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Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (11.2) El sistema radiante. El dipolo elemental y otros dipolos más largos

 

 

El contenido de esta entrada es demasiado técnico, pero para entender lo que es un monopolo sobre masa, que era el tipo de antena usado en la estación radioeléctrica Consol, es necesario conocer lo que es una antena dipolo. Este apartado puede ser saltado a efectos de conocer el sistema Consol, pero me ha parecido que si quiero exponer el tema con algo de profundidad, me veo obligado a hacerlo así. Ante el primer síntoma de pesadez en la lectura de lo que sigue, el lector tiene su plena libertad para saltárselo o para navegar por otras páginas, reconozco que es demasiado específico y condensado, pero también entiendo que si alguien llega a esta entrada mediante un buscador, ello será debido a que tiene interés en lo que aquí se describe, por lo que al final he optado por incluírlo, dado que es una pieza más dentro de la comprensión del entredicho sistema de posicionamiento. Así pues, pido disculpas anticipadas a las personas que opinen que esto sobra o que está escrito de forma inapropiada, y me decanto al final por mantenerlo. Simplemente, al que le interese, que lo lea, quien por el contrario vea que esta entrada está de más, puede pasar a leer otras entradas o simplemente teclear otra URL y navegar por otra web. Para gustos hay colores, en torno a la pluralidad gira esta página, o procuro eso al menos, y además entiendo perfectamente a los que se lo salten, porque yo ya soy el primero que lee libros de divulgación o libros técnicos saltándome algún que otro párrafo, al menos en la primera lectura, por parecerme inicialmente incomprensible. Quedan las disculpas por escrito.

Un dipolo elemental es un elemento de corriente cuya longitud es mucho menor que la longitud de onda, y por el que fluye una corriente uniforme. Aunque podría parecer un caso anómalo, en realidad muchas antenas operando en baja frecuencia tienen un comportamiento similar al mismo, por poseer sus mismas cualidades. Si se supone un hilo de densidad de corriente J = I.delta(x).delta(y) z, siendo la función delta la delta de Dirac, que es una idealización que establece que la densidad de corriente es nula salvo en el origen de coordenadas, y aplicando la ecuación del potencial vector mostrada en la anterior sección, utilizando además las aproximaciones pertinentes, se obtiene, como es lógico, un potencial vector de una única componente según el vector unitario z; pero resulta más práctico representar el resultado en coordenadas esféricas y no cartesianas, y así se obtiene una componente para el potencial vector según el vector unitario theta proporcional al seno de theta y una componente según el vector unitario phi nula. No existe componente según el vector unitario rho, porque en campo lejano esta componente según el mencionado versor unitario del sistema de coordenadas esféricas es aproximadamente nula.

 

 

De esta forma el fasor de campo eléctrico radiado, que es –j veces el producto de la pulsación por el potencial vector, también varía con el seno de theta y presenta un factor de fase que equivale a la tardanza en producirse los efectos lejos de la antena (campos) posteriormente a las causas que los originaron (corriente). Por su parte, la intensidad de campo magnético, que se escribe como el inverso de la permeabilidad multiplicado por el rotacional del potencial vector varía como el seno de theta también, pero su única componente tiene como vector unitario al versor phi.

 

 

Para calcular el diagrama de radiación de potencia, que es una representación de cómo radia una antena según cada dirección genérica dada por un ángulo theta y un ángulo phi determinados, se obtiene la parte real del producto vectorial del fasor de campo eléctrico y el conjugado del fasor de intensidad del campo magnético, que es el conocido como vector de Poynting y que da cuenta de la potencia que atraviesa la unidad de superficie en el punto genérico bajo análisis, y que como es lógico variará como el cuadrado del seno de theta con otros factores que incluyen el inverso del cuadrado de la distancia y un factor directo constituido por el cuadrado de la longitud del dipolo elemental y el cuadrado del valor eficaz de la corriente. Como desde cualquier punto a una distancia R del dipolo vemos el dipolo de la misma manera, el campo eléctrico y el diagrama de radiación presentan simetría de revolución, y además una forma similar a un toro.

 

 

Si ahora calculamos toda la potencia radiada integrando el flujo del vector de Poynting a través de cualquier superficie que encierre el dipolo y dividimos esa potencia radiada por el cuadrado de la corriente a la entrada de la antena se obtiene la resistencia de radiación de la misma, que se puede definir como aquella resistencia que colocada en vez de la antena consumiría por efecto Joule toda la potencia que radia aquélla. Cuanto mayor sea la longitud del dipolo elemental frente a la longitud de onda, mayor será la resistencia de radiación para este caso, y por tanto, más potencia se radiará, y mayor valor poseerá el fasor de campo eléctrico, y por tanto mayor amplitud el campo eléctrico instantáneo.

Todo lo hasta aquí comentado se refiere a campo lejano, es decir, lejos de la posición que ocupa el dipolo elemental. En las inmediaciones del dipolo, los campos que se obtienen se corresponden con los que produciría un dipolo eléctrico con una cierta carga en cada extremo de signos opuestos, y no varían con la frecuencia, esto es, son estáticos. Debido al carácter oscilante de las fuentes, al pasar un medio período de la corriente de excitación, se invierte el sentido de la corriente y los signos de las cargas. Como consecuencia de esto, un dipolo elemental eléctrico se comporta capacitivamente y con una pequeña resistencia de radiación. A una frecuencia de 285 kiloHerzios, un hilo de aproximadamente 100 metros es casi un dipolo elemental, siempre y cuando coloquemos en sus extremos unas superficies conductoras donde pueda almacenarse carga eléctrica. La impedancia de entrada, que es el cociente entre el fasor de tensión y el fasor de corriente a una cierta frecuencia tiene en este caso una componente de tipo capacitivo. Esto es, un dipolo elemental puede verse como un condensador abierto.

De momento me he limitado a presentar una estructura pequeña en relación a la longitud de onda, donde podemos suponer que la distribución de corriente es uniforme. Si las dimensiones de la antena no verifican tal cualidad, habrá interacciones entre todos sus elementos con retardos asociados, de tal forma que ya no se podrá aproximar la corriente por un valor uniforme. Entramos así en el terreno de las antenas dipolo.

El caso más simple de antena dipolo es la antena cilíndrica, consistente en un hilo conductor recto de longitud 2H y radio a muy inferior a la longitud de onda, al que se le alimenta con un generador en el centro. De forma experimental, se ha obtenido que la distribución de corriente para estas clases de antenas es aproximadamente sinusoidal, con valor cero en los extremos, dando así continuidad a lo no conductividad del aire. Para justificar esta distribución de corriente se puede pensar en la antena cilíndrica como una línea de transmisión de líneas paralelas que termina en circuito abierto y que vamos abriendo hasta quedar las dos líneas en posición vertical. Puesto que la línea termina en circuito abierto, aparece una onda estacionaria de corriente, con un nulo en el extremo. Dentro de las antenas dipolo tal vez el caso más común es el del dipolo en lambda/2 o dipolo de media onda, para el valor de H = lambda/4. Para este caso el diagrama de radiación es similar al del dipolo elemental, de forma toroidal, con simetría de revolución, y un haz algo más estrecho.

 El siguiente esquema representa los parámetros característicos de algunos dipolos de diferentes semilongitudes H, incluyéndose entre estos parámetros a la longitud, el ancho de haz a 3 dB, que representa aquel ángulo que subtiende el diagrama de radiación de potencia con unos valores subtendidos superiores o iguales a la mitad de la densidad de potencia radiada máxima de radiación, así como la resistencia de radiación, y la directividad, la cual es un parámetro que nos da idea del cociente entre el máximo de la densidad de potencia radiada y la densidad de potencia radiada por una antena isotrópica que radiase la misma potencia que la antena bajo análisis. Esto es, la directividad nos viene a informar de lo que concentra la radiación según la dirección de máximo una antena, comparándola con otra que radiando la misma potencia lo hiciese por igual en todas direcciones. Si extendemos este concepto para todas las direcciones tenemos una función de  los ángulos theta y phi, conocida como ganancia, que da cuenta de la relación entre la densidad de potencia por metro cuadrado en una dirección frente a la densidad isotrópica de una antena que radiase la misma potencia.

 

 

Fuente de las imágenes de esta entrada :  Antenas, varios autores, Edicións UPC.

 

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Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (11.1) El sistema radiante. Nociones básicas

 

Dedicaré un pequeño conjunto de subsecciones dentro del tema de los radiofaros Consol para introducir algunos conceptos básicos dentro del electromagnetismo, que después usaré cuando hable de las antenas del mencionado sistema de posicionamiento. Ésta no es sino la introducción dentro de este grupo de subsecciones.

Existen muchos tipos diferentes de antenas, pero básicamente se pueden reducir a dos tipos, en concreto, antenas lineales, y antenas de apertura. Y digo sólo estos dos tipos, porque en general existen muchas antenas, como por ejemplo los mástiles radiantes de la estación Consol, que pueden ser puestos en equivalencia con antenas lineales, dado que están constituidas por tramos de acero, y la dimensión física de su grosor es mucho menor que la longitud de onda, y no ocasiona una pérdida de generalidad el considerar como antenas lineales otros tipos de radiadores de mayor longitud, siempre que estén confeccionados con elementos lineales, o inclusive agrupamientos o arrays formados por conjuntos de antenas en interacción, del que es un ejemplo la tan conocida y clásica antena Uda-Yagi, usada en recepción de televisión. De este modo, no sólo son antenas lineales los clásicos dipolos, monopolos, y monopolos sobre masa –caso éste último al que pertenecen los mástiles radiantes Consol-, sino que también son antenas lineales las espiras usadas en los radiogoniómetros, las antenas rómbicas y espirales –adaptadas éstas últimas especialmente a las polarizaciones elípticas-, las espirales cónicas, los dipolos doblados, los solenoides cargados con ferrita, usados desde los comienzos de la transmisión en onda media en receptores de radiodifusión, e incluso se pueden catalogar como antenas lineales algunas de las empleadas en banda ancha, que utilizan por ejemplo una distribución logarítmica en la distancia entre elementos, antenas multibanda con distintas longitudes de los elementos y también con distancias específicas entre ellos, antenas logoperiódicas trapezoidales, usadas como alimentadores (feeders) de antenas parabólicas grandes, y un largo etcétera, en el que podemos incluir como caso llamativo las antenas con geometría fractal, como el monopolo de Sierpinski –también pensado para banda ancha-. De este modo una antena lineal es un radiador que se puede aproximar por un conjunto de líneas construidas de un material buen conductor de la corriente eléctrica, en un punto de las cuales se suministra la corriente impresa o de excitación, y que presentan una determinada geometría que condiciona ya de por sí todas sus características de transmisión-recepción.

Por otra parte, se denominan antenas de apertura a aquellos radiadores en los cuales el campo electromagnético radiado se puede calcular como una integral extendida a una cierta superficie y obtenida en base a la distribución de campo eléctrico de excitación en dicha superficie. Casos de éstas antenas son las conocidas parabólicas, tanto si las alimentamos desde el foco de la parábola; como también en la variedad Cassegrain, en la que se usa un subreflector montado en el foco de la parábola, estando el feeder en el centro de la misma y orientado al subreflector. Otros casos de antenas de apertura son las antenas de lente, o las llamadas bocinas, que no son más que precisamente aberturas con forma de embudo que dan solución de continuidad al campo eléctrico que viaja por la guía de onda y que sale por ellas al aire. Y también se usan antenas de tipo micro-strip para frecuencias de microondas.

Es decir, existe una gran variedad de antenas, cada caso particular se emplea para ciertas utilidades concretas. En otras subsecciones explicaré lo que es el diagrama de radiación, la ganancia y directividad de una antena, el ancho de banda de la misma, el ancho de haz, la resistencia de radiación, la impedancia de entrada, y la polarización. Ante un determinado caso de diseño, se trata de determinar la geometría y dimensiones de la antena para que sus parámetros característicos se aproximen a los que se necesitan para la correspondiente situación particular de transmisión-recepción.

En cálculo de antenas, a partir de las ecuaciones de Maxwell, se puede definir una magnitud de la que deriva el campo magnético radiado, que es el potencial vector. Aplicando ciertas buenas aproximaciones se obtiene, por un lado, que el fasor de campo magnético se puede poner como el rotacional del potencial vector, mientras que el fasor del campo eléctrico, en una radiación monocromática (si se excita una única frecuencia o tono de portadora) se obtiene como la pulsación multiplicada por el potencial vector y con un factor que incluye la unidad imaginaria cambiada de signo. Esto es, si somos capaces de obtener una expresión para el potencial vector A en una cierta posición alejada de la antena, seremos capaces de conocer los fasores de campo magnético y eléctrico de la onda en ese lugar.

¿Qué es un fasor?. Un fasor es un vector complejo de una o más dimensiones, tal que multiplicándolo por una exponencial compleja de pulsación w y obteniendo la parte real de dicho producto, se consigue la función temporal o señal de una cierta magnitud eléctrica, que podría ser por ejemplo una señal de corriente, un voltaje o señal de tensión, o también la expresión instantánea del campo eléctrico o del campo magnético. Es decir, podemos pensar en un fasor para cada señal que estudiemos, el campo eléctrico instantáneo llevará un fasor asociado, el campo magnético tendrá asociado otro fasor, la corriente por ejemplo de un circuito también se puede escribir en forma fasorial, etcétera… Pero los fasores tienen la limitación de que sólo se pueden emplear para pulsaciones monocromáticas, esto es, sólo podríamos usar los fasores cuando trabajamos con una única frecuencia, que sería la portadora. El caso general de una transmisión pasobanda, más aproximada a la realidad, y que es el caso más genérico posible, precisa del empleo de otro concepto matemático más sofisticado como es la envolvente compleja, que no es otra cosa que una función compleja temporal formada por un módulo dependiente del tiempo multiplicando a un factor de fase también dependiente del tiempo. Si multiplicamos esta envolvente compleja por una exponencial compleja de pulsación w (correspondiente a la frecuencia de portadora de w/(2*pi) ), y tomamos la parte real, estaremos en realidad obteniendo la variación temporal instantánea de una determinada magnitud bajo estudio, que al igual que en el caso del uso de fasores puede ser un campo, una corriente, o una tensión, pero que en este caso particular presenta la propiedad de no ser una frecuencia pura, sino el conjunto de muchas frecuencias puras actuando a la vez, y ocupando un cierto ancho de banda. Multiplicar un fasor o una envolvente compleja por una exponencial compleja de una cierta pulsación equivale a girarlo en el plano complejo con una velocidad de giro o rotación igual a la pulsación, medida en radianes por segundo.

En general, y como remate de este primer acercamiento a las antenas y al electromagnetismo, el potencial vector que necesitamos para conocer cómo funciona una antena se halla según una expresión como la que sigue:

 

 

 

En esta expresión el vector A es el potencial vector, el valor nu es la permeabilidad magnética, el vector J es la distribución sobre la superficie de la antena del fasor de la densidad de corriente, k es la constante de propagación, y R es la distancia entre el punto concreto de la antena cuyo aporte estamos considerando y el lugar donde se quiere calcular el potencial vector. El valor dv’ es el elemento diferencial de volumen por el que fluye la densidad de corriente y V’ es todo el volumen por el que circula la corriente en la antena. Así pues, esta ecuación lo que viene a expresar, es que el potencial vector es una combinación lineal formada con coeficientes complejos que multiplican a los vectores densidad de corriente de cada posición de la antena, que equivale a la suma de los elementos de potencial vector, y que se hallan por un escalado complejo del producto de la densidad de corriente impresa y el inverso de la distancia. La exponencial compleja que forma parte de los coeficientes de escalado es un término de fase que expresa la tardanza en producirse los efectos (campos electromagnéticos) en el punto de cálculo, posteriormente en el tiempo a las causas, que fueron las corrientes impresas de la antena, y que tardaron un cierto tiempo en propagarse.

En la siguiente subsección de este hilo trataré el caso particular de la radiación del dipolo elemental y de otros tipos de dipolos más largos.

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (10) Datos técnicos de las estaciones europeas

 

En esta entrada presentaré los datos técnicos concretos relativos a la transmisión que se efectuaba desde la estaciones Consol europeas en los años 1957 y 1966, a excepción de los de la estación de Arneiro que ya he publicado. Estos datos han sido extraidos de la publicación del Instituto Hidrográfico de la Marina “Radiofaros Consol –publicación especial número 2-“, en sus ediciones respectivas de 1957 y de 1966.

   

ESTACION CONSOL DE GUILLENA (SEVILLA) – (Datos técnicos de 1957)

 

Situación : Latitud 37º 31’ 17’’,44 N.   Longitud 6º 01’ 48’’,06 W.

Frecuencia :  315 KHz. (952,4 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia : 1,5 Kwatt.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo SL y raya larga durante 60 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos de 1/6 de seg. y rayas de 5/6 de seg. durante 60 segs.

Período total : 120 segundos.

Horario de emisiones : Continuo.

Sectores utilizables : Del 014º al 152º y del 194º al 332º.

 

 

ESTACION CONSOL DE STAVANGER (NORUEGA) – (Datos técnicos de 1957)

  

Situación : Latitud 58º 37’ 30’’  N.   Longitud 5º 37’ 45’’  W.

Frecuencia :  319 KHz. (940,4 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia : 1,5 Kwatt.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Señal continua e indicativo LEC durante 30 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos de 1/6 de seg. y rayas de 5/6 de seg. durante 60 segs.

Período total : 60 segundos.

Horario de emisiones : Servicio permanente.

Sectores utilizables : Del 350º al 140º y del 170º al 320º.

 

 

ESTACION CONSOL DE BUSH MILLS (IRLANDA DEL NORTE) – (Datos técnicos de 1957)

  

Situación : Latitud 55º 12’ 20’’  N.   Longitud 6º 28’ 02’’  W.

Frecuencia :  266 KHz. (1127,8 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia :  2 Kwatt.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo MWN y raya larga durante 10 ó 30 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos de 1/8 de seg. y rayas de 3/8 de seg. durante 30 segs.

Período total : 40 ó 60 segundos.

Horario de emisiones : Servicio permanente.

Sectores utilizables : Del 065º al 195º y del 245º al 015º.

 

 

ESTACION CONSOL DE PLONEIS (FRANCIA) – (Datos técnicos de 1957)

  

Situación : Latitud 48º 01’ 06’’  N.   Longitud 4º 12’ 55’’  W.

Frecuencia :  257 KHz. (1167,3 metros).

Tipo de onda : A 1.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo FRQ durante 20 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos de 1/12 de seg. y rayas de 5/12 de seg. durante 30 segs.

Silencio = 10 segs.

Período total : 60 segundos.

Horario de emisiones : Continuo, excepto de 7:30 a.m. a 7:45 a.m., que funciona para su regulación.

Sectores utilizables : Del 033º al 179º y del 213º al 359º.

Nota : Cuando funcionaba en esta fecha en período de prueba emitía la palabra TEST en lugar de su indicativo FRQ y no podían utilizarse sus emisiones en dicho perído.

 

 

ESTACION CONSOL DE GUILLENA (SEVILLA) – (Datos técnicos de 1966)

  

Situación : Latitud 37º 31’ 17’’,44 N.   Longitud 6º 01’ 48’’,06 W.

Frecuencia :  315 KHz. (952,4 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia : 1,5 Kwatt.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo SL (… .-..) durante 3,5 segs.; silencio durante 2,5 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos y rayas durante 30 segs.

c) Omnidireccional también = Silencio 2,5 segs.; raya larga 19 segs; silencio 2,5 segs.

Período total : 60 segundos.

Horario de emisiones : Continuo.

Sectores utilizables : Del 014º al 152º y del 194º al 332º.

 

 

ESTACION CONSOL DE STAVANGER (NORUEGA) – (Datos técnicos de 1966)

  

Situación : Latitud 58º 37’ 30’’  N.   Longitud 5º 37’ 45’’  W.

Frecuencia :  319 KHz. (940,4 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia : 1,5 Kwatt.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo LEC (.-.. . -.-.) durante 5,8 segs; raya larga, 19,2 segs.; silencio, 2,5 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos y rayas durante 30 seg.; silencio durante 2,5 segs.

Período total : 60 segundos.

Horario de emisiones : Continuo.

Sectores utilizables : Del 350º al 140º y del 170º al 320º.

 

 

ESTACION CONSOL DE BUSH MILLS (IRLANDA DEL NORTE) – (Datos técnicos de 1966)

  

Situación : Latitud 55º 12’ 20’’  N.   Longitud 6º 28’ 02’’  W.

Frecuencia :  266 KHz. (1127,8 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia :  2 Kwatt.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo MWN (– .– .-) y raya larga durante 8 segs.

b) Emisión de orientación = Puntos de 1/8 de seg. y rayas de 3/8 de seg. durante 32 segs.

Período total : 40 segundos.

Horario de emisiones : Continuo, excepto de 16:00 a 16:15 diariamente y de 11:00 a 12:00 los miércoles.

Sectores utilizables : Del 065º al 195º y del 245º al 015º.

 

 

ESTACION CONSOL DE PLONEIS (FRANCIA) – (Datos técnicos de 1966)

  

Situación : Latitud 48º 01’ 06’’  N.   Longitud 4º 12’ 55’’  W.

Frecuencia :  257 KHz. (1167,3 metros).

Tipo de onda : A 1.

Características de emisión :

a) Emisión omnidireccional = Indicativo FRQ (..-. .-. –.-) dos veces.

b) Emisión de orientación = Puntos de 1/12 de seg. y rayas de 5/12 de seg. durante 30 segs.

Período total : 40 segundos.

Horario de emisiones : Continuo, excepto de 7:30 a.m. a 7:45 a.m., que funciona para su regulación.

Sectores utilizables : Del 033º al 179º y del 213º al 359º.

Nota : Cuando funcionaba en esta fecha en período de prueba emitía la palabra TEST en lugar de su indicativo FRQ y no podían utilizarse sus emisiones en dicho perído.

 

Como se puede observar, a tenor de los datos que aquí se hallan, cada una de las estaciones Consol de Europa varió al transcurrir el tiempo sus características intrínsecas de transmisión, lo cual es lógico, ya que este hecho se corresponde con los reajustes que se hacen en cualquier sistema técnico a lo largo de su vida útil, y las estaciones Consol no fueron una excepción a esto.

Para ya culminar con esta entrada, inserto a continuación un mapa extraido de un libro extranjero de mediados de siglo, en el que se recoge una representación de las coberturas de cada una de las estaciones Consol europeas, exceptúando la de la estación de Ploneis (Francia), y por supuesto sin tener en cuenta las estaciones que funcionarían años más tarde con esta misma tecnología. Se puede observar en este mapa que quedaban muy pocas zonas en el Atlántico Norte a las que no llegara la señal de al menos dos estaciones. Era imprescindible el recibir en alta mar la señal de dos estaciones, ya que con la señal de una no bastaba. Así como con los sistemas Decca y Loran, que ya he tratado en su día, era suficiente recibir distintas ondas parejas a distintas antenas dentro de la misma estación, sin embargo el sistema Consol sólo proveía de una línea de demora por medida/estación, y para llevar a cabo el emplazamiento de la ubicación se necesitaban al menos dos líneas de demora, que se intersecaban en el mapa en el lugar de la posición del navío, submarino o avión. Por otra parte, también se puede observar en el dibujo, así como en los datos expuestos, que existían sectores no utilizables para cada estación, a pesar de que su señal sí llegaba físicamente a esas zonas. En estos sectores, que se correspondían con ángulos pequeños en relación a la dirección de alineamiento de las tres antenas de la estación, no se debía usar la información extraida de la recepción de la señal, dado que una diferencia o imprecisión pequeña en la medida de la cantidad de puntos (o rayas) hasta el momento de equiseñal y después del mismo, que no era infrecuente por determinarse ambos números mediante  la audición de la  onda demodulada,  significa un mayor error en relación a la posición real en esta zona si comparamos ese error con el que se produciría con igual audición en las posiciones del receptor no próximas a la dirección de alineamiento de las antenas.

 

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (9) El transmisor

   

  

Siguiendo con la serie de artículos dedicados al sistema radioeléctrico Consol, en el presente apartado trataré la filosofía del sistema transmisor, el cual en la estación de Arneiro (Cospeito) se hallaba emplazado en uno de los edificios ubicados a menos de 200 metros de la antigua (ahora ya no existente) antena central.

La misión del transmisor del sistema Consol era la de generar la señal de corriente de alta potencia que debía ser “colocada” en cada uno de los tres mástiles radiantes.

La operación del sistema Consol se basaba en dos partes diferenciadas, en la primera de las cuales –funcionando como baliza omnidireccional- sólo transmitía la antena central, emitiendo el indicador Morse de la estación modulando a la portadora, mientras que en la segunda parte –en la que se generaba la señal de orientación- una señal CW sin modular –que sonaría como un pitido continuo en un receptor- se aplicaba a la antena central, al tiempo que a la misma señal se le sometía a un programa doble de desfasaje, para generar así las dos señales de los mástiles radiantes extremos.

En esa segunda parte de transmisión de señal de orientación, la antena central emitía un tono de portadora, vibrando en la estación de Arneiro dicha portadora a la frecuencia de 285 KiloHerzios. Ahora bien, si empleamos este mismo tono de portadora sin modular en los tres mástiles radiantes, no obtendríamos el diagrama de radiación de rotación lenta de un radiofaro. Para ello, y de acuerdo con el dibujo de más arriba, la antena central emitía la portadora sin ninguna modificación en su fase en dicha fracción de tiempo de orientación (segunda parte) eso sí con una potencia que era doble a la de las antenas laterales (esto es, una amplitud de señal aproximadamente cuádruple). Al mismo tiempo, la portadora era sometida a un régimen de desfasaje compuesto de dos partes, para la cual existían sendos circuitos. Primeramente a la señal sin modular se le practicaba un desfasaje brusco periódico P por saltos de 180º, generando así dos señales retardadas en esa cantidad, y después se les añadía además un desfasaje D continuo que variaba entre 0º y 180º. De este modo se obtenían dos señales diferentes entre las cuales mediaba un retardo (o desfase) de acuerdo con el régimen doble, y que eran aplicadas a las antenas de los extremos. El desfasaje resultante variaba, pues, con una forma parecida a la hoja de una sierra. El régimen de tipo P con saltos bruscos era el responsable de que al sintonizar en alta mar el receptor con los 285 KHz., en este caso, de Consol de Arneiro, se oyesen puntos más fuertes entre los que había rayas más débiles o viceversa, y al considerar dicho régimen combinado con el régimen continuo D lo que se obtenía es que la envolvente de los puntos iba creciendo y la de las rayas decreciendo (o viceversa) hasta hacerse iguales en el instante de equiseñal.

¿Por qué se hacía esto así?. La razón de que se añadiera ese desfasaje variable y periódico (con periodicidad de 1 minuto para las estaciones de Arneiro, Sevilla y Stavanger y tiempo de permanencia de las tres señales con idéntica fase –momento en que el régimen P generaba 180º y el D generaba 180º- de un sexto de segundo), será explicada con una analogía física en el siguiente párrafo.

Supongamos tres personas alineadas, separadas entre sí –cada dos consecutivas- por una cierta distancia igual, que saltan a la misma frecuencia de repetición en un lago grande de suficiente profundidad. Si el salto entre las tres personas es siempre síncrono, esto es, tocan el agua en el mismo instante los tres, cada una de las tres personas generará la misma onda esférica plana, y el resultado total de la triple acción humana en cada punto del lago resultará ser la suma de cada contribución particular. Ahora bien, para cada dirección particular considerada desde el saltador central, los tres frentes de onda llegarán con distintas fases, con lo cual la interferencia que crearán según cada dirección tendrá diferente amplitud, pues el resultado de sumar vectorialmente en el plano complejo los tres fasores puede dar un fasor resultante de mayor módulo que cada uno de los tres por separado, o podría ser también de menor módulo que el máximo módulo de dichos tres fasores, el primer caso sería una interferencia constructiva y el segundo caso sería una interferencia destructiva; y en general dichos tres fasores pueden aparecer según combinaciones de diferentes estados de vibración parejos a distintos ángulos de fase aunque sus amplitudes sean aproximadamente iguales-. De este modo, como en la dirección perpendicular a la de alineamiento entre las tres personas, las tres ondas llegan al frente de onda con la misma fase, esto es, en el mismo estado de vibración, debido a que en esa dirección los retardos de cada una hasta llegar al frente de fase son idénticos en una posición lo suficientemente alejada de los saltadores, se deduce que según esa dirección, y en campo lejano, las tres ondas se suman sin más, dando lugar a la interferencia más constructiva que puede existir, según la cual las tres amplitudes de vibración se suman tal cual para dar la amplitud resultante.

Supongamos ahora que entre los instantes de salto de las dos personas extremas, utilizando la central como referencia, aplicamos los dos regímenes de desfase comentados. Como hablar del desfasaje entre dos señales es equivalente a hablar del retardo que media entre ellas, lo que sucederá es que los tres saltadores sólo saltarán síncronamente en el sexto de segundo en el que el régimen P aporta 180º y el régimen D también 180º, y en el que permanecen las tres ondas transmitidas con la misma fase. Considerando sólo el régimen D, en el intervalo temporal del primer medio minuto el primer saltador será el primero en saltar, seguido del segundo saltador por un tiempo cada vez mayor, y siendo esa diferencia temporal la suplementaria de la que hay entre el segundo y el tercero saltadores. Cuando se llega a la mitad del tiempo de operación, existe igualdad de retardos hasta los dos saltadores. Después de este instante, el desfase con respecto al tercer saltador seguirá disminuyendo y con respecto al primero aumentando. Pero si consideramos aditivamente a esta disposición el régimen brusco P, obtendremos unos desfases que se superponen al lineal, y que se disponen al transcurrir el tiempo de forma casi simétrica antes del punto medio con relación a después del punto medio, por lo que a partir de ese medio minuto se tendrá una onda casi simétrica a la del medio minuto inicial (salvo por que ahora serán los símbolos que tenían mayor amplitud los que tendrán menos y viceversa), todo esto observado desde la recta perpendicular a la alineación de saltadores.¿A qué da lugar esta disposición de retardos temporales?. En cada configuración particular instantánea de retardos, en un momento dado del doble régimen, las tres ondas planas esféricas de los tres saltadores se sumarán tal cual (en fase) en una determinada dirección, en general diferente de la dirección perpendicular. Además, como es lógico, habrá solución de continuidad espacial y temporal en la dirección así establecida, como es de esperar dado que la disposición instantánea de retardos también varía suave y continuamente en el tiempo. Por lo tanto, la dirección de interferencia totalmente constructiva o de máximo valor de la onda total irá girando. En realidad todo lo que aquí he dicho debe ser ampliado, ya que habrá más direcciones de máxima interferencia que una, dado que todas aquellas direcciones en que las tres ondas llegan con desfases de múltiplos de 360º, equivalentemente retardos múltiplos del periodo de repetición de saltos, también darán lugar a interferencias totalmente constructivas en campo lejano (se habla de campo lejano en radiación de ondas refiriéndonos a lugares lo suficientemente alejados de la estación transmisora como para que ahí las ondas esféricas puedan ser consideradas como planas). Por lo tanto, lo que se tiene en realidad es un conjunto de líneas de máxima amplitud que van girando alrededor, con variación continua angularmente entre ellas, dando lugar a algo parecido a un faro.

 

 

Si ahora aplicamos esta analogía al sistema radiante formado por las tres antenas, con su régimen de desfasaje implícito, habremos conseguido en realidad un radiofaro, con un cierto número de lóbulos girando a la misma velocidad en torno a la estación transmisora. En el anterior esquema se representa el régimen de desfasaje brusco y periódico P.

A continuación se detallan los datos técnicos relativos a la transmisión que se efectuaba desde la estación Consol de Arneiro en los años 1957 y 1966, extraidos de la publicación del Instituto Hidrográfico  de la Marina “Radiofaros Consol –publicación especial número 2-“.

 

 

ESTACION CONSOL DE ARNEIRO (LUGO) – (Datos técnicos de 1957) 

 

Situación :  Latitud 43º 14’ 53’’,29 N.  Longitud 7º 28’ 55’’,89 W.

Frecuencia : 285 KHz. (1052,6 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia : 1,5 Kwatt.

Características de emisión :

a)   Emisión omnidireccional = Indicativo LG (.-.. –.) y raya larga durante 60 segs.

b)   Emisión de orientación = Puntos de 1/6 de seg. y rayas de 5/6 de seg. durante 60 segs.

Período total : 120 segundos.

Horario de emisiones : Continuo.

Sectores utilizables : Del 019º al 157º y del 199º al 337º.

 

 

ESTACION CONSOL DE ARNEIRO (LUGO) – (Datos técnicos de 1966) 

 

Situación :  Latitud 43º 14’ 53’’,29 N.  Longitud 7º 28’ 55’’,89 W.

Frecuencia : 285 KHz. (1052,6 metros).

Tipo de onda : A 1.

Potencia : 1,5 Kwatt.

Características de emisión :

a)   Emisión omnidireccional = Indicativo LG (.-.. –.) durante 5,0 segs.; silencio 2,5 segs.

b)   Emisión de orientación = Puntos y rayas durante 30 segundos.

c)   Omnidireccional también = Silencio 2,5 segs.; raya larga 17,5 segs.; silencio 2,5 segs. 

Período total : 60 segundos.

Horario de emisiones : Continuo.

Sectores utilizables : Del 019º al 157º y del 199º al 337º.

 

 

Para ya finalizar esta entrada, se representa una “fotografía” de un corte horizontal del diagrama de radiación en un instante determinado de la rotación lenta del mismo.

 

 

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (8) Generalidades técnicas de Consol y otros sistemas hiperbólicos

 

   

 

El sistema de posicionamiento Consol se engloba dentro de los sistemas de posicionamiento hiperbólicos. Los sistemas más conocidos de este tipo fueron fundamentalmente tres, a saber, el sistema Decca, el sistema Loran y el que aquí me ocupa, el Consol. El hecho de que reciban este nombre de hiperbólicos deriva de la filosofía implícita en la recepción de las señales. La característica común de los sistemas hipérbolicos es que la diferencia de fases o de tiempos entre señales emitidas desde antenas diferentes de la misma estación, en el momento de su recepción, sirve para determinar la línea de demora que media entre el receptor y la estación emisora, o al menos una de las posibles –como sería en el caso de Consol-. Como es lógico y sobradamente conocido, el lugar matemático espacial en el que la diferencia de distancias a dos puntos diferentes se mantiene constante es un hiperboloide de revolución. Pues bien, si entre una antena y el receptor la onda sin modular (CW) tarda x segundos, y si entre otra antena de la misma estación y el mismo receptor tarda x + y segundos, la diferencia entre ambos tiempos, esto es, y segundos, o respectivamente, entre ambas fases, lleva parejo un determinado hiperboloide de revolución, lugar geométrico en el que el receptor arrojaría la misma medida. Por lo tanto, se sigue inmediatamente de esto que una medida basada en un único par de antenas no sería operativa, por dar lugar a ambigüedad. Es estrictamente necesario conocer una aproximación a la línea de demora mediante radiogoniometría, y disponer de otro hiperboloide de revolución que se corte con el primero en algunos puntos entre los cuales se halla el de la verdadera posición del receptor. Entre esas medidas se resuelve el problema de la ambigüedad. Esto se podía hacer empleando distintas escuchas con relación a distintas estaciones, o bien, como sucede con Decca y Loran, con diferentes medidas obtenidas en relación a distintos pares de antenas dentro de cada estación. 

 

 

El sistema Decca estaba basado en estaciones emisoras –o cadenas Decca- formadas normalmente por tres o cuatro antenas, ubicadas en diferentes lugares relativamente próximos entre sí y formando una figura geométrica que podía variar. La filosofía del sistema Decca de cuatro antenas se basaba en que una de las antenas iba asociada al transmisor maestro, que emitía una onda continua –esto es, CW- a determinada frecuencia. Las otras tres antenas recibían esa señal, y esa señal recibida era procesada por un conversor de frecuencia que la multiplicaba por una determinada relación, pasando esa señal a ser transmitida, despúes de amplificarla, en cada antena esclava. Por lo tanto, como se deduce de esto, no se transmitía la misma portadora en las cuatro antenas, ya que ello las haría indistinguibles en el receptor. Como la diferencia de fase entre la portadora maestra y una de las señales esclava es en recepción dependiente de la diferencia de distancias que han recorrido ambas ondas, así como de la frecuencia empleada en la antena maestra y del factor que relaciona la onda emitida en cada par maestra-esclava, al final esa diferencia de fase, o de tiempos de propagación, podía ponerse en relación directa con un determinado hiperboloide relativo a cada par maestra-esclava, y arrojaba un valor numérico de diferencia de fase que podía ser llevado a un sistema de presentación. El sistema de presentación de Decca consistía en tres marcadores con forma de reloj, uno para la diferencia Rojo, otro para la diferencia Verde y otro para la diferencia Morado. Cada reloj estaba asociado a un par de antenas maestra-esclava, de tal modo que en la antena receptora se recibían tres ondas a tres distintas frecuencias, y la diferencia de fase entre cada par de ondas se representaba en cada uno de los tres relojes. Cada uno de los tres relojes recibía pues un par de señales que eran transformadas en frecuencia por dos factores diferentes en dos ramas circuitales distintas, para ponerlas a ambas en la misma frecuencia, tras lo cual se medía la diferencia entre sus fases, con un discriminador de fase, y ese resultado pasaba después al reloj correspondiente. Por lo tanto, como cada reloj iba asociado a un hiperboloide diferente, la intersección de los tres lugares geométricos arrojaba -en un mapa convenientemente marcado con las hipérbolas- la posición del navío o avión donde se hallaba el receptor, en relación a la estación emisora.

 

 

El sistema Loran también se basaba en la filosofía hiperbólica, sólo que en este caso cada estación estaba formada únicamente por tres antenas separadas entre sí -aunque en algunos lugares se construyeron cuatro-, en las cuales un tren de pulsos con un cierto intervalo de repetición modulaba una onda continua. Entre la transmisión de cada par de antenas se añadía además un cierto retardo. El sistema de lectura consistía en un receptor que alimentaba un tubo de rayos catódicos (TRC), que al recibir las ondas desfasadas entre sí correspondientes a la recepción de cada par de antenas, dibujaba en pantalla –si la recepción era la adecuada y no había otros ecos- dos pulsos separados por un cierto tiempo. Este tiempo de diferencia daba idea del hiperboloide parejo a cada par de antenas y la intersección entre los dos hiperboloides daba la posición del navío. También se podían usar estaciones Loran diferentes para ver la intersección de las líneas de demora correspondientes.

 

  

 

El sistema de posicionamiento Consol, el que se empleaba en la estación radioeléctrica de Arneiro, se basaba en modular tres ondas continuas de la misma frecuencia –una por antena dentro de la estación, la cual tenía tres antenas- mediante una variación temporal de sus desfases recíprocos, añadiendo un desfasaje entre las dos antenas de los extremos variable y periódico en el tiempo y formado por una parte en forma de tren de pulsos cuadrados de 180 grados de amplitud más otra parte variando en forma de diente de sierra. De este modo, gracias al desfasaje variable de las tres señales emitidas en las tres antenas, se lograba un patrón para el diagrama de radiación con varios lóbulos que iban girando alrededor desde el momento de inicio de cada barrido. Para una ubicación genérica en relación a una determinada estación emisora, había momentos en los que las dos ondas y la del mástil central llegaban las tres perfectamente enfasadas, dando lugar a que en ese instante la amplitud entre puntos y rayas fuera máxima; momentos en los que estaban enfasadas las ondas extremas pero en contrafase con la onda central, dando lugar a una amplitud entre rayas y puntos máxima; y momentos en los que las dos ondas extremas estaban en fase y a su vez desfasadas 90º en relación a la central, momento de equiseñal; con todos los  momentos intermedios entre ellos con variación continua. Esto por lo que respecta a la amplitud de la señal demodulada, pero en relación a su forma, resulta lógico el saber que en el instante de equiseñal (amplitud intermedia), las dos señales de las ondas extremas, alternando puntos y rayas, con parte real nula de ambos fasores, daría lugar a una onda demodulada constante, porque en ese momento sus fasores tenían un valor de más/menos la unidad imaginaria, arrojando un resultado intermedio al combinarlas con el fasor de la estación central; mientras que antes o después de la equiseñal serían los puntos (o respectivamente rayas) los que prevalecerían porque los fasores de las ondas de los mástiles extremos formarían ángulos suplementarios para las dos en el momento del punto (o respectivamente raya) y posición simétrica de los fasores en el momento de la raya (o respectivamente punto) -simetría respecto al eje imaginario con los fasores por debajo del eje real-, con ángulo distinto a 90º, con respecto al fasor de la onda central. Eso tendría la consecuencia de que uno de los signos se oiría más fuerte que el otro, dando lugar a puntos fuertes intercalados con rayas débiles antes de la equiseñal; y otro tanto ocurriría después del instante de equiseñal si cambiamos la palabra “puntos” por la de “rayas”, con lo cual para cada ubicación concreta el operador de radio oía primero un determinado número de puntos (o de rayas) seguido después de otro determinado número de rayas (respectivamente de puntos). Esta descripción se correspondería con cada ciclo completo de señal de orientación, aunque en una posición determinada de escucha la señal recibida podría comenzar su evolución en cualquiera posición del mismo. Se ha escrito la palabra “viceversa” en varios lugares, porque dependiendo de donde se halle el receptor, oirá primero las rayas más fuertes que los puntos o al revés. Operativamente, gracias a esos dos números de puntos con rayas inapreciables y rayas con puntos inapreciables, anteriores y posteriores respectivamente a la equiseñal, pareja a las sucesivas diferencias de fase de ambas antenas extremas, al ir barriendo los haces el espacio, se podía llevar a cabo la obtención de la línea de demora en relación a la estación que se estaba escuchando, para lo cual el operario podía recurrir a planos debidamente señalizados con la posición de la estación y las líneas rectas que salen de ella en todo su alrededor, que no son sino aproximaciones de las hipérbolas verdaderas. Es por esto que el sistema Consol no podía emplearse en las proximidades de cada estación, dado que en dichas proximidades las hipérbolas no son aproximables por rectas y tienen una notable componente curva, lo que origina una mucho mayor imprecisión. Esto ya condicionaba de por sí el emplazamiento que debía elegirse para las estaciones, que como es lógico no se situaban justo en la costa sino tierra adentro. Antes de cada barrido la antena central de la estación emitía una onda continua modulada con un código Morse identificador de la estación, además de la propia portadora sin modular, señal que se propagaba ciertos segundos antes del inicio del barrido. Esta señal isotrópica de baliza no direccional servía para que el operario del navío o del avión buscase la dirección de mínimo de recepción con el radiogoniómetro –instrumento empleado para determinar una aproximación a una línea de demora con respecto a un cierto transmisor que sintonizamos-. De este modo se obtenía una aproximación a la línea de demora, que era empleada después de recibir la sucesión de puntos y rayas de la segunda parte de la transmisión –o parte Consol de la señal- para eliminar las ambigüedades inherentes a este sistema. Esto sucede porque el hecho de emitirse varios lóbulos que se van moviendo por cada lado tiene como consecuencia que en diferentes lugares muy distantes entre sí se puede escuchar exactamente la misma secuencia de puntos y de rayas, y gracias a la aproximación obtenida con el radiogoniómetro en la recepción de la señal NDB –Non Directional Beacon- se podía discernir verdaderamente en cual de los radiales se hallaba el navío. Por lo tanto, si con una estación obtenemos un radial o línea de demora, es necesario al menos el escuchar otra estación después para determinar el punto de corte de ambas. Esto no era problema, dado que en Europa existieron estaciones Consol en Arneiro, en Sevilla, en Ploneis, en Stavanger, durante la II Guerra Mundial, y aditivamente en Bush Mills y muchas otras ubicaciones del mundo ya después de la confrontación. 

  

  

 

En las imágenes mostradas en esta entrada se pueden apreciar gráficamente diferentes aspectos relativos a los sistemas hiperbólicos, en concreto sólo he colocado imágenes de los sistemas Decca y Loran, puesto que Consol lo trataré con más detalle en lo sucesivo. En la primera imagen se advierte la representación del corte de los hiperboloides con la superficie terrestre, que da lugar como es sabido a hipérbolas -en realidad no son estrictamente hipérbolas, ésto sucedería si intersecáramos los hiperboloides con un plano, pero en realidad dichos hiperboloides se intersecan con una figura muy parecida a un elipsoide de revolución (el planeta)-.  Se representan diferentes hipérbolas parejas a diferentes diferencias de fase medidas en dos de los decómetros o relojes de presentación de Decca (había tres relojes de presentación o decómetros, pero bastaba con la medida de dos de ellos para averiguar la posición). Se observa como las dos curvas cuyas diferencias de fase características (una curva para cada diferencia), que han sido medidas, se cortan en un punto, que sería el lugar en el que se hallaría el navío. La segunda imagen representa el discriminador de fase a válvulas de vacío, las cuales operaban como diodos, que se empleaba para suministrar la señal a los decómetros. La tercera imagen es una fotografía que muestra la apariencia real de los decómetros. La penúltima imagen representa la obtención de la posición mediante el sistema Loran, y finalmente la última imagen es una fotografía del sistema de recepción y presentación de Loran, en la que se puede ver una pequeña pantalla que era marcada con el haz de electrones de un tubo de rayos catódicos. Las fotografías han sido tomadas del libro de mediados de siglo titulado “Radar and electronic navigation”, del autor G.J.Sonnenberg. 

   

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (7) Fotografias de antes de la caida

  

 

 

Reproduzco aquí algunas fotografías de la antena central de la estacion Consol de Arneiro (Cospeito), algún tiempo antes de su caída. Actualmente no ha quedado nada de ellas.

 

 

Se pueden observar perfectamente las riostras que sujetaban a la torre desde varias direcciones, la cual levitaba cuando había viento, puesto que en el suelo estaba simplemente apoyada, y eran estos tirantes los que impedían su caída.

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (6) Datos biográficos de Ernst Kramar

 

A Ernst Kramar se le debe la implementación de lo que se conoció como sistema de posicionamiento Consol.

Nació en Klazno el 15 de junio de 1902, un pueblo próximo a Praga (actual República Checa). Sus estudios universitarios consistieron en ingeniería eléctrica en la ciudad de Praga, entre los años 1920 y 1925, en una universidad entonces llamada Deutsche Technische Hochschule. En el año 1926 se graduó como Doctor Ingeniero por el Barkhausen Institute (Universidad Técnica de Dresde). Comenzó entonces su verdadera andadura profesional.

En el año 1927, Ernst Kramar entró en la empresa C. Lorenz AG (Berlín), compañía anterior a SEL (Standard Elektrik Lorenz). En aquella época se dedicó a resolver diferentes problemáticas en torno a la radio, pero no empezó a resaltar como ingeniero hasta que en 1932 usó frecuencias de la banda VHF con fines de radionavegación, desarrollo que recibió el nombre de Lorenz Landing System, del cual el actual ILS usado en aeropuertos es una mejora, del mismo modo que las balizas VOR, las cuales dan gran información de navegación a los pilotos.

En la Segunda Guerra Mundial, Ernst Kramar trabajó en técnicas de rádar y fue jefe de desarrollo de sistemas de radio en Pforzheim y Stuttgart.

En colaboración con los demás ingenieros de las compañías en las que trabajó, fueron desarrolladas un gran número de patentes, más de 85, lo que le valió un gran número de méritos y premios, tales como la Lilienthal Medal (1937), la Medalla de Oro de la Asociación Alemana para la dirección y navegación (Deustche Gesellschaft für Ortung und Navigation), y la Gran Cruz de la Orden del Mérito Nacional de la República Federal Alemana (1969).

Como resumen de todo esto, se podría decir que Ernst Kramar fue un reconocido científico que se adaptó a diferentes regímenes políticos durante su vida y que colaboró con el desarrollo técnico de Alemania, lo cual le valió múltiples condecoraciones. Sus desarrollos se han mantenido vigentes para el bien de los navegantes ya después de la Segunda Guerra Mundial, y han supuesto una inmensa aportación a la tecnología de las comunicaciones en el siglo XX.

 

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