EL ABC DE LAS ANTENAS

 

7. La importancia de la ROE en HF y en VHF

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.)

 

La adaptación ideal

Supongo que habréis oído contar muchas veces que, para que una antena dé un buen rendimiento, debe ser resonante y la impedancia en su punto de alimentación debe ser resistiva Rr y valer 50 ohmios (Figura 1), igual a la impedancia característica Zo del cable coaxial que la alimenta. Estas condiciones vienen representadas por el cumplimiento de la igualdad: Rr = Zo.

Figura 1

Cuando esta igualdad se cumple perfectamente, la línea coaxial envía toda la potencia generada por el emisor hasta la antena y se radia en la antena con pérdidas mínimas en el cable coaxial (figura 2a).

Figura 2

También se cumple que la relación entre la tensión y la corriente alternas a lo largo del cable de alimentación (V/I) es constante e igual a una resistencia pura (Zo), llamada también impedancia característica del cable, normalmente de 50 ohmios para cables de transmisión. Y entonces podemos asegurar que no existe ninguna potencia reflejada por la antena que retorne devuelta hacia el transmisor. Toda la potencia emitida por el transmisor se radia por la antena perfectamente

 

Una línea de transporte infinitamente larga

Se dice que la línea coaxial en estas condiciones se comporta como una línea de transporte infinitamente larga, de la que no somos capaces de determinar su longitud desde el transmisor, porque toda la energía que introducimos por un extremo del cable, desaparece por el otro extremo y es radiada por la antena (Figura 2b).

 

La ROE o Relación de Ondas estacionarias

Cuando esto no se cumple exactamente (Z0 ≠ Rr), entonces no se radia toda la energía por la antena y en parte vuelve reflejada hacia el transmisor y en el cable se monta un pollo considerable y se forman las denominas Onda Estacionarias (Figura 3).

Figura 3

El resultado de la superposición de dos señales de radiofrecuencia que viajan en direcciones opuestas: la potencia directa hacia la antena y la potencia reflejada por una antena mal adaptada (figura 3) da lugar a que las tensiones no sean constante en el cable y a la aparición de unos valores máximos y mínimos de tensión y corriente (figura 4).

Figura 4

La relación entre los valores máximos y mínimos de la onda estacionaria que se forma es lo que se denomina Relación de Ondas Estacionarias y abreviada la llamamos ROE y se representa siempre por una relación referida a la unidad, como por ejemplo 1,5:1, 2:1 y 5:1, aunque también muchas veces simplificamos y escribimos solamente ROE = 1,5, 2 y 5, prescindiendo de los dos puntos y el uno de la comparación, porque es mucho más cómodo.

Cuando existe una adaptación ideal y perfecta entre el cable y la antena, al no haber potencia reflejada procedente del extremo de la línea, no se forman ondas estacionarias en la línea de transmisión. Es decir la relación entre la tensión y la corriente es constante a lo largo de toda la línea (V/I = Zo) y se dice que la Relación de Ondas Estacionarias (ROE) es 1:1 (el máximo es igual al mínimo), o también ROE = 1, y eso significa que hay una perfecta adaptación entre el transmisor, el cable coaxial y la antena. Observad que decir que la ROE es igual a 0 (ROE = 0) es una tontería enorme porque nunca puede valer 0. El mínimo es 1.

 

Cuando Rr ≠ Zo

La situación ideal Rr = Zo por desgracia solo se cumple exactamente en una sola frecuencia central de la antena, una única frecuencia fo , la frecuencia a la que la antena es exactamente resonante porque se cumple L/2 = 142 / fo (Figura 5). Esta cifra viene dada por aplicar la velocidad de la luz en Megámetros (300), dividida por 2 para tener media longitud de onda (150) y multiplicada por el factor de velocidad de la onda viajando por un cable que es aproximadamente 0,95 (velocidad en el cable 95% del vacío), aunque varía ligeramente con el diámetro del cable y si el material no es cobre.

Figura 5

Pero en cuanto nos movemos por el resto de la banda y, por ejemplo, subimos la frecuencia del emisor (disminuimos la longitud de onda), la antena empieza a ser demasiado larga y se comporta también como una inductancia. Esto se advierte porque, además de la resistencia de 50 ohmios, aparece en serie una reactancia inductiva XL adicional, que se añade a la resistencia Rr de radiación y que nos rompe esta adaptación ideal (Figura 6).

Ahora Zo ≠ Rr + jXL = 50 + j50 ohmios

Donde la “j” después del signo más nos indica que esta no es una suma normal, sino una suma vectorial, que nos perturba ese estado ideal de la resonancia y hace que la ROE adquiera un valor superior y, además, nos aparece una onda estacionaria, cuya relación entre máximo y mínimos es, en este caso en concreto de ROE = 2,6:1.

Figuras 6 y 7

Se ha perdido la adaptación perfecta y una parte de la potencia generada vuelve reflejada hacia el transmisor y se monta una onda estacionaria en la línea coaxial. No es grave, porque si a nuestro transmisor no le gusta, siempre se le podrá enredar utilizando un acoplador.

De modo similar, si bajamos la frecuencia (aumentamos la longitud de onda), además de la resistencia de 50 ohmios, como la antena ahora será demasiado corta, se comportará como un condensador y aparecerá una reactancia capacitiva Xc que se añade a la resistencia Rr de radiación en serie (Figura 7). Ahora tendremos por ejemplo:

Zo ≠ Rr - jXc = 50 – j50 ohmios

La “j” y el signo menos nos indican que no es una suma normal sino vectorial y también al mismo tiempo, que la reactancia es capacitiva y que nos aparece una onda estacionaria en la que la ROE aumenta hasta 2,6:1 y una pequeña parte de la potencia enviada a la antena (22%), es devuelta reflejada hacia el transmisor. Por tanto, en la línea de transmisión coaxial se monta una onda estacionaria con máximos y mínimos.

 

ROE > 2: Situación peligrosa para el transmisor

Supongamos ahora que el transmisor a su salida no encuentra la impedancia ideal que esperaba, no encuentra los 50 ohmios para los que ha sido diseñado, y, por culpa de la potencia reflejada por la antena, aparecen en los bornes de su salida de antena unos valores de tensión y corriente que pueden ser muy superiores a los de diseño y que podrían llegar a ser el doble de los previstos, poniendo su vida en peligro, sino tiene suficiente margen de seguridad.

Para protegerlo, los fabricantes de equipos con los pasos amplificadores finales a base de transistores, diseñados algo justos en cuanto a los márgenes de seguridad, normalmente introducen un circuito protector de ROE para compensar esta situación, circuito que disminuye la amplificación y mantiene los valores de tensión y corriente dentro de los márgenes especificados. Ahora tenemos menos potencia de salida (Figura 8).

Figura 8

Acoplador de antena para eliminar la ROE > 1:1

¿Estamos perdidos? No, aun tenemos una solución perfecta para superar esta situación. La solución consiste en utilizar un acoplador de antena externo (si el transceptor no lo lleva interno) para engañar al transmisor y que no se entere de las ondas estacionarias y la potencia reflejada. Volvemos a proporcionarle una situación ideal para el transceptor mediante el ajuste correcto de un acoplador de antena.

Entre el transmisor y el acoplador de antena, intercalamos un Medidor de ROE y ajustamos los mandos del acoplador hasta conseguir que la situación vuelva a ser ROE = 1, con lo cual el transmisor ahora verá una impedancia Z0 = Rr = 50 ohmios nuevamente. Hemos resuelto el problema y el transmisor, ya tranquilizado, volverá a dar plena salida a la potencia deseada (Figura 9).

Figura 9

Si los amplificadores finales tuvieran un margen sobrado para soportar esta ROE y no se arrugara, entonces no pasaría nada especial, si nos conformáramos con la pérdida de potencia ocasionada por la potencia reflejada que es devuelta en parte hacia al transmisor, el cual debería absorberla y convertirla en más calor disipado, pues habría disminuido su eficiencia en la amplificación.

 

El efecto del acoplador sintonizado

El acoplador intercalado y perfectamente sintonizado reduce la ROE en el medidor a una cifra cercana al 1:1 y hace desaparecer la potencia reflejada. ¿Cómo lo hace? Proporcionando una reflexión especular de esta potencia reflejada, de forma que actúa como un espejo que devuelve de nuevo la potencia reflejada hacia la antena en el siguiente ciclo de radiofrecuencia, para que sea finalmente radiada, sumada en los siguientes ciclos de la RF.

De esta forma, evitamos que llegue al transmisor la potencia reflejada a nuestro equipo y este ya no sufrirá sobretensiones ni sobrecorrientes ni sobredisipación, sino que funcionará como si estuviera conectado a una carga perfectamente ideal de 50 ohmios (Figura 10).

Figura 10

El acoplador, bien ajustado para proporcionar este efecto de espejo a la potencia reflejada, introduce una reactancia conjugada igual y de sentido contrario a la que se presentaba en los bornes del transmisor sin acoplador. Además, también transforma cualquier impedancia distinta de los 50 ohmios, en la impedancia perfecta de 50 ohmios que le gusta al transmisor.

En la figura 10 se detalla qué ocurre exactamente en cada ciclo entre el acoplador y la antena, comenzando por el envío de 100 W en A hacia A’, que son devueltos en parte de de B’ a B y nuevamente reenviados hacia la antena desde C a C’ y devueltos en parte de C’ a D. Y así sucesivamente hasta que haya salido por la antena toda la potencia generada por el transmisor, excepto un ligero aumento de la potencia pérdida en el cable.

 

Pérdidas despreciables por ROE en HF

Aunque hemos resuelto la adaptación del transmisor a la línea coaxial y antena, la presencia de ondas estacionarias (ROE > 1:1) en la línea de transmisión aumenta las pérdidas en el cable ligeramente, porque ahora hay dos ondas eléctricas que se mueven en el cable: la directa que va hacia la antena y la reflejada que vuelve una y otra vez hasta ser reenviada por completo finalmente a la antena. Por tanto estas pérdidas en la línea son ahora algo superiores a las de una antena resonante y con una impedancia perfecta de 50 ohmios.

¿Cuánto han aumentado las pérdidas? Estas mayores pérdidas son totalmente despreciables en las bandas bajas de HF, como podemos comprobar en la Tabla I donde se muestra las pérdidas y su aumento en un cable RG-213, prácticamente en todas las bandas de HF.

Tabla 1

En la Tabla I realizamos la comparación de las pérdidas en un cable RG-213 de varias longitudes (15, 30 y 45 metros) con dos antenas diferentes: una siempre perfectamente resonante y adaptada a 72 ohmios (un dipolo) y otra no resonante (una G5RV) con distintas ROE en cada banda.

La resonante es un dipolo monobanda de 75 ohmios de impedancia alimentada con un cable RG-213 con ROE 1,5:1, pero considerada como monobanda; es decir, como si tuviéramos un dipolo resonante para cada banda perfectamente adaptado y que lo utilizamos SIN acoplador porque se supone que está bastante bien adaptada con una ROE de tan solo 1,5: 1

La NO resonante es una antena G5RV auténtica para 80 metros y de la que hemos medido la ROE en cada banda antes de la conexión al acoplador. Podemos comprobar en la Tabla I que la diferencia de pérdidas es insignificante en todas las bandas y, por tanto, utilizando el acoplador, como las pérdidas y la ROE permanecen idéntica, conseguimos que el transmisor de 100 W y por tanto comprobamos que no aumentan significadamente las pérdidas en el cable coaxial que la alimenta.

Decimos que el aumento de las pérdidas no es significativo porque son casi siempre inferiores en 1 dB y nunca alcanzan los 2 dB, y hemos de tener en cuenta que en la práctica no se distingue una diferencia de señal que no alcance los 3 dB; es decir, para que se note un cambio significativo en cualquier señal, debe aumentar al doble (+3 db) o disminuir a la mitad (-3 dB) la potencia de la señal deseada (o emitida).

 

Las pérdidas aumentan con la longitud del cable

Efectivamente es de sentido común que las pérdidas en el cable coaxial aumentan proporcionalmente con la longitud del cable (doble de cable, doble de pérdidas), por lo que es evidente que no nos interesa alargar demasiado los cables más de lo necesario e intentaremos siempre llevar la conexión de la antena hasta el transmisor por el camino más directo que sea posible.

 

Pérdidas inaceptables en el coaxial por ROE en VHF

Todo lo anterior sobre la importancia relativa de la ROE elevada NO es válido y NO es aplicable a antenas de VHF y UHF y frecuencias superiores, porque las pérdidas en la línea coaxial son muy superiores al aumentar muchísimo con la frecuencia. Y aún aumentan mucho más por la presencia de ondas estacionarias, de forma que, con pequeños valores de la ROE, las pérdidas en el cable coaxial pueden llegar a doblarse y triplicarse muy fácilmente. Aquí sí que son significativas y debemos evitarlas en todo lo posible.

Las antenas de VHF y UHF normalmente son monobanda y, por tanto, si aparece una cifra de ROE elevada en el medidor de ROE, probablemente esto se deba a que hay algún fallo o avería en la antena, o que probablemente está mal montada, o hay algún contacto defectuoso en los conectores, y debemos concentrarnos en solucionar este problema en la antena, porque las elevadas pérdidas en la línea coaxial no pueden ser compensadas por ningún acoplador.

 

La ROE medida en VHF es inferior a la real

Por otra parte, la ROE medida en el transmisor en VHF es muy inferior a la realmente existente en la antena, porque debido a que el cable atenúa también la potencia reflejada que vuelve al transmisor, nosotros vemos un valor muy inferior al que mediríamos junto a la antena. Esto significa que cualquier ROE superior a 1,5 en la estación nos está informando de que hay un problema en la antena que debemos solucionar.

Por este motivo, NO se utilizan nunca acopladores para las bandas de 2 metros y frecuencias superiores, pues no arreglamos nada engañando al transmisor, porque ya hemos explicado que el acoplador no mejoraría las pérdidas en la línea coaxial, sino que seguirían existiendo exactamente igual.

 

Acopladores de antena para HF

Loa acopladores de antena en HF son circuitos compuestos por una inductancia variable y uno o dos condensadores variables también y que se manejan mediante dos o tres mandos, un par para los condensadores variables y otro para variar la inductancia de la bobina giratoria, cuyo contacto deslizante es una especie de rueda acanalada. En la figura 11a y 11b tenemos dos tipos de acopladores clásicos: en forma de símbolo PI y en forma de letra T.

Figuras 11a y 11b

Figuras 11c y 11d

Los acopladores en PI eran muy populares en los amplificadores finales a válvulas por su función adicional de filtro pasa bajos atenuador de armónicos y su perfecta adaptación para las altas impedancias de las válvulas.

Actualmente los acopladores en media T, pero solamente formados por una bobina y un condensador son los más utilizados actualmente para los acopladores externos, porque podemos cambiar muy fácilmente su configuración, según nos interese elevar o disminuir la impedancia, mediante un conmutador para adoptar la posición tipo A o la disposición tipo B (Figuras 11c y 11d).

 

Acopladores automáticos

Actualmente, ya existen acopladores automáticos que están equipados con un microprocesador, el cual analiza la ROE existente con su propio medidor interno. Rápidamente conmuta añadiendo y quitando condensadores e inductancias automáticamente para alcanzar la mejor adaptación de impedancias posible. El microprocesador ejecuta un algoritmo muy rápido de cálculo que determina rápidamente (si existe) la combinación óptima de máxima adaptación en breves segundos (Figura 12).

Figura 12

Modernamente, todos los acopladores automáticos disponen de un banco de memorias y un frecuencímetro que les permite regresar a una adaptación previamente memorizada para esta misma antena y esa frecuencia, sin necesidad de recalcularla cada vez que volvemos a esa banda y frecuencia., con lo que la adaptación correcta se consigue casi instantáneamente.

Generalmente las capacidades adicionales y las inductancias son introducidas por medio de relés que conmutan y añaden o quitan condensadores en paralelo para aumentar o disminuir la capacidad y también conmuta introduciendo más o menos bobinas en serie con la inicial, cuya inductancia se aumenta o disminuye conectándolas o desconectándolas en serie.

 

Sintonizadores de antena: ¿es lo mismo que un acoplador?

Electrónicamente un sintonizador de antena es exactamente igual interiormente que un acoplador de antena, pero físicamente son muy distintos, porque normalmente llamamos sintonizadores de antena a los acopladores de antena situados en la misma antena y no en la estación. Es decir, están situados en el centro de un dipolo o al mismo pie de una vertical.

Por consiguiente, tienen que estar construidos a prueba de intemperie y deben poder sintonizarse automática y remotamente, lo que supone que físicamente deben encontrarse en cajas estancas, además de recibir la alimentación de 12 V CC generalmente por el interior del mismo cable coaxial que transporta la RF desde el transmisor, por medio de un circuito de bypass de RF que introduce la alimentación en el cable en la propia estación.

 

Conclusión

Así que no lo dudéis y, si es necesario, utilizad un acoplador de antena en HF consideráis que es importante que extraigáis al máximo la potencia de vuestro transmisor, en cuanto la ROE aumente por encima de ROE > 2 Por debajo de ROE < 2, normalmente es una pérdida de tiempo utilizarlo.

 

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