El acoplador de Antena o Transmach
Por Martin Silva LW9DTR
Desde mi comprensión intentaré echar un atisbo de luz sobre el tema.
Describiré en primera instancia como es a grandes rasgos, la etapa de acoplamiento de nuestro transmisor hacia la antena.
La etapa de salida de un transmisor...
Todo Transmisor cuenta con un amplificador final de Radio Frecuencia capaz de amplificar la señal generada desde el oscilador hasta los pre amplificadores o excitadores.
Este amplificador final independientemente de la clase o configuración electrónica que posea, por regla general tendrá una red de adaptación de impedancia de entrada, para que el acoplamiento sea franco y pleno.
Este acoplamiento podrá ser sintonizado, aperiódico, etc. lo que si buscará es la máxima transferencia de energía para las frecuencia de diseño con el objeto de utilizar todas las virtudes de nuestro amplificador.
De la misma manera, la red de salida de nuestro amplificador contara con el diseño necesario para adaptar las bajas impedancias de los transistores de salida a las impedancias normalizadas en 50 Ohms para las lineas de transmisión de radio comunicaciones.
Esta red estará conformada por uno o varios circuitos LC ya sea en serie y o paralelo para lograr la adaptación necesaria de la impedancia de salida, asi como también para eliminar emisiones de armónicos innecesarios, que consumen nuestra energía y ensucian el espectro radioeléctrico.
En condiciones de resonancia, es decir para la frecuencia para la cual es diseñado el transmisor, la red de adaptación equivale a una carga netamente resistiva, ya que las reactancias ofrecidas por los condensadores y los inductores de nuestra red de adaptación de salida, se encuentran canceladas por la condición de estar en resonancia, o sea en oposición de fase.
Nuestro sistema irradiante también deberá comportarse de igual manera, es decir que en el dominio de las frecuencias, sus reactancias estarán canceladas para una frecuencia fundamental ofreciendo al transmisor una carga netamente resistiva.
Entonces al conectar nuestro sistema irradiante mediante su línea a nuestro transmisor este verá también una carga netamente resistiva y la corriente circulante por ella será solidaria para la máxima emisión de nuestra energía generada.
EJEMPLO DE UNA RED DE ADAPTACION DE ENTRADA Y DE SALIDA
COMPORTAMIENTO DE LOS COMPONENTES EN RESONANCIA
Es en este punto donde ambas reactancias poseen la misma magnitud pero opuestas, es decir que se encuentran entre si desfasadas 180o, Este desfasaje hace que entre ellas se anulen en ese punto, es decir en esa frecuencia, y es donde la Resistencia como único elemento vivo tomara valor puro.
Si subimos la frecuencia la reactancia predominante es la Resistiva Inductiva y si es a la inversa, si bajamos la frecuencia la reactancia predominante es Resistiva Capacitiva.
La controversia...
La instalación de un acoplador de antena entre nuestro transmisor y el sistema irradiante, algunos lo suelen ver como un mero engaño para el transmisor, asegurando que a pesar de todo la falta de adaptación persistirá, sin embargo y espero que así sea, con este post pretendo proporcionar un punto de vista diferente sobre el tema.
Coincidimos que nuestro amplificador final de RF es acoplado a la
Linea de transmisión mediante una Red LC.
Con el objetivo de transformar la impedancia baja del mismo a la de la
línea y antena que son sensiblemente mas altas.
Para continuar vamos a definir que es un acoplador de antena o transmach:
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Según los libros: “Un sintonizador de antena es un dispositivo electrónico insertado en la línea de alimentación entre un transmisor de radio y su antena . Su propósito es optimizar la transferencia de energía haciendo coincidir la impedancia de la radio con la impedancia del extremo de la línea de alimentación que conecta la antena al transmisor...” Para hilar levemente mas fino, un acoplador de antena es un dispositivo formado por un conjunto de condensadores e inductores variables dispuestos de determinada manera en variadas configuraciones con la función de modificar la impedancia de salida de nuestro emisor para llevarla a la del sistema irradiante reflejada en la línea. Y este punto lo deseo resaltar... |
Esquema de transmach basico
Porque sobre la linea de alimentación veremos reflejada la impedancia de nuestro sistema irradiante.
Sobre esto entonces podemos agregar que si miramos en conjunto tenemos las siguientes etapas:
Donde:
A- Red LC de adaptación de entrada.
B- Amplificador de RF
C- Red LC de adaptación de salida.
D- Segunda red LC Variable de adaptación solidaria a la primera ( conformada por el sintonizador de antena)
E- nuestro sistema irradiante incluida la linea.
Entonces sí consideraremos a las etapas C y D como una sola, es decir como una gran etapa de filtrado y adaptación, que funciona solidaria una de otra, como un mas elaborado filtro de salida pero de varios pasos, podremos aprovecharlo para obtener mayores cualidades electrónicas en nuestro sistema.
Estas cualidades aparecen al agregar mas inductores y condensadores, al circuito de salida, elevando el factor de calidad de nuestra red de filtrado, es decir elevando el Q del circuito.
Al elevar el Q nuestra transmisión será más limpia, y más estrecha.
Nuestro receptor afectado por la elevación del Q o factor de
mérito, mejorará su selectividad, traduciendo esto a un mayor rechazo
por las frecuencias no sintonizadas, o transmisiones adyacentes que
generan interferencia (splater) y ruido.
Nos asegura estar sintonizando el sistema fuera de la frecuencia fundamental
y no reproduciendo armónicos.
DIFERENCIAS DE UN SISTEMA DE Q ALTO Y Q BAJO
En las curvas observamos que a medida que nos alejamos de la Frecuencia de resonancia, la ganancia del sistema cae mas abruptamente en el Q Alto que en el Bajo, eso se traduce como mayor rechazo a señales indeseadas y menor emisión de armónicos.
Aun así hay quien sigue sosteniendo que el uso del acoplador es un mero engaño para nuestro transmisor y que no aporta beneficio alguno...
Por lo que continuamos con el análisis.
Cuando nuestra antena se encuentra en resonancia, los efectos de sus componentes reactivos están cancelados como ya hemos explicado antes.
Un sistema de antena es representado y analizado como un circuito equivalente RLC, donde R es la Resistencia asociada a las reactancias, L es la reactancia inductiva y C la reactancia capacitiva.
Circuito equivalente de la Antena
Análisis matemático del circuito equivalente de la antena.
Donde Zeq es la impedancia total de nuestro sistema R es la resistencia asociada a los componentes JWL es la reactancia inductiva y 1/JWC es la reactancia capacitiva.
La Impedancia de la Antena será:
Z = R + JwoL +1/JwoC
En condición de resonancia la impedancia de nuestra antena será :
Z=R
porque JwoL y 1/JwoC por ser de magnitud igual pero de fase opuesta se cancelan.
Cuando nuestra antena es desplazada de su frecuencia de sintonía, ya sea hacia abajo o hacia arriba lo que antes era Resistivo Puro, comienza a ser
Z = R+ JwoL
es decir una antena cuya impedancia es Resistiva Inductiva, ó
Z = R+ 1/WoC
es decir una antena cuya impedancia es Resistiva Capacitiva.
En ambos casos para nuestro transmisor aparecerá una corriente extra propia que consume cada componente complejo que aparece del desfasaje de nuestra señal provocando la tan poco deseada
“Onda Estacionaria.”
Que es el reflejo sobre la línea de alimentación de la antena de la señal desfasada por el corrimiento de la frecuencia de trabajo sobre la de resonancia.
Entonces... nuestro acoplador de antena, cuyos componentes son de valor variable, nos permite agregar o restar Capacidad, o agregar o restar inductancia conforme nuestro sistema demanda, y así cancelar las reactancias vivas reflejadas por el sistema, logrando que nuestro emisor acceda a una carga netamente resistiva y por consiguiente, nuestro rendimiento sea máximo.
Y ahora que tomo el termino Rendimiento es a lo que deseo llegar con la explicación.
Funcionamiento Vs Rendimiento
Como ya mencioné el acoplador corregirá las reactancias presentes en nuestro sistema fuera de resonancia.
En ese punto nuestro sistema de comunicación estará equilibrado y podrá proporcionar su máximo funcionamiento.
Aquí es donde entra en juego el rendimiento.
Deseo ser mas gráfico con la explicación aunque los escenarios siempre pueden ser infinitos...
Imaginemos una antena sintonizada correctamente en 7100 Khz.
De las ecuaciones por todos conocidas sabemos que para los 7100 khz una antena de media onda deberá tener una longitud ideal de 21,126 metros de largo.
Aplicándole todos los factores de corrección obtendremos una longitud física de 20,07 metros, es decir que para utilizar esta antena como un dipolo deberemos tener dos ramas radiantes de 10,035 mts. cada una.
La impedancia para nuestro dipolo horizontal y paralelo al suelo es de aproximadamente 73 +- Ohms a más de 1/4 de longitud de onda de altura.
Sin embargo nuestro cable posee la impedancia característica normalizada de 50 Ohms.
Nuestra impedancia no coincide ya que el cable refleja lo que ve en la antena.
El acoplador conectado a la linea de transmisión cancelara las reactancias que reflejan parte de la señal emitida, corrigiendo la salida del emisor a los 73 Ohms que refleja la antena.
Ahora tomemos como ejemplo una frecuencia mas baja de la que fue inicialmente pensada nuestra antena, por ejemplo 7000 khz., tendremos entonces una antena fisicamente mas corta de lo que debería ser.
Según los cálculos la antena de media onda ideal para 7000 khz deberá tener una longitud ideal de 21,43 mts.
Aplicándole todos los factores de corrección, la medida real de nuestra antena de media onda debería tener 20,35 mts.
Su comportamiento será Resistivo - Capacitivo y nuestro acoplador debería introducir a la red la suficiente reactancia inductiva capaz de cancelar la Reactancia Capacitiva reinante por estar fuera del centro de sintonía.
Una vez incorporada la reactancia Inductiva nuestro sistema se encuentra en equilibrio y su efecto vuelve a ser resistivo puro.
A Vs B
Es decir
28,6 centímetros de diferencia.
En una antena de media onda de 20,356 mt. los 28,6 cms de diferencia, representan aproximadamente un 1,6% del largo total.
Ahora bien...
Si el rendimiento de nuestro sistema consiste en dirigir la mayor cantidad de energía hacia el ramal radiante, y este es sensiblemente menor, por estar posicionado en una frecuencia mas baja, nuestro sistema rendirá menos, siempre en proporción, es decir que si nuestra antena es 1,6% mas corta rendirá menos que la que tiene toda su longitud para la frecuencia inicialmente calculada, pero si esa diferencia no es significativamente enorme, entonces la podemos despreciar, sin temer grandes perdidas de rendimiento.
Claro está que cuanto más nos alejemos de la frecuencia de resonancia mas aumenta esa merma de rendimiento.
Ahora si la frecuencia sube respecto de la resonante, nuestra antena se convierte en un elemento Resistivo Inductivo, por lo que nuestro acoplador corregirá esa reactancia agregando la suficiente capacidad para la cancelación.
Al ser inverso el proceso, nuestra antena en vez de acortarse se alarga, entonces a medida que sube la frecuencia aparecerán en los múltiplos correctos nuevas medias ondas capaces de contener en su extension, y con ello debidamente adaptadas lejos de perder rendimiento este se vera mejorado.
De ahí que las antenas denominadas Long Wire o Hilos Largos funcionan correctamente cuando son capaces de contener al menos 2 longitudes de onda en su envergadura.
Todo dependerá de la impedancia que presente nuestra antena en el punto de alimentación.
De todo esto podemos entonces comprender porque hay acopladores que tienen mayor rango de sintonía que otros, porque pueden desarrollar mas Reactancia Capacitiva y mas Reactancia Inductiva que otros y asi tener un rango de trabajo mucho mas grande.
Entonces ya podemos tener más claro el concepto del uso del acoplador de antena, ya que una cosa es la adaptación de la impedancia y otra muy diferente es el Rendimiento.
Las perdidas...
En todo sistema existen perdidas, ya sea por la calidad de los materiales, por la inserción de elementos, por los factores constructivos, etc.
Las perdidas son consideradas en todo sistema de comunicaciones como aquellos factores que provocaran atenuación de la señal, y calda del rendimiento total, estas perdidas se verán aumentadas conforme elevemos nuestra frecuencia de trabajo, claro esta que para la transmisiones de HF donde utilizamos potencias del orden del wat ciertas atenuaciones son insignificantes no así para la recepción donde las señales son del orden del micro volt.
Sea cual fuera la atenuación ofrecida por la inserción de un acoplador de antena correctamente construido, esta perdida se verá disminuida por la correcta adaptación de las impedancias que intervienen en la transferencia de energía, siendo menor la perdida total que si no colocáramos el acoplador de antena y dejáramos las impedancias sin equilibrar.
En síntesis, un acoplador de antena correctamente conectado ofrece la posibilidad de mantener en equilibrio el sistema, aumentando el nivel de filtrado de armónicos, mejorando el Q final de nuestro circuito, minimizando las perdidas por desadaptaciones, y permitiendo la utilización de sistemas irradiantes en un rango mayor de frecuencias a expensas del rendimiento.
Espero que el presente artículo les sirva para comprender mejor ciertos aspectos de las antenas que están algo mistificados.
Suerte con la experimentación, a seguir quemando estaño!
73’s Dx de Martin’s LW9DTR
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