De les ones electromagnètiques a les antenes virtuals II

Amb l’objectiu d’entendre què és una antena i el gran ventall d’aplicacions que se'n deriven, s’introdueix en aquest article una sèrie de conceptes bàsics.

A. Antena

La definició formal d’antena segons l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) és “dispositiu capaç d’emetre i rebre ones electromagnètiques”.[8] I què és una ona electromagnètica? Per a definir-la de manera senzilla, primer il·lustrem què és una ona. Una ona, gràficament parlant, és una magnitud física que es mou per l’espai. Per exemple, una ona acústica és una variació de pressió que avança d’un emissor cap a un oient. Una ona electromagnètica és una magnitud d'intensitat elèctrica i magnètica que avança per l’espai. Aquesta ona, per exemple, ha sigut creada per una antena i porta informació que viatja per l’espai i que arriba a un receptor.

B. Freqüència

Un dels conceptes íntimament lligat a les antenes és la freqüència perquè aquesta determina la grandària física de l'antena. La freqüència d’una ona electromagnètica pot entendre’s utilitzant un símil acústic, és a dir, emprant la freqüència d’una ona acústica. Imaginem un piano de cua (Fig. 1). Un do produït per una corda llarga produeix un so de baixa freqüència (so agut). En canvi, un do produït per una corda curta produeix un so d’alta freqüència (so greu). Les freqüències es mesuren en hertzs en honor a Hertz; per exemple, el so d’una ona acústica com la del diapasó és de 440 hertzs (en l’aire), abreujat 440 Hz.

La gran conclusió d’aquest senzill exemple tan conegut per tots és que la freqüència determina la grandària de la corda. Així, doncs, si es desitja que un instrument de corda emeta sons de baixa freqüència, haurà de tenir cordes llargues i, per contra, si es desitja que emeta sons d’alta freqüència, haurà de tenir cordes curtes. Per tant, la grandària de la corda és inversament proporcional a la freqüència. El mateix succeeix amb les antenes. Una vegada fixada la freqüència a la qual ha de treballar, la grandària de l’antena queda determinada. Per exemple, si una estació de radiodifusió de ràdio comercial FM emet a una freqüència de 100 MHz¹ tindrà una antena d’una grandària major que una antena d’una estació comercial de televisió que emeta a 600 MHz perquè en aquest segon cas la freqüència és major i la grandària de l’antena serà menor en termes generals.

Fig. 1 Les cordes llargues produeixen sons greus (baixa freqüència – longituds d’ona llarga) en comparació amb les cordes curtes, que emeten sons aguts (alta freqüència – longituds d’ona curta). La longitud d’ona és la separació entre dues crestes (màxims) de l’ona.

A tall d’exemple i mimetitzant el piano, es troba l’antena logoperiòdica (Fig. 2). Cada tram recte és un conductor capaç d’excitar² una freqüència seguint l’analogia acústica de l’exemple del piano de cua. D’aquesta manera, aquest tipus d’antena és capaç de transmetre i rebre en un gran marge de freqüències. Es tracta d’un tipus d’antena útil per a mesuraments de l’emissió electromagnètica produïda de forma no desitjada per dispositius electrònics, com per exemple impressores, batedores, etc. Com que no es coneix la freqüència d’aquesta ona electromagnètica emesa per l’equip sota mesura, és necessari una antena capaç de poder rebre en un gran ventall de freqüències (antena de banda ampla). Imaginem com seria de poc còmode que, cada vegada que funcionara la batedora, l’ona emesa de forma no desitjada pel circuit electrònic interferira amb el televisor provocant una imatge borrosa. A la disciplina que tracta sobre el mesurament de fonts de soroll electromagnètic emeses per dispositius electrònics i a les tècniques per a mitigar-les se la denomina EMC (compatibilitat electromagnètica).

Fig. 2 Antena formada per diversos fils conductors de diferent longitud (antena coneguda com a logoperiòdica). Igual que un piano, els fils conductors de major longitud són els responsables d’emetre/rebre ones de menor freqüència que els fils curts.

I per a finalitzar, de forma genèrica, el rang de freqüències es divideix en ones de ràdio, microones, terahertzs, infraroigs, llum visible (les ones de llum), llums ultraviolades i raigs X, i es coneix com a espectre electromagnètic. En el camp de les antenes s’abasta, en general, des de les ones de ràdio fins a la llum visible (Fig. 3).

Fig. 3 Espectre electromagnètic

C. Llum més llum?

“Llum més llum? Foscor”³. Aquesta frase antagònica, a primera vista, és summament transcendental per a entendre molts dels fonaments de propagació d’ones i, per tant, de com operen les antenes. Imaginem una ona que, per simplicitat i sense pèrdua de generalitat, siga una ona marina que viatja cap a la dreta (Fig. 4a, b). I siga una altra ona de la mateixa altura que viatja en sentit contrari. Hi ha un instant en el temps i un punt en l’espai en què ambdues ones es troben i produeixen una ona d’altura doble (Fig. 4c). Després d’aquest instant, cada ona segueix el seu recorregut (Fig. 4d).

Fig. 4 a) Ones propagant-se en sentits contraris; b) interferències d’ones en trobar-se; c) coincidència de les ones en el mateix espai; d) ones després de la superposició

Siga el mateix exemple, però ara considerant que l’ona que es propaga des de la dreta té una amplitud negativa (Fig. 5a). Hi ha un instant en el temps i en l’espai que es produeix una cancel·lació total (Fig. 5b). Després d’aquest instant, cada ona segueix el seu camí (Fig. 5c).

Fig. 5 a) Ones propagant-se en sentits contraris i amb amplituds oposades; b) interferència destructiva; c) les ones segueixen el seu camí.

La conclusió que en termes generals es deriva d’aquest exemple és que, si d’alguna forma aconseguim manipular l’amplitud de les ones i el temps en què són creades, es pot aconseguir que en unes determinades direccions de l’espai hi haja amplituds màximes a causa de la suma constructiva de les ones, en altres poden ser mínimes, i encara en d'altres, un estat intermedi. Això resulta útil per al cas que l’emissió electromagnètica produïda per una antena no es desitge transmetre per igual en totes les direccions de l’espai, sinó que es vulga ponderar la distribució de potència, de manera que hi haja unes direccions en què es propague més i en altres menys (Fig. 6). Per exemple, imaginem una antena en una autopista que haja de donar servei únicament als usuaris d’aquesta. Si l’antena es dissenya de manera adequada seguint el principi ací explicat, és possible que la potència es distribuïsca principalment en l’àrea de l’autopista sense emetre potència fora d’aquesta, la qual cosa suposa un estalvi de consum perquè no envia potència en direccions no desitjades i a més, minimitza les interferències. Fixeu-vos que l’exemple de la Fig. 9 és l’efecte del patró de propagació d’ones a l’espai produït per un conjunt de dues antenes on, en el cas de l’esquerra, les dues antenes propaguen el senyal al mateix temps, i en el cas de la dreta hi ha un petit decalatge en el temps. Utilitzant un símil, és com si un xiquet llançara a un estany dues pedres de la mateixa mida i al mateix temps, i en el cas de la dreta les llança de forma alternada.

Fig. 6 Esquerra: dues antenes propagant ones de forma coherent donen com a resultat una màxima transmissió del senyal en la direcció perpendicular a l’eix que uneix les dues fonts. Dreta: dues fonts propagant ones de forma alternada ofereix com a resultat el contrari de la situació anterior, ara el màxim està en la direcció de l’eix que uneix les dues antenes

D. Polarització

Les ones acústiques com les produïdes per la nostra veu són el que es denomina una magnitud escalar, és a dir, un nombre. Aquest nombre pot significar la pressió de l’ona. Més pressió equival a més volum. Aquest concepte d’escalar es diferencia del de vectorial, que podem entendre com una magnitud que, a més, depén de la direcció. Imaginem una situació de dues persones, un parla i l’altre escolta. La persona que escolta sentirà el mateix, independentment de si l’emissor parla situat verticalment o horitzontalment (Fig. 7). Això és precisament perquè l’ona acústica és una magnitud escalar, un nombre, pressió, que és el que percep finalment el receptor, independentment de la posició horitzontal o vertical de l’emissor.

Fig. 7 La recepció d’una ona acústica és independent de l’orientació de l’emissor

Per a les ones electromagnètiques, la situació canvia radicalment perquè ara sí que l’ona té un caràcter vectorial, és a dir, l’usuari rebrà l’ona únicament si està amb el seu receptor alineat en el mateix sentit que les ones. Per a il·lustrar aquest exemple ens referim a la Fig. 8. En el cas a), l’emissor emet una ona electromagnètica que es propaga cap al receptor com una ona orientada en sentit vertical. Si el receptor té una antena sensible a aquesta direcció, serà capaç de captar aquestes ones. Anàlogament, si l’emissor emet ones electromagnètiques en sentit horitzontal, com en el cas b), el receptor podrà captar-les si té una antena sensible a rebre ones en aquesta direcció. Si el receptor tinguera una antena sensible a la recepció d’ones verticals, com reflecteix el cas c), no seria capaç de rebre res. A aquest fenomen, en què l’ona pot oscil·lar en una direcció determinada, se'l denomina polarització. És important subratllar que res té a veure la direcció de propagació de l’ona amb la direcció de la polarització (Fig. 8). Per exemple, en el cas de la Fig. 8a), la direcció de propagació és d’emissor a receptor i la direcció de la polarització és vertical.

Fig. 8 a) Emissor emetent una ona electromagnètica polaritzada verticalment. La recepció és correcta, atés que el receptor té una antena sensible a aquesta polarització; b) cas anàleg a l’anterior però ara amb polarització horitzontal; c) l’emissor emet una ona polaritzada horitzontalment, però en aquest cas el receptor no rep res perquè l’antena és sensible únicament a la polarització vertical

La polarització té utilitat, per exemple, per a enviar més informació i per a crear un sistema robust. Quant al primer, imaginem una àrea geogràfica que, per simplicitat de l’exemple, suposarem una petita sala (Fig. 9). En aquesta petita sala situem quatre persones. L’objectiu és que les persones 1 i 2 vulguen parlar d’un tema en particular, independentment de les 3 i 4 que estan parlant d’un altre assumpte. Si la comunicació fora per via acústica, la informació que envia la persona 1 a la 2 podria ser rebuda per la 3 i per la 4. De la mateixa manera, la informació enviada per la persona 3 podria ser rebuda per la 1, la 2 i la 4. Això produeix, d’una banda, interferència, perquè si l’1 i la 3 emeten senyals al mateix temps, els receptors 2 i 4 reben les dues al mateix temps sense entendre el missatge desitjat. Naturalment, la informació tampoc és confidencial perquè l’usuari 2 podria sentir què diu el 3 en cas que l’1 no estiguera parlant. Aquesta situació és fàcil d’entendre si ens traslladem a un restaurant on, a mesura que entra més gent, el volum de les converses puja. Això és degut al fet que, per a no sentir el de les taules veïnes, hàgem d'apujar el volum perquè el que està més prop de nosaltres perceba la veu.

Per a les ones electromagnètiques, la situació és totalment diferent gràcies al fet que les ones electromagnètiques poden polaritzar-se, és a dir, se’ls pot dir en quina orientació oscil·len. Tornant al mateix exemple, si assumim que l’usuari #1 té una antena capaç d’emetre i rebre ones electromagnètiques polaritzades en la direcció vertical, no rebrà res de la informació del #3, que emet ones en sentit horitzontal. Per a aquest cas, l’usuari #2 únicament rep informació del #1 i el #4 del #3, evitant la interferència i assegurant la confidencialitat de la informació.

Observeu que en el cas de la Fig. 9, utilitzant la mateixa freqüència d’operació, es pot enviar informació per la polarització vertical i una altra per l'horitzontal. Si els usuaris 3 i 4 tingueren una antena operant a una altra freqüència, podrien operar amb la mateixa polarització sense arribar a interferir-se. Aquesta opció, no obstant això, ocupa més freqüències de l’espectre electromagnètic i en algunes situacions es prefereix la primera opció.

Fig. 9 L’usuari #1 es comunica únicament amb l’usuari #2 perquè les seues antenes són capaces d’emetre i rebre la mateixa polarització (vertical); l’usuari #4, al seu torn, únicament rep informació de l’usuari #3 perquè les seues antenes són capaces d’emetre i rebre la mateixa polarització (horitzontal); ni l’usuari #2 rep del #3, ni el #4 del #1 per ser les antenes receptores sensibles a una polarització que és perpendicular a la del transmissor

Traslladem-nos ara a una situació com les comunicacions mòbils (Fig. 10). La pregunta que cal formular-se és: què succeeix si l’antena d’estació base de telefonia mòbil situada en la teulada d’un edifici és sensible a una polarització vertical i un usuari que parla pel seu mòbil i, per tant, està enviant informació a aquesta estació base, no té la seua antena emetent amb la mateixa polarització? De fet, l’usuari quan parla pot estar subjectant el telèfon en un gran ventall de posicions, cadascuna provoca que les ones que emet vagen des d’una polarització vertical a l’horitzontal, passant per totes les intermèdies, depenent de com estiga orientada l’antena del terminal mòbil (Fig. 10). Per a evitar que l’estació base no reba res, es dissenyen antenes avançades que són capaces de rebre qualsevol polarització. Per exemple, en l’estació base existeix un tipus d’antena capaç de rebre ones electromagnètiques polaritzades verticalment, horitzontalment i en qualsevol estat intermedi, amb la qual cosa el receptor és robust a l’usuari, el qual va canviant l’orientació de la seua antena de forma dinàmica.

Fig. 10 En entorns de comunicació mòbil, les antenes situades en les teulades dels edificis són sensibles a poder rebre qualsevol polarització, atés que l’ona emesa per l’usuari pot estar polaritzada en qualsevol orientació

E. Propagació omnidireccional

Una antena és un dispositiu que transmet/rep la potència a l'/de l’espai seguint un patró que depén de la direcció. A tall d’exemple, realitzant un símil acústic, es pot imaginar que la nostra boca és una antena transmissora. La veu emesa és rebuda per un oient de manera diferent depenent de la posició en què es trobe respecte a l’emissor. Si l’oient se situa davant, la potència acústica rebuda serà major que si se situa, per exemple, a la mateixa distància, però darrere. Si l’oient descriguera un cercle tenint com a centre l’emissor, i anotara en una carta polar la potència acústica rebuda, donaria com a resultat un patró de potència rebuda en funció de la direcció. A aquest patró se'l denomina diagrama de radiació. En les antenes succeeix pràcticament el mateix, amb la diferència que la potència acústica és ara potència electromagnètica. Per tant, el diagrama de radiació d’una antena defineix la forma d’emetre/rebre la potència en funció de la direcció.[9]

Segons com es dissenyen les antenes, aquestes poden emetre la potència de manera igual en totes les direccions de l’espai. Un dels casos més senzills de propagació és l’omnidireccional que, com el seu nom indica, és la capacitat d’una antena de transmetre/rebre per igual en totes les direccions de l’espai (estrictament, en totes les direccions que corresponguen a un pla). Per a visualitzar la propagació omnidireccional, recorrem a un exemple en què un xiquet es troba en un estany amb l’aigua en repòs. En un instant, el xiquet llança una pedra en el centre de l’estany, amb la qual cosa origina el que tots alguna vegada hem vist, una propagació de l’ona descrivint un cercle (Fig. 11). És precisament açò el que una antena pot realitzar, produir una ona electromagnètica que es propague per igual en totes les direccions de l’espai. Les antenes conegudes com a monopols o dipols produeixen aquest tipus de patró de propagació. L’aplicació d’aquest tipus de propagació la tenim en les antenes de telèfons mòbils i dispositius IoT (sigles en anglès de la internet de les coses), on independentment de com se situe el dispositiu, aquest sempre serà capaç de captar senyal que li arriba d’una font externa (Fig. 11).

Fig. 11 Diferents instants de la propagació d’una ona omnidireccional. El caràcter omnidireccional d’una antena té la seua utilitat quan el receptor pot estar en qualsevol direcció respecte a l’antena transmissora. Nota: L’amplitud de l’ona està associada a un codi de colors: rojos, més amplitud, blaus, menys amplitud. Els colors rojos reflecteixen més potència; els grocs i verds, potència intermèdia, i els blaus, potència molt dèbil.

F. Propagació direccional

En moltes aplicacions de telecomunicació es requereix que la potència a l’espai es distribuïsca en una determinada direcció, en comptes de fer-ho en moltes en particular. Imaginem l’exemple d’una comunicació Terra-satèl·lit. L’antena en el satèl·lit ha d’emetre únicament cap a la Terra i no cap a altres llocs; si no fora així, es malbarataria potència en direccions on no hi ha ningú. Aquesta capacitat de concentrar la potència té un efecte positiu en el receptor perquè, transmetent la mateixa potència, el receptor percep com si l’emissor emetera més potència. Tornant al símil acústic. Imaginem que una persona li parla a una altra. La veu la sent la persona just davant i amb la mateixa intensitat, aproximadament, una persona situada a la mateixa distància, però a la seua dreta. Si ara la persona es col·loca les mans en la boca i parla amb la mateixa intensitat, la persona just davant percebrà que la veu li arriba amb més volum, encara que la potència de l’emissor siga la mateixa. Per contra, la persona just a la dreta en rebrà molt menys. En els dos casos, la potència acústica de l’emissor és la mateixa però no la percepció en cada usuari.

A la capacitat d’una antena per a concentrar la potència propagada a l’espai, se la denomina directivitat. Una antena amb alta directivitat és aquella capaç d’apuntar la propagació d’un senyal en una determinada direcció. Per contra, una antena de baixa directivitat és aquella que emet en moltes direccions amb la mateixa intensitat. D’ací es conclou que una antena omnidireccional presenta poca directivitat.

La pregunta, doncs, és clau: com pot una antena aconseguir que la potència es propague en una determinada direcció i poc en altres? Existeixen diversos mecanismes, com pot ser el de dotar l’antena d’una certa geometria capaç de concentrar la potència en una determinada direcció. Altres mecanismes consisteixen a utilitzar diverses antenes (agrupacions d’antenes) i jugar amb el concepte de llum més llum. Ens centrem en aquest últim pel fet que és el que més graus de llibertat ofereix per a col·locar el màxim de propagació en una determinada direcció.

Fig. 12 a) Propagació omnidireccional; b) propagació directiva on es radia més cap a unes direccions (on es troba el receptor d’interés) i molt poc en altres. Els cercles indiquen l’antena emissora [una per al cas a) i dues per al cas b)]

De les ones electromagnètiques a les antenes virtuals II Conceptes bàsics de propagació d’ones

De forma simplificada i tornant a l’exemple del xiquet de l’estany. Suposeu que ara el xiquet té dues pedres d’idèntica grandària i que les llança al mateix temps sobre l’estany, de manera que una la deixa caure amb la mà dreta i l’altra amb l’esquerra i continua repetint l’experiment amb una certa freqüència. Què succeeix? Obviant l’efecte de la distància entre les mans (la distància té un efecte que no es tracta en aquesta divulgació), l’ona resultant presenta una amplitud major en la direcció perpendicular a l’eix imaginari que uneix les dues gotes d’aigua, mentre que en la direcció a l’eix que uneix les dues gotes, l’ona té amplitud nul·la (Fig. 12). I abstraient a més de dues gotes, què succeiria? Deixem el lector que responga. Com s’explica aquest resultat de manera senzilla? En la direcció on hi ha ona màxima, hi ha hagut la suma de dues ones que tenen la mateixa amplitud i signe, donant com a resultat llum més llum, és a dir, més llum, més amplitud de l’ona, més intensitat. En canvi, en la direcció on hi ha un mínim, el que ha succeït és que hi ha una suma de dues ones, una ona positiva i una altra ona negativa, és a dir, llum menys llum, donant foscor, és a dir, a penes existeix pertorbació en eixa zona de l’estany.

En la tercera part, “De les ones electromagnètiques a les antenes virtuals II”, explicarem la disruptiva tecnologia d’antenes virtual.

NOTES:

¹ 1 MHz equival a 1000000 Hz.

² Estrictament, el conductor no genera ones, sinó que imposa unes condicions de contorn perquè es puguen generar a una determinada freqüència.

³ F. Maraña, professor de física d'Enginyeria de Telecomunicació, Universitat Ramon Llull.