MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION CURSO AVIONICO 6to Aﾃ前
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CREDO DEL TECNICO AERONAUTICO
POR MI HONOR juro mantener en sagrado cuidado los derechos y privilegios que se me han concedido como Técnico certificado. Teniendo pleno conocimiento que la seguridad y las vidas de otros dependen de mis habilidades y juicio. Nunca someteré a otros, con conocimiento de causa, a riesgos que no podría asumir personalmente o por aquellos a quienes amo. AL HACER ESTE JURAMENTO, me comprometo a nunca llevar a cabo trabajo o aprobar trabajos que crea que superen los límites de mi conocimiento; tampoco permitiré a un superior sin licencia que me haga aprobar aeronaves o equipos en contra de mi juicio; tampoco permitiré que mi juicio se vea influido por el dinero o el beneficio de otros; tampoco aprobaré la aeronavegabilidad de una aeronave o equipo del que dude, ya sea como resultado directo de una inspección o incertidumbre acerca de la habilidad de otros que hayan trabajado en los mismos para completar su tarea en forma satisfactoria. RECONOZCO la gran responsabilidad que poseo como Técnico con certificación para ejercer mi juicio sobre aeronavegabilidad de aeronaves y equipos. Juro mi indeclinable adhesión a estos preceptos para el avance de la aeronáutica y por la dignidad de mi vocación.
-Jerry Lederer- "Padre de la Seguridad Aérea" Fundador de la Fundación de Seguridad Operacional Aérea. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 3 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
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Radiación Electromagnética La radiación electromagnética incluye las ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, las ondas ultravioletas, rayos X y rayos gamma. Juntos forman el espectro electromagnético. Todos ellos se mueven a la velocidad de la luz (300 millones de metros por segundo). La única diferencia entre ellos es su longitud de onda que está directamente relacionado con la cantidad de energía de las olas llevan. En la Figura 1-1 se enumeran los componentes del espectro electromagnético de acuerdo a la longitud de onda y la frecuencia (el número de ciclos completos por segundo). Una porción del espectro que se utiliza para HF, VHF, y la comunicación de radio UHF se ha ampliado para mostrar más detalles.
RADIO ONDAS Las ondas de radio se propagan igual que las ondas en la superficie del agua. Ellas viajan cerca de la superficie de la Tierra y también se irradian hacia el cielo en varios ángulos con respecto a la superficie de la Tierra. Una onda de radio típica tiene dos componentes, una cresta (parte superior) y un valle (parte inferior porción). Estas ondas viajan desde el transmisor, una tras otra, a una velocidad constante (la velocidad de la luz). La distancia entre crestas sucesivas de onda se llama longitud de onda y es comúnmente representada por la letra griega minúscula lambda (l) (ver Fig. 1-2).
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Frecuencia Las ondas de radio transmiten señales de radio y televisión (TV) entre otras. Ellas tienen longitudes de onda que van desde menos de un centímetro a decenas o incluso cientos de metros. Frecuencia modulada (FM) son ondas de radio más cortas que la amplitud modulada (AM). Una onda de radio frecuencia es igual al número de ciclos completos que se producen en 1 segundo. Cuanto más larga sea la duración del ciclo, más la longitud de onda y menor la frecuencia. Cuanto más corto sea el ciclo, más corto es la longitud de onda y mayor la frecuencia. La frecuencia se mide y se indica en Hertz (Hz). Una frecuencia de onda de radio es muy alta. Por lo general, medidos y expresados en miles de un Hertz (kilohertz [Khz.]), en millones de Hertz (megahertz [MHz]), o a veces en miles de millones de Hertz (gigahertz [GHz]). 1Hz=1 ciclo por segundo 1kHz= 1 000 ciclos por segundo 1MHz= 1 millón de ciclos por segundo 1GHz = 1 mil millones de ciclos por segundo
Cálculo de la Frecuencia A efectos prácticos, la velocidad de una onda de radio es considerada constante, independientemente de la frecuencia o la amplitud de la onda transmitida. Para encontrar la frecuencia cuando la longitud de onda es conocida, hay que dividir la velocidad por la longitud de onda. Frecuencia (Hertz)= 300.000.000 metros por segundos / longitud de onda MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 6 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Para encontrar la longitud de onda cuando la frecuencia es conocida dividir la velocidad por la frecuencia Longitud de onda (metros)= 300.000.000 metros por segundo / frecuencia (Hertz) Bandas de frecuencia Las designaciones del espectro de frecuencia son: HF 3 A 30 MHZ VHF 30 A 300 MHZ UHF 300 A 3000 MHZ (3 Ghz). HF se utiliza principalmente para comunicaciones de largo alcance. Una señal de alta frecuencia se refleja en la parte exterior de la atmósfera, la ionosfera.
VHF se utiliza para comunicaciones de corto alcance. Para usar VHF, es necesario ser capaz de visualizar una línea de visión directa (LOS) (sight optical line) entre el transmisor y el receptor. Esto limita las distancias de UHF que no son mucho mayores que la distancia al horizonte. Cuando el LOS existe, se prefiere usar siempre VHF a la UHF debido a que una señal de VHF puede seguir un camino mucho más estrecho y directo al receptor. UHF es un tercer tipo de transmisión UHF es como VHF en que ambos siguen la directa o la ruta LOS. Pero con la antena adecuada, la transmisión UHF se puede hacer seguir un camino aún más estrecho que con el receptor de VHF. Cada banda de frecuencias tiene características únicas. Los rangos y los requisitos de energía se muestra en el cuadro 1-1 y son para el funcionamiento normal (es decir, el emplazamiento adecuado y la orientación de la antena y correcta procedimientos operacionales). Rangos cambiarán de acuerdo a la condición del medio de propagación y la potencia de salida del transmisor.
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CIRCUITO DE RADIOCOMUNICACIÓN El equipamiento de radio para la comunicación entre dos estaciones, incluida la ruta que sigue la señal de radio a través del aire, es llamado un radio enlace. Un enlace de radio está formado por siete componentes: el transmisor, la fuente de alimentación, las líneas de transmisión, la antena de transmisión, la propagación, la antena receptora, y el receptor. El transmisor genera una señal de radio. La fuente de alimentación proporciona poder para la tensión de funcionamiento de la radio (batería o generador). La línea de transmisión ofrece la señal desde el transmisor a la antena de transmisión. La antena transmisora envía la señal de radio al espacio y hacia la antena receptora. La ruta de acceso en el espacio que sigue la señal de radio, ya que va a la antena de recepción es el camino de propagación. La antena receptora recibe la señal y la envía a través de una línea de transmisión al receptor. El receptor procesa la señal de radio para que pueda ser escuchado (Fig. 1-3). El objetivo del operador de radio es proporcionar la más fuerte señal posible a la estación receptora. La mejor señal posible es aquella que proporciona la menor relación señal-ruido (S / N) en la antena de recepción Para implementar un circuito de radio comunicaciones, es necesario: • Generar y emitir una onda electromagnética modulada con información (por ejemplo, la voz, el código Morse etc.).
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• Hacer que la onda se propague de manera eficiente desde la antena transmisora a la antena receptora. • Intercepción de la onda mediante el uso de una antena de recepción. • Demodular la energía para que la información transmitida originalmente esté disponible en una forma útil. La elección de la antena correcta y la mejor propagación son los dos factores más importantes en el establecimiento de un circuito de comunicaciones. El eslabón más débil en el circuito de comunicaciones es la trayectoria de propagación. El mejor transmisor, antena, y/o el receptor son de poca utilidad si la frecuencia es errónea o la propagación es incorrecta. FUNDAMENTOS DE PROPAGACIÓN Atmósfera de la Tierra La propagación por lo general se lleva a cabo dentro de la atmósfera de la Tierra. La atmósfera que rodea la Tierra se divide en varias capas, cada una con características únicas que posee. La primera capa, a partir de la superficie de la Tierra y se extiende hasta una altura de unos 10 kilómetros, es la troposfera. En esta capa, la temperatura del aire disminuye con la altura a razón de aproximadamente 2,5 ° C cada 300 metros. La segunda capa de la atmósfera es la estratosfera, que ocupa un rango de altitud que se extiende desde unos 10 Km. a 50 km. Esta capa de aire se mantiene a una temperatura casi constante de alrededor de -65 ° C. A partir de unos 50 Km. y se extiende hacia arriba a más de 500 kilómetros es la ionosfera. La ionosfera recibe su nombre debido a que el moléculas de su atmósfera se ionizan, es decir, los electrones se han quitado de los átomos por el bombardeo constante de la los rayos del sol y partículas de alta energía que no son liberadas por el sol. Debido a la gran cantidad de electrones libres, la ionosfera es capaz de interactuar en gran medida con las ondas de radio que viajan a través de él. Propagación de Ondas de Radio Hay dos principales formas de viaje de ondas de radio desde el transmisor al receptor. Una de ellas es por onda terrestre, directamente desde el transmisor al receptor. La otra es por la onda espacial, hasta la ionosfera y refractados (doblados hacia abajo) de vuelta a la Tierra (larga distancia) Corta distancia: todas las transmisiones UHF, VHF y superiores son por vía terrestre Propagación de Ondas terrestres Radio comunicaciones usando el suelo de propagación de ondas no dependen de las ondas refractadas de la ionosfera. Propagación de la onda por tierra se ve afectada por las características eléctricas de la Tierra y por las condiciones meteorológicas. La intensidad de la onda es en el receptor depende de la energía de salida del MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 9 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
transmisor, la frecuencia, forma de la Tierra y la conductividad a lo largo del vía de transmisión, y las condiciones climáticas locales. La onda terrestre incluye tres componentes: la onda directa, la onda reflejada en el suelo y la onda de superficie (fig. 1-4).
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Direct Wave. (Onda directa) La onda directa viaja directamente de la transmisión antena a la antena receptora. La onda directa se limita a la línea de visión directa (LOS) entre la antena de transmisión y la antena receptora más la corta distancia añadida por la refracción atmosférica y difracción de la onda en torno a la curvatura de la Tierra. Esta distancia se puede ampliar mediante el aumento de la altura de la antena del emisor o receptor, o ambas cosas. Onda de Tierra reflejada. La onda de tierra alcanza la antena receptora después de ser reflejada por la superficie de la Tierra. La cancelación de la señal de radio se produce cuando la componente reflejada y la onda directa llegan a la antena de recepción al mismo tiempo y están 180 ° fuera de fase entre sí. Onda de Superficie La onda de superficie sigue la curvatura de la Tierra y se ve afectado por la conductividad de la Tierra y su constante dieléctrica. Características de frecuencia de las ondas terrestres. Varias frecuencias determinan qué componente de onda prevalecerá a lo largo de una determinada ruta de señal. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 10 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Por ejemplo, cuando la conductividad de la tierra es alta y la frecuencia de una señal radiada es baja, la onda de superficie es el componente predominante. Para frecuencias inferiores a 10 MHz, la onda de superficie a veces es el componente predominante. Sin embargo, por encima de 10 MHz, las pérdidas que se mantienen con la onda de superficie son tan grandes que los otros componentes (onda directa y onda cielo) son las predominantes. En las frecuencias de 30 a 300 khz, las pérdidas de suelo son muy pequeñas, por lo que el componente de onda de superficie sigue la curvatura de la Tierra. Puede ser utilizado para comunicaciones de larga distancia siempre que el operador de radio tenga suficiente potencia en el transmisor. Las frecuencias de 300 khz a 3 MHz se utilizan para las comunicaciones de larga distancia en el mar y para las comunicaciones en distancias medias sobre tierra. A altas frecuencias, de 3 a 30 MHz, la conductividad del suelo es extremadamente importante, especialmente por encima de 10 MHz donde la constante dieléctrica o la conductividad de la superficie de la Tierra determinan cuanta absorción de señal ocurre. En general, la señal es más fuerte en las frecuencias más bajas cuando la superficie sobre la que viaja tiene una alta constante dieléctrica y conductividad. La constante dieléctrica o conductividad de la superficie de la Tierra determina la cantidad de energía de señal que se absorbe o se pierde. Aunque la superficie de la conductividad de la Tierra en su conjunto es generalmente pobre, la conductividad en diferentes condiciones de superficie, cuando se compara una con otro, sería como se indica en el cuadro 1-3.
Las radiocomunicaciones que utilizan propagación por onda espacial dependen de la ionosfera para proporcionar la ruta de señal entre las antenas de transmisión y recepción Estructura de la ionosfera. La ionosfera tiene cuatro capas distintas. Al aumentar la altura disminuye la densidad molecular, estas capas son D, E, F1 y F2. Durante el día, cuando los rayos del el Sol se dirigen a esa parte de la atmósfera, los cuatro capas pueden estar presentes. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 11 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Por la noche, las capas F1 y F2, parecen unirse en una sola capa F, las capas D y E tienden a desvanecerse. El real número de capas, su altura sobre la Tierra, y su relativa intensidad de ionización varían constantemente. La capa D existe sólo durante el día y tiene poco efecto en la flexión de los caminos de las ondas de radio de alta frecuencia. El principal efecto de la capa D es atenuar las ondas HF cuando la vía de transmisión está en las regiones soleadas. La capa E se utiliza durante el día para la transmisión de radio de alta frecuencia sobre distancias intermedias (menos de 2.400 Km. / 1.500 millas [mi]). En la noche la intensidad de la capa E disminuye, y se convierte en inútil para la transmisión de radio. La capa F existe en alturas de hasta 380 km/240 millas encima de la Tierra y se ioniza todo el tiempo. Tiene dos capas bien definidas (F1 y F2) durante el día, y una capa (F) en la noche. Por la noche la capa F permanece a una altura de cerca de 260 km /170 millas y es útil para largo alcance comunicaciones de radio (más de 2.400 km. La capa F2 es la más útil para las comunicaciones de radio de largo alcance, incluso aunque su grado de ionización varía sensiblemente de un día para otro (Fig. 1-5). La rotación de la Tierra alrededor del Sol y los cambios en la actividad solar contribuyen a las variaciones de la ionosfera. Hay dos clases principales de estas variaciones: regular (predecible) e irregular, que ocurre por el comportamiento anormal del sol. Variaciones ionosféricas regulares . Las cuatro variaciones regulares son: Diario: causada por la rotación de la Tierra. • Estacional: causada por la norte / sur del sol. • 27-días: causado por la rotación del Sol sobre su eje. • 1-año: causado por el ciclo de actividad de manchas solares va desde el máximo al mínimo y de nuevo a niveles máximos de intensidad.
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Variaciones ionosférica irregulares. En la planificación de un sistema de comunicación, el estado actual de las cuatro variaciones regulares deben ser anticipadas. También hay variaciones irregulares impredecibles que deben ser consideradas. Tienen un efecto degradante (a veces interrumpen las comunicaciones) que no puedan ser controlados o compensados en la actualidad. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 13 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Algunas variaciones irregulares son: • Esporádicos E. Cuando excesivamente ionizada, la capa E pierde la capacidad de los reflejar desde las capas superiores. También puede causar la propagación de señales inesperadas cientos de millas más allá del rango normal. Este efecto puede ocurrir en cualquier momento. • Súbita perturbación ionosférica (SID). Una repentina perturbación ionosférica coincide con una erupción solar y causa ionización anormal de la capa D. Este efecto causa la total absorción de todas las frecuencias por encima de aproximadamente 1 MHz. Esto puede ocurrir sin previo aviso durante el día y puede durar desde unos pocos minutos hasta varias horas. Cuando esto ocurre, los receptores parecen estar muertos • Tormentas ionosférica. Durante estas tormentas, la recepción por onda espacial por encima de 1,5 MHz muestra baja intensidad y es sujeta a un tipo de rápido aleteo llamado fading. Estas tormentas pueden durar desde varias horas a días y por lo general se extienden sobre toda la Tierra. Manchas solares. Las manchas solares generan explosiones de radiación que causan altos niveles de ionización. Cuantas más manchas solares hubiese mayor será la ionización. Durante los períodos de baja actividad de manchas solares, las frecuencias por encima de 20 MHz tienden a ser inservibles porque las capas E y F son muy débilmente ionizado para reflejar las señales a la Tierra. En los picos de los ciclo de mancha, sin embargo, no es raro tener propagación mundial en frecuencias por encima de 30 MHz. Característica de frecuencia en la ionosfera. El rango de la transmisión de radio de larga distancia es determinada principalmente por la densidad de ionización de cada capa. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la densidad de ionización necesaria para reflejar las ondas de radio a la Tierra. Las capas superior (E y F) reflejan las frecuencias más altas, ya que son los más fuertemente ionizado. La capa D, que es el menos ionizada, no reflejan las frecuencias por encima de aproximadamente 500 kHz. Así, en cualquier momento y para cada capa ionizada, hay una frecuencia límite superior en el que las ondas de radio enviadas verticalmente hacia arriba son reflejada de vuelta a la Tierra. Este límite se denomina frecuencia crítica. Las ondas de radio dirigida verticalmente a frecuencias superiores a la frecuencia crítica pasan a través de la capa ionizada al espacio. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 14 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Todas las ondas de radio dirigida verticalmente hacia la ionosfera a frecuencias inferiores a la frecuencia crítica se reflejan de vuelta a la Tierra. Las ondas de radio utilizado en las comunicaciones están generalmente dirigidas hacia la ionosfera en un ángulo oblicuo, llamado el ángulo de incidencia. Radioondas en las frecuencias por encima de la frecuencia crítica se reflejarán de vuelta a la Tierra si se transmiten en uno ángulo de incidencia menor que un cierto ángulo, llamado ángulo crítico. En el ángulo crítico, y en todos los ángulos mayores que el ángulo crítico, las ondas de radio pasan a través de la ionosfera si la frecuencia es mayor que la frecuencia crítica. Rutas de transmisión La propagación por ondas espaciales se refiere a los tipos de las transmisiones de radio que dependen de la ionosfera para proporcionar la señal entre los transmisores y receptores. La distancia desde la antena de transmisión hasta el lugar donde regresa la onda a la Tierra desde el primer rebote es el salto a distancia. El salto a distancia depende del ángulo de incidencia, la frecuencia de operación, y la altura y la densidad ionosférica. La altura de la antena, en relación con la frecuencia de funcionamiento, afecta el ángulo en que las radioondas golpean y penetran la ionosfera y luego regresan a la Tierra. Este ángulo de incidencia puede ser controlado para obtener el área de cobertura deseada. La reducción de la altura de la antena aumenta el ángulo de transmisión y proporciona amplios y uniformes patrones de señales en un área grande. El uso de rutas de transmisión casi verticales se conoce como incidencia vertical de onda espacial (NVIS). El aumento de la altura de la antena disminuye el ángulo de incidencia. La reducción del ángulo de incidencia produce una zona de salto en la que no se recibe ninguna señal utilizable. Esta zona está limitada por el borde exterior de la propagación de onda de superficie útil y el punto la antena más cercana en la que la onda espacial regresa a la Tierra. En situaciones de comunicaciones de corto alcance el salto de zona es una condición indeseable. Sin embargo, los ángulos bajos de incidencia hacen posibles las comunicaciones a larga distancia. Cuando una onda transmitida se refleja de vuelta a la Tierra, la superficie de la Tierra absorbe parte de la energía. La energía restante se refleja de nuevo en la ionosfera que se refleja de vuelta otra vez. Este medio de transmisión, que refleja la onda de radio entre el la ionosfera y la Tierra en forma alternativa se llama hops (saltos). Los Hops permiten que las ondas de radio puedan ser recibidas a MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 15 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
grandes distancias desde el punto de origen. Desvanecimiento. Desvanecimiento es el aumento y disminución periódico de intensidad de señal recibidos. Desvanecimiento se produce cuando una señal de radio se recibió desde de largas distancias en la gama de alta frecuencia. El origen preciso de esta disminución es rara vez comprendido. Hay poco conocimiento de las precauciones que hay que tomar para reducir o eliminar el desvanecimiento. Los desvanecimientos asociados con las trayectorias de ondas espaciales es el mayor perjuicio a las comunicaciones. Con demasiada frecuencia, las responsables de las comunicaciones se basan en el aumento de la alimentación de la emisora o el aumento de ganancia de la antena para superar el desvanecimiento. Por desgracia, estas acciones a menudo no funcionan y mejorar rara vez la fiabilidad. Sólo cuando el nivel de la señal se desvanece por debajo del nivel de ruido de fondo para una fracción apreciable de tiempo se incrementara la potencia de transmisión o ganancia de la antena para lograr una mejora del rendimiento global del circuito. La elección de la frecuencia correcta y el uso inteligente del equipo de transmisión / recepción garantiza la recepción de una fuerte y fiable señal, incluso cuando se utiliza baja energía. Máximas y mínimas frecuencias utilizables. El uso de una capa ionizada dada y una antena de transmisión con un ángulo fijo de radiación, hay una frecuencia máxima a la que una onda de radio regresa a la Tierra a una distancia dada. Esta frecuencia se denomina frecuencia máxima utilizable (MUF). Es la media mensual de la mayor frecuencia diaria que se prevé para la transmisión de frecuencias espaciales a una hora determinada del día. El MUF es siempre mayor que la frecuencia crítica porque el ángulo de incidencia es menor de 90 °. Si la distancia entre el transmisor y el receptor aumenta, el MUF también aumentará. Las ondas de radio pierden parte de su energía por la absorción a través capa D y una parte de la capa E en determinadas frecuencias de transmisión. La absorción total es menor y las comunicaciones son más satisfactorias cuando se usan frecuencias más altas -hasta el nivel de la MUF. La tasa de absorción es mayor para frecuencias que van desde aproximadamente 500 khz a 2 MHz durante el día. Por la noche la tasa de absorción disminuye para todas las frecuencias. A medida que la frecuencia de la transmisión espacial disminuye de altas a bajas frecuencias, se alcanzará una frecuencia en la que la señal recibida reemplaza el nivel de interferencia de ruido atmosférico y otras interferencias radiales. Es llamada frecuencia más baja utilizable (LUF) porque las frecuencias inferiores a la LUF son demasiado débiles para una útil comunicación. El LUF depende de la potencia de salida del transmisor, así como la distancia de transmisión. Cuando el LUF es mayor que el MUF, la transmisión por ondas espaciales no es posible. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 16 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Otros factores que afectan la propagación En las bandas de VHF y UHF, que se extienden desde 30 hasta 300 MHz y más allá, la presencia de objetos (por ejemplo, edificios o torres) puede producir reflejos fuertes que llegan a la antena de recepción de tal forma que se anula la señal desde la trayectoria de propagación deseada y las comunicaciones se hacen imposibles. La señal de rebote de las aeronaves, alternativamente cancela y refuerza la señal directa de la estación que la aeronave cambia de posición respecto a la transmisión y recepción de antenas. Esta misma interferencia puede afectar negativamente a la voz en el circuito de comunicaciones VHF y UHF, lo que hace que la señal recibida sea ininteligible por breves períodos de tiempo. Muchas otras cosas pueden afectar a la propagación de una onda de radio. Colinas, montañas, edificios, torres de agua, vallas altas, aeronaves y incluso otras antenas pueden tener un efecto marcado sobre la condición y fiabilidad de un determinado medio de propagación. Conductividad del suelo local o cuerpo de agua puede alterar la fuerza de la transmisión de la señal. La energía de radiación de la superficie del Sol también afecta en gran medida las condiciones en la ionosfera y altera las características de la propagación a larga distancia de 2 a 30 MHz. Pérdida en el trayecto Las ondas de radio se debilitan a medida que se extienden desde el transmisor. La relación de la potencia recibida con respecto de la potencia transmitida se llama pérdida en el trayecto. Las señales en VHF y UHF requieren relativamente poca energía ya que la pérdida en el trayecto total en el horizonte es de sólo 25 decibelios (dB) mayor que la pérdida en el trayecto a misma distancia en el espacio libre (Ausencia de suelo). Esto da como resultado la pérdida adicional de parte de la energía que se refleja de la tierra, la cancelación de parte de la energía de onda directa Esto es inevitable en casi todos los casos prácticos. La pérdida total de energía en el trayecto sobre un terreno promedio varía en función de los siguientes factores: pérdida en el trayecto total entre la transmisión y recepción terminales de la antena, frecuencia, distancia, ganancia de la antena de transmisión, y ganancia de la antena de recepción
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Ondas reflejadas A menudo, es posible comunicarse más allá de la normal distancia mediante la explotación de la reflexión desde un edificio alto, la montaña cercana, o torre de agua (fig. 1-6.) Si la parte superior de una estructura o una colina se puede ver por las antenas de transmisión y recepción, puede ser posible lograr una comunicación práctica por la dirección de ambas antenas hacia el punto de máxima reflexión. Si el objeto que refleja es muy grande en términos de longitud de onda, la pérdida en el trayecto, incluyendo la reflexión, puede ser muy baja. Si una estructura o una colina estuviera al lado de un camino, que refleja la energía cualquiera puede añadir o restar energía que llega desde el camino directo. Si la energía reflejada llega a la antena de recepción con la misma amplitud (intensidad) que la señal directa, pero tiene fase opuesta, ambas señales se cancelará y la comunicación será imposible. Sin embargo, si la misma condición existe, pero ambas señales llegan en fase, se agregará y será el doble la intensidad de la señal. Estas dos condiciones representan combinaciones constructiva y destructiva de las ondas reflejada y directa. Reflejo de la tierra en el punto medio común entre las antenas transmisora y receptora también se puede llegar a una forma constructiva o destructiva. En general, en VHF y UHF, la onda reflejada está fuera de fase (destructivos) con respecto a la onda directa en ángulo vertical de menos de unos pocos grados por encima del horizonte. Sin embargo, desde el suelo, que no es un conductor perfecto, la amplitud de la onda reflejada rara vez se aproxima a la de la onda directa. Así, aunque las dos lleguen fuera de fase, la cancelación completa no se produce. Difracción A diferencia de la nave que pasa más allá del horizonte visual, una onda de radio no desaparece por completo cuando se alcanza el horizonte de radio. Una pequeña cantidad de energía de radio viaja más allá del horizonte de radio por un proceso que se llama difracción. Difracción también se produce cuando una fuente luz se mantiene cerca de un objeto opaco, proyectando una sombra sobre una superficie detrás de él. Cerca del borde de la sombra en una banda estrecha se puede ver que no es ni completamente luz ni oscuridad. La transición del la luz total a la oscuridad total no se produce bruscamente, los cambios son suaves cuando la luz se difracta. Una onda de radio ya sea pasando por encima de la superficie curva de la Tierra o una cadena de montañas se comporta casi de la misma manera que una onda de luz. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 18 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Por ejemplo, las personas que viven en un valle por debajo de un cerro alto y agudo de montaña, a menudo puede recibir un canal de televisión situadas a muchos kilómetros por debajo del otro lado. Figura 1-7 ilustra cómo las ondas de radio de la estación de televisión son difractados por la cresta de la montaña y hacia abajo se inclina en la dirección de la aldea.
Se hace hincapié, sin embargo, que la energía de la señal decae muy rápidamente cuando el ángulo de propagación sale de la senda recta. Por lo general, una señal de difracción pueden someterse a una reducción de 30 a 40 dB sólo por pasar a 5 metros de la cumbre. La cantidad real de la señal de difracción depende de la forma de la superficie, la frecuencia, el ángulo de difracción, y muchos otros factores. Es suficiente decir que hay momentos en que el uso de difracción se convierte en la práctica como un medio para las comunicaciones en el espectro VHF y UHF a largas distancias. Refracción troposférica, “Ducting” y Dispersión La refracción es la curvatura de una onda al pasar a través de las capas de aire diferente densidad (índice de refracción). En las regiones semitropicales, una capa de aire de 5 a 100 metros de espesor con características distintivas pueden formase cerca del suelo, por lo general es el resultado de una inversión de temperatura. Por ejemplo, en un día muy caliente después de una temporada de lluvias, el sol puede calentar el suelo y crear una capa de aire cálido y húmedo. Después de la puesta del sol, el aire a pocos metros sobre el suelo se enfría muy rápidamente, mientras que la humedad en el aire cerca del suelo sirve como una manta para el calor residual. Después de algunas horas, una diferencia considerable en la temperatura puede existir entre el aire cerca del suelo y el aire a una altura de 10 a 20 metros, resultando en una marcada diferencia en la presión atmosférica. Así, el aire cerca del suelo es considerablemente más denso que el aire más alto. Esta condición puede existir en un área de varios cientos de kilómetros cuadrados o más de un área extensa de la tierra cerca de una costa marítima. Cuando tal forma de la masa de aire, MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 19 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
por lo general sigue siendo estable hasta el amanecer, cuando la tierra comienza a enfriarse y termina la inversión de temperatura. Cuando una onda de VHF o UHF se lanza dentro de dicha masa de aire, se puede doblar o quedar atrapada (obligados a seguir la capa de inversión). Esta capa actúa como un conducto situado entre el sitio de la transmisión y un sitio distante de recepción. Los efectos de estos conductos pueden observase con frecuencia durante el año en determinados lugares donde la televisión o emisoras de FM son recibidas a varios cientos de kilómetros. La pérdida en el trayecto total dentro de un conducto suele ser muy baja y puede superar la pérdida de espacio libre en sólo unos pocos dB. También es posible comunicarse a larga distancia por medio de dispersión troposférica. En altitudes de unos pocos kilómetros, la masa de aire tiene variaciones de temperatura, presión y humedad. Pequeñas fluctuaciones en las características de la troposfera a gran altura crean burbujas. Dentro de una burbuja, la temperatura, presión y humedad son distintas al aire circundante. Si la diferencia es bastante grande, puede modificar el índice de refracción en VHF y UHF. Una distribución aleatoria de esas manchas existe a distintas alturas en todo momento. Si un transmisor de alta potencia (más de 1 Kw.) y una antena de alta ganancia (10 dB o más) se utilizan, la energía suficiente puede ser dispersada por esas manchas hacia el receptor para hacer una comunicación fiable, posible a lo largo de varios cientos de kilómetros. Los circuitos de comunicación que utilizan este modo de propagación debe utilizar receptores muy sensibles y algún tipo de circuito especial para reducir los efectos del rápida y profundo desvanecimiento. La propagación por dispersión se limita generalmente a distancias de aproximadamente 500 km. Ruido El ruido está formado por todas las señales de radio no deseado, hechas por el hombre o naturales, degradan la recepción de información útil. La intensidad de la señal de radio es de poca importancia si la potencia de la señal es mayor que la potencia de ruido recibido. Esta es la razón por la que la relación señal / ruido (S / N) es el parámetros mas importante en un sistema receptor. Incrementando la amplificación de recepción no mejora la relación S / N, ya que ambos señal y el ruido se verían amplificadas por igual y la relación S / N se mantendrá sin variación. Normalmente, los receptores tienen más que amplificación suficiente. Ruido Natural El ruido natural tiene dos fuentes principales: las tormentas (ruido atmosférico) y las estrellas (ruido galáctico). Ambas fuentes generan fuertes pulsos de energía electromagnética en todas las frecuencias. Los pulsos se propagan de acuerdo a las mismas leyes que señales hechas por el hombre, y los sistemas de recepción debe aceptarlos junto con la deseada señal. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 20 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
El ruido atmosférico es dominante entre los 0 a 5 MHz, y el ruido galáctico es más importante en todas las frecuencias más altas. Los emisores de baja frecuencia deben generar señales muy fuertes para superar el ruido. Una antena látigo de 1,5 metros sintonizada entregará adecuadamente todos las señales que puedan ser recibidos en frecuencias inferiores a 1 MHz. Ruido hechos por el hombre Los ruidos artificiales es un producto de la civilización urbana que aparece donde se utiliza la energía eléctrica. Se genera en casi cualquier lugar donde haya un arco eléctrico (por ejemplo, sistemas de encendido del automóvil, líneas de poder, motores, soldadores de arco, las lámparas fluorescentes). Cada fuente es pequeña, pero hay tantos que juntos puede ocultar completamente una débil señal de que podría estar por encima del ruido natural en las zonas rurales. El ruido artificial es molesto cuando la antena receptora está cerca de la fuente, pero estando cerca de la fuente de ruido le da a las ondas de ruido características que pueden ser explotadas. Las ondas de ruido cerca de una fuente tienden a ser de polarización vertical. Una antena receptora polarizada horizontalmente generalmente recibe menos ruido que una antena de polarización vertical. Corrientes artificiales de ruido son inducidos por cualquier conductor cerca de la fuente, incluida la antena, línea de transmisión, y la caja del equipo. Si la antena y la línea de transmisión están equilibrados con respecto al suelo, entonces las tensiones de ruido estarán equilibradas y canceladas con respecto a los terminales de entrada del receptor (cero tensión a través de terminales), y ese ruido no será recibido. El equilibrio perfecto es difícil de lograr, pero ayuda cualquier balance. Otras formas de evitar el ruido hecho por el hombre son localizar las fuentes más molestas y desactivarlas, o mover el sistema de recepción a cierta distancia de ellas. Moverse un kilómetro de distancia de una calle o carretera con tráfico reducirá considerablemente el ruido. Aunque el ancho banda que reciben las antenas es convenientes porque no tienen que estar sintonizados para cada frecuencia de trabajo, a veces una antena de banda estrecha puede hacer la diferencia entre comunicarse o no. La banda de HF esta ahora tan llenos de usuarios que la interferencia y el ruido, y no la fuerza de la señal, son las principales razones de las malas comunicaciones. Una antena de banda estrecha rechazará fuertes señales de interferencia cerca de la frecuencia deseada y ayuda a mantener una buena comunicación.
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Fundamentos De Las Antenas Todas las radios, si transmiten o reciben, requieren algún tipo de antena. La antena acepta la alimentación del transmisor y lanza al espacio una onda electromagnética o de radio. Al el final del circuito, una antena similar recoge la energía del la onda electromagnética que pasa y lo convierte en una corriente eléctrica alterna que el receptor puede detectar. Como las antenas recojan esas ondas electromagnéticas influyen directamente en la fiabilidad y la calidad de las comunicaciones. La función de una antena depende de si se está transmitiendo o decepcionando. Una antena transmisora transforma la energía de frecuencia de radio de salida (RF) producida por un transmisor de radio (RF de potencia de salida) en un campo electromagnético que se irradia a través del espacio. La antena transmisora convierte la energía de una forma a otra forma. La antena receptora invierte este proceso. Transforma el campo electromagnético en energía de RF que se entrega a un receptor de radio. Conceptos y Términos Para seleccionar las antenas adecuadas para un circuito de radio, ciertos conceptos y términos deben entenderse. En esta sección se define varios términos básicos y las relaciones que ayudará al lector a comprender los fundamentos de las antenas. Estos incluyen: la formación de una onda de radio, campos de radiación y los patrones, la polarización, la direccionalidad, la resonancia, la recepción, reciprocidad, impedancia, ancho de banda, ganancia, y el ángulo de despegue. Formando una onda de radio Cuando una corriente eléctrica alterna fluye por un conductor, campos eléctricos y magnéticos se crean alrededor del conductor Si la longitud del conductor es muy corto comparado con la longitud de onda los campos eléctricos y magnéticos en general, desaparecerán en el plazo de una distancia de uno o dos longitudes de onda. Sin embargo, si el conductor se alarga, la intensidad de los campos se amplia. Así, una vez cantidad cada vez mayor de energía escapa al espacio. Cuando la longitud del cable se aproxime a la mitad de una longitud de onda a la frecuencia de la alternancia de la corriente aplicada, la mayoría de la energía se escapa en forma de radiación electromagnética. Para que las comunicaciones efectivas ocurran, lo siguiente debe existir: energía eléctrica alterna en forma de un transmisor, un conductor o un cable, una corriente eléctrica que fluya a través del cable, y la generación de los campos electromagnéticos en el espacio que rodea el cable. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 22 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
RADIACIÓN Una vez que un cable se conecta a la salida de un transmisor, este comienza a oscilar eléctricamente, haciendo que la onda convierta casi toda la potencia del transmisor en una radioonda electromagnética. La energía electromagnética es creada por el flujo alternante de electrones conectado en el extremo inferior del cable. Los electrones viajan sobre el alambre hacia la parte superior, donde no tienen a donde ir, son enviados nuevamente al extremo inferior. Como los electrones llegan al extremo inferior en fase, es decir, en armonía con la energía de radio aplicada por el transmisor la energía de su movimiento está fuertemente reforzada que rebotan retornando hacia arriba a lo largo del alambre. El cable es resonante a la frecuencia en la que la fuente de energía alterna este ajustada. La potencia de radio suministrada a una antena de cable simple aparece distribuida en forma homogénea por toda su longitud. La energía almacenada en cualquier ubicación a lo largo del alambre es igual al producto de la tensión y la corriente en ese punto. Si la tensión es alta en un punto dado, la corriente debe ser baja. Si la corriente es elevada, la tensión debe ser baja. La corriente eléctrica es máxima cerca del extremo inferior del cable. Los campos de radiación Cuando la energía de RF se emite a una antena, aparecen dos campos. Uno es un campo de inducción, que se asocia con la energía almacenada, el otro es un campo de radiación. En la antena, la intensidad de estos campos son grandes y son proporcionales a la cantidad de potencia de RF entregada a la antena. A poca distancia de la antena y más allá, sólo el campo de radiación permanece. Este campo se compone de un componente eléctrico y un componente magnético (ver fig. 21) Los campos eléctricos y magnéticos (componentes) radiadas por una antena forma el campo electromagnético. El campo electromagnético transmite y recibe energía electromagnética a través del espacio libre. Una onda de radio es un campo electromagnético en movimiento que tiene una velocidad de la dirección de transporte y los componentes de intensidad eléctrica y de intensidad magnética dispuestos en ángulo recto entre sí.
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Patrones de Radiación La radio señales radiadas por una antena forman un campo electromagnético con un patrón definido, en función del tipo de antena utilizada. Este patrón de radiación de la antena muestra características direccionales Una antena vertical irradia energía por igual en todas las direcciones (Omnidireccional), una antena horizontal es principalmente bidireccional, y una antena unidireccional irradia energía en una dirección. Sin embargo, los patrones suelen ser distorsionados por obstrucciones cercanas o características del terreno El patrón completo o sólido de la radiación se representa como una figura en tres dimensiones que se ve un poco como una dona con una antena de transmisión en el centro (fig. 2-2).
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POLARIZACIÓN La polarización de la onda irradiada está determinada por la dirección de las líneas de fuerza que componen el campo eléctrico. Si las líneas de fuerza del campo eléctrico son perpendiculares a la superficie de la Tierra, la onda esta polarizada en forma vertical (fig. 2-3). Si las líneas de fuerza eléctrica son paralelas a la superficie de la Tierra, la onda esta polarizada horizontalmente (fig. 2-4). Cuándo una sola antena de alambre recibe la energía de una onda de radio que pasa, la máxima energía inducida se obtiene si la antena está orientada en la misma dirección que la componente de campo eléctrico. Una antena vertical recibe ondas polarizadas verticalmente, y una antena horizontal recibe ondas de polarización horizontal. Si el campo rota cuando las ondas viajan por el espacio, la onda está polarizada elípticamente.
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REQUISITOS DE POLARIZACIÓN PARA DIFERENTES FRECUENCIAS En las frecuencias medias y bajas, la transmisión por ondas terrestres se utiliza ampliamente, y es necesario usar la polarización vertical. Líneas de fuerza verticales son perpendiculares al suelo, y la onda de radio pueden viajar una distancia considerable a lo largo de la superficie del suelo con un mínimo de pérdida. Debido a que la Tierra se comporta como un relativamente buen conductor a bajas frecuencias, las líneas horizontales de la fuerza eléctrica están en corto, el rango útil con polarización horizontal es limitada. A altas frecuencias, con la transmisión de ondas espaciales hace la diferencia si la polarización horizontal o vertical se utiliza. La onda espacial después de ser reflejada por la ionosfera, llega a la antena polarizada elípticamente. Por lo tanto, las antenas de transmisión y recepción se puede montar tanto horizontal como verticalmente. Las antenas horizontales son preferidas, ya que se puede hacer irradiar efectivamente en ángulos altos y tienen propiedades direccionales. Para frecuencias en el rango de VHF o UHF, cualquier antena polarizada horizontal o vertical es satisfactoria. Dado que la onda de radio viaja directamente de la antena transmisora a la antena receptora, la polarización original producida en la antena de transmisión es mantenida como la onda que llega a la antena receptora. Si uno antena horizontal se utiliza para la transmisión, una antena horizontal debe ser utilizado para la recepción. Los satélites y las terminales de satélite usan polarización circular. La polarización circular describe a una onda cuyo plano de polarización gira 360 ° a medida que avanza hacia adelante. La rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda (ver fig. 2-5). La polarización circular ocurre cuando las ondas de magnitudes iguales de MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 27 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
polarización vertical y horizontalmente se combinan con una diferencia de fase de 90 °. La rotación en un dirección u otra depende de la relación de fase. Ventajas de la polarización vertical Antenas simples de media onda y de cuarto de onda proporcionan comunicaciones omnidireccionales. Esto es deseable en comunicaciones con un vehículo en movimiento. La desventaja es que se irradia por igual a los enemigos y a las fuerzas amigas. Cuando la altura de la antena se limita a 3,05 metros (10 pies) o menos sobre la tierra, como en una instalación vehicular, la polarización vertical proporciona una señal de recepción más fuerte en frecuencias de hasta unos 50 MHz. De alrededor de 50 a 100 MHz, sólo hay una leve mejoría con respecto a la polarización horizontal con las antenas a la misma altura. Por encima de 100 MHz, la diferencia de intensidad de la señal entre polarización vertical y horizontal es pequeño.
Sin embargo, cuando las antenas están situadas cerca de bosques densos, las ondas polarizadas horizontalmente sufren menores pérdidas que las ondas de polarización vertical. La radiación polarizada verticalmente es ligeramente menos afectada por reflexiones de las aeronaves que vuelen sobre la vía de transmisión. Con polarización horizontal tales reflexiones causan variaciones en la intensidad de la señal recibida. Un ejemplo es el aleteo de imagen en un televisor cuando un avión interfiere con la vía de transmisión. Este factor es importante en áreas donde el tráfico de aeronaves es intenso Cuando se utiliza la polarización vertical, menor interferencia es producida o recogida de fuertes transmisiones VHF y UHF ya que utilizan la polarización horizontal. Este factor es importante cuando una antena debe estar ubicada en una zona urbana que dispone de TV o emisoras de FM.
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Ventajas de la polarización horizontal Una simple antena horizontal de media onda es bidireccional. Esta característica es útil para reducir al mínimo las interferencias desde ciertas direcciones. Las antenas horizontales tienen menos probabilidad de captar interferencias provocadas por el hombre que son ordinariamente de polarización vertical. Cuando las antenas están situadas cerca de bosques densos, las ondas de polarización horizontal sufren menores pérdidas que las ondas de polarización vertical, especialmente por encima de 100 MHz. Pequeños cambios en la ubicación de la antena no causan grandes variaciones en la intensidad del campo de ondas con polarización horizontal, cuando una antena está ubicada entre árboles o edificios. Cuando la polarización vertical se utiliza un cambio de tan sólo unos metros en la ubicación de la antena puede tener un efecto significativo sobre la intensidad de la señal recibida. Direccionalidad Las antenas verticales aceptan señales de radio por igual de todos las direcciones horizontales, así como las antenas de transmisión vertical irradian por igual en todas las direcciones horizontales. Debido a esta característica, estaciones que operen en las mismas frecuencias o en sus cercanías puede interferir a la señal deseada y hacer difícil o imposible la recepción. Sin embargo, la recepción de una señal deseada se puede mejorar mediante el uso de antenas direccionales. Antenas horizontales de media onda aceptan señales de radio de todas las direcciones. La recepción más fuerte se recibe en una línea perpendicular a la antena (es decir, de costado, y la más débil de recepción es recibida de la dirección de los extremos de la antena). Las señales de interferencia pueden ser eliminadas o reducidas al cambiar la instalación de la antena de manera que cualquiera de los extremos de la antena apunte directamente a la estación que interfiere. Las comunicaciones a través de un circuito de radio es satisfactoria cuando la señal recibida es suficientemente fuerte para anular las señales no deseadas y el ruido. El receptor debe estar dentro del alcance del transmisor. Incrementando la potencia de transmisión entre dos estaciones de radio aumenta la eficacia de las comunicaciones Además, cambiar los tipos de transmisión, cambiar a una frecuencia que no se absorbe fácilmente, o usando una antena direccional, ayuda en la eficacia de las comunicaciones Antenas de transmisión direccionales concentran la radiación en una determinada dirección y reducir al mínimo la radiación en otras direcciones. RESONANCIA Las antenas pueden ser clasificadas como resonantes o no resonantes, en función de su diseño. En una antena resonante, casi toda la señal de radio alimentada a la antena se irradia. Si la antena se alimenta con una frecuencia distinta de aquella para la que es resonante, gran parte de la señal que alimenta se perderán y no se irradia. Una antena resonante efectivamente va a irradiar una señal de radio de frecuencias cercanas a su MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 29 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
frecuencia de diseño (por lo general sólo un 2 por ciento por encima o por debajo de la frecuencia de diseño). Si una antena de resonancia se utiliza para un circuito de radio, una antena separada se debe construir para cada frecuencia que se utilizarán. Una antena de no resonante, por el contrario, será efectiva para irradiar en un amplio rango de frecuencias con menor eficiencia. Antenas resonantes y no resonantes se utilizan normalmente en circuitos tácticos. La resonancia se puede lograr de dos maneras: físicamente ajustando el largo de la longitud de la antena a la onda y electrónicamente ajustando el largo de la longitud de la antena a la onda. RECEPCIÓN Las ondas de radio que salen de la antena de transmisión tendrán influencia, y serán influenciados por cualquier electrón en su camino. Por ejemplo, una onda de alta frecuencia entra a la ionosfera, y es reflejada o refractada de nuevo a la tierra por la acción de los electrones libres en esta región de la atmósfera. Cuando la onda de radio se encuentra con el hilo o conductores metálicos de la antena de recepción, el campo eléctrico de la onda de radio hará que los electrones de la antena oscilen hacia atrás y adelante sucesivamente al paso de la onda. El movimiento de estos electrones dentro de la antena genera una pequeña corriente eléctrica alterna que es detectado por el receptor de radio. Cuando las ondas de radio encuentran electrones que se mueven libremente bajo la influencia del campo eléctrico de la onda, los electrones libres oscilan en solidaridad con la onda. Esto genera corrientes eléctricas que a continuación, crean ondas propias. Estas nuevas ondas son reflejada o dispersadas. Este proceso es llamado dispersión electromagnética. Todos los materiales que son buenos conductores de electricidad reflejan o dispersan la energía de RF. Ya que una antena de recepción es un buen conductor, también actúa como un buen difusor. Sólo una parte de la energía que esta en contacto con la antena se convierte en energía eléctrica recibida; una parte considerable de la potencia total es re-irradiada por el alambre. Si una antena se encuentra en un entorno urbano congestionado o dentro de un edificio, hay muchos objetos que dispersan o re-irradian la energía de una manera que puede ser perjudicial a la recepción. Por ejemplo, el cableado eléctrico en el interior de un edificio puede volver a irradiar fuertemente energía de radiofrecuencia. Si una antena de recepción se encuentra en las proximidades de cables, es posible que la energía reflejada cancele la energía recibida de la señal deseada. Cuando esta condición existe, la antena receptora debe ser movida a otra ubicación dentro de la habitación donde las señales directa y reflejadas puedan reforzarse en vez de cancelarse una a otra. RECIPROCIDAD Las diversas propiedades de una antena se aplican por igual, independientemente de que si la antena se utiliza para transmitir o recibir. Es lo que se entiende por reciprocidad de las antenas. Por ejemplo, la más eficiente antena para transmitir será la más eficiente para la recepción en la misma frecuencia. Las propiedades directiva de una antena dada serán las mismas si se utiliza para la transmisión o recepción. Por ejemplo, la figura 2-6 muestra una antena especial que se utiliza con un transmisor MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 30 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
que irradia una cantidad máxima de energía en ángulo recto al cable de la antena. Hay una cantidad mínima de radiación a lo largo del eje de la antena. Si esta antena se utiliza como una antena receptora, esta recibe mejor en la misma dirección en que produce la radiación máxima (es decir, en ángulo recto a la eje de la antena). Hay una cantidad mínima de señal recibida de los transmisores situados en línea con el cable de la antena.
IMPEDANCIA La impedancia es la relación entre tensión y corriente en cualquier punto de un circuito de corriente alterna. La impedancia de una antena es igual a la relación de la tensión y la corriente en el punto donde la antena está conectada a la alimentación. Si el punto de alimentación esta ubicado en un punto de máxima corriente, la impedancia de la antena es de 20 a 100 ohmios. Si el punto de alimentación se traslada a un punto de tensión máxima la impedancia es tanto como 500 a 10.000 ohmios. La impedancia de entrada de una antena depende de la conductividad o impedancia de la tierra. Por ejemplo, si la masa es una simple estaca clavada a un metro dentro de la tierra de conductividad promedio, la impedancia del monopolo puede ser el doble o incluso el triple de los valores citados Debido a que esta resistencia adicional ocurre en el punto de máxima corriente se producirá una gran cantidad de potencia de transmisión que se disipará en forma de calor en el suelo en lugar de radiada según lo previsto. Por lo tanto, es esencial proveer una buena conexión de masa o masa artificial cuando se usa una antena tipo látigo vertical o monopolo. La cantidad de energía que irradia una antena depende de la cantidad de corriente que fluye en ella. La potencia máxima se irradia cuando fluye la máxima corriente. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 31 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Máximo flujo de corriente cuando la impedancia se reduce al mínimo, cuando la antena está resonante de manera que su impedancia es resistencia pura. (Cuando reactancia capacitiva se hace igual a la reactancia inductiva, que se cancelan entre sí, y la impedancia es igual a la resistencia pura.) ANCHO DE BANDA El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias en que la antena resonara dentro de ciertos límites especificados. Estos límites están dados con respecto a la adaptación de impedancias, la ganancia y / o patrón de radiación. Los límites de especificación típicos son: • Un desajuste de impedancia de menos de 2:1 con respecto a impedancia estándar como 50 ohmios. • Una pérdida en la ganancia o la eficiencia de no más de 3 dB. • Un patrón de directividad del haz cuyo haz principal es de 13 dB mayor que cualquiera de los lóbulos laterales y un lóbulo posterior por lo menos 15 dB por debajo del haz principal. • El Ancho de banda se mide cambiando la frecuencia de un generador de rf por encima y por debajo de frecuencia central y midiendo la potencia de salida. Las frecuencia altas y bajas donde la potencia de salida sea la mitad (-3 dB) de lo que era en el centro, define el ancho de banda. Se expresa en frecuencia o en porcentaje. En el proceso de comunicación de radio, la información cambia de hablada a información escrita en una señal de baja frecuencia que se utiliza para modular, producen cambios, en una señal de radio frecuencia mucho más alta. Cuando son transmitidas por una antena, estas señales de radio llevan la información a la antena de recepción, donde se recoge y es convertida en el discurso original o la escritura. Hay leyes naturales que limitan la cantidad de información o señal que puede ser transmitida recibida en un momento dado. Cuantas más palabras por minuto, cuanto mayor sea la velocidad y la frecuencia de modulación, se necesita un mayor ancho de banda. Para transmitir y recibir toda la información necesaria, el ancho de banda de la antena tiene que ser tan ancha o más ancho que el ancho de banda de la señal, de lo contrario, limitar la frecuencia de la señal causara que la señal sonora o la señal escrita sea ininteligible. Demasiado amplitud de ancho de banda también es malo, ya que acepta sonidos adicionales y se degrada la relación el S / N. Figura 2-7 muestra cómo se define el ancho de banda de la señal y da algunos ejemplos de ancho de banda requeridos para transmitir distintos tipos de información
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GANANCIA La ganancia de la antena depende de su diseño. Las antenas de transmisión son diseñados para una alta eficiencia en la radiación de energía, y las antenas receptoras están diseñadas para una alta eficiencia en la ganancia de energía. En muchos circuitos de radio, la transmisión se realiza entre un transmisor y una sola estación receptora. La energía es radiada en una dirección, ya que sólo es útil en esa dirección. Las antenas receptoras direccionales aumentan la ganancia de energía en la dirección favorecida y reducen la recepción de ruidos no deseados y señales de otras direcciones. Las antenas transmisoras y receptoras deben tener pequeñas pérdida de energía y deben ser eficientes como radiadores y receptores. TAKE-OFF ANGULO El ángulo de despegue de la antena es el ángulo sobre el horizonte que una antena irradia la mayor cantidad de energía (ver fig. 2-8). MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 33 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Las antenas de comunicaciones en VHF están diseñadas para que la energía sea transmitida paralela a la Tierra (no confundir ángulo de despegue con polarización). El ángulo de despegue de una antena de comunicaciones HF puede determinar si el circuito es correcto o no. Las antenas de HF están diseñadas para determinados ángulos de despegue, dependiendo de la distancia a cubrir. Se utilizan altos ángulos de despegue para las de corto alcance y de bajo ángulos de despegue se utilizan para comunicaciones a grandes distancias.
Efectos de tierra Como la mayoría de las antenas se erigen sobre la Tierra y no por en el espacio libre, con excepción de las de los satélites, la tierra altera los patrones de radiación de las antenas. El suelo también afecta a algunas de las características eléctricas de una antena. Tiene el mayor efecto sobre las antenas que se deben montar relativamente cerca de la tierra en términos de longitud de onda. Por ejemplo, antenas de alta y media frecuencia elevadas sobre la tierra sólo por una fracción de una longitud de onda, se tienen patrones de radiación que son bastante diferente de los patrones al espacio libre. TEORÍA DE TIERRA DE ANTENAS El suelo es un buen conductor para frecuencias medias y bajas y actúa como un gran espejo de la energía radiada. El suelo refleja una gran cantidad de energía que se irradia hacia abajo desde una antena montada sobre él. Usando esta característica de la tierra, una antena sólo un cuarto de longitud de onda larga se puede convertir en el equivalente en términos de una antena de media onda. Una antena de cuarto de onda erigido verticalmente, con su extremo inferior conectada eléctricamente a la tierra (fig. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 34 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
2-9), se comporta como una antena de media onda. El suelo toma el lugar de los cuartos de longitud de onda faltante y la reflexión abastece la parte de la energía radiada que normalmente seria suministrados por la mitad inferior de una antena de media onda sin conexión a tierra.
TIPOS DE MASAS
TIPOS DE MASAS Cuando se utilizan antenas conectadas a masa, es especialmente importante que la masa tenga una conductividad tan alta como sea posible. Esto reduce la pérdidas de masa y proporciona la mejor superficie reflectiva que sea posible para la energia radiada por la antena que va hacia abajo. En frecuencias bajas y medias, la tierra acta como un buen conductor. La conexión de masa debe hacerse de tal manera de introducir la menor cantidad posible de resistencia a la masa. A frecuencias más altas, son comunes las masas artificiales construidas de grandes superficies metálicas. Las conexiones a tierra adoptan muchas formas, dependiendo del tipo de instalación y de las perdidas que se pueden tolerar. En el campo muchas instalaciones simples, la conexión a tierra se realiza mediante varillas metálicas clavadas en el suelo. Cuando las conexiones más satisfactorias no se pueden hacer, los cables de tierra se pueden conectar a dispositivos existentes. Estructuras metálicas o sistemas subterráneos de tuberías se utilizan comúnmente como conexiones a tierra. Cuando la antena debe ser erigida sobre el suelo con baja conductividad, se debe MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 35 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
tratar el suelo para reducir la resistencia. Tratar el suelo con sustancias que son de alta conductividad en disolución. Algunas de estas sustancias, enumerados en orden de preferencia, son cloruro de sodio (sal común), cloruro de calcio, sulfato de cobre, sulfato de magnesio, y el nitrato de potasio (salitre).La cantidad requerida depende del tipo de suelo y su contenido de humedad. Para las instalaciones simples en el campo, una conexión de tierra puede ser fabricarse de una tubería o conducto. Es importante que una conexión de baja resistencia deba ser hecha entre el cable de tierra y la varilla de tierra. La varilla se debe limpiar a fondo por raspado con papel de lija en el punto donde la conexión se deba hacer, y una abrazadera limpia debe ser instalada. Un cable de tierra puede ser soldado o conectado con una abrazadera. Esta conexión debe estar cubierta con cinta adhesiva para evitar un aumento de la resistencia debido a la oxidación. Contramasa Cuando una conexión a tierra real no se puede utilizar debido a la alta resistencia del suelo o porque una conexión a estructuras metálicas no es practica, un contramasa se puede utilizar para sustituir la habitual conexión a tierra. La contramasa (fig. 2-10) consiste en un dispositivo de alambre, que se levanta a poca distancia por encima de la suelo y aislado de el.
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El tamaño de la contramasa debe ser por lo menos igual o mayor que el tamaño de la antena. Cuando la antena esta montada verticalmente, la contramasa debe ser convertida en un patrón geométrico simple. La simetría perfecta no es requerida. La contramasa le representa a la antena como una masa artificial que ayuda a producir el patrón de radiación necesaria. En algunas instalaciones de antenas de VHF en los vehículos, el techo metálico del vehiculo se utiliza como una contramasa para la antena. Pequeñas contramasa de malla metálica se utilizan a veces con antenas de VHF que deben estar localizadas a una distancia considerable por encima de la terreno. Pantalla de masa Una pantalla de masa consta de un rea bastante grande de malla metálica o pantalla que se coloca en la superficie de la tierra bajo la antena. Hay dos ventajas específicas a la utilización de pantallas de masa. En primer lugar, la pantalla de masa reduce la absorción del suelo que se producen cuando una antena se erige sobre el suelo con conductividad pobre. En segundo lugar, la altura de la antena se puede ajustar con precisión, y la resistencia de radiación de la antena se puede determinar con mayor precisión. Cálculo de Longitud de la antena La longitud de una antena debe ser considerada de dos maneras: física y eléctrica. Las dos nunca son iguales. La reducida velocidad de la onda en la antena y un efecto capacitivo (efecto final) hacen que la antena parezca mas largas eléctricamente que físicamente. Los factores que contribuyen son la relación entre el diámetro de la antena y su longitud y el efecto capacitivo de los equipos terminales (por ejemplo, aisladores o abrazaderas) destinados a apoyar la antena. Para calcular la longitud física de la antena, se utilice una corrección de 0,95 para frecuencias de entre 3 y 50 MHz. Las cifras mencionadas son para una antena de media onda
La longitud de una antena de alambre largo (de una longitud de onda o ms) para una operación armónica se calcula utilizando la siguiente formula, donde N = número de medias longitudes de onda en la longitud total de la antena.
La longitud de una antena de alambre larga (una longitud de onda o más) para funcionamiento armónico se calcula utilizando la siguiente fórmula, MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 37 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
donde N = número de medias longitudes de onda en la longitud total de la antena.
Ejemplo: 3 medias longitudes de onda a las 7 MHz son:
Orientación de la antena La orientación de una antena es extremadamente importante. Determinar la posición de una antena en relación con los puntos de la brújula puede marcar la diferencia entre un circuito de radio marginal y bueno.
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AZIMUTH Si el azimut de la trayectoria de la radio no esta previsto, se determina por el mejor medio disponible. La precisión que se requiere depende del patrón de radiación de la antena direccional. Si el ancho del haz de la antena es muy amplio (por ejemplo, ángulo de 90 entre los puntos de media potencia) un error de 10 es de poca importancia.
En la operación transportable, las antenas la rómbica y en V pueden tener un haz estrecho que es necesario para determinar el azimut con gran precisión. Gran precisión no es requerido para erigir antenas de radiodifusión. A menos que una línea de acimut conocida este disponible en el sitio, la dirección de la trayectoria se puede determinar mejor con una brújula magnética. La figura siguiente es un mapa de la declinación magnética, que muestra la variación de la aguja de la brújula desde el norte verdadero.
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Figure 2-12. Magnetic Declination over the World.
Mejora de las Comunicaciones marginales No siempre puede ser factible orientar antenas direccionales al acimut correcto de la señal de radio deseado y en consecuencia se producen comunicaciones marginales. Para mejorar las comunicaciones marginales se deberán: Revisar, ajustar todos los acoples y conexiones por cable. Resintonice todos los transmisores y receptores en el circuito. Compruebe que las antenas se ajustan a la correcta frecuencia. Cambiar las alturas de las antenas. Mueva las antenas una corta distancia y en distintos lugares de su ubicación original. Separe los transmisores de equipos de recepción, si es posible.
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Transmisión y recepción de señales fuertes Después que un sitio adecuado ha sido seleccionado y la antena adecuadamente orientada, el nivel de señal en el receptor es proporcional a la fuerza de la señal transmitida. Si una antena de alta ganancia se utiliza, una señal mas fuerte se puede obtener. Las pérdidas entre la antena y el equipo se puede reducir mediante una línea de alta calidad de transmisión, lo mas corto posible, y ajustadas correctamente en ambos extremos. LINEAS DE TRANSMISION Las líneas de transmisión (líneas de alimentación de la antena) guan la energía eléctrica desde el transmisor al receptor. Estudiaremos principalmente las líneas de transmisión con antenas de campo. Para las radios y antenas estándar, utilice un cable coaxial estándar . Mientras las radios, cables, antenas se mantengan trabajando en orden, estos funcionar tal como fueron diseñado y no requiere de ningún ajuste o cambio. PROPIEDADES Tipos de línea de transmisión Las líneas de transmisión se clasifican de acuerdo a la construcción y longitud, y se dividen en dos categorías principales: línea equilibrada y desequilibra línea. Los términos equilibrados y desequilibrados describir la relación entre los conductores de líneas de transmisión y la Tierra. Las líneas de transmisión se pueden clasificar como líneas resonante o no resonante, cada una de las cuales pueden tener ventajas sobre los otros en virtud de un determinado conjunto de circunstancias. Línea balanceada. Una línea balanceada se compone de dos conductores idénticos, usualmente, alambres circulares, separado por aire o un material aislante (dieléctrico). Las tensiones entre cada conductor y masa producida por una onda de radiofrecuencia, se mueve hacia abajo, son iguales y opuestas (es decir, en un momento uno de los conductores soporta una tensión positiva con respecto a tierra, el otro soporta una tensión negativa de igual magnitud). Algunas líneas balanceadas llevan un tercer conductor en forma de una pantalla trenzada, que acta como tierra terreno. Conductores espaciados a cierta distancia son comúnmente utilizados.
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Línea desbalanceada: La línea no balanceada es por lo general una línea o cable coaxial abiertos de un solo cable. Es la mitad de una línea equilibrada. Lena no resonante: Una línea no resonante es una línea que no tiene ondas estacionarias de corriente y tensión. Es infinitamente larga o es terminada en su impedancia característica. Debido a que no hay reflexiones, toda la energía que pasa a lo largo de la línea es absorbida por la carga (a excepción de la pequeña cantidad de energía disipada por la línea). MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 42 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Línea Resonante: Una línea de transmisión resonante tiene ondas estacionarias de corriente y voltaje. La línea es de longitud finita y no termina en su impedancia característica. Las ondas reflejadas Istn presentes. Una línea resonante, como un circuito sintonizado, es resonante a una frecuencia determinada. La línea de resonancia presentar, a su fuente de energía, una impedancia resistiva alta o baja en múltiplos de un cuarto de longitud de onda. Si la impedancia es alta o baja en estos puntos depende de si la línea es corta o abierta en el extremo de salida. En los puntos que no es múltiplo exacto de un cuarto de longitud de onda, la línea acta como un condensador o un inductor. Minimizando la pérdida de ENERGÍA Para comunicarse con una pérdida de energía mínima, elementos como la adaptación de impedancia y atenuación (pérdidas en la línea) deben ser consideradas. Impedancia Se denomina impedancia característica de una línea de transmisión a la relación existente entre la diferencia de potencial aplicada y la corriente absorbida por la línea en el caso hipotético de que esta tenga una longitud infinita, o cuando aun siendo finita no existen reflexiones. En el caso de líneas reales, se cumple que la impedancia de las mismas permanece inalterable cuando son cargadas con elementos, generadores o receptores, cuya impedancia es igual a la impedancia característica. La impedancia característica es independiente de la frecuencia de la tensión aplicada y de la longitud de la línea, por lo que esta aparece como una carga resistiva y no se producirán reflexiones por desadaptación de impedancias, cuando se conecte a ella un generador con impedancia igual a su impedancia característica. De la misma forma, en el otro extremo de la línea esta aparece como un generador con impedancia interna resistiva y la transferencia de energía será máxima cuando se le conecte un receptor de su misma impedancia característica. No se oculta, por tanto, la importancia de que todos los elementos que componen un sistema de transmisión presenten en las partes conectadas a la línea impedancias idénticas a la impedancia característica de esta, para que no existan ondas reflejadas y el rendimiento del conjunto sea máximo. La impedancia característica de una línea de transmisión depende de los denominados parámetros primarios de la misma que son: Resistencia eléctrica, Capacitancia, inductancia y conductancia eléctrica La conductancia es la inversa de la resistencia de aislamiento entre los conductores que forman la línea.
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Las corrientes y las ondas no se pueden mover de un lugar a otro sin una disipación, su flujo es impedido. La impedancia describe la naturaleza y el tamaño de lo que impide su flujo. La impedancia es una importante cuenta en la selección de la línea de transmisión adecuado. Una onda de radio se compone de campos eléctricos y magnéticos dispuestos perpendicularmente entre si en la dirección que viaja la onda. La impedancia asociada con esa onda es el cociente entre la diferencia de potencial (Voltaje) y la corriente (amperaje) en un punto dado a lo largo de una línea de transmisión. La fórmula es la siguiente:
En líneas de transmisión, debido a la relación de frecuencia - largo, la característica de impedancia es más a menudo discutida en términos de capacitancia e inductancia. En los circuitos convencionales que contienen inductores y condensadores, la inductancia y capacitancia están agrupadas. En una línea de transmisión de radiofrecuencia, sin embargo, la inductancia y capacitancia se distribuyen a lo largo de toda la línea y no pueden ser separados unos de otros. Si un transmisor está conectado a una línea de transmisión que se termina en una carga cuya impedancia es diferente a la de la línea, sólo una parte de la energía disponible ser aceptada por la antena, y el resto se refleja por la línea en la dirección del transmisor. La energía viaja en ambas direcciones a lo largo de la línea. Si un transmisor está conectado a una línea de transmisión terminada en una de carga cuya impedancia es exactamente igual a la impedancia de la línea, la línea absorber toda la energía a excepción de la que perdió por la resistencia y las pérdidas MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 44 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
dieléctricas de la línea. La corriente que fluye a través de la línea se distribuye uniformemente a lo largo de su longitud, y el voltaje entre los conductores de la línea ser igual en todos los puntos. Cundo esta condición existe se dice que esta perfectamente equilibrada y lleva solamente una onda incidente. Si la impedancia de la línea de transmisión y la carga son iguales a la impedancia interna (Impedancia de salida) del transmisor, una transferencia máxima de energía (la menor pérdida del sistema) se alcanza (es decir, el transmisor o receptor, la línea de transmisión, y la antena están todos a la misma impedancia), y ocurrirá la mejor transferencia posible de energía Optimizando la longitud de la línea Cuando es necesario utilizar una línea de transmisión cuya impedancia es significativamente diferente de la de la carga, es posible hacer buen uso de las ondas estacionarias y las repetidas variaciones de impedancia a lo largo de la línea para que coincida la antena del transmisor o el receptor cortando la línea a una longitud determinada. Un ejemplo es cuando el único equipo disponible consiste de una línea de transmisión de 300-ohm; una antena dipolo de media onda de 50-ohm, y un transceptor de impedancia interna de 50-ohm. Por lo general, esta combinación de impedancia se traducirá en pérdida de energía que podrán afectar a la calidad de las comunicaciones. Sin embargo, si una sola frecuencia se utiliza para la comunicación, la distancia entre la antena y el receptor puede ser igualado. Esto se debe a que la impedancia del receptor se repite a intervalos de media longitud de onda a lo largo de la línea. Por otro lado, las antenas de alambre largo, un ajuste de impedancia similar se puede realizar alimentando el largo del alambre con un trozo de cuartos de longitud de onda de cable que va conectado al transmisor en un extremo y hasta el final del cable largo, por el otro. La sección de un cuarto de longitud de onda no tiene por que ser una pieza separada de alambre. Para una antena de 2-longitudes de onda, por ejemplo, el cable se puede cortar a 2 1 / 4 longitudes de onda. La sección completa de cuartos de longitud de onda se convierte en la línea de transmisión entre la radio y la antena. Atenuación Las líneas de transmisión no transfieren toda la energía aplicada en una línea hacia el extremo opuesto. La atenuación es la energía que se pierde en parte por la resistencia del conductor (cable) Más energía se pierde debido al material utilizado para el aislamiento entre los conductores (pérdidas dieléctricas). Algunos de los materiales aislantes (por ejemplo, teflón) tiene pérdida muy baja, mientras que otros (por ejemplo, caucho o madera) con pérdida relativamente altos, especialmente a frecuencias superiores a cerca de 30 MHz. La madera seca puede ser hervida en parafina o cera de abeja para hacer un aislante muy bueno en las frecuencias hasta cerca de 200 MHz. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 45 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Polietileno, un aislamiento común utilizado en los cables coaxiales, tiene una pérdida promedio de casi el doble de la de teflón en el rango de 100-MHz para los cables de un diámetro de menos de un centímetro. El aire seco es mejor aislante que materiales más sólidos, líquidos o flexibles. Algunos gases inertes (por ejemplo, nitrógeno, helio y argon) son superiores a la atmósfera y se utilizan a menudo bajo presión para llenar los cables coaxiales utilizados con los transmisores de alta potencia. Dado que los resultados de la atenuación, dependen de la resistencia del conductor y la pérdida del dieléctrico, las líneas de transmisión que usan conductores de gran diámetro pierden menos energía que los cables conductores de pequeño diámetro. Además, la líneas de transmisión que tengan un espacio grande entre los conductores (de alta impedancia), pierden menos energía que los mas pequeños con un espacio menor (Menor impedancia), ya que al llevar pequeñas corrientes hay menor pérdida de energía en la resistencia del conductor. Por lo tanto, conductores gemelos de 300ohm tienen menos pérdidas que el cable coaxial en la mayora de las frecuencias. Entre cables coaxiales, cuanto mayor sea el diámetro, menor será la pérdida, suponiendo que el aislante que se utiliza sea el mismo. También es cierto que el cable coaxial, de una impedancia de 75 ohmios, tiene una pérdida ligeramente inferior al cable de 50-ohm cuando ambos cables tienen aproximadamente el mismo diámetro. Cuando haya que elegir, lo mejor es utilizar la mejor línea de transmisión disponible que coincida con la impedancia de la antena y el transmisor. HACIENDO EL MEJOR USO DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A menudo es necesario para alimentar una antena balanceada (por ejemplo, un dipolo horizontal) con cable coaxial. Si bien esto no se considera una buena practica, se lleva a cabo de manera satisfactoria en la mayora de condiciones. Cuando el cable coaxial se utiliza para este fin, debe estar perpendicular a los cables dipolo para una distancia mayor que la mitad del largo del dipolo. Esto ayuda a prevenir que la potencia de RF no deseados sea inducida en el blindaje externo del cable. También es aconsejable que se asegure que la longitud total del cable coaxial y un lado de la antena no sea igual a la mitad de la longitud de onda o cualquier múltiplo de la misma. Esto evitara que el conductor exterior entre en resonancia y actúe como parte de la radiación de la antena. La misma precaución se debe tomar con la línea de transmisión de dos hilos. Ocasionalmente, también puede ser necesario para alimentar a una antena desbalanceada (por ejemplo, un látigo con la línea de dos hilos o una línea balanceada). Una vez más esto es no se considera una buena práctica, pero los efectos negativos pueden reducirse al mínimo si se tiene cuidado. Si el transmisor tiene un circuito de salida equilibrado, se experimentara poca dificultad. Sin embargo, si la salida no esta equilibrada, la terminal caliente o el centro del cable coaxial en la salida del transmisor deberá estar conectada al mismo cable de dos hilos como es el látigo vertical en el otro extremo del cable doble. Esto asegura que el lado de tierra de la salida del transmisor se conecta al lado de la de dos hilos que va al lado de tierra de la antena desequilibrada. Si el conductor doble está invertido y la terminal de tierra de la antena es conectada MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 46 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
a la terminal caliente del transmisor, una gran parte de la salida del transmisor puede ser desperdiciada, por lo que las comunicaciones serán difíciles o imposibles. Doble hilo del tipo usado con aparatos de televisión por lo general tienen un vivo y un conductor de cobre desnudo. Este código de colores fácilmente permite la conexión correcta del transmisor a la antena. También es aconsejable que la longitud de los dos hilos sean iguales a la mitad de la longitud de onda o cualquier múltiplo de una media onda Cuando sea posible, el cable doble debe ser retorcida formando una hélice con alrededor de un giro cada treinta centímetros, más o menos. Torcer ayuda a prevenir la radiación de la línea de transmisión y reduce la captación de ruido cuando se recibe. Limitaciones de dos hilos En general no es aconsejable utilizar la línea de dos hilos o equilibrada en las frecuencias superiores a 200 MHz, por tres razones: En primer lugar, el espacio entre los dos cables se vuelve lo suficientemente grande en términos de longitud de onda que se producen irradiación de la línea. Cuando se emplean longitudes de más de 30 metros, esta radiación puede representar una pérdida significativa de energía. En segundo lugar, si las líneas de dos hilos o equilibrada debe entrar en contacto cercano (Menos de 2 o 3 cm) con las superficies metálicas, albañileria o madera, se encuentran pérdidas adicionales debido al cambio de impedancia sustancial que se lleva a cabo a lo largo del tramo de la línea junto a la superficie. Esta pérdida se hace evidente en las frecuencias por encima de 200 MHz ya que la longitud del tramo afectado se convierte en una parte sustancial de una longitud de onda. A frecuencias más bajas, la sección de la línea en cuestión es demasiado corta como para ser seriamente afectados. En tercer lugar, la línea de dos hilos recoge más interferencias generadas localmente que el cable coaxial ya que el conductor externo del cable coaxial acta como un protección para el conductor central. La radiación y la captación de ruido por parte de un cable doble puede ser parcialmente impedido girando el cable una vez cada 20 o 30 centímetros. Conexión directa entre el transmisor y la antena. En muchos casos el emisor o el receptor se puede conectar directamente a la antena sin necesidad de utilizar una línea de transmisión. Esto es particularmente cierto con antenas interiores en el rango de alta frecuencia y con muchas antenas látigo VHF diseñadas para utilizar con transceptores de mochila. Cuando una conexión directa es hecha entre un transmisor y la antena a frecuencias inferiores a 30 MHz o cuando la longitud del de la antena es mucho mas corto de 0,25 MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 47 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
lambda, el circuito de salida del transmisor por lo general contiene un dispositivo que se pueden utilizar para sintonizar la antena de manera eficiente a la resonancia. Este ajuste en realidad coincide con la impedancia de la antena a la impedancia de salida de el transmisor. Cuando un transmisor-receptor VHF está diseñado para conectarse directamente a una antena látigo o contenida dentro del equipo, el circuito de salida suele estar diseñado para acomodarse a la gama de impedancias probable que se encuentre. La eficiencia de estos dispositivos es generalmente baja, debido a que el circuito de retorno de la antena esta dado por la caja del transmisor, la mano y el cuerpo de la persona que ocupa el dispositivo. La impedancia de la antena puede variar con frecuencia en un rango de 5 a 1 o mayor. Por lo tanto, la eficiencia de la antena de entre un 25 a un 50 por ciento no son poco comunes con estos dispositivos. BALUNS Hay veces que una antena equilibrada debe ser utilizada con un transmisor que tiene una salida no balanceada o con un receptor con un circuito de entrada desbalanceado. Si bien es posible hacer una conexión directa entre dispositivos equilibrados y desequilibrados, ciertamente no es una buena práctica. Un balun se puede utilizar para transformar la energía desde dispositivos balanceados a desbalanceados y viceversa. La palabra balun viene de transformador equilibrado a desequilibrado. Muchos tipos balun se construyen fácilmente en el campo. Su uso a menudo puede hacer la diferencia entre las comunicaciones marginales y un contacto completamente sólido. Esto puede ser especialmente cierto en el caso de que un balun puede resultar en una reducción sustancial de la cantidad de ruido causados por el hombre y la interferencia recibida por pobremente sistema de antena balanceada. El balun se suele colocar en los terminales de antena de modo que una línea de transmisión coaxial pueda ser utilizada. Sin embargo, es posible alimentar a una antena balanceada con dos hilos o cualquier tipo de balanceada, y el balun se coloca cerca del transmisor o terminales del receptor (vanse las figs. 3-2 y 3-3).
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Conectores Los conectores están disponibles para todas las líneas de transmisiones estándar. Aunque se necesita algo de tiempo para preparar los extremos del cable y acondicionarlos para soldarlos, bien vale la pena si es necesario mas tarde un montaje o desmontaje rápido de un sistema de comunicaciones. Antena equilibrada Es muy conveniente usar una antena de recepción que esté equilibrado con respecto a tierra. Esto asegura la insensibilidad de la antena a ruidos generados localmente. Equilibrar sólo la antena de recepción no es suficiente. Todo el sistema receptor debe estar equilibrado con éxito para rechazar el ruido. La antena debe estar conectada al receptor a fin de no alterar el equilibrio de la antena. Los receptores se suministran ya sea con terminales para antena equilibrada o desequilibrada, y a veces ambos. Selección de antena HF La parte de alta frecuencia del espectro de radio es muy importante para las comunicaciones. Las ondas de radio en el rango de 3 a 30 MHz son las únicas que son capaces de ser reflejada o devuelta a la Tierra por la ionosfera con una regularidad predecible. Para optimizar la probabilidad de una comunicaciones por enlace exitosa, seleccione la frecuencia y el ángulo despegue que sea el más apropiado para la hora del día en que la transmisión se lleve a cabo. Simplemente seleccionando una antena que irradie en un ángulo de elevación mas alto no es suficiente para garantizar una comunicación óptima. Varios grandes objetos, en particular, la superficie de la Tierra, pueden modificar el patrón de radiación de una antena.
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A veces, los objetos cercanos puede modificar el patrón de la antena favorablemente al concentrar más poder hacia la antena de recepción. A menudo, la alteración del patrón da como resultado menor señal transmitida hacia el receptor. Al seleccionar un emplazamiento de la antena, el operador debe impedir que muchos objetos dispersen la señal como sea posible. Como la superficie de la Tierra afecta a la diagrama de radiación depende de la altura de la antena. La optima altura sobre el suelo es de aproximadamente 0,4 lambda en la frecuencia de transmisión. Sin embargo, la altura exacta no es crítica. Aunque NVIS es el modo principal de propagación de HF de corta distancia, la onda de superficie y la direccional también son útiles para distancias cortas Hasta que punto una onda de superficie es util depende de la conductividad eléctrica del terreno o cuerpo de agua sobre la que viaja. La onda directa es util sólo para el horizonte de radio, que se extiende un poco más allá del horizonte visual. PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE ANTENAS La selección de la antena adecuada para un circuito de radio de alta frecuencia es muy importante. Al seleccionar una antena HF, en primer lugar se debe considerar el tipo de propagación. La propagación de la onda por superficie requiere de bajo ángulo de despegue vertical y antenas polarizadas. La antena de látigo incluido en todas las radios proporciona una buena radiación omnidireccional. Si una antena direccional es necesaria, seleccione uno con un bajo ángulo de radiación vertical Con la características de radiación de una antena de látigo, la potencia radiada del transmisor podrá ser de 300 vatios para un ángulo de despegue requerido para un circuito de 200 millas. Si un dipolo horizontal de 35 pies de media onda se utiliza en lugar de la antena látigo, la potencia radiada podría ser de 5.000 vatios. Al utilizar el dipolo en lugar del látigo, la potencia radiada se incrementa más de 16 veces. Un circuito con 5.000 vatios de potencia irradiada produce una mejor señal que de un circuito de 300 vatios en la misma frecuencia. La selección de una antena para la propagación ionosférica es más compleja. En primer lugar, buscaremos el rango de distancia para determinar el ángulo de despegue. Tabla 4-1 da aproximadamente el ángulo de despegue para la propagación de la onda en cielo diurno y nocturno.
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Una distancia de 966 kilómetros (600 millas) requiere un ángulo de aproximadamente 25° durante el día y de 40° en la noche. Seleccione una antena de alta ganancia. Si se dispone de predicciones de propagación, omita este paso, ya que las predicciones probablemente le dará los ángulos de despegue requeridos. A continuación, determine la cobertura requerida. Un circuito de radio móvil o varias estaciones en diferentes direcciones requiere una antena omnidireccional. Un enlace punto a punto utiliza una antena direccional o bidireccional. Normalmente, la ubicación de las estaciones receptoras dictan esta decisión. Antes de seleccionar una antena especifica, examine los materiales para la construcción disponibles Al menos dos soportes son necesarios para construir un dipolo horizontal, con un tercer soporte en la mitad para frecuencias de 5 MHz o menos. Si estos soportes u otros elementos para utilizar como soporte no están disponible, el dipolo no se puede construir, y otra antena debe ser seleccionada. Examine el emplazamiento de la antena propuesta para determinar si la antena se ajusta. Si no, seleccione una antena diferente. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 51 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
El sitio es otra consideración. El ajuste ideal de una antena será en una zona despejada, plana (es decir, sin rebotes, edificios, cercas, líneas eléctricas, o montañas). Por desgracia, este tipo de ubicación es rara vez disponible. Elija la zona más clara y plana, posible. Si el sitio propuesto está obstruido trate de mantener la distancia horizontal que figura en el cuadro 4-2. Con frecuencia, una antena debe ser construido sobre sitios irregulares. Esto no significa que la antena no funcione, significa que el sitio puede afectar el patrón de la antena y el funcionamiento.
Después de seleccionar la antena, determine como transferir la potencia de la radio a la antena. La mayora de las antenas tácticas son alimentados con cable coaxial (RG-213). El cable coaxial es eficiente cómodo de usar y durable. Las hojas de datos de antenas incluyen los conectores necesarios para el cable coaxial o para la conexión directa la radio.
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Pueden surgir problemas en la conexión de antenas de campo. El dipolo de media onda horizontal utiliza una línea de transmisión equilibrada (Open-cable). El cable coaxial se puede usar, pero puede causar corrientes no deseados Un balun impide el flujo de corriente de RF no deseados, que causa que una radio se caliente y una descarga eléctrica pueda afectar al operador. Instale el balun en la alimentación del dipolo (centro) para evitar el flujo de corriente de RF no deseados en el cable coaxial Si un balun no esta disponible, utilice el cable coaxial que alimenta la antena como el estrangulador (ver fig. 4-2).
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Conecte el centro del cable a una pierna del dipolo y la malla del cable a la otra. Formar con el cable coaxial una bobina de 6 pulgadas (que consta de diez vueltas), y encintarla en el aislador de apoyo. DETERMINACIÓN DE LA ANTENA DE GANANCIA Determine la ganancia de antena en un determinado ángulo de despegue a partir del diagrama de radiación, la figura siguiente el diagrama de antena vertical para un látigo vertical de 32 pies. Los números a lo largo del anillo exterior (90 °, 80 °, 70 °) representan el ángulo con respecto a la tierra; 90 ° sería recta y 0 º sería a lo largo de la tierra. En la parte inferior del diagrama de radiación están los números de 10 (en el centro) a 15 (en los bordes). Estos números representan la ganancia en decibelios a través de una radical isotrópicos
Para encontrar la ganancia de la antena a una frecuencia en particular y el ángulo de despegue, localice el ángulo de despegue deseado en el grafico. Siga esa línea hacia el centro del grafico de la frecuencia deseada. Gire hacia abajo y lea la ganancia en la escala inferior. Si la ganancia de una antena vertical de 32 pies a 9 MHz y 20 ° de ángulo localice los 20 ° a lo largo de la escala exterior. Siga esta línea al patrón de líneas de los 9 MHz. Bajar a la escala inferior. La ganancia es un poco menos de 2.5 dBi (la línea entre 0 y 5 dBi). La ganancia de la antena vertical de 32 pies en 9 MHz y 20 ° es de 2 dBi. Una vez que las características generales de la antena se determina, usar la tabla siguiente para el encontrar la antena específica Si la comunicación es de corto alcance, una antena omnidireccional, banda ancha, la que cumple todos los criterios es el AS-2259/GR. Si el circuito requiere de una antena direccional de mediano alcance, varias antenas pueden ser utilizados (por ejemplo, cable largo, inclinado en V, o media vertical rómbico). La elección de la antena depende de la instalación, espacio, de los componentes disponibles, y ángulo requerido que nos de la mayor ganancia. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 54 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Para un ángulo de 25 ° a una frecuencia de 9 MHz, use la antena de 100 pies de altura vertical de media rómbico, es la mejor opción porque proporciona la mayor ganancia a ese ángulo elegido
TIPOS DE ANTENAS Las antenas, látigo vertical, dipolo de media onda, "V" invertida, alambre largo, L invertida, pendiente en V, inclinados de alambre, y vertical de medias antenas rómbicas se describen e ilustran. AS-2259/GR Proporciona propagación NVIS para comunicaciones de corto alcance. Se compone de dos dipolos cruzados colocados en ángulo recto entre sí y apoyados en el centro por un mástil de 15 pies.
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Las características son: Rango de frecuencia: de 2 a 30 MHz Polarización: Horizontal y vertical al mismo tiempo Capacidad de potencia: 1.000 vatios Diagrama de radiación: omnidireccional Vertical (ángulo de despegue): Véase la figura siguiente
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Antena látigo vertical Está disponible y es fácil de usar en casi todos los circuitos de radioenlaces, sin embargo, es probablemente la peor antena para uso en reflexión ionosférica. A menos que el circuito de radio implique propagación terrestre omnidireccional, cualquier otra antena proporcionaría una mejor comunicación. Por ejemplo, se utilizan a menudo para comunicaciones marginales de largo alcance punto a punto. Puesto que el circuito es punto a punto, no hay necesidad de emitir energía en todas direcciones. La radiación en otras direcciones, no sirve para ningún propósito útil. La concentración de la radiación omnidireccional en la estación distante produce una mejor recepción y reduce la interferencia alrededor de la antena transmisora. Las características son: Rango de frecuencia: de 2 a 30 MHz Polarización: Vertical Capacidad de potencia: combinado a la radio específica Diagrama de radiación Azimutal: omnidireccional
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Si una antena vertical debe ser utilizada, existen varias técnicas para mejorar la radiación de la antena. Si la antena se monta directamente a la radio, la tierra es la propia radio. Si la antena esta fuera de la radio ponga a masa la placa base de la antena. Se usara una varilla de 6 pies de largo como conexión de masa para ambos casos. Radiales de masa (cables que van hacia fuera como los radios de la rueda con la antena en el centro) puede mejorar la radiación de la antena. Conectar estos radiales a la varilla de masa directamente debajo de la antena.
Se puede construir un sistema de masa (tierra) radial fácilmente a partir de alambre telefónico. Cortar el alambre en veinte longitudes de 45 pies, y eliminar seis pulgadas de aislamiento de un extremo. Use una abrazadera, amarrando todos los extremos desnudos. Adjunte una longitud de 2 pies de alambre grueso sobre el extremo desnudo de manera que el alambre grueso se extiende sobre un pie más allá del paquete de alambre. Suelde el paquete del alambre para asegurar un buen contacto eléctrico, el alambre grueso que se extiende desde el paquete conecta los radiales a una varilla de tierra. La continuación de los radiales, se extienden hacia fuera como rayos de la rueda con una antena vertical en el centro. Los operadores de radio deben experimentar con diferentes sistemas radiales para determinar cuál ofrece la mejor conectividad. Un reflector colocado aproximadamente a un cuarto de longitud de onda detrás de una antena vertical también puede mejorar el rendimiento de la antena látigo.
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Un reflector es un alambre en posición vertical, u otra antena vertical que está aislado del suelo. Se coloca de manera que el reflector, la antena, y la estación distante este en una línea recta. El reflector reflejara la energía de radio que la golpea y hace que la energía viaje hacia la estación lejana, aumentando la energía total radiada en la dirección deseada. Para que funcione correctamente, el reflector debe ser mayor que la antena. Si el reflector es más corto, actuará como director, dirigiendo la señal de radio fuera de la estación distante. Un reflector es más largo y es colocado detrás de la antena, un director es más corto y se coloca entre la antena y la estación distante. Ajuste la posición del reflector mientras se escucha la estación distante hasta que la señal más fuerte sea recibida.
La longitud de una antena de látigo vertical se calcula de la siguiente fórmula:
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Dipolo de media onda El dipolo horizontal de media onda la antena se utiliza en comunicaciones de corto y medio alcance (hasta aproximadamente 1200 millas). Dado que es relativamente fácil diseñar y construir, el dipolo es el recurso más utilizado. Se trata de una antena muy versátil; mediante el ajuste de la altura de la antena por encima de suelo, la ganancia máxima puede variar desde ángulos medios de despegue (Para comunicaciones a mediana distancia) a altos ángulos de despegue (para comunicaciones a cortas distancias.
El dipolo de media onda es una antena resonante equilibrada
Produce su máxima ganancia en un muy estrecho rango de frecuencias, normalmente del 2 por ciento por encima o por debajo de la frecuencia de diseño. Dado que las asignaciones de frecuencia suelen ser varios megahercios, es necesario construir un dipolo por separado para cada frecuencia asignada MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 60 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
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Si el espacio y otros recursos no están disponibles para erigir dipolos por separado, tres o cuatro dipolos se pueden combinar para ocupar el espacio que normalmente se requiere para uno. Cada alambre es una media longitud de onda de una frecuencia asignada. Los dipolos separados están conectados al mismo aislador central, o preferiblemente un balun, y son alimentados por un solo cable coaxial. Hasta cuatro dipolos separados pueden ser combinados de esta manera. Cuando construimos esta antena, debemos examinar las frecuencias asignadas para determinar si una frecuencia es de tres veces más grande que otro. Si esta relación existe entre dos frecuencias, un dipolo cortado a la frecuencia mas baja, funcionara bien para ambas frecuencias. La longitud de un dipolo de media onda se calcula de la siguiente relación:
La altura de un dipolo de media onda se calcula utilizando
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Utilice la relación adecuada para el propósito correcto. Si la relación altura se utiliza para la longitud del dipolo, la antena va a ser demasiado largo y no funcionará correctamente. V invertida La "V" invertida, o dipolo de caída, es similar a un dipolo, pero utiliza un soporte central (ver Fig. 4-14). Al igual que un dipolo, es diseñado y cortado para una frecuencia específica y tiene un ancho de banda de 2 por ciento por encima o por debajo de la frecuencia de diseño. Debido a los lados inclinados, la antena en V invertida produce una combinación de radiación horizontal y vertical (vertical en los extremos y horizontal de costado de la antena.) Todos los factores de construcción para un dipolo también son aplicables a la V invertida.
La "V" invertida tiene menos ganancia que un dipolo, pero utilizando sólo un único soporte puede hacer de esta antena sea preferida en algunas situaciones tácticas (Ver Fig. 4-15).
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Las características son: Rango de frecuencia: ± 2% de la frecuencia de diseño Polarización: Horizontal Capacidad de potencia: 1.000 vatios Diagrama de radiación Azimutal (teniendo): Básicamente omnidireccional con combinación de polarización Vertical (ángulo de despegue): Vea la figura
Antena de hilo largo Una antena de hilo largo es una que es largo en comparación con la longitud de onda (Ver Fig. 4-16). La longitud mínima es la mitad de la longitud de onda.
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Sin embargo, las antenas que son al menos varias longitudes de onda larga son necesarias para obtener una buena ganancia y características direccionales. La construcción de antenas de hilo largo es simple, y no hay ajustes o dimensiones críticas. Una antena de hilo largo aceptara la potencia y así emitirla en cualquier frecuencia a lo largo de su longitud total y no menos de la mitad de longitud de onda. La ganancia y el ángulo de despegue de una antena de hilo largo dependerán de la longitud. Cuanto más larga sea la antena, tendrá más ganancia, y menor ángulo de despegue. La ganancia tiene una relación directa con respecto a la longitud; sin embargo, el ángulo de despegue es un poco más complicado. Una antena de cable largo irradia un cono de energía en todo el alambre, como un embudo con el cable de antena que pasa por la apertura del embudo. La parte estrecha del embudo sería el punto de alimentación, y la parte abierta debería ser orientada a la estación distante. Si el embudo fuese cortado a la mitad, el cono medio resultante representa el patrón de la antena. A medida que la antena se alarga, el cono de radiación (embudo) se acerca cada vez más cerca del alambre. Figura 4-17 muestra los cambios en el patrón cuando el hilo se alarga. Los patrones representan un punto de vista directamente debajo de la antena.
Para hacer un cable de antena direccional, coloque un dispositivo de terminación en el extremo lejano de la antena. El dispositivo de terminación debe ser de una resistencia no inductiva de 600 ohmios, capaz de absorber al menos la mitad de la potencia del transmisor. Las resistencias de terminación son componentes de algunos aparatos de radio, pero también pueden ser fabricados localmente (100 watts, 106 ohms). La construcción de una antena de hilo largo sólo requiere de alambre, postes de apoyo, aisladores, y una resistencia de terminación. El único requerimiento es que la antena sea lo mas recta posible. La antena deberá estar de 15 a 20 pies por encima de la tierra, por lo tanto estructuras de apoyo tan altas no son necesarias. La antena normalmente se alimenta a través de un acoplador que debe coincidir con la antena de 600 ohmios de impedancia.
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El cable coaxial puede ser utilizado si un balun de 12 a 1 esta disponible para convertir la impedancia del cable coaxial de 50 ohmios a 600 ohmios. Para ángulos de despegue entre 5 y 25 pies, utilice el cuadro 4.4 y la ganancia en función gráfica de longitud use la tabla 4.5 para determinar la longitud de la antena adecuada.
L invertida La L invertida es una combinación de antenas compuesta por una sección vertical y una sección horizontal (ver Fig. 4-18). Proporciona radiación omnidireccional para la propagación por onda de superficie respecto al elemento vertical y radiación de alto ángulo desde el elemento horizontal para comunicaciones de corto alcance con propagación ionosférica. La clásica L invertida tiene un cuarto de onda en la sección vertical y la de media onda se utiliza en la sección horizontal para un rango muy estrecho de frecuencias. Al utilizar acopladores de antena que forman parte de muchos aparatos de radio, las dimensiones de la L invertida puede ser modificado para permitir la onda de superficie y de propagación ionosférica de ondas en un rango mayor de frecuencias. Usando una altura vertical de 35 a 40 pies, la longitud horizontal ofrecerá un rendimiento razonable para los circuitos de corto alcance por propagación ionosférica
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Oriente la antena como un dipolo (es decir, la parte ancha de la antena debe estar hacia la estación distante). Estas longitudes no deben ser utilizado fuera de los rangos de frecuencia específicos debido a los cambios de patrón de radiación de la antena, y para frecuencias mucho más alejadas de la gama, la antena se convertirá en direccional en los extremo del alambre. La antena L invertida se puede utilizar como un sustituto para el dipolo, sin embargo, tiene menos ganancia que un dipolo, y su patrón de radiación varía con la frecuencia (a diferencia de un dipolo).
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Pendiente V La "V" pendiente es una antena de medio a largo alcance con propagación ionosférica que es fácil de construir en el terreno. La ganancia y la directividad de la antena dependerán de la longitud de las piernas. Para obtener un rendimiento razonable, la antena deberá ser por lo menos una longitud de onda, a varias longitudes de onda.
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Esta antena se puede construir utilizando 500 pies de largo (150 metros) para las piernas y mástil de apoyo de 40 pies de alto (1.20 metros). El ángulo entre los dos las piernas se ajustan para proporcionar la máxima radiación en el ángulo deseado. Para hacer que la antena sea direccional, utilizar resistencias de terminación en cada pierna en la parte abierta de la v. Las resistencias de terminación deben ser de 300 ohmios y ser capaz de manejar la mitad de la potencia de salida del transmisor. Estas terminaciones pueden ser compradas o fabricadas localmente utilizando resistencias de 106 ohms 100 watts. La pendiente "V" está normalmente alimentada con una línea de alimentación de 600 ohm. Un lado de la línea de alimentación está conectado a una pierna con la otra parte conectada a la otra pierna. La línea de alimentación se conecta a un balun 12 a 1, lo que permite adaptar la impedancia para poder conectar un cable coaxial estándar.
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Antena De Alambre Inclinada La antena de alambre inclinada es simple y fácil de construir. Requiere sólo un apoyo. Es una versión de la antena de cable largo La antena de cable inclinada produce mejores resultados cuando es tan largo como una longitud de onda. La antena de alambre inclinada varían en longitud de 45 a más de 500 pies. Las longitudes más cortas se comportan bastante mal y sólo debe utilizarse cuando no hay otra antena que se pueda erigir. Las longitudes más largas (por ejemplo, 250 metros) pueden producir buena radiación para comunicaciones ionosféricas de mediano y largo alcance. Una antena de alambre inclinada puede estar terminada o no. Si esta disponible, el uso de 600 ohmios, hace que la impedancia de la antena sea la bastante constante, y un balun se puede utilizar para que coincida la impedancia de la antena con el transmisor. Si la antena está sin terminar, utilice un acoplador para que coincida la impedancia de la antena con la del transmisor. El extremo inferior del alambre debe ser orientado hacia la estación receptora. Si el cable está sin terminar, la alimentación de la antena estará en el extremo inferior.
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Vertical media rómbico La antena vertical de medio rombo es una versión de la antena de cable largo que utiliza un soporte central único. La antena vertical de media rómbico irradia una señal de ángulo medio a bajo, haciendo que sea una buena opción para comunicaciones de media y larga distancia por propagación ionosférica de medio y largo alcance. Normalmente, la versión de 500 pies es la máxima longitud de la antena que la mayoría de las situaciones permitirá. Sin embargo, se incluye el patrón de radiación vertical para una versión de 1.000 pies, por lo que si existe la oportunidad, la antena se puede utilizar para obtener resultados excelentes. La vertical medio rombo utiliza un solo cable de alimentación a través de un acoplador o un balun (12 a 1). Una de los dos terminales del acoplador o balun se conecta a la antena, mientras que el otro terminal es a tierra.
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Al igual que en las otras antenas terminadas, la resistencia de terminaci贸n (600 ohmios) debe ser capaz de manejar la mitad de la potencia de salida del transmisor. Los terminales pueden ser adquiridos o fabricados localmente (100 vatios, resistencia de 106 ohmios). La orientaci贸n de la antena depende de las bandas de frecuencia que se este trabajando. Las figuras siguientes ilustran los patrones verticales de varias antenas verticales media r贸mbica.
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COMUNICACIONES NVIS EN HF INTRODUCCION Habitualmente, con las radiocomunicaciones en la banda de HF se persigue el establecimiento de enlaces de media o larga distancia (DX), mediante propagación ionosférica. Para ello, se utilizan antenas cuyo diagrama de radiación tiene un ángulo de despegue muy pequeño, del orden de 3°, y frecuencias de cualquier banda inferiores a la MUF (Máxima Frecuencia Utilizable) existente para una distancia determinada. Los ángulos de despegue reducidos posibilitan que la primera reflexión ionosférica se produzca a una distancia elevada de la estación transmisora, aumentando el alcance de las comunicaciones, con el inconveniente de que esa distancia de salto se convierte en una zona de sombra en la que el radioenlace no existe, al menos hasta que la onda de tierra se disipe completamente. Para las radiocomunicaciones a corta distancia normalmente se utilizan frecuencias de las bandas de VHF y UHF, cuya propagación está sujeta principalmente a fenómenos de reflexión, propagación multitrayecto, refracción y difracción, cuyo alcance puede ser desde unos 10 Km. hasta unos 60 Km. dependiendo de la orografía, las antenas utilizadas y la potencia de transmisión. Para ampliar el alcance, se utilizan estaciones repetidoras. Nos encontramos, por tanto, con una zona de sombra que no pueden cubrir los equipos de VHF y UHF por su alcance reducido y que normalmente tampoco pueden cubrir los equipos de HF por las características de sus sistemas radiantes, pensados para el DX. También puede darse el caso del fallo de un repetidor de VHF/UHF que reduzca la cobertura sustancialmente. Esta zona de sombra puede ser de vital importancia en el caso de las comunicaciones de emergencia, por lo que resulta del máximo inters disponer de sistemas que nos permitan cubrirla. Para ello, podemos emplear un modo de propagación de la banda de HF denominado NVIS (Near Vertical Incidence Skywave, u onda área de incidencia casi vertical), profusamente utilizado en entornos militares desde la Segunda Guerra Mundial y generalmente desconocido por gran parte de los usuarios de las bandas de HF. Para trabajar en NVIS podemos utilizar nuestros equipos de HF estándar. Como veremos, únicamente deberemos tener en cuenta dos cosas: 1) La selección de una frecuencia de trabajo adecuada. 2) La utilización de una antena con características NVIS. FUNDAMENTOS DE LA PROPAGACION NVIS El fundamento de la propagación NVIS se basa en la utilización de antenas que tengan un ángulo de despegue muy elevado, del orden de 70 a 90, es decir, perpendicular o casi perpendicular al plano de tierra. Al transmitir en HF con una antena de estas características y siempre que la frecuencia seleccionada sea la adecuada, la onda MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 77 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
radioeléctrica incidir en la ionosfera casi verticalmente y se reflejar de vuelta hacia la Tierra con un ángulo de reflexión muy pequeño, permitiendo cubrir esa zona de sombra que tienen los sistemas de HF para DX y los de VHF/UHF. Para verlo gráficamente con un ejemplo, supongamos que utilizamos una antena NVIS cuyo lóbulo principal de radiación está comprendido entre los 70 y los 90 de elevación sobre el plano de tierra de 70 a 90, es decir, perpendicular o casi perpendicular al plano de tierra. Al transmitir en HF con una antena de estas características y siempre que la frecuencia seleccionada sea la adecuada, la onda radioeléctrica incidir en la ionosfera casi verticalmente y se reflejar de vuelta hacia la Tierra con un ángulo de reflexión muy pequeño, permitiendo cubrir esa zona de sombra que tienen los sistemas de HF para DX y los de VHF/UHF. Para verlo gráficamente con un ejemplo, supongamos que utilizamos una antena NVIS cuyo lóbulo principal de radiación está comprendido entre los 70 y los 90 de elevación sobre el plano de tierra.
La antena NVIS radia en toda la region comprendida entre 70 y 90 de elevación. Por tanto, con la primera reflexión ionosférica, que se produce en la capa F2 de la ionosfera, se cubrir toda la zona comprendida entre la estación transmisora y un alcance máximo que podemos determinar mediante un sencillo cálculo trigonométrico. Conocemos el ángulo de elevación del rayo que proporciona el alcance máximo, que es de 70. Tenemos como incógnita la distancia d, que es justo la mitad del alcance máximo. Para hacer el cálculo necesitamos un segundo dato, que es la altitud a la que se produce la reflexión en la capa F2. Esta altitud, denominada h F2 , está siendo calculada continuamente por estaciones de sondeo ionosférica (ionosondas) ubicadas por todo el planeta y vara principalmente con la hora del día.
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Para hacernos una idea del alcance, tomaremos los dos valores extremos de hF2 durante esa jornada, a unos 150 km de altitud de noche y 310 km de altitud de día. Durante la noche, las capas F1 y F2 de la ionosfera se fusionan en una única capa F, que también permitirá comunicaciones NVIS. Llevando estos valores a las fórmulas mostradas en la figura 1, tendríamos alcances máximos comprendidos entre los 110 km y los 225 km. Dependiendo de la época, la hF2 puede llegar a alcanzar hasta los 400 km, lo que nos daría alcances de hasta 300 km con esa elevación del diagrama de radiación de nuestra antena. Si el diagrama de radiación de nuestra antena NVIS es más ancho y baja, por ejemplo, hasta unos 60º de elevación, el alcance sería aún mayor. Es decir, nuestro sistema NVIS nos permite establecer comunicaciones en HF en un radio de hasta 300 km alrededor de la estación transmisora, o incluso superior, sin zonas de sombra. Habitualmente, este tipo de comunicaciones se establecen con un único salto y los niveles de potencia requeridos son mínimos, siendo casi siempre suficiente el empleo de 20W o incluso menos. SELECCIÓN DE LA FRECUENCIA DE TRABAJO La frecuencia de trabajo es esencial para garantizar una correcta operación en NVIS. Como norma general, deberemos seleccionar una frecuencia un 10% inferior a la frecuencia crítica de la capa F2 de la ionosfera (foF2) en un momento dado. Es importante no confundir la foF2 con la MUF. La foF2 es la máxima frecuencia que una onda radioeléctrica que incide perpendicularmente en la ionosfera puede tener para que se produzca reflexión. En la MUF se consideran ángulos de incidencia en la ionosfera no perpendiculares, lo que en la práctica significa que existirá una MUF distinta para cada distancia de radioenlace. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 79 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Nuestro objetivo será, por tanto, contar con predicciones de la foF2 o, mejor aún, con mediciones en tiempo real de la foF2 realizadas por una ionosonda cercana a la estación transmisora y a una hora también cercana. No olvidemos que la foF2 varía significativamente con la hora del día y que también es distinta dependiendo de la ubicación del transmisor. Para conseguir este dato, podemos acceder a la página web de Internet del Centro de Investigación Atmosférica de la Universidad de Mass Lowell (Massachusetts, EE.UU.), donde se registran las mediciones de la foF2 (entre otros parámetros) realizadas por ionosondas repartidas por todo el mundo: http://ulcar.uml.edu/stationmap.html
Las estaciones dotadas con ionosondas ofrecen unas gráficas denominadas ionogramas, como el que se muestra en la figura anterior. En la parte superior del ionograma podemos comprobar la hora de la medición. En la parte superior izquierda observamos el valor de la F2. Si queremos realizar una predicción del alcance mediante las fórmulas de la figura 1, también podemos extraer el valor de hF2, que en este caso es de 287 km. Aplicando la regla del 10%, si la F2 es de 8607 MHz nuestra frecuencia de trabajo NVIS óptima sería de 4,950 MHz.
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Una vez realizado el cálculo, podemos encontrarnos con el problema de que no tengamos autorización a transmitir en la frecuencia de trabajo NVIS, como puede ser el caso del servicio de radioaficionados, o incluso que esa frecuencia esté ocupada o tenga un nivel alto de ruido o interferencias. En estos casos, seleccionaremos una frecuencia de la primera banda autorizada inmediatamente por debajo de la frecuencia que hemos calculado. En ningún caso deberemos transmitir por encima de la F2, ya que no se produciría reflexión ionosférica. ANTENAS NVIS Además de seleccionar una frecuencia de trabajo adecuada, el otro punto crítico es disponer de una antena con capacidades NVIS, es decir, que radie principalmente en la región comprendida entre unos 70º y los 90º de elevación sobre el plano de tierra. Una opción es adquirir una antena desarrollada expresamente para NVIS, pero hay que tener en cuenta que la mayoría de los fabricantes de este tipo de antenas destinan sus productos a usos militares. Otra opción es aprovechar algunas de las antenas que utilizamos normalmente en las comunicaciones de HF para DX. Antenas para estaciones base Existen multitud de diseños de antenas para trabajar en NVIS. Nos centraremos en la antena NVIS para estación base o para operaciones de campo más simple: el dipolo de hilo horizontal (figura siguiente).
El mismo que se utiliza para DX. Como veremos, la clave estará en la distancia a la que debemos instalar el dipolo respecto al plano de tierra. El diagrama de radiación de un dipolo de hilo horizontal es completamente distinto en función de la distancia a la que se instale del plano de tierra, lo que puede comprobarse fácilmente mediante programas informáticos de simulación como HFAnt. En el caso hipotético y teórico de que lo instalásemos a una distancia de una longitud de onda del suelo (nada más y nada menos que a 43 metros si el dipolo es para 7 MHz), el diagrama de radiación en elevación sería como el de la figura de abajo, presentando dos lóbulos de radiación principales con ángulos de despegue bajos.
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Si bajamos el dipolo a una distancia del suelo más asequible para su instalación, por ejemplo a un cuarto de la longitud de onda de trabajo (10 metros si el dipolo es para 7 MHz), el diagrama de radiación en elevación presenta un lóbulo único con un máximo ubicado a 49º, como se muestra en la figura siguiente. La radiación perpendicular al plano de tierra también es buena, por lo que esta instalación ya podría usarse para NVIS
Si seguimos haciendo pruebas colocando el dipolo cada vez más bajo, comprobaremos que el diagrama de radiación cada vez se va elevando más, alcanzando un punto, a una distancia exacta de un décimo de la longitud de onda de trabajo (4 metros si el dipolo MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 82 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
es para 7 MHz), en el que el máximo de radiación se produce a 90º, de forma completamente perpendicular al suelo, como se muestra en la figura siguiente.
Si consideramos el ancho de banda a 3 dB, nuestro dipolo estará radiando principalmente entre 30º y 90º de elevación, lo que lo hace óptimo para comunicaciones NVIS. Si seguimos bajando el dipolo, el efecto es que el diagrama de radiación se haría cada vez más alto y más estrecho, perdiendo efectividad en la dirección perpendicular al plano de tierra. También se producirían pérdidas adicionales como consecuencia de la proximidad a dicho plano. Una posible solución es instalar un segundo hilo conductor cercano al plano de tierra, a modo de reflector. Evidentemente, la conductividad del terreno también afectará a nuestra antena Algunos autores citan que la mejor distancia a la que colocar el dipolo oscila entre 0,15 y 0,25 veces la longitud de onda de trabajo. En el diseño de cualquier antena NVIS deberemos tener en cuenta que, además de radiar lo más verticalmente posible, tenemos que evitar lóbulos de radiación secundarios de escasa elevación, ya que si existieran se generaría una onda de tierra de suficiente intensidad como para interferir a la onda NVIS reflejada en distancias cercanas al transmisor. Antenas para comunicaciones móviles Para el caso de comunicaciones móviles, es decir, con los equipos de HF instalados en vehículos, tenemos dos opciones. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 83 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
La opción más rápida es utilizar una antena vertical estándar y abatirla de forma que quede paralela al plano de tierra. Será difícil conseguir la distancia adecuada a dicho plano, pero una aproximación puede proporcionarnos diagramas de radiación suficientes para el trabajo en NVIS. La otra opción es disponer de una antena NVIS de propósito específico. Una de las antenas más utilizadas para tales efectos es la antena de medio bucle (halfloop), que puede instalarse en el techo de un vehículo. En la figura siguiente se muestra un esquema de este tipo de antenas, elaborado con el programa MMANA-GAL.
Estas antenas se alimentan desde el transceptor por un extremo y tienen la peculiaridad de que el extremo opuesto ha de estar conectado a tierra. De esta forma, virtualmente se crea un aro de comportamiento principalmente magnético. El arco del bucle suele ser de unos 1,5 metros de radio. La gran ventaja respecto a otros tipos de antenas NVIS es que la de medio bucle presenta un diagrama de radiación omnidireccional, como se muestra en la ultima lo que la convierte en óptima para comunicaciones en movimiento.
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Otra de sus grandes ventajas es su comportamiento magnético, similar al de las antenas de aro completo, proporcionado un factor Q elevado que minimiza el ruido y las interferencias. No obstante, este tipo de antenas presentan dos problemas principales: por un lado, el diagrama de radiación deja de ser como el mostrado en la figura cuando instalamos la antena en el techo de un vehículo, distorsionándose principalmente hacia la espalda, y por otro lado comienza a presentar una impedancia capacitiva muy alta que puede llegar a ser difícil de acoplar en algunas frecuencias. Además, la eficiencia de radiación es baja y la antena suele presentar pérdidas. CONCLUSIONES Las comunicaciones NVIS permiten establecer enlaces en las bandas de HF con alcances de hasta 300 km sin zonas de sombra, cubriendo el hueco existente entre el alcance máximo de los sistemas de VHF/UHF y la zona de sombra del primer salto en las comunicaciones DX de HF. Este hecho las hace idóneas para operar en situaciones de emergencia, siendo su uso muy extensivo tanto en estos entornos como en los militares. Para operar en NVIS deberemos tener en cuenta dos premisas fundamentales. Por un lado, la selección de una antena adecuada que presente un diagrama de radiación con elevación suficiente, como puede ser el caso de un dipolo horizontal instalado a una altura sobre el suelo del orden de un décimo de la longitud de onda de trabajo. Por otro lado, la selección de una frecuencia de trabajo adecuada, siempre por debajo de la frecuencia de corte de la capa F2 de la ionosfera (foF2) y de forma óptima en torno al 10 % por debajo de la misma.
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Puesta a Tierra y Recomendaciones en Instalaciones de Radio Objetivo Esta parte tiene por objeto fijar las condiciones que deben cumplir los sistemas de puestas a tierra para asegurar un funcionamiento confiable de los equipos instalados; minimizando la diferencia de potencial entre todos los objetos metálicos y brindando protecciones de equipamiento contra voltajes peligrosos y descargas eléctricas para disminuir así los daños a las personas y equipamiento debido a disturbios presentes en la red eléctrica o inducidos por descargas atmosféricas en líneas de energía, transmisión de datos, voz, etc. Introducción La energía generada por descargas atmosféricas puede ingresar a las instalaciones a través de diversos medios, por impacto directo o por corrientes inducidas. Esta energía busca su propio camino para llegar a tierra utilizando conexiones de alimentación de energía eléctrica, de voz y de datos, produciendo acciones destructivas ya que se supera la aislación de dispositivos tales como plaquetas, rectificadores, etc. Para evitar estos efectos, se deben instalar dispositivos que para el caso de sobretensiones superiores a las nominales, formen un circuito alternativo a tierra, disipando dicha energía a través de un sistema de puesta a tierra apropiado que asegure una capacidad de disipación adecuada. Otra fuente importante de disturbios son las redes de energía eléctrica, debido a la conmutación de sistemas y grandes cargas inductivas. Tener presente que una inadecuada o mala tierra puede empeorar la calidad (relación señal a ruido) de multiplexores, radios o sistemas de datos. Descripción: Concretamente el sistema de puesta a tierra provee un camino de baja impedancia para derivar a tierra corrientes de fuga y disturbios presentes en las redes de energía, a través de los dispositivos de protecciones específicos. El tipo de sistema de puesta a tierra será del tipo equipotencial, es decir todas las distintas partes componentes del sistema (anillos, estructuras, cañerías, etc.) estarán vinculados de manera de asegurar la equipotencialidad entre ellas. Un sistema de puesta a tierra con todos sus elementos asociados (descargadores gaseosos incluidos), provee de las siguientes etapas de protección: La protección de personal está : Para minimizar la diferencia de potencial entre los objetos metálicos y las personas a fin de reducir el riesgo de shock eléctrico debido a descargas inducidas y corrientes de fuga. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 86 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
La protección y funcionamiento del equipamiento sirve: Para minimizar la diferencia de potencial entre todos los objetos metálicos y proveer protecciones de equipamiento contra voltajes peligrosos y descargas eléctricas. Para proveer potencial de referencia para equipo electrónico. Para brindar compatibilidad electrónica (EMC). Para minimizar el efecto de disturbios eléctricos en la operación del equipamiento por ruido normal y ruido común. Componentes del sistema de puesta a tierra: Anillo exterior de puesta a tierra: Cantidad de anillos: Cuando la distancia existente entre el shelter y la torre sea mayor a 6 metros se instalarán dos anillos de tierra independientes; uno circundando a la torre y otro al shelter, ambos anillos se unirán por intermedio de dos conductores. Si la distancia fuese inferior a 6 metros se instalará un único anillo tal que circunde shelter y torre. Dispersor horizontal (conductor de tierra): Como conductor de tierra se utilizará cable de cobre estañado desnudo de 50 mm2. El mismo se instalará a una profundidad de 0,70 m. Los radios de curvatura deberán ser mayores de 0,60 m. Dispersor vertical (jabalinas): Las jabalinas a utilizar serán del tipo Copperweld de 5/8 de pulgadas y un largo mínimo de 3 metros, recomendándose según la resistividad del suelo: -Humus pampeano: Jabalina de 5/8 “ x 3metros -Arenas varias: Jabalina de 5/8 “ x 6 metros Rocas y suelos pedregosos: Jabalinas especiales mas sales metálicas y material de baja resistividad o pozos dispersores. En caso de que la napa de agua esté a menos de 10 metros de profundidad se deberá llegar a ella con las jabalinas, utilizando de ser necesario como prolongadores, chicotes de cable de cobre estañado desnudo de 50 mm2. Placa interior de puesta a tierra (MGB): Placa de cobre conectada al anillo exterior de puesta a tierra a través de tramos de cable de cobre estañado de 35 mm2. Anillo interior de Puesta a Tierra (Halo Ring):
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Estará formado por tramos de conductor de cobre estañado de 35 mm2 con aislación color verde. Estará unido al anillo exterior en las 4 esquinas del shelter. También se unirá a la placa interior de puesta a tierra. Principios Generales de la Red de Tierra y Red de Masa en un Sistema de Telecomunicaciones Todos los elementos de la red de masa deberán estar interconectados, siendo necesario que existan interconexiones múltiples en forma de malla tridimensional, aumentando de esta manera la capacidad de apantallamiento de la misma. Es sumamente importante el concepto de conexión a tierra de punto único, ya que si por ejemplo el equipo posee un trayecto separado a tierra además de la placa a tierra (por ejemplo la conexión a tierra de seguridad del cable de potencia), ese trayecto paralelo permitirá que la corriente del impacto fluya hasta el bastidor (chasis) del equipo y cause problemas.
Será necesario disponer de un terminal principal de puesta a tierra que servirá como medio de interconexión entre la red de tierra y los cables de protección. Un edificio de telecomunicaciones contará con tres tomas o redes de tierra
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- Toma de tierra del edificio - Toma de tierra del mástil ó torre - Toma de tierra de pararrayos Para lograr la equipotencialidad del conjunto de la instalación, necesariamente estas tres tomas de tierra deberán estar interconectadas. Red de Tierra: La masa conductora de la tierra constituye un potencial eléctrico de referencia único. Bajo este concepto puede definirse a una toma de tierra, como aquella constituida por un electrodo conductor en tierra o conjunto de ellos interconectados, que aseguren una conexión eléctrica con la tierra, formando de esta manera una red de tierra. Las placas de tierra que sirven para interconectar a los equipos y los cables que vinculan estas placas con las tomas de tierra deben ser consideradas como parte de la red de tierra. Su función es garantizar: La seguridad de las personas. Un potencial de referencia único a todos los elementos de la instalación. De esta manera se logrará la protección adecuada y el buen funcionamiento de los equipos. El camino a tierra de las corrientes de falla. Para cumplir con los objetivos arriba mencionados, una instalación debe contar con dos características fundamentales: Una red de tierra única y equipotencial. Un bajo valor de impedancia. Si partimos de la premisa que una red de tierra es la encargada de derivar la energía del rayo a la masa conductora de la tierra, la misma será más efectiva, cuanto menor sea la impedancia que presente en su unión eléctrica con la masa de la tierra. Esta característica dependerá de la resistividad del terreno, de su ionización y de la geometría de los conductores de tierra. La resistividad del terreno es variable de un terreno a otro, depende de su contenido de humedad y de su temperatura, pudiendo variar la impedancia de tierra medida en distintos lugares del mismo terreno, como así también hacerla variar con el transcurso del tiempo. Un terreno es frecuentemente heterogéneo, tanto horizontal como verticalmente.
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La resistividad de las capas superficiales presenta importantes variaciones estacionales bajo el efecto de la humedad (disminuyéndola) y de las sequías (aumentándola). Esta acción se puede producir hasta profundidades de aproximadamente 1 a 2 metros. Otro elemento determinante en la constitución del terreno, es su granulación y su porosidad, que determina su poder de retener humedad y por lo tanto su calidad de contacto con los electrodos de tierra. Es por ello, que terrenos de granos gruesos, pedregosos son malos para conseguir buenos valores de impedancia de tierra. En algunos casos, puede pensarse en agregar productos químicos, con el objetivo de mejorar la conductividad del terreno. No deberá perderse de vista que esta solución es transitoria, ya que estos productos deberán mantenerse en buen estado e incluso renovarlos para mantener una elevada conductividad. Por eso no se recomienda la utilización de estos productos. Por lo dicho, para poder dimensionar un sistema de puesta a tierra, deberá conocerse el valor de resistividad del terreno, su configuración y la disposición geométrica en que podrán tenderse los conductores de tierra. Será recomendable al medir el valor de resistividad del terreno, repetir la medición variando las distancias y la profundidad de los electrodos de pruebas, con el objeto de poder observar la variación de resistividad en función de la profundidad del terreno. Con este valor de resistividad, podrán utilizarse ecuaciones y tablas que nos permitirán conocer con cierta aproximación el valor de resistencia de tierra a obtener. Todo lo expresado, lleva a pensar que no en todos los terrenos podrá conseguirse un bajo valor de resistencia de tierra, y no deberá caerse en el error de intentar lograrlo en terrenos de muy alta resistividad. Tal es el caso de zonas montañosas, en donde resulta inútil e ineficaz plantear una red de tierra convencional. No solo por su imposibilidad de realizar excavaciones, sino por la pérdida de efectividad. En este tipo de suelos, la falta de tierra blanda, hace que la conductividad superficial sea reducida, siendo necesario en estos casos plantear una red de tierra que se independice del valor de resistencia de tierra y focalice su objetivo en dispersar toda la energía proveniente de una descarga atmosférica. Nota: Según la recomendación de TASA (Aceptación del Sistema), el sistema de puesta a tierra diseñado debe ser previsto para lograr una resistencia de difusión al suelo, igual o inferior a 5 ohms en terrenos con resistividades de hasta 100 ohm · metro. De tal manera queda establecido en ese valor (5 ohms) como el límite de aceptabilidad de la resistencia a tierra que deberá medirse en suelos que no superen dicha resistividad, mediante el uso de un telurimetro conectado al sistema de puesta a tierra de la estación de radioenlace.
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En aquellos terrenos que excedan el valor indicado de resistencia específica de 100 ohm x metro, podrá admitirse un aumento de la resistencia de difusión a tierra proporcional al incremento de la resistividad, en relación con el valor referencial de 100 ohm x metro. Para un suelo de resistividad de 250 ohm · metro, el cálculo a realizar será: TELURIMETRO DIGITAL
Este valor será el máximo aceptable en este tipo de terreno. Como ejemplo de valores de resistividad de terrenos se adjunta la siguiente tabla. De cualquier forma, esta resistividad varía con la humedad, con la temperatura, estratos y diferentes estaciones del año, por lo cual lo mejor es registrar cuando fueron tomadas las medidas para volver a repetirlas (a los fines de mantenimiento) en la misma época del año.
MATERIALES Sal gema Cuarzo Arenisca, guijarros de río, piedra triturada Granitos compactos Rocas compactas, cemento ordinario, esquistos Carbón Rocas madres, basaltos, diabases, cascajos y granitos antiguos (secos) Guijarros de río y cascajo piedra triturada húmedos Terrenos rocosos, calizos (jurásico) secos
RESISTIVIDAD EN OHM · METRO 1013 109 107 106 - 107 106 105 - 106 104 5 x 103 3 x 103
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Granitos antiguos (húmedos) Yeso seco Arena fina y guijarros (secos) Grava y arena gruesa (seca) Arena arcillosa, grava y arena gruesa húmeda Suelos calcáreos y rocas aluvionarias Tierra arenosa con humedad Barro arenoso Margas turbas, humus muy secos Margas y humus secos Arcillas (secas) Margas, arcillas y humus húmedos Arcilla ferrosas, piritosas Esquistos grafíticos (húmedos y secos) Agua de mar Soluciones salinas Minerales conductores Grafitos
1,5 a 2 x 103 103 103 102 - 103 5 x 102 3 a 4 x 102 2 x 102 1,5 x 102 102 50 30 10 10 Menos de 5 1 0,1 - 0,001 0,01 0,0001
NATURALEZA DEL TERRENO
RESISTIVIDAD EN OHM · METRO De algunas unidades a 30 20 a 100 10 a 150 5 a 100 50 100 a 200 30 a 40 50 a 500 200 a 3000 300 a 500 1500 a 3000 100 a 300 1000 a 5000 500 a 1000 50 a 300 800 1500 a 10000 100 a 600
Terrenos pantanosos Limo Humos Turba húmeda Arcilla plástica Margas y arcillas compactas Margas del jurásico Arena arcillosa Arena silícea Suelo pedregoso cubierto de césped Suelo pedregoso desnudo Calizas blandas Calizas compactas Calizas agrietadas Pizarras Rocas de mica y cuarzo Granitos y gres procedentes de alteración Granitos y gres alterados
Método sencillo para determinar la resistividad del suelo. Se introducen superficialmente cuatro electrodos con la misma separación, la profundidad de penetración (b) debe ser menor que el espacio entre los electrodos (a), en donde (a ≥ 20. b). Se aplica una corriente conocida entre los dos electrodos exteriores y se mide el potencial entre el par interior. Luego utilice la siguiente fórmula: MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 92 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
ρ= 6,28 . a . (V/I) La fórmula anterior nos permite conocer la resistividad del suelo en ohm.m.
Red de tierra del edificio La regla básica con la que se plantea la red de tierra es la utilización de un anillo perimetral de tierra, integrando a éste, electrodos de tierra (Norma de Telecom). Si bien técnicamente es ideal el trazado de un anillo perimetral, rodeando exteriormente al edificio a proteger, no siempre es posible por las características o disposición de algunas edificaciones. El anillo perimetral estará formado por un conductor de cobre desnudo de 50 mm2 de sección, debiendo rodear perimetralmente al edificio. Este conductor enterrado deberá ser continuo, sin ningún tipo de empalme (salvo en las cámaras de inspección) y con entradas directas a la placa de tierra interna del edificio. De ser posible el anillo perimetral estará enterrado a una profundidad de 0,60 a 0,80 metros formando un anillo cerrado instalado a 1 metro, de las paredes laterales del edificio.
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El anillo perimetral no debe presentar ninguna discontinuidad y al edificio se ingresa por medio de los extremos del mismo llegando a la placa de tierra por conductos separados. Integradas al anillo perimetral enterrado y por medio de soldadura cuproaluminotérmica, se deberán instalar jabalinas de acero cobre de 1,5 m de longitud y 16 mm de diámetro, hincadas en el terreno y distribuidas a lo largo del dispersor con una separación mínima de 2 veces la longitud de la jabalina. De ser posible, deberá colocarse en cada punto de cambio de dirección o de interconexión del anillo perimetral una jabalina. Esto se debe a que frente al escarpado pulso del rayo cada interconexión o cambio de dirección vertical u horizontal del anillo perimetral, representa un incremento de impedancia, que se traduce en un incremento de tensión. Masa Es la masa conductora de un equipo eléctrico susceptible de ser tocado por una persona, que normalmente no está bajo tensión, pero puede estarlo en caso de falla de aislamiento de las partes activas de ese equipo. Red de masa Es el conjunto de las masas y de los conductores de protección que conectan las masas a las barras de tierra. Los principios adoptados para la implementación de una red de masa definen un Plano de masa. El plano de masa debe ser único y común a todos los equipos y realizado tan correctamente como sea posible. La red de masa debe realizarse para conseguir dos objetivos: Protección de los equipos y de las personas. Calidad de funcionamiento de los equipos. Los métodos constructivos a aplicar para lograr el primer objetivo, no son exactamente igual al método a aplicar para conseguir el segundo objetivo. La red de masa en estrella realizada a partir de la placa de tierra tiende a la protección de los equipos y de las personas contra las perturbaciones de baja frecuencia, no siendo tan eficaz ante agresiones de alta frecuencia. La ejecución de una red de masa en malla, además de cumplir con los mismos objetivos que una distribución en estrella, mejora la protección de los equipos ante las altas frecuencias. Para la correcta realización de una red mallada, las conexiones deben ser lo más cortas y directas posibles. Por lo dicho una conexión corta y de buena dimensión presenta una baja impedancia para las altas frecuencias.
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Por lo tanto los armazones y los elementos metálicos se conectan a la masa por medio de una conexión lo más corta posible, además de interconectarse entre sí, formando de esa manera una red de masa. Conexiones de las masas Cada equipo debe estar conectado a la placa de masa ó a la placa de tierra por medio de un conductor específico. En el caso de edificios de varios pisos con una gran cantidad de equipos la instalación es compleja. Por eso, siempre que sea posible, en esos casos se deberá llevar una placa por piso, a los efectos de distribuir desde ella a cada sala de equipos con un cable de protección. Los conductores de protección deberán ser aislados, mientras que a nivel de vinculación de equipos puede utilizarse conductor desnudo.
El dimensionamiento de los cables de protección dependerá de la corriente de falla de los equipos, desde dos puntos de vista: No debe producir calentamiento en el conductor de protección. La elevación de potencial de la masa del equipo con respecto a tierra y su relación con la masa de otros equipos no debe ser peligrosa ni para el personal, ni para el equipamiento. De lo dicho, es que en todo momento deben buscarse resistencias muy bajas en las secciones de los conductores de protección utilizados.
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Como regla general puede adoptarse: C.C. <5A de 5 a 30 A de 30 a 60 A de 60 a 400 A ≤ 2000 A
SECCIÓN MÍNIMA 0,5 mm2 6 mm2 16 mm2 50 mm2 120 mm2
Red de masa mallada: Se basa en el principio de la interconexión de todas las masas metálicas que incluyen los bastidores ó chasis de cada sistema y la interconexión de las diferentes masas (tierra electrónica y tierra mecánica). Una red de masa en forma de malla, estará formada por: Conductor de masa Parte metálica de los equipos Bandejas de cables, etc. Pantalla de los cables Conexión de las masas utilizadas en el edificio: Deberán estar conectadas al plano de masa todos los elementos metálicos situados en las proximidades de los sistemas de telecomunicaciones, como ser: Cables de entrada al edificio Repartidores Pisos técnicos de salas de conmutación Marcos de aberturas de acceso a cada sala Canalizaciones de agua Canalizaciones de gas. Columnas ascendentes de calefacción Sistemas de calefacción
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Toma de tierra del pararrayos Función La instalación de los pararrayos debe garantizar la protección de los edificios contra descargas atmosféricos directas, no protegiendo cuando estas son transmitidas a través de la red de distribución de energía eléctrica. Una instalación de un pararrayos está dividida en tres partes: Estructura de recolección Estructura de descenso Estructura de flujo (tomas de tierra propias) Todo tipo de antena a instalar en una torre deberá estar indefectiblemente debajo del “cono de protección” del pararrayos. Se define así al cono de 30 ° con vértice en el extremo superior del pararrayos.
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La instalación del pararrayos prevista para canalizar las descargas directas deberá estar preparada para hacer fluir las corrientes instantáneas a través de conductores de baja impedancia (estructura de descenso), disponiéndose del lado más alejado a las instalaciones (estructura de flujo). De esta manera se logrará: Que el impacto directo de un rayo sobre cualquier componente de la instalación se canalice adecuadamente a tierra. Evitar los fenómenos de inducción sobre los cables de descenso de antenas. La instalación del pararrayos deberá estar acorde a la estructura del edificio, evaluándose en cada caso características relacionadas con él mismo (equipos asociados). La instalación se ajustará a la Norma IRAM 2184. Deberá tenerse en cuenta entre otras cosas: Dimensiones del edificio. Puntos más vulnerables del edificio. Forma e inclinación del techo. Altura de las antenas. Elementos metálicos existentes a nivel de techo: ductos de aire acondicionado, escaleras de cables, etc. Disposición de cañerías de agua, eléctricas, etc. Ubicación de las salas de equipos sensibles.
Estructuras de recolección Normalmente son utilizados elementos de captura de una sola punta ó de varios elementos, llamados normalmente tipo Franklin. El área de protección suministrada por este tipo de elemento captor, es esencialmente variable y depende de la corriente pico del retorno del primer impacto del rayo en KA. Prácticamente puede adoptarse que la zona protegida por este tipo de pararrayos está limitada por un cono cuya punta coincide con la punta del pararrayos y cuyo ángulo medido a partir de la misma es de 60º. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 98 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Protección tipo caja mallada Cuando se utilice como protección la del tipo mallada en un edificio, será aplicable el de una sola punta. En estos casos, las puntas están colocadas en los puntos más vulnerables del edificio. Los conductores de techo estarán destinados a canalizar la corriente de rayo desde los dispositivos de captura hacia los conductores de descenso. Para este tipo de instalaciones, los conductores de techo deberán formar un polígono cerrado cuyo perímetro se encuentre cerca del perímetro del techo. Este sistema de protección es ideal para edificios con geometrías regulares, sin torre. Los descensos deberán estar colocados en los ángulos o en las partes salientes del edificio. Este sistema es de costosa realización. Conductores de descenso Los conductores de bajada deberán soportar el flujo de corriente desde el terminal aéreo hasta los terminales de tierra. Estos conductores deberán ser de una sección mínima de 50 mm2. Dado que la corriente del rayo es un impulso característico, se recomienda utilizar fleje, dado que la superficie de dispersión de este es mayor que un conductor redondo para una misma sección. Se utilizará como conductor de descenso fleje de cobre de 30 x 2 mm. No se permite utilizar como conductor de descenso cables coaxiales aislados o vainas aisladas. Los conductores de descenso deberán ser instalados fuera de la estructura (salvo en casos especiales) y por la cara más alejada a la sala de equipos. Normalmente solo es necesario un conductor de descenso, excepto en los casos en que el recorrido horizontal del conductor de bajada es más largo que el vertical o cuando la altura del edificio supere los 28 m, para los cuales se utilizan dos conductores. El recorrido del conductor de bajada debe ser lo más recto posible, sin curvas, si no se las puede evitar, no inferiores a 20 cm de radio. El recorrido deberá ser elegido de tal manera de evitar cruce o acercamientos con canalizaciones eléctricas. Deben estar a más de 3 m de toda cañería ascendente exterior de gas y no debe estar conectada con ella. En aquellos edificios donde no sea posible realizar el recorrido en forma externa, podrá realizarse en forma interna, a través de un conducto específico. Toma de tierra para pararrayos El valor adoptado para estas tomas de tierra deberá ser menor a 10 Ω. La toma de tierra estará constituida por fleje de cobre de 30 x 2 mm, dispuesta en forma de pata de ganso, es decir, tres flejes de 5 metros de longitud, enterrados horizontalmente a una profundidad entre 0,60 y 0,80 metros formando un ángulo entre ellos de 60º. Si es posible ésta deberá estar situada a no más de 5 m del pie de la torre ó de la pared del MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 99 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
edificio. En el extremo de cada uno de los flejes se hincarán jabalinas (una en cada extremo o punto de conexión). Se deberá prestar mucha atención a que la toma de tierra del pararrayos esté alejada por lo menos 3 m de cualquier elemento metálico que no penetre en el edificio protegido. Toma a tierra de la torre Como ya se ha visto las torres y los edificios deben ser protegidos adecuadamente, a los efectos de equilibrar las medidas necesarias con las destinadas a la protección de los equipos de telecomunicaciones. Las partes metálicas de la torre y del edificio deben ser interconectadas y vinculadas adecuadamente a las partes metálicas de los equipos. Los equipos de telecomunicaciones podrán colocarse en edificios separados a las torres pero preferiblemente cercanos o en las propias torres. En la práctica, todas las torres y mástiles tienen los mismos elementos a proteger: Antenas Cables de bajada de antenas: guías de onda y cables coaxiles. Cables de descenso de balizamiento. La toma a tierra de las estructuras metálicas de soporte, (torres o mástiles) tiene por objeto canalizar las descargas que pudiesen entrar, no solo por éstas, sino por todo elemento vinculado eléctricamente a éstas. Ya que constructivamente las torres y mástiles son diferentes, sus conexiones a tierra también lo serán, en cambio los descensos de antenas y balizas se protegen de la misma manera (independientemente de su estructura de soporte). Toma a tierra de torres autosoportadas Básicamente son estructuras metálicas piramidales de 3 o 4 aristas. Cada pie descansa sobre una fundación de hormigón independiente del resto. En estas estructuras, las descargas sobre elementos de ella, son canalizadas por la bajada del pararrayos y por la propia estructura. Por este motivo, las torres tendrán una toma de tierra específica. Su punto de partida será una placa de cobre (220 x 100 x 10 mm) unida mecánica y eléctricamente a la estructura de la torre. Esta barra, será situada en la pata más alejada de la pared más próxima a la torre. Desde ésta partirá un fleje de cobre de 30 x 2 mm que será vinculado con soldadura cuproaluminotérmica a una jabalina de acero-cobre hincada al pie de la torre. El resto de las patas deberán estar conectadas entre sí perimetralmente con un fleje de cobre de 30 x 2 mm soldado a cada pata. Estas MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 100 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
vinculaciones equipotenciales serán realizadas bajo tierra a una profundidad no inferior a 0,20 m. En el caso de obras nuevas se agregará la vinculación eléctrica del hormigón armado a las patas de la torre. Toma a tierra de mástiles Los mástiles son estructuras de tipo prismático cuyo único pie de apoyo descansa sobre una fundación de hormigón. La resistencia de esta estructura es conseguida por tensores o riendas que vinculan mecánicamente el mástil a diferentes alturas con puntos de fijación terrestres que las agrupan llamados anclotes. Este tipo de estructuras presenta un comportamiento diferente al de las torres; la mayor parte de la descarga del rayo fluirá a través de las riendas. La primera medida consiste en vincular eléctricamente todas las riendas que convergen a un mismo anclote con un conductor adecuado a cada caso. Sobre la superficie, las riendas se interconectarán con cable de acero galvanizado de diámetro mínimo 6 mm, unidos entre sí con grampas prensacables de acero galvanizado. Las curvaturas de estos cables intentarán por todos los medios, descender con el cable verticalmente en sentido de la descarga. De la rienda más baja, partirá una vinculación con cable de acero galvanizado hacia el suelo, pero antes de su ingreso al terreno, se unirá con soldadura cuproaluminotérmica a un cable de cobre desnudo de 50 mm2 el que, enterrado a una profundidad de entre 0,60 a 0,80 m, seguirá un recorrido paralelo al anclote y hacia la parte posterior del anclote. Inmediatamente después de éste, se formará una pata de ganso con el mismo conductor y dos jabalinas de acero-cobre soldadas cuproaluminotérmicamente. En todos los anclotes será dispuesta esta toma de tierra.
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Verificaciones a realizar Los valores aceptados de resistencia de la toma a tierra de la torre ó de los anclajes de riendas (en el caso de los mástiles) deberán ser inferiores o iguales a 10Ω. En todas las vinculaciones de masa metálicas debe existir una resistencia de contacto inferior o igual a 1 mΩ. Toma a tierra de las antenas y de los cables de telecomunicaciones (Guías de onda y cables coaxiles) Antenas Todas las antenas deberán estar vinculadas por medio de un cable de cobre aislado de 50 mm2 de sección, color verde, a la estructura metálica de la torre a través de terminales de compresión. Guías de onda y cables coaxiles La vinculación será realizada con un kit (Grounding Kit) de puesta a tierra que consiste básicamente en una abrazadera que permite la unión eléctrica del conductor exterior del cable o guía de descenso de antena con la torre. La vinculación es en la parte superior después de la curva del cable y a nivel inferior, antes de la curva que ingresa a la sala de transmisión. La conexión eléctrica a la torre no será realizada directamente sobre ésta sino montando una barra de cobre en la estructura (nunca agregar perforaciones a la torre), o en la bandeja, y sobre la cual se conectarán los kits de puesta a tierra. Esta conexión debe ser lo más corta, directa y vertical (descendente) posible. La barra horizontal permite futuras ampliaciones en la cantidad de descensos. Si bien se ha estipulado como condición mínima, la conexión de los descensos en dos lugares, este criterio varía de acuerdo a la altura de la estructura a saber:
Altura < 50 m > 50 ≤ 75 m > 50 ≤ 100 m > 50 ≤ 125 m > 50 > 125 m
Cantidad de Kits 2 3 4 5 1 kit c/20m
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Pasamuros Si bien se ha planteado un sistema de puesta a tierra integrado, el equipo asociado a la torre puede sufrir las consecuencias del impacto del rayo, si no se toma precauciones adicionales a las ya planteadas en los apartados anteriores. Una descarga que circule por los descensos de antena hacia la toma de tierra, utilizará como camino al pasamuros y el fleje que lo conecta a la toma de tierra del edificio. Por lo tanto las guías de onda y las mallas exteriores de los cables coaxiles serán conectados al pasamuros logrando de esta forma una conexión corta y directa a tierra. Para ello se instala una barra de cobre por debajo de los cables de ingreso, a la cual se conectarán los cables de descenso (de los kits de tierra), y desde la que partirá el fleje MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 103 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
de bajada hacia una cámara de inspección con una placa de cobre y de allí a una jabalina de acero-cobre. Balizas: Generalmente los conductores que descienden desde una o varias balizas, están canalizadas en el interior de cañerías galvanizadas con cajas de inspección a distancias regulares. Esta instalación debe vincularse eléctricamente a la estructura (metálica de la torre) utilizando cable de cobre aislado normalizado de 16 mm2 color verde. Este tratamiento debe aplicarse a cualquier conductor susceptible a descargas que desciende de una estructura. Tal es el caso de los generadores eólicos, paneles solares montados sobre estructuras metálicas y toda otra configuración que así lo requiera. Elementos a analizar: Todo el sistema de puesta a tierra deberá estar compuesto de materiales que resistan el deterioro en el tiempo y requieran un mínimo de mantenimiento. El sistema de puesta a tierra debe caracterizarse por dos componentes fundamentales: Electrodos de puesta a tierra (jabalinas, hierros del hormigón, etc.), reunidos en una placa general de puesta a tierra (MGB). Distribución de masa metálica (circuitos de conexión entre la placa general de puesta a tierra y la masa metálica de los equipos instalados). La placa general de puesta a tierra interna (Master Ground Bar-MGB) debe ser de cobre de 10 mm de espesor y tener las dimensiones y cantidad de agujeros necesarios para conectarse a ella (la placa siempre debe estar limpia y sin óxido a los fines de asegurar una baja resistencia de conexión, agregándose grasa conductora antioxidante). Las perforaciones en la placa serán pasantes, debiendo poseer un 50 % más de perforaciones que las utilizadas en la instalación inicial. La placa será amurada a la pared en sus cuatro extremos La placa estará conectada al anillo exterior de Puesta a Tierra preferentemente a través de tramos de cobre estañado de 35 mm2. De ser posible, debe estar ubicada próxima al tablero eléctrico general y si la instalación lo permite, el neutro de la red debe conectarse a la misma. Si no es posible, la diferencia de potencial entre el neutro del tablero general y la placa de puesta a tierra no debe ser superior a 2 volts pico a pico, medidos con un osciloscopio digital de alta velocidad (50 megasamples/seg o mejor) alimentado por baterías. El polo positivo de las alimentaciones del sistema debe ser conectado a la masa eléctrica. Sería conveniente que todo conductor de puesta a tierra que esté unido a la placa recorra el camino más corto y directo. Verificar que la puesta a tierra de los equipos esté realizada en paralelo y no en serie. No se deberán hacer conexiones dobles sobre los bornes de tierra. Las conexiones con puentes entre dos bastidores están prohibidas, salvo en el caso de bastidores adyacentes acoplados mecánicamente. Podrán tener una conexión de tierra entre ellos y un solo conductor de vinculación a la placa de masa. Todas las partes metálicas móviles del bastidor tales como puertas, paneles, etc. deberán estar conectadas eléctricamente al mismo a través de cables o flejes. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 104 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Debe existir un solo sistema de tierra. No se permiten varillas de tierra separadas que no estén conectadas al sistema de tierra principal. La resistencia de puesta a tierra, medida sobre esta placa con la distribución de masa metálica desconectada, debería ser de 1 ohm o menor (aunque a veces sea difícil lograrlo). El chasis del equipo de microondas y su correspondiente rack debe estar puesto a tierra mediante un conductor de cobre de 16 mm2 con aislación verde directamente conectado a la Master Ground Bar utilizando terminal plano tipo doble ojal. Para la estructura, en el caso de torres autosoportadas cada pata deberá estar conectada al anillo de Puesta a Tierra. En torres arriestradas cada pata se conectará al anillo de tierra de la misma manera. En estos casos adicionalmente se conectará a tierra cada set de riendas de cada anclaje. En el caso de radios Microlinks se deberá asegurar que exista una buena puesta a tierra del cabezal de RF (ODU). Para la bajada de coaxiles o guías de onda, cada conductor externo de los mismos se debe conectar a tierra utilizando tres Grounding kits: uno en la parte superior de la torre, otro en la parte inferior y el restante sobre la parte final del Ice Bridge antes de ingresar a la facilidad (entrada del edificio a nivel del pasamuros). El Ice Bridge es el puente que suele llevar, sobre bandeja, los conductores de RF desde la torre hasta el shelter, si lo hubiera. Cuando la altura de la torre supere los 90 metros se recomienda agregar un Grounding kit adicional en la parte media de la torre. Con respecto a la instalación de los Grounding Kits los conductores o cable de tierra deben ser sólidos y los terminales deberán ser del tipo plano de doble oreja (en el extremo superior e inferior se deberán instalar siguiendo una línea recta paralela a la torre, mientras que en la entrada de los coaxiles al shelter, el radio de curvatura no deberá ser mayor a 25 cm.). Grounding kits Kits de tierra destinados para proveer una apropiada conexión eléctrica entre el conductor exterior de la guía de onda o el cable coaxil y un miembro de la torre o el conductor de bajada de torre, para permitir un buen camino de descarga a tierra. Los Kits de puestas a tierras se pueden conectar al cable de bajada del pararrayos. Puede ocurrir que haya que llevarlo (el cable desnudo de tierra del kit) hasta el montante opuesto; el mismo se sujetará con abrazadera y adaptador ángulo a los diagonales y travesaños. La antena deberá estar vinculada a la estructura metálica de la torre o mástil o a la red de tierra a través de un conductor de 50 mm2 de sección. La medición de la resistencia de puesta a tierra deberá efectuarse una vez finalizado el sistema y previo a la conexión del neutro de la red energía de AC a dicho sistema. Y siempre antes de comenzar la medición se debe realizar una inspección visual del sistema de tierra (chequear todos los contactos eléctricos y conexiones para estar seguro que son eficientes y verificar que los conductores no estén físicamente dañados). El instrumento a utilizar será un telurímetro, usando los métodos de dos o tres electrodos según convenga. Chequear que los valores de tierra (resistencia o impedancia hacia la tierra) de la estación estén bajo norma (existe la especificación R.NG.I 96/025-02 de Telecom; coincidente en sus términos con los documentos que posee Tasa ). MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 105 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
El valor máximo de la resistencia de puesta a tierra deberá ser igual o menor a 5 ohms (recordemos que todos los sistemas de tierra tienen una frecuencia de respuesta; y mientras menor sea la resistencia del sistema de tierra, mayor será su frecuencia de respuesta). Sin embargo se debe aclarar que este valor de resistencia de difusión al suelo (igual o inferior a 5 ohms) es para terrenos con resistividades de hasta 100 ohm x metro. Telecom, en su norma, amplia los conceptos con respecto a los valores de la toma de tierra en sus centrales telefónicas, mencionando que cuando el edificio cuenta con un puesto de transformación MT/BT exclusivo, interno o externo al edificio, la resistividad de tierra deberá ser ≤ 1 Ω independientemente de la cantidad de abonados. En caso que el edificio esté alimentado a través de una red de distribución de BT, la resistencia de tierra dependerá de la cantidad de abonados: - Para edificios con < 5000 abonados R ≤ 5 Ω - Para edificios con ≥ 5000 abonados R ≤ 1 Ω Procedimiento de medida Desconectar la tierra de prueba de todas las otras tierras y del sistema de puesta a tierra general de la estación. Colocar dos barras de tierra de referencia a una profundidad de por lo menos un metro. Las tierras de referencia se colocan a una distancia entre sí y con respecto a la tierra bajo prueba, de manera que formen un triángulo equilátero. La longitud de cada lado del triángulo debe ser de al menos 6 metros o 6 veces la profundidad de tierra bajo prueba. Cuanto más baja sea la resistencia de tierra de referencia más grande será la precisión de la prueba. A fin de disminuir la resistencia, puede tratarse el suelo alrededor de las tierras de referencia con sal y agua. La tierra que se prueba debe dejarse, por el contrario, en su condición normal. Indicar con A la tierra que se mide y con B y C las dos tierras de referencia. Medir la resistencia entre cada par de barras y calcular la resistencia de tierra como sigue: Medir la resistencia R1 entre A y B, R2 entre A y C y R3 entre B y C. Calcular la resistencia de tierra de A, por medio de la siguiente fórmula:
Las pruebas y cálculos pueden variar según los instrumentos de medición empleados. Los procedimientos se consignan normalmente con más detalles en las instrucciones adjuntas a los instrumentos de medición. Cableado de señal Conceptos generales: La interconexión entre diferentes equipos del sistema (radios, multiplexores, procesadores de voz y datos) se realiza por medio de canales físicos, ya sea por conductores metálicos o fibra óptica. En los vínculos por fibra óptica, los diferentes potenciales de referencia (puesta a tierra) de equipos que se encuentran alejados no causan inconvenientes por no existir conexión galvánica entre ellos. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 106 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Si se utiliza conductores de cobre, cuando la diferencia de potencial entre referencias sobrepasa el rechazo de ruido admitido por el enlace, se producen cortes de comunicación. En casos extremos, donde el potencial supera la rigidez dieléctrica de la aislación, se destruyen las interfaces y otros elementos electrónicos asociados. Esto último ocurre normalmente en el caso de fallas eléctricas importantes, capaces de elevar el potencial del terreno, conocidas como “Ground Potencial Rise” (GPR) y en el caso de tormentas eléctricas. Esto se soluciona realizando una correcta distribución de conexiones de masa metálica y alimentación eléctrica, y colocando los protectores de sobretensión necesarios (por ejemplo en el caso de comunicación entre equipos de sectores distintos y alejados deben colocarse protectores de sobretensión, compatibles con el tipo de señal que lleva el cable, en ambos extremos). Cableado de tramas con coaxil Las líneas de comunicación que viajan de un piso a otro, o de un edificio a otro, pueden poner en riesgo de una sobretensión momentánea a la I/O del equipo, así como propiciar problemas de zumbido (bucle de tierra). Los sistemas coaxiles puestos a tierra localmente tienen problemas más serios con las corrientes del bucle de tierra que los sistemas de líneas balanceadas. Por lo general, la coaxial se pone a tierra en la tierra de la señal de cada extremo, que a su vez, se pone a tierra en la tierra de la línea de energía neutra o del suelo. Con frecuencia, esto crea dos diferentes lugares suelo-tierra que hacen que las corrientes del bucle de la tierra fluyan a la pantalla. Un método para aliviar este problema es tener la tierra del suelo en un solo extremo. El otro extremo se aisla del suelo con un protector aislador. El protector aislador solo acopla los datos de un conector coaxil aislado al otro. La unidad misma está conectada a la tierra local del suelo. Este protector aislado puede soportar hasta 90 V sin interrumpirse. La pantalla del cable coaxil de entrada no está conectada directamente a la tierra local del suelo de los equipos remotos. Se proporciona protección, al tiempo que se sigue asegurando la calidad de los datos. Para contar con protección en el extremo del terminal principal, se puede emplear un protector coaxial estándar. Este protector no tiene aislamiento y se conecta tanto a la tierra del sistema como a la del suelo. Tierra de los cables de pares simétricos blindados La finalidad primaria del blindaje es la de proteger el par del cable de diafonías y de ruido provenientes de fuentes externas, y no la de limitar el efecto del campo interferente producto del mismo cable. La limitación del efecto de campo interferente producto del cable puede constituir un beneficio accidental del blindaje. La diafonía y el ruido las producen las fuerzas electromagnéticas introducidas debidas al campo magnético variable de la fuente interferente y del acoplamiento capacitivo del campo eléctrico de la fuente que interfiere. En general, la diafonía se verifica cuando el par simétrico no está perfectamente equilibrado o cuando el campo interferente no es uniforme. El añadido del blindaje al par simétrico evita generalmente que se forme un acoplamiento inductivo en el par y al mismo tiempo reduce considerablemente el acoplamiento capacitivo. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 107 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Expuesta a un campo magnético variable, una corriente inducida circulará al exterior del blindaje. El flujo de corriente sobre el blindaje producirá campos contrarios en el interior del blindaje, con efecto total de borrar el efecto del campo que interfiere. El acoplamiento capacitivo en el par se reduce paralelamente al reducir la capacidad de acoplamiento efectiva total resultante de la capacidad serie añadida del blindaje en el recorrido de acoplamiento. El potencial interferente acoplado al par simétrico adquirirá la amplitud del potencial desarrollado en el blindaje. Debido a que entre el par / blindaje existe una condición de equipotencialidad, la reducción de potencial en el blindaje trae consigo a su vez la reducción del potencial en el par simétrico. El potencial del blindaje puede reducirse a cero o casi, poniendo a masa el blindaje. El cable blindado se pone normalmente a masa sólo en uno de sus extremos con el fin de evitar que se formen bucles (loop) de masa. Cuando el blindaje se pone a masa en sus dos extremos entre los puntos de puesta a masa pueden verificarse diferencias de potenciales considerables. A causa de la diferencia de potencial, que se establece entre dos puntos, habrá una circulación de corriente en el bucle formado por el blindaje y por el recorrido de retorno que se efectúa a través de la masa. Si se verifica dicha circulación de corriente en el bucle de masa, es más probable que la interferencia aumente de que se reduzca. Puesto que el fin del blindaje es el de evitar que la interferencia entre en el cable, la masa debe ponerse preferiblemente en el extremo de bajo nivel de cable. De este modo se reduce a cero o casi la amplitud del potencial interferente precisamente en el punto en que el circuito es más sensible a las mismas interferencias. Siempre que la impedancia del blindaje sea capaz de evitar que el mismo adquiera un potencial cero en el extremo lejano, pero con nivel de señal más alto, la interferencia puede tolerarse más fácilmente. En una central pueden verificarse circunstancias específicas y peculiares, que exijan una puesta a masa múltiple del blindaje. En este caso, en que se precisan masas, debería llevarse a una línea común a una distancia lo más corta posible con el objeto de minimizar los efectos de los bucles de masa. En la mayoría de los casos es imposible predecir el efecto de puestas a masa múltiples y solo los datos experimentales pueden determinar su efecto. Tendido del coaxil de RF y Guía de Onda. Introducción: Los circuitos desequilibrados que operan en el interior del cable coaxial pueden resultar libres de interferencias externas solamente si se mantiene la integridad del blindaje coaxial a lo largo de todo el circuito. El blindaje coaxial se realiza con el conductor externo del cable coaxil mismo. Si el conductor externo es continuo hasta el blindaje del circuito a cada extremo del recorrido coaxial, la puesta a tierra del conductor externo será relativamente poco importante como medio para eliminar interferencias externas. En estas condiciones, los dos extremos del conductor externo se conectan a las masas del circuito. Los enlaces a la línea de tierra o a la masa de tierra se hacen a medida de las exigencias de los circuitos asociados. Las señales que pasan por el cable coaxil viajan sobre la superficie externa del conductor interno y sobre la superficie interna del conductor externo. El potencial que se desarrolla en el conductor externo de parte de fuentes externas tenderá a viajar a lo largo de la superficie externa de aquel conductor. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 108 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
A frecuencias de 60 khz aproximadamente y mayores, el aislamiento debido al sólo efecto pelicular es del orden de 100 dB o más. Al aumentar la frecuencia, disminuye la penetración dentro de la superficie y en consecuencia aumenta el aislamiento. En muchos sistemas que usan el cable coaxil, la integridad del blindaje decrece en el punto de conexión al aparato. El cable coaxil termina en una caja terminal o en un conector sin asegurar el beneficio del blindaje. Cuando el cable coaxil termina de este modo, el aislamiento disminuye enormemente o incluso se pierde. La terminación no blindada permite a los potenciales interferentes existentes sobre la superficie del blindaje, alcanzar la superficie interna y por lo tanto el recorrido de señal. En este punto el recorrido de señal está también expuesto a los campos locales que pueden generar interferencias. Cuando existen terminaciones de este tipo, puede ser necesario poner enlaces de masa a una o a sendas extremidades del recorrido y en todo caso también en puntos intermedios. En general no puede preverse donde hay que poner tales puestas a masa a lo largo del cable coaxil Elementos a Analizar El tramo de alimentador entre el equipo y la antena debe ser entero. El tendido del cable debe realizarse de manera tal de evitar grandes y anormales curvas, respetando siempre los radios de curvatura especificados por el fabricante del mismo (lo mismo ocurre con la guía de onda). El cable deberá estar fijado a la bandeja a lo largo de todo su recorrido. Sería recomendable y muy útil que tuviera una etiqueta cerca del conector del equipo indicando la longitud real del mismo hasta la parábola como así también la polarización de la antena. No se permite fijar la guía o cable coaxil a la bajada del pararrayos, o utilizar el mismo camino (la guía deberá bajar por una arista de la torre diferente a la utilizada para la bajada del pararrayos). Está prohibido fijar directamente la guía a la escalera de ascenso a la torre, y de ser imprescindible se hará por medio de una estructura metálica adecuada solidaria a dicha escalera. En el caso del tendido de Guía de Onda Elíptica el trayecto entre la salida del equipo y la bandeja deberá realizarse por medio de un tramo de onda rígida. La conexión entre dicho tramo y la guía de onda elíptica se hará a través de un codo a 90º a los efectos que la guía elíptica se mantenga siempre alineada con la bandeja. En aquellos casos en que la distancia entre la bandeja y el bastidor sea grande y por lo tanto resulte complicado la utilización de un tramo de guía rígida, se aceptará la conexión directa de la guía elíptica al equipo siempre y cuando se respete el radio de curvatura mínimo especificado por el fabricante de la misma, la instalación sea prolija y la guía no efectúe excesivas y anormales curvas apartándose de la bandeja para ingresar verticalmente al equipo. Para guías de onda elíptica de ser necesario realizar cambios de plano de polarización, éstos se implementarán a través de transiciones rígidas ¨twist¨ diseñadas a tal fin, aceptándose un máximo de dos en todo el tendido de la guía (uno en cada extremo del tendido). En el caso de tendidos largos se aceptará el cambio de plano de polarización practicado directamente sobre la guía de onda, siempre y cuando se respete la torsión máxima de la misma (º/m) especificada por el fabricante de la guía. A modo de ejemplo, en la siguiente tabla se muestran las torsiones máximas especificadas por MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 109 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Andrew para sus diferentes modelos de guía de onda elíptica según la banda de frecuencias de operación. Modelo de guía EW17 EW20 EW28 EW34 EW37 EW44 EW52 EW63 EW64 EW77 EW85 EW90
Banda de frecuencias (GHZ) 1,7 - 2,4 1,9 - 2,7 2,6 - 3,4 3,1 - 4,2 3,3 - 4,3 4,2 - 5,1 4,6 - 6,425 5,85 - 7,125 5,3 - 7,75 6,1 - 8,5 7,7 - 9,8 8,3 - 11,7
Torsión máxima (º/m) 0,75 0,75 0,75 1,5 1,5 1,5 3 3 3 3 3 6
Equipos de radio colocados en la parte superior de la torre. Un caso representativo son los radios Microlinks, que poseen la unidad de RF externa, próxima a la antena. En el caso de equipos que poseen preamplificadores arriba, el problema contra todo lo pensado no es con la entrada del mismo (al caer un rayo), sino con la salida.. La torre que actúa como un inductor, crea una caída instantánea de tensión. Esto quiere decir, que se va a compartir parte de la corriente de onda irruptiva con la pantalla coaxial. Como la pantalla va a acoplar energía (tanto el campo E como el M) hacia el conductor central, se va a presentar una sobrecarga transitoria. La corriente irruptiva del rayo se va a propagar hacia la pantalla coaxial y al conductor central con velocidades y amplitudes diferentes. En cualquier momento la pantalla estará en una tensión mientras que el conductor central estará en otra. La onda irruptiva o sobrecarga transitoria que se genera en la pantalla se dirige hacia la caseta del equipo donde se encuentra un inyector de cd que combina la cd con la RF. Esta sobrecarga va a penetrar por el inyector a la fuente de energía de cd, con lo que va a causar que la tensión del riel falle. Si la fuente de energía cuenta con un SCR con acción de palanca o protector contra la sobretensión, la dv/dt de la palanca del SCR se va a acoplar de nuevo por medio del inyector de cd y sobre el cable coaxil. Forma una onda de paso de banda amplia, lo que excita a la línea coaxil. Es muy probable que la línea no cuente con una impedancia de 50 ohm (para el caso de bajadas en RF) para estas frecuencias más bajas en el extremo de captación del amplificador (la impedancia del preamplificador es de sólo 50 ohm en el paso de banda en el que trabaja). MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 110 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Esta onda reflejada puede alcanzar cientos de volts en el preamplificador. La cantidad de tensión depende de la onda, la longitud del coaxil y la impedancia (y captación de cd) del preamplificador. Esta onda reflejada llegará a la barra de distribución del preamplificador, ejerciendo un esfuerzo sobre todos los componentes activos. Los equipos suelen estar equipados con protectores de línea de energía incorporados y puestos a tierra en la parte superior junto con el equipo. Las líneas de entrada domiciliarias de CATV son un caso representativo. Comercialmente existen protectores Polyphaser adecuados. Alimentación de energía. Conceptos generales: Fusibles: El tipo de fusibles que han de colocarse en las líneas correspondientes a los circuitos de alimentación varía según los casos y las condiciones locales. Con el fin de proporcionar la máxima protección es aconsejable que cada alimentador tenga su fusible. Si se tienen salidas de conveniencia, estas salidas han de tener su fusible separado del equipo. En general las características relativas a los fusibles se indican en los documentos correspondientes al propio equipo. Conductores La consideración más importante que hay que hacer acerca de los conductores de alimentación es que los hilos tengan una sección adecuada a la tensión de alimentación de los equipos. Una caída de tensión excesiva en el cableado de alimentación puede degradar el funcionamiento del sistema, a un punto capaz de volverlo inutilizable. A ese fin, como requisito mínimo, deben seguirse las reglas tanto locales como nacionales, no obstante puede también ser que estas reglas no sean suficientes. La sección mínima necesaria para el conductor debe calcularse en base a la longitud del recorrido, a la corriente y a la caída de tensión tolerable. La sección necesaria (mín.) puede calcularse por medio de la siguiente fórmula: S= Sección mínima del conductor (mm) 0,0178 x Corriente (Amp) x Longitud del recorrido (m) S= -------------------------------------------------------------------------------------------Caída de Tensión Permitida (Volt)
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El conductor necesario correspondiente a la sección mínima puede determinarse en base a la siguiente tabla (Características del cable con revestimiento en PVC): Sección nominal del conductor (mm2) 1 1,5 2,5 4 6 25
Cable unipolar o bipolar (Valor en régimen permanente-Amper-) 13,5 17,5 24 32 41 101
Cable tripolar (Valor en régimen permanente-Amper-) 12 15,5 21 28 36 89
Controlar que la corriente nominal de la instalación sea menor que la indicada en la tabla coincidiendo con la sección del hilo elegido; en caso contrario elegir un cable de sección mayor. La siguiente tabla muestra las correcciones a aportar en caso de que la temperatura ambiente sobrepase los 30ºC. La corrección se efectúa multiplicando la corriente máxima tolerable por un coeficiente de corrección consignado en la misma tabla (Coeficiente de conversión según la temperatura):
ºC 25 35 40 45 50
Coeficiente 1,07 0,93 0,82 0,71 0,58
Conductores de la batería de acumuladores Los conductores de carga y de descarga deben seguir siempre recorridos separados hasta los terminales de la batería con el objeto de reducir la impedancia común a los grupos de conductores. Si los conductores de carga y de descarga se envían a una línea de potencia común hasta la batería, el ruido que se desarrolla en el circuito de carga se aplicará directamente a los conductores conectados con el sistema. El nivel de ruido en los conductores de alimentación es directamente proporcional a la amplitud del ruido en la fuente, y a la impedancia de la sección común de la línea de alimentación. Empleando conductores separados para la carga y para la descarga hasta los terminales de la batería, se obtiene el efecto de reducir la impedancia común que acompaña a una reducción correspondiente del ruido en los conductores de alimentación. Algunas instalaciones utilizan baterías en combinación con un cargador para suministrar energía eléctrica al equipo. El cargador necesita una protección para la línea de energía eléctrica para soportar la corriente de onda irruptiva de un rayo. Por otro lado las baterías que estén en buenas condiciones proporcionan una capacitancia MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 112 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
línea a línea substancial, pero no ofrecen ninguna protección contra las ondas de modo común (líneas a tierra). Es muy posible que se necesite un protector contra alta tensión si las baterías están colocadas cerca del cargador y las líneas de CC que van al equipo son largas. Toma a tierra de equipos de energía La energía proveniente de una descarga atmosférica puede ingresar también por los cables de alimentación de energía (C.A.). Es por eso que en un edificio se ingresa con los dos extremos del plano de tierra (extremos libres del anillo) a la placa general de tierra interna de la sala; ésta deberá colocarse en el lugar donde se ha propuesto instalar la protección de cables de energía de alimentación (C.A.), y por encima de ésta se colocará una placa de masa. La placa general de tierra deberá estar colocada lo más próxima posible al tablero general. A esta placa se conectarán: El neutro de baja tensión, en caso que la instalación contara con su propio transformador de MT/BT ó con un transformador de aislación. El chasis del tablero general de distribución de baja tensión, incluido bandejas, canaletas, etc. Si existiera grupo electrónico el chasis del mismo debe estar conectado a masa (mediante un conductor de cobre estañado, desnudo, de 35 mm2, directamente al anillo exterior de tierra; y también puede agregarse una jabalina propia enterrada a 0,70 m de profundidad). Dada las características de las salas de energía, encargadas de distribuir C.C y C.A, están sometidas a distintas perturbaciones, lo que hace necesario realizar una cuidadosa distribución de los cables de protección hacia las placas de masa. La conexión a tierra de la protección de los cables de alimentación se hará en la placa de masa. Placa de masa y placa de cero La masa metálica de los equipos debe estar conectada a un conductor de protección, el cual converge a una placa de masa, la que a su vez debe estar conectada a la placa de tierra. La llamada placa de cero, es el punto común de todos los positivos de las baterías, siendo el potencial de referencia. El positivo de batería está conectado a la tierra en un solo punto, evitando de esta manera circulación corriente por el cable de protección. Con el objeto de evitar circulación de corriente por las masas metálicas, no debe existir ninguna conexión entre el positivo de batería y las masas metálicas de los equipos (el único punto de vinculación entre tierra y positivo de batería es en la reja principal de distribución).
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Es decir, que en cuanto a la distribución hacia los sistemas a alimentar, se dispondrá de tres conductores: + de batería, - de batería y un cable de protección. Esto deberá cumplirse salvo indicación contraria dada por el fabricante del equipo a alimentar (conmutación). Para aquellos edificios pequeños, la placa de masa puede confundirse con la placa de cero, cumpliendo la misma placa la función de placa masa y de cero. En el caso de edificios grandes (varias plantas), será conveniente construir una reja principal de distribución de masas metálicas. La misma estará compuesta por una placa de cero y tantas placas de masas como sean necesarias. Estas estarán vinculadas por una placa de cobre perpendicular a ellas. En ambos casos, la placa de masa ó la reja principal de distribución deberá estar conectada a la placa de tierra con cable de cobre aislado y a poca distancia una de otra. Los elementos que se conectan a la barra de masa son: Todos los equipos que componen el sistema de energía (se entiende por equipo a la masa metálica). La placa de cero. Si tuviéramos dos salas de energía diferentes, sus dos placas de cero deberán estar interconectadas con un cable como mínimo de 120 mm2 de sección y las placas de masa deben estar unidas a la misma placa de tierra. La toma a la tierra de las masas de los armazones debe asegurarse en derivación y nunca en serie. La placa de masa (edificios pequeños) ó la reja principal de distribución de masa metálica (edificios grandes), deberá estar instalada por encima de la placa de tierra a una distancia no mayor a 30 cm., y la vinculación entre ambas se realizará por medio de un cable de cobre aislado de color verde de 95 mm2 de sección. Principio de conexión de los gabinetes a la barra de masa: Si los bastidores que contienen los equipos están reagrupados en paralelo éstos serán conectados a la barra de masa de la siguiente manera: Un conductor de protección constituye el colector de masas de los diferentes tramos de una misma sala. Un conductor de protección conectado al primer conductor, constituye el colector de los diferentes armazones de un tramo. La red en estrella así constituida estará conectada a la placa de masa de la sala de energía que alimenta a este conjunto de armazones por varios conductores de protección. Red de masa en salas de transmisión MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 114 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Estará constituida por: Las masas metálicas de las filas de equipos, gabinetes murales, armarios metálicos, bandejas portacables, etc. Una red fuertemente mallada de los conductores de masa metálica de la mayor cantidad de anillos posibles que permita conectar o polarizar a la tierra. Los dos conjuntos 1 y 2 así formados son distintos, no debe reemplazarse uno por el otro y deberán estar unidos entre sí lo más fuertemente posible. Red de masa en salas de equipos Una red de masa se conforma por un plano de masa inferior y uno superior, ambos interconectados. El plano de masa inferior está formado por todas las masas metálicas de los gabinetes, chasis, etc., vinculados a la placa de masa a través del anillo base. Este plano tendrá un anillo base formado por un fleje de cobre de 30 x 4 mm que recorrerá perimetralmente a la sala, siguiendo el marco de las puertas, a una altura del suelo de entre 10 y 50 cm. El anillo se vinculará rígidamente a la placa de masa en sus dos extremos libres con conductor aislado amarillo verde de 35 mm2 de sección. Las masas metálicas de los equipos ó filas de equipos alejados de las paredes deben conectarse al anillo base por medio de fleje de cobre de 30 x 2 mm, que desciende hacia el piso y va a conectarse a los gabinetes de los equipos. En el caso de equipos adosados a la pared se vinculan los bastidores al anillo base con malla de cobre de 16 mm2 de sección. El plano de masa superior estará formado por la vinculación entre sí de todas las partes metálicas a nivel superior (bandejas de cables, ductos de aire acondicionado, ventilación, gabinetes murales, etc.). Deberán vincularse entre sí todas estas partes metálicas con malla de cobre de 16 mm2 de sección, cada 2 metros. En el caso de dos salas contiguas, conteniendo equipos en ambas, los dos planos de masa deberán estar interconectados entre ellos en los cuatro ángulos de la pared de separación. Para realizar la vinculación del plano de masa inferior puede realizarse con una prolongación del anillo base ó por medio de cable de cobre aislado amarillo verde de 50 mm2 de sección. Para la vinculación del plano de masa superior puede utilizarse la masa metálica de las bandejas portacables. En el caso de salas no contiguas, la continuidad debe lograrse por medio de las bandejas portacables.
Sistema de distribución eléctrico en corriente alterna MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 115 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Como sistema de alimentación para edificios de telecomunicaciones se recomienda el esquema TN-S. En este esquema el conductor de protección y el de neutro están unidos entre sí y a tierra en un punto (placa de tierra) y separados en todo el resto del sistema. Son necesarios dispositivos de protección contra sobretensiones. El sistema TN impone un puesto de transformación cuyo punto de tierra esté conectado a la tierra del edificio de telecomunicaciones. Alimentación y protección en corriente alterna El sistema a adoptar en las instalaciones contra sobretensiones, ya sea provocadas por descargas atmosféricas o por la red de energía, dependerá del tipo de alimentación de la red de energía. Red de distribución rural: Normalmente, en este tipo de alimentación trifásica en baja tensión el puesto de MT/BT se encuentra situado en un lugar distante a las instalaciones de comunicaciones y por lo general alimenta a otros abonados. El neutro de BT de la red de energía no se encuentra vinculado a la tierra de las instalaciones. En estos casos la mejor solución será la instalación de un transformador de aislación (triángulo-estrella) en el interior de las instalaciones, el que recreará el neutro en el secundario del mismo. Este tipo de redes de energía son normalmente perturbadas por ruidos producidos en general por máquinas, equipos industriales, etc.; el transformador de aislación separará la red de las instalaciones y a su vez reducirá el ruido reinyectado por los rectificadores hacia la red. Instalación del transformador de aislación: El neutro es generado en el secundario y conectado a tierra.
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Conexión alternativa: Una conexión alternativa (aunque no tan efectiva), en caso de no colocar un transformador de aislación, será la instalación de una protección combinada tipo derivación cuya capacidad de corriente a tierra impulsiva por fase para una onda 8/20 estará definida por la zona en que se encuentre ubicado el edificio, y un filtro pasabajo por el cual deberá circular la corriente de consumo. En este caso se utilizará el neutro de la empresa de energía, y la protección serie deberá contar además con una protección entre neutro y tierra. Instalaciones alimentadas por una red monofásica: La mejor protección, para este tipo de alimentación, consta de una protección derivación y un transformador de aislación. Las características del transformador de aislación en este caso son: Frecuencia: 50 Hz. Primario: 220 V. monofásico (tensión máxima aplicable en régimen continuo, 220 V + 12%). Secundario: 220 V., un punto suplementario que permita bajar la tensión secundaria a 220 V menos el 7%.
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Elementos a analizar: Para asegurar un funcionamiento confiable de los equipos instalados se deben cumplir las siguientes condiciones : La energía eléctrica suministrada (red), para el caso de equipos alimentados con 220 V, debe cumplir con los límites que se indican en el gráfico de la figura, basada en niveles fijados internacionalmente por los fabricantes de equipos electrónicos.
2) En el caso de equipos alimentados con 48 vcc también existen curvas características entregadas por el fabricante, en las cuales se observan los ¨Transitorios permitidos de sobretensión y baja tensión¨. En las siguientes figuras se observan unas curvas ejemplo de un radio que opera en –48 vcc, con límites establecidos por el fabricante para régimen de operación constante de 38,4 V a -72 V.
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Transitorio permitido (sobretensi贸n)
Transitorio permitido (baja-tensi贸n)
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3) Ramal de alimentación dedicado que llegue directamente del tablero principal, sin derivaciones intermedias. Los canales principal y de reserva deberán ser alimentados por cables de 48V diferentes. 4) Limitadores de sobretensión colocados en la línea de alimentación correspondientes a los equipos que instale la empresa. Ambos cableados deberán estar protegidos de manera independiente por medio de llaves térmicas de amperaje adecuado. 5) Para la alimentación de los bastidores deberán utilizarse conductores independientes de 6 mm2. de sección, salvo indicación en contrario del fabricante del equipo. 6) Los colores deben ser: Rojo para 0V (masa de batería). Azul para –48V. Verde/Amarillo para la tierra (masa de chasis) o Negro con una identificación adicional señalando que se trata de conductores de tierra. 7) Para reducir las perturbaciones, los cables no susceptibles a las mismas, deben ser reagrupados, por un lado aquellos que transportan corriente continua y por el otro lado los cables que transportan corriente alterna. Deben ir por bandejas diferentes, y si no se puede, deben ser separados a través de un blindaje de acero zincado insertado en la bandeja (que funciona como pantalla). Este blindaje en sus extremos debe estar conectado a la red de masa. Las perturbaciones por acoplamiento pueden ser reducidas si se utilizan pares retorcidos, disminuyendo los efectos del campo magnético. Protecciones contra disturbios de red CA Conceptos Generales: A los fines de brindar una protección completa a los equipos de electrónica aplicada asociados al sistema, se instalarán filtros activos de línea contra disturbios de tensión y corriente de pequeña y de gran energía. Se instalarán en serie con la línea de alimentación, siguiendo las instrucciones de instalación del fabricante. En los casos en que se disponga de transformador de distribución propio, o se trate de un sitio con energía de buena calidad, se vinculará el neutro de la energía comercial desde el interruptor principal al Halo Ring exterior vinculado por medio de cable de 35 mm2 aislado color verde y soldadura cuproaluminotérmica, para asegurar la correcta disipación del filtro. Para asegurar el correcto funcionamiento de los filtros se debe asegurar que los valores de resistencia de puesta a tierra no superen los 5 ohm. Estos filtros deberán instalarse, sin excepción, en interiores inmediatamente después del interruptor principal y antes del tablero de distribución. La corriente nominal del interruptor principal no debe superar el 125 % de la corriente nominal del filtro.
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Los dispositivos de protección para líneas de energía eléctrica utilizan uno o más de los siguientes componentes: Intervalos de aire (manejan corrientes altas pero son lentos). Tubos de gas Varistores de oxido de metal (MOVs) Diodos tipo zener de alto impulso (para corriente de alta tensión también llamados Semiconductores de Avalancha de Silicio-SAS) Filtros (son muy importantes para evitar pequeños picos, ondas y ruido). Semiconductores de cuatro capas (es el más moderno de todos, es un dispositivo ¨de resistencia negativa¨. También se pueden usar en líneas de teléfono. SCR (rectificador controlado de silicio) Protecciones Servicio Monofásico hasta 50 A: Se instalará un filtro activo de línea (tipo Islatrón BC 250). Todas las conexiones se realizarán con cable de 16 mm2. Protecciones Servicio Trifásico: Hasta 50 A se instalará un filtro activo (tipo Islatrón BC3-450). Todas las conexiones se realizarán con cable de 25 mm2 como mínimo. Hasta 100 A se instalará un filtro activo (tipo Islatrón BC3-4100). Todas las conexiones se realizarán con cable de 30 mm2 como mínimo. Hasta 200 A se instalará un filtro activo (tipo Islatrón BC3-4200). Todas las conexiones se realizarán con cable de 35 mm2. Corriente Continua: Se instalarán filtros activos de corriente continua (tipo Islatrol DC para impedir disturbios inducidos en la canalización de CC. Protecciones contra descargas atmosféricas Conceptos Generales: Desde la perspectiva del equipo, existen tres puertos Entrada /Salida (I/O): el de la línea coaxial, el del cable de energía eléctrica y el de la línea telefónica. Estos puertos I/O pueden operar como una fuente o sumidero de rayos. La energía de la onda del rayo se puede originar en un puerto I/O y salir por el otro, dañando el circuito. Es imposible poner a tierra un puerto I/O, así que se debe tener un supresor de corriente MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 121 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
irruptiva para cada uno. El propósito del supresor de corriente irruptiva es desviar, absorber y aislar el equipo de la corriente. Cuando una corriente de onda irruptiva rebasa una tensión establecida previamente, el supresor la desvía hacia un sumidero a tierra. La función de las siguientes protecciones y sistemas es de limitar a valores no destructivos las sobretensiones producidas por descargas atmosféricas. El criterio general es que todo cable de cobre que ingrese al shelter o recinto debe tener asociado una protección debidamente puesta a tierra. Tramas E1/T1: Estas se protegerán con módulos protectores híbridos de avalancha de silicio (tipo EDCO TSP 200). Estos proveen protección línea/ tierra y línea/ línea y tienen tiempo de respuesta menor a 1 nanosegundo. Estas protecciones se deben instalar en ambos extremos de las tramas. Líneas de teléfonos: Para protección de líneas de teléfono se utilizarán protectores híbridos (tipo FAST 31 XT). Cables Coaxiles: Las descargas eléctricas toman la forma de un pulso, que por lo general tiene una intensidad de aproximadamente 2 μs y una reducción que oscila entre los 10 y los 45 μs hasta un nivel del 50 %. En la actualidad el estándar del IEEE (Institute of Electric and Electronic Engineering) es de una onda de 8/20 microsegundos. La corriente pico es, en promedio 18 KA debido al primer impulso (descarga) y aproximadamente a la mitad debido al segundo y al tercer impulso. El promedio son tres descargas por impacto del rayo.
Una vez que se presenta la ionización, el aire se torna un plasma conductor que alcanza los 60000 grados F y es luminoso (equivale a un nivel de luminosidad más brillante que la superficie del sol). MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 122 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
La resistencia de un objeto alcanzado es de consecuencias mínimas, excepto por la disipación de energía eléctrica sobre dicho objeto ( I2. R). El 50 % de todos los impactos es de por lo menos 18 KA, el 10 % excederá el nivel de 65 KA y solo el 1% será superior a los 140 KA. El más alto impacto que se ha registrado fue de casi 400 KA. Los rayos alcanzan con mayor frecuencia a las torres que a cualquier otro lugar. El conector a tierra de la antena sirve como medio para desviar parte de la energía del impacto directo a la torre a su sistema de tierra; esta protección sirve para resguardar a la antena pero no a su equipo asociado. La onda en una gran gama de frecuencias, bajará por la línea de transmisión pudiendo llegar hasta el equipo. Esto significa que tanto el conductor central como el exterior, estarán sometidos a grandes tensiones. A pesar de que la conexión a tierra de la antena sirve para evitar el efluvio superficial de la línea de transmisión, tendrá una corriente de cresta importante que atravesará el cable coaxil. La corriente de impacto compartida entre la torre y el cable coaxil está compuesta principalmente por componentes de baja frecuencia, ya que las componentes de alta frecuencia se derivan por la conexión a tierra de la antena como la inductancia de la torre/ coaxil que hacen las veces de un filtro. El protector más efectivo, deberá ser aquel, que no permita compartir la corriente de onda de baja frecuencia con el equipo, para ello deberá tener una alta tensión de ruptura, bajas pérdidas de inserción (menor a 0,1 dB) y un buen valor de ROE (menor a 1,1:1), para la gama de frecuencia del equipo de transmisión. La corriente máxima de drenaje con onda 8/20 microsegundos, para una operación del protector, debe ser mayor a 20 KA. Para el caso de coaxiles de 50/75 ohms se utilizarán protectores con tecnología híbrida de avalancha de silicio. Deben estar montados sobre una placa de cobre la que deberá estar vinculada al pasamuro, inmediatamente después que el cable coaxil ingrese a la sala. Líneas de RF: Estas se protegerán con protectores de tecnología de reducción de 1/4 de onda (tipo Andrew Arrestor Plus). Estas protecciones (Lightning Arrestor) no necesitan de recambios ya que son del tipo multi-actuación. Se instalarán entre el extremo inferior de los cables coaxiles de microondas y de radiofrecuencia y los jumpers Superflex, dentro del shelter o edificio. Son descargadores marca Polyphaser o Andrew de transmisión o recepción según corresponda. A los efectos de lograr una buena disipación, se vincularán a la placa de puesta a tierra exterior por medio de cable de cobre estañado de 35 mm2 aislado color verde con terminales doble oreja y soldadura Cadwell. Se utilizará una planchuela por cada hilera de coaxiles, y todas se conectarán entre sí. MANUAL PRACTICO DE PROPAGACION ANTENAS Y LINEAS DE TRANSMISION Página 123 de 125 Preparo: Profesores Mario Arena / Alejandro Chelini
Medición del conjunto Alimentador + Antena Elementos a analizar: Se debe realizar la medición de pérdida de retorno del conjunto Alimentador + Antena, ya sea con medidor de potencia de RF más acoplador direccional (con rango de medición acorde a la frecuencia y potencia del equipo), midiendo potencia directa y reflejada y calculando la pérdida de retorno (diferencia); o directamente utilizando un banco de medición de ROE (compuesto por un generador de barrido operando en la banda de frecuencias del radioenlace, y por medidor de RF de alta sensibilidad, por ejemplo Analizador de Espectro de RF). Antes de la medición se debe conectar entre sí las tierras del instrumento de medición y la tierra del equipo de radio. El valor debe ser mayor o igual que 20 dB. En los casos en que la longitud del alimentador de antena supere los 60 mts de longitud, se deberá tomar como mínimo valor de pérdida de retorno 22 dB. Para el caso de cables de RF o cables de FI (en radios Microlinks, de alta frecuencia, en los cuales se comunica la unidad externa o unidad de RF con la unidad interna o de banda base, mediante un cable coaxil) es recomendable previa puesta en marcha del equipo, realizar una medición de aislación ( megar) del cable para verificar su aislación. Esta medición se la realiza con un Megómetro, conectándolo al extremo inferior del cable, dejando desconectado el extremo superior. La impedancia medida siempre deberá ser del orden del gigaohm.
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BIBLIOGRAFIA UTILIZADA Revista URE (nov 2008)( Union de radioaficionados españoles) WWW.URE.ES) Puesta a Tierra y Recomendaciones en Instalaciones de Radio
Traduccion realizada por el profesor Mario Arena Correccion realizada por el profesor Alejandro Chelini Enero 2011
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