CÓMO FABRICAR UNA ANTENA RE-RADIANTE

1. INTRODUCCIÓN
    Uno de los receptores GPS más populares es el modelo de Garmin GPS12. Este es un aparato con 12 canales paralelos que nos deleitará durante mucho tiempo por la rapidez y eficacia con la que realiza los posicionamientos. En mi humilde opinión, este es uno de los mejores equipos que se pueden adquirir considerando su relación calidad/precio. Tened en cuenta de que el receptor de esta unidad, una Phase Track12, es de la misma calidad que el que poseen otros equipos mucho más costosos..
    El GPS12, así como otros equipos como los Eagles y algunos Magellans carecen de toma de antena externa, ya sea activa o pasiva. Esto no es un incoveniente la mayor parte de las veces, ya que estos equipos son capaces de adquirir posiciones en situaciones dificiles con baja visibilidad de satélites. Hay quien ha descrito que llegan a tomar posicionamientos correctos desde el asiento del acompañante del conductor. Los 12 canales son siempre una garantía.
    Sin embargo, en nuestro ánimo de complicarnos la vida (o disfrutar) con el mundo del GPS, existen ocasiones en las que nos gustaría disponer de una antena externa. Esto no es un problema si se tiene un modelo de GPS que poseen las correspondientes conexiones. Si es un problema cuando no las tenemos.
    En este documento queremos presentar el modo de construir y usar una antena externa en equipos que carecen de conectores para antenas (GPS12, Magellan 2000 y similar). En este caso la solución es fabricar tu mismo una antena re-radiante.
    Hay que destacar que para los antiguos equipos monocanales (GPS38, modelos antiguos de Magellan), esta solución es más que ideal, porque supone en todos los casos una mejora sustancial tanto en la recepción de las señales de los satélites, como en el tiempo que se tarda en conseguir los posicionamientos.

2. PRINCIPIOS BÁSICOS
  El principio básico de esta idea se basa en el hecho de que las antenas pasivas de GPS, además de recibir las correspondientes señales enviadas por los satelites, son al mismo tiempo magnificos transmisores de las señales que captan. Esta idea fue inicialmente sugerida por Dave Martindale. La idea es tan buena, y sus resultados son tan notables, que ya hay casas comerciales que venden antenas re-radiantes usando este concepto (ver Big-Brother re-radiante en www.Tri-M.com). En nuestras páginas hay una valoración de cómo funciona esta antena comercial.
      La idea original de Dave Martindale es la de construir un cable con dos antenas. Una de las antenas se dispone en el exterior y tiene como función la de recibir las señales desde los satélites. La llamaremos antena receptora. En el otro extremo del cable se dispone la antena transmisora. Esta antena transmisora, muy simple de construir, se pone en íntimo contacto con la antena interna del receptor (Dave la ha llegado a fijar con cintas adhesivas), y sirve como intermediario enviando las señales captadas por la antena receptora a la antena interna del receptor GPS.

3. LA ANTENA RECEPTORA
  Para los propósitos de este artículo, es necesario utilizar una antena receptora capaz de emitir una fuerte señal ya que el acople entre la antena transmisora y el receptor GPS no es tan bueno como el que tiene lugar con una conexión directa. Esto significa que como antena receptora es conveniente usar una antena activa. Los modelos Big-Brother y Might Mouse (www.Tri-M.com), o los de Lowe y Trimble (esta última en venta en España en www.tecnogps.com por menos de 8000 pts), son ideales porque el preamplificador que poseen tiene una elevada ganancia (mayor de 25dB). Otros modelos, como los que comercializa Garmin (GA-26, GA-27) también son perfectamente funcionales, pero su menor ganancia (13 dB) las hace menos idóneas, obteniéndose señales más débiles en el receptor. Además, son más grandes y más caras. El autor no ha usado o valorado otras antenas activas, pero asume que casi cualquiera de ellas trabajaría bien.
    Por supuesto que la desventaja de este sistema es que las antenas activas requieren alimentación eléctrica. En este artículo describiremos la construcción de una fuente de alimentación para este tipo de antenas.
    En teoría, se puede usar una buena antena pasiva como la antena receptora, pero estas antenas ven los satelites en un rango muy limitado de cobertura, y no son tan eficaces.

4. LA ANTENA TRANSMISORA
    La antena transmisora debe ser necesariamente una antena pasiva. Cualquier antena pasiva que reciba bien las señales, puede funcionar como antena transmisora. Se puede usar una antena coaxial como las que tienen los Garmins III, II, II plus, o el GPS45/48, pero estas antenas son caras de adquirir. La antena pasiva tipo W1GE (que se describirá en estas paginas) trabaja muy bien, pero es tan grande que su uso la hace incomoda.
    La antena transmisora puede ponerse en contacto directo con el receptor, y por esta razón no tiene necesidad de ser una buena antena. De esta forma podemos darle prioridad a aspectos como el abaratamiento de los costes, la simplicidad en la construcción y facilidad de montaje.

5. CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA TRANSMISORA
    El mejor diseño que el autor ha encontrado en una antena simple de un sólo búcle. Para empezar a construirla, se puede empezar usando un trozo de cable de cóbre rígido de aproximadamente 19 cm de largo. El grosor del cable de cobre no parece ser muy crítico, pero deberia ser lo suficiente grueso como para que mantenga su forma. Se puede usar indistintamente o un cable desnudo o un cable aislado con una funda de plástico, pero en este último caso debes "pelar" una zona de 1 o 2 mm de cada uno de los finales del cable.
    El cable se debe doblar para formar un bucle redondo o cuadrado, llevando cada uno de los dos extremos tan cerca del otro como sea posible, pero sin que lleguen a tocarse. La antena cuadrada se ajusta mejor al GPS. El autor ha hecho su antena pasiva como un cuadrado de forma que los dos extremos del cable se encontraban en una esquina. Pero no hay razones que impidan que los extremos se encuentren en la mitad de uno de los lados.
    Cuando hayas hecho el bucle, hay que encontrar un cable coaxial y pelarle 2 ó 3 mm de cada uno de sus extremos. El cable tipo RG-174 es ideal, porque es extremandamente fino y flexible. Pero el más fácilmente localizable (y más grueso) cable RG-58 también funcionará correctamente o incluso mejor desde el punto de vista eléctrico.
    Una vez pelado el cable, suelda el cable interno (conductor) a uno de los extremos de la antena, y en el otro extremo suelda la malla que constituye el blindaje del cable. Si piensas usar el cable en el exterior, donde hay riesgos de que se moje, lo que puedes hacer es aplicar silicona o pegamenteo epoxy a la unión de los dos cables para aislarlo.
    Lo último que debes hacer es poner un conector tipo BNC macho al otro extremo del cable. Hay dos tipos de conectores. Uno que puedes instalar tu, y que necesita que lo sueldes, y otro que se coloca con una maquina especial. Esta máquina es cara, pero a veces está disponible en las mismas tiendas de electrónica donde venden los conectores y te la dejan usar por un momento. También se puede intentar usar unas tenazas normales, pero hay riesgos de que se estropee y no se haga bien.

6. LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
    Asumiendo que has comprado una antena activa, ahora lo que debes hacer es suministrarle energía. La mayor parte de las antenas requieren 5V, y consumen entre 10 (Mighty Mouse) y 25 mA (las demás). Si vas a usar la antena activa en el campo, necesitarás que lo que fabriques sea portátil y de pequeño tamaño. Se puede utilizar un pila alcalina de 9V, ya que con los consumos de estas antenas, será posible alimentar éstas durante el mismo tiempo que nos dure las pilas en el receptor GPS.
    Tanto la corriente eléctrica que alimenta la circuitería de la antena, como las señales de radiofrecuencia (RF) que provienen de las señales recibidas por los satélites viajan a través del hilo interno de los cables coaxiales. El blindaje o malla de los cables, además de apantallar y proteger contra las interferencias, se usa como masa.
    Una fuente de alimentación para estos propósitos debe de cumplir con los siguientes requisitos:

• Debe suministrar una fuente regulada de 5 voltios a la antena receptora a partir del voltaje no regulado que provee la pila de 9 voltios.
• Debe permitir el acoplamiento entre las antenas receptora y transmisora para que puedan pasar las señales de RF desde la primera hasta la segunda.
• Debe de transmitir los 5V sólo a la antena receptora, sin que la corriente pase a la antena transmisora, ya que la antena transmisora cortocircuitaría la pila.
• Debe evitar que las señales de RF que viajan por el cable desde la antena receptora lleguen a la fuente de alimentación que suministra los 5V. Recuerda que corriente y señales RF viajan por el mismo cable.

7. ALGUNOS COMENTARIOS SOBRE EL DISEÑO

• Con este esquema se puede utilizar cualquier otra fuente de alimentación distinta de la pila, como la que proviene del encendedor del coche. En este caso, el autor (Dave) recomienda que el regulador de voltaje sea sustituido por un circuito 78L05. Este circuito impone límites de corriente (sólo 300mA frente a 1,5A o más que es capaz de suministrar el 7805). Esto evitará que el inductor (L1 en el esquema) se queme con una subida de la corriente o un cortocircuito accidental. Además, el 78L05, si se calienta demasiado, se desconecta automáticamente, asi que es moderadamente dificil de destruir. Si se va a usar la pila de 9V, se puede usar el 7805 con todas las garantías, porque la pila no proporcionará amperajes tan elevados. Alternativamente, se puede usar un 7805 cuando se usa el encendedor del coche, pero en este caso sería conveniente que en serie se colocara un fusible de 0,1A en una parte previa al circuito. No hace falta un disipador de calor para el 7805 si se va a usar una pila de 9 voltios. Si se aplica corriente desde el coche, si sería mejor colocar el disipador al 7805...
• L1 es un inductor que tiene una doble función. En primer lugar constituye la etapa del circuito que directamente proporciona los 5V a la antena receptora activa. Al mismo tiempo evita que la señal de RF que proviene de la misma antena penetre en la fuente de alimentación.
• Se compone de un cable de cobre de 0,5mm que se enrolla 6 vueltas para generar un tirabuzón de alrededor de 6mm de longitud. El diámetro interno debe ser de aproximadamente 3mm (yo he usado para enrollar el cable el tubo que contiene la tinta de un bueno, bonito y barato boligrafo BIC). Las vueltas del cable en el tirabuzón deben de estar separados entre sí por la distancia del propio cable (así conseguimos los 6 mm de longitud, ¿no?). Se puede usar de forma indistinta un cable desnudo, o un cable aislado con resina (no con plástico, que lo hace más gordo), pero en este último caso debereis limar los dos extremos del cable con una lima fina para que podais soldar éste a la circuitería
• El número de vueltas y el diámetro del cable no parecen ser críticos. Cualquier tirabuzón con una longitud similar puede funcionar correctamente. También funcionará con un cable más fino, pero entonces es más probable qe pueda quemarse dependiendo del amperaje que esteis operando.
• Este inductor debería de estar soldado directa y lo más cerca posible del pin central del conector BNC que suministra energía a la antena activa receptora. Cualquier cable que los separe constituirá un "colgajo" que no es bueno para nada.
• El condensador C1 asegura que el regulador de voltaje permanezca estable. Debe ser un condensador cerámico con una capacidad igual o superior a 0,33µF. Los condensadores cerámicos no poseen polaridad y pueden soldarse a la circuitería en cualquier posición. Si no encontrais un condensador de estas características, podeis sustituirlo por un condensador de tántalo (llamado también de gota) de 1µF. Pero ojo, en este último caso, si debeis tener en cuenta la polaridad del condensador que tendrá indicado cuál es el polo positivo y el negativo en él. No usar otros tipo de condensadores, como los electrolíticos de aluminio o similares, porque la impedancia que poseen es demasiado elevada
• Los siguientes condensadores son también condensadores cerámicos y son muy fáciles de encontrar. Poseen una capacidad de 10nF, 1 nF y 22pF, respectivamente. Tienen como función la de filtrar las señales de RF que provengan del regulador más cualquiera otra que se filtre a través el inductor L1. El usar los 3 condensadores hace al sistema más seguro.
• El siguiente condensador es crítico: Debe ser un condensador cerámico de alta calidad (con baja inductancia) comprendido entre los 47 y los 56pF. En general, los condensadores permiten pasar a través de ellos las señales de RF, pero impiden que la corriente eléctrica continua pase a través de ellos. Con esto se consigue que los 5 voltios proporcionados por la fuente de alimentación pasen sólo a la antena activa receptora, y no a la antena transmisora ya que esto provocaría un cortocircuito. Pero al mismo tiempo, este condensador permite que las señales de RF que provienen de la antena activa pasen a la pasiva. Genial, ¿no?
• La masa de todo este sistema lo representa la caja de aluminio en la debe realizarse la fuente de alimentación. Esta caja representa la masa que cierra el circuito eléctrico, y al mismo tiempo constituye la masa por la que se conectan los dos conectores BNC hembra que teneis que incorporar a ella. Es mejor no usar cajitas de plástico.
• Un aspecto importante que requiere de vuestra atención es la parte que permite el paso de la señal de RF entre los dos conectores BNC (por tanto, entre las dos antenas). Idealmente, la conexión entre los dos conectores BNC debería ser un cable con una impedancia constante de 50 ohmios soldado entre los dos pines centrales. Sin embargo, la necesidad de soldar el condesador de 47-56pF entre los dos conectores representa una interrupción que es importante limitar al mínimo. Es lo que Dave ha venido a llamar la parte del circuito que no es de 50 ohmios. Hay varias aproximaciones para arreglar este problema:
• en la foto de la fuente de alimentación provista por Carlos Puch se ve como desde un conector BNC hembra (el que está a la izquierda) se ha colocado un cable tipo RG-58. Al cable interno del final de éste se ha soldado uno de los extremos del condensador de 47-56pF, y este finalmente se ha soldado además al pin central del conector BNC hembra de la derecha. En realidad, la foto muestra que Carlos ha usado dos tipos distintos de conectores base que se pueden adquirir a voluntad. El de la izquierda requiere de unas tenazas especiales para su ensamblaje, y se identifica porque se ve el cuello metálico en la parte interior, y porque posee una muesca en el exterior que no veis en el conector de la derecha. Este tipo de conector es un poco más caro, y no requiere de ningún tipo de soldadura. El conector BNC hembra de la derecha permite que un cable coaxial pueda soldarse a él (el cable interno del RG-58 al pin central, y la malla o blindaje del mismo cable a una anilla externa que también se ve en la foto). Yo he optado por usar dos conectores BNC hembra como el de la derecha. En primer lugar porque carezco de la maquina de ensamblaje, y en segundo lugar porque no es necesario que exista ninguna conexión entre los conectores BNC y la malla o blindaje del cable RG-58. Como os he indicado, la propia caja de aluminio sirve como masa para acoplar la señal de RF entre los dos conectores BNC.
• Otra posibilidad es poner los dos conectores hembra tipo BNC tan cerca uno de otro como sea posible. Se puede optar por colocar los dos conectores en sólo una de las caras de la caja, y no en las dos opuestas como se muestra en la foto provista por Carlos. En este caso, podemos optar por olvidarnos del incluir el cable RG-58, y solo tendriamos que soldar el condensador de 45-56pF entre los dos pines internos de los conectores BNC lo más cerca posible (menos de 1,5 cm).
• Yo he optado por una solución intermedia. He colocado los dos conectores BNC hembra en una de las caras de la cajita, de manera que puedo tenerla metida en un bolsillo de donde saldrán y entrarán los cables con menos dificultad. El interruptor lo he colocado en medio de los dos conectores, y los dos conectores están unidos entre si por un cable RG58 y el condensador. Se trata siempre de minimizar la parte del circuito que no tenga la impedancia de los 50ohmios necesarios. A ver si arreglan mi Macintosh y saco una foto digital de mi cacharrito... La ayuda de Carlos Puch para hacerlo ha sido importantísima.
• Es importante colocar el interruptor, porque aún cuando la antena activa esté desconectada, ambos, el 7805 o el 78L05 os vaciará la pila si os descuidais. Generará un poquito de calor y ya está.
• No se os olvide que la circuitería debe cerrarse soldando un cable que vaya desde la masa (polo -) del circuito impreso a cualquiera de las anillas de masa de los conectores BNC, o a un tornillo de la caja de aluminio, o a cualquier cosa que esté en contacto directo con la caja... En la foto de Carlos se ve como hay un cable blanco que va desde el circuito donde están los condensadores a una anilla interior del conector BNC de la derecha.

8. PONIENDO TODO A FUNCIONAR

• Primero, conecta la antena activa (la que has comprado o te han prestado) al BNC donde has soldado el condensador y el inductor L1. Pon el cable con la antena transmisora (la que tu has fabricado) en el otro conector. Enciende el cacharro..
• Coloca la antena transmisora de cobre en el área en la que está situada la antena pasiva del conector GPS. Si has constuido una antena cuadrada, será un cuadrado de 5cm, un poco más ancho que el receptor del GPS12 o GPS38. Rota la antena transmisora hasta que consigais la mejor señal. Una vez conseguida la posición óptima, podeis optar por poner una cinta adhesiva para fijarla allí. Con la antena cuadrada funcionará mejor si los lados del cuadrado coinciden con los del GPS.
• Las señales obtenidas a través de este sistema están muy mejoradas. Las mejores resultados se obtienen cuando se usa un GPS monocanal como el GPS38 que en un GPS12 de 12 canales paralelos. De hecho, el uso de esta antena estaba inicialmente diseñado por Dave para su su uso en su GPS38.
• Hay pérdidas en el sistema, y no debería esperarse que este sistema funcione tan bien como si tuvieramos una antena activa conectada directamente sobre un equipo como el GPS12XL o similar. Pero las señales son definitivamente mejores.

9. PELIGRO Y CUIDADOS

• La antena transmisora que podeis construir realmente transmite señales, aunque son muy débiles y desaparecen en distancias cortas. Si creais una situación en la que la antena activa receptora "escucha" a la antena transmisora pasiva (como cuando acercais mucho uno a la otra), pueden originarse efectos inesperados. Uno simplemente puede disminuir la sensibilidad del sistema, pero también puede incrementar la sensibilidad. Sin embargo en este último caso puede ocurrir que creeis un oscilador de microondas en vuestro GPS que puede llegar a  destruir la etapa de RF o el preamplificador de vuestro receptor. Así que mantened alejadas ambas antenas cuando el sistema está funcionando.