EL ABC DE LAS ANTENAS

 

5. BALUN PARA EL COAXIAL

Por Luis A. del Molino EA3OG (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.)

 

El cable coaxial, la gran solución

Como ya hemos contado muchas veces, más o menos durante la segunda guerra mundial, para alimentar las antenas de los equipos de radio, en EE.UU. tuvieron la genial ocurrencia de colocar, para la alimentación de una antena, los dos conductores necesarios todo circuito necesita un cable de ida y un segundo conductor de vuelta) de forma concéntrica, de modo que un conductor estuviera en el interior, el vivo, y el otro conductor, el de retorno, fuera una malla, concéntrico con el primero, pero separado por un dieléctrico colocado entre los dos. Al realizar el exterior con malla de cobre y separados por un dieléctrico de polietileno se conseguía mantenerlos aislados. Luego, encima de la malla, le pusieron una cubierta de caucho protectora para impermeabilizarlo completamente (Figura 1).

Figura 1

Resultó ser un gran éxito por su gran flexibilidad, facilidad de manejo y de instalación, además de que el cable de retorno exterior concéntrico actúa como un blindaje, porque no permite que se afecte la impedancia característica del cable por la proximidad de elementos metálicos. Además, es lo suficientemente flexible como para trazar curvas cerradas, pasar fácilmente por agujeros en cualquier material, incluso metálico, sin que se afecte su impedancia ni la circulación interna de la RF. Todas las ventajas mecánicas del mundo que facilitaban la instalación de una antena. Adiós para siempre a los incómodos dos conductores paralelos, tan incómodos y difíciles de manejar e instalar, aunque aún haya quien todavía los utiliza en sus antenas.

 

Pero no todo son ventajas

La asimetría del cable coaxial trajo algún inconveniente que veremos a continuación, aparte de unas pérdidas algo mayores por utilizar un dieléctrico como aislante, en lugar del aire, utilizado generalmente hasta la fecha en las líneas de bajada paralelas.

¿Pero el problema no son las antenas asimétricas?

Físicamente hay antenas simétricas y asimétricas si miramos su dibujo o diseño geométrico. Pero desde el punto de vista eléctrico, todas las antenas son simétricas (excepto las verticales sobre plano de tierra natural). En el punto de alimentación, si las alimentáramos con cinta paralela, veríamos que las corrientes de RF en las dos ramas son exactamente iguales y opuestas. Lo corriente que entra por un cable sale por el otro exactamente igual y de sentido contrario (Figura 5).

Figura 5

Exactamente los electrones que salen de una rama entran igualmente por la otra, por lo que cualquier antena horizontal o vertical) se comporta como si fuera un conductor continuo (no interrumpido en el centro) y como una carga resistiva (resistencia) en un circuito cerrado, en el que siempre se cumple esta condición IA = IB. Todo lo que entra por un cable tiene que salir y volver por el otro.

Pero esto solo ocurre si el cable de alimentación de la antena es una línea paralela. Si utilizamos un cable asimétrico como el cable coaxial, las corrientes pueden ser distintas en el cable coaxial., si no lo evitamos por medio de un balun.

 

El coaxial, una línea asimétrica

El gran inconveniente del cable coaxial es su asimetría, la cual le hace comportarse en la práctica como si estuviera constituido por 3 conductores en lugar de 2, cuando lo conectamos directamente a las dos ramas de la antena. El principal responsable de este problema es el efecto pelicular o skin, por el que la radiofrecuencia (corriente alterna de alta frecuencia) no circula bien por el interior de los conductores, sino que se limite a circular por su superficie exterior. A la RF no le gustan las profundidades metálicas conductoras.

Este efecto se debe a una mayor autoinducción que se produce justo en el centro de la sección circular de un conductor y que disminuye su sección útil. Podemos ver un intento de representación de este efecto en la ilustración de la figura 2, en la que se ve cómo se suman los campos magnéticos creados por las corrientes que circulan por los filetes A, B, C y D de la periferia de cualquier conductor, justamente sumadas en el centro del conductor y todos con el mismo sentido, donde en consecuencia se producen una reactancia inductiva muy superior a la reactancia de los filetes de la periferia de un conductor de sección circular.

Figura 2

Esto da lugar, a medida que aumenta la frecuencia de la corriente alterna, a que la tendencia natural de la RF sea la de circular solamente por la periferia del conductor y se vea reducida la sección útil del mismo. Por tanto, recordemos de paso que, en radiofrecuencia, este efecto aumenta enormemente la resistencia óhmica y las pérdidas de un cable en relación a la resistencia en corriente continua, por culpa de esta disminución de la sección útil conductora. Solo conduce la RF una fina capa exterior.

En el cable coaxial, este efecto no nos importa demasiado en el conductor interior o vivo, porque ya nos va bien que conduzca la periferia del conductor interior, pero en la malla concéntrica que lo rodea la corriente de RF de retorno debería circular exclusivamente por la parte interior de la malla de cobre. Pero la malla de cobre tiene dos caras. Además de la cara interior, existe la cara exterior que actúa por su cuenta.

 

El exterior de la malla se comporta como un cable independiente

Pero ahora en el cable coaxial conectado directamente a la antena tenemos realmente tres conductores ndependientes que conducen la RF en el cable coaxial y que son (figura 3):

Figura 3

  • El conductor central interior o vivo con su corriente A.
  • La parte interior de la malla concéntrica que lo rodea con su corriente B.
  • La parte exterior de la malla concéntrica con su corriente independiente C.

Esto da lugar a nuevos problemas, porque la corriente alterna de RF que rebota en el extremo de la rama de la antena y que ahora está conectada directamente a la malla (Figura 3). Cuando vuelve rebotada hacia el centro del dipolo, encuentra dos posibles caminos de retorno para su circulación de vuelta al transmisor: el interior (B) y el exterior (C) de la malla. De este modo, puede circular una corriente extra C por el exterior de la malla totalmente independiente de la del interior B, que nos perturba el funcionamiento de la antena, si no hacemos nada para impedirlo. El exterior C se comporta de forma independiente.

Como en todo circuito cerrado (recordemos que la antena resonante se comporta como una resistencia), la corriente que va hacia la antena debe ser igual a la que vuelve por el otro conductor (A = B) y, por tanto, la corriente en el interior de la malla debe ser igual y de sentido contrario a la corriente que circula por el vivo. Hasta aquí no hay problema.

Pero si el exterior de la malla se comporta si fuera un conductor independiente de longitud igual a la longitud del cable coaxial y está conectada a una rama de la antena directamente, entonces se comporta también como si fuera una antena independiente con su corriente de resonancia C propia a otra frecuencia y que opera por su cuenta, trabajando en conjunto con la otra rama del dipolo (Figura 4). Esto modifica también la ROE que ve el transmisor, porque este no distingue bien entre la potencia reflejada que le llega por el interior y la que le llega por el exterior de la malla. Le aparecen dos componentes resistivos y reactivos distintos. Uno interior y otro exterior. El medidor de ROE muestra una mezcla de los dos.

Figura 4

Realmente tenemos 2 antenas resonantes: 1º Por un lado, una antena formada por las dos ramas del dipolo y 2º Por otro lado, aparece otra antena que es la suma de la rama de λ/4 a la que hay que sumar la longitud de toda la malla del coaxial por otro y que probablemente continúa hasta la conexión de red. Realmente es una antena de longitud en principio no prevista como resonante y que también radia energía independientemente.

Como nosotros queremos que en nuestra antena únicamente funcione en la frecuencia de diseño como un dipolo de media onda resonante, formado solamente por las dos ramas de nuestro dipolo, debemos cargarnos de alguna forma esta segunda resonancia de la antena formada por una de las ramas y el exterior de la malla conectada directamente a esta rama. Necesitamos un destructor de esta resonancia, y para eso necesitamos un elemento que impida el paso de la corriente parásita externa, elemento al que llamamos balun.

 

¿Podríamos tener una doble resonancia y una antena bibanda de esta forma?

Sí, perfectamente. Con un calculado diseño de la longitud del coaxial de la bajada, podríamos obtener una doble resonancia y una antena bibanda, pero tendríamos el gran inconveniente de que la RF llegaría circulando hasta nuestro emisor y se radiaría también incluso allí, lo que podría causar muchos problemas en esa banda, pues el extremo de la malla conectado al transmisor podría ser el extremo de una antena de media onda secundaria resonante y manifestar una gran tensión de RF, justo donde no la queremos.

Esta situación es muy crítica y, en la práctica, produce toda clase de efectos nefastos en transmisión, como por ejemplo que el micrófono nos pique en el bigote al modular, que los altavoces ronquen, que nuestra modulación se distorsione y se vuelva áspera, y que los ordenadores se vuelvan locos y se cuelguen los dispositivos USB al transmitir. Nuestra RF radiada dentro de la estación puede producir toda clase de desastres. Debemos evitarla con todo los medios que estén en nuestras manos.

 

Y también una antena receptora interior

Y no solo produce efectos nefastos en la emisión, sino que no debemos olvidar que nuestras antenas funcionan también en recepción y, ahora, en recepción, tenemos una antena receptora que se mete en el interior de nuestra estación, captando todos los ruidos eléctricos de la casa, incluso los que le puedan llegar por la red, porque todo forma parte de una antena receptora independiente. Vaya ruido que captamos y vaya lío que se ha montado por culpa de la asimetría del coaxial.

 

El balun acude en nuestro auxilio

Este problema planteado por el coaxial puede resolverse fácilmente con la ayuda de lo que llamamos balun (contracción de BALance-UNbalance), dispositivo que sirve para simetrizar las corrientes de los cables coaxiales (y no las de las antenas) y para neutralizar esa corriente independiente parásita de RF de la malla, esa corriente que pretende circular por el exterior de la malla del coaxial. Pero el balun puede realizar otras funciones que vamos a ver a continuación.

 

Las dos funciones del balun

La primera y principal función del balun es equilibrar las corrientes proporcionadas a las antenas por líneas de transmisión coaxiales a las antenas de todo tipo, tanto simétricas (dipolos resonantes y G5RV) como asimétricas (Windom y End-Zepp y verticales con radiales) , y evitar así que circule una corriente independiente de RF por la parte exterior de la malla del coaxial, desde donde se radiaría como si formara parte de otra antena. El balun se encarga de igualar las corrientes en ambas ramas de la antena y eliminar la corriente parásita que pretendía circular por el exterior de la malla.

La segunda función del balun podría ser (si nos interesa) la adaptación de impedancias si la impedancia de la antena en el punto de alimentación es distinta a la impedancia característica del cable. Recordemos que necesitamos que la antena presente una impedancia igual a la impedancia característica del cable, pues ya vimos que esta era una condición esencial para que transporte toda la energía del transmisor a la antena y allí desaparezca. En esta función, el balun, además de simetrizador, puede actuar de transformador de impedancias, para lo que se fabrican con valores clásicos de transformación o adaptación de impedancias: 1:1, 2:1, 4:1, 6:1 y 9:1.

 

Tipos de balun

Vamos a ver a continuación los diferentes tipos de de balun para HF:

  a) Balun de tensión

Está formado por 3 devanados de los que el del centro tiene por misión hacer aparecer una tensión correctora, si las corrientes en los otros dos devanados que van al vivo y a la malla no son exactamente iguales. Esta tensión produce una corriente que neutraliza la diferencia

Figura 6

La segunda función de un balun es actuar como transformador de impedancias y conseguir la adaptación correcta de las antenas a las líneas de transmisión, cuando su impedancia en el punto de alimentación escogido es muy diferente del de la línea. Se fabrican balunes de tensión con relaciones de transformación de 1:1, 2:1, 4:1, 6:1 y hasta 9:1 para adaptar antenas con impedancias de 50, 100, 200, 300 y 450 ohmios a líneas coaxiales de 50 ohmios.

Tiene la ventaja de que conecta el vivo con la malla y realiza la descarga de cualquier estática que intente acumularse en un solo lado de la antena, por lo que no necesitamos utilizar descargadores de gas en el coaxial para evitar cualquier peligro de sobretensiones estáticas.

  b) Choque de anillos y toroide de ferrita (UnUn)

Se les llama también balun de corriente o UnUn (Unbalance to Unbalance), porque su misión consiste únicamente es frenar la corriente independiente que intenta circular por el exterior de la malla del coaxial y consiste en numerosos anillos de ferrita colocados sobre el coaxial y que actúan como choques contra la RF que intenta pasar por el exterior de la malla. Se recomienda el MFJ-915 que funciona desde 160 m con suficiente impedancia y aguanta hasta los 2 kW sin calentarse (figura 7).

Figura 7 y 8

Tiene el pequeño inconveniente de que no conecta el vivo y la malla como el balun de tensión, por lo que no descarga la estática que pueda acumularse en el vivo de la antena, por lo que hace imprescindible tomar la precaución de colocar descargadores de gas en la entrada a la estación. Si vivimos cerca de la costa con elevada humedad ambiente permanente, no es necesaria la utilización de descargadores de estática.

Una variante del UnUn de ferrita es la utilización de un toroide con doble arrollamientos en sentido opuesto del cable coaxial (Figura 8). Al arrollarlo en dos partes en sentido opuesto, conseguimos que no se sature el núcleo toroidal con las corrientes de malla. La ilustración no es muy afortunada, pero intenta mostrar cómo se realiza. En un núcleo toroidal relativamente grande podemos arrollar un cable coaxial de pequeño diámetro (por tanto para potencias de hasta 200 W), pero podemos hacerlo con coaxial dieléctrico de teflón que aguantan más potencia y tensión.

  c) Espiras formadas por el propio cable coaxial enrollado.

Puede formarse un choque muy asequible que impida el paso de la RF por el exterior del cable enrollando el coaxial en forma de coca o rollo de 6-8 espiras de un diámetro de 15-20 cm para conseguir un choque que funciona correctamente para las bandas de 14 a 30 MHz. Es un sistema bueno bonito y barato (Figura 9).

Figura 9

Para frecuencias más altas, como por ejemplo 50 MHz, tenemos que tener en cuenta que la capacidad entre espiras juntas es muy elevada y deberíamos intentar separarlas bien sobre una forma cilíndrica recubierta de cinta aislante para eliminar la capacidad entre espiras y mantener el efecto del choque inductivo, sin que se estropee por el efecto capacitivo.

El problema se presenta cuando intentamos realizar el mismo choque para la banda de 40 metros, porque entonces ya serían necesarias 16-20 espiras que, con un cable RG-213, pesan un montón y. mecánicamente es difícil de realizar y sostener en posición. No digamos en 80 metros pues el número de espiras necesarias (30-40) y su peso lo hacen casi imposible y, por supuesto, sería una solución más cara que la compra de un balun de ferritas o uno de tensión, que son más económicos de lo que nos imaginamos.

 

Antenas verticales: ¿necesitan balun?

Efectivamente, también lo necesitan la mayoría de antenas verticales, a pesar de que todos los fabricantes pasan olímpicamente del problema, como si este no existiera, y dan por supuesto que las antenas asimétricas son perfectas para un cable coaxial asimétrico sin balun, lo cual es totalmente falso.

Todas las antenas verticales con cualquier radiales elevados (uno o varios) son realmente dipolos verticales que siempre necesitan un balun simetrizador para eliminar la corriente en el exterior del coaxial, esa corriente parásita que pretende circular y que no nos interesa (figura 10).

Figura 10

Solamente NO necesitan balun las antenas verticales que utilizan un plano de tierra conductor para obtener la otra mitad de la antena, pues el plano de tierra conductor natural no produce corrientes reflejadas de retorno por el exterior de la malla. No hay un extremo en ellas ni una punta de cable donde pueda rebotar la corriente de RF y volver reflejada por el exterior de la malla.< /p>

Pero esto se aplica solamente a las antenas verticales colocadas directamente sobre una superficie conductora, como puede ser un terreno muy bien conductor, una chapa metálica, una malla metálica, un vehículo con carrocería metálica (ojo que la tendencia a utilizar otros materiales aumenta) u otras superficies conductoras similares.

Otra antena que todos los fabricantes venden sin balun es la famosa G5RV (monobanda utilizada como multibanda con acoplador) con una bajada de 10 metros de línea paralela de cable con ventanitas, a la que luego le sigue empalmado un cable coaxial sin ningún tipo de balun. Es muy recomendable, mejor dicho imprescindible, colocarle un balun de choque de ferritas si no queremos tener problemas de RF en la estación por la corriente que pretende circular por el exterior de la malla.

 

Antenas de VHF y UHF: ¿sin balun?

¿Necesitan también un simetrizador? Teóricamente sí, pero en la práctica tenemos que tener en cuenta que estas frecuencias más elevadas tienen dos ventajas muy concretas:

La primera es que, en el caso de las Yagi, el coaxial se aleja del dipolo excitado sujeto normalmente a la viga de soporte y perpendicular al dipolo excitado, y luego baja vertical mente sujeto al mástil de soporte, de modo que la posible radiación del exterior de la malla afectaría muy poco al lóbulo de radiación de la antena individual.

El segundo argumento favorable a no hacer nada por evitar las corrientes de malla es que, por ejemplo una sola antena Yagi de 2 metros, que disponga de una bajada de 20 metros de largo (más bien corta), ya tiene una longitud que equivale a 10 longitudes de onda. Eso significa que, para la RF de 144 MHz, el exterior de la malla se comporta como un hilo largo y, como tal, presenta una impedancia razonablemente elevada de alrededor de unos 400-600 ohmios, lo que significa que, frente a los 50 ohmios que encuentra en el interior del cable, cualquier corriente parásita que intente circular por el exterior tendrá como máximo un valor de -10 a -12 dB por debajo de la corriente principal en el interior del cable.

Esto tiene dos consecuencias: La primera consecuencia es que seguro que la malla radia solamente esa pequeña porción de RF y probablemente bien centrada y con polarización vertical, por lo que siempre modifica muy poco la simetría del lóbulo de radiación de la antena si esta es de polarización horizontal, de modo que el eje de radiación no se desvía nada en absoluto. Y si la Yagi es de polarización vertical, si el cable coaxial desciende verticalmente por el mástil de soporte, tampoco supone ninguna desviación del lóbulo de radiación de la antena.

La segunda consecuencia es que esta RF parásita se habrá radiado casi toda ya por el camino después de recorrer tantas longitudes de onda y no perturbará apenas a ningún dispositivo a su llegada a la estación por el exterior de la malla, de forma que prácticamente no afectará para nada a los equipos ni PCs allí conectados. No vale la pena preocuparse por intentar eliminarla, pues no sale a cuenta en instalaciones normales.

Como una posible tercera ventaja muy remota, debemos tener en cuenta que se utilizan mucho menos los PCs en comunicaciones digitales en VHF y superiores y, por tanto, tenemos menos problemas con la pequeña RF que aun pueda circular en una bajada corta y haga saltar las conexiones USB, excepto en el caso del trabajo con satélites, pero en este caso tampoco se utiliza para trabajarlos tanta potencia como en HF y los problemas son menores.

Atención a que la mayor potencia solo se utiliza cuando se trata de operar en Rebote Lunar (E-M-E). Ahí sí que la cuestión es más grave en cuanto a la potencia, porque nos aparecen nuevos problemas si instalamos agrupaciones de antenas para conseguir más ganancia y operar en E-M-E.

 

Agrupaciones de antenas

Si agrupamos antenas de VHF y UHF, es que queremos llevar la ganancia (directividad) a valores muy elevados por encima de los 15 dBd y obtener ángulos de apertura muy estrechos cercanos o inferiores a los 10º. Por tanto, cualquier desviación del lóbulo de radiación nos fastidiará enormemente.

Además, al conectar la agrupación de varias antenas Yagi, eso nos obliga a que muchos tramos de los latiguillos de enfasamiento sean horizontales, con lo que cualquier radiación del exterior de la malla, por pequeña que sea, afectará al eje del lóbulo de la radiación principal. Por tanto, ahí sí tenemos un problema a resolver y debemos evitar todas las posibles corrientes de malla y similares en cada una de las antenas agrupadas.

Normalmente se utilizan procedimientos que se basan en utilizar cuartos de onda resonantes que bloqueen las corrientes de malla por el coaxial de cada antena (figura 11).

El sistema Bozooca consiste en hacer pasar el cable coaxial por un tubo de ¼ de onda conectado solo en un extremo con la malla para que se convierta en una U resonante bloqueadora de la RF por su alta impedancia en el extremo abierto.

Figura 11

Parece mucho más fácil utilizar anillos de ferrita de tipo apropiados para las frecuencias elevadas de VHF y superiores, pues hacen falta unas pocas para reducir la pequeña corriente parásita que intentará fluir por el exterior de la malla del coaxial como los de la figura 7. Parece un sistema mucho más práctico y fácil de montar incluso que el tubo Bazooca.

Por otra parte, no parece que en VHF y UHF se utilicen mucho los arrollamientos del coaxial debido al gran inconveniente de que las espiras juntas del coaxial permitirían el paso de la RF simplemente por capacidad entre espiras, cargándose el efecto de choque, pero no parece que pueda haber problemas considerables para usarlos también si las espiras están bien separadas. Pensemos que no se trata de eliminar la circulación de RF por la malla totalmente, sino de reducirla a valores que no molesten ni perturben el lóbulo principal.

Y hasta el próximo artículo.

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