Conceptos Esenciales de Antenas, RF y Procesamiento de Señal en Electrónica

Conceptos Fundamentales de Ondas Electromagnéticas

A continuación, se definen tres conceptos clave relacionados con las ondas:

Frecuencia: Número de ciclos completos de una onda que ocurren en un segundo. Se mide en Hertz (Hz). Ejemplo: 100 MHz.
Periodo: Tiempo que tarda en completarse un ciclo de la onda. Es el inverso de la frecuencia (T = 1/F). Se mide en segundos (s). Ejemplo: 10 nanosegundos.
Longitud de Onda: Distancia espacial que abarca un ciclo completo de la onda. Se mide en metros (m). Ejemplo: 3 metros.

¿Qué es la Luz Visible?

La luz visible son radiaciones electromagnéticas que nuestros ojos pueden percibir en forma de colores, abarcando un espectro específico dentro de las ondas electromagnéticas.

Medición de Campos Eléctricos y Magnéticos

Una antena emite radiación electromagnética, la cual está formada por un campo eléctrico y un campo magnético que son perpendiculares entre sí (forman 90 grados). El campo eléctrico se mide en Voltios por metro (V/m), y el campo magnético en Amperios por metro (A/m).

Tipos de Antenas y sus Características

Antenas de Referencia y Uso Común

Antena Isótropa:
Es una antena hipotética que irradia con ganancia unitaria en todas las direcciones. Se utiliza como referencia teórica para comparar la ganancia de antenas reales.
Antena Dipolo:
Está formada por dos elementos conductores (varillas). Su patrón de radiación es toroidal. Es muy popular, por ejemplo, el dipolo de media onda. Su ganancia de referencia es de 0 dBd (decibelios respecto a un dipolo) o 2.15 dBi (decibelios respecto a una antena isótropa).
Antena Dipolo Plegado:
Es una variante del dipolo donde los extremos de la varilla están unidos, formando un bucle cerrado.
Antena Direccional:
Irradia o recibe energía principalmente en una dirección específica, concentrando la potencia. Ejemplo: Antena Yagi.

Tipos de Polarización de Antenas

La polarización de una antena se refiere a la orientación del campo eléctrico de la onda electromagnética que emite o recibe. Los tipos principales son:

Polarización Vertical: El campo eléctrico está orientado verticalmente.
Polarización Horizontal: El campo eléctrico está orientado horizontalmente.

Para una recepción óptima, la antena receptora debe tener la misma polarización que la antena transmisora (vertical con vertical, horizontal con horizontal).

Polarización Circular:

En este tipo de polarización, el campo eléctrico rota en un plano perpendicular a la dirección de propagación. La rotación puede ser a derechas (RHCP – Right Hand Circular Polarization) o a izquierdas (LHCP – Left Hand Circular Polarization). Se utiliza comúnmente en comunicaciones por satélite para mitigar los efectos de la rotación de Faraday y la desalineación de antenas.

Impedancia Característica de Antenas Comunes

La impedancia de una antena es un parámetro crucial para la adaptación con la línea de transmisión.

Antena Dipolo de Media Onda: Aproximadamente 73 ohmios (en espacio libre). El valor de 75 ohmios es común en sistemas de TV.
Antena Dipolo Plegado: Aproximadamente 300 ohmios.
Antena Dipolo Plegado Circular: Utilizada en antenas receptoras de FM. Su impedancia característica es de aproximadamente 200 ohmios.
Antena Yagi (Dipolo Plegado con Reflector y Directores): Este tipo de antena direccional ofrece mayor ganancia. Al combinar el dipolo plegado con elementos parásitos (reflector y directores), su impedancia puede ajustarse a 75 ohmios, lo que la hace compatible con cables coaxiales estándar de TV.
Antenas Wi-Fi: Generalmente tienen una impedancia de 50 ohmios.
Antena de Cuarto de Onda (¼ λ): Aproximadamente 36 ohmios.

¿Qué es una Antena Yagi?

Una antena Yagi-Uda (comúnmente conocida como Yagi) es un tipo de antena direccional que consiste en un elemento activo (generalmente un dipolo, que puede ser plegado) y varios elementos parásitos: uno o más reflectores (detrás del elemento activo) y uno o más directores (delante del elemento activo). Estos elementos pasivos ayudan a concentrar la radiación en una dirección específica, aumentando la ganancia de la antena.

El Balun: Adaptación de Impedancia y Simetría

Un balun (del inglés balanced-unbalanced) es un dispositivo que cumple dos funciones principales: adaptar la impedancia entre una antena y una línea de transmisión, y convertir una línea balanceada (simétrica) a una línea no balanceada (asimétrica), o viceversa. No es un filtro en el sentido estricto de la palabra, sino un transformador de impedancia y/o un dispositivo de simetría.

Aplicación del Balun: Adaptación de Impedancia y Simetría

Si tenemos una antena con una impedancia de 300 ohmios y necesitamos conectarla a un cable coaxial de 75 ohmios, utilizaríamos un balun con una relación de transformación de impedancia de 4:1 (300/75 = 4). Esto permite que la impedancia de la antena se “vea” como 75 ohmios desde el cable coaxial, logrando una adaptación de impedancias óptima.

Además de la adaptación de impedancia, la segunda función crucial del balun es la conversión de simetría. Un dipolo es una antena balanceada (simétrica), mientras que un cable coaxial es una línea no balanceada (asimétrica). El balun transforma la señal de la línea balanceada de la antena a la línea no balanceada del coaxial, evitando la radiación de la malla del cable y mejorando el rendimiento de la antena.

Tipos Comunes de Balun

Balun de Línea de Transmisión (con pliegue de cable coaxial): Utiliza secciones de cable coaxial para lograr la transformación de impedancia y la conversión de simetría.
Balun de Transformador (con bobinas y condensadores): Construido con componentes inductivos y capacitivos para realizar la adaptación de impedancia y la conversión de balance.

Modulación de Amplitud (AM): Ventajas e Inconvenientes

Inconvenientes de la Modulación AM:

Consumo de Potencia: Es menos eficiente en el uso de la potencia de transmisión, ya que gran parte de la energía se destina a la portadora, que no contiene información útil.
Información Redundante: Las bandas laterales superior e inferior contienen la misma información, lo que implica un uso redundante del espectro.
Ancho de Banda: Consume un ancho de banda considerable (el doble del ancho de banda de la señal moduladora).
Susceptibilidad al Ruido: Es muy susceptible al ruido y las interferencias, ya que estos afectan directamente la amplitud de la señal.

Ventajas de la Modulación AM:

Simplicidad de Circuitos: Los circuitos para la modulación y demodulación AM son relativamente sencillos y económicos de construir.
Amplia Utilización: A pesar de sus inconvenientes, sigue siendo un sistema muy utilizado en diversas aplicaciones, como la radiodifusión de onda media (OM) y, en algunas variantes, en la televisión digital terrestre (TDT) en UHF (aunque la TDT usa modulaciones más complejas como COFDM, la base de amplitud es relevante).

Componente de Corriente Continua (DC) en Señales

Una señal puede tener una “componente a frecuencia 0” o componente de corriente continua (DC) cuando su valor promedio a lo largo del tiempo no es cero. Esto significa que la señal tiene un desplazamiento constante respecto al eje de tiempo, lo que se traduce en una frecuencia de 0 Hz en el espectro de frecuencias.

Filtros Electrónicos: Pasa Banda y de Sintonía

¿Qué es un Filtro Pasa Banda?

Un filtro pasa banda es un circuito electrónico diseñado para permitir el paso de un rango específico de frecuencias (la “banda de paso”) y atenuar significativamente todas las frecuencias fuera de ese rango. Por ejemplo, si a un conjunto de frecuencias se le aplica un filtro con una frecuencia central de 558 kHz y un ancho de banda de 9 kHz, solo las frecuencias dentro de ese rango (558 kHz ± 4.5 kHz) serán transmitidas, eliminando las demás.

¿Qué es un Filtro de Sintonía?

Un filtro de sintonía es un tipo de filtro pasa banda que permite seleccionar una banda de frecuencias muy estrecha, generalmente ajustable, para aislar una señal específica de entre muchas. Su función principal es la de “sintonizar” una emisora o canal particular.

La Frecuencia Intermedia (FI) en Receptores Superheterodinos

La frecuencia intermedia (FI) es un concepto fundamental en los receptores de radio que emplean el principio superheterodino. Se obtiene mediante la mezcla (heterodinación) de la señal de radiofrecuencia (RF) sintonizada por la antena con una frecuencia variable generada localmente por un oscilador local (OL) dentro del propio aparato. La FI es la diferencia constante entre la frecuencia de la señal sintonizada y la frecuencia del oscilador local. Esta conversión a una frecuencia fija y más baja simplifica el diseño de los filtros y amplificadores posteriores, mejorando la selectividad y la sensibilidad del receptor.

Oscilador Controlado por Voltaje (VCO)

Un Oscilador Controlado por Voltaje (VCO) es un circuito electrónico que produce una señal oscilatoria (onda repetitiva) cuya frecuencia de salida es directamente proporcional a un voltaje de entrada. Es decir, al variar el voltaje de control (por ejemplo, de una fuente de alimentación variable), se puede ajustar la frecuencia de la onda generada. Por ejemplo, si el voltaje de control es de 9V, el VCO podría generar una onda de 12 kHz; al cambiar el voltaje, la frecuencia de salida también cambiará.

Respuesta de un Filtro Pasa Baja a Trenes de Pulsos

Cuando se aplica un tren de pulsos variables a un filtro pasa baja (típicamente compuesto por una resistencia y un condensador), el condensador se carga durante la parte “alta” del pulso y se descarga durante la parte “baja” (cuando el pulso es cero). Si la frecuencia de los pulsos es suficientemente alta en relación con la constante de tiempo del filtro, el condensador no tiene tiempo de descargarse completamente entre pulsos, lo que resulta en una señal de salida que se aproxima a una tensión continua (DC) o un valor promedio. El nivel de tensión de salida dependerá de la amplitud, la duración (ancho de pulso) y la frecuencia de repetición de los pulsos (ciclo de trabajo). Este proceso es fundamental en la conversión de señales pulsadas a señales analógicas o en la obtención de un nivel de tensión promedio a partir de una señal digital (como en la modulación por ancho de pulso, PWM).

Cálculos de Frecuencia, Periodo y Longitud de Onda

Problema 1: Cálculos para una Señal Wi-Fi

Una emisora Wi-Fi transmite una señal con una frecuencia de 2.4 GHz. Calcularemos su periodo y su longitud de onda.

Frecuencia (F): 2.4 GHz = 2.4 × 10⁹ Hz
Periodo (T): Es el tiempo que tarda en completarse un ciclo de la onda.

Fórmula del Periodo: T = 1 / F

T = 1 / (2.4 × 10⁹ Hz) = 0.41666… × 10^-9 s ≈ 0.417 ns (nanosegundos) o 417 ps (picosegundos).

Longitud de Onda (λ): Es la distancia que recorre la onda en un ciclo.

Fórmula de la Longitud de Onda: λ = c / F (donde ‘c’ es la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente 300,000,000 m/s)

λ = 300,000,000 m/s / (2.4 × 10⁹ Hz) = 0.125 metros

Para convertir a centímetros: 0.125 m × 100 cm/m = 12.5 cm

Tipo de Señal Emitida por una Antena

Una antena emite una radiación electromagnética.

Unidades de Medida para Campos Eléctricos y Magnéticos

El campo eléctrico se mide en Voltios por metro (V/m), y el campo magnético en Amperios por metro (A/m).

Nivel de Señal en Radiodifusión Terrestre

Problema 2: Nivel de Señal para Radiodifusión Terrestre

Para la radiodifusión sonora terrenal, si una emisora (por ejemplo, Antena 3 Televisión, aunque es un canal de TV, el cálculo aplica a una señal de 560 MHz) está emitiendo a una frecuencia de 560 MHz, el nivel de señal efectivo para una recepción adecuada puede calcularse con ciertas fórmulas o estándares. La fórmula presentada 3 + 20log(Frecuencia en MHz) es una simplificación o una regla empírica para estimar un nivel de campo en dBuV/m para ciertas aplicaciones.

Aplicando la fórmula dada:

Nivel de Señal = 3 + 20 × log₁₀(560) = 3 + 20 × 2.748 = 3 + 54.96 = 57.96 dBuV/m

Este valor (aproximadamente 57.9 dBuV/m) indica el nivel de campo eléctrico que debería tener la señal para ser considerada efectiva en el punto de recepción, según el criterio aplicado.

Antena para Radio FM

Una antena común para la recepción de radio FM es el dipolo plegado circular, que está formado por dos varillas o elementos conductores dispuestos de forma circular o en bucle. (Nota: La solicitud de “dibujarlo” no puede ser cumplida en formato HTML/JSON.)

Tamaño de Antenas de Radioaficionado

Las antenas de radioaficionado suelen ser grandes porque están diseñadas para operar en frecuencias relativamente bajas (ondas largas, medias y cortas). La longitud física de una antena es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal que maneja (por ejemplo, una antena de media onda tiene una longitud de λ/2). Por lo tanto, para frecuencias bajas, la longitud de onda (λ) es grande, lo que requiere antenas de mayor tamaño para ser resonantes y eficientes.

Impedancias Típicas de Antenas por Aplicación

Antena de TV: Generalmente 75 ohmios.
Antena de Radio (comunicaciones generales, no FM específica): Comúnmente 50 ohmios.
Antena Wi-Fi: Generalmente 50 ohmios.

Elementos de Antenas: Radiales y Plano de Tierra

En ciertas configuraciones de antenas, especialmente las verticales de cuarto de onda, las varillas que se extienden horizontalmente desde la base de la antena se denominan radiales. El conjunto de estos radiales, o una superficie conductora grande, forma lo que se conoce como plano de tierra, que es esencial para el funcionamiento de estas antenas al actuar como una imagen especular del elemento radiante.

Conceptos Clave en Radios de Coche y Procesamiento de Audio

RDS (Radio Data System):

El RDS es un sistema de información digital adicional que las emisoras de radio FM transmiten junto con la señal de audio. Proporciona datos como el nombre de la emisora (ej. Canal Sur), información sobre el programa, frecuencias alternativas (AF) y sincronización horaria.

AF (Frecuencias Alternativas):

La función AF permite que el receptor de radio del coche cambie automáticamente a la frecuencia más fuerte de la misma emisora a medida que el vehículo se desplaza, asegurando una recepción continua y de calidad.

Preénfasis:

El preénfasis es un proceso aplicado en el transmisor (emisora) que aumenta la amplitud de las frecuencias de audio más altas (agudos) antes de la modulación. Esto se hace para mejorar la relación señal/ruido (S/N) en el extremo del receptor, ya que las frecuencias altas son más susceptibles al ruido. Típicamente, se utiliza un filtro pasa alta para este propósito.

Énfasis (De-énfasis):

El énfasis (o más precisamente, de-énfasis) es el proceso inverso al preénfasis y se aplica en el receptor de radio. Una vez que la señal modulada llega al receptor, las frecuencias agudas tienen una amplitud mayor debido al preénfasis. Para restaurar la respuesta de frecuencia original y equilibrar los niveles de graves y agudos, se utiliza un filtro pasa baja en el receptor. Este filtro atenúa las frecuencias altas, compensando el aumento aplicado en el transmisor y reduciendo el ruido percibido.

Cálculo de Ganancia de Antena

La ganancia de una antena se expresa comúnmente en decibelios (dB). Si se utiliza la referencia de un dipolo (dBd), la fórmula es 10 * log₁₀(Ganancia Lineal). El valor “5” en la expresión 10 * log(5) = 6.98 dBd probablemente se refiere a una ganancia lineal de 5 veces respecto a la antena de referencia (un dipolo). Es importante notar que el número de varillas de una antena (como en una Yagi) influye en su ganancia, pero la relación no es simplemente el número de varillas como factor lineal directo en la fórmula logarítmica, sino que la ganancia lineal es un valor que resulta del diseño de la antena.

Cálculo: 10 × log₁₀(5) ≈ 6.98 dBd

Cálculo de Frecuencia de Diseño de Antena

Problema 3: Frecuencia de Diseño de una Antena de Cuarto de Onda

Si una antena mide 60 cm y se asume que es una antena de cuarto de onda (¼ λ), su longitud física (L) es un cuarto de la longitud de onda (λ).

Longitud de la Antena (L): 60 cm = 0.6 metros

Si L = λ / 4, entonces λ = L × 4

λ = 0.6 m × 4 = 2.4 metros

Ahora, para calcular la frecuencia (F) para la cual está diseñada, usamos la fórmula de la longitud de onda:

F = c / λ (donde ‘c’ es la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente 300,000,000 m/s)

F = 300,000,000 m/s / 2.4 m = 125,000,000 Hz

Para convertir a Megahercios (MHz): 125,000,000 Hz / 1,000,000 = 125 MHz

Por lo tanto, esta antena está diseñada para operar a una frecuencia de 125 MHz.

Filtros Pasa Baja y Pasa Alta

Filtro Pasa Baja:

Un filtro pasa baja es un circuito electrónico que permite el paso de las frecuencias que están por debajo de una determinada frecuencia de corte y atenúa las frecuencias por encima de ella.

Filtro Pasa Alta:

Un filtro pasa alta es un circuito electrónico (a menudo formado por resistencias y condensadores o inductores) diseñado para permitir el paso de las frecuencias que están por encima de una determinada frecuencia de corte y atenuar las frecuencias por debajo de ella. Es decir, deja pasar un grupo de señales cuya frecuencia se encuentra dentro de su banda de paso superior.

Cálculo de Frecuencia para Banda de Radioaficionado

Problema 4: Frecuencia de Transmisión en Banda de 11 Metros

Si un radioaficionado está transmitiendo en la “banda de 11 metros”, esto significa que la longitud de onda (λ) de su señal es de 11 metros.

Para calcular la frecuencia (F) en la que está transmitiendo, usamos la fórmula: