Eficiencia del sistema de tierra en AM

Erróneamente se piensa que el sistema irradiante perdura para siempre
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Por Fernando W. Saravia V.

LIMA, Perú — Con frecuencia, en AM la aspiración a mejorar la cobertura pasa primero por aumentar la potencia del transmisor antes que por mejorar la eficiencia del sistema irradiante. Erróneamente se piensa que el sistema irradiante perdura para siempre.

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Fig. 1 Eso es algo que comprobó Radio Pacífico, que opera en Lima desde 1963 en la frecuencia 640 kHz con una potencia de 10 kW. Su gerente, Pedro Ferreira García, me encargó un diagnóstico y mejora de su sistema de transmisión. Este es el motivo del presente artículo.

En onda media, los factores de los que depende la cobertura y que fueron analizados fueron: Frecuencia de operación; ubicación geográfica del sistema de transmisión; forma, tipo y entorno del terreno del área a servir; eficiencia del sistema irradiante; potencia de transmisión; y capacidad de modulación.

1. Frecuencia de operación

a) A partir de la observación de las curvas de intensidad de campo para propagación por onda de superficie, se ve que para una frecuencia baja (en nuestro caso 640 kHz), intrínsecamente la señal de radiofrecuencia de onda media se propagará con mayor facilidad. Esto se debe a que el terreno ofrecerá menor atenuación, que para el caso de las de frecuencia alta, indistintamente de que el terreno sea en mayor o menor grado conductivo.

b) Define la longitud de onda (468,75 metros), parámetro a partir del cual se determina la altura de la torre, en función del tipo de sistema irradiante que se elija. En este caso, el sistema encontrado se componía de una torre autosoportada aterrada de sección cuadrada de 112 metros de altura (que equivale a 0,24 veces la longitud de onda), con una arista en la base de 13 metros y con un monopolo doblado de ocho alambres (ver Fig. 1).

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Fig. 22. Ubicación geográfica del sistema de transmisión

a) Por antigüedad, la ubicación de la planta de transmisión ha quedado dentro de la ciudad, como se observa en la Fig. 2 (que ha sido generada mediante el software Radio Mobile, donde el borde superior intercepta ortogonalmente a la dirección norte). Es un mapa orográfico de la ciudad de Lima, de 40 kilómetros altura por 53 kilómetros de ancho con curvas de nivel cada 100 metros. Por simplicidad, considerando a simple vista como zona habitada aquellas que no corresponden a un agrupamiento de cerros, se concluye que es una ubicación centrada en el área a servir.

3. Forma, tipo y entorno del terreno del área a servir

a) La señal de radiofrecuencia de onda media se propaga (o camina, en sentido figurado) en forma vertical al terreno. En principio, se podría pensar que la onda no se atenúa cuando atraviesa un cerro, indistintamente de cuan cerca esté de la planta de transmisión así como de sus dimensiones y forma. Sin embargo, ello no es cierto. La rugosidad o medida de la irregularidad del terreno influye sustancialmente en el grado de atenuación que ofrece a la propagación de la onda.

b) La Fig. 2 muestra la visibilidad (zona gris) de la ciudad desde la planta de transmisión, desde el punto más alto de la torre y en función del número y tamaño de los obstáculos. Podemos tener una idea visual de una mayor o menor rugosidad del terreno en cada dirección que se elija. Así, por ejemplo, el hecho de que en la dirección al sur a 1 kilómetro haya un cerro próximo, que se interpone hacia las zonas pobladas de dicha dirección, provocará una atenuación temprana.

c) Debido a que las plantas de transmisión de las frecuencias adyacentes están ubicadas en el sur a 18 kilómetros aproximadamente, se producirá en las cercanías a dichas áreas una fuerte zona de influencia que reducirá la recepción de 640 kHz en forma óptima.

d) Al estar la planta dentro de un área urbana, era necesario conocer si se cumplían los límites máximo permisibles (LMP) de Radiación No Ionizante. Luego de hacer los cálculos teóricos respectivos, se determinó que aun cuando la potencia del transmisor fuese hasta 25 kW, los LMP se cumplirían conforme a lo indicado en la regulación vigente.

4. Eficiencia del sistema irradiante

a) Por razones diversas en el tiempo, el terreno destinado para la planta sufrió varias reducciones de su tamaño original estando a la fecha en el orden del 17 por ciento. Con ello, sucesivamente el sistema de tierra fue sacrificado inevitablemente, afectándose severamente su eficiencia.

b) La primera modificación del sistema irradiante ocurrió hace más de 10 años e implicó el cambio de la ubicación de la torre empleada como antena. Se desplazó 48 metros a una posición excéntrica y se cambió, además, el tipo de torre. Se pasó de una torre arriostrada de 117 metros con base aislada a una torre autosoportada con monopolo doblado y base aterrada. Dicho cambio trajo consigo cambios en el sistema de tierra, la unidad de sintonía y la cobertura. Poco tiempo después, ocurrieron dos reducciones más de terreno y se llegó al área actual de 3.300 metros cuadrados, pero sin modificación en el sistema de tierra.

c) Se observó que se trataba de una planta de transmisión con área reducida que no permite el uso de una mínima longitud de los radiales, que corresponde al orden de los 70 metros. Este hecho se convierte en un factor inherente congénito de ineficiencia del sistema irradiante que se ha tratado de compensar mediante el uso de un monopolo doblado. Por lo tanto, era necesario una revisión y verificación del sistema de tierra y, de requerirse, reforzarse a fin de que la ineficiencia total del sistema sea la menor posible, al margen de que se aumentase o no la potencia del transmisor.

5. Potencia de transmisión

a) Tomando como referencia los valores estimados para 10 kW con un sistema irradiante óptimo a 1 kilómetro de distancia, y considerando en un extremo el aumento de potencia de 10 a 25 kW, ello significaría un incremento del orden de 58 por ciento en la señal de onda media. Y si consideramos la cobertura con un valor de señal que permita una recepción fidedigna y de calidad de por lo menos 10 mV/m para el caso de áreas residenciales, el incremento referido a 25 kW sería 25 por ciento. Por cierto, los valores serán menores en las direcciones donde la rugosidad sea alta.

b) Sin embargo, debido a que la planta de transmisión es de un área reducida y que implica ineficiencia en el sistema de tierra, un aumento de potencia no logrará el incremento de la señal en la proporción mencionada en el párrafo precedente. Luego, el mejorar la eficiencia se torna importante antes de aplicar el aumento de potencia como una forma de solución de fuerza bruta.

c) La emisora usa desde hace más de 15 años un transmisor de estado sólido marca Omnitronix modelo OMNI-10KWA. Sin embargo, la fábrica ya no existe hace buena cantidad de años. Por esto, el equipo está desprotegido pues no existe soporte técnico, ni de partes y piezas. A fin de mantener estabilidad en el tiempo, en el corto plazo deberá ser relevado.

6. Capacidad de modulación

a) En general, los transmisores de estado sólido permiten, mediante el uso de procesadores de audio de última generación, mantener un alto promedio de modulación. Dicha cualidad se torna importante en las áreas donde la cobertura es crítica. Ello se debe a que al disponer de un mayor promedio de la señal de audio, mejorará la relación señal a ruido y con ello se producirá una sensación de aumento de la cobertura. En ese sentido debe evaluarse el procesador de audio en uso.

Debido a la necesidad de conocer detalles del sistema de tierra (el cual no estaba hecho a la medida del terreno actual), del monopolo, su unidad de sintonía y otros, se efectúo una inspección visual mediante desenterramiento donde fue necesario. La inspección acusó:

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Fig. 3Fig. 4 • Un núcleo conformado por dos anillos de forma cuadrada de cinta de cobre de 4 pulgadas, uno interior circundando la base de la torre (ver Fig. 3), que sirve de apoyo para fijar la unidad de sintonía y para fijar la colección de los ocho alambres del monopolo (ver Fig. 4), y el otro exterior debajo de una vereda que circunda las cuatro bases de la torre principal.
• Los anillos se unían con cinta de cobre de 4 pulgadas entre los puntos medios, de cada uno de los lados, en forma paralela a las caras de la torre. A partir del anillo exterior, partían enterrados 30 radiales de alambre de cobre desnudo calibre #10 AWG por cara con longitudes diversas. Las de mayor longitud eran las del lado de la cara, que miraba más terreno en la que el borde superior de su marco corresponde a la orientación N0°.

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Fig. 5

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Fig. 6

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Fig. 7 • El monopolo doblado de ocho hilos de construcción peruana empleaba su total longitud de 111 metros. En su historial existía el registro de que al inicio se relevaron todos los aisladores (ver Fig. 5) de los alambres bajantes. Los de porcelana (lado izquierdo) reemplazaron a los primigenios (lado derecho) que presentaron fuga por pérdida de aislamiento, y que ocasionaron en las proximidades interferencia en la recepción de televisión.
• La unidad de sintonía constaba de una T simple en retraso y, según su último registro de abril de 2003, los valores de su impedancia de entrada fueron:

56 + j 0,95 ohmios @ 630 kHz, VSWR: 1.12
50 - j 3,2 ohmios @ 640 kHz, VSWR: 1.07
43 - j 4,29 ohmios @ 650 kHz, VSWR: 1.19

• A pesar de haber una estación de AM operando en la frecuencia 1130 kHz con 10 kW a 283 metros de distancia, no se observó inducción significativa en la unidad de sintonía.
• La línea de transmisión utilizada era marca Andrew con dieléctrico de FOAM de 1 5/8”.
• Se encontraron en operación cuatro pozos a tierra: PT1 para referencia de los transmisores y PT2, PT3 y PT4 para tableros y subestación eléctrica. En la observación visual de la caja de registro, mostraron alta corrosión a excepción de PT4 que utilizaba barra de cobre, mientras que el resto utilizaba barra tipo copperweld (ver Fig. 6).

Establecido el panorama y diagnóstico, se procedió a los correctivos:

1. Sistema de radiales

a) Por razones diversas, el área neta de trabajo para el sistema de tierra se delimitó en 1.782 metros cuadrados con un perímetro de 195 metros, siendo el área efectiva, descontando el ambiente ubicado en la parte norte de aproximadamente de 1550 metros cuadrados (8 por ciento del original).

b) El tejido del nuevo núcleo se compuso por cuatro anillos cuadrados interconectados y conformados por cinta de cobre de 4 pulgadas por 1 milímetro. El tejido se desplegó en un área aproximada de 266 metros cuadrados, con un perímetro de 65 metros. Algunos detalles de ello se muestran en la Fig. 7.

c) El nuevo núcleo se conectó a cuatro pozos a tierra nuevos, compuesto cada uno por una varilla de cobre de 5/8 pulgadas por 2,4 milímetros colocada en forma vertical e inmersa en un cilindro de cemento conductivo de 6 pulgadas de diámetro.

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Fig. 8Fig. 9

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Fig. 10 d) Se proveyó contacto galvánico entre las planchas del anclaje de la torre y el nuevo núcleo mediante cinta de cobre de 4 pulgadas por 1 milímetro. En la Fig. 8 se muestra una de varias conexiones.

e) Todo el contorno del área de nuevo sistema de radiales se confinó mediante una cinta de cobre de 2 pulgadas por 1 milímetro (la Fig. 9 muestra uno de los contornos) a la cual concurren los radiales. Asimismo, tiene conectadas 58 varillas de 5/8 de pulgada por 1,2 metros clavadas y diseminadas en todo su recorrido.

f) En principio, se intentó preservar los radiales de mayor longitud; sin embargo, se encontró que se habían cristalizado y corroído. Eso se muestra en la Fig. 10 que contrasta partes de radiales antiguos (que acusan deterioro como si hubiesen tenido una cubierta, además de pérdida de maleabilidad) con los nuevos. Por tal motivo el sistema cuenta 100 radiales nuevos de alambre de cobre desnudo #8 AWG en longitudes variables, desde el orden de algo más de 3 metros hasta los 37 metros, aproximadamente.

2. Consecuencia

Como consecuencia de pasar el sistema de transmisión del antiguo sistema de radiales al nuevo, la VSWR en el transmisor aumentó (indicio de un cambio en la impedancia de antena @ 640 kHz). Por esto, se reajustó la unidad de sintonía mediante las inductancias de entrada y salida quedando reducida con éxito al mínimo. Los valores de la impedancia de entrada medidos quedaron en:

58 - j 3,78 ohmios @ 630 kHz, VSWR: 1.18
50 + j 0 ohmios @ 640 kHz, VSWR: 1.00
45 + j 7,80 ohmios @ 650 kHz, VSWR: 1.22

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Tabla 1

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Fig. 11 Los valores de la impedancia de antena medidos están indicados en la tabla 1.

3. Pozos a tierra existentes

a) Se rehicieron los pozos PT1, PT2 y PT3 donde se encontraron las varillas copperweld deformadas, corroídas y envejecidas (ver Fig. 11 que corresponde a la varilla extraída del PT1). Las varillas copperweld fueron reemplazadas por varillas de cobre.

Ahora vamos a ver las conclusiones de lo encontrado y resuelto.

1. Es indiscutible que la eficiencia del sistema irradiante se cuantifica mediante el uso de un medidor de intensidad de campo de onda media. Indirectamente, con ello se puede conocer el efecto que tienen las medidas correctivas y/o modificaciones en el sistema de tierra. Sin embargo, por cuestiones de presupuesto y por las evidencias del diagnóstico, se decidió el relevo del sistema de radiales.

2. A partir de los valores de la Tabla 1, se desprende que el componente resistivo (R) disminuyó de 72 (medición de junio 2003) a 58 ohmios (medición de diciembre de 2014). Esto indica que la resistencia de tierra se logró reducir en un 19 por ciento aproximadamente. Ello debe interpretarse como una mejora en la eficiencia de radiación del sistema.

3. Luego del cambio del sistema de radiales del antiguo por el nuevo, la recepción de televisión análoga en las proximidades fue más limpia que antes. Este hecho empírico refuerza la apreciación de que se ha logrado confinar la radiofrecuencia y reducir las pérdidas, entre otros.

4. Con respecto a la alternativa de aumentar la potencia del transmisor, es claro que duplicarla implicará gran inversión, más no un aumento significativo de la cobertura. Frente a ello, lo que debe evaluarse en el corto plazo es el relevo del transmisor actual a fin de mantener estabilidad en el tiempo.

5. Debe tenerse claro que toda reducción del tamaño del área para el sistema de radiales afectará directamente a la eficiencia del sistema irradiante. No hay soluciones mágicas que lo eviten. En el caso analizado, el paliativo necesario fue el uso de un monopolo doblado de ocho alambres. Los efectos son menos traumáticos si la antena de transmisión de una AM está centrada y dentro del área a servir. Con un sistema eficiente y poca potencia se logra la cobertura deseada.

Fernando Walter Saravia Villanueva es ingeniero de radiodifusión y escribe artículos relacionados a la industria desde Lima, Perú.

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