Nociones Basicas Sobre Ganancia

Nociones básicas sobre ganancia.

Por Diego R. Rodriguez Herlein LW 1 DQ

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a idea de este artículo es ordenar un poco los conceptos sobre ganancia de antenas que, muchas veces, se prestan a confusión. Hemos escuchado, en forma reiterada, en nuestro medio frases como ' el equipo tiene 10 vatios .... pero salgo con una potencia de 4000 vatios ...... Tengo una direccional de xx dB ....... '. Este tipo de frases, un poco desafortunada, creo que lleva a un error de concepto. Veamos primero el concepto de ganancia, por ejemplo, en un amplificador lineal o cualquier otro tipo de amplificador, para después llevarlo al mundo de las antenas. Un amplificador (como su nombre lo indica), amplifica la señal de entrada, generando a la salida, una señal de similares características, pero de mayor 'potencia'. De esta manera el amplificador presenta una característica, inherente a su funcionamiento, que es la ganancia. Dicha ganancia me define cuanto va a estar amplificada la señal de salida con respecto a la de entrada, es decir, cuanto más grande es la salida con respecto a la entrada. Por ejemplo, si yo excito el amplificador con 10 w y a la salida obtengo 1000 w, significa que la ganancia de mi amplificador es 100. El amplificador aumento 100 VECES la potencia de entrada. (la multiplicó por 100). Se define, entonces, la ganancia de este amplificador como el cociente entre la potencia de salida y la de entrada: G = Psalida / Pentrada = 1000 / 10 = 100 Veces, o simplemente 100 Antes de seguir adelante con este tema, veamos como realiza esta función un amplificador. No existe nada en el mundo que genere energía de la nada, siempre existe una transformación de energía de una forma a otra. En el caso de las compañías de energía eléctrica, transforman la energía de un caudal del agua (centrales hidroeléctricas), la combustión del gas (usinas termoeléctricas), fisión nuclear (centrales atómicas) en energía eléctrica. En todos los casos hay una transformación de una forma de energía en otra, pero en ningún caso la energía se crea de la nada. En nuestro caso, en el amplificador, pasa exactamente lo mismo. Para generar los 1000 w de salida, debemos suministrarle los 10 w de entrada y, además, lo debemos alimentar (entregar energía) desde la red de distribución , 220V - 50 Hz, que generalmente es acondicionada por algún tipo de fuente para que pueda ser utilizado por el amplificador. Es decir, para que podamos obtener 1000 vatios a la salida, le estamos entregando 10 vatios de excitación (nuestra señal a amplificar) y aproximadamente 1500 vatios de energía eléctrica, que en nuestro caso, nos la provee Edelap. Ahora... si a la salida tengo 1000 w y en la entrada tengo 10w + 1500w = 1510, qué es lo que esta pasando ?. Qué pasa con los 500w de más? Donde van a pa-

rar? No son preguntas triviales. En toda transformación (de una forma de energía a otra), en particular en nuestro caso, existen pérdidas. No se puede lograr ninguna máquina que aproveche el 100 % de la energía que le suministramos. Dichas pérdidas se transforman, generalmente, en CALOR. Dicho de otra forma, si yo quiero generar 1000 w de potencia a la salida en mi estación, debo entregarle los 1000 w en alguna otra forma de energía, más la energía de pérdidas que es inherente a la forma de conversión. Cuanto menores son dichas pérdidas, es decir, aprovechamos mejor la energía de entrada, mejor es nuestro equipo y se dice que tiene un mejor rendimiento. Un rendimiento del 100 % significa que toda la potencia que entra sale en forma de potencia útil o, lo que es lo mismo, que la potencia de pérdidas de mi sistema de transformación es 0. Un ejemplo puede ser un automóvil. La potencia de entrada la da el combustible cuando detona. La potencia de salida (útil) es la propulsión sobre las ruedas a través del embrague, la caja, etc. Sin embargo, debemos utilizar un radiador, mangueras, bomba de agua, etc. para hacer circular un líquido refrigerante para poder extraerle el CALOR que el motor genera. Este calor es el resultado de las pérdidas del motor. Si el motor tuviese un rendimiento del 100 % el sistema de refrigeración sería inútil. Fíjese que el rendimiento típico de un motor esta en el orden del 40 %. Esto quiere decir que de cada 100 unidades de energía que me genera la combustión de la nafta, solo 40 me empujan las ruedas, el resto se disipa en calor (roce de las piezas mecánicas, inercia de los pistones, etc., todas las perdidas). Preste atención a otro detalle: la proporción en un equipo de radio entre el tamaño del disipador de la etapa de salida con respecto al tamaño total del equipo. Volvamos ahora con la frase poco afortunada '... 4000 vatios ...... tengo una direccional ... ' A Ud. le parece que alimentando con 10 w unos cuantos tubitos de aluminio, por mas bien cortados y ajustado que ellos estén, puedan generar 4000 w ?.... No, de ninguna manera. Sin embargo, siguiendo el razonamiento anterior sobre el concepto de ganancia, en principio parecería ser así. Esta aparente contradicción tiene su explicación.

Empecemos definiendo la antena isotrópica. Dicha antena es una antena ideal, un modelo matemático que presenta la propiedad de irradiar energía en la misma proporción en todas las direcciones posibles. Es decir, irradia la misma 'potencia' para los 360 grados de latitud y para los 360 grados de acimut. Si nosotros rodeamos esta antena con una esfera perfecta, en cada punto de su superficie tenemos la misma energía. Dicho de otra forma, si yo alimentara mi antena isotrópica con una potencia determinada, de tal forma que en un punto determinado del espacio tuviera una potencia de 1w, en todos los puntos de la superficie de la esfera que pasa por ese punto y con centro en la antena voy a obtener la misma medida. La ganancia de esta antena se define como 0. Se utiliza como referencia en la escala de ganancias dBi. Imaginemos que de alguna manera (no importa ahora cual), modifico la forma de irradiar de mi isotrópica y le saco la posibilidad de irradiar en la mitad de la esfera. Es decir, de la antena para adelante es una antena isotrópica, irradia en todas las direcciones posibles, pero para la mitad trasera no irradia absolutamente nada. De esta manera, mi antena irradia isotrópicamente para los 360 grados de acimut y para los 180 grados de latitud y, nada para el resto. Alimentándola en esta instancia con la misma potencia que en el caso anterior, mido la potencia en el mismo punto del espacio (que obviamente esta del lado que la antena irradia) y mi lectura es 2w. Puedo entonces decir que la ganancia de mi nueva antena es 2 veces con respecto al isotrópico, pues en el mismo punto del espacio recibo el doble de potencia, para la misma potencia de entrada a la antena. De ninguna manera hemos creado energía, eso es obvio, a pesar de que recibo el doble de energía que en el caso anterior. Lo que hicimos fue redistribuir la energía irradiada y concentrarla en un sector del espacio, a consta de no irradiar absolutamente nada en el resto. Es decir, una estación a mis espaldas no hubiera escuchado absolutamente nada, sin embargo una en el frente me hubiera escuchado mucho mejor. En el caso de la isotrópica los dos me hubieran escuchado pero con menor señal. Esto es ideal, ya que es imposible no emitir en una dirección. Lo que sí es posible, y de hecho las antenas así funcionan, es que la mayor parte de la energía tenga una dirección y una muy pequeña fracción sea emitida en las direcciones que no nos interesan. (esto lo podríamos pensar como una de las pérdidas de la antena) La idea de la ganancia de una antena es, la capacidad que ella tiene de concentrar la mayor parte de la energía en una porción del espacio. Cuanto más pequeño es ese sector, la antena tiene mayor ganancia. Volviendo a la frase que califique de desafortunada, no es del todo equivocada, lo que el colega quiso decir es que para lograr la misma potencia, en un punto del espacio, que él estaba irradiando con su direccional, pero con una antena isotrópica,

esta antena debía ser alimentada con una potencia de 4000 w. Lo que logró con la direccional es que, para el lado que esta apuntando, el corresponsal lo ve como si tuviera una antena isotrópica alimentada con 4000w, con la salvedad de que solamente en esa dirección lo escuchan. Concentra toda la energía (por lo menos la mayor parte) que es capaz de irradiar en esa dirección. Vimos que la ganancia se mide en veces, es decir la cantidad de veces que la salida es amplificada con respecto a la señal de entrada. Sin embargo, se suele utilizar como unidad de medida el decibel (db). Dicha escala es logarítmica, lo que significa que, en general, una ganancia del doble en db, no implica necesariamente una ganancia del doble en veces (puede ser mas del doble o menos del doble, depende en que parte de la escala se este trabajando). Se define, de esta manera el 0 dBi (dB sobre la isotrópica) a la ganancia de la antena isotrópica. A partir de esta referencia, se obtiene que la ganancia de un dipolo de 1/2 longitud de onda es del orden de 2,5 dBi. Lo usual, sobre todo en nuestro medio, es utilizar como referencia de ganancia 0 al dipolo de 1/2 onda, o sea el 0 dBd, o simplemente 0 dB, como la ganancia de un dipolo de 1/2 onda. Hay que prestar mucha atención cuando uno compra una antena. Una yagui de 3 elementos, tiene una ganancia del orden de 8 dBi, o lo que es lo mismo, de 5,5 dB o dBd. En general, el vendedor, la ofrece como una yagui de 8 dB. Ahora, cómo puede ser que la ringo, antena omnidireccional, tenga ganancia?. Siguiendo el razonamiento anterior, al irradiar en todas las direcciones, debería tener ganancia 0 dBi. Sin embargo, la ringo no es del todo omnidireccional. Si volvemos a la esfera que rodea a la antena, vemos que en los sectores correspondientes a los casquetes polares no emite (lo que sería verticalmente, hacia arriba y hacia abajo; una esfera aplanada). Por lo tanto, se concentra la mayor parte de la energía en el resto de la esfera, es decir tiene una pequeña ganancia. Como puede ver, los planos de tierra, en una ringo, son fundamentales para lograr la ganancia que promueve el manual (aprox. 5 dB, que son 5 dBi, o, 2,5 dB y estamos siendo muy generosos). Veamos, por ultimo, una antena tipo yagui. El elemento más importante es el elemento excitado (donde alimentamos la antena). Dicho elemento, no es otra cosa sino un dipolo de 1/2 longitud de onda, para la frecuencia que estamos trabajando. Sabemos que tiene una ganancia de 0 dB con respecto al dipolo, o bien, aprox. 2,5 dB con respecto al isotrópico (dBi). Para darle mayor ganancia, lo que debemos hacer, es modificar su lóbulo de irradiación, es decir, concentrar más energía irradiada en una porción del espacio, a consta de dejar otra vacía (o prácticamente vacía). Lo primero que podemos hacer es agregarle un Reflector, que es un elemento pasivo (pues no esta alimentado), en la parte posterior de nuestra antena. Dicho reflector hará que la energía se irradie en su mayoría hacia adelante y una pequeña fracción hacia atrás. Hemos aumentado la ganancia de nuestro dipolo. Si ahora le agregamos Directores (1 o más), también pasivos, en la parte delantera de la antena, se hará más evidente esta situación (mayor energía hacia adelante y menor hacia atrás) y mejorará la ganancia de la antena.