Antenas para cohetes de aficionados por LW7HRM segunda parte

 En la primer parte hablamos del comportamiento de las antenas y que tener en cuenta a la hora de instalar una en un cohete de aficionados o un CANSAT. llegando a un ejemplo de un enlace con un módulo con antena integrada.

 

Voy a tratar de mantener un nivel que pueda entender algún estudiante de nivel secundario, pero acá lamentablemente tengo que ponerme más técnico.

En esta segunda parte vamos a abordar los módulos sin antena integrada, pero vamos a seguir con cohetes de materiales transparentes a la radiofrecuencia, plástico, fibra de vidrio, cartón, etc. pero antes debemos aclarar algunas cosas

Nosotros vamos a trabajar con dispositivos o módulos que corresponden a la categoría ISM (industrial científico y médico), generalmente para el uso de enlaces inalámbricos se requieren autorizaciones del ente nacional correspondiente (En Argentina es el ENACOM), la mayoría de esas autorizaciones tienen un canon anual, salvo las de los radioaficionados. Para el público en general, que no hará uso comercial existen licencias sin costo para usos específicos, una de esas licencias es la ISM.

Dispositivos ISM que usamos frecuentemente sin saberlo son WIFI, Bluetooth,  Teclados inalámbricos, teléfonos inalámbricos, control remoto de alarmas y portones, etc.

LORA usa dispositivos y frecuencias ISM. LORA es un protocolo patentado, que paga royalty y eso encarece los módulos. (https://es.wikipedia.org/wiki/LoRa)

Los dispositivos ISM cumplen reglas estrictas para que puedan ser usados por cualquier persona, esto define la potencia máxima, banda de frecuencias, tipo de modulación, tipo de antenas, etc. Para respetar la normativa hay que respetar estas indicaciones.

Por ejemplo WIFI (Bluetooth usa la misma banda pero mas restringido en potencia) se puede usar hasta una potencia máxima de transmisión de 200mW con antenas directivas, siendo 1W el máximo pero con antena omnidireccional de 0dB de ganancia.

La frecuencia de 433.5MHz que usan los mandos a distancia solo se puede usar con un máximo de 20mW y solo esta reservada para este uso ya que se encuentra dentro de la banda de UHF de Radioaficionados (430MHz a 440MHz), los radioaficionados también deben respetar su respectiva normativa para las distintas bandas que poseen.

La banda de 915MHz tiene restricciones similares a la de WIFI.

Otra banda de frecuencia de uso sin licencia es la banda FRS (servicio familiar de radio) usada por los handy para comunicaciones de voz, estos handy de venta libre y uso sin licencia podemos usarlos para comunicaciones en el campo de vuelo.

Vamos a dividir el artículo en 2 partes, por un lado la conexión entre el módulo y la antena y por otro lado la antena.

Empecemos con la conexión entre el módulo y la antena.

Así como para conectar una batería a un módulo para alimentarlo usamos cables, a la antena hay que conectarla también con cables al módulo, pero debido a la naturaleza de la energía de radiofrecuencia (RF) ese cable tiene una constitución especial, además de un funcionamiento distinto a un cable de corriente continua o corriente alterna de baja frecuencia.

Para interconectar etapas de RF o un módulo, ya sea transmisor, receptor o transceptor, a su antena se debe usar un cable especial, este cable es el cable coaxial, que a su vez necesita de conectores especiales.

Los cables (y líneas de circuito impreso) que son especiales para conducir RF se les denomina genéricamente "líneas de transmisión". El cable coaxial es un tipo particular de línea de transmisión, que a su vez es la más usada para interconectar antenas y módulos de RF.

Así como en corriente continua necesitamos cables más gruesos para conducir corrientes elevadas, con los cables coaxiales ocurre lo mismo, a más potencia tiene el transmisor más grueso debe ser el cable coaxial. Pero como nosotros vamos a trabajar con módulos ISM limitados en potencia usaremos cables de los mas finos y aún así no sobrepasaremos su potencia máxima.

Uno de los cables coaxiales más usado para interconectar módulos ISM, antenas de GPS, etc, es el cable coaxial RG-174 y su variante de PTFE RG-316, este cable es lo suficientemente fino para ser flexible en espacios pequeños y lo suficientemente grande como para armar los conectores por un ser humano (y no un robot en una fábrica). hay cables más finos, pero de esos deberemos usar cables con los conectores ya montados de fábrica.

Como mencionamos los conectores son especiales y llevan un armado muy preciso que debe respetarse para que funcione. igual si no sabemos o no tenemos herramientas vienen multitud de cables ya armados con conectores y de distintas longitudes. 

Existen diversos conectores usados por estos módulos, a nivel de cable RG-174 (o RG-316) el más ampliamente usado es el conector SMA. Cuando aparece WIFI los fabricantes de equipos crearon el RP-SMA para mantener cautivos a los clientes y obligarlos a comprar sus accesorios a un costo mayor, esto debe tenerse en cuenta ya que el RP-SMA y el SMA son idénticos por fuera, pero el pin del centro están espejados y no son compatibles (vienen adaptadores).

 

El SMA es el favorito a la hora de elegir un conector, está ampliamente disponible, un ser humano lo puede armar (lleva su técnica) y las herramientas para su armado también están ampliamente disponibles. Vienen muchas versiones de un mismo conector para un mismo cable, para armar con tuerca, par crimpar, para soldar, o combinaciones de estas. Yo una vez compré la herramienta para crimpar uso siempre esa versión y cuyo pin central va soldado.

 

Otro conector muy usado debido a la miniaturización es el UFL (https://en.wikipedia.org/wiki/Hirose_U.FL), un micro-conector que debido a su tamaño solo es compatible con el cable más fino, es muy delicado para conectar y desconectar (soporta solo una docena de ciclos de conectar/desconectar y luego empieza a degradarse) y solo puede armarlo una máquina (o alguien con la paciencia de Yoda) debido a su pequeño tamaño. vienen cables ya montados, incluso con SMA en un extremo.

El cable coaxial no debe ser quebrado, debe respetarse su radio de curvatura mínimo, si no, se deforma y no funciona correctamente. Además su forma concéntrica debe mantenerse hasta el interior del conector. Al igual que cualquier otro cable hay que mantener su longitud al mínimo, no dejar cable de mas. Hay quienes recomiendan cortar el cable coaxial en longitudes múltiplo de la frecuencia si la antena esta correctamente adaptada a 50 Ohm no es necesario, solo hace falta hacerlo en caso de desadaptaciones importantes.

Hablando de desadaptaciones el teorema de máxima transferencia de energía establece que la impedancia de una carga debe ser igual a la impedancia interna del generador para que se cumpla la máxima transferencia de energía, esto también se cumple en la RF, pero se suma la impedancia del cable coaxial (no es algo que podamos medir con un multímetro depende de los diámetros del conductor central respecto al exterior y del tipo de dieléctrico que los separa), entonces la impedancia del transmisor (o receptor) debe ser igual a la del cable coaxial e igual a la de la antena. Esta impedancia esta estandarizada en 50 Ohm para los módulos de RF (En TV y CATV por ejemplo se usa 75 Ohm). 

Como dijimos esta impedancia de 50 Ohm no es algo que se pueda medir con un multímetro, hace falta in instrumento especial, entre ellos el VNA o analizador de antenas (existen otros pero el mas accesible y difundido es el VNA). Hoy en día se consigue el nano VNA de fabricación china por montos que inician en el orden de los 50 dólares, para módulos de 2.4GHz hay que adquirir la versión que llega a 3GHz (hay otra versión que solo llega a 1.3GHz). La impedancia es un valor complejo y la antena idealmente debe ser lo más cercana a 50+J0 Ohm.

El ábaco de Smith fue una genialidad que permite trabajar con números complejos en forma gráfica cuando las computadoras estaban en pañales, hasta el día de hoy se usa para representar la impedancia en las antenas y otros componentes de RF. Mientras mas cerca del centro este nuestra antena mejor (el centro del gráfico es 50+J0 Ohm). 

Además en RF trabajamos con la longitud de onda, que es la distancia que recorre la onda electromagnética en 1 ciclo (igual que la duración de una onda de corriente alterna). En el caso de la onda electromagnética que es una onda viajera, en el tiempo que dura un ciclo habrá recorrido una cierta distancia que dependerá de su velocidad y de su frecuencia.

En el aire o vacío la onda se propaga a la velocidad de la luz, en los coaxiales se mueve más lento y se expresa como un % de la velocidad de la luz, en un RG-316 es de 70%. Por ejemplo la longitud de onda en el aire para un frecuencia de 2.45GHz es de 12.2 centímetros (122 milímetros). La longitud de onda se representa con la letra griega λ (lambda).

Las Antenas:

Las antenas son proporcionales a la longitud de onda, una antena típica es el dipolo que mide media longitud de onda. A mayor la frecuencia mas pequeña la antena. Entonces la elección de la frecuencia influye en el tamaño de la antena que a su vez nos influye en el tamaño del cohete (ya que tiene que caber dentro o fuera de el).

Además de definir el tamaño de la antena define la zona de influencia alrededor de esta, como regla general deberemos evitar las partes metálicas cercanas a la antena en un radio de al menos 2 longitudes de onda (idealmente 6 longitudes de onda). Todo elemento que se encuentre en las inmediaciones de estas 2 longitudes de onda afectaran a la antena (modificaran su impedancia y su emisión de la energía), el grado de afectación dependerá del tipo de materiales, los que son transparentes a la RF afectaran mucho menos que los que sean metálicos (lo que decíamos en la entrada anterior de que no es solo la antena si no antena y cohete).

En el caso de antenas externas pueden ir directamente conectadas al módulo en el caso que ambos dispongan del mismo conector o mediante un cable coaxial de interconexión.

La antena externa típica de WIFI, LORA y módulos similares  es una antena que consiste en un tubo alargado de plástico con un conector en un extremo muchas veces con una articulación.

Ejemplo de módulo con antena conectada mediante cable coaxial prolongador:

 

Ejemplo de módulo con la antena conectada en forma directa:

 

en cuanto a la ubicación y sujeción de la antena deberemos tener los mismos recaudos que con el módulo con antena integrada, todo lo expuesto en la entrada anterior es válido para la antena separada del módulo.

En la próxima parte ahondaremos en las antenas, conceptos como polarización y plano de tierra, antenas monopolo y dipolo (antenas para la estación de tierra las veremos en otra entrada aparte).