no se propagan grandes distancias por su intensidad, hasta las de mayor frecuencia como las utilizados en la radio (AM y FM), televisión, teléfonos celulares y radar y mismo de alta frecuencia como las que forman la radiación infrarroja, luz visible y luz ultravioleta.

Haciendo con que las cargas van hacia adelante y hacia atrás en conductores de tamaños adecuados, llamados "antenas", tenemos que las ondas electromagnéticas se irradian al espacio con gran eficiencia y hasta en direcciones elegidas.

Podemos utilizar estas ondas para llevar la información, que es la base de las telecomunicaciones modernas de los sistemas que utilizan las ondas de radio.

Estas ondas pueden tener millones o incluso miles de millones de vibraciones por segundo que se mide en megahertz y gigahertz (MHz o GHz). En la figura Tenemos 234 representación del espectro electromagnético, es decir, un gráfico en el que aparecen las principales frecuencias de ondas electromagnéticas y donde se utilizan.

 

Figura 234 - Parte del espectro de ondas electromagnéticas que incluye ondas de radio
Figura 234 - Parte del espectro de ondas electromagnéticas que incluye ondas de radio

 

 

Tenga en cuenta que, por encima de cierto valor, las olas ya se comportan de manera diferente que consiste en una forma de radiación que sentimos como calor y rayos infrarrojos. Y luego, en las frecuencias más altas todavía esta onda puede ser capaz de impresionar a nuestros ojos: es luz visible. Por encima de la luz visible tenemos el ultravioleta, rayos x y rayos gamma.

Las diferentes frecuencias en esta gama se pueden diferenciar por nuestros ojos, dándonos la sensación de colores, el lector en la figura 235.

 

 

 

Figura 235 – El espectro visible
Figura 235 – El espectro visible

 

 

Así, el rojo corresponde a una frecuencia menor que la azul, es decir, la longitud de onda es mayor.

Para medir las longitudes de onda de las ondas electromagnéticas de menor frecuencia utilizan unidades comunes como incluso el cm y el metro. Sin embargo, para las ondas de frecuencia muy alta, como la luz, es común el uso de otras unidades como el nanómetro (nm) que equivale a 10-9 metros y el angstrom (A) que es igual a 10 -8 metros.

De ahora en adelante estudiaremos más las ondas que están en el rango de unos pocos Hz a pocos giga Hertz que corresponden a las ondas de radio.

Se estudian las ondas de frecuencias superiores en óptica y sus ramificaciones, como optoelectrónica e la electrónica transparente.

Fue Maxwell que predijo la existencia de ondas de radio en la formulación de las ecuaciones que demostraron no sólo que la luz consistía en ondas electromagnéticas, pero hubo ondas de todas las posibles en el espectro. Así, por debajo del espectro de luz visible y infrarroja pueden tener ondas con las mismas propiedades.

 

Bandas de Radio

El espectro de frecuencias de radio utilizadas en las telecomunicaciones se divide en bandas, fajas, rangos o gamas. Estas bandas se especifican normalmente por sus siglas, como se muestra en la siguiente tabla.

 

 


 

 

 

Donde:

VLF – Very Low Frequency – frecuencia muy baja

LF- Low Frequency – baja frecuencia

MF- Medium Frequency – media frecuencia

HF – High Frequêncy – alta frecuencia

VHF – Very High Frequency – frecuencia muy alta

UHF – Ultra High Frequency – frecuencia ultra alta

SHF – Super High Frequency – frecuencia super alta

EHF – Extra High Frequência – frecuencia extra alta

 

Características de las ondas de radio

En la misma forma que las ondas sonoras, las ondas de radio tienen características importantes que deben conocer todo profesional. Comenzamos nuestros estudios por las principales características:

 

 

Longitud de onda

Un concepto muy importante en el estudio de las ondas electromagnéticas es la longitud de onda. Volvemos a la carga oscilante para mejor explicar lo que esto significa:

Suponiendo que de un momento determinado la carga se mueva del punto A al punto B, produciendo una perturbación electromagnética que varía en sus dos componentes (eléctricos y magnéticos) entre el máximo y el mínimo y vuelve a la posición inicial, ocurre lo siguiente:

Cuando la carga vuelve hacia el punto A al final del ciclo de oscilación o vibración, la perturbación inicial, producida en el momento exacto cuando comienza el proceso habrá caminaron a través del espacio una cierta distancia, como el lector verá en la figura 236

.

 

Figura 236 - La longitud de onda una onda electromagnética
Figura 236 - La longitud de onda una onda electromagnética

 

 

La distancia recorrida por la perturbación ocurre en un tiempo correspondiente a un ciclo de la onda electromagnética y nos da la longitud de la onda.

Supongamos que una señal electromagnética cuya frecuencia es 100 MHz (100 000 000 Hz ó 100 MHz), como el usado en las transmisiones de FM.

En el ciclo 1, habrá viaja una distancia de:

 

d = 100 000 000 000 000/300

d = 3 metros

 

(El valor fijo 300 000 000 corresponde a la velocidad de propagación de la luz en metros por segundo, de hecho, este valor es aproximado, ya que hay una ligera diferencia cuando las ondas se propagan en el vacío y en medios materiales).

 

Por lo tanto, la longitud de onda de esta señal es de 3 metros.

Vemos que, para esta señal ser captada correctamente por una antena, su dimensión debe estar en el mismo orden que la mitad de la longitud de la onda. Así, una simple antena de FM, estará formada por dos cables como se muestra en la figura 237 y tenga una longitud de 1 metro y medio.

 

 

Figura 237 – Las dimensiones de una antena son dadas por la longitud de onda de la señal que debe ser recibida
Figura 237 – Las dimensiones de una antena son dadas por la longitud de onda de la señal que debe ser recibida

 

 

Esta antena, muy propiamente, se llama un dipolo de media onda y es sintonizada, en el caso de un metro y medio, al centro de la banda de FM, donde tendrá un rendimiento máximo, alrededor de 100 MHz.

El lector notará que las varillas de una antena de TV tienen diferentes longitudes porque se "cortan" para las distintas frecuencias de los canales que deben ajustarse en la banda de VHF o UHF. Esto también ocurre con todos los equipos deben recibir o transmitir ondas de radio. La figura 238 muestra una antena de televisión para diversos canales de frecuencias diferentes.

 

 

Figura 238 - Una antena para varios canales de televisión
Figura 238 - Una antena para varios canales de televisión

 

 

Vea, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda. Esto queda claro cuando miramos a una antena de VHF y una. UHF

Las frecuencias de UHF son más altas, lo que significa que corresponden a longitudes de ondas más pequeñas, y así que sus varillas son más pequeños.

Es por ello, tomando la banda de las ondas utilizadas en radio, tienen el nombre de onda media para frecuencias más bajas y después de la onda corta en las frecuencias más altas.

 

Amplitud

Las ondas electromagnéticas transportan energía. La cantidad de energía que llevan es dada por su intensidad o magnitud. La figura 239 representan dos ondas electromagnéticas de la misma frecuencia, pero de diferentes amplitudes.

 

Figura 239 – Diferentes amplitudes, pero las ondas de la misma frecuencia
Figura 239 – Diferentes amplitudes, pero las ondas de la misma frecuencia

 

 

 

Polarización

Como estudiamos, las ondas están formadas por campos eléctricos y magnéticos que se alternan. Si consideramos una onda que se propaga en cierta dirección, como se muestra en la Figura 240, vemos que los campos eléctricos y magnéticos están avanzando perpendicularmente entre sí.

 

Figura 240 – Los campos eléctricos y magnéticos están avanzando a un pariente a otro
Figura 240 – Los campos eléctricos y magnéticos están avanzando a un pariente a otro

 

 

Así, podemos hablar de polarización como una característica que define la orientación que los campos tienen al se propagar, en particular en relación con el campo eléctrico.

  La polarización es muy importante en aplicaciones prácticas, principalmente con antenas. Las ondas de TV en las bandas de VHF, por ejemplo, son polarizadas horizontalmente. Como el lector puede en figura 241, para recoger convenientemente las ondas las antenas deben tener sus varillas en posición horizontal.

 

 

Figura 241 - las varillas están en la posición determinada por la polarización del campo onda entrante
Figura 241 - las varillas están en la posición determinada por la polarización del campo onda entrante

 

 

Propiedades de las Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas tienen ciertas propiedades que serán importantes para entender su comportamiento bajo ciertas condiciones. El profesional de la electrónica debe conocer estas propiedades, especialmente los que se dedicarán a las telecomunicaciones.

 

Velocidad y Propagación

Las ondas electromagnéticas se propagan en línea recta, en el vacío con una velocidad de aproximadamente 300 000 km/s. Nos medios materiales, dependiendo de su naturaleza la velocidad es menor.

 

Reflexión

Las ondas de radio puedan reflexionar sobre ciertos tipos de obstáculos.

Como las ondas sonoras, las dimensiones de los obstáculos deben ser más grandes que la longitud de onda (longitud) para haber reflexión eficaz. Si la onda es demasiado larga en relación con el objeto ella puede pasar por alto, como se muestra en la figura 242.

 

Figura 242 – Las ondas pasan a través de pequeños obstáculos y reflejaron en grandes obstáculos
Figura 242 – Las ondas pasan a través de pequeños obstáculos y reflejaron en grandes obstáculos

 

 

La reflexión es responsable de muchos fenómenos importantes, algunos de los cuales también son interesantes. Tomemos como ejemplo el caso de ondas emitidas por las estaciones de TV analógica en las bandas VHF.

Bajo ciertas condiciones, cuando hay colinas, edificios y otros obstáculos capaces de reflejar las ondas, la señal emitida por la estación puede llegar a la antena de recepción por dos rutas diferentes, como se muestra en la figura 243.

 

 

Figura 243 – fantasmas se producen por reflexiones de las señales
Figura 243 – Fantasmas se producen por reflexiones de las señales

 

 

La señal reflejada en una colina o un edificio, por tener que recorrer una distancia mayor tendrá un retraso en relación con la onda directa.

Este retraso es interpretado como diversas señales por los circuitos y con eso provocan la aparición de una segunda imagen cambiada de puesto en la pantalla. Este fenómeno se llama "fantasma" y puede resolverse con el uso de una antena que "rechaza" las señales que vienen de ángulo queque ella no precisa recibir.

El uso de una antena direccional o incluso el cambio de su posición en el techo puede ayudar a prevenir la señal reflejada y eliminar el "fantasma".

Una de las ventajas de la TV digital, es que las señales que llevan información pueden "comprobados" a través de algoritmos que evitan la información falsa como las que coinciden con las sombras y otros problemas. Esto significa que la TV digital no presenta el problema de "fantasmas", común a la TV analógica, principalmente en las zonas urbanas.

El radar es un dispositivo usado para detectar aviones y usado también en control del tráfico aéreo que se aprovecha de las reflexiones de las ondas de radio, segundo principio ya estudiado en el caso de sonar.

Un potente transmisor emite ondas que se reflejan en el avión y se toman nuevamente siendo recibidos por la misma antena o en algunos casos por otra, como el lector puede ver en la figura 244.

 

Figura 244 – El radar
Figura 244 – El radar

 

 

Por el tiempo que la señal se retarda para volver y, además de la intensidad con que se refleja, pudimos tener una información precisa sobre la posición del avión, su tamaño y velocidad incluso.

Un "espejo" para las ondas de radio es la capa de la atmósfera, compuesta de partículas cargadas, llamada ionosfera y ubicada en alturas entre 80 y 400 km, como puede verse en la figura 245.

 

Figura 245 – La ionosfera refleja ciertas longitudes de onda
Figura 245 – La ionosfera refleja ciertas longitudes de onda

 

 

Esta capa puede reflejar ondas de radio hasta una frecuencia de aproximadamente 50 megahertz, haciéndoles curvar y reflexionar hacia la tierra. Como la tierra también refleja estas señales, ellas se puedan propagar "en saltos" a grandes distancias.

Estas señales corresponden a las ondas cortas, por lo tanto, pueden alcanzar grandes distancias alrededor de la curvatura de la tierra en "saltos".

En esta banda, estaciones muy distantes se pueden sintonizar, lo que no ocurre con las ondas utilizadas para TV y FM (mucho más cortas) y que no reflejan en la ionosfera.

El alcance de estas señales está limitado a unos pocos cientos de kilómetros debido a la curvatura de la tierra, como el lector verá en la figura 246.

 

 

 

Figura 246- el alcance de las señales de TV y FM está limitada por la curvatura de la tierra
Figura 246- el alcance de las señales de TV y FM está limitada por la curvatura de la tierra

 

 

La luz es onda electromagnética
La luz también se compone de ondas electromagnéticas cuya frecuencia está muy por encima de las ondas de radio, pero tiene el mismo comportamiento. Así, la luz también se refleja en los objetos y uno de ellos es el espejo, que no es más que una superficie pulida.

 

Refraccion

De la misma forma que la luz (que también se compone de ondas electromagnéticas), las ondas de radio común presentan un cambio de dirección y velocidad de propagación cuando pasan de un medio a otro.

Así, como podemos ver en la figura 247, al encontrar una capa de aire con menor densidad, debido al calor, por ejemplo, las ondas pueden sufrir una flexión de su trayectoria, alcanzando grandes distancias.

 

 

Figura 247 - Refracción en las bolsas de aire caliente (intercambio de calor)
Figura 247 - Refracción en las bolsas de aire caliente (intercambio de calor)

 

 

Este fenómeno, llamado "refracción troposférica" hace, en algunos casos, que señales de frecuencias que generalmente no se reflejan en la ionosfera se recorren las distancias muy grandes.

También debemos considerar que, al se propagar en un material denso, las ondas se someten a una "atenuación", es decir, tiene su intensidad disminuida por la absorción de la energía que transportan.

 

Difracción

Cuando las ondas de radio encuentran un obstáculo que impide su propagación, ellas pueden experimentar un cambio en la dirección de propagación, como el lector verá en la figura 248.

 

Figura 248 - Difracción de la onda de radio
Figura 248 - Difracción de la onda de radio

 

 

Los bordes de un edificio o de una colina pueden funcionar como elementos que desvían la trayectoria de las ondas que pasa dispersándolas en todas las direcciones, siempre se propagando en línea recta.

 

 

Transmisores

Los dispositivos están destinados a producción de ondas para su transmisión se conocen como transmisores de radio. Un transmisor es un circuito electrónico que produce una corriente alterna a la frecuencia de la señal que debe ser transmitido.

Cuando esta corriente es aplicada a una antena, se producen alrededor de las mismas ondas de misma frecuencia que se propagan por el espacio. Ver la figura 249.

 

 

Figura 249 – Campos de una antena
Figura 249 – Campos de una antena

 

 

Los transmisores se diferencian no sólo por la frecuencia de la señal que producen y de potencia sino también por cómo la información debe ser enviada por los señales.

Hay varias maneras de aplicar la información en una señal de que va a generar una onda de radio que se transmite. Estos modos se denominan 'modulación'.

 

Antena transmisora y receptora
Una antena tanto puede recibir como transmitir las ondas electromagnéticas. Cuando una corriente de alta frecuencia pasa a través de una antena, son producidas ondas que son irradiadas. Entonces tenemos una antena que transmite. Cuando una antena es interceptada por una onda electromagnética corrientes eléctricas son inducidas en la misma frecuencia pudiendo ser enviadas a un receptor. En este caso, la antena sirve como una antena receptora.

 

 

Modulación

Llamamos modulación el proceso segundo el cual cambiamos alguna característica de una onda electromagnética para que pueda llevar información (sonido, imagen, datos, etcétera).

Existen varias técnicas de modulación empleadas actualmente, cuya elección depende del tipo de información que debe ser transportada.

Las principales son:

 

1) Modulación de amplitud o AM

En la modulación de amplitud de lo que hace es cambiar la intensidad de una señal de alta frecuencia (portadora) que se utiliza para producir una onda electromagnética, utilizando una señal de baja frecuencia, como se muestra en la figura 250.

 

 

Figura 250 - Modulación en amplitud
Figura 250 - Modulación en amplitud

 

 

La señal de alta frecuencia que lleva información (señal de baja frecuencia) es llamada "portadora". Usamos este proceso la radiodifusión de ondas medias y cortas (AM) y las imágenes de TV en VHF o UHF.

En el caso del radio, lo que se hace es aplicar las señales de baja frecuencia que corresponden a sonidos captados por un micrófono, por ejemplo, al circuito que lleva la señal a la antena, como el lector verá en figura 251.

 

 

Figura 251 – Diagrama de bloques de un transmisor
Figura 251 – Diagrama de bloques de un transmisor

 

 

Al hacerlo, la señal aplicada a la antena y por lo tanto las ondas producidas tendrán su intensidad variando según el mismo ritmo o características de la señal del modulador de baja frecuencia. En el caso de las televisoras, la señal de vídeo, que corresponde a la imagen captada por la cámara, hace un cambio en la portadora de alta frecuencia y son transportadas al receptor de TV.

 

2) Frecuencia modulada o FM

En frecuencia modulada o FM lo que hace es variar la frecuencia de la portadora (señal de alta frecuencia) a partir de la señal de baja frecuencia que debe transportarse. En la figura 252 mostramos como una señal de baja frecuencia varía la frecuencia de una portadora entre dos frecuencias distintas.

 

 

Figura 252 -  portadora modulada en frecuencia
Figura 252 -  Portadora modulada en frecuencia

 

 

Una de las ventajas del proceso de modulación de frecuencia en comparación con el proceso de modulación de amplitud se encuentra en el hecho de que la intensidad de la señal permanece constante lo que se traduce en una mayor inmunidad a ruidos e interferencias.

 

3) Modulación de anchura de pulso, o PWM

Este proceso es ampliamente utilizado en sistemas de control cuando una señal debe controlar la velocidad de un motor, la temperatura de un sistema de calefacción o de otro tipo de transductor. Como el lector puede ver en figura 253, lo que se hace es cambiar la longitud o la anchura de los impulsos producidos por un oscilador de acuerdo con información o grandeza analógica que debe ser transmitida. El circuito ese encendido y apagado a una velocidad tal que le permite controlar el valor medio de la amplitud.

 

 

Figura 253 - En la PWM  controlamos los tiempos t1 y t2.
Figura 253 - En la PWM controlamos los tiempos t1 y t2.

 

 

4) Modulaciones digitales

Para la transmisión de señales digitales, también hay otros procesos, como lo que hace uso de lo que se llama " espectro extendido" donde la información ocupa bandas de frecuencia cambian constantemente.

Este proceso es utilizado en comunicaciones inalámbricas entre computadoras, teléfonos móviles, wireless y muchos otros. (Ver nuestro curso de telecomunicaciones)

 

Receptores

Los receptores no son más que el equipo que puede captar las señales enviadas por transmisores. Básicamente tienen una antena, un circuito de sintonización y un circuito capaz de separar la información que se envíe de la señal que la lleva. La antena, dependiendo de la frecuencia de la señal debe ser recibida, es una varilla de metal.

Cuando las ondas pasan por la antena es inducida una corriente de la misma frecuencia que va a circuito de sintonización. El circuito de sintonización puede separar la señal de la emisora deseada de todas las otras señales que la antena está interceptando en ese momento.

La configuración más común para la sintonización de circuitos consiste en una bobina y un capacitor, como el lector verá en figura 254.

 

 

Figura 254 – Circuito de sintonía LC
Figura 254 – Circuito de sintonía LC

 

 

La separación de la señal de baja frecuencia (información) de la señal de alta frecuencia (portadora) se realiza mediante circuitos que dependen del tipo de señal a procesar.

 

Interferencia y Ruido

Juntamente con las señales que las estaciones transmiten son presentes en el espacio y por lo tanto captados por las antenas, señales no deseadas que provocan distintos tipos de problemas. Estas señales no deseadas son básicamente de dos tipos:

 

1. Ruidos

Los ruidos son señales sin un patrón determinado, generalmente producidos por fenómenos naturales y en el funcionamiento de algunos tipos de aplicaciones comunes. Un ruido, como se muestra en la figura 255 tiene un amplio espectro que se extiende hasta tal punto que puede afectar a toda una gama de servicios de comunicaciones.

 

 

Figura 255 – f1 y f2 puede cubrir una amplia gama del espectro de telecomunicaciones
Figura 255 – f1 y f2 puede cubrir una amplia gama del espectro de telecomunicaciones

 

 

Cuando la intensidad del ruido es mayor que la de la señal que debe ser recibida, la recepción se torna imposible.

Fuentes de ruido natural son las descargas eléctricas atmosféricas (rayos) que pueden ser "oídos" en cualquier radio AM sintonizados en una frecuencia libre, en la forma de chisporroteo. Fuentes artificiales de ruido son los motores de muchos aparatos, máquinas y equipos industriales de soldadura.

Los pequeños trazos que aparecen en la imagen de una TV analógica en la gama de VHF y UHF cuando conectamos un dispositivo en las inmediaciones son ejemplos de ruidos que se propagan por el espacio en forma de ondas electromagnéticas.

Las Interferencias tienen un patrón de frecuencia fija, generalmente ocupando unas bandas estrechas del espectro, como se muestra en la figura 256.

 

Figura 256 –Una señal que interfiere sólo en la banda VHF canal 2
Figura 256 –Una señal que interfiere sólo en la banda VHF canal 2

 

 

Generalmente tienen origen artificial, generados por equipos que tienen circuitos de alta frecuencia como otros transmisores, maquinaria industrial, equipos médicos, etcétera.

Un transmisor mal ajustado puede generar, además de la frecuencia de funcionamiento, señales espurias y armónicas que son irradiadas. Estas señales interferirán con la recepción de otras señales, causando problemas de varios tipos.

Llamamos "armónicas" frecuencias múltiples de una señal, como el lector verá en figura 257.

 

 


 

 

 

Resulta que, si una señal no tiene una forma de onda perfectamente senoidal, se puede descomponer en señales senoidales de múltiples frecuencias (armónicos), como se muestra en la figura 258.

 

 

Figura 258 - Una señal se puede descomponer en una frecuencia fundamental y sus armónicos
Figura 258 - Una señal se puede descomponer en una frecuencia fundamental y sus armónicos

 

 

Por lo tanto, una señal de que no es senoidal, realmente consiste en una frecuencia fundamental y armónicas que pueden causar interferencia a los servicios de Radiocomunicaciones.

 

Uso de las ondas de radio

Las señales de diversas bandas de frecuencia se comportan de forma diferente y por lo tanto son utilizados en diferentes tipos de comunicaciones. La siguiente tabla nos da una idea de cómo se utilizan.

 

Frecuencias

ClasificaciónModo de propagación más comúnRango típicoUso práctico10 kHz a 500 kHzKilométricas VLF y LFCerca de la superficie de la tierra siguiendo su curvaAlgunos centenares de kilómetrosFarol de radio y comunicación marítima500 kHz a 3 MHzHectométricas MFbaja a la tierra y la noche con reflexión ionosferapor lo general hasta 500 kmRadiodifusión, radio Faro3 MHz a 30 MHzDecamétricas HFReflexión en la ionosfera,especialmente por la nochemiles de kilómetrosRadiodifusión, radioaficionados, comunicaciones de larga distancia30 MHz a 300 MHzMétricas-VHFLínea directa o cable (*)Hasta 200 km (típico)TV, FM y comunicaciones300 MHz a 3 GHzDecímetro UHFLínea directa y cables (*)Hasta 200 km (típico)Televisión y comunicaciones3 GHz a 30 GHzCentímetro-SHFDirecto, guía de ondas y satélites200 km en tierra e ilimitado tv vía satéliteComunicaciones, radar30 GHz a 300 GHzMilímetrosDirecta y guías de ondatodavía poco usocomunicaciones 300 GHz enMicrométricoGuías de onda y fibra ópticaampliar usocomunicaciones

  Nota: el modo de propagación será más claros cuando estudiemos lo siguiente de esta lección.

 

Antenas

Todas los sistemas de telecomunicaciones que hacen uso de ondas electromagnéticas tienen como elemento importante para el funcionamiento la antena.

En el transmisor, las corrientes de alta frecuencia generan ondas electromagnéticas.

La función de la antena es la transferencia entonces la energía generada por el transmisor al espacio en forma de ondas. En el receptor, la antena se utiliza para interceptar las ondas que le inducen corrientes que se toman para el circuito de procesamiento.

En la figura 259 mostraron lo que ocurre cuando aplicamos una señal de alta frecuencia en una antena, tomando como ejemplo la configuración que consta de dos conductores. Tenga en cuenta que aparecen alternativamente dos campos: eléctrico y magnético.

 

 

Figura 259 – Una antena por una corriente de alta frecuencia genera ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio
Figura 259 – Una antena por una corriente de alta frecuencia genera ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio

 

 

Las dimensiones de una antena son importantes para la eficiencia en la emisión como en la recepción de las señales. Así, la antena tomada como ejemplo debe tener una longitud que coincide con ½ de la longitud de onda en. la frecuencia que debe transmitirse. Ver la figura 260 antena corriente y voltaje son tan diferentes.

 

 

Figura 260 – Eficiencia y dimensiones de una antena
Figura 260 – Eficiencia y dimensiones de una antena

 

 

Los extremos tienen puntos de máxima tensión y en el centro de la antena tienen los puntos en que la intensidad de la corriente es máxima.

Podemos decir que esta opción es equivalente a un circuito resonante ideal, como se muestra en la figura 261.

 

Figura261 - Circuito resonante ideal
Figura261 - Circuito resonante ideal

 

 

Vea, que en un circuito resonante la reactancia capacitiva es igual a la reactancia inductiva (XL = XC) en la frecuencia de resonancia. Esto significa que una antena de este tipo se comporta como una carga resistiva pura en la frecuencia de resonancia. Esa componente es la impedancia de la antena. Una antena del tipo visto los cálculos muestran que esta impedancia tiene un valor fijo: 73 ohmios. En la práctica, adoptase un valor más apropiado para los cálculos de 75 ohmios.

Vea también que hay algunos factores que pueden influir en esta impedancia como el grosor del alambre utilizado y la velocidad de propagación de la onda en el material de la antena. La antena que revisamos es el llamada "dipolo de media onda. Sin embargo, hay otros tipos de antenas.

Como hemos visto, una de las características importantes en el diseño de una antena es la su impedancia. La impedancia de una antena depende de cómo se construye y sus dimensiones, y hay varios tipos que se analizará en el siguiente punto.

Sin embargo, hay además algunas características de impedancia de las antenas que son de gran importancia en su diseño para una aplicación determinada. Veamos algunos de ellos.

 

a) Ganancia

Cuando hablamos en ganancia, no significa que una antena puede "amplificar" las señales que transmiten o reciban. Una antena es un elemento pasivo en la transmisión como en recepción de la señal. No existen elementos que pueden introducir un aumento eficaz de una señal de una antena.

Utilizamos el término ganancia para expresar la capacidad de una antena para recibir señales de una dirección particular en comparación con una antena usada como referencia. Podemos comprender mejor este significado tomando como ejemplo la antena que se muestra en la figura 262.

 

Figura 262 – Ganancia de la antena
Figura 262 – Ganancia de la antena

 

 

Si esta antena concentra la energía transmitida en una dirección determinada pudimos decir que tiene una ganancia, porque la intensidad de energía en la dirección considerada es más grande que una antena común, tomada como referencia, que irradia la señal con la misma intensidad en todas las direcciones.

Lo mismo se aplica a una antena receptora. Si ella puede captar las señales que llegan de una dirección determinada, también podemos decir que esta antena tiene una ganancia en comparación con una tomada como referencia que recibe de la misma manera las señales que vienen desde todas las direcciones.

 

b) Directividad

Una esfera se puede considerar una antena ideal. Ella irradia o recibe señales con la misma intensidad en todas las direcciones.

Por supuesto, para las aplicaciones prácticas no sería interesantes tener un patrón de radiación de este tipo. En la práctica, las antenas deben concentrar las señales en ciertas direcciones. Para ello, sus formatos son raramente esféricos, pero planificado para conseguir un comportamiento directivo.

Entonces podemos hablar de la directividad una antena como su capacidad para centrarse señales en una dirección y expresarlo mediante un diagrama, como se muestra en la figura 263.

 

 

Figura 263 – Directividad de una antena
Figura 263 – Directividad de una antena

 

 

En este diagrama trazamos las intensidades relativas de la señal (recibida o transmitida) para cada dirección para que la antena es apuntada. El patrón típico que se muestra en la figura 250 tiene un lóbulo más grande que corresponde a la señal irradiado en la dirección que está apuntando la antena y otros lóbulos más pequeños que indican la irradiación de señales de baja intensidad. También hay direcciones donde no hay señal irradiada (o recibida).

Tanto más estrecho es el lóbulo principal y el menores los otros, más directiva es la antena y el más alto su ganancia en la dirección en que se apunta. Una característica importante de una antena muy directiva es que tiende a rechazar más fácilmente las señales viniendo hacia los lados. Esto es importante si hay fuentes de interferencia en el sitio receptor. Las señales de estas fuentes pueden ser naturalmente rechazados por simple elección de una antena adecuada.

 

c) Polarización

Los campos eléctricos y magnéticos que corresponden a una onda transmitida o recibida por una antena tienen una orientación específica. Los campos (eléctricos y magnéticos) son perpendiculares entre sí. La forma en que aparecen en una antena transmisora o deben ser recogidos por una antena receptora determina su polarización. Una antena con polarización vertical, como se muestra en la figura 264 consigue eficazmente captar las señales que llegan con una polarización horizontal.

 

 

Figura 264 - La antena debe ser polarizado según la señal que debe ser recibida
Figura 264 - La antena debe ser polarizado según la señal que debe ser recibida

 

 

Es por eso que las antenas de TV de VHF comunes que vemos en los tejados de las casas tienen sus barras colocadas horizontalmente y no verticalmente. Las señales de televisión son polarizadas horizontalmente.

 

 

 

 

 

Las lecciones de este curso son:

Lección 1 - Materia y energía, la naturaleza de la electricidad, la electricidad estática 

Lección 2 - Energía eléctrica, corriente y tensión, el circuito eléctrico 

Lección 3 - Resistencia eléctrica, resistores, Ley de Ohm, Ley de Joule 

Lección 4 - Tipos de generadores, rendimiento y ecuación del generador 

Lección 5 - Condensadores

Lección 6 - Magnetismo y electromagnetismo

Lección 7 - Corriente alterna

Lección 8 - Sonido y Acústica

Lección 9 - Ondas electromagnéticas

 

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