Fundamentos de Radiofrecuencia y Sistemas de Antenas

1. Ondas electromagnéticas y sus características

Las señales de radiofrecuencia viajan por el espacio en forma de ondas electromagnéticas, las cuales no requieren un medio material y pueden propagarse por el vacío. Se componen de un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) que oscilan en planos perpendiculares entre sí y con respecto a la dirección de propagación.

Los parámetros fundamentales que las definen son:

• Longitud de onda (lambda): Espacio en metros que recorre la onda en un ciclo. Es clave para el diseño y dimensionado de las antenas.
• Velocidad de propagación (c): Se propagan a la velocidad de la luz (aprox. 300.000 km/s).
• Frecuencia (f): Número de ciclos completados por segundo (medido en Hercios, Hz). Se relaciona con los anteriores mediante la fórmula: f = c / λ.
• Potencia (P): Cantidad de energía que transporta la señal; disminuye de forma proporcional al cuadrado de la distancia respecto a la fuente emisora.
• Polarización: Es la orientación del campo eléctrico en el espacio. Puede ser lineal (vertical u horizontal) o circular (dextrógira/horaria o levógira/antihoraria).

2. Espectro radioeléctrico y bandas

3. Propagación de las ondas

El modo en que se propagan las ondas no es uniforme y depende principalmente de la frecuencia y la interacción con la Tierra y la atmósfera:

• Por onda de superficie: Típica de frecuencias bajas (Onda Larga/Media). La señal sigue la curvatura de la Tierra; tiene un gran alcance sobre el mar debido a su alta conductividad, pero se atenúa rápido en entornos urbanos.
• Por reflexión ionosférica: Utilizada en bandas MF y HF (Onda Corta). La ionosfera actúa como un "espejo" reflejando la señal hacia la Tierra, lo que permite cubrir distancias kilométricas.
• Por onda directa: Obligatoria por encima de los 30 MHz (VHF, UHF y superiores), donde la onda atraviesa la ionosfera. Requiere un enlace directo y despejado (contacto visual) entre emisor y receptor, siendo el modo empleado en la televisión terrestre.
• Efectos del entorno: La Tierra genera reflexiones que interactúan con la onda directa (onda de espacio) de forma constructiva o destructiva. Los obstáculos provocan difracción, permitiendo cierta recepción en zonas sin visibilidad directa pero con atenuación. Asimismo, la troposfera y los fenómenos meteorológicos (como la lluvia) introducen pérdidas y absorción de energía.

4. Principios y parámetros de las antenas

Una antena actúa como un transductor reversible que convierte energía eléctrica en electromagnética (y viceversa). Físicamente equivale a un circuito resonante paralelo (bobina y condensador) cuyas armaduras se han separado y estirado para maximizar la radiación.

Sus parámetros de rendimiento y operación más destacados son:

• Frecuencia de resonancia: Frecuencia exacta en la que se anulan las componentes reactivas de la antena, logrando la máxima transferencia de energía. Depende de su longitud física.
• Impedancia: Oposición de la antena a la señal (medida en ohmios). Es puramente resistiva en la frecuencia de resonancia.
• Resistencias de radiación y pérdidas: La potencia entregada se divide entre la resistencia de radiación (energía útil emitida) y la resistencia de pérdidas (disipada en forma de calor).
• Relación de Onda Estacionaria (ROE): Factor que mide la desadaptación de impedancias entre la antena y la línea de transmisión. Si hay desadaptación, parte de la señal se refleja hacia el emisor, bajando el rendimiento. Varía entre 1 (adaptación perfecta) e infinito.
• Ancho de banda: Margen de frecuencias alrededor de la resonancia en el cual la antena funciona de manera aceptable (donde radia al menos el 70% o -3dB del máximo).
• Directividad y Ganancia: Capacidad de concentrar la potencia radiada en una dirección preferente en lugar de distribuirla de forma omnidireccional. Se representa visualmente mediante un diagrama de radiación polar.
• Apertura de haz: Margen de ángulos en el lóbulo principal donde la ganancia cae menos de 3dB respecto al valor máximo. A mayor directividad, menor apertura.
• Carga del viento: Resistencia física que presenta la antena ante el viento (medida en kg), vital para calcular la robustez del mástil.

5. Modelos de antenas para Radio y TV Terrestre

• Dipolo simple (Hertz): Antena básica formada por dos varillas simétricas. Presenta un diagrama bidireccional (máxima radiación perpendicular a su eje) y una impedancia de 75 ohmios.
• Dipolo plegado: Variante en forma de bucle cerrado. Tiene mayor ancho de banda, es mecánicamente más robusto frente al viento y su impedancia sube a 300 ohmios.
• Antena Marconi: Utiliza una sola varilla vertical colocada perpendicularmente sobre un plano conductor (tierra), el cual actúa como un "espejo virtual" recreando la otra mitad del dipolo. Ideal para polarizaciones verticales en tamaños reducidos.
• Antena Helicoidal: Estructura en forma de hélice que genera polarización circular. Es unidireccional y muy usada en radioenlaces de UHF por su inmunidad al ruido.
• Antena Logarítmico-Periódica: Asociación progresiva de varios dipolos que permite obtener un ancho de banda sumamente amplio.
• Antena Yagi: La más común para la recepción de televisión terrestre. Consta de un dipolo alimentado al que se le asocian elementos pasivos (reflectores y directores) para incrementar drásticamente su directividad y ganancia.
• Dipolos enfasados: Agrupación de varias antenas alimentadas en fase para estrechar el haz y multiplicar la ganancia (habitualmente 4 dipolos logran unos 13 dB).

6. Antenas para transmisión por Satélite

Debido a que trabajan en frecuencias muy altas (SHF) y reciben potencias muy débiles, requieren diseños de alta ganancia basados en reflectores parabólicos o guías de onda:

• Antena de bocina: Consiste en un ensanchamiento en forma de embudo al final de una guía de ondas. Se usa sola o como alimentador de los reflectores parabólicos.
• De foco primario: El reflector parabólico concentra todas las señales en su foco geométrico central, lugar donde se instala la bocina receptora. Su principal desventaja es que el propio alimentador genera una "zona de sombra" que bloquea parte del reflector, reduciendo el rendimiento al 50%-65%.
• Cassegrain: Emplea dos reflectores. El principal (grande) refleja la señal hacia el foco, donde un segundo reflector más pequeño la redirige hacia el vértice de la parábola. Su eficiencia ronda el 70% y se limita a radiotelescopios y estaciones emisoras.
• Antena Offset: Soluciona el problema de la zona de sombra desplazando el foco y el alimentador fuera del camino de las ondas útiles. Alcanza un rendimiento del 80% y es el estándar para la televisión satelital doméstica. Al estar el foco desplazado, su ángulo de apuntamiento real no coincide de forma directa con el eje físico de la antena.
• Antena plana: Matriz compuesta por una red en árbol de múltiples y diminutos dipolos (de aprox. 1,2 cm para 12 GHz) cuyas señales se suman en fase. Tienen un ángulo de apertura mayor (hasta 20°).
• Antena multisatélite: Permite captar señales de satélites distintos pero cercanos utilizando un único reflector con múltiples conversores (LNBs) enfocados en puntos ligeramente desplazados. Su rendimiento es menor por el incremento de sombras en la zona frontal.