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VHF Consideraciones sobre circuitos y estaciones | Radioaficion Ham Radio

VHF Consideraciones sobre circuitos y estaciones

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Consideraciones sobre circuitos de comunicaciones y estaciones en VHF

Julio Isa, EA3AIR

Creo que es útil recordar que tradicionalmente en la primera quincena del mes de junio es más que probable que se produzcan varias aperturas de esporádica E y que no es raro que alguna de ellas sea de las grandes, de las que duran muchos minutos. En comentarios anteriores ya he dicho que la predicción de la esporádica E en 144 MHz sigue siendo una utopía, pero todo parece indicar que uno de los fenómenos que ayuda a la aparición de la esporádica E es la presencia de abundantes meteoritos. Los primeros días de junio casi coinciden con el máximo de los meteoritos esporádicos (aquellos que no están asociados a una lluvia determinada) y además, con el máximo de dos grandes lluvias de meteoritos (véase tabla de la página 60). Estas dos grandes lluvias, que tienen varios días de duración, se solapan entre sí lo que, unido a la presencia de abundantes meteoritos de otras procedencias, hace que la capa E tenga un exceso de ionización. Que ésta se concentre para dar una nube que permita las reflexiones de 144 MHz ya es harina de otro costal. No podremos predecirla, pero sí que podemos utilizar la estadística, y ésta indica una abundante presencia de esporádicas por estas fechas. Por otro lado es casi seguro que la FAI, que tiene unas condiciones mucho menos restrictivas, aparezca muchos días.

La FAI constituye uno de los retos más fuertes que puede afrontar una estación «normal». Igual que el rebote lunar es el límite máximo a que puede enfrentarse una estación de VHF de muy alto nivel, la FAI es el límite para una estación sin tantas pretensiones. La FAI puede trabajarse con bastante facilidad si se dispone de 100 W, una buena antena y una excelente recepción.

Clasificación de estaciones

Muchas veces, cuando hablamos de estaciones grandes, estaciones normales y estaciones pequeñas, se plantean serias dudas. No es una cuestión de «qué se tiene» sino de «cómo se tiene. Una estación de 100 W puede llegar a ser tan buena, si tiene cuidado, como una de 600 W que no sea tan cuidadosa. Al revés, una estación de 100 W puede ser tan mala o peor que una de 10 W que cuide todos los detalles. 0 sea, no es una cuestión de potencia en sí. Lo principal es cuánta potencia podemos poner en un circuito de comunicaciones y cuánta podemos extraer de él. Lo que viene a continuación es común a todos los circuitos de comunicaciones, sean de VHF o no, sin embargo los problemas que plantean son mucho más acusados en frecuencias muy elevadas que en las más bajas.

Circuito de comunicaciones

Supongamos una representación típica de un circuito de comunicaciones. Un transmisor, un medio que lleva la potencia con más o menos pérdidas y un receptor. Para evaluar una sola estación suponemos que la estación de cada extremo es la misma, o sea que transmite y recibe con una estación idéntica a la nuestra.

Pérdidas del circuito

Es evidente que no toda la potencia emitida llega al receptor, ni siquiera una parte importante consigue hacerlo. Se denomina pérdida del circuito a la relación que existe entre la potencia emitida y la que llega al receptor, medidas con el mismo criterio. Como es una relación de potencias se expresa en decibelios. Estas pérdidas tienen dos componentes básicas. La primera componente es la famosa Ley del Inverso del Cuadrado de la Distancia que, para no entrar en fórmulas matemáticas, nos dice que la señal se atenúa 6 dB cada vez que doblamos la distancia entre el transmisor y el receptor. Imaginaros que colocamos una antena isotrópica en el espacio vacío. Si en la superficie de una esfera de 1 km de radio a partir de la antena colocamos tantas antenas como sea posible recuperaremos toda la potencia emitida. Si ahora hacemos lo mismo a 2 km de distancia, volveremos a recuperar toda la potencia (en el espacio vacío no hay pérdidas de otro tipo), pero en la superficie de esa nueva esfera caben cuatro veces más antenas que antes. La conclusión es que cada antena individual recibe cuatro veces menos señal o lo que es lo mismo 6 dB menos que antes. A efectos prácticos, y hablando de comunicaciones entre dos puntos sobre la superficie de la Tierra, vamos a ver lo que supone esa atenuación.

Supongamos que con un transmisor podemos conseguir que a 5 m de la antena tengamos 1 W por metro cuadrado (una pequeña directiva y unos pocos vatios ya bastan para cumplir esa condición). Para llegar a 20.000 km, o sea nuestras antípodas, hay que multiplicar 22 veces por 2. Por tanto hemos perdido 22 veces 6 dB. Como los decibelios se suman tendremos 132 dB pérdidas. La potencia por metro cuadrado es de -132 dBW. Ya salieron los numerajos incomprensibles. Esa expresión la vamos a convertir en microvoltios (µV). Como un simple dipolo de 144 MHz ya recoge toda la señal que se encuentra en ese metro cuadrado que estamos usando de referencia, -132 dBW sobre una resistencia de 50 Ω equivalen a unos 17 µV en el dipolo. Con la tabla de calibración de un S-meter europeo en VHF esa señal sería de S9+10 dB. 0 sea que con unos pocos vatios y directiva pequeña ponemos una señal en las antípodas que hasta el peor receptor de comunicaciones consideraría excelente.

Desgraciadamente la Tierra no es plana y las ondas de radio tienen la fea costumbre de ir siempre en línea recta salvo que algo las perturbe. Ese «algo», llámese ionosfera, tropo, esporádica E, reflector (la Luna por ejemplo), etc, que es imprescindible para que la señal emitida se oiga en otro punto de la Tierra situado más allá del horizonte, no suele ser un reflector perfecto, sólo refleja una parte de la señal y por tanto introduce pérdidas adicionales. Con esto ya tenemos las pérdidas totales: por un lado el «atenuador» de distancia y por otro el del modo de propagación, que unas veces depende de la distancia y otras no. La suma de estos dos atenuadores nos da las pérdidas del circuito.

Ya hemos definido las pérdidas de un circuito y tenemos una forma de calcular la «calidad» de una estación. ¿Cuántos decibelios de pérdida puede tener un circuito para que tu receptor escuche la señal emitida por tu transmisor?

La solución es muy fácil, basta con que la suma de la ganancia de potencia del transmisor más la del receptor sea superior al atenuador. En los circuitos comerciales y profesionales se suele exigir que la suma mencionada supere en un cierto valor al atenuador, pero entre radioaficionados se puede aceptar que un oído bien entrenado es capaz de entender una señal al límite. Recuerdo que esto sólo es válido para SSB o CW ya que la FM necesita que se abra el discriminador para ser oída, y eso suele exigir algunos decibelios de mas.

Para hacer los cálculos se precisa que todas las medidas se hagan respecto a una unidad común y ésta suele ser el milivatio. Como lo que vamos a hacer es ver relaciones entre potencias lo más lógico es emplear decibelios. La razón es muy sencilla; las amplificaciones que aparecen en un circuito de comunicaciones son tan enormes que si utilizáramos números «normales» tendríamos muy graves problemas para leerlos. Y no digamos para operar con ellos. Al utilizar logaritmos lo único que hacemos es sustituir el número enorme por su número de cifras. La amplificación del más sencillo de los receptores desde la antena hasta el altavoz es de 1000000000000 de veces como mínimo. Totalmente adrede no he puesto los puntos que suelen separar los ceros de tres en tres. En cambio si digo que esa amplificación son 12 belios ó 120 decibelios estamos hablando de lo mismo, un número de doce ceros pero nos entendemos mejor. El uso de los logaritmos no es una decisión maligna de los técnicos de comunicaciones para confundir a los profanos, sino una necesidad matemática, mucho más acusada aquí que como veréis vamos a manejar números de más de 20 cifras.

Sensibilidad de un receptor

La máxima sensibilidad que puede tener un receptor es igual a la potencia de ruido que la simple agitación térmica del material de la antena introduce en su entrada. Esa potencia de ruido a temperatura ambiente (17 °C o 290 °K) es conocida y tiene un valor de -174 dBm/Hz o sea 174 dB por debajo de un milivatio por cada hercio de ancho de banda.

Un receptor de VHF en SSB suele tener un ancho de banda de 2.500 Hz por lo que la mejor sensibilidad de un receptor sería de -140 dBm; multiplicar por 2.500 es lo mismo que sumar 34 dB, o sea que -174 + 34 = -140. Sólo con esto ya podéis ver que el ancho de banda tiene una importancia muy grande; con 250 Hz de ancho (CW) la mejor sensibilidad sería de -150 dBm y con FM (12,5 kHz) sería de -133 dBm.

Ningún receptor real puede llegar a esa sensibilidad. Podemos decir que esa sería la sensibilidad máxima de la antena. La sensibilidad máxima de un sistema de recepción ( figura 2) sería: sensibilidad de antena + pérdida conexión + factor de ruido del receptor.

Por tanto, si suponemos una instalación típica con 3 dB de pérdida en el cable (30 m de RG-213) y un factor de ruido de 6 dB, la sensibilidad máxima será de -131 dBm (-140 + 3 + 6).

Si ahora colocamos un preamplificador en la antena, de forma que desaparezcan las pérdidas de la línea y se reduzca el factor de ruido a 1 dB, tendríamos -139 dBm. Esa simple modificación supone que si el atenuador del circuito de comunicaciones no varía, nuestro receptor sería capaz de oír señales a más del doble de distancia.

Hemos nombrado la antena pero no hemos dicho nada de su ganancia. Si utilizamos una buena directiva a la que asignamos una ganancia de 13 dB (bastante normal en antenas Yagi de 3 λ de longitud y de 15 a 17 elementos), esta ganancia aumenta la sensibilidad, por lo que tiene signo menos (fijaos que lo que estamos calculando es la potencia que el circuito de comunicaciones debe suministrar al sistema de recepción por lo que cualquier ganancia en el receptor disminuye la potencia necesaria).

Por tanto, el extremo del receptor tendrá una sensibilidad (o lo que es lo mismo, el circuito de comunicaciones debe suministrar): ruido térmico + pérdidas + factor de ruido - ganancia antena.

De lo que se deduce que sin preamplificador tendríamos -144 dBm y con preamplificador -152 dBm.

Transmisor

El lado del transmisor se comporta exactamente igual, excepto que ahora estamos suministrando potencia al circuito de comunicaciones por lo que las ganancias se suman y las pérdidas se restan.

El cálculo es muy fácil. En la figura 3 tenemos un amplificador de potencia que supondremos da 100 W. Respecto a 1 mW son +50 dBm (100.000 veces). Hay un cable de 3 dB de pérdida y la misma antena que antes. La potencia total que entra al circuito de comunicaciones es: potencia amplif. - pérdidas + ganancia antena.

Poniendo números tenemos: 50-3+ 13 = 60 dBm

Este concepto es exactamente el mismo que el de ERP o potencia efectiva radiada. La única diferencia es que suele expresarse en dBW (dB sobre un vatio) y aquí la estamos expresando en dBm (milivatios). Basta saber que la relación entre un vatio y un milivatio es de 30 dB, o sea 1 dBW = + 30 dBm y 1 dBm = - 30 dBW.

Resultado

Ahora que tenemos todos los conceptos vamos a resolver la figura 1.

La fórmula es muy simple: potencia ERP - pérdidas circuito = sensibilidad del receptor.

El signo igual supone la situación límite, realmente debería poner mayor o igual. En esa fórmula lo único que no sabemos es la atenuación del circuito. Al despejar nos queda: potencia ERP + sensibilidad = pérdida del circuito.

La sensibilidad es ahora positiva ya que al cambiar de lado de la fórmula cambia de signo y como hemos visto antes éste siempre es negativo debido a la enorme amplificación del receptor.

Si hacemos números en el caso con preamplificador que ya vimos tenemos: 60+152=212 dB

Ahora ya no hace falta decir dBm ya que eso sólo afecta a los extremos del circuito, el circuito en sí mismo se comporta como un atenuador normal y funcionará igual, sea cual sea la unidad en que midamos.

En 144 MHz una estación de rebote lunar tiene que vencer unas pérdidas que nunca bajan de 242 dB para oírse a sí misma, por lo que consideraremos estación «super» la que tenga 240 dB o más. Podemos considerar que una estación es buena entre 210 y 240 dB, que es normal entre 190 y 210 dB y que es de «estar por casa» por debajo de los 190 dB.

Consideraciones finales

Ya lo he dicho muchas veces pero ahora lo vemos con fórmulas. De todas las modificaciones que se pueden hacer, las dos más efectivas son eliminar pérdidas en los cables y mejorar la antena. La fórmula total para calcular la máxima atenuación que puede soportar nuestra estación es: potencia - pérdidas + ganancia antena + sensibilidad antena - pérdidas - factor de ruido + ganancia antena = potencia - 2 x pérdidas + 2 x ganancia antena + sensib. antena - factor de ruido.

0 sea, tanto la ganancia de antena como las pérdidas de los cables aparecen dos veces, por tanto su valor será siempre doble. Mejorar 1 dB en cualquiera de esos conceptos supone mejorar 2 dB el resultado final. Poner una antena que tenga 2 dB más y reducir la pérdida del cable en 1 dB supone una mejora de 6 dB en el resultado final. Para conseguir lo mismo elevando la potencia de transmisor hay que pasar de 100 a 400 W la potencia. ¿Qué es más caro, una nueva antena y un cable de bajas pérdidas o un amplificador de 400 W?

Sin lugar a dudas la mejora de una instalación debe considerar primero el aumento de ganancia de la antena y la eliminación de pérdidas entre ella y el equipo (incluida la eliminación de empalmes en los cables coaxiales o del

medidor de estacionarias intercalado en la línea que sólo sirven para introducir pérdidas). Sólo cuando se tiene la mejor antena posible (definida por el espacio disponible, mayor o menor oposición de los vecinos, etc.) y la mejor bajada posible se debe pensar en otras cosas.

Si no lo creéis vamos a hacer los números para una estación «a equipo pelado».

Factor de ruido: 6 dB

Potencia: 10 W = 40 dBm (Bajada 1 dB de pérdida)

Ganancia antena: 16 dB (dos antenas de 13 dB en fase)

En este caso tendríamos: 40 - 1 + 16 + 140 - 1 - 6 + 16 = 204 dB

con un ancho de banda de SSB. Basta con que disponga de filtro de CW, que mejora 10 dB el resultado, para que la podamos considerar una estación muy buena, y con un simple preamplificador en la antena ya es muy buena siempre.

Al hacer todos estos números no se ha tenido en cuenta un factor que sólo afecta a las antenas, y es de suponer que la mínima señal que se puede recibir es la del ruido térmico. En las zonas densamente pobladas existen multitud de fuentes de ruido que serán captados por la antena. Mejorar la ganancia de la antena sólo puede hacerse reduciendo su diagrama de recepción, o sea que sólo funcionan en una determinada dirección. Los ruidos externos no vienen de todas direcciones, habrá unos más fuertes que otros, por lo que la directividad implica menos ruidos en casi todas las direcciones, excepto aquellas de donde provienen los ruidos más fuertes de la zona ( figura 4). Todo esto no afecta a los cálculos que hemos hecho, pero sí al funcionamiento «real» de la estación ya que los ruidos que capte la antena que no sean el térmico deben sumarse al factor de ruido del receptor.

Además la antena es el único elemento que, al menos en teoría, no tiene límite. La potencia está limitada a 600 W, el ruido térmico es fijo (salvo que empleemos técnicas sofisticadísimas), las pérdidas podemos eliminarlas pero no hacer que se vuelvan positivas; lo único que siempre puede seguir subiendo es la antena. Naturalmente hay un límite práctico, pero no teórico.

Si ya se dispone de la mejor antena posible y de la mejor bajada, hay que darle prioridad a la recepción sobre el aumento de potencia. A medida que se aumenta la categoría de una estación cada vez es más necesario oír estaciones más débiles que la nuestra, ya que mejores que la nuestra cada vez habrá menos. De nada sirve subir la potencia si luego no se escucha a los posibles corresponsales.

Este artículo se publicó en el número 54, Junio 1988, de CQ Radio Amateur

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