Microfono y audifonos para ICOM

En los almacenes que venden complementos para PC se consiguen microfonos y audifonos en forma de diadema utilizados por los PC para oir musica y tener comunicaciones telefónicas usando VoIP como Skype. La presentación de estas diademas son bonitas y de variada calidad. En el mercado Colombiano su precio oscila entre 15.000 a 100.000 pesos. Normalmente en casa uno tiene una o varia de estas diademas ya que muchas de estas viene incluida en la compra de otros equipos.

Mi idea es utilizar este tipo de diadema en mi actividad de radioaficionado, es decir usarlas como micrófono y auriculares conectados a mi equipo transeptor. En los almacenes especializados en radio ofrecen diademas ultra recomendadas para uso en radio pero su precio es varias veces superior a las usadas con PC. En mi caso ya disponía de una diadema marca Genius como la muestro en la siguiente foto.

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El tema es que los micrófonos utilizados en PC son de tipo Electet mientras que la mayoría de los equipos de radioaficion utilizan micrófonos de tipo dinámico. Un detalle de los micrófonos electret es que requieren la circulación de una pequeña corriente por su capsula a diferencia de los dinámicos  que no lo requiere.

Para mi sorpresa, mi equipo actual es un ICOM 7410 y el viene adaptado para trabajar con micrófonos electret como es su microfono incluido el HM-36. Esto facilita las cosas ya que la adaptación de la diadema es relativamente sencilla. Esta solución es valida para equipos ICOM de la serie 700 y 7000 pero otros equipos necesitarian una solución diferente.

La figura abajo muestra el circuito de conexión realizado:

diadema

La diadema viene dotada de dos conectores estéreo de 3.5 mm. El color verde es para los auriculares y el naranja para el micrófono.

La salida de PHONO del radio requiere el uso de conectores de 1/4″ (6.35 mm). Para conectar los auriculares al radio únicamente se requiere un adaptador de 1/4″ a 3.5 mm el cual se consigue en los almacenes especializados en equipos de sonido y también en las tiendas de electronica.

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Para el micrófono el radio dispone de un conector redondo de 8 pines. En Icom el micrófono se conecta en las paticas 1 y 7 (tierra). Las paticas 5 y 6(tierra) son los contactos para activar el PTT.

Para lograr la coneccion, construi un circuito consistente de un conector hembra de 8 pines, redondo, para conectar al radio.

Las paticas 5 y 6 se conecta un trozo de cable bifilar. En el otro extremo se conecto un enchufle hembra tipo RCA. Observe que la pata 6 es tierra .

La idea de este cable es proveer una conexión de un interruptor de pedal. los cables del pedal se conectan a un conector RCA macho  para enchuflar en el conector RCA hembra y así poder ordenar el PTT por un pedal y permitir la operación con manos libres.

Utilizando un tramo corto de cable blindado, en un extremos conectamos el conector central a la patica 1 del conector redondo de 8 pines y la malla del cable a la pata 7.  En el otro extremo del cable blindado utilizamos un conector estéreo hembra de 3.5 mm. El circuito requiere una resistencia de 2000 (o 2200) ohms en serie con el hilo central.  La resistencia puede ser de 1/2 o 1/4 de watio y debido a su reducido tamaño puede ser instalada dentro de la carcasa que protege el conector estéreo.

La fotoa abajo da una idea de como se alojo la resistencia de 2000 ohms.

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Sin embargo hay que ser muy cuidadoso con las conecciones ya que hay riesgos de hacer cortos debido a lo limitado del espacio.

La siguiente foto muestra como quedo el adaptador de enchufle de 8 pines para el micrófono y el PTT.

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Los numeros

Articulo leído en el Programa Colombiano para Radioaficionados el domingo 19 de septiembre 2016.

Actualmente usamos un Sistema de numeración llamado decimal que nos permite contar magnitudes muy pequeñas hasta el infinito. Está basado en el conteo de 1 a 10 que corresponde al uso de los dedos de las dos manos y por eso las cifras se llaman “dígitos”.

Pero la numeración no había sido posible hasta que se introdujo un pequeñito invento como es un símbolo o dígito para significar “ningún dígito” o dígito vacío y que corresponde al digito “cero” (0). Ahora su uso nos parece natural pero su concepto transformo al mundo a través de las matemáticas.

El uso del cero permitió la anotación de magnitudes más grandes de 10 al optar por una anotación de posición en donde los números se anotan con varios dígitos y el digito anotado a la izquierda tiene un valor 10 veces superior al que está a su derecha.  El cero permitio anotar que el digito en una posición no tiene valor.

Antes que la humanidad dispusiera de la anotación decimal existió otras formas de contar magnitudes superiores a diez. Diez es el numero de dedos que tenemos en las manos, cinco en cada una. En los dedos podemos distinguir tres segmentos que se llaman falanges. Todos los dedos tienen tres falanges exepto el dedo “pulgar” que solo tiene dos falanges, pero el pulgar tiene una propiedad diferente a los otros dedos y es que el pulgar es el único dedo puede tocar a los otros cuatros dedos. Es mas el pulgar puede tocar a cada una de las falanges de los otros cuatro dedos.

Entonces, tocando las tres falanges de los cuatros dedos, el pulgar puede contar hasta 12 (4 dedos por 3 falanges). Doce es un número especial y se le conoce como “Docena”  y es muy usado en el conteo de cosas. Su origen esta en contar con los las falanges de los dedos de una sola mano.

Si usamos una mano para contar “docenas” y la otra para contar el numero de docenas entonces podemos contar 12 veces 12 lo que es igual a144, valor que se conoce como una “Gruesa”.

Otra forma de hacer conteo es contar docena con una mano y los 5 dedos de la otra mano para contar las docenas. De esta forma podemos contar 12 x 5 = 60. En la antigüedad 60 fue extensamente usado para hacer cálculos y la forma de contar se conoce como “Hexadecimal”.

Aun hoy tenemos rezagos del uso de contar “Hexadecimal”, por ejemplo contamos los segundos por 60 igual a un minuto y 60 minutos forman una hora, 12 horas es medio día. Los ángulos en geometría se miden en 60 segundos es un minuto, 60 minutos es un grado y 6 veces 60 grados conforman un circulo.

Un triángulo con tres ángulos de 60 grados tiene a su vez sus tres lados iguales y se conoce como un triángulo “equilátero”.

Existe una relación con los números 3, 4 y 5 con los cuales se puede construir un triangulo recto que debe cumplir con el teorema de Pitágoras. 3^2 = 9, 4^2=16. 9+16=25 que corresponde a 5^2, es decir que la suma de los cuadrados de los catetos (3 y 4) rd igual al cuadrado de la hipotenusa (que es 5).

Ahora bien, si multiplicamos 3 x 4 x 5 = 60 volvemos a tener el número mágico de 60.

En conclusión, antiguamente se uso la anotación hexadecimal para el conteo de grandes magnitudes la cual fue sustituida por la anotación decimal basada en el número 10 y el uso del 0.

 

Interfase modos digitales, parte 3

En el articulo anterior (parte 2) había descrito la interfase para que el PTT fuera accionado desde el PC. La interfase con el PC se realiza a travez del puerto serial, cuando el PC quiere accionar el PTT envía una polaridad positiva por el terminal RTS (Ready To Send), alternativamente lo puede hacer por el terminal DTR (Data Transmit Ready). Algunos programas para modos digitales permiten escoger entre RTS y DTR pero el mas común es RTS.

En el conector DB-9 usado por el puerto serial, la pata 7 es para RTS y la 4 para DTR, la pata 5 es la tierra comun.

La siguiente es una de descripción de la implementacion practica de una interface para el PTT. Esta basada en el circuito requerido para este fin como se muestra en el dibujo adjunto.

Serial2ptt

Como el numero de componentes es reducido, todos se pueden alojar dentro de la caja protectora de un conector SR232 que normalmente se puede comprar en almacenes de equipo electrónico. El conector usado es de tipo hembra.

En una de las tapas plasticas de la caja protectora del conector se realizo una perforacion, con una broca de 5mm (o 1/4″) para permitir que pase el diodo LED:

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El anodo del LED (el alambre mas largo) se sueda a la pata 7 del DB-9 (RTS) y el conector y LED se insertan es la tapa agujeread. A la pata 5 del DB-9 se suelda un corto alambre para posteriormente conectarlo al foto-acoplador 4N25 (pata 2).

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Por otra parte usamos un cable blindado con un terminal RCA macho en el otro estremo. Estos cables se consiguen en los almacenes que venden equipo de sonido para interconectar componentes de audio. Los cables vienen con dos conectores RCA en sus exptemos por lo cual el cable puede ser dividido en la mitad y quedaremos con dos cables apropiados para nuestra presente aplicacion.  La malla del cable blindado se conecta a la pata 4 del foto-acoplador 4N25 mientras que el cable central se conecta y solda a la pata 5 del integrado, tal como se muestra en la foto:

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Finalmente todos los componentes se alojan dentro de la cajita protectora del conector DB-9 y se terminan de hacer las conexiones faltantes, tal como se muestra en la siguiente figura:

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Verifique que no se presenten cortos indevidos entre las conexiones y que estas sean correctas, luego podemos poner la tapa superior y atornillar la caja con sus dos tornillos laterales. Al final el trabajo quedara como se muestra en la figura:

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Interfaces para modos digitales, parte 2

En el articulo anterior hable sobre la interfaces necesaria para operar en modos digitales entre el tranceptor y el PC y que se resume en la siguiente gráfica:

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Ahora hablaremos de soluciones para esta interfaces. En el mercado hay varios modelos comerciales que solucionan esta interface como son el Signalink, Ringblaster y otros, pero en este articulo vamos a referirnos como podemos lograr esta interface con componentes que tenemos fácilmente en casa o lo podemos comprar en el mercado local.

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1      CONSIDERACIONES SOBRE EL PC

El principal requerimiento del PC es que tenga una tarjeta de sonido, esto se cumple, podemos decir, en todos los PC. Sin embargo el mercado de nuevos PC se ha movido al formato de LAPTOP con una importante reducíon de tamaño y peso. Los nuevos Laptop no incluyen el tradicional “puerto serial”, un conector de 9 pines tradicional desde el inicio de los PC. Lo han reemplazado por el conector USB que es mas pequeño y mas rápido que la conexión serial.

Los tranceptores producidos desde los años 80 principalmente por los japoneses (Yaesu, Kenwood e Icom) vienen con una interface serial para su control por CAT (Computer Aid Transeiver), solo los productos nuevos de los ultimos 3 o 4 años han cambiado la interface a tipo serial.

Por este motivo, para la inmensa mayoria de los equipos, debemos preveer una interface serial desde el PC. La solucion es adquirir en los comercios de PC un “adaptador de USB a Serial” como el que se muestra en la foto:

 

, 4/17/08, 4:18 PM,  8C, 1184x1684 (2281+3426), 100%, can clam,  1/12 s, R37.4, G25.0, B51.0

 

Hay muchos modelos y precios, es importante que el adaptador sea compatible con el sistema operativo de su PC, esto significa que el fabricante suministre o garantice los “Driver” necesarios para operar con el sistema operativo que tiene. Drive es un pequeño programita que hay que adicionar al PC para que “reconozca” al dispositivo, puede venir en un pequeño disco o se puede bajar por Internet.

Necesitamos al menos un puerto serial para poder mandar la orden de PTT. Si queremos usar la función de CAT para controlar el tranceptor desde el PC, necesitaremos de un segundo puerto serial (o dos adaptadores). Equipos modernos fabricados después del año 2000 incluyen el PTT como un comando del CAT. Si esto es cierto entonces podemos prescindir del serial dedicado a PTT.

Por norma los Laptop incluyen la tarjeta de sonido, es mas los fabricantes incluyen tarjetas de sonido de excelentes características dirigida a manejar música de excelente calidad lo que hace de la tarjeta de sonido un componente fino y costoso. Para el trabajo de radioaficionados vamos a conectar las entradas de sonido del PC a un medio externos con posibles sobrecorrientes y manipulaciones mecanicas con riesgo de dañar los finos componentes del Laptop.

Por esto resulta buena idea usar una tarjeta de sonido externa al PC y esta se consigue con unos “adaptadores de audio a USB” que se consigue en el mercado de PC y son relativamente varatos y asi evitamos usar la fina tarjeta de sonido del Laptop . En el mercado se consiguen muchos “adaptadores de audio a USB” de diferentes precios y calidades, pero en general lucen como el de la foto.

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Como el “adaptador de usb a serial” y el “adaptador de audio a usb” se conectan a los puertos USB, resulta practico usar un “hub de USB”.

puerto-usb

De esta manera los dos adaptadores se conectan al “Hub” y el Hub se conecta al Laptop por una única conexión USB. Como los adaptadores estarán cerca del tranceptor, entonces podemos prever un hub con un cable de conexión USB lo suficientemente largo para tener el tranceptor y el Laptob alejados de acuerdo a los requerimientos del operador.

2    AUDIO DEL TRANCEPTOR AL PC.

La salida de audio del Tranceptor esta disponible en casi todos estos equipos en un conector marcado como PHONO en el frente del equipo, es el lugar previsto para conectar los auriculares. El volumen del audio es este punto esta controlado por el control de AF en el frente del equipo y si enchufamos en este conector por lo general se desconecta la salida de audio externo (altoparlante).

La conexión se realiza por un conector de audio macho de tamaño grande y el único problema es llevar esta conexión hasta el “adaptador de audio a USB” en su entrada de micrófono. El inconveniente es que el conector en el lado del tranceptor es grande y en el lado del adaptador es pequeño, para lo cual podemos tener dos soluciones:

a) Construimos un cable blindado con un conector de audio grande en un extremos y un conector de audio pequeño en el otro extremo.

b) Compramos un adaptador de audio de conector grade macho a conector hembra pequeño mas un cable de extencion de audio con dos conectores machos pequeños en sus puntas. Al conectarlos tendremos la misma solución que el punto “a”.

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Es recomendable usar conectores de tipo “estereo”, es decir de tres vias.

3    AUDIO DEL PC AL TRANCEPTOR

La entrada de audio a los tranceptores se hace por la conexión de “Micrófono”. La mayoría de los equipos modernos tienen un conector para micrófono redondo de 8 pines. En este conector se conecta el micrófono pero también hay posición para el PTT y de control como “up”, “down” común en los micrófonos de mano que incluyen botones para estas funciones.

Aunque el conector de 8 pines es el mismo en todos los radios, la función de los pines difiere entre los diferente fabricantes.

Para permitir la interface hacia el PC he construido un dispositivo de acuerdo al esquema adjunto:

adaptador microfono ptt kenwood

Se muestra el esquema para el caso de Kenwood (en mi caso un TS-2000). Un conector hembra de audio se utiliza para extender la conexion de microfono (pines 1 y 7) y un conector hembra de tipo RCA se utiliza para conectar el PTT (pines 5 y 8). se muestra una tabla con los pines para otros radios.

La solución queda como se muestra en la foto:

 

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A la derecha se ve el conector hembra de audio y en negro se observa el conector RCA para la función de PTT.

Para conectar el micrófono propiamente dicho podemos usar la misma solución que hemos tratado en el punto 2.  Claro, si prefiere, el conector hebra para micrófono se podría reemplazar por un conector macho pequeño para conectar directamente al “adaptador audio a usb” y evitarnos otros cables, el motivo de mi solución es que este dispositivo lo habia hecho tiempo atras para poder conectar un micrófono genérico y actuación del PTT desde un pedal y me resulto útil también para la interface digital.

4    PTT

Para acoplar el PTT se requiere de un circuito que convierta la señal por el pin RTS a un cierre de circuito en el PTT del tranceptor. El circuito escogido se muestra enseguida.

Serial2ptt

La funcion la realiza un “fotoacoplador” de tipo 4N25 que viene en un chip de 6 patas y son relativamente baratos y fácil consecución en una tienda de componentes electrónicos. Un LED en serie con el circuito permite monitoriar cuando el PTT es activado.

La implementacion se realizo utilizando un conector de puerto serial.

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El circuito es muy sencillo y de pocos componentes lo que permite alojarlos dentro de la caja plastica del conector. El circuito quedo como se muestra en la siguiente foto:

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En la caja, un pequeño agujero permite sacar el LED al frente y en el cable de conexion se puso un conector macho de tipo compatible con la conexion prevista para el PTT en el punto anterior.

La integración de los componentes del punto 3 y 4 quedan como se muestra en la foto, incluido el adaptador de serial a USB:

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5   RESUMEN

Los diferentes elementos usados en la presente solucion para una interface para modos digitales la trato de resumir en el siguiente diagrama:

todo junto

 

Interface para modos digitales, parte 1

En la actualidad es muy popular entre los radioaficionados las comunicaciones usando, lo que en forma genérica se llama, “Modos Digitales”. El método consiste en transmitir datos modulando una señal de radio, para lograrlo utilizan un computador personal PC el cual codifica los datos en tonos de audio que se entregan al transmisor usando la modulación de SSB (Single Side Band) disponible. En recepción la señal SSB es convertida a frecuencia de audio que se entrega al PC quien desmodula los datos.

Los mas populares son los modos PSK31 y JT65 los cuales operan similar a los teletipos, es decir envían información alfanumérica generalmente ingresada por un teclado.

Para operar en modos digitales se requiere acoplar un tranceptor de los usados por los radioaficionados y un computador personal. El transeptor puede ser cualquiera, a tubos, estado sólido, sdr, etc,  con la única condición que transmita en USB es decir banda lateral superior.  En modos digitales se prefiere USB aun en bandas bajas como 40 y 80 metros en donde la fonía se hace en LSB.

Cualquier PC puede ser usado, el requisito es que disponga de una tarjeta de sonido y un sistema operativo para el que exista el programa correspondiente.

El acoplamiento básico consiste en intercambiar sus canales de sonido, es decir la salida de sonido del transceptor (phones) se conecta al micrófono de la computadora y recíprocamente el micrófono del tranceptor se conecta a los auriculares del PC.

Además necesitamos una via por la cual el PC le pueda indicar al tranceptor que pase a modo de transmisión. Los tranceptores viene con la función de PTT (push to talk) la cual puede ser usada por el PC mediante un acoplamiento.

Los tranceptores modernos disponen de una función denominada CAT (coputer Aid Tranceiver) que permite que el radio sea controlado desde un PC. Los primeros equipos con función CAT incluían solamente la lectura y cambios de frecuencia desde el PC pero los de nuevo diseño casi todas las funciones del traceptor puede se realizadas desde el PC incluida la función de PTT.

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En teoría existe un problema si acoplamos un PC y es el tema de las tierras.  El tranceptor esta conectado a un sistema de antenas y tierra para corriente de alimentación y de radiofrecuencia independiente del PC por lo cual puede existir diferencias de potencial entre las dos tierra, por este motivo se recomienda que no se conecten las  de tierra del PC y el tranceptor. Para cumplir con esta recomendación los dos circuitos de audio incluyen un transformado para aislar los dos circuitos.  Sin embargo en las aplicaciones prácticas que he realizado no he utilizado transformadores, por lo que las tierras quedan unidas y no he observado efectos secundarios.

Casi todos los tranceptores tiene en el panel frontal un enchufe (Jack) denominado “PHONE” es donde está la salida de sonido con destino a los auriculares. De forma sencilla podemos tomar este sonido y llevarlo a la entrada de micrófono del PC usando plug y cables de audio.

También en el frente del tranceptor se encuentra la conexión de micrófono en un Jack de varios pines donde también se encuentra la posición para el mando del PTT.  La solución para acoplar el micrófono es realizar un conector apropiado para el micrófono del lado del tranceptor y llevarlo por cable blindado a la conexión de auriculares del PC.

Para poner el tranceptor en modo de transmisión se requiere que el punto llamado PTT se conecte a tierra. El tema es que los PC no disponen de salidas que realicen la función de cerrar un circuito. Entonces  para lograr una orden desde el PC se ha recurrido al uso del puerto serial existente en los PC, el puerto serial se conoce también como RS-232. El puerto es un conector de 9 pines denominados como se muestra en el dibujo.

pines

La patica 7 se denomina “Request to Send” (abreviado RTS). El programa del PC puede activar esta patica para que presente un voltaje cuando el PC quiera ordenar  transmitir.  El voltaje aparece con referencia a la patica 5 que es la conexión común (tierra) del conector. Ahora bien el PTT requiere el cierre de un circuito por lo cual hay que realizar un circuito que convierta la presencia de voltaje en RTS a un cierre de circuito, esto se logra con un relevador, un transistor o un fotoacoplador como veremos después en una implementacíon practica.

Un inconveniente es que los nuevos PC en formato laptop no viene con puerto serial pero la solución es usar un dispositivo que convierte un puerto USB del PC a un puerto serial. Este elemento es común en el mercado de complementos para los PCs.

Para la conexión CAT generalmente se hace por puerto serial, por lo cual, si el laptop no dispone de puerto serial propio entonces es necesario un adaptador serial a usb.

Si el tranceptor soporta por la interface CAT la función de PTT, entonces una sola conexión  serial nos serviría tanto para el PTT de modos digitales como para el manejo del radio desde el PC. Si el CAT no soporta el PTT entonces necesitaríamos dos conexiones seriales para la completa operación del tranceptor con el PC.

Como hemos dicho antes, se requiere que el PC disponga de una tarjeta de sonido lo cual es cierto en casi todos los PC. Los laptop modernos tiene la tarjeta orientada a la reproducion de buena música y a veces presentan inconvenientes para usarlo en una función diferente. Por este motivo es común recurrir a adaptadores de sonido para PC para dedicarlo a la función de nuestros modos digitales y no involucrarnos con la propia tarjeta de sonido del PC. El dispositivo de sonido a usb son baratos y es una buena opción.

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Propagacion de ondas de radio

Articulo leido en el Programa Colombiano para Radioaficionados el domingo 10 de Julio 2016.

Las ondas de radio y la luz son formas de ondas electromagnéticas que se propaga en línea recta desde el foco que emite las ondas (un bombillo o una antena). Las ondas no pueden atravesar objetos sólidos y si las ondas arriban con cierto ángulo a una superficie solida las ondas son reflejadas y si la superficie es áspera las ondas son reflejadas en diferentes direcciones y entonces decimos que las ondas son dispersadas.

El concepto de objeto solido puede diferir entre la luz y las ondas de radio. Una pared de un centímetro de espesor no es atravesado por la luz en cambio es completamente transparente para las ondas de radio pero cuerpos masivos como puede ser una montaña o la esfera terrestre son cuerpos opacos para la luz y las ondas de radio.

Para poder observar un fuente de luz se requiere que entre la fuente y el observador no existan objetos que impidan el paso de la luz. Lo mismo sucede con las ondas de radio, se requiere que no existan objetos que bloqueen las ondas entre las antenas y el receptor.

En la práctica todos los receptores y transmisores de radio están situados sobre la superficie de la tierra. La tierra es completamente oscura para las ondas de radio por lo cual no podemos transmitir y recibir entre dos puntos opuesto de la tierra. En teoría las comunicaciones son posible al alcance del horizonte ya que las ondas no pueden atravesar la superficie de la tierra.

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Pero, hay un comportamiento de la atmósfera terrestre que causa que las ondas de radio cuando llegan a las capas altas de la atmosfera se reflejen y retornan de nuevo a la superficie terrestre después de recorrer largas distancias. Esto permite que las ondas de radio especialmente las de altas frecuencias HF (3 a 30 Mhz o onda corta) logran comunicaciones entre cualquier dos lugares de la tierra. La capacidad de reflejar ondas de radio depende de la actividad del Sol y no es estable y hace su uso muy impredecible.

 

LA ATMÓSFERA

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La superficie de la tierra está cubierta de una fina capa de aire rico en gas oxígeno y nitrógeno que permite la existen de vida en la tierra. La densidad de la capa de aire depende de la altura sobre la superficie.

Entre 0 y 10 kilómetros de altura la capa se denomina “Troposfera”, es la zona donde se presenta los fenómenos atmosféricos como nubes, lluvias, truenos etc. Arriba de 10 Kilómetros se denomina estratosfera. En la estratosfera los átomos de aire son muy pocos pero existen, debido a que están poco cohesionados, las radiaciones recibida del Sol causan que estos átomos pierdan cargas eléctrica y se ionicen. El fenómeno es muy notable entre los 50 y 500 kilómetros de altura y esta zona se denomina “Ionosfera”.

Un gas ionizado afecta las ondas de radio. Una onda es una forma de energía y al alcanzar un atomo ionizte puede provocar mas ionización y entonces el gas absorbe la onda. Pero si los atomos están muy ionizados puede provocar que las ondas no puedan penetrar y las ondas son reflejas. Todo depende del angulo con que las ondas de radio llegan a una superficie ionizada.

Una capa ionizada tiene un comportamiento similar a un vidrio opaco en relación a la luz. Si el rayo de luz llega al vidrio perpendicular a la superficie, el rayo atravesara el vidrio pero la luz es atenuada, en cambio si el rayo llega con cierto ángulo la luz será reflejado como si fuera un espejo.

En la ionosfera se han detectado 3 tipos de capas denominadas históricamente D, E y F.

LA IONOSFERA.

La ionosfera es una capa atmosférica alta, dotada de una gran conductividad eléctrica gracias a los electrones liberados en la intensa ionización producida por la radiación solar, básicamente en las porciones ultravioleta y de rayos X de su espectro, y en menor medida por las partículas cargadas generadas por el Sol junto a los rayos cósmicos.

La ionósfera y las ondas de radio

Se extiende entre los 50 y 2000 Km de altitud sobre la superficie terrestre, dividiéndose por razones históricas en tres capas o regiones denominadas D, E y F en orden creciente de altura y concentración de electrones, cumpliendo las capas E y F el papel de reflector de las ondas radioeléctricas y siendo la capa D la principal causante de la atenuación sufrida por las mismas frecuencias de 2 y 30 MHz -HF- y la responsable también de la reflexión de las ondas de muy baja frecuencia -VLF- y extra baja frecuencia -ELF-.

Al ser su origen la radiación solar fundamentalmente, es lógico esperar, como así sucede, que la intensidad de la ionización dependa de la intensidad de dicha radiación y de la trayectoria o camino que la misma recorra a través de la atmósfera. Esto se traduce en una mayor ionización de las capas atmosféricas más altas y en una relación inversa entre la ionización medida y el ángulo solar cenital1, con un valor máximo donde éste ángulo sea cero.

Asimismo constatamos una relación directa entre las variaciones en la altura, la concentración de electrones y el comportamiento de las distintas capas ionosféricas y los cambios reflejados en la actividad solar durante el día, a través de las distintas estaciones del año y a lo largo de los sucesivos ciclos solares.

La actividad de la ionosfera en lo que a su papel dentro de la comunicación a larga distancia -CLD- le corresponde, depende de la intensidad de ionización de la misma, la cual, como ya hemos comentado, es fiel reflejo de la actividad solar. Esta a su vez mantiene una relación directa con el número de manchas solares existentes en cada momento, cuyo número varía cíclicamente con una periodicidad de 10.7 años, aunque nos referiremos en general al ciclo de los 11 años, siendo éste sólo un valor medio, pues se han registrado ciclos de 7.3 años como el más corto y de 17.1 años como el más largo [ARR92].

Un número elevado de manchas solares provoca una fuerte radiación solar con gran ionización en las capas altas de la atmósfera que es entonces capaz de devolver a la tierra frecuencias de hasta 40 MHz, mientras que por el contrario un bajo número de manchas y la baja actividad solar que le acompaña hace que descienda fuertemente la ionización, convirtiendo en prácticamente inútiles para la CLD las frecuencias situadas por encima de los 20 MHz.

Capa F: Se extiende por encima de los 130 Km y es la más alta de todas las capas que componen la ionosfera, dividiéndose durante el día en dos subcapas, la F1 o de

Appleton entre los 130-210 Km y la F2 o de Van Allen entre los 250-400

Km de altura.

 

La subcapa F1 alcanza una densidad electrónica máxima de 2·1011 e/m3, existiendo sólo durante el día, y si bien puede cumplir el papel de deflectora de algunas frecuencias, es más frecuente que actúe como atenuadora de las frecuencias que se reflejan en la subcapa F2.

 

La subcapa F2 presenta una densidad típica de electrones de 1012 e/m3 durante el día y de 5·1010 e/m3 durante la noche, siendo la principal zona deflectora responsable de la comunicación a larga distancia, con una máxima distancia de salto único de 4000

Km. Su comportamiento es difícil de modelar, debido a que está influida por los vientos, por distintos efectos electrodinámicos y por la variación de la ionización debida a la diferente radiación solar durante el día y la noche, durante el curso de las distintas estaciones del año y a lo largo del ciclo solar de los once años.

 

Capa E: También denominada de Headviside-Kennelly, está situada entre los 90-130

Km de altura sobre la tierra e incluye a la capa E normal y a las denominadas capas esporádicas E -Es-.

 

La capa normal E es homogénea y existe sólo durante la radiación solar directa, alcanzando por tanto su máximo durante el mediodía local y desapareciendo durante la noche, ya que aquí la atmósfera es todavía lo suficientemente densa para que pueda existir una gran recombinación de los iones generados por la actividad solar. Presenta por tanto una fuerte dependencia del ángulo solar cenital, con máximos en su densidad electrónica durante el verano en lo que a la variación estacional se refiere e incrementándose asimismo al aumentar el número de manchas solares. Este máximo es del orden de los 1011 e/m3 a la altura de 110 Km. Durante la noche desaparece prácticamente, quedando sólo restos de la ionización existente durante el día. Es la capa ionosférica mas baja y aún capaz de ser útil en la CLD, siendo muy adecuada para la propagación diurna a distancias menores de 2.000 Km.

 

Las capas Esporádicas-E, tienen su origen en la existencia de zonas relativamente densas de ionización situadas a unos 110 Km de altura, produciéndose únicamente en determinadas estaciones del año. No dependen de la actividad cíclica solar y son especialmente útiles en los períodos en los que la baja actividad solar deja cortada la propagación en las bandas por encima de los 21 MHz.

 

Capa D: Situada a 50-90 Km sobre la tierra. Tiene una actividad directamente proporcional a la radiación solar recibida, presentando unos valores máximos de ionización de 108-109 e/m3 inmediatamente después del mediodía local y bajando a valores muy pequeños durante la noche, manteniendo asimismo una pronunciada variación estacional. Produce un marcado efecto de absorción de toda señal que pasa a través de ella, siendo esta absorción inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia utilizada. Su incremento diurno y correspondiente disminución nocturna marcan la mínima frecuencia utilizable

-LUF- para un determinado recorrido entre dos estaciones.

 

 

 

 

Analizador de antena con Arduino y AD9850 parte 3

Navegando por internet ha varios proyectos de costrucion casera para analizadores de antena. Muchos estan inspirados en los proyectos descritos por el colega Beric Dunn K6BEZ en la pagina web https://sites.google.com/site/k6bezprojects/antenna-analyser “An HF Antenna Analyser for under $50”.

De la pagina se puede bajar un documento PDF con detalles de los proyectos.

Un proyecto utiliza un Arduino Nano y un AD9850, justo el objetivo de mi proyecto, por lo cual desidí  intentar su construcción. Este es el circuito del proyecto:

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El circuito es relativamente sencillo y realiza solo dos mediciones de voltaje a la antena que corresponde al voltaje directo (forward) y el reflejado. Esto es suficiente para calcular el ROE (SWR) que es el factor mas importante de la antena. Los datos medidos en la antena se envían a un PC conectado en el puerto serial del Arduino. Todo el circuito se alimenta con los 5 voltios que vienen en la conexión USB desde el PC.

El circuito original utiliza un Arduino Micro el cual he reemplazado por uno Nano. El amplificador operacional es un MCP6002 que he reemplazado por el LM358 de mas fácil de encontrar.

El software para el Arduino se puede bajar de la pagina del autor K7BEZ.

Para la construcción utilice una placa de circuito impreso perforado que encontré en un almacén de electrónica que se muestra en la siguiente foto junto con el LM358, Arduino nano y el AD9850:

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Utilicé unos conectores de tipo SIL para permitir que el Arduino y el AD9850 fueran enchufables y por tanto reutilizables en otros proyectos.

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Las fotos muestran el circuito realizado antes de poner los Arduinos y AD9850.

(actualizado 28 Junio 2016)

Con el circuito descrito, he realizado algunas pruebas de funcionamiento con resultados poco satisfactorios.

En primer lugar todo el circuito trabaja con 5 voltios que vienen por el cable USB y pasa por el Arduino. La capacidad de corriente es limitada y no puede uno exederse en sobrecargar los circuitos. Hay un riesgo: si por accidente el circuito de 5 voltios se llegara a poner el corto por un instante, el Arduino queda inservible. Lo mismo puede pasar por una mala conexión u operación de algún componente que provoque una sobrecorriente puede causar daño irreversible en el Arduino. Lo aconsejable es disponer que el circuito tenga su suministro de corriente independiente, mas robusta.

El AD9850 (DDS) funciona con 5 voltios y su salida es una onda sinusoidal muy pura. Las mediciones hechas con osciloscopio muestran que a baja frecuencia, ejemplo 500 kiloherz la salida es de 9.7 voltios pico a pico pero se reduce a 1 voltio a frecuencias de 500 kHz y valores de 400 milivoltios para frecuencias de 5 y 20 MHz como se muestra en las siguientes fotos.

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Como el analizador esta planeado para que realice mediciones en la banda de HF (3 a 30 Mhz), el voltaje de salida de 400 milivoltios pico a pico resulta insuficiente para hacer un eficente medidor. Con un agravante, las mediciones anteriores fueron hechas con circuito abierto a la salida del AD9850, si uno carga el circuito con 50 ohms los voltajes medidos caen a la mitad de los medidos a circuito abierto.

Con estos resultados resulta poco viable realizar el analizador con este circuito. La solucion es amplificar la señal entregada por el AD9850 para tener un voltaje de 2 a 5 voltios sobre el circuito en medicion. El amplificador puede ser contruido con un par transistores lo cual permitiria lograr una separacion entre el oscilador (el AD9850) y la carga que se conoce como un Buffer. El amplificador no se podria alimentar de los 5 voltios del Arduino si no que requeriria una alimentacion separada de 6 a 12 voltios.

Por estos motivos, la sencillez de este circuito no es bueno continuarlo y debo buscar un circuito, con la misma idea, pero mas elaborado.