Construcción de una bobina/antena

En las últimas dos clases construimos una bobina que hará la función de antena y tambien de inductor, lo cual, como ya dijimos, servirá para filtrar de una vez la señal de entrada.

La bobina se hace con un alambre de cobre recubierto por un aislante, el cual se enrolla al rededor de una barra de ferrita (Se escoge la ferrita por tener una permeabilidad magnética relativamente alta). 

La siguiente ecuación sirve para calcular el número de espiras necesarias para la construcción de cierta inductancia:

donde μ es la permeabilidad del material, N el número de espiras, A el área y l la longitud del hilo

l=N*d, donde d es el diámetro de la barra.

En el laboratorio construimos un inductor de aproximadamente 250 mH, los cuales podían variar dependiendo de la posición de la bobina a lo largo de la barra.

Por otro lado, es importante saber que todas las mediciones implican una perturbación en el comportamiento de un sistema. En el caso de circuitos a alta frecuencia, es importante no agregar capacitancias producidas por el cable de medición al momento de medir; por esta razón se usan sondas de baja capacidad, las cuales intentan perturbar lo menos posible.

Además de estos problemas a alta frecuencia, existen más, otro gran problema a alta frecuencia es que los materiales conductores, a alta frecuencia no son tan conductores, esto se debe al efecto pelicular el cual hace que con corrientes alternas, se observa mayor densidad de corriente en la superficie que en el centro, lo cual hace que aumente la resistencia del conductor. En el laboratorio también medimos la resistencia del inductor (demostrando así que no es un inductor perfecto).

Dado este fenómeno, es necesario determinar una relación entre la resistencia asociada a este inductor, por lo que aparece un factor llamado factor de calidad (Q), el cual, mientras mayor es, significa que la resistencia es menor para una inductancia y una frecuencia de operación dada.

Entonces, es necesario realizar ciertas cosas diferentes a alta frecuencia, como usar sondas de baja capacidad, tomar en cuenta que los conductores tienen una menor conductividad,que no hay nada ideal y que como al medir se perturba el circuito, el circuito se comporttará distinto cuando se deje de estar midiendo.

Una alternativa más sencilla

El uso de multiplicadores analógicos es algo muy complejo, no es fácil conseguir multiplicadores que manejen altas frecuencias de manera fiable y que sean económicos, por otro lado, la sincronía que es necesaria en el caso anterior (en el que los multiplicadores requerían un coseno que estuviera en fase tanto en el emisor como en el receptor) no es fácil de lograr y mucho menos económica.

Para esto, se han ingeniado alternativas mucho más faciles y económicas para la demodulación en el receptor, ya que lo importante es que esta tecnología sea accesible al público en general. Como todo tiene su precio, el gasto adicional, ahora lo llevan las empresas que emiten, más adelante se verá la razón de esto.

Un coseno de amplitud Vm y frecuencia fm con una componente DC de valor Vc, con Vc-Vm>0 (es decir, que la señal resultante ahora no sea bipolar), se puede multiplicar por un coseno unitario con frecuencia fc y lograr que la señal resultante tenga como envolvente la señal original de frecuencia fm.

Para detectar con mayor precisión la envolvente, es necesario que la frecuencia fc sea mucho mayor que la frecuencia fm.

La implementación de un receptor capáz de recuperar el mensaje de frecuencia fm es un simple detector de envolvente, el cual no requiere mucho más que un diodo, una resistencia y un capacitor. Lo cual resulta muy económico para los usuarios receptores. El problema está en el emisor, el cual está consumiendo más potencia que en el caso anterior, ya que se está emitiendo una componente DC (la cual no porta información) que consume mucha potencia; todo esto para mayor sencillez y ahorrarle costos y problemas a los receptores.

Como todo tiene sus pros y sus contras, también existen ciertos problemas con estos detectores de envolvente a la hora de aplicarlos a la realidad. El problema principal es que los diodos requieren una mínima tensión entre sus terminales para entrar en conducción, existen diodos que requieren al menos 600 mV o algunos un poco más costosos, como los de germanio, que requieren voltajes menores como 300 mV. Esto hace que la señal recibida tiene que tener al menos 300 mV en el receptor para poder ser recuperarla correctamente. Por lo que o se transmite con mayor potencia o se tienen que colocar las antenas a una distancia menor de la que se quisiera. Sin embargo, una opción adicional es amplificar la señal recibida previamente filtrada (para no amplificar señales indeseadas que puedan saturar el amplificador).

Una última etapa es eliminar la componente DC con un filto pasa altos, el cual solo tiene que eliminar el de frecuencia 0 Hz. Posteriormente, se puede amplificar la señal con un amplificador de audio y la señal ya estará lista para ser reproducida.

En nuestra primera clase en el laboratorio observamos una señal modulada en amplitud de este modo y nos tocó reconocer los valores que caracterizan esta modulacion, los cuales son fc, fm, Vm, Vc y m (indice de modulación).

Comunicaciones via radio a larga distancia y señales de audio

Existen varias maneras de emitir ondas a larga distancia:

Como las ondas electromagnéticas (OEM) se propagan en línea recta, el modo más básico de recibir OEM, en una antena receptora, emitidas desde una antena emisora, es permitiendo que ambas antenas tengan alcance visual; como la tierra tiene curvatura por ser esférica, ésta curvatura es la limitante principal para este tipo de comunicación. Para lograr alcances mayores, lo que se hace es elevar las antenas, existe una relación para saber la distancia máxima "d" a la que pueden encontrarse las antenas de alturas "h1" y "h2" respectivamente: d*1000<=4.3(h1^0.5 + h2^0.5).

Otro problema para este tipo de comunicación es que como necesitan tener alcance visual, no puede haber ningún obstáculo entre las antenas, ya sean edificios, montañas, etc. 

Existen excepciones al caso de que ambas antenas tienen que tener alcance visual directo, estas excepciones tienen que cumplir ciertas condiciones:

El segundo método es el llamado onda superficie y es muy eficaz, con gran alcance para frecuencias menores a los 2 MHz. Tienen que cumplirse ciertas condiciones, como ser una tierra húmeda y plana. Este es el caso de Francia, que al ser húmeda y plana, no necesita muchas antenas emisoras para cubrir largas distancias en este rango de frecuencias.

El tercer modo de emitir OEM a larga distancia es aprovechándose de un fenómeno natural que ocurre en la ionósfera, en la cual, dependiendo de las incidencias solares, se crea una capa reflectiva que permite que se reflejen las OEM que inciden en ella, regresándolas a la tierra. Muchos factores afectan este fenómeno, la frecuencia de la onda, el ángulo de incidencia y la cantidad de sol que ha recibido la ionósfera afectan la reflexión de las ondas. Por lo que a distintas horas del día no se alcanzarán distancias máximas iguales ni potencias recibidas iguales. Este método es más conveniente para frecuencias de 2 a 30 MHz. Si hay sol se pueden reflejar frecuencias mayores a 10 MHz y sin sol, lo más conveniente son las frecuencias menores a 10 MHz.

Por otro lado, una de las principales cosas a transmitir via rádio es el audio, en especial, la voz humana. La voz humana va en el rango de frecuencias de los 20 Hz a los 20 KHz, si se conectase un micrófono a una antena, se necesitarían antenas de kilómetros de altura para poder emitir estas ondas, por lo que es necesario usar otro rango de frecuencias para usar antenas con dimensiones alcanzables.

Para desplazar una señal en frecuencia, basta con multiplicar por un coseno de frecuencia fc. Esto hace que el espectro de la señal original se desplace y quede centrado en la frecuencia fc, si fc está en el orden de los MHz, se tendrían que usar antenas de menos de 100 metros de altura, lo cual es algo aplicable.

El problema con este método es que para recuperar la señal, se necesita multiplicar la señal por el mismo coseno (en frecuencia y fase), lo cual no es algo muy fácil de lograr. 

Otro punto a tomar en cuenta, es que como el espectro radioeléctrico (el cual es limitado) quiere ser utilizado por muchas empresas, se tienen que aplicar reglas para la distribuición de los permisos para emitir estas ondas. Como la voz humana puede ser reconocible tomando frecuencias menores a los 4 KHz, se limitará el uso de frecuencias superiores a ésta; es decir, hay que filtrar la señal de voz antes de emitirla. Por otro lado, como el espectro de la señal ocupará 4 KHz a cada lado de la señal fc y no existen filtros perfectos, se tomó como medida que entre dos señales fc distintas, tienen que haber 5 KHz, dejando 2 KHz de espacio libre entre cada banda.

Entonces, como hay ondas centradas en muchas frecuencias fc, para el momento de la recepción, es necesario filtrar la señal recibida dejando sólo la que se quiere recuperar. 

En conclusión, esta forma de emisión de ondas conlleva a antenas grandes (pero construíbles) tanto de emisión como de recepción y requiere una perfecta sincronía a la hora de multiplicar por cosenos. Por otro lado, la separación de las frecuencias fc a 5 KHz es completamente necesaria a la hora de transmitir para evitar interferencia entre las señales.

Otras antenas, ruido y potencia...

En la tercera clase estudiamos un tipo de antena con una mayor aplicabilidad para cubrir grandes distancias, esta antena es el monopolo en landa cuartos, la cual requiere un "espejo" conductor  muy grande como base, para esto se hace una torre que será la antena y en su base, se colocan radiales conductores enterrados y se inunda de agua. Esta antena tiene el doble de ganancia directiva que la antena de landa medios, ya que lo radiado hacia abajo, es reflejado por el "espejo".

Por otro lado, vimos una antena mucho más pequeña y directiva, hecha con inductores, cuando el flujo de campo magnético atraviesa el devanado, se produce una diferencia de potencial entre sus extremos y se puede regenerar la señal. Es directiva porque si se gira la antena, cuando el flujo magnético deje de atravesar el devanado, no se podrá regenerar la señal.

El ruido es inevitable, pero se puede discriminar, si se tiene un ruido con potencia menor que la de la señal estudiada, es posible discriminar el ruido de cierto modo. Para esto se han creado estándares, los cuales dicen que para una buena recepción, como mínimo la relación S/N tiene que ser de 6 db. lo cual corresponde a que la señal recibida tiene que tener al menos el doble de la amplitud que la del ruido. Para lograr una buena recepción en todos los puntos, es necesario realizar los cálculos tomando las mayores distancias que se quieren alcanzar.

Otra antena estudiada fue la Yagi-Uda, la cual es la misma antena de landa medios con unas barras adicionales acopladas, las cuales ayudan a  a incrementar su ganancia directiva.

Un buen ingeniero trabaja las ganancias en db o dbm, por lo tanto, es necesario tener una buena base acerca de como operar con estas unidades. Ese fue el objetivo final de la clase. La diferencia mas basica entre un db y un dbm es que el db compara con 1 W y el dbm compara con 1 mW; sin embargo para ambas las propiedades de los logaritmos son muy útiles.

Reinventando la radio

En la segunda clase se habló de la radio desde las ideas más básicas, y se intentaron analizar los principios básicos de la radiación de señales por el aire.

Hablamos de que las leyes de Kirchhoff no son aplicables a circuitos con tamaños no despreciables ante el tamaño de la longitud de onda de la señal que circula por ellos. En los casos en los que la longitud de onda de la señal sea comparable con el tamaño del circuito, los abiertos no se comportan como abiertos y los cortos no se comportan como cortos. Por ejemplo: Un circuito de 11 m de largo no se comporta igual con señales de 27 MHZ que con señales de 27KHz, ya que sus longitudes de onda serian 11 m y 11000 m respectivamente.

Estos fenómenos permiten a antenas (las cuales son circuitos abiertos) de tamaños comparables con la longitud de onda de la señal de entrada inundar el espacio circundante con ondas electromagnéticas. Lo interesante de esto es que a pesar de ser un abierto, este abierto se puede representar como una impedancia no infinita y si se cumplen ciertas condiciones, esta impedancia sería totalmente real, tal como una resistencia; sin embargo, la potencia consumida por esta "resistencia" no sería transformada en calor, sino en ondas electromagnéticas radiadas.

Por otro lado, estas señales radiadas pueden ser recibidas por otra antena y regenerar la señal original proveniente de la fuente conectada a la antena emisora. Lo cual es básicamente, la radio. Nota: Es importante recordar los cálculos de potencia y de transmisión de línea ya que son fundamentales.

¡Hola mundo!

Este blog tiene como finalidad ser una especie de "Bitácora" en la cual iré comentando todo lo relacionado a lo hecho en las clases de Diseño de Radio Receptores impartidas por el prof. José M. Miguel. 

En la primera clase el prof. José hizo una introducción acerca de lo que estudiaremos a lo largo del trimestre, comentó que se realizarán prácticas en el laboratorio la mayoría de las clases así que es muy importante no faltar a clases, en especial para no dejar solo al compañero. Cabe acotar que mi compañera de laboratorio será María Alejandra Sanchez. 

En la clase hablamos acerca de la modulacion AM y FM e intentamos explicarlas en palabras muy sencillas de tal modo de que cualquier persona puediera entender qué son estas modulaciones.

El prof. nos hizo comprender que una manera de respetar al prof. es avisando si uno no podrá asistir a la clase, ya que así como a uno le gustaría saber cuando él no vendrá, a él le gustaría saber cuando uno de nosotros no irá.

Por último, nos pidió que despues de cada clase publicaramos un post de tal modo de documentar lo visto en clases y de practicar la gramática en la redacción de ensayos e informes.