Como determinar el alcance de una emisora de FM y cuales factores influyen?

Una buena altura de torre, es decir una altura importante de la antena transmisora es de fundamental importancia para lograr un radio de cobertura interesante y/o suficiente. Si la altura es muy poca los esfuerzos que se realicen en otros sentidos se verán opacados y no obtendremos los resultados esperados. La teoría predice que la onda de radio no llegará mucho más allá en condiciones normales de lo que alcance la vista de una persona situada a la altura de la antena, esto aplicado en un día sin bruma , es decir con muy buena visual. La distancia de enlace “óptico” para una onda de radio de FM (VHF) es aproximadamente un 33% mayor al de una verdadera fuente luminosa:

La señal puede llegar más allá del mismo modo que en una noche  brumosa, se puede ver la luminosidad de las luces de una población que se encuentra detrás de una loma, pero debemos considerar a esa zona más allá del radio horizonte como “de cobertura marginal”.
En las ciudades es conveniente considerar la altura de la antena descontando la altura media de la edificación, dado que, para el caso, la superficie de la tierra en ellas no es el suelo, sino los techos.

Altura del centro del sistema irradiante                                  Alcance óptico en Km

10                                                                                                                    18

15                                                                                                                    21

20                                                                                                                    23

25                                                                                                                    25

30                                                                                                                    27

35                                                                                                                    29

40                                                                                                                    31

45                                                                                                                    32

50                                                                                                                    34

60                                                                                                                    37

 

En cálculos prácticos se pudo advertir que el alcance no es directamente proporcional a la altura. El duplicar la altura de la antena aumenta el alcance en  36% aproximadamente. Entonces es lógico plantearnos, si pretendo instalar una emisora de FM, me conviene poner la mayor altura de torre? Y contestaríamos a eso, LA MAYOR ALTURA POSIBLE DENTRO DE LOS COSTOS. Pues  para lograr duplicar el alcance óptico hay que cuadruplicar la altura de la antena, se llega a un punto en que ello es prohibitivo por su costo o por el emplazamiento. En general una altura situada entre los 30 y los 60 metros es lógica para la mayoría de los casos, considerando una emisora de reducida (y aún mediana) potencia.

De todas formas  la determinación de la altura de la torre depende de múltiples factores a saber:

• Altura de la base de la torre con respecto a la población a servir

• Disponibilidad de un terreno con medidas suficientes para colocar los anclajes

• Cantidad de dipolos que se van a colocar

• Proximidad a un aeródromo o aeropuerto

• Etc

 

Supóngase, como ejemplo, un equipo emisor de 25W, acoplado a una antena sin ganancia mediante un cable sin pérdidas, con una altura de 20 m. Se tiene:

Alcance de la vía óptica: 23,5Km

Se toma una distancia de prueba de 20 Km y se efectúa una medición de la potencia recibida en una antena “testigo” situada a 1,5 m de altura obteniéndose:

Potencia recibida en dBW

 

-124,2 dBW

Duplicando la altura de la antena los resultados son:

Alcance de la vía óptica: 31,2 Km

Potencia recibida en dBW

-118,2 dBW

Si se compara la potencia recibida en dBW se nota una diferencia de +6 dB (124,2-118,2). Esta diferencia equivale a emitir con un trasmisor de 100 W en la antena con 20 m de altura! Al duplicar la altura se ha logrado el equivalente a multiplicar por cuatro la potencia del emisor y además ¡se extendió el radiohorizonte en casi un 33 %! La potencia efectiva irradiada es la potencia que me queda luego de restar las pérdidas del cable, de los conectores, del divisor de antena y sumar la ganancia de antena
Lo mismo acontece con la potencia de su trasmisor. Desde ya que cuanto mayor sea la misma, mayor será el alcance pero, hay que considerar que los Watts cuestan y que el consumo aumenta a mayor potencia del transmisor , entonces un buen diseño es poner la altura de torre y la potencia del transmisor que sean suficientes y no más.

La potencia efectiva irradiada Aumenta cuando:

• Aumenta la potencia nominal del trasmisor.

• Se emplean antenas con “ganancia”

Aquí debemos hacer una aclaración a lo dicho en el segundo punto (“la potencia efectiva irradiada aumenta en una determinada dirección”)

Que se quiere decir con esto: que una antena  tiene ganancia en una dirección en detrimento de otra dirección, aclaremos un poco esto, si consideramos que un sistema de 4 dipolos colineales en fase gana 6 dB (y supongamos que su diagrama de irradiación horizontal es omnidireccional, aunque en realidad no lo es tan así), entonces en donde perdemos para poder ganar esos 6 dB horizontalmente?

Pues en la reducción de ganancia en el sentido vertical, o sea achicamos el ángulo de apertura vertical.( aparte no emitimos ni para arriba ni para abajo en el sentido del eje vertical de los dipolos)

 

Y la potencia efectiva irradiada Disminuye cuando:

• El cable coaxil que va del trasmisor a la antena se “alarga”.

• El mismo tiene altas pérdidas por unidad de longitud. Los cables coaxiles usados generalmente tienen un código que los identifica, tal como, el de ½ pulgada, el 7/8 etc., los fabricantes especifican las pérdidas por unidad de longitud para cada uno de ellos y siempre será conveniente elegir aquel que proporcione las menores.

El aumento de potencia efectiva irradiada que llegan a proveer las antenas, es muy importante, puede alcanzar fácilmente a cuadruplicar la provista por una antena sencilla. El fenómeno puede compararse con el efecto que se produce cuando se coloca una lámpara incandescente solo con el porta lámpara y cuando colocamos un plafón como porta lámpara que refleja la luz hacia abajo y no hacia el techo. La energía luminosa irradiada hacia zonas no útiles (el techo), es desviada hacia las de interés. O sea en realidad la potencia total sigue siendo la misma, pero la hemos redireccionado y entonces en determinadas direcciones estamos enviando más luz, o más energía en RF y esa es la ganancia de la antena.

Cuando la instalación se halla en una gran ciudad repleta de edificios de gran porte, cuantificar la capacidad de cobertura no es una tarea sencilla. Los alcances y potencias necesarias hacen obligatorio un estudio estadístico que depende fundamentalmente de las condiciones particulares de la ciudad misma. Ya no se puede establecer un modelo matemático simple y el alcance se traduce en términos tales como: “Probabilidad de establecer un enlace satisfactorio en un 90% de los lugares durante el 90% del tiempo...”
Cuando el receptor no cuenta con una antena exterior despejada de la edificación circundante (que es lo más habitual en la recepción de FM), puede asimilarse el problema al de la iluminación de un lugar plagado de obstáculos mediante una sola fuente de luz. Las sombras de los objetos son muy importantes y casi siempre es la reflexión la que proporciona algo de luminosidad en los lugares oscuros. Las penetración de las ondas de radio de estas frecuencias en las estructuras edilicias es muy pobre, (fenómeno bien conocido por aquellos a quienes le han construido en la inmediata vecindad un gran edificio encontrando que la recepción de señales de TV se deterioró totalmente). Los caminos principales por los cuales las ondas de radio alcanzan el nivel del suelo en estos casos (recepción en un automóvil, por ej.) suelen ser dos:

Reflexión en los edificios y grandes carteles publicitarios por un lado y difracción en los bordes de las construcciones por otro. La reflexión luminosa es un fenómeno evidente en la vida cotidiana y la reflexión de ondas de radio es semejante. La difracción de las ondas de radio consiste en que estas son “curvadas” parcialmente hacia abajo cuando pasan rasantes a los bordes de las construcciones. La pequeña fracción de energía difractada que alcanza el nivel del suelo es la responsable, a menudo, de la recepción de las señales en medio de una calle de la gran ciudad. Frecuentemente el ángulo en que son incurvadas las señales no es tan agudo como para que la señal llegue con suficiente intensidad a un vehículo que circula por una calle angosta bordeada por estructuras de gran porte, por esto se pueden esperar mejores resultados en una gran avenida con edificios bajos que a la inversa. 
Un factor que influye notablemente en las condiciones adversas de la ciudad es la polarización de la señal, punto que se aborda a continuación.

La estación puede emitir señales polarizadas verticalmente, horizontalmente, una combinación simultánea de ambas y además en forma circular. No debe confundirse polarización circular con cobertura omnidireccional pues son conceptos absolutamente distintos. La polarización de la señal será vertical si las antenas (dipolos por ej.) se instalan de esta manera y viceversa. Históricamente las señales de FM se emitían con polarización horizontal, pues supone una ventaja derivada del hecho de que, en general, los ruidos radioeléctricos producidos por los artefactos industriales (tal como el ruido que producen las bujías de encendido del automóvil) tiende a ser polarizado verticalmente. Más tarde, y como resultado del uso de antenas receptoras de varilla telescópica, generalmente colocadas verticalmente, resultaba evidente que si se hacía coincidir la polarización de la antena emisora con la de la mayoría de los receptores redundaría en una importante ventaja.

De este modo en las circunstancias actuales optar por polarización vertical es casi obligado cuando el parque de receptores emplea antenas verticales. En aquellos lugares en que por alguna razón (zonas rurales) la audiencia emplee antenas exteriores (normalmente horizontales como las de TV) obviamente la elección sería la opuesta.

Existe una variante intermedia que puede ofrecer ventajas y es el empleo de polarización doble. En este caso la energía disponible se reparte en los dos planos de polarización (horizontal y vertical).
En la ciudad el empleo de doble polarización puede dar resultados satisfactorios respecto del desvanecimiento rápidamente variable de la señal cuando se la recibe en un receptor en movimiento. Parte de este desvanecimiento es causado por cambios en la polarización que se producen en las reflexiones.
Puesto que el receptor no está recibiendo una señal de polarización uniforme a medida que se desplaza, sino que esos cambios pueden ser de hasta 90 grados se genera una atenuación importante de manera que, irradiar en ambos planos ayuda a solventar la dificultad. Como contrapartida, al distribuir la energía en ambos planos, un receptor que tiene su antena polarizada verticalmente y que recibe la señal proveniente de las antenas verticales de la estación, está recibiendo tan solo la mitad de la potencia producida por el trasmisor. De este modo la elección de la polarización merece un análisis de cada situación en particular.

Cabe aclarar al respecto que la polarización circular ofrece características que, en este sentido, son semejantes a la polarización doble.

Puede obtenerse doble polarización empleando las antenas habituales (por ejemplo dipolos de media onda) colocando un grupo en forma vertical y otro en forma horizontal. Existen en el mercado dipolos de media onda que se ofrecen como de polarización circular, pudiendo acotarse que los resultados de los mismos son semejantes a los obtenibles mediante el método indicado en el párrafo anterior.
Una posible ventaja adicional en zonas con una gran cantidad de emisoras  en la que las  estaciones se interfieren mutuamente, si Ud. adopta polarización doble y su emisión está interferida en alguna zona por otra que polarice en un solo sentido, y el oyente modifica la posición de su antena telescópica tiene buena chance de recibir su emisión claramente.

Luego de todas estas explicaciones, debo dejar en claro algo, si un cliente me pregunta “cuánto va a ser el alcance de su emisora si adquiere un transmisor de tal potencia y coloca tal altura de torre con tal sistema irradiante y con tal cable coaxil” , debo responderle que si es en Argentina , no se a cuantos Km va a llegar , es decir , en la teoría si lo sé , pero en la práctica es imposible , pues en lugares , países o regiones donde no se respetan en lo más mínimo las normas y donde cada uno sale al aire en la frecuencia que le parece , con la potencia que quiere y sobremodulando como se le da la gana , es imposible saber cuál va a ser el alcance de una emisora, pues las interferencias van a hacer muy difícil una determinación de cobertura.