DR 20/09/2011 - Clase 3 - Seguimos con antenas

En esta tercera clase hemos continuado hablando sobre antenas: los tipos de las que disponemos, sobre como radian el espacio y sobre métodos para trasmitir ondas a largas distancias. Ha sido una clase muy teórica, pero a la vez muy reveladora ya que he descubierto muchísimas cosas.

En primer lugar, se ha empezado hablando de otros tipos de antenas, se ha presentado el monopolo en λ/4. Esta configuración se basa enterrar una de las dos barras de un dipolo de λ/2 en un plano de masa de la siguiente manera:

Es preferible que el plano de masa sea una superficie conductora, por ejemplo, que contenga iones que faciliten la conducción para aumentar la eficiencia de la antena. De esta manera la antena radia el espació de manera perpendicular y omnidireccional a plano de la superficie. El diagrama de radiación es el siguiente:

Los parámetros de la antena cambian de tal manera que la impedancia y el área de captura se reducen a la mitad (debido a que la mitad de la antena está enterrada en el plano de masa) y se dobla la ganancia.

Después de esto, se ha planteado la siguiente cuestión: Esta antena es de  gran utilidad ya que podemos reducir a la mitad la longitud de una antena de λ/2. Es decir, por ejemplo, para una frecuencia de 1MHz tenemos una longitud de onda de 300m, el monopolo vertical nos permite reducir la longitud de la antena a 75m una reducción considerable pero sigue siendo una antena muy grande. Entonces hay alguna manera para conseguir captar ondas electromagnéticas del espacio si recurrir a antenas tan grandes? La respuesta a esta pregunta se halla en la ley de inducción de Faraday-Lenz.

La ley de inducción nos dice que si tenemos un campo magnético variable con el tiempo podemos crear también un campo eléctrico variable con el tiempo el cual será la derivada del flujo de campo magnético con respecto a tiempo:

Usando este principio y con la ayuda de una bobina podemos captar la información que transporta una onda electromagnética que hemos radiado al espacio. Es decir, la bobina captará la variación de campo magnético a su través y proporcionará una respuesta eléctrica de la misma frecuencia.

Así pues, con todo lo que se ha visto hasta ahora tenemos ya una idea bastante clara de como enlazar dos puntos distante mediante el uso de O.EM. Pero, con todo esto aún hay que tener en cuenta más cosas: el ruido puede ser un factor limitante a la hora de distinguir si recibimos alguna señal en nuestra antena. La primera solución que podríamos proponer a este problema seria pasar por un amplificador la señal antes de visualizarla, pero no serviría de nada ya que también amplificaríamos el ruido y seguiríamos sin distinguir la señal. Así, pues hay que considerar siempre una mínima SNR de tal manera que podamos distinguir bien la señal. Este factor nos limitara la distancia a la que podemos situar dos puntos para comunicarlos vía radio. Junto con esto se han repasado las unidades logarítmicas como los dB, dBm o dBμ para relacionar la fórmulas.

Seguidamente se ha hablado de otro tipo de antenas: las Yagi-Uda. Estas son las antenas más utilizadas para captar la señal de televisión:

Con este tipo de antena se consigue aumentar de manera muy considerable la ganancia en recepción (Gr) de esta manera la antena podrá captar señales a más distancia. Esto hecho se debe a que el tipo de construcción que tiene a antena permite focalizar el diagrama de radiación en una dirección más concreta:

Para finalizar, hemos hablado sobre estrategias para establecer un radio enlace. La comunicaciones vía radio están fuertemente marcadas principalmente por el terreno sobre el que han de propagarse las ondas y la curvatura de la tierra. Una primera estrategia seria seria establecer un emisor y receptor a una distancia con alcance visual entre ellos de esta manera no nos vemos afectados por la curvatura de la tierra. Esta estrategia depende mucho de la altura a la que situemos emisor y receptor. 

Una segunda estrategia es usar los fenómenos de propagación que ocurren a altas frecuencias, la onda de superficie y la refracción ionosférica. La primera se basa en aprovechar las propiedades que se generan cuando una onda de una frecuencia menor a 2Mhz se propaga por un terreno de características conductoras: se genera una onda de superficie que sigue el contorno de la tierra hasta que es absorbida. La refracción ionosférica se basa en usar la ionosfera como espejo para hacer rebotar la ondas electromagnéticas. Esta capa esta ionizada permanentemente debido a la fotoionización que provoca la radiación solar. Estas características implican que la capa es muy dependiente de la actividad solar, así pues el rango de frecuencias que conseguirán rebotar en esta capa son diferente por la día y por la noche. Además depende del ciclo solar. Durante el día y con una actividad solar normal se usan frecuencias entre los 10 Mhz y 20 Mhz, por la noche se usan frecuencias entre los 3 Mhz y 10 Mhz.

DR 15/09/2011 - Clase 2 - Introducción a las antenas

La segunda clase de diseño de radiorreceptores ha sido sorprendente para mi. Hemos empezado observando y comentando el primer circuito que íbamos a diseñar, el receptor de onda media. Después, hemos empezado a hablar sobre que ocurre cuando no se cumple la aproximación circuital que usábamos en TC hasta acabar hablando sobre antenas. Me ha chocado la manera de como se construye una antena y de ver como funciona a nivel teórico.

Para empezar, hemos comenzado hablando sobre el circuito que tendríamos que construir del primer proyecto. En concreto, hemos comentado las diferentes partes que nos llamaban la atención del circuito. Ello nos ha servido de excusa para ir entendiendo mínimamente para que servían algunas de las partes y componentes del circuito. Por ejemplo, hemos comentado como se diseñaban los condensadores variables, como funcionaban los condensadores electrolíticos o como se construían los potenciómetros. Además hemos comentado que por ejemplo la primera parte del circuito es un amplificador regenerativo que consigue la funcionalidad parecida a la de diversos transistores en cascada. Por último, se ha comentado que la segunda parte del circuito es un detector de envolvente.

En segundo lugar hemos empezado con la asignatura del curso hablando sobre los principios de la antenas. El punto de partida es simple: Queremos saber que ocurre si analizamos un circuito donde no se cumplen las condiciones para la aproximación circuital de Kirchhoff, es decir la longitud del circuito es comparable a la longitud de onda de la frecuencia a la cual opera. Para ello se ha propuesto el siguiente circuito:

En este caso la predicción que obtenemos basada en lo que sabemos de TC no se cumple. Experimentalmente podemos comprobar que hay una corriente que pasa por la resistencia y que se esta transfiriendo potencia a la "antena". El espacio se inunda con radiación electromagnética. Lo siguiente es encontrar el comportamiento de la antena, para ello usamos el planteamiento de caja negra:

Encontramos que para valores de l/λ más pequeños que 0.5 se comporta como un condensador y para valores superiores como bobina. Para un valor de l/λ se comporta como una resistencia (Im[z] = 0). Para encontrar la potencia transmitida a la antena, recurrimos a las formulas de TC: P = 0.5*|Ia|*Re[Z].

Hemos visto como la antena inunda el espacio de ondas electromagnéticas, en este caso esta configuración el campo eléctrico siempre tiene la dirección del las varillas de la antena. La iluminación máxima se produce en dirección perpendicular. Esto se puede visualizar fácilmente con el diagrama de radiación, es el siguiente:

(El eje z seria la dirección de nuestro dipolo)

Por último, decir que este efecto es reversible. Podemos tener tanto antenas emisoras como receptoras:

Para entender la manera en que las antenas receptoras reciben la potencia radiada por la antena emisora, hemos estudiado un ejemplo de recepción de potencia radiada por una bombilla. Esta radia potencia en todas las direcciones del espacio. Hemos definido su densidad de potencia como S = Potencia/Sup.esfera y la potencia capturada como P = S*(Area de captura). En caso de que haya direcciones privilegiadas donde la radiación sea mayor entonces hay que considerar un factor de ganancia al calcular P. Con este ejemplo, y ya para terminar, hemos visto un caso de como una antena receptora captura la potencia radiada por una emisora.

DR 13/09/2011 - Clase 1 - Introducción y presentación

En la primera clase de diseño de radiorreceptores de este cuatrimestre se ha presentado la asignatura dando una perspectiva general de lo que se hará durante el curso en esta optativa y cual será su método de funcionamiento. 

Para empezar, se ha comenzado hablando de lo que trataremos durante el curso. Esta es una clase en la que se explora el mundo del diseño de emisores y receptores de radiofrecuencia (RF) o dicho de otra manera, nos adentraremos, en cierta medida, en el mundo transceptores de radiofrecuencia. Esta optativa esta situada dentro del campo de electrónica de comunicaciones.

En segundo lugar, hemos hablado de los conocimiento previos que requiere una asignatura dedicada a este campo. He quedado sorprendido al conocer la cantidad de conocimiento previos que requiere este campo, hay que manejar un gran abanico de conceptos para poderse adentrar aquí. En concreto, hemos hablado de que es fundamental tener conocimientos sobre teoría de circuitos (saber analizar circuitos, conocer los diversos componentes electrónicos que se utilizan la construir una dispositivo concreto etc.), modulaciones (AM, FM, DBL etc), campos electromagnéticos, antenas, radiación, propagación, o PSPICE. Realmente después de ver como todos estos conceptos se relacionan con la ingeniería RF, puedo decir que este promete ser una materia exigente pero a la vez interesante ya que es parte de mi curiosidad conocer como se diseñan este tipo de dispositivos.

Para continuar, hemos charlado sobre los proyectos que realizaremos durante el curso. Estos nos servirán de excusa para adentrarnos dentro del mundo de la comunicaciones por radiofrecuencia. Para ser más específicos durante este curso realizaremos tres proyectos. El primero un receptor de onda media para recibir las emisiones en la banda de frecuencias entre 550 Khz y 1.6 MHz. El segundo será un sistema de balizamiento semejante al que usan los barco para comunicar de una emergencia al servicio de costas más cercano, y por último, el tercer proyecto un receptor de HF.

Por último, hemos hablado sobre el mecanismo de la asignatura. Esta optativa es de carácter experimental, donde se aprende haciendo. Es decir trabajamos íntegramente en el laboratorio como si nosotros mismos fuésemos científicos. Es decir, partimos de una hipótesis y llegamos a unos resultados concretos y poco a poco vamos descubriendo la materia. Como conclusión, puedo decir que tengo una profunda curiosidad por ver que me depara esta optativa.