Un transmisor o receptor de radio está conectado a una antena que emite o recibe ondas de radio . El sistema de alimentación de antena o alimentación de antena es el cable o conductor , y demás equipos asociados, que conecta el transmisor o receptor con la antena y hace compatibles los dos dispositivos. [1] [2] En un transmisor de radio, el transmisor genera una corriente alterna de radiofrecuencia y el sistema de alimentación alimenta la corriente a la antena, que convierte la potencia de la corriente en ondas de radio. En un receptor de radio, las ondas de radio entrantes excitan pequeñas corrientes alternas en la antena, y el sistema de alimentación entrega esta corriente al receptor, que procesa la señal.
Para transferir corriente de radiofrecuencia de manera eficiente, la línea de alimentación que conecta el transmisor o receptor a la antena debe ser un tipo especial de cable llamado línea de transmisión . En las frecuencias de microondas , a menudo se utiliza una guía de ondas , que es un tubo metálico hueco que transporta ondas de radio. En una antena parabólica (parabólica), la alimentación generalmente también se define para incluir la antena de alimentación ( bocina de alimentación ) que emite o recibe las ondas de radio. Particularmente en los transmisores, el sistema de alimentación es un componente crítico cuya impedancia coincide con la antena, la línea de alimentación y el transmisor. Para lograr esto, el sistema de alimentación también puede incluir circuitos llamados unidades de sintonización de antena o redes de adaptación entre la antena y la línea de alimentación y la línea de alimentación y el transmisor. [3] En una antena, el punto de alimentación es el punto del elemento de antena accionado al que se conecta la línea de alimentación.
En un transmisor, se considera que la alimentación de la antena son todos los componentes entre el amplificador final del transmisor y el punto de alimentación de la antena. [3] En un receptor, son todos los componentes entre la antena y los terminales de entrada del receptor. En algunos casos, como los platos parabólicos, también se define incluir la antena de alimentación o la bocina de alimentación .
En algunas radios, la antena está conectada directamente al transmisor o receptor, como las antenas de látigo montadas en walkie talkies y radios FM portátiles , las antenas dipolo de manga de los enrutadores inalámbricos y las antenas PIFA dentro de los teléfonos móviles. En este caso, el sistema de alimentación consiste simplemente en un circuito de adaptación de impedancia (si es necesario) entre la antena y el transmisor o receptor, que iguala la impedancia de la antena a la radio. [3]
En otros casos, la antena está ubicada separada del transmisor o receptor, como en las antenas de televisión y antenas parabólicas montadas en los techos de las residencias, la antena sectorial en las torres de telefonía celular de las estaciones base celulares , las antenas de radar giratorias en los aeropuertos y la antena. torres de estaciones de radio y televisión . [3] En este caso la antena se conecta al transmisor o receptor con un cable llamado feedline . Para transportar la corriente de radiofrecuencia (RF) de manera eficiente, la línea de alimentación está hecha de un cable especializado llamado línea de transmisión . La ventaja de la línea de transmisión es que tiene una impedancia característica uniforme para evitar pasos abruptos de impedancia que hacen que la energía de radio se refleje hacia atrás a lo largo de la línea. Los principales tipos de líneas de transmisión son las líneas de alambre paralelo ( conductor gemelo ), el cable coaxial y la guía de ondas para microondas .
En una antena de radio , la línea de alimentación ( feedline ), o alimentador , es el cable u otra línea de transmisión que conecta la antena con el transmisor o receptor de radio . En una antena transmisora, alimenta la corriente de radiofrecuencia (RF) desde el transmisor a la antena, donde se irradia como ondas de radio . En una antena receptora, transfiere el pequeño voltaje de RF inducido en la antena por la onda de radio al receptor. Para transportar corriente de RF de manera eficiente, las líneas de alimentación están hechas de tipos de cables especializados llamados líneas de transmisión . Los tipos de línea de alimentación más utilizados son el cable coaxial , el bifilar , la línea en escalera y en frecuencias de microondas , la guía de ondas .
Particularmente con una antena transmisora, la línea de alimentación es un componente crítico que debe ajustarse para que funcione correctamente con la antena y el transmisor. Cada tipo de línea de transmisión tiene una impedancia característica específica . Esto debe coincidir con la impedancia de la antena y el transmisor, para transferir energía de manera eficiente a la antena. Si estas impedancias no coinciden, puede causar una condición llamada ondas estacionarias en la línea de alimentación, en la que la energía de RF se refleja hacia el transmisor, desperdiciando energía y posiblemente sobrecalentando el transmisor. Este ajuste se realiza con un dispositivo llamado sintonizador de antena en el transmisor y, a veces, una red coincidente en la antena. El grado de discrepancia entre la línea de alimentación y la antena se mide mediante un instrumento llamado medidor SWR (medidor de relación de onda estacionaria), que mide la relación de onda estacionaria (ROE) en la línea.
El cable gemelo se utiliza para conectar radios FM y receptores de televisión con sus antenas, aunque ha sido reemplazado en gran medida en esta última aplicación por cable coaxial y como línea de alimentación para transmisores de baja potencia, como los transmisores de radioaficionados . Consiste en dos conductores de alambre que corren paralelos entre sí con un espaciado precisamente constante, moldeados en material aislante de polietileno en un cable plano en forma de cinta. La distancia entre los dos cables es pequeña en relación con la longitud de onda de la señal de RF transmitida por el cable. La corriente de RF en un cable es igual en magnitud y de dirección opuesta a la corriente de RF en el otro cable. Así, lejos de la línea, las ondas de radio radiadas por un cable estarán en fase opuesta y anularán las ondas radiadas por el otro cable.
Por la misma razón, el cable gemelo también es en gran medida inmune al ruido de radio y a la interferencia de radiofrecuencia (RFI), siempre que ambos cables se mantengan igualmente alejados de objetos metálicos grandes u otros cables paralelos. Cualquier onda de radio externa no deseada induce corrientes de igual magnitud en la misma dirección (en fase) en ambos cables. Dado que mientras la entrada del receptor esté equilibrada solo responde a corrientes diferenciales (opuestas), las corrientes de ruido se cancelan.
Los conductores gemelos se denominan comúnmente un tipo de " línea balanceada ", sin embargo, esto debe moderarse con sentido común: todos los tipos de cableado, ya sea paralelo o coaxial, son capaces de transportar corriente balanceada, y todos pueden transportar corriente desequilibrada, lo que irradiará. Por esa razón, cada tipo de línea de alimentación requiere cierta atención para que esté "equilibrada" y puede "desequilibrarse" si se descuida; todos deben alimentarse con corriente equilibrada y conectarse a través de baluns de tipo corriente (o "aisladores de línea") en algunos puntos a lo largo de la línea, para eliminar el ruido generado como corriente desequilibrada.
El cable coaxial es probablemente el tipo de línea de alimentación más utilizado, utilizado para frecuencias por debajo del rango de microondas ( SHF ). Consiste en un conductor central de alambre y un conductor "blindado" metálico trenzado o sólido, generalmente de cobre o aluminio que lo rodea. El conductor central está separado del blindaje exterior por un dieléctrico , generalmente espuma plástica, para mantener la separación entre los dos conductores precisamente constante. El escudo está cubierto con una funda aislante exterior de plástico. En el cable coaxial duro , utilizado para aplicaciones de transmisión de alta potencia como transmisores de televisión , el blindaje es un tubo metálico rígido o flexible que contiene un gas comprimido como el nitrógeno , y el conductor interno se mantiene centrado con espaciadores de plástico periódicos.
Al coaxial se le llama " línea desequilibrada ", ya que el conductor de blindaje suele estar conectado a tierra eléctrica , sin embargo las corrientes que fluyen a lo largo del conductor central son equilibradas por corrientes opuestas que rozan la superficie interior del blindaje; sólo la corriente que fluye sobre la superficie exterior del blindaje coaxial está realmente desequilibrada. Si esa corriente se puede bloquear, entonces el coaxial se convierte en una "línea equilibrada". La gran ventaja del cable coaxial es que el conductor blindado que lo encierra aísla las corrientes internas del cable de los campos electromagnéticos externos. Si se bloquean las corrientes que fluyen en la superficie externa, el coaxial no se ve afectado por los objetos metálicos cercanos y es inmune a las interferencias.
La guía de ondas se utiliza en frecuencias de microondas ( SHF ), en las que otros tipos de líneas de alimentación tienen pérdidas de potencia excesivas. Una guía de ondas es un conductor o tubo metálico hueco. Puede tener una sección transversal circular o cuadrada. Los recorridos de las guías de ondas suelen estar presurizados con gas nitrógeno para evitar la entrada de humedad. La señal de RF viaja a través del tubo de manera similar a como el sonido viaja en un tubo. Las paredes metálicas evitan que irradie energía hacia el exterior y también evitan que entren interferencias en la guía de ondas. Debido al costo y al mantenimiento que implica la guía de ondas, las antenas de microondas a menudo tienen la etapa de salida del transmisor o el extremo frontal de RF del receptor ubicado en la antena, y la señal se envía hacia o desde el resto del transmisor o receptor a una velocidad más baja. frecuencia, utilizando cable coaxial. Una guía de ondas se considera una línea de transmisión desequilibrada .
Particularmente con una antena transmisora, la alimentación de la antena es un componente crítico que debe ajustarse para funcionar de manera compatible con la antena y el transmisor. [3] Los terminales de salida del transmisor, la línea de transmisión y la antena tienen cada uno una impedancia característica específica , que es la relación entre voltaje y corriente en los terminales del dispositivo. Para transferir la máxima potencia entre el transmisor y la antena, la impedancia del transmisor y la línea de alimentación debe coincidir con la de la antena. [1] Esto significa que el transmisor y la antena deben tener la misma resistencia y una reactancia igual pero opuesta . La impedancia de la línea de alimentación también debe coincidir con la del transmisor. [4] Si se cumple esta condición, la antena absorberá toda la energía suministrada por la línea de alimentación. Si las impedancias en cualquiera de los extremos de la línea no coinciden, se producirá una condición llamada " ondas estacionarias " ( VSWR alto ) en la línea de alimentación, en la que parte de la potencia de RF no es irradiada por la antena sino que se refleja hacia el transmisor, desperdiciando energía y posiblemente sobrecalentando el transmisor. La mayoría de los transmisores tienen una impedancia de salida estándar de 50 ohmios , diseñada para alimentar cable coaxial de 50 ohmios.
El transmisor se adapta a la línea de alimentación mediante un dispositivo llamado sintonizador de antena , unidad de sintonización de antena o red de adaptación , que puede ser un circuito en el transmisor o una pieza de equipo separada conectada entre el transmisor y la línea de alimentación. [3] [1] Puede haber otra red coincidente entre la antena y la línea de alimentación, para hacer coincidir la línea de alimentación con la antena. [4] En los dispositivos inalámbricos de consumo que funcionan a frecuencias fijas, la red coincidente no es ajustable y está incluida en la carcasa del dispositivo. En transmisores grandes, como estaciones de radiodifusión , y transmisores que pueden funcionar en diferentes frecuencias, como estaciones de onda corta, el sintonizador de antena es ajustable. Los cambios en la frecuencia del transmisor o los ajustes en la etapa de salida del transmisor o en la antena generalmente cambian la impedancia, por lo que después de realizar cualquier trabajo en el transmisor o la antena, se debe verificar la ROE y ajustar la red correspondiente. Para ajustar la red de adaptación, el instrumento más simple para medir el grado de falta de coincidencia entre la línea de alimentación y la antena se llama medidor de ROE (medidor de relación de onda estacionaria), que informa la relación de onda estacionaria (ROE) en la línea: La relación de la red adyacente tensión o corriente máxima y mínima en la línea. Una relación de 1:1 indica una coincidencia de impedancia, lo que significa que la carga es completamente resistiva, por lo que toda la potencia se absorbe y no se refleja nada. Una relación más alta indica una falta de coincidencia y la potencia reflejada. La red coincidente se ajusta hasta que la ROE esté por debajo de un límite aceptable. Otros instrumentos más avanzados son los puentes de impedancia y los analizadores de antenas .
Dado que en un transmisor de impedancia adaptada, la resistencia de la fuente del transmisor es igual a la impedancia de la línea de alimentación y la resistencia de carga de la antena, y ambas están en serie en la línea de alimentación y consumen la misma energía, la potencia máxima que se puede entregar a la antena es el 50% de la potencia de salida del transmisor; el otro 50% se disipa en forma de calor mediante la resistencia en la etapa de salida del transmisor. (La línea de alimentación adaptada disipa una pequeña cantidad de energía a través de una pequeña resistencia, pero la mayor parte de su impedancia resistiva aparente es simplemente el voltaje requerido para superar las reactancias inductivas y capacitivas de la línea de alimentación, que en sí mismas no causan pérdidas).
En los receptores de radio, un desajuste de impedancia con la antena provoca una reducción similar en la energía de la señal de la antena que llega al receptor, que también es un máximo del 50% de la potencia de la señal interceptada, y la potencia entregada al receptor es mucho menor. cuando la línea no coincide y la ROE es alta. Sin embargo, la pérdida en frecuencias inferiores a 10~20 MHz no es un gran problema, porque el ruido mínimo térmico en los receptores está muy por debajo del ruido atmosférico ya incorporado en la señal, por lo que una señal débil de la antena puede simplemente amplificarse en el receptor para compensar la potencia perdida por cualquier desajuste, sin contaminarla notablemente con ruido. En frecuencias superiores a 20 MHz, el ruido atmosférico se irradia libremente al espacio y, por lo tanto, es lo suficientemente bajo en las señales recibidas como para acercarse al nivel del ruido generado internamente por el propio receptor; en esas frecuencias VHF y UHF , la amplificación degrada la relación señal-ruido y la adaptación de la impedancia de la señal de recepción es una preocupación importante para recibir señales débiles.
Las líneas de transmisión y sus componentes adjuntos se pueden clasificar como balanceadas, en las que ambos lados de la línea tienen la misma impedancia a tierra, por ejemplo, antenas dipolo y líneas de cables paralelos , o desequilibradas, en las que un lado de la línea está conectado a tierra. , por ejemplo antenas monopolo y cable coaxial . [5] Para conectar componentes balanceados y no balanceados, se utiliza un dispositivo de dos puertos llamado balun . Un balun es un transformador que se acopla entre componentes de línea de transmisión balanceados y desequilibrados. Por ejemplo, para alimentar una antena dipolo desde una línea de alimentación no balanceada como un cable coaxial, la línea de alimentación se conecta a la antena a través de un balun . Sin el balun, la parte desequilibrada de la corriente fluirá por el exterior del blindaje del cable coaxial, haciendo que la superficie exterior del blindaje actúe como una antena.
Los feeds más complicados pueden tener otros componentes además de la línea de alimentación y las redes coincidentes:
Una antena receptora con una línea de alimentación larga puede tener un amplificador en la antena, llamado amplificador de bajo ruido (LNA), que aumenta la potencia de las señales de radio débiles para compensar la atenuación en la línea de alimentación.
En las frecuencias de microondas , los tipos comunes de líneas de transmisión tienen pérdidas de potencia excesivas, por lo que para pérdidas bajas, las microondas deben transportarse mediante una guía de ondas , un tubo metálico hueco que conduce las ondas de radio. Debido al alto costo y los requisitos de mantenimiento, se evitan recorridos largos de guías de ondas y las antenas parabólicas utilizadas en frecuencias de microondas a menudo tienen el extremo frontal de RF del receptor, o partes del transmisor, ubicado en la antena. Por ejemplo, en las antenas parabólicas, la bocina de alimentación del plato que recoge las microondas está conectada a un circuito llamado convertidor descendente de bloque de bajo ruido (LNB o LNC), que convierte la alta frecuencia de microondas en una frecuencia intermedia más baja , para que pueda ser transportada. al edificio mediante una línea de alimentación de cable coaxial más económica.
Las antenas de radar y comunicaciones por satélite pueden manejar ondas de radio de múltiples frecuencias y polarizaciones, y pueden usarse como antenas transmisoras y receptoras, por lo que el sistema de alimentación transporta señales de radio que viajan en ambas direcciones. Por lo tanto, estas antenas suelen tener alimentaciones más complicadas que incluyen componentes especializados como
Un conjunto de antenas o conjunto de antenas consta de múltiples antenas que están conectadas a un solo transmisor o receptor que trabajan juntas para emitir o recibir ondas de radio. Los sistemas de alimentación de las antenas en red son comprensiblemente más complejos que los de las antenas individuales. La red de alimentación debe dividir la potencia del transmisor de manera uniforme entre las antenas. Para emitir una onda plana, las antenas (elementos) individuales de un conjunto transmisor deben recibir corriente con una relación de fase específica . De manera similar, con los conjuntos receptores, es posible que sea necesario desfasar las corrientes de cada elemento para que se combinen en fase en el receptor. Esto puede requerir redes de cambio de fase en cada elemento. En las antenas de conjunto en fase , un tipo de conjunto de antenas en las que el haz se puede dirigir electrónicamente en diferentes direcciones, cada elemento de antena recibe corriente a través de un desfasador programable, que está controlado por una computadora.