Un transmisor o receptor de radio está conectado a una antena que emite o recibe las ondas de radio . El sistema de alimentación de antena o alimentador de antena es el cable o conductor , y otro equipo asociado, que conecta el transmisor o receptor con la antena y hace que los dos dispositivos sean compatibles. [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 frecuencias de microondas , a menudo se utiliza una guía de ondas , que es un tubo hueco de metal que transporta ondas de radio. En una antena parabólica (parabólica), la alimentación también se define generalmente 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 en el elemento de antena accionado en el 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 en el caso de las antenas parabólicas, también se define que incluye 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 los walkie talkies y las radios FM portátiles , las antenas dipolo de manguito de los enrutadores inalámbricos y las antenas PIFA dentro de los teléfonos celulares. En este caso, el sistema de alimentación solo consta de un circuito de adaptación de impedancia (si es necesario) entre la antena y el transmisor o receptor, que adapta la impedancia de la antena a la radio. [3]
En otros casos, la antena se ubica separada del transmisor o receptor, como las antenas de televisión abierta y las antenas parabólicas montadas en los techos de las residencias, la antena sectorial en las torres celulares de las estaciones base celulares , las antenas de radar giratorias en los aeropuertos y las torres de antena de las estaciones de radio y televisión . [3] En este caso, la antena se conecta al transmisor o receptor con un cable llamado línea de alimentación . 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 de impedancia abruptos que hacen que la energía de radio se refleje hacia atrás por la línea. Los principales tipos de línea de transmisión son la línea de cable paralelo ( conductor doble ), 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 la energía de la corriente se irradia como ondas de radio . En una antena receptora, transfiere el diminuto voltaje de RF inducido en la antena por la onda de radio al receptor. Para transportar la corriente de RF de manera eficiente, las líneas de alimentación están hechas de tipos especializados de cable llamados línea de transmisión . Los tipos de línea de alimentación más utilizados son el cable coaxial , el de doble conductor , la línea en escalera y, en frecuencias de microondas , la guía de ondas .
En particular, en el caso de una antena de transmisión, la línea de alimentación es un componente fundamental que debe ajustarse para que funcione correctamente con la antena y el transmisor. Cada tipo de línea de transmisión tiene una impedancia característica específica . Esta debe coincidir con la impedancia de la antena y del transmisor para transferir energía de manera eficiente a la antena. Si estas impedancias no coinciden, puede producirse una condición llamada ondas estacionarias en la línea de alimentación, en la que la energía de RF se refleja de vuelta 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 de adaptación en la antena. El grado de desajuste entre la línea de alimentación y la antena se mide con un instrumento llamado medidor de ROE (medidor de relación de onda estacionaria), que mide la relación de onda estacionaria (ROE) en la línea.
El cable bifilar se utiliza para conectar radios FM y receptores de televisión con sus antenas, aunque en esta última aplicación ha sido reemplazado en gran medida por el cable coaxial y como línea de alimentación para transmisores de baja potencia, como los transmisores de radioaficionados . Consiste en dos conductores de cable que corren paralelos entre sí con un espaciado constante y preciso, moldeados en material aislante de polietileno en un cable plano tipo cinta. La distancia entre los dos cables es pequeña en relación con la longitud de onda de la señal de RF transportada por el cable. La corriente de RF en un cable es igual en magnitud y opuesta en dirección a la corriente de RF en el otro cable. Por lo tanto, lejos de la línea, las ondas de radio radiadas por un cable estarán en fase opuesta y cancelarán las ondas radiadas por el otro cable.
Por la misma razón, el cable doble también es en gran medida inmune al ruido de radio y a la interferencia de radiofrecuencia (RFI), siempre que ambos cables se mantengan a la misma distancia de cualquier objeto metálico grande 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, siempre que la entrada del receptor esté equilibrada, solo responde a corrientes diferenciales (opuestas), las corrientes de ruido se cancelan.
El cableado doble se denomina comúnmente un tipo de " línea balanceada ", sin embargo, esto debe moderarse con sentido común: todos los tipos de cableado, ya sea de cable paralelo o coaxial, pueden transportar corriente balanceada, y todos pueden transportar corriente desequilibrada, que se irradiará. Por esa razón, cada tipo de línea de alimentación requiere cierta atención para que esté "equilibrada", y puede volverse "desequilibrada" si se descuida; todas deben alimentarse con corriente balanceada 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 que entra 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 de "protección" metálico trenzado o sólido, generalmente de cobre o aluminio que lo rodea. El conductor central está separado de la protección exterior por un dieléctrico , generalmente espuma de plástico, para mantener la separación entre los dos conductores exactamente constante. La protección está cubierta con una cubierta de aislamiento de plástico exterior. En el cable coaxial duro , utilizado para aplicaciones de transmisión de alta potencia como transmisores de televisión , la protección es un tubo de metal rígido o flexible que contiene un gas comprimido como nitrógeno , y el conductor interno se mantiene centrado con espaciadores de plástico periódicos.
El cable coaxial se denomina " línea no balanceada ", ya que el conductor de blindaje suele estar conectado a tierra eléctrica ; sin embargo, las corrientes que fluyen a lo largo del conductor central se equilibran con corrientes opuestas que pasan rozando la superficie interior del blindaje; solo la corriente que fluye en la superficie exterior del blindaje coaxial está realmente desequilibrada. Si se puede bloquear esa corriente, el cable coaxial se convierte en una "línea balanceada". La gran ventaja del cable coaxial es que el conductor de blindaje 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 cable 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 tramos de guía de ondas suelen estar presurizados con gas nitrógeno para evitar la humedad. La señal de RF viaja a través del tubo de forma similar a como viaja el sonido 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 coste y al mantenimiento que implica la guía de ondas, las antenas de microondas suelen tener la etapa de salida del transmisor o el extremo frontal de RF del receptor ubicado en la antena, y la señal se alimenta hacia o desde el resto del transmisor o receptor a una frecuencia más baja, utilizando un cable coaxial. Una guía de ondas se considera una línea de transmisión desequilibrada .
En particular, en el caso de una antena transmisora, la alimentación de la antena es un componente crítico que debe ajustarse para que funcione 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 el voltaje y la corriente en los terminales del dispositivo. Para transferir la máxima potencia entre el transmisor y la antena, el transmisor y la línea de alimentación deben tener una impedancia adaptada a la antena. [1] Esto significa que el transmisor y la antena deben tener la misma resistencia y reactancia igual pero opuesta . La línea de alimentación también debe tener una impedancia adaptada al transmisor. [4] Si se cumple esta condición, la antena absorberá toda la potencia 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 un 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 un equipo separado conectado entre el transmisor y la línea de alimentación. [3] [1] Puede haber otra red de adaptación entre la antena y la línea de alimentación, para adaptar la línea de alimentación a la antena. [4] En los dispositivos inalámbricos de consumo que funcionan a frecuencias fijas, la red de adaptación no es ajustable y está encerrada 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 la antena normalmente cambian la impedancia, por lo que después de realizar cualquier trabajo en el transmisor o la antena, se debe comprobar la ROE y ajustar la red de adaptación. Para ajustar la red de adaptación, el instrumento más simple para medir el grado de desajuste 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 entre el voltaje o la corriente máximos y mínimos adyacentes en la línea. Una relación de 1:1 indica una adaptación de impedancia, lo que significa que la carga es completamente resistiva, por lo que toda la potencia se absorbe y ninguna se refleja. Una relación más alta indica un desajuste y potencia reflejada. La red de adaptación 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 antena .
Dado que en un transmisor con impedancia adaptada, la resistencia de la fuente del transmisor es igual a la impedancia de la línea de alimentación y a la resistencia de carga de la antena, y ambas están en serie en la línea de alimentación y consumen la misma potencia, 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 por la resistencia en la etapa de salida del transmisor. (La línea de alimentación adaptada disipa una pequeña cantidad de potencia a través de una pequeña resistencia, pero la mayor parte de su impedancia resistiva aparente es simplemente el voltaje necesario 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 está desadaptada y la ROE es alta. Sin embargo, la pérdida en frecuencias inferiores a 10~20 MHz no es un gran problema, porque el ruido de fondo 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 contaminarlo 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 cable paralelas , o no balanceadas, en las que un lado de la línea está conectado a tierra , por ejemplo, antenas monopolares 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 no balanceados. 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 no balanceada de la corriente fluirá por el exterior del blindaje del cable coaxial, lo que hará 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 correspondientes:
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 lograr bajas pérdidas, las microondas deben transportarse mediante una guía de ondas , un tubo hueco de metal que conduce las ondas de radio. Debido al alto costo y los requisitos de mantenimiento, se evitan los tramos largos de guía 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 de la antena 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 , de modo que pueda transportarse al interior del edificio mediante una línea de alimentación de cable coaxial más económica.
Las antenas de comunicaciones por radar y por satélite pueden manejar ondas de radio de múltiples frecuencias y polarizaciones, y pueden usarse como antenas de transmisión y recepción, de modo que el sistema de alimentación transporta señales de radio que viajan en ambas direcciones. Por lo tanto, estas antenas a menudo tienen alimentadores más complicados que incluyen componentes especializados como
Una antena de matriz o red de antenas consta de varias antenas que están conectadas a un solo transmisor o receptor que trabajan juntas para emitir o recibir las ondas de radio. Los sistemas de alimentación de las antenas de matriz son comprensiblemente más complejos que 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 individuales (elementos) de una red de transmisión deben recibir corriente con una relación de fase específica . De manera similar, con las redes de recepción, 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 desfase en cada elemento. En las antenas de matriz en fase , un tipo de antena de matriz en la que el haz se puede dirigir electrónicamente en diferentes direcciones, cada elemento de la antena recibe corriente a través de un desfasador programable, que se controla mediante una computadora.