Reinventando la radio

Como ya se dijo en la clase anterior, llegar a diseñar y a construir un receptor para la banda de onda media (zona del espectro radioeléctrico que va de 550 kHz a 1.6 MHz) va a constituir nuestro primer gran experimento.

Pero para ello, si vamos a hablar de receptores de radio, hay que partir de cero. Nos hemos de poner en situación y hemos de imaginarnos que ha habido una explosión nuclear, que solo quedamos nosotros, los alumnos de Diseño de Radio Receptores, y que queremos recrear los mismos pasos que se dieron a principios del siglo XX para desarrollar la industria de las comunicaciones vía radio.

Así pues, hemos empezado acotando el marco, es decir, hemos empezado estudiando circuitos pequeños donde se cumplían las leyes de Kirchhoff (la suma de tensiones a lo largo de un camino cerrado ha de ser cero y la suma de corrientes confluyentes en un nodo ha de ser también cero). Y que se cumplan estas leyes, facilita mucho el diseño de circuitos, porque un circuito abierto será siempre un circuito abierto y un cortocircuito será siempre un cortocircuito. Es mucho más sencillo diseñar de esta manera que diseñar teniendo que recurrir a las leyes de Maxwell para saber qué está ocurriendo.

Sin embargo, no siempre se da la condición para trabajar con circuitos pequeños y que se cumpla Kirchhoff. En un ejemplo, hemos visto  que para:

No podríamos asegurar que fuera un circuito abierto y, por lo tanto, entre sus terminales habría tensión y por allí circularía corriente, sin aparentemente haber conectado nada. 

Esto ha echado por tierra todo lo que buenamente sabíamos de circuitos. No obstante, gracias a ello, nos hemos acercado un paso más a la radio. Porque acabamos de descubrir que lo que realmente está sucediendo es que se está inundando el espacio circundante con una onda electromagnética que es capaz de transportar energía. Y, por lo tanto, la potencia que inyectamos no se está transformando en calor, sino que viaja como energía sobre una onda electromagnética. 

A partir de aquí, lo que hemos observado es que si la antena que radia ondas electromagnéticas la encerrábamos en una caja negra y estudiábamos su modelo circuital transformado fasorialmente, podíamos hallar una fórmula matemática que nos facilitara el saber qué tensión tendríamos que tener para inundar el espacio con una onda electromagnética de una cierta potencia:

 Su fórmula es:

 

Sabiendo también que el fenómeno de la radiación de ondas electromagnéticas es un fenómeno reversible, se nos ha ocurrido la idea de colocar una estructura similar a una cierta distancia, de tal manera que si conectábamos en la antena receptora un resistor y teníamos esa iluminación que había producido la estructura emisora, nos aparecía también una tensión en terminales de la resistencia.

Cuya potencia recibida es:

 

Donde Pt es la potencia que transmite la antena emisora, Gt es la ganancia con respecto al isotrópico y Ac es el área de captura*. 

*Gt y Ac son parámetros de radiación de la antena que nos da el fabricante.

Una vez llegados a este punto, hemos encontrado algo muy importante y es que la amplitud de Vg y la amplitud de Vm están relacionadas linealmente. Y si aumentáramos la amplitud de la tensión en el transmisor, también aumentaría la amplitud de tensión en el receptor y además la podríamos predecir. Por lo tanto, con esto ya podemos poner en marcha la radio. ¡La comunicación a distancia es posible!

Por ejemplo, si transmitieramos durante un periodo de tiempo, y posteriormente transmitieramos durante un periodo mayor al anterior y lo llamaramos, al primero, punto y, al segundo, raya, y a cada letra del alfabeto le asignaramos una combinación de puntos y rayas, tendríamos el código morse.

Una vez analizado todo estos conceptos y algunos más como son la polarización de los campos E y H, sus expresiones, los parámetros descriptivos del dipolo en lambda medios, la teoría de imágenes, etc., hemos llegado a la situación de que hay antenas emisoras que miden mucho, por ejemplo 75 metros. Si los receptores que la gente guarda en sus casas tuvieran que medir lo mismo, sería imposible el negocio de la radio. Por lo tanto, para resolver esto, hemos tocado lo que se llama la Ley de Inducción de Faraday que dice que si tenemos una espira, en circuito abierto, y hay un campo H variable con el tiempo que la atraviesa, va a aparecer inducida una tensión en terminales de esa espira. Y esta tensión sería proporcional a la del generador sinusoidal que tendría en el transmisor. 

Finalmente, hemos visto que para que la bobina sea eficaz hemos de hacer que la expresión v sea alta, pero normalmente solo podremos tocar la N (el número de espiras, cuantas más, más  tensión tendremos). Además solo funcionará si la bobina (que será lo que a partir de ahora llamaremos antena receptora) la coloco horizontal, debido a que está legislado que las antenas emisoras emitan con polarización vertical.

Y, con todos estos conceptos aprendidos, ya podemos comprender un poco más por qué el circuito del receptor de onda media que nos enseñó el profesor el primer dia está diseñado de tal manera.

En la próxima clase veremos como a todo esto se le añade el ruido, un factor adverso que nos dificultará la comunicación.