De les ones electromagnètiques a les antenes virtuals I

Les antenes són components fonamentals en la transmissió i recepció d’informació a través d’ones electromagnètiques. Aquesta sèrie d’articles revisa la seua evolució històrica i els principis físics que en sustenten el funcionament, com la freqüència, polarització i directivitat. S’analitza com aquestes propietats permeten optimitzar la cobertura i eficiència en diferents contextos de comunicació. A més, es presenta la tecnologia Virtual Antenna®, una solució innovadora quant a connectivitat de dispositius sense fil.

Introducció

L’interès de l’ésser humà per a comunicar-se a llargues distàncies es remunta a èpoques remotes. Algunes mostres les trobem amb finalitats militars amb l’objectiu d’avisar de les accions de l’enemic. L’enginy és tal que a part de telecomunicar-se (tele, del grec, ‘llunyà’), s’afegí encriptació al missatge. Per exemple, en el segle II aC, Enees Tàctic ideà un telègraf hidràulic que es va fer servir en la primera guerra Púnica (Fig. 1). En aquest sistema, l’emissor i el receptor obrien unes vàlvules en un recipient basant-se en senyals fets amb les torxes. Per mitjà d’una vareta situada en el recipient es podia desxifrar el missatge. És una mostra no sols de telecomunicació sinó, a més, d’afegir una encriptació a la informació [1].

Fig. 1. A l'esquerra, telègraf hidràulic inventat per Enees Tàctic en el segle III aC utilitzat en la primera guerra Púnica. Limitat a línia de visió directa i condicions meteorològiques estables. A la dreta, Torre de les Xemeneies (Corea del Sud)

Un altre exemple amb la mateixa finalitat, el trobem a Corea del Sud amb el sistema d’alarma conegut com a Bongdon (Fig. 1). El codi emprat era: en condicions normals, només hi havia encesa una xemeneia; se n’encenien dues si l’enemic s’acostava a la frontera o a la costa; tres si l’enemic havia arribat a la frontera o a la costa; si l’havia creuada, 4; si combatien, les 5 estaven enceses. Durant el dia s’utilitzava el fum per a transmetre el codi, i a la nit, el foc [2].

Entre els avanços que cal destacar, es troba el de l’enginyer militar canari Agustín Betancourt, a qui el 1798 se li va encarregar un projecte que va aconseguir una instal·lació telegràfica òptica entre Madrid i Aranjuez, tot i que el projecte era molt més ambiciós i no va poder completar-se per la crisi financera del moment [3].

Acostant-nos en el temps, ens trobem en 1836 la revolució introduïda pel telègraf inventat per l’americà Samuel Morse (Fig. 2). La gran diferència respecte als anteriors és la possibilitat de telecomunicar-se encara que no existisca visió directa entre emissor i receptor. L’inconvenient: es necessita cablejar. Pareixia, doncs, interessant combinar l’avantatge dels sistemes de telecomunicació sense fils i sense tenir la necessitat de visió directa entre emissor i receptor.

Fig. 2 Telègraf inventat per l’americà Samuel Morse en 1836

Per a trobar un punt d’inflexió transcendent hem de traslladar-nos a finals del segle XIX, en què la teoria proposada per l’escocès James C. Maxwell seria la catalitzadora de la revolució de la telecomunicació sense fils.

Pioners

El físic escocès James Clerk Maxwell (1831-1879) va publicar per primera vegada les equacions que hui porten el seu nom en el Philosophical Transactions of the Royal Society of London en 1865 [4]-[6]. Amb les seues equacions, Maxwell va resumir el treball previ d’Oersted, Gauss, Ampère i Faraday. Va introduir el terme conegut com a corrent de desplaçament, un matís de summa transcendència, perquè amb aquest terme va lligar els fenòmens elèctrics amb els magnètics de tal forma que va demostrar l’existència d’ones electromagnètiques en l’àmbit teòric (Fig. 3).

Per la seua banda, el físic alemany Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) va demostrar experimentalment en 1888 l’existència d’ones electromagnètiques a partir d’un dipol (fil conductor) carregat amb esferes metàl·liques. Maxwell, encara que va teoritzar sobre les equacions de propagació d’ones electromagnètiques, no va deixar indicat cap mètode per a generar-les. Encara més, va morir sense veure la brillant demostració experimental d’Hertz que va servir perquè s’acceptara la teoria de Maxwell de forma universal.

És notable destacar que prèviament a tot el treball de Maxwell i Hertz, el metge, físic i inventor català Francesc Salvà i Campillo (1751-1828), en un article titulat “La telegrafia de xispes com a invent d’origen espanyol”, escrit el 16 de desembre de 1795, promulgava que no és necessària cap corda per a comunicar-se entre dos punts distants: “els físics elèctrics podran disposar a Mallorca una superfície o quadre gran carregat d’electricitat, i un altre a Alacant, privat d’electricitat, amb un filferro que des de la riba de la mar arribe prop de la tal superfície. Un altre filferro que des de la riba de la mar de Mallorca s’extenga i faça tocar el quadre, que se suposa allí carregat d’electricitat, podrà completar la comunicació entre les dues superfícies; i corrent el fluid elèctric per la mar, que és un conductor excel·lent, des de la superfície positiva donarà amb el seu esclat l’avís que es requereix”. Anys més tard, Guglielmo Marconi (1874-1937), enginyer italià, guanyador del premi Nobel de física, va realitzar la primera transmissió transatlàntica d’ones electromagnètiques entre Gal·les i Terranova, cobrint un total de 3.400 quilòmetres i iniciant així l’era de les telecomunicacions comercials [7].

Fig. 3. D'esquerra a dreta: el físic escocès James Clerk Maxwell (1831-1879), que publica per primera vegada les equacions que hui porten el seu nom en el Philosophical Transactions of the Royal Society of London l’any 1865; Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), físic alemany que va demostrar l’any 1888 l’existència d’ones electromagnètiques a partir d’un dipol carregat amb esferes metàl·liques; Francesc Salvà i Campillo (1751-1828), metge, físic i inventor català, que en 1795 va promulgar que no cal cap corda per a comunicar-se entre dos punts distants; Guglielmo Marconi (1874-1937), enginyer italià, premi Nobel de física, que va realitzar la primera transmissió transatlàntica d’ones electromagnètiques entre Gal·les i Terranova, cobrint un total de 3.400 km

En la segona part, “De les Ones Electromagnètiques a les Antenes Virtuals II”, explicarem conceptes elementals de la propagació de les ones electromagnètiques.