Es conocido que el plasma ofrece resistencia negativa, pero opino, que la longitud en una lampara de bajo consumo las longitud de la descarga es muy grande si quieres operar a frecuencias altas.
Me permito recordar el magnifico libro: óptica de las ondas hercianas, de la Universidad de Salamanca que en su momento compre y hoy tengo desaparecido : https://edicionesusal.com/obra/978-84-7800-979-4/
y también este sencillo experimento: http://revistas.uca.es/index.php/eureka ... /2732/2380
Salud!!
Jugando con Electrones (Óptica de Microondas - V -)
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Anilandro
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Re: Jugando con Electrones (Óptica de Microondas - I -)
El libro de Alejandro del Mazo Vivar es muy interesante y didáctico. Lo compré hace bastantes años y fue lo que me dio la idea para las experiencias de "óptica de microondas". El sistema del cohesor es sin duda el más sencillo, y ya había construido una decena de estos dispositivos con distintas combinaciones de metales para un receptor tipo "Marconi" de 1900, pero al ser un dispositivo de avalancha su sensibilidad muestra muy poca dinámica, prácticamente funciona a todo o nada, aunque presenta cierto efecto memoria con las descargas amortiguadas demasiado débiles para activarlo, que sin cebarlo, lo dejan en un punto de mayor sensibilidad para la siguiente señal.
Otra cosa es que el golpe descohesor debe ser más fuerte si la señal activadora lo ha sido (porque las microsoldaduras provocadas por la radiofrecuencia son más consistentes), y que de alguna forma la amplitud del golpe también afectará a la sensibilidad posterior, que además irá disminuyendo deforma considerable con el tiempo por la oxidación de las limaduras. El cohesor más sensible de Marconi, con unos 10 Volts de sensibilidad, estaba hecho con un 95% de limaduras de níquel con un 5% de plata. En mi caso conseguí una sensibilidad comparable con el 85% de inox y el 15% de plata.
Un detalle que no sé si aparece en el libro pero sí lo he leído en el pdf de revistas.uca.es, que es del mismo autor, es que los contactos interiores del cohesor los fabrica biselados, y creo que esto es un error porque este tipo de contactos los desarrolló Marconi para poder modificar la sensibilidad del cohesor girándolo, pero en este caso esto no es necesario y además provocará que al moverlo sin darnos cuenta, estemos realizando pruebas con un cohesor cuya sensibilidad podrá variar como de 10:1 en las distintas activaciones.
Otra cosa. Veo que el tamaño de las antenas emisora y receptora es el mismo. Esto es otro error, ya que si bien el emisor formará un dipolo al unirse ambas partes por el arco de la chispa, ya actuando por lo tanto como un dipolo de media onda, en el caso del receptor, ambas partes de la antena están en realidad separados por el cohesor, que descebado presenta una resistencia superior a 1 Megaohm, y actúan como dos elementos individuales de media onda, resonando por tanto a una frecuencia doble que la del emisor...
...El caso es que incluso así va a funcionar, porque el receptor captará el 2º armónico del emisor y de cualquier forma, la anchura espectral de las emisiones de chispa son tan grandes (así como la potencia de pico), que a cortas distancias se colará suficiente energía para cebar el cohesor, pero sin duda mejoraríamos la sensibilidad del conjunto alargando de forma experimental las antenas receptoras hasta conseguir la mayor distancia.
Marconi fue quien se dio cuenta de este efecto, que arregló con una doble bobina como transformador de impedancia entre la antena y el cohesor, en que el primario unía las dos partes de la antena que de esta forma se convertía también en un dipolo de media onda.
Saludos
Otra cosa es que el golpe descohesor debe ser más fuerte si la señal activadora lo ha sido (porque las microsoldaduras provocadas por la radiofrecuencia son más consistentes), y que de alguna forma la amplitud del golpe también afectará a la sensibilidad posterior, que además irá disminuyendo deforma considerable con el tiempo por la oxidación de las limaduras. El cohesor más sensible de Marconi, con unos 10 Volts de sensibilidad, estaba hecho con un 95% de limaduras de níquel con un 5% de plata. En mi caso conseguí una sensibilidad comparable con el 85% de inox y el 15% de plata.
Un detalle que no sé si aparece en el libro pero sí lo he leído en el pdf de revistas.uca.es, que es del mismo autor, es que los contactos interiores del cohesor los fabrica biselados, y creo que esto es un error porque este tipo de contactos los desarrolló Marconi para poder modificar la sensibilidad del cohesor girándolo, pero en este caso esto no es necesario y además provocará que al moverlo sin darnos cuenta, estemos realizando pruebas con un cohesor cuya sensibilidad podrá variar como de 10:1 en las distintas activaciones.
Otra cosa. Veo que el tamaño de las antenas emisora y receptora es el mismo. Esto es otro error, ya que si bien el emisor formará un dipolo al unirse ambas partes por el arco de la chispa, ya actuando por lo tanto como un dipolo de media onda, en el caso del receptor, ambas partes de la antena están en realidad separados por el cohesor, que descebado presenta una resistencia superior a 1 Megaohm, y actúan como dos elementos individuales de media onda, resonando por tanto a una frecuencia doble que la del emisor...
...El caso es que incluso así va a funcionar, porque el receptor captará el 2º armónico del emisor y de cualquier forma, la anchura espectral de las emisiones de chispa son tan grandes (así como la potencia de pico), que a cortas distancias se colará suficiente energía para cebar el cohesor, pero sin duda mejoraríamos la sensibilidad del conjunto alargando de forma experimental las antenas receptoras hasta conseguir la mayor distancia.
Marconi fue quien se dio cuenta de este efecto, que arregló con una doble bobina como transformador de impedancia entre la antena y el cohesor, en que el primario unía las dos partes de la antena que de esta forma se convertía también en un dipolo de media onda.
Saludos
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Re: Jugando con Electrones (Óptica de Microondas - I -)
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- Óptica de Microondas - II - Determinando los diagramas de radiación -
La primera experiencia propiamente dicha de óptica de microondas consistirá en determinar los diagramas de radiación de la bombilla emisora y la directividad del receptor. Para ello dispondremos de estos dos elementos montado en su bastidor, y realizaremos los siguientes pasos:
El emisor y el receptor montados en su bastidor
1) El disco giratorio del emisor es doble, la parte alta permite ajustar la posición angular de la bombilla con respecto a la escala graduada inferior, y como hemos de determinar algún punto de referencia, ajustaremos este disco para que las dos "U" invertidas que forman los tubos fluorescentes internos, estén alineadas paralelamente con la línea imaginaria central que une el emisor y el receptor.
Alineando los tubos fluorescentes de la lámpara con la línea emisor-receptor
2) A partir de aquí vamos a proceder a arrancar los elementos, esperamos cinco minutos a que se caliente la lámpara y estabilice su emisión y para la primera medida dejamos el receptor en posición vertical.
Respecto a la posición inicial del receptor, al ser su módulo de entrada un LBN antiguo de televisión por satélite, es indudable que recibe solamente en una polarización determinada, es decir que capta las microondas que oscilan en un único plano, sea el horizontal (H) o el vertical (V), o al menos que su sensibilidad para este plano es mucho mayor que para el otro. El problema es que de momento ignoramos tanto la polarización del receptor como la del propio emisor, la cual, por lo insólito del fenómeno que produce las microondas, podría ser de cualquier tipo, incluso circular, mezclando distintos ángulos e intensidades de emisión.
En experiencias posteriores ya determinaremos los valores reales de polarización de los dos elementos, pero de momento nos limitaremos a efectuar dos medidas relativas del diagrama de radiación del emisor y de directividad del lóbulo del receptor. Manteniendo siempre la bombilla vertical efectuaremos medidas de 10 en 10 grados, primeramente con el receptor en posición vertical y después otra secuencia en posición horizontal.
El siguiente vídeo muestra un poco resumido el proceso de efectuar las diferentes medidas.
Proceso de medición de los diagramas de directividad
Antes de efectuar las medidas, y como la dinámica de nuestro indicador de aguja no es tan grande (ni tan lineal) como la de un sistema digital, efectúo una exploración rápida para establecer el ajuste de sensibilidad adecuado, y observo que la señal máxima con el receptor colocado en posición horizontal es 8,5 veces mayor que en posición horizontal, lo cual nos indica que la emisión de la lámpara está fuertemente polarizada, y además nos obligará a retocar los ajustes de sensibilidad tanto del receptor como del indicador de aguja para establecer siempre a 4 el valor de inicio con el dial giratorio del emisor colocado a 0º, en la idea que el margen dinámico de lectura pueda subir al menos hasta 10 y ser leído sin problemas.
Posteriormente a las lecturas, multiplicaremos de nuevo los valores por 8,5, para obtener los valores reales relativos entre ambas medidas.
Para establecer la directividad del receptor, en cambio, se supone que la máxima medida siempre corresponderá en su dial giratorio a 0º, por este motivo, no hay problema es establecer directamente valor de señal inicial a 10, ya que el resto de valores siempre serán inferiores a éste.
3) Los valores anotados en la tabla los entraremos en una hoja de Excel, y a partir de aquí confeccionaremos los gráficos que vienen a continuación.
- Diagrama polar de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición vertical. Observemos en el diagrama siguiente la curiosa forma de aspa, que nos indican un máximo de radiación en dos líneas inclinadas unos 30º en relación al eje central de la bombilla, habiendo cuatro mínimos en forma de cruz que coinciden con dicho eje y con su transversal.
Diagrama polar de radiación de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición vertical
- Diagrama polar de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición horizontal. Ya he dicho que en esta medida los valores reales son 8,5 veces superiores a la primera, sin duda porque ahora nos coincide la polarización de las microondas emitidas con la polarización de entrada del receptor (aunque, insisto, de momento no sepamos aún cual es dicho plano de polarización).
El patrón es semejante al anterior, pero presenta una cierta asimetría ya que los dos lóbulos frontales son más consistentes que los traseros. Otra curiosidad son dos pequeños picos sobresaliendo en el centro de los mínimos transversales.
Diagrama polar de radiación de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición horizontal
- Diagrama polar combinado de las dos medidas anteriores. Este diagrama combina los dos anteriores con sus valores reales, y en él pueden observarse tanto la similitud de forma como la diferencia de magnitudes.
Diagramas combinados de las dos medidas anteriores, en que se distingue la discordancia/coincidencia de las polarizaciones respectivas entre emisor y receptor
- Diagrama polar del lóbulo de recepción en posición vertical. A partir de aquí hemos dejado la posición del emisor ajustado a 0º y comenzamos a variar la posición del plato horizontal del receptor para hallar el diagrama de su lóbulo de directividad. En este caso y el siguiente las lecturas se efectuarán cada 5º, con lo cual obtendremos una mejor precisión.
Lóbulo de directividad del receptor colocado verticalmente
- Diagrama polar del lóbulo de recepción en posición horizontal. Observamos que ambos diagramas son muy parecidos, sin duda debido a que el embudo guiaondas de entrada de microondas es circular, aunque el haz es algo más estrecho en este caso (con señal 8,5 veces más alta y polarizaciones coincidentes), que en el primero, de baja señal y polarizaciones perpenticulares. El valor angular de las "ventanas" tomando como límite los 6 Db (decibelios), es de unos 22 - 25º, lo cual no está nada mal para una "trompeta" de entrada de tan corta longitud.
Lóbulo de directividad del receptor colocado horizontalmente
Los datos obtenidos nos serán útiles para proseguir las experiencias de óptica con microondas. A partir de aquí deberemos determinar la polarización real de las señales, lo cual haremos en la siguiente página de esta serie.
Continuará...
Un saludo a todos
- Óptica de Microondas - II - Determinando los diagramas de radiación -
La primera experiencia propiamente dicha de óptica de microondas consistirá en determinar los diagramas de radiación de la bombilla emisora y la directividad del receptor. Para ello dispondremos de estos dos elementos montado en su bastidor, y realizaremos los siguientes pasos:
El emisor y el receptor montados en su bastidor
1) El disco giratorio del emisor es doble, la parte alta permite ajustar la posición angular de la bombilla con respecto a la escala graduada inferior, y como hemos de determinar algún punto de referencia, ajustaremos este disco para que las dos "U" invertidas que forman los tubos fluorescentes internos, estén alineadas paralelamente con la línea imaginaria central que une el emisor y el receptor.
Alineando los tubos fluorescentes de la lámpara con la línea emisor-receptor
2) A partir de aquí vamos a proceder a arrancar los elementos, esperamos cinco minutos a que se caliente la lámpara y estabilice su emisión y para la primera medida dejamos el receptor en posición vertical.
Respecto a la posición inicial del receptor, al ser su módulo de entrada un LBN antiguo de televisión por satélite, es indudable que recibe solamente en una polarización determinada, es decir que capta las microondas que oscilan en un único plano, sea el horizontal (H) o el vertical (V), o al menos que su sensibilidad para este plano es mucho mayor que para el otro. El problema es que de momento ignoramos tanto la polarización del receptor como la del propio emisor, la cual, por lo insólito del fenómeno que produce las microondas, podría ser de cualquier tipo, incluso circular, mezclando distintos ángulos e intensidades de emisión.
En experiencias posteriores ya determinaremos los valores reales de polarización de los dos elementos, pero de momento nos limitaremos a efectuar dos medidas relativas del diagrama de radiación del emisor y de directividad del lóbulo del receptor. Manteniendo siempre la bombilla vertical efectuaremos medidas de 10 en 10 grados, primeramente con el receptor en posición vertical y después otra secuencia en posición horizontal.
El siguiente vídeo muestra un poco resumido el proceso de efectuar las diferentes medidas.
Proceso de medición de los diagramas de directividad
Antes de efectuar las medidas, y como la dinámica de nuestro indicador de aguja no es tan grande (ni tan lineal) como la de un sistema digital, efectúo una exploración rápida para establecer el ajuste de sensibilidad adecuado, y observo que la señal máxima con el receptor colocado en posición horizontal es 8,5 veces mayor que en posición horizontal, lo cual nos indica que la emisión de la lámpara está fuertemente polarizada, y además nos obligará a retocar los ajustes de sensibilidad tanto del receptor como del indicador de aguja para establecer siempre a 4 el valor de inicio con el dial giratorio del emisor colocado a 0º, en la idea que el margen dinámico de lectura pueda subir al menos hasta 10 y ser leído sin problemas.
Posteriormente a las lecturas, multiplicaremos de nuevo los valores por 8,5, para obtener los valores reales relativos entre ambas medidas.
Para establecer la directividad del receptor, en cambio, se supone que la máxima medida siempre corresponderá en su dial giratorio a 0º, por este motivo, no hay problema es establecer directamente valor de señal inicial a 10, ya que el resto de valores siempre serán inferiores a éste.
3) Los valores anotados en la tabla los entraremos en una hoja de Excel, y a partir de aquí confeccionaremos los gráficos que vienen a continuación.
- Diagrama polar de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición vertical. Observemos en el diagrama siguiente la curiosa forma de aspa, que nos indican un máximo de radiación en dos líneas inclinadas unos 30º en relación al eje central de la bombilla, habiendo cuatro mínimos en forma de cruz que coinciden con dicho eje y con su transversal.
Diagrama polar de radiación de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición vertical
- Diagrama polar de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición horizontal. Ya he dicho que en esta medida los valores reales son 8,5 veces superiores a la primera, sin duda porque ahora nos coincide la polarización de las microondas emitidas con la polarización de entrada del receptor (aunque, insisto, de momento no sepamos aún cual es dicho plano de polarización).
El patrón es semejante al anterior, pero presenta una cierta asimetría ya que los dos lóbulos frontales son más consistentes que los traseros. Otra curiosidad son dos pequeños picos sobresaliendo en el centro de los mínimos transversales.
Diagrama polar de radiación de la bombilla emisora con el receptor colocado en posición horizontal
- Diagrama polar combinado de las dos medidas anteriores. Este diagrama combina los dos anteriores con sus valores reales, y en él pueden observarse tanto la similitud de forma como la diferencia de magnitudes.
Diagramas combinados de las dos medidas anteriores, en que se distingue la discordancia/coincidencia de las polarizaciones respectivas entre emisor y receptor
- Diagrama polar del lóbulo de recepción en posición vertical. A partir de aquí hemos dejado la posición del emisor ajustado a 0º y comenzamos a variar la posición del plato horizontal del receptor para hallar el diagrama de su lóbulo de directividad. En este caso y el siguiente las lecturas se efectuarán cada 5º, con lo cual obtendremos una mejor precisión.
Lóbulo de directividad del receptor colocado verticalmente
- Diagrama polar del lóbulo de recepción en posición horizontal. Observamos que ambos diagramas son muy parecidos, sin duda debido a que el embudo guiaondas de entrada de microondas es circular, aunque el haz es algo más estrecho en este caso (con señal 8,5 veces más alta y polarizaciones coincidentes), que en el primero, de baja señal y polarizaciones perpenticulares. El valor angular de las "ventanas" tomando como límite los 6 Db (decibelios), es de unos 22 - 25º, lo cual no está nada mal para una "trompeta" de entrada de tan corta longitud.
Lóbulo de directividad del receptor colocado horizontalmente
Los datos obtenidos nos serán útiles para proseguir las experiencias de óptica con microondas. A partir de aquí deberemos determinar la polarización real de las señales, lo cual haremos en la siguiente página de esta serie.
Continuará...
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Re: Jugando con Electrones (Óptica de Microondas - II -)
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- Óptica de Microondas - III - La polarización de las ondas -
En esta prueba vamos a determinar la polarización de las microondas mediante el filtro adecuado
Como predijo James Maxwell en 1861, las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico y otro magnético que se alternan en el tiempo, traspasándose la energía de uno a otro de manera que cuando el primero es máximo el segundo es mínimo y viceversa. Siguiendo las leyes de Faraday estos campos complementarios siempre se mantienen perpenticulares el uno respecto al otro, con ángulos que dependerán de las características del emisor de ondas, y en concreto de la forma y disposición de su antena. Entonces, al ángulo o posición absoluta que presenta el campo eléctrico de la onda con el plano de tierra, lo denominamos "polarización"
Campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética
La "polarización" de una onda puede presentar cualquier ángulo, una mezcla de ellos o incluso una distribución circular, pero normalmente mostrará un plano predominante que en ondas que no hayan sufrido reflexiones suele ser horizontal o vertical. Este ángulo determina la distribución de la energía electromagnética que un sistema emisor proyecta sobre una esfera virtual cuyo centro ocupa, de tal forma que para recoger el máximo de esta energía, es decir, de la señal, la antena receptora deberá ser capaz de recibir en la misma polarización que emana del emisor.
La polarización es un fenómeno que afecta a todas las ondas electromagnéticas, y siendo muy evidente en el caso de la luz también es observable en el caso de las ondas de radio, especialmente en las microondas, de frecuencia muy elevada y características y comportamiento que en algunos casos pueden calificarse de casi ópticas.
En la primera prueba de esta serie de "Óptica de Microondas" pudimos observar como la máxima amplitud en nuestro detector se obtiene al inclinarlo 90º grados en relación a la "bombilla emisora". En esta posición la señal es 8,5 veces mayor que manteniéndolo en vertical, e indudablemente es cuando coinciden las polarizaciones de ambos elementos. Sin embargo, como no conocemos el valor de la polarización de ninguno de los dos, tampoco tenemos manera de saber el valor absoluto de este parámetro con respecto al plano de tierra.
El objeto de este ejercicio será averiguar el valor absoluto de la polarización, y para ello utilizaremos un filtro especial formado por una superficie aislante en donde están fijados una serie de hilos conductores paralelos colocados a poca distancia, formando un parrilla que permite el paso de la onda electromagnética cuando su plano eléctrico está en ángulo recto con respecto al de los hilos, pero presenta en cambio una alta atenuación cuando ambos planos coinciden.
El filtro polarizador está construido de forma muy sencilla mediante un rectángulo de cartón de 7 x 14,5 cm. en donde he fijado con pegamento rápido 7 hilos paralelos de cobre de 1 mm. de diámetro colocados longitudinalmente al rectángulo y separados 6 mm. entre ellos.
El conjunto está montado sobre una base con soporte vertical que permite su giro, de manera que puede adoptar cualquier posición en un círculo de 360º, disponiendo además de un dial graduado para poder apreciar mejor los valores intermedios.
El sencillo filtro polarizador, fabricado con madera, cartón e hilo de cobre
1) Comenzando la experiencia dispondremos del bastidor principal con el transmisor en un extremo y el receptor/detector en el otro, y tal como hemos averiguado en el ejercicio anterior, para conseguir la máxima señal colocaremos el detector en posición horizontal.
2) Arrancamos la bombilla emisora y esperamos cinco minutos a que adquiera la temperatura de funcionamiento. Después encendemos el receptor y el téster acústico, y ajustamos la sensibilidad para que la aguja nos indique 8 sobre 10.
3) Ahora tomamos el filtro polarizador ajustado en posición vertical (con su dial marcando 0º), y lo colocamos transversalmente en el centro del bastidor, observando como la señal del indicador apenas cambia o incluso sube un poco.
Cuando el campo eléctrico es perpenticular a los conductores del filtro, no hay atenuación
Prueba real del gráfico anterior, con el filtro en posición vertical (polarización horizontal) la señal del indicador de aguja es máxima
4) Vamos girando lentamente el filtro, observando como la señal recibida decae de forma significativa
Al ir girando el filtro la señal del indicador disminuye de manera apreciable
5) Con el filtro en posición horizontal la señal del indicador se anula casi por completo.
Con el filtro en posición horizontal la señal del emisor se anula
Prueba real del gráfico anterior, con el filtro en posición horizontal (polarización vertical) la señal del indicador de aguja es mínima
...Y si seguimos girando hasta dejarlo de nuevo vertical, la señal recuperará al valor de antes.
A partir de aquí la deducción es sencilla: si la señal pasa sin problemas cuando el filtro (y por tanto la parrilla de hilos metálicos) está en posición vertical, significa que el campo eléctrico de la onda emitida por nuestra bombilla emisora es horizontal, y por tanto horizontal es también su polarización.
De este dato también deducimos otro detalle, puesto que nuestro receptor/detector ha de estar situado horizontalmente para coincidir con el emisor, su polarización, colocado en posición normal, ha de estar forzosamente girada 90º respecto a la anterior, y por tanto ya sabemos que nuestro LBN del "Detector de Radares" recibe con polarización vertical.
Vídeo de la experiencia de polarización real de las microondas
La siguiente experiencia se centrará en el fenómeno de la reflexión y sus distintas modalidades.
Continuará...
- Óptica de Microondas - III - La polarización de las ondas -
En esta prueba vamos a determinar la polarización de las microondas mediante el filtro adecuado
Como predijo James Maxwell en 1861, las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico y otro magnético que se alternan en el tiempo, traspasándose la energía de uno a otro de manera que cuando el primero es máximo el segundo es mínimo y viceversa. Siguiendo las leyes de Faraday estos campos complementarios siempre se mantienen perpenticulares el uno respecto al otro, con ángulos que dependerán de las características del emisor de ondas, y en concreto de la forma y disposición de su antena. Entonces, al ángulo o posición absoluta que presenta el campo eléctrico de la onda con el plano de tierra, lo denominamos "polarización"
Campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética
La "polarización" de una onda puede presentar cualquier ángulo, una mezcla de ellos o incluso una distribución circular, pero normalmente mostrará un plano predominante que en ondas que no hayan sufrido reflexiones suele ser horizontal o vertical. Este ángulo determina la distribución de la energía electromagnética que un sistema emisor proyecta sobre una esfera virtual cuyo centro ocupa, de tal forma que para recoger el máximo de esta energía, es decir, de la señal, la antena receptora deberá ser capaz de recibir en la misma polarización que emana del emisor.
La polarización es un fenómeno que afecta a todas las ondas electromagnéticas, y siendo muy evidente en el caso de la luz también es observable en el caso de las ondas de radio, especialmente en las microondas, de frecuencia muy elevada y características y comportamiento que en algunos casos pueden calificarse de casi ópticas.
En la primera prueba de esta serie de "Óptica de Microondas" pudimos observar como la máxima amplitud en nuestro detector se obtiene al inclinarlo 90º grados en relación a la "bombilla emisora". En esta posición la señal es 8,5 veces mayor que manteniéndolo en vertical, e indudablemente es cuando coinciden las polarizaciones de ambos elementos. Sin embargo, como no conocemos el valor de la polarización de ninguno de los dos, tampoco tenemos manera de saber el valor absoluto de este parámetro con respecto al plano de tierra.
El objeto de este ejercicio será averiguar el valor absoluto de la polarización, y para ello utilizaremos un filtro especial formado por una superficie aislante en donde están fijados una serie de hilos conductores paralelos colocados a poca distancia, formando un parrilla que permite el paso de la onda electromagnética cuando su plano eléctrico está en ángulo recto con respecto al de los hilos, pero presenta en cambio una alta atenuación cuando ambos planos coinciden.
El filtro polarizador está construido de forma muy sencilla mediante un rectángulo de cartón de 7 x 14,5 cm. en donde he fijado con pegamento rápido 7 hilos paralelos de cobre de 1 mm. de diámetro colocados longitudinalmente al rectángulo y separados 6 mm. entre ellos.
El conjunto está montado sobre una base con soporte vertical que permite su giro, de manera que puede adoptar cualquier posición en un círculo de 360º, disponiendo además de un dial graduado para poder apreciar mejor los valores intermedios.
El sencillo filtro polarizador, fabricado con madera, cartón e hilo de cobre
1) Comenzando la experiencia dispondremos del bastidor principal con el transmisor en un extremo y el receptor/detector en el otro, y tal como hemos averiguado en el ejercicio anterior, para conseguir la máxima señal colocaremos el detector en posición horizontal.
2) Arrancamos la bombilla emisora y esperamos cinco minutos a que adquiera la temperatura de funcionamiento. Después encendemos el receptor y el téster acústico, y ajustamos la sensibilidad para que la aguja nos indique 8 sobre 10.
3) Ahora tomamos el filtro polarizador ajustado en posición vertical (con su dial marcando 0º), y lo colocamos transversalmente en el centro del bastidor, observando como la señal del indicador apenas cambia o incluso sube un poco.
Cuando el campo eléctrico es perpenticular a los conductores del filtro, no hay atenuación
Prueba real del gráfico anterior, con el filtro en posición vertical (polarización horizontal) la señal del indicador de aguja es máxima
4) Vamos girando lentamente el filtro, observando como la señal recibida decae de forma significativa
Al ir girando el filtro la señal del indicador disminuye de manera apreciable
5) Con el filtro en posición horizontal la señal del indicador se anula casi por completo.
Con el filtro en posición horizontal la señal del emisor se anula
Prueba real del gráfico anterior, con el filtro en posición horizontal (polarización vertical) la señal del indicador de aguja es mínima
...Y si seguimos girando hasta dejarlo de nuevo vertical, la señal recuperará al valor de antes.
A partir de aquí la deducción es sencilla: si la señal pasa sin problemas cuando el filtro (y por tanto la parrilla de hilos metálicos) está en posición vertical, significa que el campo eléctrico de la onda emitida por nuestra bombilla emisora es horizontal, y por tanto horizontal es también su polarización.
De este dato también deducimos otro detalle, puesto que nuestro receptor/detector ha de estar situado horizontalmente para coincidir con el emisor, su polarización, colocado en posición normal, ha de estar forzosamente girada 90º respecto a la anterior, y por tanto ya sabemos que nuestro LBN del "Detector de Radares" recibe con polarización vertical.
Vídeo de la experiencia de polarización real de las microondas
La siguiente experiencia se centrará en el fenómeno de la reflexión y sus distintas modalidades.
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Re: Jugando con Electrones (Óptica de Microondas - IV -)
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- Óptica de Microondas - IV - Concentradores de haz -
En óptica tradicional, la reflexión es el fenómeno por el cual un rayo de luz incidente rebota en ciertas superficies pulidas con un ángulo de salida de igual magnitud pero de signo cambiado respecto al de incidencia, tomado como referencia la perpenticular de la superficie. Con las ondas de radio ocurre lo mismo, especialmente con los espejos, que también pueden disponerse de manera que dirijan y refuercen el frente de ondas en una dirección. Aquí trataremos esta propiedad y cómo podemos aplicarla a nuestras experiencias con microondas.
En la segunda página de este tema, al determinar los diagramas de directividad vimos como el receptor mostraba un lóbulo muy definido, bastante estrecho respecto a la abertura angular, mientras que el "emisor", es decir la bombilla de bajo consumo, tenía un patrón circular en forma de aspa, con diferencias de señal de casi 5/1, con cuatro máximos que se situaban más o menos a 30 grados a ambos lados y ambos extremos de la línea central, coincidiendo los mínimos con los extremos de la cruz a 0, 90, 180 y 270º respectivamente.
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La base rectangular calibrada
Para efectuar nuevas pruebas añadiremos algunos elementos a los que ya tenemos. El primero de ellos será una base rectangular de 25 x 15 cm en la que vamos a dibujar una serie de líneas que nos permitirán situar elementos reflectores a distancias determinadas de la bombilla emisora. Este rectángulo, como muestran las imágenes que vienen a continuación, tiene además un corte en forma de sector circular que se adapta a los discos giratorios de la base de la bombilla, quedando fija mediante tornillos al disco grande inferior y dejando libre para su ajuste el disco de offset superior.
Las líneas están dibujadas con equidistancia al punto central de la bombilla, en forma de círculos concéntricos, parábolas de distinto foco y rectas perpenticulares, estas últimas marcadas cada centímetro.
Base rectangular calibrada en formas y distancias para estudiar el comportamiento de los elementos reflectores
Montaje de la base sobre el disco giratorio graduado inferior. El superior es independiente y afecta sólo a la lámpara emisora
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La "capucha direccional"
Otro elemento nuevo estará destinado a acotar el diagrama circular en X del emisor, patrón que no es demasiado interesante para las pruebas que realizamos, porque la falta de directividad nos puede causar ecos no deseados y por tanto falseamiento de la señal.
La intención será fabricar una especie de caperuza que acote el diagrama de radiación para permitir la emisión de uno de los lóbulos y descartar los tres restantes. En principio el sistema no estará pensado para conseguir ganancia, porque debido a su reducido tamaño las reflexiones y las relaciones de fase serán difícilmente controlables, pero nunca se puede descartar que algo de señal se refuerce en centro del nuevo diagrama. En cuanto a los materiales serán los mismos que hemos utilizado hasta ahora, es decir, cartón, papel de aluminio y pegamento universal.
Como soy consciente que tantas variables desconocidas convertirían en un fárrago cualquier posible cálculo teórico inicial, realizo unas cuantas pruebas improvisadas con diversas formas de papel de aluminio, creando una especie de capucha abierta en uno de sus lados, con unas "alas" ajustables que ha de permitir variar ángulos de salida y tal vez mejorar la emisión.
"Capucha direccional" improvisada para tantear su funcionamiento
La sorpresa es que nada más instalar el artilugio la señal crece de forma notable en el receptor. La relación supera el 2:1, que mejora hasta el 3:1 e incluso 4:1 al ir variando la "apertura" de las alas. A este respecto, el modificar el ángulo de salida de las alas causa el mismo efecto que un acoplador de antena, ya que adapta (o al menos mejora) la impedancia de salida del transmisor al espacio abierto circundante, reduciendo el porcentaje de estacionarias y por lo tanto mejorando el rendimiento.
Tomo medidas detalladas de la configuración que me arroja mejores resultados y marcando las formas sobre cartón construyo la nueva "capucha direccional", dejando espacio en su interior para poder insertar la capucha anti-deslumbramiento, es decir, la que sirve para que la luz de la bombilla no nos deslumbre a nosotros o la cámara de fotos.
"Capucha direccional", tal como ha quedado, que permite además incorporar la capucha "anti-reflejos" en su interior
La nueva "capucha" instalada para efectuar las mediciones de su diagrama de radiación
Seguidamente coloco la "capucha direccional", enciendo los aparatos y me dispongo a comprobar el resultado. El diagrama de radiación lo tomaré en dos configuraciones distintas, primeramente con la lámpara emisora calada a 0º respecto a la línea central, y después con la lámpara calada a +30º, coincidiendo el 0º del disco principal con uno de sus lóbulos de máxima emisión.
El resultado con el calado a 0º es bueno, mejor de lo que había previsto al principio, el diagrama de radiación ha quedado concentrado en unos 40º, con un pequeño pico central y una forma relativamente plana que cae bruscamente a 20º a cada lado de la línea central.
La ganancia total sobre la configuración "sin capucha direccional" es de 9,5:1 sobre lo que llamo "unidad de señal" o Us, que pasa precisamente de 1 a 9,5
En algunos de los diagramas siguientes, confeccionados con Excel a partir de los datos obtenidos, he suprimido la representación de las líneas radiales que hacían difícil observar las curvas internas, especialmente hacia el centro, en que se confundían con el negro de las propias líneas. Por lo demás, las cifras en la periferia del círculo se refieren a grados y la escala interna vertical a "Unidades de señal" Us.
Aprovecharé los mismos gráficos para insertar el diagrama original sin capucha (en azul), en este caso centrado respecto al eje, a partir del cual pueden establecerse comparaciones de directividad y de ganancia con el diagrama final obtenido con la capucha (en rojo).
Diagrama de radiación de la "capucha direccional" (en rojo) con lámpara emisora calada a 0º del disco principal. En azul el diagrama sin capucha
Cuando calamos el disco pequeño de ajuste a 30º e insertamos la capucha direccional el diagrama de radiación se concentra en los 20-25º, con un pico central mucho más marcado y una base más ancha hasta los 40º pero alcanzando solamente el 50% de amplitud del pico máximo.
Sólo por ajustar el calado a 30 la señal ya había aumentado a 2 Us, con la capucha insertada sube a 16,4 Us, así que en este caso la ganancia de nuestro artilugio es de 8,2:1
Diagrama de radiación de la "capucha direccional" (en rojo) con lámpara emisora calada a -30º. En azul el diagrama sin capucha
En este punto he de hacer un comentario sobre las unidades que vengo utilizando (Us o "Unidad de señal"). Y es que mi sistema no está calibrado ni dispongo de instrumentación de estas frecuencias para hacerlo y por lo tanto todas las medidas que tomo son relativas a un valor previo igual a 1, que es la radiación con la bombilla totalmente en línea con el receptor (ambos tubos fluorescentes paralelos a la línea, disco grande calado a 0º y receptor en posición horizontal)
===================================================
Una nueva "bocina" para el receptor
Bien, ya he arreglado algo el emisor, pues ahora me gustaría hacer algo semejante con el receptor, aunque en realidad no es el mismo caso, porque el receptor ya dispone de un pequeño cono o bocina que a modo de guiaondas le confiere una notable directividad ...pero como por suerte o por desgracia soy algo inconformista, miraré de mejorarlo.
He de decir además que la bocina actual del LBN del receptor no tiene la forma original, porque estos elementos están diseñados para una abertura angular que cubra al menos la antena parabólica donde van montados, y que yo calcularía en unos 60º de media. Para conseguir esto suelen tener una forma de doble conicidad, o disponer en su borde de unos círculos ranurados de pared cilíndrica que sin duda consiguen el efecto expansor deseado.
Pero en el caso del Detector de Radares a mi me interesaba más la directividad, y por este motivo procedí a cortar la parte exterior y más abierta del cono, con el resultado que ya vimos en una página anterior y que repetiré en el siguiente diagrama:
Diagrama polar de recepción de la bocina original
A igual que he hecho con la "capucha direccional", efectúo algunas pruebas añadiendo pequeñas "alas" de papel de aluminio de 4 x 8 cm a la salida del cono de la bocina, abriéndolas o cerrándolas buscando conseguir la mayor ganancia de señal. La forma resultante se parece un poco a algunos flashes profesionales, que disponen de cuatro láminas metálicas planas con las cuales elegir el ángulo de apertura de la luz del destello. Tras probar un rato consigo una buena configuración, la ganancia total es de 7 u 8 sobre la señal inicial, pero tiene la particularidad que es de forma irregular, como un cono achatado en el sentido horizontal que va a resultar difícil de reproducir sin errores con los materiales de que dispongo.
Una segunda prueba resulta mucho mejor. Con una simple hoja de papel en forma de cono truncado prolongo el propio cono de la bocina del LBN con su mismo ángulo interno y en una longitud adicional de 12 cm. Sujeto provisionalmente el conjunto con cinta adhesiva y luego lo cubro con papel de aluminio. El resultado es mejor que antes. La ganancia es superior a 20 y la directividad, aún sin efectuar medidas, parece haber mejorado notablemente sobre la bocina original.
Pruebas para una nueva bocina de entrada al LBN. Este tipo realizada con papel y hoja de aluminio consigue una ganancia superior a 20:1 sobre el original
La nueva bocina ha resultado muy satisfactoria, ya ahora toca reproducirla mediante cartón de 1 mm. que después forraremos de aluminio. Construyo además una base-soporte para poder fijarla a la entrada del receptor.
Cono de cartón de 1 mm. para el prolongador de la bocina de 12,5 cm de longitud
Base-soporte para poder encajar la nueva bocina al receptor
Tras un rato de trabajo la bocina queda acabada, la unión ha quedado sólida y el nuevo prolongador es fácil de insertar y de quitar.
La nueva bocina acabada, con el sistema de inserción que encaja como un guante en el cono pequeño
Monto todo el conjunto en el bastidor de prueba, arranco lo elementos y realizo las medidas para obtener un nuevo diagrama de radiación
1) En este caso utilizo la bombilla emisora sin aditamentos pero girada 30º con respecto a su línea central, de manera que uno de sus lóbulos máximos enfoque hacia el receptor. En esta configuración y sin haber instalado aún la nueva bocina la señal recibida es de 2 Us, valor al que calibraré la escala con el atenuador.
2) Instalo la bocina y al aguja se me dispara fuera de la escala. Reajusto el mando del receptor para disminuir la sensibilidad de forma calibrada. Es decir, si al ir subiendo la señal llega al 10 de la escala del medidor (el tope) y con tendencia seguir subiendo, se actuará sobre el botón de sensibilidad disminuyendo la ganancia para que esta señal quede en 5, sabiendo que las medidas que vengan a continuación tendrán que multiplicarse por 2 para obtener el valor real. Esto se hace tantas veces como sea necesario, teniendo en cuenta el factor total de multiplicación aplicable a cada medida y procurando que las atenuaciones se efectúen siempre entre valores máximos y la mitad o a lo sumo a un tercio, para minimizar los errores que puedan producirse en el proceso de división.
Con el conjunto montado en el bastidor de prueba, realizaré las medidas angulares
3) Una vez obtenido un margen dinámico adecuado, voy tomando medidas de cinco en cinco grados a ambos lados de la línea central. Aún sin haber corregido los resultados, veo que la señal cae de forma rapidísima a cada lado, lo que me hace sospechar haber conseguido un excelente diagrama de directividad, mucho mejor que con la bocina original.
4) Corrijo los resultados de acuerdo a los factores de atenuación que antes he aplicado a la escala y descubro que la nueva bocina me da una señal máxima real de 63 Us, por tanto, teniendo en cuenta que sin bocina dicha señal era de 2 Us, la ganancia real es de 63/2 = 31,5, realmente excelente.
5) Paso los datos al Excel y confecciono el gráfico. Quedo impresionado, el lóbulo de recepción sobre 6 db es aproximadamente de 5 ó 6 grados en total. En este gráfico no incluyo el lóbulo de directividad original porque con apenas 2 Us de valor máximo resultaría invisible respecto al nuevo de 63. Naturalmente, podría utilizar un gráfico logarítmico en vez de lineal, pero resultaría algo confuso por ser una perspectiva totalmente distinta a los que hemos utilizado hasta ahora.
Impresionante diagrama de directividad de la nueva bocina. 5º-6º sobre 6 db. Consiguiendo además una ganancia de 31,5:1 sobre la antigua configuración
Continuará...
- Óptica de Microondas - IV - Concentradores de haz -
En óptica tradicional, la reflexión es el fenómeno por el cual un rayo de luz incidente rebota en ciertas superficies pulidas con un ángulo de salida de igual magnitud pero de signo cambiado respecto al de incidencia, tomado como referencia la perpenticular de la superficie. Con las ondas de radio ocurre lo mismo, especialmente con los espejos, que también pueden disponerse de manera que dirijan y refuercen el frente de ondas en una dirección. Aquí trataremos esta propiedad y cómo podemos aplicarla a nuestras experiencias con microondas.
En la segunda página de este tema, al determinar los diagramas de directividad vimos como el receptor mostraba un lóbulo muy definido, bastante estrecho respecto a la abertura angular, mientras que el "emisor", es decir la bombilla de bajo consumo, tenía un patrón circular en forma de aspa, con diferencias de señal de casi 5/1, con cuatro máximos que se situaban más o menos a 30 grados a ambos lados y ambos extremos de la línea central, coincidiendo los mínimos con los extremos de la cruz a 0, 90, 180 y 270º respectivamente.
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La base rectangular calibrada
Para efectuar nuevas pruebas añadiremos algunos elementos a los que ya tenemos. El primero de ellos será una base rectangular de 25 x 15 cm en la que vamos a dibujar una serie de líneas que nos permitirán situar elementos reflectores a distancias determinadas de la bombilla emisora. Este rectángulo, como muestran las imágenes que vienen a continuación, tiene además un corte en forma de sector circular que se adapta a los discos giratorios de la base de la bombilla, quedando fija mediante tornillos al disco grande inferior y dejando libre para su ajuste el disco de offset superior.
Las líneas están dibujadas con equidistancia al punto central de la bombilla, en forma de círculos concéntricos, parábolas de distinto foco y rectas perpenticulares, estas últimas marcadas cada centímetro.
Base rectangular calibrada en formas y distancias para estudiar el comportamiento de los elementos reflectores
Montaje de la base sobre el disco giratorio graduado inferior. El superior es independiente y afecta sólo a la lámpara emisora
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La "capucha direccional"
Otro elemento nuevo estará destinado a acotar el diagrama circular en X del emisor, patrón que no es demasiado interesante para las pruebas que realizamos, porque la falta de directividad nos puede causar ecos no deseados y por tanto falseamiento de la señal.
La intención será fabricar una especie de caperuza que acote el diagrama de radiación para permitir la emisión de uno de los lóbulos y descartar los tres restantes. En principio el sistema no estará pensado para conseguir ganancia, porque debido a su reducido tamaño las reflexiones y las relaciones de fase serán difícilmente controlables, pero nunca se puede descartar que algo de señal se refuerce en centro del nuevo diagrama. En cuanto a los materiales serán los mismos que hemos utilizado hasta ahora, es decir, cartón, papel de aluminio y pegamento universal.
Como soy consciente que tantas variables desconocidas convertirían en un fárrago cualquier posible cálculo teórico inicial, realizo unas cuantas pruebas improvisadas con diversas formas de papel de aluminio, creando una especie de capucha abierta en uno de sus lados, con unas "alas" ajustables que ha de permitir variar ángulos de salida y tal vez mejorar la emisión.
"Capucha direccional" improvisada para tantear su funcionamiento
La sorpresa es que nada más instalar el artilugio la señal crece de forma notable en el receptor. La relación supera el 2:1, que mejora hasta el 3:1 e incluso 4:1 al ir variando la "apertura" de las alas. A este respecto, el modificar el ángulo de salida de las alas causa el mismo efecto que un acoplador de antena, ya que adapta (o al menos mejora) la impedancia de salida del transmisor al espacio abierto circundante, reduciendo el porcentaje de estacionarias y por lo tanto mejorando el rendimiento.
Tomo medidas detalladas de la configuración que me arroja mejores resultados y marcando las formas sobre cartón construyo la nueva "capucha direccional", dejando espacio en su interior para poder insertar la capucha anti-deslumbramiento, es decir, la que sirve para que la luz de la bombilla no nos deslumbre a nosotros o la cámara de fotos.
"Capucha direccional", tal como ha quedado, que permite además incorporar la capucha "anti-reflejos" en su interior
La nueva "capucha" instalada para efectuar las mediciones de su diagrama de radiación
Seguidamente coloco la "capucha direccional", enciendo los aparatos y me dispongo a comprobar el resultado. El diagrama de radiación lo tomaré en dos configuraciones distintas, primeramente con la lámpara emisora calada a 0º respecto a la línea central, y después con la lámpara calada a +30º, coincidiendo el 0º del disco principal con uno de sus lóbulos de máxima emisión.
El resultado con el calado a 0º es bueno, mejor de lo que había previsto al principio, el diagrama de radiación ha quedado concentrado en unos 40º, con un pequeño pico central y una forma relativamente plana que cae bruscamente a 20º a cada lado de la línea central.
La ganancia total sobre la configuración "sin capucha direccional" es de 9,5:1 sobre lo que llamo "unidad de señal" o Us, que pasa precisamente de 1 a 9,5
En algunos de los diagramas siguientes, confeccionados con Excel a partir de los datos obtenidos, he suprimido la representación de las líneas radiales que hacían difícil observar las curvas internas, especialmente hacia el centro, en que se confundían con el negro de las propias líneas. Por lo demás, las cifras en la periferia del círculo se refieren a grados y la escala interna vertical a "Unidades de señal" Us.
Aprovecharé los mismos gráficos para insertar el diagrama original sin capucha (en azul), en este caso centrado respecto al eje, a partir del cual pueden establecerse comparaciones de directividad y de ganancia con el diagrama final obtenido con la capucha (en rojo).
Diagrama de radiación de la "capucha direccional" (en rojo) con lámpara emisora calada a 0º del disco principal. En azul el diagrama sin capucha
Cuando calamos el disco pequeño de ajuste a 30º e insertamos la capucha direccional el diagrama de radiación se concentra en los 20-25º, con un pico central mucho más marcado y una base más ancha hasta los 40º pero alcanzando solamente el 50% de amplitud del pico máximo.
Sólo por ajustar el calado a 30 la señal ya había aumentado a 2 Us, con la capucha insertada sube a 16,4 Us, así que en este caso la ganancia de nuestro artilugio es de 8,2:1
Diagrama de radiación de la "capucha direccional" (en rojo) con lámpara emisora calada a -30º. En azul el diagrama sin capucha
En este punto he de hacer un comentario sobre las unidades que vengo utilizando (Us o "Unidad de señal"). Y es que mi sistema no está calibrado ni dispongo de instrumentación de estas frecuencias para hacerlo y por lo tanto todas las medidas que tomo son relativas a un valor previo igual a 1, que es la radiación con la bombilla totalmente en línea con el receptor (ambos tubos fluorescentes paralelos a la línea, disco grande calado a 0º y receptor en posición horizontal)
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Una nueva "bocina" para el receptor
Bien, ya he arreglado algo el emisor, pues ahora me gustaría hacer algo semejante con el receptor, aunque en realidad no es el mismo caso, porque el receptor ya dispone de un pequeño cono o bocina que a modo de guiaondas le confiere una notable directividad ...pero como por suerte o por desgracia soy algo inconformista, miraré de mejorarlo.
He de decir además que la bocina actual del LBN del receptor no tiene la forma original, porque estos elementos están diseñados para una abertura angular que cubra al menos la antena parabólica donde van montados, y que yo calcularía en unos 60º de media. Para conseguir esto suelen tener una forma de doble conicidad, o disponer en su borde de unos círculos ranurados de pared cilíndrica que sin duda consiguen el efecto expansor deseado.
Pero en el caso del Detector de Radares a mi me interesaba más la directividad, y por este motivo procedí a cortar la parte exterior y más abierta del cono, con el resultado que ya vimos en una página anterior y que repetiré en el siguiente diagrama:
Diagrama polar de recepción de la bocina original
A igual que he hecho con la "capucha direccional", efectúo algunas pruebas añadiendo pequeñas "alas" de papel de aluminio de 4 x 8 cm a la salida del cono de la bocina, abriéndolas o cerrándolas buscando conseguir la mayor ganancia de señal. La forma resultante se parece un poco a algunos flashes profesionales, que disponen de cuatro láminas metálicas planas con las cuales elegir el ángulo de apertura de la luz del destello. Tras probar un rato consigo una buena configuración, la ganancia total es de 7 u 8 sobre la señal inicial, pero tiene la particularidad que es de forma irregular, como un cono achatado en el sentido horizontal que va a resultar difícil de reproducir sin errores con los materiales de que dispongo.
Una segunda prueba resulta mucho mejor. Con una simple hoja de papel en forma de cono truncado prolongo el propio cono de la bocina del LBN con su mismo ángulo interno y en una longitud adicional de 12 cm. Sujeto provisionalmente el conjunto con cinta adhesiva y luego lo cubro con papel de aluminio. El resultado es mejor que antes. La ganancia es superior a 20 y la directividad, aún sin efectuar medidas, parece haber mejorado notablemente sobre la bocina original.
Pruebas para una nueva bocina de entrada al LBN. Este tipo realizada con papel y hoja de aluminio consigue una ganancia superior a 20:1 sobre el original
La nueva bocina ha resultado muy satisfactoria, ya ahora toca reproducirla mediante cartón de 1 mm. que después forraremos de aluminio. Construyo además una base-soporte para poder fijarla a la entrada del receptor.
Cono de cartón de 1 mm. para el prolongador de la bocina de 12,5 cm de longitud
Base-soporte para poder encajar la nueva bocina al receptor
Tras un rato de trabajo la bocina queda acabada, la unión ha quedado sólida y el nuevo prolongador es fácil de insertar y de quitar.
La nueva bocina acabada, con el sistema de inserción que encaja como un guante en el cono pequeño
Monto todo el conjunto en el bastidor de prueba, arranco lo elementos y realizo las medidas para obtener un nuevo diagrama de radiación
1) En este caso utilizo la bombilla emisora sin aditamentos pero girada 30º con respecto a su línea central, de manera que uno de sus lóbulos máximos enfoque hacia el receptor. En esta configuración y sin haber instalado aún la nueva bocina la señal recibida es de 2 Us, valor al que calibraré la escala con el atenuador.
2) Instalo la bocina y al aguja se me dispara fuera de la escala. Reajusto el mando del receptor para disminuir la sensibilidad de forma calibrada. Es decir, si al ir subiendo la señal llega al 10 de la escala del medidor (el tope) y con tendencia seguir subiendo, se actuará sobre el botón de sensibilidad disminuyendo la ganancia para que esta señal quede en 5, sabiendo que las medidas que vengan a continuación tendrán que multiplicarse por 2 para obtener el valor real. Esto se hace tantas veces como sea necesario, teniendo en cuenta el factor total de multiplicación aplicable a cada medida y procurando que las atenuaciones se efectúen siempre entre valores máximos y la mitad o a lo sumo a un tercio, para minimizar los errores que puedan producirse en el proceso de división.
Con el conjunto montado en el bastidor de prueba, realizaré las medidas angulares
3) Una vez obtenido un margen dinámico adecuado, voy tomando medidas de cinco en cinco grados a ambos lados de la línea central. Aún sin haber corregido los resultados, veo que la señal cae de forma rapidísima a cada lado, lo que me hace sospechar haber conseguido un excelente diagrama de directividad, mucho mejor que con la bocina original.
4) Corrijo los resultados de acuerdo a los factores de atenuación que antes he aplicado a la escala y descubro que la nueva bocina me da una señal máxima real de 63 Us, por tanto, teniendo en cuenta que sin bocina dicha señal era de 2 Us, la ganancia real es de 63/2 = 31,5, realmente excelente.
5) Paso los datos al Excel y confecciono el gráfico. Quedo impresionado, el lóbulo de recepción sobre 6 db es aproximadamente de 5 ó 6 grados en total. En este gráfico no incluyo el lóbulo de directividad original porque con apenas 2 Us de valor máximo resultaría invisible respecto al nuevo de 63. Naturalmente, podría utilizar un gráfico logarítmico en vez de lineal, pero resultaría algo confuso por ser una perspectiva totalmente distinta a los que hemos utilizado hasta ahora.
Impresionante diagrama de directividad de la nueva bocina. 5º-6º sobre 6 db. Consiguiendo además una ganancia de 31,5:1 sobre la antigua configuración
Continuará...
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Re: Jugando con Electrones (Óptica de Microondas - V -)
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Para conseguir una buena directividad y ganancia con ondas electromagnéticas del rango de microondas, de frecuencia superior al 1 Ghz, existen diversos tipos de antenas "concentradoras", pero sin duda la más usada es la antena parabólica.
En otras ocasiones creo haber hablado de las ventajas de los espejos parabólicos, capaces de concentrar en un sólo punto, llamado foco, todos los rayos incidentes que llegan paralelos entre ellos. La forma de la parábola tiene además la ventaja de obligar a todo el frente de ondas incidente que rebota en los distintos puntos recorra la misma distancia hasta llegar a este foco, lo cual permite que se mantenga la "fase" de todas ellas, reforzando la señal al impedir que se produzcan pérdidas por anulaciones entre fases de signo cambiado.
Acción de una antena parabólica en recepción o emisión
El efecto de la parábola es reversible, y tanto sirve como antena receptora, concentrando las ondas incidentes en un sólo punto, como de antena emisora, al tomar las ondas que salen de forma radial de un punto y convertirlas en un estrecho haz de paralelo que dirige su energía de forma mucho más eficiente en una única dirección.
El problema que también he citado es que en nuestro caso no tenemos un "punto" emisor, sino que éste tiene en realidad una figura alargada en vertical, más semejante a una línea. En este caso también podremos utilizar la forma parabólica, pero sólo en el plano perpenticular a dicha línea. Es decir, nuestra antena no tendrá forma de plato, como las de TV-Sat, sino más bien forma de canal, con la salvedad que el perfil transversal de dicha canal, en vez de ser de arco circular, será de arco parabólico.
Otro detalle que debemos tener en cuenta es que nuestra "bombilla emisora" tampoco es una línea ideal, sino un conjunto de dos tubos de cristal en "U" invertida con la masa metálica de la reactancia intercalada entre ellos, lo cual ya genera su propio patrón de radiación (que recordemos tiene forma de "X") y que posiblemente provocará que una parábola ideal no sea la forma que nos brinde el mayor rendimiento.
Para entender bien el asunto, vayamos por partes:
1) Sobre el bastidor de pruebas disponemos del receptor, esta vez sin su bocina prolongadora, y del emisor, sólo con su capucha cilíndrica de cartón que impedirá que su luz nos deslumbre. Sobre su disco giratorio graduado sujetaremos también la base rectangular de 25 x 15 cm, cuyas líneas nos ayudarán a situar los elementos.
2) Encendemos los aparatos, esperamos cinco minutos a que se estabilice la emisión y primeramente calamos el disco auxiliar de ajuste a 0º. En estas condiciones la emisión en la línea central es por definición de una intensidad 1 Us. Reajustamos la sensibilidad del receptor para que el indicador marque esta cantidad.
Encendemos el receptor, y el emisor con la base rectangular instalada sobre el disco giratorio graduado
3) Tomamos uno de los espejos verticales de 22 x 7 cm. que hemos construido y lo situamos sobre la base rectangular justo detrás de la bombilla emisora, lo más perpenticular posible a la línea central. Al instante observaremos como la señal aumenta en el receptor. Movemos lentamente adelante y atrás el espejo sin cambiar su orientación, y podremos ver de forma clara como la señal sube y baja debido a las sumas/restas de fase que se producen entre la onda directa y la que alcanza el receptor una vez ha rebotado en el espejo.
En cada movimiento, además, inclinaremos ligeramente el espejo hacia un lado y otro, para mantener siempre la mayor señal posible. Haciendo esto buscaremos el punto más próximo a la bombilla en que tengamos un máximo y dejaremos fijo el espejo. En este caso la señal es de 4,1 Us, con lo que la ganancia sólo para este único espejo es de 4,1:1
Midiendo al señal con un espejo centrado en la línea emisor-receptor. La ganancia es de 4,1:1
4) Ahora añadiremos otro espejo a la derecha del anterior, ajustándolo de igual forma para obtener la máxima señal, que será de 12,21 Us.
Midiendo al señal con dos espejos, en central y otro a la derecha. La ganancia sube a 12,21:1
5) Un tercer espejo situado a la izquierda del principal sube la señal y la ganancia a 25,41:1, en este punto hemos tenido que efectuar una atenuación calibrada para seguir midiendo.
Con tres espejos la ganancia es de 25,41:1
6) Colocamos un cuarto espejo y tras efectuar una segunda atenuación calibrada, la ganancia nos sube a 33:1, y un quinto y último ya sólo aumenta a 36,3:1, que después de todo no está nada mal para un reflector compuesto.
Con cinco espejos alcanzamos la ganancia de 36,3:1
En esta prueba no hemos buscado ninguna posición predeterminada de los elementos, simplemente hemos colocado cada uno de ellos donde se conseguía una señal mayor, pero la sorpresa (o tal vez no tanto) es que esta forma coincide bastante fielmente con una de las curvas parabólicas que habíamos dibujado sobre la la base rectangular.
La forma del mejor espejo compuesto que hemos conseguido con estos elementos sigue una línea de base claramente parabólica
Bien, ya que estamos metidos en faena tampoco nos va a costar demasiado encontrar su diagrama de directividad, el cual podremos comparar con el conseguido utilizando nuestra "capucha directiva".
Diagrama de directividad y ganancia de nuestra improvisada parábola (en rojo) comparada con la "capucha directiva" (en azul)
Está claro que haciendo las cosas bien se consiguen mejores resultados que improvisando. El diagrama es muy bueno, con un bulbo de directividad rondado los 10º de apertura, ya que en realidad los dos "cuernos" laterales, situados sobre los +/- 20º, son debidos a la curiosa radiación en forma de X de nuestra bombilla, que no estarían presentes en caso de la emisión cilíndrica de un sólo tubo fluorescente.
Ahora que he visto las bondades de un reflector cuasi-parabólico pienso en que tal vez nos sea útil para alguna de las experiencias que realizaremos más adelante, pero una vez desmontado será difícil que podamos volver a montarlo con las mismas características, y además, cinco espejos en esta configuración serán muy poco consistentes frente a golpes fortuitos al mover el bastidor. Por este motivo me he decidido a construir un espejo parabólico fijo, naturalmente con los mismos materiales de siempre: cartón, papel de aluminio, pegamento y unas pequeñas bases de manera contrachapada.
El montaje es fácil:
1) Busco en Internet la imagen de una forma parabólica cualquiera y con el Photoshop la amplio hasta una anchura de 25 cm, que coincide con la de nuestra base rectangular que le servirá de soporte giratorio. Corto dos de estas formas en cartón, que servirán como molde de forma para doblar la superficie de la parábola en sí.
El espejo parabólico fijo de un solo eje, hecho de cartón, papel de aluminio y pegamento universal
2) Tomo un cartón de 29 x 22 cm. y 1 mm. de grosor. Con la mano le doy una forma ligeramente parabólica y le pego las dos formas anteriores, una arriba y la otra a 3,5 cm. de extremo bajo. En la parte trasera pegaré tres pequeñas alas de madera contrachapada con un agujero en el centro, que servirán, si así lo deseamos, para fijar la parábola a la base rectangular mediante tres pequeños tornillos.
Parte trasera del espejo parabólico en que se ven los soportes de madera contrachapada y unas grapas para reforzar las uniones entre la parábola y las formas transversales
3) Ahora corto un trozo rectangular de papel de aluminio de 29 x 18 cm. y lo pego con Imedio en el interior de la forma parabólica de cartón... y ya está, ha quedado un reflector rígido y hasta estético, cuyas características espero que mejore en algo lo conseguido con los cinco espejos individuales.
Montaje para hallar la ganancia máxima y el diagrama de directividad
El resultado cumple con las expectativas, mejora en algo la ganancia, ya que consigue 42,9:1, frente a los 36,3:1 de los espejos individuales. La directividad es también distinta. El lóbulo central no es tan estrecho pero han desaparecido los dos "cuernos", que al estar situados a 20º de eje central podrían falsear resultados.
Diagrama de directividad y de ganancia del espejo parabólico fijo (en rojo) comparada con la "capucha directiva" (en azul)
El Espejo de Fresnel
Nuestro espejo de Fresnel, derivado de las lentes del mismo nombre que se utilizan en los equipos ópticos de los faros de costa, estará basado en varios espejos rectangulares independientes situados sobre una misma línea recta, pero con la salvedad que cada uno de estos espejos adoptará diferente grado de inclinación dependiendo del ángulo de incidencia de las ondas y del ángulo de salida requerido.
Lente de Fresnel en comparación con una normal, y conjunto de lentes de Fresnel de la óptica de un faro de costa
La ventaja de los espejos de Fresnel sobre un reflector parabólico es conseguir el mismo efecto a partir de una forma plana, menos compleja de fabricar que una parábola y con características que podemos modificar al variar la relación de inclinación de los espejos, pero las desventajas, que también las hay, no son desdeñables, especialmente la que comentaremos más adelante sobre la fase de las ondas.
Espejo de Fresnel de una instalación solar en que se observa la distinta inclinación de los espejos individuales
Por este motivo no debemos hacernos demasiadas ilusiones. Con un espejo de este tipo no alcanzaremos ni de buen grado las ganancias obtenidas con el de forma parabólica, aunque la experiencia siempre será interesante para entender los principios en que se basa.
1) Montaremos el bastidor habitual, con el receptor, el emisor y su base rectangular. Arrancamos los aparatos y calamos a 0º ambos discos móviles del emisor
2) Ajustamos la sensibilidad del receptor para que el indicador de señal marque 1 Us (valor que, recordemos, tomamos como referencia). Seguidamente colocamos los cinco espejos en línea tras el emisor, a una distancia de 7 cm. del eje de la bombilla. Elegimos esta distancia porque en ella existe un máximo de señal de 4,5 Us.
Los cinco espejos montados en línea tras el emisor, a 7 cm. de su eje central. La ganancia en esta configuración es de 4,5:1
3) Ahora procederemos con los espejos. Dejaremos el central perpenticular a la línea emisor-receptor e iremos ajustando primeramente los dos más cercanos buscando el ángulo de reflexión aproximado entre la bombilla y el receptor. El punto óptimo de cada espejo vamos a determinarlo buscando el máximo de señal.
4) Lo más normal es que al orientar estos dos espejos la señal supere el valor 10 Us. En este caso procederemos a una atenuación calibrada para regresar a un punto intermedio de la escala. Después seguiremos ajustando los dos espejos exteriores hasta conseguir la máxima señal. En este momento la señal llega a un valor equivalente a 25,5 Us y los espejos adoptan la posición que muestra la siguiente imagen.
Orientación de los espejos en el punto de máxima señal. La ganancia en este momento es de 25,5:1
Si observamos dicha posición desde arriba podremos ver mejor los distintos ángulos que adoptan los espejos individuales en un conjunto de Fresnel. En la imagen que viene a continuación, además, he dibujado el camino medio que seguirían los rayos desde un hipotético centro emisor, hasta cada uno de los espejos que los desvían para crear un haz paralelo en que la atenuación con la distancia sea mínima.
Caminos seguidos por los rayos en un espejo de Fresnel, desde el centro emisor hasta crear un haz paralelo
Como de costumbre, procederemos a medir el diagrama polar de radiación, que presenta un estrecho lóbulo con algunos sub-lóbulos de muy pequeña magnitud. En dicho gráfico he incluido además el diagrama de radiación original, lo cual nos da una idea directa de la ganancia conseguida.
Diagrama polar de radiación del espejo de Fresnel a 7 cm. del centro del emisor (en rojo). El diagrama original de la bombilla puede verse en azul
Las medidas efectuadas nos certifican lo que sospechábamos en un principio: el espejo de Fresnel no va a igualar en características del parabólico, porque en este caso no vamos a poder sumar las fases de las ondas reflejadas de la forma eficiente que lo hacíamos en el segundo. Además, sospecho que el diagrama de radiación será muy cambiante dependiendo de la distancia del espejo al emisor, y para averiguar esto procederé a repetir todo el proceso anterior pero colocando los espejos a 9 cm. en vez de siete.
Una vez acabada esta segunda prueba observo que la ganancia obtenida en el centro del diagrama es sólo de 12,2:1, pero además, dicho diagrama es totalmente distinto al anterior, es realidad es extrañísimo y más bien parece una de las torres del "Señor de los Anillos"... observad y juzgad por vosotros mismos.
Extraño diagrama polar de radiación del espejo de Fresnel a 9 cm, totalmente distinto al anterior, con sólo haber corrido el espejo 2 cm más lejos del emisor
Mejorando las características con reflectores frontales
Antes de llegar a este punto, mientras medía el diagrama del reflector parabólico, estaba pensando que sus características mejorarían si pudiéramos evitar la radiación directa de la bombilla mediante un reflector frontal divergente, pero debido a la forma en X de los elementos emisores, conseguir esto podría resultar bastante complejo. Y sin embargo ahora pienso que aunque sea como ejercicio, vale la pena intentarlo.
Para ello he construido un doble soporte ajustable que me permita sujetar dos "espejos frontales" y moverlos en un arco de 180º a cualquier posición alrededor de la bombilla hasta una distancia de 4,5 cm. La idea de utilizar dos espejos tiene que ver con el hecho de tener dos tubos emisores frontales bastante separados, lo cual impide utilizar un sólo espejo.
Decía antes que con el espejo parabólico conseguí una ganancia máxima de 43:1, pero ahora, cuando comienzo a acercar los espejos ligeramente divergentes a ambos lóbulos frontales del emisor, observo como la ganancia va aumentado poco a poco, hasta un punto en que obtengo un máximo de 81:1, una cifra sin duda muy considerable para tan improvisadas antenas.
Mejora de la ganancia del reflector parabólico mediante espejos frontales divergentes enfrentados a los lóbulos delanteros del emisor. El valor pasa de 43:1 a 81:1
Efectúo medidas polares y compruebo que el diagrama se afina considerablemente. Calculado un poco a ojo sobre la curva roja del siguiente gráfico, pienso que los valores del lóbulo sobre 6 db no deben superar los 5 ó 6º de apertura.
Diagrama polar de radiación con los espejos frontales convergentes (parte roja). La parte verde es la correspondiente a la parabólica sin espejos, mientras que la azul corresponde a la "capucha direccional"
Continuará...
- Óptica de Microondas - V - Reflectores parabólicos -
Para conseguir una buena directividad y ganancia con ondas electromagnéticas del rango de microondas, de frecuencia superior al 1 Ghz, existen diversos tipos de antenas "concentradoras", pero sin duda la más usada es la antena parabólica.
En otras ocasiones creo haber hablado de las ventajas de los espejos parabólicos, capaces de concentrar en un sólo punto, llamado foco, todos los rayos incidentes que llegan paralelos entre ellos. La forma de la parábola tiene además la ventaja de obligar a todo el frente de ondas incidente que rebota en los distintos puntos recorra la misma distancia hasta llegar a este foco, lo cual permite que se mantenga la "fase" de todas ellas, reforzando la señal al impedir que se produzcan pérdidas por anulaciones entre fases de signo cambiado.
Acción de una antena parabólica en recepción o emisión
El efecto de la parábola es reversible, y tanto sirve como antena receptora, concentrando las ondas incidentes en un sólo punto, como de antena emisora, al tomar las ondas que salen de forma radial de un punto y convertirlas en un estrecho haz de paralelo que dirige su energía de forma mucho más eficiente en una única dirección.
El problema que también he citado es que en nuestro caso no tenemos un "punto" emisor, sino que éste tiene en realidad una figura alargada en vertical, más semejante a una línea. En este caso también podremos utilizar la forma parabólica, pero sólo en el plano perpenticular a dicha línea. Es decir, nuestra antena no tendrá forma de plato, como las de TV-Sat, sino más bien forma de canal, con la salvedad que el perfil transversal de dicha canal, en vez de ser de arco circular, será de arco parabólico.
Otro detalle que debemos tener en cuenta es que nuestra "bombilla emisora" tampoco es una línea ideal, sino un conjunto de dos tubos de cristal en "U" invertida con la masa metálica de la reactancia intercalada entre ellos, lo cual ya genera su propio patrón de radiación (que recordemos tiene forma de "X") y que posiblemente provocará que una parábola ideal no sea la forma que nos brinde el mayor rendimiento.
Para entender bien el asunto, vayamos por partes:
1) Sobre el bastidor de pruebas disponemos del receptor, esta vez sin su bocina prolongadora, y del emisor, sólo con su capucha cilíndrica de cartón que impedirá que su luz nos deslumbre. Sobre su disco giratorio graduado sujetaremos también la base rectangular de 25 x 15 cm, cuyas líneas nos ayudarán a situar los elementos.
2) Encendemos los aparatos, esperamos cinco minutos a que se estabilice la emisión y primeramente calamos el disco auxiliar de ajuste a 0º. En estas condiciones la emisión en la línea central es por definición de una intensidad 1 Us. Reajustamos la sensibilidad del receptor para que el indicador marque esta cantidad.
Encendemos el receptor, y el emisor con la base rectangular instalada sobre el disco giratorio graduado
3) Tomamos uno de los espejos verticales de 22 x 7 cm. que hemos construido y lo situamos sobre la base rectangular justo detrás de la bombilla emisora, lo más perpenticular posible a la línea central. Al instante observaremos como la señal aumenta en el receptor. Movemos lentamente adelante y atrás el espejo sin cambiar su orientación, y podremos ver de forma clara como la señal sube y baja debido a las sumas/restas de fase que se producen entre la onda directa y la que alcanza el receptor una vez ha rebotado en el espejo.
En cada movimiento, además, inclinaremos ligeramente el espejo hacia un lado y otro, para mantener siempre la mayor señal posible. Haciendo esto buscaremos el punto más próximo a la bombilla en que tengamos un máximo y dejaremos fijo el espejo. En este caso la señal es de 4,1 Us, con lo que la ganancia sólo para este único espejo es de 4,1:1
Midiendo al señal con un espejo centrado en la línea emisor-receptor. La ganancia es de 4,1:1
4) Ahora añadiremos otro espejo a la derecha del anterior, ajustándolo de igual forma para obtener la máxima señal, que será de 12,21 Us.
Midiendo al señal con dos espejos, en central y otro a la derecha. La ganancia sube a 12,21:1
5) Un tercer espejo situado a la izquierda del principal sube la señal y la ganancia a 25,41:1, en este punto hemos tenido que efectuar una atenuación calibrada para seguir midiendo.
Con tres espejos la ganancia es de 25,41:1
6) Colocamos un cuarto espejo y tras efectuar una segunda atenuación calibrada, la ganancia nos sube a 33:1, y un quinto y último ya sólo aumenta a 36,3:1, que después de todo no está nada mal para un reflector compuesto.
Con cinco espejos alcanzamos la ganancia de 36,3:1
En esta prueba no hemos buscado ninguna posición predeterminada de los elementos, simplemente hemos colocado cada uno de ellos donde se conseguía una señal mayor, pero la sorpresa (o tal vez no tanto) es que esta forma coincide bastante fielmente con una de las curvas parabólicas que habíamos dibujado sobre la la base rectangular.
La forma del mejor espejo compuesto que hemos conseguido con estos elementos sigue una línea de base claramente parabólica
Bien, ya que estamos metidos en faena tampoco nos va a costar demasiado encontrar su diagrama de directividad, el cual podremos comparar con el conseguido utilizando nuestra "capucha directiva".
Diagrama de directividad y ganancia de nuestra improvisada parábola (en rojo) comparada con la "capucha directiva" (en azul)
Está claro que haciendo las cosas bien se consiguen mejores resultados que improvisando. El diagrama es muy bueno, con un bulbo de directividad rondado los 10º de apertura, ya que en realidad los dos "cuernos" laterales, situados sobre los +/- 20º, son debidos a la curiosa radiación en forma de X de nuestra bombilla, que no estarían presentes en caso de la emisión cilíndrica de un sólo tubo fluorescente.
Ahora que he visto las bondades de un reflector cuasi-parabólico pienso en que tal vez nos sea útil para alguna de las experiencias que realizaremos más adelante, pero una vez desmontado será difícil que podamos volver a montarlo con las mismas características, y además, cinco espejos en esta configuración serán muy poco consistentes frente a golpes fortuitos al mover el bastidor. Por este motivo me he decidido a construir un espejo parabólico fijo, naturalmente con los mismos materiales de siempre: cartón, papel de aluminio, pegamento y unas pequeñas bases de manera contrachapada.
El montaje es fácil:
1) Busco en Internet la imagen de una forma parabólica cualquiera y con el Photoshop la amplio hasta una anchura de 25 cm, que coincide con la de nuestra base rectangular que le servirá de soporte giratorio. Corto dos de estas formas en cartón, que servirán como molde de forma para doblar la superficie de la parábola en sí.
El espejo parabólico fijo de un solo eje, hecho de cartón, papel de aluminio y pegamento universal
2) Tomo un cartón de 29 x 22 cm. y 1 mm. de grosor. Con la mano le doy una forma ligeramente parabólica y le pego las dos formas anteriores, una arriba y la otra a 3,5 cm. de extremo bajo. En la parte trasera pegaré tres pequeñas alas de madera contrachapada con un agujero en el centro, que servirán, si así lo deseamos, para fijar la parábola a la base rectangular mediante tres pequeños tornillos.
Parte trasera del espejo parabólico en que se ven los soportes de madera contrachapada y unas grapas para reforzar las uniones entre la parábola y las formas transversales
3) Ahora corto un trozo rectangular de papel de aluminio de 29 x 18 cm. y lo pego con Imedio en el interior de la forma parabólica de cartón... y ya está, ha quedado un reflector rígido y hasta estético, cuyas características espero que mejore en algo lo conseguido con los cinco espejos individuales.
Montaje para hallar la ganancia máxima y el diagrama de directividad
El resultado cumple con las expectativas, mejora en algo la ganancia, ya que consigue 42,9:1, frente a los 36,3:1 de los espejos individuales. La directividad es también distinta. El lóbulo central no es tan estrecho pero han desaparecido los dos "cuernos", que al estar situados a 20º de eje central podrían falsear resultados.
Diagrama de directividad y de ganancia del espejo parabólico fijo (en rojo) comparada con la "capucha directiva" (en azul)
El Espejo de Fresnel
Nuestro espejo de Fresnel, derivado de las lentes del mismo nombre que se utilizan en los equipos ópticos de los faros de costa, estará basado en varios espejos rectangulares independientes situados sobre una misma línea recta, pero con la salvedad que cada uno de estos espejos adoptará diferente grado de inclinación dependiendo del ángulo de incidencia de las ondas y del ángulo de salida requerido.
Lente de Fresnel en comparación con una normal, y conjunto de lentes de Fresnel de la óptica de un faro de costa
La ventaja de los espejos de Fresnel sobre un reflector parabólico es conseguir el mismo efecto a partir de una forma plana, menos compleja de fabricar que una parábola y con características que podemos modificar al variar la relación de inclinación de los espejos, pero las desventajas, que también las hay, no son desdeñables, especialmente la que comentaremos más adelante sobre la fase de las ondas.
Espejo de Fresnel de una instalación solar en que se observa la distinta inclinación de los espejos individuales
Por este motivo no debemos hacernos demasiadas ilusiones. Con un espejo de este tipo no alcanzaremos ni de buen grado las ganancias obtenidas con el de forma parabólica, aunque la experiencia siempre será interesante para entender los principios en que se basa.
1) Montaremos el bastidor habitual, con el receptor, el emisor y su base rectangular. Arrancamos los aparatos y calamos a 0º ambos discos móviles del emisor
2) Ajustamos la sensibilidad del receptor para que el indicador de señal marque 1 Us (valor que, recordemos, tomamos como referencia). Seguidamente colocamos los cinco espejos en línea tras el emisor, a una distancia de 7 cm. del eje de la bombilla. Elegimos esta distancia porque en ella existe un máximo de señal de 4,5 Us.
Los cinco espejos montados en línea tras el emisor, a 7 cm. de su eje central. La ganancia en esta configuración es de 4,5:1
3) Ahora procederemos con los espejos. Dejaremos el central perpenticular a la línea emisor-receptor e iremos ajustando primeramente los dos más cercanos buscando el ángulo de reflexión aproximado entre la bombilla y el receptor. El punto óptimo de cada espejo vamos a determinarlo buscando el máximo de señal.
4) Lo más normal es que al orientar estos dos espejos la señal supere el valor 10 Us. En este caso procederemos a una atenuación calibrada para regresar a un punto intermedio de la escala. Después seguiremos ajustando los dos espejos exteriores hasta conseguir la máxima señal. En este momento la señal llega a un valor equivalente a 25,5 Us y los espejos adoptan la posición que muestra la siguiente imagen.
Orientación de los espejos en el punto de máxima señal. La ganancia en este momento es de 25,5:1
Si observamos dicha posición desde arriba podremos ver mejor los distintos ángulos que adoptan los espejos individuales en un conjunto de Fresnel. En la imagen que viene a continuación, además, he dibujado el camino medio que seguirían los rayos desde un hipotético centro emisor, hasta cada uno de los espejos que los desvían para crear un haz paralelo en que la atenuación con la distancia sea mínima.
Caminos seguidos por los rayos en un espejo de Fresnel, desde el centro emisor hasta crear un haz paralelo
Como de costumbre, procederemos a medir el diagrama polar de radiación, que presenta un estrecho lóbulo con algunos sub-lóbulos de muy pequeña magnitud. En dicho gráfico he incluido además el diagrama de radiación original, lo cual nos da una idea directa de la ganancia conseguida.
Diagrama polar de radiación del espejo de Fresnel a 7 cm. del centro del emisor (en rojo). El diagrama original de la bombilla puede verse en azul
Las medidas efectuadas nos certifican lo que sospechábamos en un principio: el espejo de Fresnel no va a igualar en características del parabólico, porque en este caso no vamos a poder sumar las fases de las ondas reflejadas de la forma eficiente que lo hacíamos en el segundo. Además, sospecho que el diagrama de radiación será muy cambiante dependiendo de la distancia del espejo al emisor, y para averiguar esto procederé a repetir todo el proceso anterior pero colocando los espejos a 9 cm. en vez de siete.
Una vez acabada esta segunda prueba observo que la ganancia obtenida en el centro del diagrama es sólo de 12,2:1, pero además, dicho diagrama es totalmente distinto al anterior, es realidad es extrañísimo y más bien parece una de las torres del "Señor de los Anillos"... observad y juzgad por vosotros mismos.
Extraño diagrama polar de radiación del espejo de Fresnel a 9 cm, totalmente distinto al anterior, con sólo haber corrido el espejo 2 cm más lejos del emisor
Mejorando las características con reflectores frontales
Antes de llegar a este punto, mientras medía el diagrama del reflector parabólico, estaba pensando que sus características mejorarían si pudiéramos evitar la radiación directa de la bombilla mediante un reflector frontal divergente, pero debido a la forma en X de los elementos emisores, conseguir esto podría resultar bastante complejo. Y sin embargo ahora pienso que aunque sea como ejercicio, vale la pena intentarlo.
Para ello he construido un doble soporte ajustable que me permita sujetar dos "espejos frontales" y moverlos en un arco de 180º a cualquier posición alrededor de la bombilla hasta una distancia de 4,5 cm. La idea de utilizar dos espejos tiene que ver con el hecho de tener dos tubos emisores frontales bastante separados, lo cual impide utilizar un sólo espejo.
Decía antes que con el espejo parabólico conseguí una ganancia máxima de 43:1, pero ahora, cuando comienzo a acercar los espejos ligeramente divergentes a ambos lóbulos frontales del emisor, observo como la ganancia va aumentado poco a poco, hasta un punto en que obtengo un máximo de 81:1, una cifra sin duda muy considerable para tan improvisadas antenas.
Mejora de la ganancia del reflector parabólico mediante espejos frontales divergentes enfrentados a los lóbulos delanteros del emisor. El valor pasa de 43:1 a 81:1
Efectúo medidas polares y compruebo que el diagrama se afina considerablemente. Calculado un poco a ojo sobre la curva roja del siguiente gráfico, pienso que los valores del lóbulo sobre 6 db no deben superar los 5 ó 6º de apertura.
Diagrama polar de radiación con los espejos frontales convergentes (parte roja). La parte verde es la correspondiente a la parabólica sin espejos, mientras que la azul corresponde a la "capucha direccional"
Continuará...
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