sintonizador de antena

Los amplificadores de potencia de estado sólido que operan de 1 a 30 MHz suelen utilizar uno o más transformadores de banda ancha con núcleos de ferrita . Los MOSFET y los transistores bipolares de unión están diseñados para operar con baja impedancia, por lo que el primario del transformador suele tener una sola espira, mientras que el secundario de 50 ohmios tendrá de 2 a 4 espiras. Este diseño de sistema de línea de alimentación tiene la ventaja de reducir la necesidad de reajustar la señal cuando se cambia la frecuencia de operación. Un diseño similar puede adaptar una antena a una línea de transmisión ; por ejemplo, muchas antenas de TV tienen una impedancia de 300 ohmios y envían la señal al televisor a través de una línea coaxial de 75 ohmios. Un pequeño transformador con núcleo de ferrita realiza la transformación de impedancia de banda ancha. Este transformador no necesita ni puede ajustarse. Para su uso solo en recepción en un televisor, la pequeña variación de ROE con la frecuencia no representa un problema importante.     

Cabe añadir que muchos transformadores basados ​​en ferrita realizan una transformación de balanceada a desbalanceada junto con el cambio de impedancia. Cuando se presenta esta función, estos transformadores se denominan balunes (o ununs ). Los balunes más comunes tienen una transformación de impedancia de 1:1 o de 1:4 .

Existen varios diseños para la adaptación de impedancia mediante un autotransformador , que es un transformador de un solo hilo con diferentes puntos de conexión o tomas espaciadas a lo largo de los devanados. Se distinguen principalmente por su relación de transformación de impedancia (1:1, 1:4, 1:9, etc., el cuadrado de la relación de espiras) y por si los lados de entrada y salida comparten una tierra común, o si se adaptan desde un cable con tierra en un lado ( desequilibrado ) a un cable sin tierra (generalmente equilibrado ). Cuando los autotransformadores conectan líneas equilibradas y desequilibradas , se denominan balunes , al igual que los transformadores de dos devanados. Cuando se deben conectar dos cables o circuitos con tierra diferente, pero manteniendo las tierras independientes, se utiliza un transformador completo de dos devanados con la relación deseada.

El circuito que se muestra a la derecha tiene tres bobinados idénticos enrollados en la misma dirección alrededor de un núcleo de aire (para frecuencias muy altas) o de ferrita (para frecuencias medias o bajas). Los tres bobinados iguales mostrados están conectados a una tierra común compartida por dos líneas desequilibradas (por lo que este diseño se denomina unun ) y puede utilizarse para una adaptación de impedancia de 1:1, 1:4 o 1:9, según la toma elegida. (Los mismos bobinados podrían conectarse de forma diferente para formar un balun ).

Por ejemplo, si el lado derecho está conectado a una carga resistiva de 10 ohmios , el usuario puede conectar una fuente a cualquiera de los tres terminales sin conexión a tierra del lado izquierdo del autotransformador para obtener una impedancia diferente. Observe que, en el lado izquierdo, la línea con más espiras presenta una mayor impedancia para la misma carga de 10 ohmios que en el lado derecho. 

La inserción de una sección especial de línea de transmisión, cuya impedancia característica difiere de la de la línea principal, puede utilizarse para adaptar la línea principal a la antena. Una línea insertada con la impedancia adecuada y conectada en la ubicación correcta puede realizar efectos de adaptación complejos con una eficiencia muy alta, pero abarca un rango de frecuencia muy limitado. ^{[ 6 ]}

El ejemplo más sencillo de este método es el transformador de impedancia de un cuarto de onda formado por una sección empalmada de una línea de transmisión desadaptada. Si  se conecta un cuarto de longitud de onda de cable coaxial de 75 ohmios a una  carga de 50 ohmios, la ROE en dicho  cuarto de longitud de onda se puede calcular como 75 Ω  /  50 Ω  =  1,5; este cuarto de longitud de onda transforma la impedancia desadaptada a 112,5  ohmios (75  ohmios  ×  1,5  =  112,5  ohmios). De esta forma, esta sección insertada adapta una  antena de 112 ohmios a una  línea principal de 50 ohmios.

El transformador coaxial de 1/6 de onda es una forma útil de adaptar de 50 a 75 ohmios  utilizando el mismo método general. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Un segundo método común es el uso de un stub : una sección de línea en cortocircuito o abierta se conecta en paralelo con la línea principal. Con cable coaxial, esto se hace mediante un conector en T. La longitud del stub y su ubicación se pueden elegir de manera que se obtenga una línea adaptada debajo del stub, independientemente de la impedancia compleja o la ROE de la propia antena. ^{[ 9 ]} La antena J-pole es un ejemplo de antena con un stub de adaptación incorporado.

A continuación se muestra el circuito básico necesario cuando se utilizan capacitancias e inductores concentrados. Este circuito es importante porque muchos sintonizadores automáticos de antena lo utilizan, y también porque los circuitos más complejos pueden analizarse como grupos de redes en L.

Se denomina red en L no porque contenga un inductor (de hecho, algunas redes en L constan de dos condensadores), sino porque sus dos componentes forman un ángulo recto entre sí, adoptando la forma de una letra  «L» inglesa girada y, a veces, invertida. Las redes en «T» («Tee») y en «π» («Pi») también tienen una forma similar a las letras inglesas y griegas que les dan nombre.

Esta red básica puede actuar como un transformador de impedancia . Si la salida tiene una impedancia compuesta por la resistencia _{de carga} R y la reactancia de _carga j X , mientras que la entrada se conecta a una fuente con una impedancia de resistencia de _fuente R y reactancia _{de fuente} j X , entonces  

${\displaystyle X_{\text{L}}={\sqrt {{\Big (}R_{\text{source}}+jX_{\text{source}}{\Big )}{\Big (}(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})-(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}}){\Big )}}}}$

y

${\displaystyle X_{\text{C}}=(R_{\text{carga}}+jX_{\text{carga}}){\sqrt {\frac {(R_{\text{fuente}}+jX_{\text{fuente}})}{(R_{\text{carga}}+jX_{\text{carga}})-(R_{\text{fuente}}+jX_{\text{fuente}})}}}}$.

En este circuito de ejemplo, X _L y X _C pueden intercambiarse. Todos los circuitos ATU que se muestran a continuación crean esta red, que existe entre sistemas con impedancias diferentes.

Por ejemplo, si la fuente tiene una impedancia resistiva de 50  Ω y la carga tiene una impedancia resistiva de 1000  Ω  :

${\displaystyle X_{\text{L}}={\sqrt {(50)(50-1000)}}={\sqrt {(-47500)}}=j\,217.94\ {\text{Ohmios}}}$

${\displaystyle X_{\text{C}}=1000{\sqrt {\frac {50}{(1000-50)}}}=1000\,\times \,0.2294\ {\text{Ohmios}}=229.4\ {\text{Ohmios}}}$

Si la frecuencia es de 28  MHz,

Como,

${\displaystyle X_{\text{C}}={\frac {1}{2\pi fC}}}$

entonces,${\displaystyle 2\pi fX_{\text{C}}={\frac {1}{C}}}$

Entonces,${\displaystyle {\frac {1}{2\pi fX_{\text{C}}}}=C=24.78\ p{\text{F}}}$

Mientras que,${\displaystyle X_{\text{L}}=2\pi fL\!}$

entonces,${\displaystyle L={\frac {X_{\text{L}}}{2\pi f}}=1.239\ \mu {\text{H}}}$

Una red en paralelo, que consta de un elemento resistivo (1000  Ω) y un elemento reactivo ( − j  229,415  Ω), tendrá la misma impedancia y factor de potencia que una red en serie que consta de  elementos resistivos (50 Ω) y reactivos ( − j  217,94  Ω).

Al agregar otro elemento en serie (que tiene una impedancia reactiva de + j  217,94  Ω), la impedancia es de 50  Ω (resistiva).

La red en forma de "L" puede tener ocho configuraciones diferentes, seis de las cuales se muestran aquí. Las dos configuraciones que faltan son iguales a las de la fila inferior, pero con el elemento en paralelo (cables verticales) a la derecha del elemento en serie (cables horizontales), en lugar de a la izquierda, como se muestra.

En la discusión de los diagramas que sigue, el conector de entrada proviene del transmisor o "fuente"; el conector de salida va a la antena o "carga". La regla general (con algunas excepciones, que se describen más adelante) es que el elemento en serie de una red en "L" se coloca en el lado con la impedancia más baja. ^{[ 10 ]}

Por ejemplo, los tres circuitos de la columna izquierda y los dos de la fila inferior, con el elemento en serie (horizontal) en la salida, se utilizan generalmente para elevar la impedancia de entrada (transmisor) a una salida (antena) de baja impedancia, de forma similar al ejemplo analizado en la sección anterior. Los dos circuitos superiores de la columna derecha, con el elemento en serie (horizontal) en la entrada , suelen ser útiles para reducir la impedancia de entrada a una salida de mayor impedancia.

La regla general solo se aplica a cargas principalmente resistivas , con muy poca reactancia . En casos donde la carga es altamente reactiva , como una antena alimentada con una señal cuya frecuencia está lejos de cualquier resonancia , puede ser necesaria la configuración opuesta. Si está lejos de la resonancia, los dos circuitos reductores inferiores (de alta entrada a baja salida) se usarían para conectar un circuito elevador (de baja entrada a alta salida que es principalmente reactancia). ^{[ 11 ]}

Las versiones de paso bajo y paso alto de los cuatro circuitos mostrados en las dos filas superiores utilizan solo un inductor y un condensador. Normalmente, se prefiere el paso bajo en un transmisor para atenuar los armónicos, pero se puede optar por la configuración de paso alto si los componentes son más fáciles de conseguir, si la radio ya incluye un filtro de paso bajo interno o si se desea atenuar las bajas frecuencias ; por ejemplo, cuando una emisora ​​local de AM que transmite en una frecuencia media puede sobrecargar un receptor de alta frecuencia .

El circuito de baja resistencia y alta capacitancia se muestra alimentando una antena vertical corta, como la que se usaría en una antena compacta y móvil, o en frecuencias inferiores a la frecuencia de resonancia natural más baja de la antena. En este caso, la capacitancia inherente de una antena de hilo corto y aleatorio es tan alta que la red en L se implementa mejor con dos inductores , en lugar de agravar el problema utilizando un condensador.

El circuito de baja R y alta L se muestra alimentando una pequeña antena de bucle . Por debajo de la resonancia, este tipo de antena tiene tanta inductancia que añadir una bobina aumentaría aún más la reactancia. Por lo tanto, la red en L está compuesta por dos condensadores.

Una red en L es el circuito más simple que logrará la transformación deseada; para cualquier antena y frecuencia dadas, una vez seleccionado un circuito entre las ocho configuraciones posibles (de las cuales seis se muestran arriba), solo un conjunto de valores de componentes igualará la impedancia de entrada con la de salida . En contraste, los circuitos descritos en otros lugares tienen tres o más componentes y, por lo tanto, ofrecen muchas más opciones de inductancia y capacitancia para lograr una adaptación de impedancia; generalmente, al menos dos, si no un continuo, algunas de las cuales pueden ser "malas", es decir, causar una resonancia dentro del acoplador de antena que resulta en una alta pérdida. Los operadores de radio deben experimentar y probar las configuraciones disponibles, y usar su criterio para elegir la mejor entre los ajustes posibles que puedan igualar la misma impedancia.

Todo método de adaptación de impedancias introduce cierta pérdida de potencia. Esta varía desde un pequeño porcentaje para un transformador con núcleo de ferrita hasta un 50 % o más para un acoplador de antena complejo que no está correctamente sintonizado o que funciona en los límites de su rango de sintonización. ^{[ 12 ]}

En los sintonizadores de banda estrecha, la red en L presenta las menores pérdidas, en parte debido a su menor número de componentes, pero principalmente porque opera necesariamente con el factor Q más bajo posible para una transformación de impedancia dada. En la red en L, el factor Q de carga no es ajustable, sino que se fija a medio camino entre las impedancias de la fuente y la carga. Dado que la mayor parte de las pérdidas en los sintonizadores prácticos se producen en la bobina (inductor), elegir entre la red de paso bajo o la de paso alto para obtener la menor inductancia necesaria puede reducir las pérdidas.

La red en L que utiliza únicamente condensadores presenta las menores pérdidas, pero solo funciona cuando la impedancia de carga es muy inductiva, lo que la convierte en una buena opción para una pequeña antena de bucle . La impedancia inductiva también se produce con antenas de hilo recto utilizadas a frecuencias ligeramente superiores a la frecuencia de resonancia , cuando la antena es demasiado larga; por ejemplo, entre un cuarto y media onda a la frecuencia de operación. Sin embargo, las antenas de hilo recto problemáticas suelen ser demasiado cortas para la frecuencia de uso.

Con la red en T de paso alto, la pérdida en el sintonizador puede variar desde un pequeño porcentaje (si se ajusta para obtener la menor pérdida ) hasta más del 50 % si no se ajusta correctamente. Usar la capacitancia máxima disponible dará como resultado una menor pérdida que si simplemente se ajusta para que coincida sin tener en cuenta los ajustes. ^{[ 13 ]} Esto se debe a que usar más capacitancia significa usar menos espiras del inductor, y la pérdida se produce principalmente en el inductor.

Con el  sintonizador SPC, las pérdidas serán algo mayores que con la red en 'T', ya que la capacitancia adicional a través del inductor derivará cierta corriente reactiva a tierra, la cual debe ser cancelada por una corriente adicional en el inductor. ^{[ 14 ]} La contrapartida es que la inductancia efectiva de la bobina aumenta, lo que permite operar a frecuencias más bajas de lo que sería posible de otro modo.

Si se desea un filtrado adicional, el inductor puede ajustarse deliberadamente a valores mayores, lo que proporciona un efecto de paso de banda parcial. ^{[ 15 ]} De esta manera, se puede ajustar el filtro paso alto  'T', el filtro paso bajo ' π ' o el  sintonizador SPC. La atenuación adicional en las frecuencias armónicas puede incrementarse significativamente con solo un pequeño porcentaje de pérdida adicional en la frecuencia sintonizada.

Cuando se ajusta para minimizar las pérdidas, el  sintonizador SPC ofrece una mejor supresión de armónicos que el filtro paso alto  'T' debido a que su circuito tanque interno funciona como un filtro paso banda . Ambos tipos son capaces de lograr una buena supresión de armónicos si se acepta una pequeña pérdida adicional. El filtro paso bajo ' π ' ofrece una atenuación de armónicos excepcional en cualquier ajuste, incluso en el de menor pérdida.

Se insertará un acoplador de antena (ATU) en algún punto de la línea que conecta el transmisor o receptor de radio con la antena. ^{[ 16 ]} El punto de alimentación de la antena suele estar a gran altura (por ejemplo, una antena dipolo ) o lejos (por ejemplo, una antena de hilo aleatorio alimentada por un extremo ). Una línea de transmisión , o línea de alimentación, debe transportar la señal entre el transmisor y la antena. El ATU puede colocarse en cualquier punto de la línea de alimentación: en el transmisor, en la antena o en algún punto intermedio.

La sintonización de la antena se realiza mejor lo más cerca posible de ella para minimizar las pérdidas, aumentar el ancho de banda y reducir los picos de voltaje y corriente en la línea de transmisión. Además, cuando la información transmitida contiene componentes de frecuencia cuya longitud de onda representa una fracción significativa de la longitud eléctrica de la línea de alimentación, se producirá distorsión de la información transmitida si existen ondas estacionarias en la línea.  Las transmisiones de televisión analógica y FM estéreo se ven afectadas de esta manera. Para estos modos, se requiere adaptación de impedancia en la antena.

Cuando sea posible, un sintonizador automático o controlado remotamente en una carcasa resistente a la intemperie, ubicado en la antena o cerca de ella, resulta conveniente y permite un sistema eficiente. Con un sintonizador de este tipo, es posible adaptar una amplia gama de antenas. ^{[ 17 ]}

Cuando el acoplador de antena (ATU) debe ubicarse cerca de la radio para facilitar su ajuste, cualquier ROE significativa aumentará las pérdidas en la línea de alimentación. Por esta razón, al usar un ATU en el transmisor, una línea de alimentación de baja pérdida y alta impedancia es una gran ventaja (por ejemplo, una línea de hilo abierto). Un tramo corto de línea coaxial de baja pérdida es aceptable, pero con líneas más largas y con pérdidas, la pérdida adicional debida a la ROE se vuelve muy alta. ^{[ 18 ]}

Es fundamental recordar que, al adaptar el transmisor a la línea, como se hace cuando el acoplador de antena (ATU) está cerca del transmisor, no se produce ningún cambio en la ROE de la línea de alimentación. Las corrientes de retroceso reflejadas por la antena son retroreflejadas por el ATU (generalmente varias veces entre ambos) y, por lo tanto, no son visibles en el lado del transmisor del ATU. El resultado de las múltiples reflexiones es una pérdida acumulada, un voltaje o corrientes más elevados y un ancho de banda reducido, ninguno de los cuales puede corregirse con el ATU.

Es un error común pensar que una alta relación de onda estacionaria ( ROE ) por sí sola causa pérdidas. ^{[ 3 ]} Un ATU bien ajustado que alimenta una antena a través de una línea de baja pérdida puede tener solo un pequeño porcentaje de pérdida adicional en comparación con una antena intrínsecamente adaptada, incluso con una ROE alta ( 4 a 1, por ejemplo). ^{[ 19 ]} Un ATU situado junto al transmisor simplemente vuelve a reflejar la energía reflejada por la antena ("corriente de retroceso") de vuelta, a lo largo de la línea de alimentación hacia la antena ("retroreflexión"). ^{[ 3 ]} Las altas pérdidas surgen de la resistencia de RF en la línea de alimentación y la antena, y esas múltiples reflexiones debidas a una ROE alta hacen que las pérdidas de la línea de alimentación se acumulen.

El uso de una línea de alimentación de alta impedancia y baja pérdida con un acoplador de antena (ATU) resulta en una pérdida mínima, incluso con múltiples reflexiones. Sin embargo, si la combinación de línea de alimentación y antena presenta pérdidas, una ROE alta idéntica puede provocar una pérdida considerable de la potencia de salida del transmisor. Las líneas de alta impedancia, como la mayoría de las líneas de hilos paralelos con impedancias entre 300 y 500 Ω , transportan la potencia principalmente como alto voltaje en lugar de alta corriente, y solo la corriente determina la potencia perdida por la resistencia de la línea. Por lo tanto, a pesar de una ROE alta, se pierde muy poca potencia en una línea de alta impedancia en comparación con una línea de baja impedancia, como un cable coaxial típico de 50 Ω . Por esta razón, los operadores de radio que transmiten a través de una línea de alimentación de alta impedancia pueden ser menos estrictos en cuanto a dónde y si utilizan un ATU.

Sin un acoplador de antena (ATU), la ROE de una antena y una línea de alimentación desadaptadas puede presentar una carga inadecuada al transmisor, causando distorsión y pérdida de potencia o eficiencia, con calentamiento o incluso quemado de los componentes de la etapa de salida. Los transmisores modernos de estado sólido reducen automáticamente la potencia al detectar una ROE alta, por lo que algunas etapas de potencia de estado sólido solo producen señales débiles si la ROE supera 1,5:1. Si no fuera por el problema de la reducción automática de potencia, incluso las pérdidas de una ROE de 2:1 serían tolerables, ya que solo el 11  % de la potencia transmitida se reflejaría y el 89  % se enviaría a la antena. Por lo tanto, la principal pérdida de potencia de salida con una ROE alta se debe a que el transmisor reduce su potencia de salida al enfrentarse a una corriente de retroceso.

Los transmisores y amplificadores de válvulas suelen tener una red de salida ajustable que puede alimentar cargas desadaptadas con una ROE de hasta 3:1 sin problemas. En efecto, la red π integrada en la etapa de salida del transmisor actúa como un acoplador de antena. Además, dado que las válvulas son eléctricamente robustas (aunque mecánicamente frágiles), los circuitos basados ​​en válvulas pueden tolerar corrientes de retroceso muy elevadas sin sufrir daños.

Una de las aplicaciones más antiguas de los acopladores de antena se encuentra en los transmisores de radiodifusión AM y de onda corta. Los transmisores AM suelen utilizar una antena vertical (torre) con  una longitud que puede variar entre 0,20 y 0,68 longitudes de onda. En la base de la torre se utiliza un acoplador de antena para adaptar la antena a la  línea de transmisión de 50 ohmios del transmisor. El circuito más común es una red en T, que utiliza dos inductores en serie con un condensador en paralelo entre ellos. Cuando se utilizan varias torres, la red del acoplador de antena también puede proporcionar un ajuste de fase para que las corrientes en cada torre se sincronicen con respecto a las demás y así obtener el patrón deseado. Estos patrones suelen estar obligados por ley a incluir nulos en direcciones que podrían producir interferencias, además de aumentar la señal en la zona objetivo. El ajuste de los acopladores de antena en un conjunto de varias torres es un proceso complejo y laborioso que requiere una considerable experiencia.

Para la onda corta internacional (50  kW o más), el ajuste frecuente de la antena se realiza como parte de los cambios de frecuencia, que pueden ser necesarios estacionalmente o incluso a diario. Los transmisores de onda corta modernos suelen incluir circuitos de adaptación de impedancia integrados para ROE de hasta 2:1  y pueden ajustar su impedancia de salida en 15  segundos.

Las redes de adaptación de impedancias en los transmisores a veces incorporan un balun, o bien se puede instalar uno externo en el transmisor para alimentar una línea balanceada. Las líneas de transmisión balanceadas de 300  ohmios o más eran prácticamente estándar para todos los transmisores y antenas de onda corta en el pasado, incluso para los radioaficionados. La mayoría de las emisoras de onda corta han seguido utilizando alimentadores de alta impedancia incluso antes de la llegada de la adaptación automática de impedancias.

Las antenas de onda corta más utilizadas para la radiodifusión internacional son la antena HRS (de cortina), que cubre un rango de frecuencia de 2  : 1, y la antena logarítmica periódica , que cubre un rango de hasta 8 : 1. Dentro de este rango, la ROE varía, pero generalmente se mantiene por debajo de 1,7 : 1 , un valor que se puede ajustar mediante la adaptación de impedancia integrada en muchos transmisores modernos. Por lo tanto, al alimentar estas antenas, un transmisor moderno puede ajustarse automáticamente para adaptarse a cualquier frecuencia.