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| CONCEPTOS BASICOS SOBRE ANTENAS - COMENTARIOS - |
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Radioaficion
MAR DEL TUYU
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¡Volvamos a lo básico sobre las antenas!
Extractado y adaptado de un artículo publicado en la «Guía de la Radioafición 1999» de Xavier Paradell*, EA3ALV * Re acción CQ Radio Amateur, para el uso en la "Escuela Dominical del Radioaficionado (EDRA)",
por Wolf Baron, TI2 / HR1BY
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Se ha publicado y divulgado hasta la saciedad y en todos los idiomas, que la antena es el elemento más importante de una instalación de radio. Para establecer un QSO con otro corresponsal solo existe una dirección preferente hacia la cual se debe enviar la energía de RF. El éxito de una antena dada y en una instalación determinada puede no repetirse en otra localización, donde no existan el cúmulo de circunstancias que determinan el comportamiento global del sistema de antena. O sea que, en definitiva no es fácil aconsejar sobre cuál es el mejor sistema de antena en cada caso particular. Pero sí es posible emitir algún juicio sobre características garantizadas de algunos sistemas de antena.
Algunas ideas fundamentales
Antena.
Una antena es un circuito eléctrico formado por autoinducción, capacidad y resistencia, cuyas dimensiones son de orden comparable a la longitud de onda correspondiente a la frecuencia de la corriente alterna de alta frecuencia que lo atraviesa. La longitud de onda viene dada por la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la frecuencia de la señal. De ahí deducimos, por ejemplo que la longitud de onda correspondiente a una señal de radio de 30 MHz es de 300.000 dividido entre 30.000 o sea, igual a = 10 m de longitud.
Radiación.
Cuando las corrientes de alta frecuencia (RF) circulan por un circuito cuyas dimensiones son de orden comparable a la longitud de onda equivalente - digamos mayores que 0,1 longitudes de onda- la energía presente en el circuito puede «escapar» por radiación y el circuito se convierte en una antena. Obsérvese que en la mayoría de las antenas el circuito eléctrico aparece como «abierto» para un óhmetro y, sin embargo, permite la circulación de corriente de RF.
Antena resonante. Una antena adquiere su máxima eficiencia radiante cuando es resonante; es decir, cuando la combinación de la inductancia y capacidad de los conductores que forman el circuito resuenan eléctricamente a la frecuencia de trabajo. Eso se produce en un conductor aislado cuando se le aplican o inducen en él corrientes de alta frecuencia tales que supongan una onda de longitud doble a su longitud física; se dice que estamos en presencia de una antena de media onda. Así pues, un conductor extendido, aislado y de una longitud de 20 m resonará, de forma natural, a una frecuencia tal que genere una onda de 40 metros. A las antenas se las puede hacer resonar, además, a frecuencias armónicas, de la principal (doble, triple, etc.), posibilitando el funcionamiento de las mismas como «multibanda».
Campo electromagnético.
La circulación de corriente de alta frecuencia por una antena da lugar a una radiación de energía de RF, como hemos dicho. Esta energía radiada crea un campo electromagnético formado, como su nombre sugiere, por un campo eléctrico y otro magnético entrelazados y perpendiculares entre sí y que se reparten entre cada uno la energía efectivamente radiada. La intensidad de ese campo depende de dos magnitudes: la longitud por la que circula la RF y la intensidad de ésta.
La intensidad de la corriente de RF y por lo tanto el campo creado son máximos cuando la antena es resonante a la frecuencia de trabajo, como se ha dicho antes. El campo electromagnético se propaga por el espacio a la velocidad de la luz, y su intensidad, que se mide en voltios por metro (V/m) disminuye con el cuadrado de la distancia.
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Antena receptora.
Inversamente al caso de la antena emisora, la presencia de un conductor aislado en un campo electromagnético da origen a tensiones de RF en ese conductor; estamos ante una antena de recepción. Al igual que en la antena de emisión, la cantidad de energía recogida (absorbida) del campo electromagnético depende, además de la intensidad del campo, de la longitud del hilo conductor sometido a ese campo, pero también de la posición del conductor respecto de los ejes del campo y, al igual que en la antena de emisión, el rendimiento y la energía recogida son máximos cuando la antena es resonante. En algunas antenas específicas para recepción, sin embargo, se busca precisamente la condición contraria; es decir, que sean «antirresonantes» aunque el nivel de las señales útiles obtenidas sea más bajo, porque ello puede mejorar la relación señal/ruido.
Polarización.
La energía presente en el campo electromagnético se desplaza desde el punto de origen, expandiéndose alrededor del mismo y debilitándose a medida que se aleja del emisor. Según la posición que ocupe en el espacio el conductor de la antena por el que circule la corriente de RF, el campo eléctrico creado tendrá su eje en dirección vertical, horizontal o inclinada, dando lugar así a un campo polarizado en esa dirección. Las antenas verticales generan, pues, campos polarizados verticalmente.
Diagrama de radiación.
La energía de RF se expande hacia el espacio pero no lo hace con igual intensidad en todas direcciones, a menos que usemos una antena que presente un diagrama de radiación perfectamente esférico; esa antena teórica se denomina isotrópica. Las antenas prácticas radian -y reciben- preferentemente en unas direcciones determinadas, mientras que en otras presentan muy poca radiación. Una antena de media onda formada por un hilo rectilíneo y situada en el espacio libre, radia la mayor parte de la energía en dirección perpendicular al hilo y esa radiación disminuye a medida que el ángulo de salida se aproxima al hilo, llegando a cero en la misma dirección del hilo.
Una representación gráfica de la intensidad relativa de la radiación en el espacio se denomina diagrama de radiación y, en el caso de la antena dipolo de 1/2 onda, tiene la forma de un «donut» con su orificio central igual al diámetro del hilo.
Ello nos lleva a considerar dos tipos de diagrama de radiación, uno en el plano horizontal otro en el plano vertical. La antena de media onda presenta un diagrama horizontal en forma de «ocho» y emite y recibe por igual y en dos sentidos, en una dirección perpendicular al hilo. El diagrama vertical de una antena determina la cantidad de energía que se envía con el ángulo de salida adecuado para el circuito a cubrir.
Ganancia de una antena.
Se entiende por ganancia de una antena el incremento en la potencia radiada aparente que se experimenta en una dirección dada, a expensas de una reducción en otras direcciones. Una antena real radia preferentemente en una o varias direcciones determinadas. La ganancia de una antena se mide por comparación con la potencia que sería necesario aplicar a una antena patrón para producir, en la misma dirección y a igual distancia, un campo electromagnético de la misma intensidad. La antena patrón con la que se compara una antena real puede ser bien una antena isotrópica ideal, bien un dipolo de 1/2 onda aislado en el espacio. La diferencia entre ambos patrones es de 2,4 dB a favor del dipolo en la dirección más favorecida.
Monopolos y dipolos.
Se puede leer en alguna publicación la palabra «monopolo» referida a la antena vertical con un solo elemento activo. Aunque aparentemente y en su aspecto mecánico, algunas antenas consten físicamente de un solo elemento (que ese sería el sentido del término) consideradas eléctricamente siempre se encuentran dos elementos, aunque uno de ellos pueda ser estructuralmente distinto del otro, e incluso no aparecer claramente definido, como ocurre en una antena vertical instalada en la estructura metálica de un vehículo, que actúa como el segundo elemento de un dipolo; a los «monopolos» habría que llamarles mejor, dipolos asimétricos. Un buen ejemplo de dipolo asimétrico es la popular antena vertical de 1/4 de onda con plano de tierra artificial.
Antenas verticales y horizontales.
Esta es una primera clasificación que no puede abarcar la totalidad de los tipos posibles de antena. Hay antenas que no son ni verticales ni horizontales, como las antenas en L invertida, en T, las slopers, etc., que participan en cierto modo de las características de ambas. Agrupamos algunas antenas bajo esas clasificaciones genéricas atendiendo a la posición de sus alambres o conductores radiantes. El campo eléctrico está en la dirección del hilo y, por lo tanto, la denominación vertical u horizontal se aplica también a la polarización del campo eléctrico producido. Las antenas verticales radian uniformemente alrededor del horizonte, producen campos polarizados verticalmente y tienen, por lo general, ángulos de salida bajos que las hacen adecuadas para cubrir larga distancia en HF, o para ser utilizadas en áreas urbanas en VHF y UHF. Las antenas horizontales generan campos electromagnéticos polarizados horizontalmente, radian preferentemente en dirección perpendicular al conductor y su ángulo de salida depende mucho de su altura respecto al suelo. Una antena horizontal a baja altura y por efecto de la reflexión de la onda en el suelo, envía la mayor parte de la energía hacia arriba. Recordar que la altura de la antena se debe entender en longitudes de onda.
Antenas de aro.
Una antena que está ganando creciente popularidad entre los radioaficionados y que había tenido su principal aplicación en sistemas militares y de radiogoniometría es la antena de aro magnético. Está constituida por una o varias espiras sintonizadas a resonancia en la frecuencia de trabajo. Si bien para propósitos de recepción sus dimensiones no son críticas y pueden hacerse de reducido tamaño, cuando se las quiere utilizar para emisión es preciso aumentar su tamaño hasta que su diámetro sea del orden de un 5 % o mayor que la longitud de onda. Por lo general, la energía de RF se aplica y recoge del aro inductivamente. Una antena de ese tipo ocupa relativamente poco espacio y, dotada de un sistema de giro, puede resultar muy efectiva para eliminar ruido e interferencias y con ella se pueden conseguir contactos muy interesantes.
Distribución de tensión e intensidad a lo largo de una antena. Si el hilo de la antena fuera infinitamente largo, tanto la tensión de RF en cada punto como la intensidad circulante irían variando según una ley senoidal decreciente, que daría máximos de intensidad cada media onda cada vez menores, hasta llegar a cero en el extremo, debido a las pérdidas por radiación. Pero las antenas reales no son así. En una antena de 1/2 onda, alimentada por su centro y resonante, la intensidad tiene su máximo en el centro y es cero en cada extremo. Y con la tensión ocurre a la inversa, la tensión máxima se da en los extremos de la antena. En una antena vertical de 1/4 de onda, la mayor intensidad se da en su base, mientras que el extremo presenta un máximo de tensión. Si la antena es resonante y más larga que una longitud de onda, se la denomina genéricamente un hilo largo y en él la distribución de tensión y corriente se ajustan a las medias ondas que pueda contener.
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Plano de tierra.
El rendimiento las antenas verticales con plano de tierra, depende mucho de las características de éste. La energía de RF circula tanto por la resistencia de radiación de la antena (que es la que genera el campo radiado) como por la resistencia parásita del sistema de tierra, que produce sólo pérdidas. Estas resistencias quedan efectivamente en serie y la energía total se reparte entre ellas. Es fácil de ver, pues, que un circuito de tierra con una resistencia de pérdidas de valor parecido al de la resistencia de radiación de la antena de 1/4 de onda representa una gran pérdida de la energía total aplicada. El sistema «clásico» de plano de tierra consiste en una serie de conductores de un 1/4 de onda dispuestos en círculo alrededor del pie de la antena y enterrados. Un sistema alternativo y que proporciona excelentes resultados es instalar entre 20 y 40 radiales levantados respecto al suelo, de forma que la capacidad entre éste y el plano de tierra absorba la corriente de base.
Impedancia de un sistema de antena.
Toda antena es un circuito resonante y, como tal, contiene autoinducción y capacidad, además de cierta resistencia. Por ello, y excepto en las frecuencias de resonancia (que pueden ser más de una), donde las reactancias inductiva y capacitiva se cancelan entre sí, quedando sólo la resistencia, casi siempre aparece alguna reactancia residual además de la resistencia y se usa el término impedancia (combinación de las tres magnitudes) para designar la resistencia resultante. El valor de la impedancia en el centro de un dipolo de 1/2 onda en el espacio es de 72 ohmios a su frecuencia de resonancia. Este es el valor de la resistencia de radiación del dipolo. En una situación real, cerca de la tierra, la impedancia en el centro del dipolo de 1/2 onda es algo inferior (entre 40 y 60 ohmios). La antena vertical de un 1/4 de onda con plano de tierra, que es a modo de medio dipolo presenta en su base una impedancia de 36 ohmios (mitad de 72). Otras configuraciones de antenas u otros puntos de alimentación sobre una misma antena pueden dar lugar a valores de impedancia muy distintos.
Alimentación de las antenas.
Los valores de tensión e intensidad relativas a lo largo de una antena varían entre amplios márgenes, y de ello se deduce que la resistencia aparente de la antena será distinta según cuál sea el punto de alimentación escogido. Así, se puede alimentar una antena en tensión por un punto en que ésta sea elevada, o hacerlo en corriente si se escoge un punto distante 1/4 de onda del anterior. El cable coaxial que se utiliza comúnmente para alimentar las antenas tiene una impedancia característica de un valor entre 50 y 100 ohmios, así que frecuentemente se procura escoger la geometría y el punto de alimentación de las antenas de forma que su impedancia caiga en esa gama de valores. El cable más grueso presenta menores pérdidas y es por ello recomendable en las bandas de frecuencia más elevadas. Una línea casera que da muy buenos resultados, aunque incómoda de instalar, es la llamada línea abierta formada por un par de conductores paralelos, espaciados entre 70 y 100 veces su diámetro y mantenidos en posición por separadores aislantes.
Ondas estacionarias.
La transferencia de energía entre el transmisor, la línea de alimentación y la antena se realiza de forma eficiente si la impedancia de los tres elementos es la misma. Si los valores de impedancia de la antena y su línea de alimentación no coinciden, la energía que alcanza la antena es parcialmente reflejada hacia la línea y aparecen en ella la suma y resta de esas señales en forma de ondas estacionarias; es decir, hay puntos en los que el valor de la tensión o la intensidad son distintos de los que resultarían de la potencia aplicada a una carga de impedancia igual a la de la línea.
La presencia de ondas estacionarias en la frecuencia de trabajo de un sistema radiante, por sí misma, no significa que la antena no esté resonando en la frecuencia de trabajo, ni que no pueda funcionar eficientemente, sino que responde sólo a una desadaptación entre la antena y la línea que la alimenta. Algunas antena prácticas y muy eficientes (G5RV, Zeppelin o Levy), operan con valores de ondas estacionarias relativamente elevados, pero se procura reducir los efectos de esa desadaptación mediante redes adaptadoras de impedancia, llamadas comúnmente acopladores de antena.
Medidores de ROE (swr).
La medida del grado de desadaptación del sistema antena-línea se efectúa mediante los medidores de la Relación de Ondas Estacionarias (ROE), que son esencialmente vatímetros (o voltímetros) de RF direccionales que miden las potencias (o tensiones) de RF sobre la línea debidas a la energía que viaja hacia la antena y la reflejada que regresa hacia el transmisor. De la relación entre los niveles de ambas energías -la de «ida» y la de «vuelta»- se deduce el valor de la ROE. Los medidores voltimétricos proporcionan el valor de la ROE por comparación entre un nivel de referencia de la tensión «de ida» (para lo cual debe tararse el voltímetro correspondiente) con la que provee la energía «de vuelta» o reflejada. Ambos tipos de medidores se taran para un valor específico de impedancia de línea (usualmente 50 ohmios) y sus indicaciones sólo son válidas cuando se les usa sobre una línea de esa impedancia.
Antenas prácticas
La elección de la antena a instalar en una situación determinada depende de un gran número de factores. Desde un simple alambre extendido entre las azoteas dos edificios vecinos hasta complejas estructuras sobre una torre giratoria, las configuraciones posibles son muy numerosas, y el aficionado debe escoger la que más se acomode a sus posibilidades y necesidades. En los edificios urbanos, donde frecuentemente el espacio es restringido, el trabajo en HF puede iniciarse con una antena vertical con algunos «radiales» como plano de tierra, que puede proporcionar buenos contactos, aunque las antenas de este tipo son susceptibles de captar más ruido eléctrico ambiental que los dipolos horizontales. En VHF y UHF, ha de ser generalmente factible hallar en un edificio un punto donde instalar una antena vertical eficaz o incluso una pequeña directiva con un rotor al extremo de un mástil.
La antena dipolo de 1/2 onda.
Desde el punto de vista eléctrico y considerando la fiabilidad de predicción de su comportamiento, la facilidad en procurarse los materiales necesarios y su economía, la antena dipolo de media onda alimentada por el centro es la opción que debería considerar en primer lugar el radioaficionado aprendiz.
Una antena horizontal de media onda, despejada y elevada por lo menos un 1/4 de onda sobre cualquier obstáculo, proporciona buena cobertura para distancias cortas y medias y es capaz de dar alguna agradable sorpresa en distancias largas. La longitud total de una antena dipolo de hilo es algo menor que la correspondiente a la media onda en el aire debido al efecto puntas de los conductores (capacidad del hilo más los aisladores extremos). Así pues, una antena para la frecuencia de 21,175 MHz (centro del segmento de fonía para EC) debería tener unos 6,85 m. Un dipolo del mismo tipo para el segmento de CW de la banda de 40 metros (7,025 MHz) mide 20,64 m. Las medidas anteriores son válidas suponiendo que el diámetro del conductor empleado es muy reducido comparado con la longitud de la onda a radiar. Si el conductor de la antena es grueso se debe aplicar un factor de reducción. El diagrama de radiación vertical de un dipolo depende grandemente de su distancia al suelo y de las características de éste, lo cual explica en parte las enormes diferencias de comportamiento de antenas aparentemente iguales, situadas en lugares distintos.
La antena vertical de 1/4 de onda.
El más conocido dipolo asimétrico es la antena de cuarto de onda con plano de tierra artificial, conocida como ground plane. El plano de tierra se simula mediante varios «radiales» de un cuarto de onda extendidos por debajo del elemento radiante vertical y conectados a la malla del cable de alimentación. La práctica demuestra que en HF 30 o 40 radiales de un 1/4 de onda y separados del suelo proporcionan excelentes resultados. En VHF y UHF, donde por lo general las antenas verticales se instalan a cierta altura sobre el suelo, el número de radiales puede ser mucho más reducido. Con los radiales en ángulo recto respecto al elemento radiante, la impedancia de la antena es de 36 ohmios. A medida que los radiales forman un ángulo más obtuso respecto al·elemento radiante, la impedancia del sistema aumenta. La antena vertical mínima debe tener un 1/4 de onda eléctrico, lo que no significa que tenga la longitud física de una cuarta parte de la longitud de la onda a transmitir. La longitud física de una antena autorresonante para las bandas de onda más larga -y especialmente en la banda de 160 metros-, puede ocasionar problemas mecánicos para su sustentación de modo que, en general, se la hace menor a la teórica de 1/4 de onda y aún funciona bastante bien. Las antenas verticales cortas se «alargan» artificialmente bien añadiéndoles una inductancia en la base o una capacidad en el extremo superior.
El dipolo en V invertida.
Cuando el espacio disponible no permite extender el dipolo horizontalmente en toda su longitud, se puede adoptar la configuración de las antenas dipolo en V invertida, que son una buena solución y que presenta incluso algunas ventajas frente al dipolo horizontal. Esta antena se instala utilizando un solo mástil, que la sustenta por su centro o suspendida de una driza. Con un ángulo de 90º entre las ramas en el vértice, esta antena presenta un diagrama de radiación prácticamente omnidireccional, ángulos de salida bajos y una impedancia próxima a los 50 ohmios, que la hace apta para ser alimentada con cable coaxial.
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Antenas para espacios reducidos.
Para las bandas de 80 y 160 metros, en muchas ocasiones no es materialmente posible extender un dipolo de media onda. Es preciso entonces, tratar de acomodar las ramas de la antena al espacio disponible, doblándolas en el plano horizontal o decidirse por una antena vertical. Combinando varios procedimientos es posible construir antenas cuya longitud física sea la mitad o aún menos de la que teóricamente le correspondería y aún así ser muy eficientes. No es infrecuente, por ejemplo, ver antenas dipolo rígidas para la banda de 40 metros cuya longitud total no supera los 10 m. Con todo, no hay que olvidar que cualquier reducción de tamaño de una antena comporta inevitablemente una reducción del ancho de banda útil, así como un descenso del rendimiento total debido, entre otras cosas, a las pérdidas acumuladas en los elementos añadidos.
Antenas cortas con inductancias.
Uno de los procedimientos usuales para «alargar» eléctricamente las antenas comporta el uso de inductancias en sus ramas. El cálculo del valor y posición de esas inductancias es bastante complicado para hacerlo manualmente por lo que deben usarse programas de ordenador que lo resuelven con buena exactitud. No es válida la simplificación de acortar la antena simplemente arrollando el exceso de hilo sobre un soporte cualquiera formando una bobina; la inductancia necesaria de esa bobina depende de la posición que ocupe sobre el dipolo y de la longitud total de éste, así que sería sólo casualidad acertar con todas las variables.
Antenas cortas con cargas lineales.
Otro método de reducir la longitud física de las antenas, manteniendo la resonancia y ofreciendo una resistencia de radiación conveniente y bajas pérdidas, es el uso de las llamadas cargas lineales, consistentes en plegar sobre sí mismo parte del conductor de la antena; el cálculo de las dimensiones de esa configuración es muy complejo y debe realizarse con la ayuda de un programa de ordenador.
Antenas cortas con carga capacitiva.
Un tercer procedimiento para «alargar» artificialmente una antena es añadir capacidad al extremo de la misma. Esta capacidad está compuesta por lo general por una red de conductores (cruz, polígono, etc.) conectada al extremo del conductor que se quiere alargar eléctricamente. Un medio para añadir carga capacitiva a un mástil radiante vertical es utilizar una sección de los vientos superiores, que se conectan eléctricamente al vértice del mástil, formando las aristas de un polígono cónico. Si la reducción de longitud es considerable, una antena de ese tipo presenta una baja resistencia de radiación, que complica asimismo el problema de las pérdidas del sistema de tierra.
Antenas dipolos multibanda.
Un dipolo resuena, además de en su frecuencia natural, a frecuencias múltiplos de aquella; a ciertas frecuencias, la impedancia en el punto de alimentación hace que la ROE resultante sea muy elevada. Es posible, sin embargo, hacer resonar una antena en varias bandas manteniendo su impedancia en valores próximos a la del cable coaxial haciendo uso de «trampas» de onda, que dividen eléctricamente la antena en varios tramos, cada uno de los cuales, añadido al anterior, hace resonar a la antena en una banda determinada. Las trampas de onda actuan prácticamente como un interruptor a su frecuencia, aislando las secciones subsiguientes de la antena. A una frecuencia inferior, la tranpa presenta reactancia inductiva, alargando así eléctricamente la rama. Es posible combinar los distintos valores de forma que la antena resuene en dos o más bandas con una impedancia adecuada para ser alimentada con cable coaxial. Una popular antena de ese tipo es el dipolo para dos bandas (típicamente para 80 y 40 metros) que desarrolló W3DZZ hace ya muchos años. En el número 180 (diciembre 1998) de CQ Radio Amateur y en su página 24 se incluye un excelente artículo de G. Murphy, VE3ERP, que ofrece varias antenas multibandas con trampas LC, ya resueltas.
Otra popular antena multibanda es la desarrollada por John Varney, G5RV, de la cual se han desarrollado varias versiones, cortas y largas, que no es difícil de construir y debería ser ensayada por todo radioaficionado.
Antenas para VHF y UHF.
Dada la menor longitud de onda de las señales de VHF y UHF, las dimensiones de las antenas básicas (dipolo, vertical con plano de tierra, etc.) son proporcionalmente menores y por ello mismo en esas bandas son posibles formaciones de mayor ganancia, con múltiples elementos, que resultarían inviables en las bandas decamétricas.
Antenas verticales para V-UHF. Una sencilla antena vertical de 1/4 de onda con plano de tierra artificial puede proporcionar buenos resultados en un entorno urbano. Inclinando los radiales hacia abajo se logra rebajar el ángulo de radiación y elevar la impedancia hasta los 50 ohmios convenientes para alimentarla con cable coaxial. Combinando varias antenas verticales con sus elementos «en línea» se obtiene la antena denominada colineal, con la que se logran mayores prestaciones al concentrar la energía en un menor ángulo vertical, de forma que no se desperdicia energía hacia lo alto.
Comercialmente se ofrecen antenas de este tipo que resultan prácticas y convenientes de instalar, tanto en situaciones fijas como sobre un vehículo. La comunicación en VHF o UHF a través de repetidores (analógicos o digitales) se efectúa exclusivamente en FM y utilizando polarización vertical, por lo que las antenas verticales omnidireccionales ofrecen una excelente solución para repetidores relativamente cercanos.
Antenas direccionales para V-UHF. Cuando se desea incrementar el alcance de la estación en VHF o UHF es necesario optar por una antena direccional, fija o acoplada a un rotor. Dadas las dimensiones relativamente reducidas de estas antenas, incluso con múltiples elementos, es factible mejorar sustancialmente el alcance de un equipo sin necesidad de apelar a amplificadores utilizando antenas direccionales.
Lo siento, la frase se hace pesada, pero es tan cierta como recurrente: la antena es tan importante o más que el transceptor. De poco servirá el mejor modelo del mercado si la antena no está a la altura de las circunstancias. Aunque bueno, tampoco se trata de enchufar el Hallicrafters del abuelo a una antena cúbica de seis elementos en el concurso CQ WW DX, puede morir en el intento... cada etapa de una estación ha de satisfacer unos mínimos.
Por otra parte, en épocas de alta actividad solar, con un dipolo y 5 W en bandas altas (14 a 28 MHz) se puede llegar a cualquier punto del globo. Eso sería impensable en momentos como el actual, con un raquítico flujo solar rondando el valor de 75, incluso desde la mejor de las estaciones. En cualquier caso, a mejores medios de que disponga una estación, menor su dependencia de la propagación.
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Antenas omnidireccionales multibanda
Son antenas de compromiso entre sus ventajas y limitaciones. Ideales para una primera toma de contacto con las HF sin comprometerse demasiado económicamente. Si uno ve más adelante que esto es lo suyo, siempre estará a tiempo de pasar a una direccional.
Sean de polarización vertical o bien horizontal, son antenas de fácil montaje e instalación. Algunas requieren un ajuste de sintonía no muy complicado, los fabricantes suelen dar unas instrucciones de sintonización y/o montaje muy precisas.
Su principal atractivo es la versatilidad, la capacidad de proporcionar acceso a múltiples bandas. Son una buena elección para aquellos que no quieran olvidar ninguna banda de HF, sin grandes pretensiones. Las hay que cubren todas las bandas de 160 a 6 metros, WARC incluidas. Otro punto a favor es que son económicas.
En cambio, su ancho de banda y eficiencia de radiación son limitados en las bandas de frecuencias más bajas. Una vertical multibanda de, pongamos 8 m de altura, a efectos de radiación será en la banda de 160 metros un elemento de 0,05 longitudes de onda, muy lejos del cuarto de onda que casi completa en 40 metros; equivaldría a otra vertical de 50 cm de altura para la banda de 10 metros. Por otra parte, sus anchos de banda en 80 metros suelen ser de decenas de kilohercios (kHz), lo que dificulta disponer simultáneamente de los segmentos de CW y SSB.
No obstante, como bien saben los aficionados al DX en bandas bajas, una vertical (aún y siendo multibanda) con un buen plano de tierra de verdad (y no aquellos radiales resonantes acortados) da buenas sorpresas, gracias a su bajo ángulo de radiación vertical.
Para conseguir funcionamiento multibanda se ha recurrido durante muchos años a insertar componentes reactivos en las antenas: bobinas, o condensadores de dieléctrico sólido, o ambos en paralelo (trampas resonantes, de acuerdo con la idea de W3DZZ, que actúan de «interruptor» a su frecuencia de resonancia).
Las antenas que logran el funcionamiento multibanda (entendiéndose por tal en este párrafo que presentan aproximadamente 50 ohmios en múltiples bandas), implementando las reactancias mediante otros sistemas en vez de trampas, tienen todas en sus publicidades un denominador común: insisten enfáticamente en las pérdidas óhmicas que introducen las trampas, y en la posibilidad de que se quemen con potencias elevadas, o de que la sección de tubo de aluminio que las contiene se llene de agua. De todos modos, al leer la letra pequeña de esos anuncios, en algún caso se ve que incluyen bobinas, que suponen pérdidas óhmicas como las bobinas y condensadores de las trampas; eso sí, cuando incluyen condensadores los implementan mediante cargas capacitivas con dieléctrico de aire; es decir, prácticamente sin pérdidas (como esas aspas o «sombreros» en las puntas de algunas antenas).
Para menores pérdidas, lo mejor son cargas lineales en vez de bobinas, y capacidades con dieléctrico de aire en vez de dieléctrico sólido. Ambas suponen en teoría una mejora en el rendimiento de la antena respecto las mencionadas trampas, aunque en cualquier caso la diferencia en la práctica no será dramática. Hay estupendas antenas multibanda que hacen uso de trampas, y que no se puede decir que sean «chatarra» al lado de las otras.
Antenas direccionales para HF
Trabajar con direccionales es descubrir una nueva dimensión. Pero una direccional ya supone un desembolso importante, requiere una infraestructura más complicada. Hay que sumar los costes de antena, torre y arriostrado, rotor, obra, instalador, cables de bajada, etc. También precisan más dedicación por nuestra parte, más tiempo para mantener el conjunto de antena, torre, etc. en condiciones. Aún y con todo, son la elección para quien haya hecho todo lo que podía hacer con su dipolo o vertical y pretenda avanzar en el mundo del DX.
La publicidad de antenas direccionales debería especificar (y no siempre es así) si las cifras de ganancia vienen en dBd, o sea decibelios respecto dipolo de media onda, o bien en dBi, que son decibelios respecto radiador isotrópico, aquél que radia por igual en todas direcciones (es una referencia de ganancia dado que presenta ganancia = 0 dB, misma razón por la que no existe en la realidad, es sólo un modelo teórico). dBi = dBd + 2,1.
Determinar el diagrama de radiación de una antena, su ganancia y su F/B (relación frente/espalda) con un error menor de 1 Db requiere caros y prolongados ensayos, y no todos los fabricantes de antenas disponen de esas posibilidades. No todos emplean los mismos procedimientos para medir las características de sus productos, ni los mismos criterios para reflejarlas en cifras, hay disparidad. Por ejemplo, los hay que promedian la ganancia a lo largo de una banda, otros se quedan con el máximo valor medido, y otros dan la curva de ganancia a lo largo de la banda.
En situaciones reales, la relación F/B es a menudo tan importante como la ganancia, y también hay que tener en cuenta el ancho de banda, y esos tres factores interactúan entre sí a la hora de diseñar una antena: si una antena se ha diseñado maximizando alguno de los tres, es a costa de empeorar los otros dos. Por ejemplo, máxima ganancia implica reducir F/B y ancho de banda. Eso se ve muy fácilmente con los programas de diseño de antenas por ordenador.
El comprador debe evaluar las inclemencias que la antena va a tener que soportar; en zonas de fuertes vientos o nevadas, quizás le interese gastar más en una antena físicamente robusta, antes que en otra más económica pero que se va a partir con la primera ventada de otoño.
La Yagi multibanda es la antena direccional mayoritaria y satisfactoriamente empleada en las estaciones activas en DX.
Yagi multibanda con elementos multirresonantes
A continuación, algunos factores a tener en cuenta al analizar la publicidad de este tipo de antenas.
Con tal de obtener funcionamiento multibanda, hacen uso de trampas resonantes o bien de otros dispositivos; a este respecto vale lo dicho en el apartado de antenas omnidireccionales multibanda.
Supóngase la típica Yagi para 20, 15 y 10 metros de tres elementos que intervienen todos en las tres bandas, mediante la inclusión de circuitos resonantes. Hasta aquí de acuerdo. Pero los espaciados óptimos entre elementos son diferentes para cada banda, dependen de la longitud de onda, de modo que el espaciado adoptado será un compromiso entre los de las tres bandas. Así, la antena presentará máxima ganancia y un diagrama de radiación más próximo al ideal en la banda central, los 15 metros. Los espaciados resultarán excesivos en 10 metros y cortos en 20. El diagrama de radiación de la antena y su ganancia serán diferentes en cada banda. O sea, una antena de compromiso entre su propiedad multibanda y el desigual comportamiento en cada banda.
El número de elementos que actúan en cada banda no tiene por qué coincidir con el total de elementos; por ejemplo, en un diseño de antena tribanda de cinco elementos incluido en el Radio Amateur Antenna Handbook, en 20 y 15 metros funcionan tres elementos, y únicamente en 10 metros intervienen los cinco. Es interesante conocer exactamente cuáles son los elementos que actúan en cada banda para analizar sus espaciados, que nos darán una idea del comportamiento de la antena según la banda.
A mayor número de elementos, habrá más elementos que por diseño no resuenen en todas las bandas: algunos actuarán en tres, dos o incluso en una sola banda, con lo que el diseño se acercará más al ideal para cada banda, será más «personalizado» para cada una, alejándonos de la situación descrita anteriormente para tres elementos.
Es más correcto decir que la ganancia de una Yagi depende de su longitud (la de su boom o soporte horizontal) antes que del número de elementos, existe una estrecha relación entre ambas magnitudes: centrándonos en la ganancia como parámetro de análisis, para un número de elementos determinado existe una longitud óptima de soporte que dará la mayor ganancia obtenible con esos elementos. Un ejemplo: si en un diseño optimizado de Yagi monobanda de cuatro elementos, añadimos un quinto elemento y redistribuimos los cinco sin alargar el soporte, el aumento de ganancia no será perceptible, dado que al poner el quinto elemento sin alargar la antena nos alejaremos de los espaciados óptimos. Si en aquel mismo diseño ideal lo que modificamos es el largo del soporte sin poner ni quitar elementos, las características de la antena se verán perjudicadas.
Algunas antenas Yagi para bandas altas (entre 20 y 10 metros) incorporan un elemento para 40 metros. De acuerdo con la experiencia acumulada, ese dipolo rotativo es realmente mejor que la habitual V invertida, que presenta menores directividad y eficiencia de radiación, debido a la cancelación mutua de los campos generados por sus dos ramas y a su proximidad al suelo.
número de elementos 2 - 3 - 4 - 5 - 6
ganancia (dBd) 5 - 7,5 - 9 - 9,5 - 10 |
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En HF, 1 dB de diferencia apenas tiene importancia, a menos que se trate de señales débiles; 3 dB realmente se notan, y 6 dB ya es mucho.
Yagi log-periódica.
De las antenas empleadas por los aficionados, la Yagi es la que da mayor ganancia por área. Al incrementar el número de elementos su ganancia aumenta, pero a su vez disminuye el ancho de banda de la antena: impedancia, ganancia, relación F/B y relación de rechazo lateral variarán más a lo largo de la banda, empeorarán más rápidamente al alejarnos de la frecuencia de diseño. O sea, la antena se vuelve más crítica.
La ventaja de la Yagi log-periódica es que conserva esas características aproximadamente constantes en un amplio margen de frecuencias, siendo habituales diseños comerciales con entre 5 y 15 elementos que cubren de 6 a 12 MHz, o de 13 a 30 MHz, o bien de 7 a 30 MHz. Está formada por un conjunto de dipolos resonantes a distintas frecuencias conectados en paralelo, de los que estarán activos unos u otros según la frecuencia de operación.
Un inconveniente de esta antena es que, debido al elevado número de elementos que requiere para conseguir el elevado ancho de banda, será considerablemente más larga que una Yagi que tenga la misma ganancia.
Yagi entrelazada.
Puede describirse como monobandas para diferentes bandas compartiendo un mismo boom, resonando así cada elemento en una sola banda. Esa es su ventaja, la ausencia de circuitos resonantes, aunque ello requiere mayor número de elementos.
Antenas cúbicas.
No existe tanta oferta comercial de cúbicas como de Yagi, el mercado se adapta al hecho de que es una antena bastante menos difundida entre nosotros que la Yagi, sobre la que tiene algunas ventajas:
- A igualdad de número de elementos, la cúbica presenta unos 2 dB más de ganancia.
- Mayor ancho de banda y sintonía más fácil.
- La cúbica presenta un menor ángulo de radiación que la Yagi cuando se montan a baja altura.
- Menores peso y radio de giro.
Por contra, hay que decir que la cúbica es un objeto de tres dimensiones, más difícil de manejar, y menos resistente al viento y al hielo que la Yagi.
Antenas direccionales monobanda.
Muy pocos pueden permitirse el disponer de una direccional para cada banda de HF, aparte del tiempo que requiere mantenerlas todas en condiciones. Son las empleadas en concursos por las más destacadas estaciones multioperador, incluso varias de esas antenas enfasadas. No me atrevo a decir que una Yagi multibanda no pueda rendir casi o en la práctica como una monobanda, pero a igualdad de elementos activos no podrá funcionar mejor que una monobanda full size (sin elementos acortados); por otra parte, las monobandas presentarán un mayor ancho de banda en este último caso, debido a la ausencia de cargas capacitivas o inductivas en sus elementos.
Entre los/las diexistas activos en 40 metros son relativamente comunes las Yagi de dos elementos acortados, suponen una increíble mejora respecto la V invertida. No tan comunes son las Yagi de tres y hasta de cuatro elementos full size, o las cúbicas de dos elementos, todas insuperables, y de las que existen modelos comerciales. Para 80 metros se comercializan antenas Yagi de hasta tres elementos, para quien tenga el espacio suficiente y no resida cerca de un aeropuerto.
Rotores
Básicamente existen tres tipos de rotores. En primer lugar tenemos los más ligeros y económicos, capaces de hacer girar pequeñas antenas de VHF, o como mucho una monobanda de tres elementos para 10 metros en zonas de poco viento. No disponen de freno ni de retención, por lo que en presencia de viento, antena y rotor girarán fuera de control, y si el viento es lo bastante fuerte, el rotor se averiará sin posibilidad de reparación.
El siguiente nivel lo componen los rotores de mayor potencia de giro, que incluyen un freno que mantiene la antena en una posición fija cuando el rotor no es alimentado desde el control remoto, en previsión de que el rotor se averíe en días de viento. Pueden hacer girar una direccional tribanda o una monobanda para 20 metros, ambas de hasta cinco elementos, así como soportar fuertes vientos. Los rotores menos costosos dentro de esta gama tienen un freno discoidal, y los más caros un freno con corona dentada de acero.
El tercer tipo son rotores más pesados y potentes, capaces de hacer girar prácticamente cualquier cosa al alcance de un aficionado, como un conjunto de direccionales enfasadas, o grandes direccionales monobandas para 40 u 80 metros.
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Torres
Las torres de menor tamaño suelen estar hechas de aluminio, lo cual les presta mayor ligereza. Las torres más grandes y de más calidad están construidas con acero galvanizado. La calidad del galvanizado puede variar de un fabricante a otro† y determinará que el óxido haga su aparición antes o después. Se debe vigilar la formación de óxido, lijando y repintando allá donde aparezca, y comprobando que no genere puntos débiles en la torre que puedan dar lugar a una fractura, por ejemplo en juntas de soldadura.
Las torres con partes móviles (telescópicas, abatibles o giratorias) requieren además un mantenimiento preventivo basado en periódicamente lubricar cables, poleas y bisagras. De lo contrario, podemos encontrarnos un día con ir a bajar nuestra flamante torre abatible o telescópica y que se niegue en redondo, o que quede atascada a medio bajar con el consiguiente peligro, al haberse agarrotado algunos mecanismos; no sería la primera vez que ocurre algo así.
Torres fijas.
De estructura más simple, y más económicas que las telescópicas o abatibles, son las más habituales en EA.
No obstante son de difícil instalación, se puede optar por ir ensamblando verticalmente los tramos que la componen desde la base, lo cual es una operación peligrosa, o bien por montarla en el suelo para luego levantarla con la ayuda de un polipasto, aunque si la torre es muy alta se hará necesario el uso de una grúa o incluso de un helicóptero.
Una vez alzada la torre alguien tendrá que subir rotor y antenas, que no son precisamente ligeros, aparte de cables y arriostramientos. Un ajuste o reparación del conjunto de antena y rotor también requerirá trabajarlos en las alturas. Dicho sea de paso, cuando se tenga que subir a la torre (y esto es válido para cualquier tipo de torre), siempre se hará provisto de un cinturón de seguridad homologado. Siempre. Y es muy recomendable un casco de construcción, sobre todo si interviene más de una persona: si se nos cae desde lo alto de la torre una herramienta, existe el peligro de que le dé a alguien encaramado pocos metros más abajo o en los alrededores de la torre; o por si nos cae la antena desde arriba durante su instalación o desmontaje (eso lo he visto).
En resumen: las torres fijas son adecuadas para antenas que no requieran ajustes o mantenimiento frecuente.
Torres telescópicas.
Mucho más caras que las torres fijas, y más complejas mecánicamente. Sus secciones no se atornillan unas a otras, sino que un complejo sistema de poleas y cables metálicos forma un mecanismo de telescopado, que permite extender o recoger la torre simplemente accionando una manivela o un motor eléctrico.
Al ser retráctiles, permiten trabajar en la antena casi al nivel del suelo, y si además son abatibles por la base, la antena desciende hasta el mismo suelo. Es una gran ventaja respecto a las fijas, sobre todo para quien guste de experimentar con antenas, se ahorrará muchos viajes a la punta de la torre. Otra de sus ventajas es que se pueden replegar cómodamente mientras no se usen, o cuando haya fuertes vientos.
Las torres telescópicas exigen mucho respeto. Nunca se subirá a una torre de este tipo mientras esté extendida un solo centímetro o bien en su totalidad. Si el sistema de poleas o de bloqueo de la manivela falla, la torre, fuera de control, se repliega violentamente en escasos segundos, descendiendo sus secciones con una fuerza aplastante y cortando todo lo que encuentren dentro de la torre. Ha habido casos de aficionados muertos por accidentes de este tipo.
Torres abatibles.
En unos diseños de este tipo de torres es abatible parte de la torre, en otros lo es toda desde la base. En cualquier caso permiten que la antena descienda al nivel del suelo. Un inconveniente es que se ha de disponer del terreno suficiente al hacerla descender. También tienen su peligro, deben adoptarse las medidas de seguridad necesarias para que la torre no pueda caer accidentalmente por fallo del sistema de bloqueo del mecanismo de abatimiento.
Torres giratorias.
Hay muy pocas instaladas. Giran merced a un enorme rotor situado en su base, con todas las antenas fijadas a la propia torre. Suelen superar los 40 m de altura. Permiten hacer girar formaciones de varias direccionales con un solo rotor. No me consta que en España haya alguna instalación de aficionado de estas características.
Acopladores de línea de antena
En determinados casos, un acoplador será de utilidad en nuestro cuarto de radio de HF.
1. Los más sencillos están formados por un circuito en «L» con una bobina y un condensador, y solamente sirven para adaptar antenas resonantes o aperiódicas -ej. hilos bastante largos-, es decir, ntenas con una impedancia Za = R, con R distinto de 50 ohmios.
2. El siguiente paso son los acopladores formados por un circuito en «T», en «pi», o con acoplo inductivo; son mucho más versátiles que los «L», dado que permiten adaptar antenas no resonantes (Za = R + jX); en la mayoría de los casos, los fabricantes optan por el circuito en «T», con dos condensadores y una bobina variables; para variar el valor de la bobina suelen hacerse diferentes tomas en varias de sus espiras, llevándolas a un conmutador circular. Es decir, solo disponemos de unos cuantos valores de L, cuando la teoría dice que la adaptación (ROE = 1) solamente se consigue para unos valores de C1, L y C2 concretos, o sea, el valor de L no tiene por qué coincidir con ninguno de los disponibles mediante el conmutador. De todos modos, la experiencia demuestra que este método permite acercarse suficientemente al valor adecuado de la L en la mayoría de los casos, para llevar la ROE a 1 o cerca. Los acopladores comerciales de este tipo soportan potencias de hasta unos 200 o 300 W de envolvente.
3. En los acopladores preparados para aceptar las potencias procedentes de amplificadores lineales no se hacen tomas en la bobina, hay que ajustar con toda precisión el circuito «T» para evitar que en él se produzcan arcos, o que sus componentes y el amplificador se calienten excesivamente, debido a un ajuste inexacto. De ahí que incorporen, con muy buen criterio, bobinas de ajuste continuo con dial contador.
En conclusión: los acopladores comerciales de esquemas más complejos que los «L» permiten adaptar prácticamente cualquier cosa que sea razonable pedirles, en un margen de impedancias que suele ser más amplio que el de los acopladores automáticos internos de algunos transceptores. Aunque todo acoplador tiene su límite.
Líneas de transmisión
La empleada mayoritariamente es la línea coaxial de 50 ohmios. Presenta muchas ventajas respecto la línea de dos hilos paralelos: no radia (si la antena está balanceada eléctricamente), no se ve afectada por objetos cercanos, y es más fácil de instalar. Ahora bien, presenta pérdidas debido a que su dieléctrico es de plástico, no de aire; dichas pérdidas aumentan exponencialmente con la ROE que haya en la línea.
Los coaxiales más empleados en HF son las series RG-58 para potencias de menos de 500 W, y las series RG-8 o RG-213 si se emplean mayores potencias. Las mencionadas referencias de cable, para tiradas de pocas decenas de metros, presentan unas pérdidas aceptables en HF, pueden consultarse las tablas existentes.
Pero hay que tener en cuenta el paso del tiempo. Las cubiertas de plástico negro de los coaxiales RG-8/U y RG-58/U incluyen un aditivo para flexibilizarlas, que con la acción del calor y la luz solar se degrada y se infiltra en la malla y en el dieléctrico del cable, aumentando considerablemente sus pérdidas; ese efecto es apreciable por el tinte verdoso que adoptan malla y dieléctrico. También se agrieta la cubierta, con lo que entran humedad y contaminación en el interior del cable. De ahí que esas líneas tengan un período de vida útil de unos 3 a 7 años. Una tirada de 100 m de RG-8/U degradada puede llegar a perder 13 dB a 30 MHz.
Los RG-58A/U, RG-8A/U y RG-213/U no presentan ese problema, usan un plastificador especial en sus cubiertas, extendiéndose su vida útil a entre 15 y 20 años.
Instrumentación
Un medidor de ROE es útil para darnos con una medida rápida una idea del comportamiento de la impedancia de una antena. Los medidores de ROE procedentes de la Banda Ciudadana (CB) no dan una lectura exacta, sino más bien orientativa, sobre todo para altos valores de ROE; quien necesite conocer la ROE exacta debe pensar en un buen analizador de ROE.
Para medir la impedancia de las antenas está el puente de ruido, invento útil donde los haya (doy fe), que también sirve para ajustar acopladores o pasos finales de equipos y lineales a válvulas sin necesidad de emitir.
Un medidor por mínimo corriente (dip meter) sirve para determinar la frecuencia de resonancia de antenas, circuitos sintonizados como trampas LC, secciones de línea, etc.
Esto es lo que basicamente se debe saber sobre las antenas, como elementos mas importantes en una instalacion de transmision / recepcion.
De la calidad de la antena y de su instalacion, alimentacion, y muy importante, su mantenimiento periodico, depende en mayor parte el éxito de una estacion de radioaficionado en sus comunicados, ya sean normales o a gran distancia o la participacion en concursos o en la caceria de exoticos paises y prefijos.
Con el conocimiento de los detalles aquí expuestos, el aficionado sabra escoger la instalacion que mejor le convenga.
Buenos DX y buena suerte............. |
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