EL ABC DE LAS ANTENAS

 

11º Antenas de cable cerradas

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

 

El dipolo plegado: mayor ancho de banda

La más importante ventaja de las antenas cerradas, cuyos extremos no acaban en punta (como por ejemplo, los dipolos plegados, cúbicas, Skyloop, etcétera) es que, al tener una impedancia más elevada en el punto de alimentación, siempre proporcionan un mayor ancho de banda que las antenas abiertas acabadas en puntas. Un buen ejemplo lo tenemos en el dipolo plegado para la banda de 80 metros de la figura 1, cuya gráfica de ROE (Figura 2) muestra una ROE < 2:1 desde 3.475 a 3.800 kHz; es decir, cubre la banda completa de los 80 metros sin necesidad de utilizar un acoplador, cosa que es imposible con una antena abierta como el dipolo de media onda.

ABC 11 01

Un pequeño detalle importante de esta antena (Figura 1) es que necesita un balun 6:1 en el punto de alimentación para reducir los 300 ohmios aproximados de su punto de alimentación a los 50 ohmios de un cable coaxial clásico de emisión y conseguir una buena adaptación.

Pero esa mayor impedancia es precisamente la que nos proporciona ese gran ancho de banda, imposible de alcanzar con un dipolo abierto, con el que tendríamos que decidirnos por sintonizarlo en la parte baja para CW (3.500-3600) o en la parte alta de fonía (3700-3800), siendo imposible cubrir los dos segmentos con Roe < 2:1.

Para que comprendáis bien el efecto de la mayor impedancia central en la ROE, tenéis que fijaros en que, al comparar la reactancia en cada frecuencia, al aumentarla o bajarla alejándonos de la frecuencia de resonancia, la reactancia varía en la misma magnitud que en un dipolo, pero ahora cuando se suma la reactancia a la resistencia central (300) más elevada, la ROE varía menos y no aumenta tanto a lo largo de todo el ancho de la banda.

ABC 11 02

El dipolo plegado, como se trata de montar un radiante con dos cables paralelos, se puede construir de dos formas. La primera, mediante dos cables paralelos con separadores de plástico que mantienen la distancia entre ellos, colgando de dos mástiles, con el peligro de que se retuerzan y crucen los dos cables; o bien, una segunda, más práctica, utilizando cinta paralela de polietileno de 300 Ω o 450 Ω (sin o con ventanitas).

Si la hacemos con cinta paralela, es muy posible y más práctico montarla también como V invertida, con lo que baja ligeramente la impedancia y permite acoplarla con un balun transformador de impedancias de relación 4:1, realizado con un transformador con una relación de espiras de 2:1.

Nota: NO hay que tener en cuenta el factor de velocidad de propagación por el cable de cinta paralela para el cálculo de la longitud de media onda, porque en el dipolo plegado la cinta paralela no actúa como línea de transmisión, puesto que los dos cables de la cinta transportan corriente de RF en el mismo sentido y no en sentidos opuestos, como sería el comportamiento clásico de una línea de transmisión. Así que hay que cortarla con una longitud de media onda.

 

La otra gran ventaja de las antenas cerradas: SIN puntas

Las puntas de las antenas abiertas, pueden desprender electrones por los extremos de sus cables y crear un gran ruido eléctrico al desprenderse estos electrones de la antena, debido a las elevadas tensiones que se generan en las puntas cuandose aumenta la potencia. Las antenas de circuito cerrado NO tienen puntas y no desprenden electrones. Así que generan menos ruido en transmisión.

Los electrones necesitan mucha energía para soltarse de los extremos, energía que les proporcionaría la tensión muy elevada que aparece en las puntas de las antenas abiertas y que, por supuesto, depende de la potencia aplicada. A mayor potencia, mayor tensión.

Esa tensión elevada puede ser también causada por algo muy diferente: la acumulación de estática en cables de antena sin circuito de descarga hacia tierra.

 

La potencia en transmisión y las puntas

La potencia de RF, cuando transmitimos, produce en las puntas una tensión de RF elevadísima (figura 3) que suelta electrones en cantidad y produce una ionización alrededor de las puntas, y eso representa un ruido electrónico enorme. Pero, cuando esto pasa, como estamos transmitiendo, no estamos recibiendo y no escuchamos ese ruido. No nos importa si no tenemos receptores próximos a los que moleste, pero sería muy grave en una operación multi-multi, o sea multioperador-multitransmisor. Para poner un ejemplo, la tensión en las puntas de un dipolo abierto de media onda alimentado por un amplificador lineal de 1 kW de potencia eficaz puede alcanzar los 3000 V de tensión en los picos de RF y los 4.200 V si llega a 2 KW (Figura 3). Así que procurad redondear el final de las antenas con un bucle de cable alrededor de un aislador para que no acabe nunca en punta.

Figuras 3

En cambio, en recepción, las tensiones generadas en la antena por la onda electromagnética son tan pequeñas, que no hay tensión suficiente para comunicar energía a los electrones y que salgan desprendidos por las puntas.

 

¿Dónde se deben instalar antenas cerradas sin puntas?

En lugares con aire muy seco, generalmente lugares muy altos de montaña, donde una transmisión con gran potencia podría producir en los extremos del elemento excitado el efecto corona, una fuerte emisión de electrones por las puntas. Esto produciría un deterioro considerable de las puntas metálicas de la antena a largo plazo. En esos lugares, las antenas siempre deben instalarse con elementos excitados de circuito cerrado, sin puntas.

El efecto corona lo he presenciado una sola vez en mi vida, transmitiendo con una vertical en CW en un día ventoso y seco, con una estación, instalada a una buena altura en un día muy seco con un lineal de 2 kW. Al modular en SSB con el lineal, se iluminaba espectacularmente la punta de una antena vertical. Se veía un efecto algo parecido al fuego de San Telmo que se desprende a veces de las puntas de los mástiles de los barcos en circunstancias muy especiales, debido a la presencia de nubes cargadas eléctricamente.

 

Otra posible fuente de tensión: la estática

En días secos, en antenas de cable abiertas sin balun, si no hay conducción entre el vivo y la malla del coaxial, entre los dos lados de una antena dipolo (Figura 4), al quedar el vivo aislado de la otra rama que queda conectada a masa a través de la malla del coaxial, puede producirse una acumulación de electricidad estática que produzca un ruido por efecto corona, al desprender electrones por una de las puntas.

Figuras 4

Además, esta estática puede poner en peligro el primer paso del equipo receptor, si lleva intercalado algún un condensador que aísla el circuito de entrada de masa y no lleve ningún circuito de protección diseñado para descargar la estática. La elevada tensión podría producir el cruce del condensador.

Figura 5

El balun de tensión descarga la estática

Para la alimentación en el centro de una antena de circuito abierto, el balun más recomendable para evitar la posibilidad de que se acumulen cargas de estática es el balun 1:1 de tres devanados W2AU (figura 5), también llamado balun de tensión.

Se le llama balun de tensión, porque si aparece una diferencia de corrientes de Rf entre los dos devanados laterales, en el tercer devanado central se genera una tensión inducida que fuerza la igualdad de las corrientes en las dos ramas del dipolo abierto.

Al mismo tiempo, este balun de tensión, proporciona un circuito de descarga de la carga estática acumulada y defiende al equipo que no tenga prevista la descarga de estática en la entrada de su receptor.

 

 

El balun de corriente (Un-un) y la estática

En cambio, si en una antena de circuito abierto colocamos otros tipos de balun, como por ejemplo los choques de cable enrollado o un balun de ferritas como el MFJ-918, que sólo actúan como choque de RF para las corrientes de RF por el exterior de la malla, nos podríamos encontrar con que, al no estar unidos eléctricamente el vivo y la malla, se podría dar una gran acumulación de tensión estática en el vivo del cable coaxial, que podría estropear el circuito de entrada un receptor desprotegido.

Además, el dipolo abierto podría llegar a producir mucho ruido por el desprendimiento de electrones por las puntas de la antena, por la elevada tensión producida por la acumulación de cargas. Y lamentablemente en este caso, este fenómeno se produciría también durante la recepción (Figura 4)

 

Propiedades del dipolo plegado

La ganancia de un dipolo plegado (figura 6) es prácticamente la misma que la de un dipolo abierto (2,13 dBi), por lo que en cuanto a prestaciones de directividad y ganancia, no presenta ninguna ventaja especial respecto al dipolo abierto. En cuanto a fabricación, como tiene el doble de cable, realmente nos saldrá el doble de cara, mucho más si encima debemos comprar un balun especial 6:1 para adaptarla correctamente a un coaxial de 50 ohmios.

Figuras 6

El excitado rectangular horizontal

Una variante del dipolo plegado, que proporciona algo más de ganancia que el dipolo plegado, es la antena, que dispone de un radiante excitado rectangular (Figura 7) y a la que se acompaña generalmente con un reflector, pero que proporciona más ganancia que un dipolo plegado con reflector. De los reflectores hablaremos más a fondo en el capítulo 12, dedicado a antenas directivas.

En conjunto, el funcionamiento de esta antena se basa en que, sumados los cuatro lados, o sea el perímetro del rectángulo, se alcanza más o menos 2 metros, una longitud de onda, lo que permite la resonancia en onda completa en 144 MHz y, en consecuencia, se encuentra el centro del lado mayor un punto de alimentación de una mayor impedancia. Por tanto, soporta mejor la colocación de un reflector que una Yagi normal, y obtener de este modo los 50 ohmios necesarios en el punto de alimentación.

La ganancia en el espacio de una antena rectangular (Figura 8) con reflector alcanza los 6,78 dBi, lo que supone la obtención de una mayor ganancia (+1,6 dB) que con un dipolo plegado con reflector (5,12 dBi).

Figuras 7 y 8

Antena cuadrangular cúbica

La antena cúbica se basa también en la resonancia en onda completa de un elemento excitado de forma cuadrangular, colocado en un plano vertical, de forma que se consigue obtener un diagrama de radiación vertical con una apertura más estrecha que con un simple dipolo. La longitud de cada lado del cuadrado es aproximadamente de ¼ de longitud de onda. En realidad funciona como si hubiera dos dipolos de media onda doblados y superpuestos (Figura 9).

El inconveniente de la antena cúbica es que hay que soportar las cuatro esquinas del cuadrado por medio de cuatro brazos aislantes, generalmente realizados con caña de bambú o fibra de vidrio, los cuales por desgracia, casi siempre bastante son más frágiles que la gruesa viga de soporte de una Yagi. Y ya que estamos, ,mencionemos de paso también la fragilidad de cada esquina del cuadrado, donde va sujeto el radiante, que debe estar muy bien resuelta para que no se rompa el cable. De pocas cúbicas he oído hablar que no hayan tenido que realizar alguna reparación en los cables.

Figuras 9 y 10

De todas maneras, frente al dipolo, se observa en el diagrama de radiación (Figura 10) que la cúbica (3,3 dBi) llega a tener +1,2 dB más que un dipolo (2,12 dBi) situado a la misma altura de la cruceta. Ese único dB suplementario me parece a mí que no justifica la complejidad de montaje de una cúbica y la fragilidad futura que sufrirá, en comparación con una Yagi realizada con tubo de aluminio.

Por otra parte, aparece un problema de adaptación de impedancias en el punto de alimentación, porque la cúbica presenta una impedancia algo superior a 100 ohmios, lo que exige algún tipo de balun de relación 2:1 o bien una adaptador LC colocado en el punto de conexión, para reducir la ROE a un nivel aceptable.

Este problema se resuelve fácilmente cuando se le coloca otro cuadro reflector de dimensiones algo mayores (5-10%) que la convierten en una directiva de 2 elementos, pues entonces la impedancia en el centro del lado inferior del elemento excitado se acerca mucho más a los 50 ohmios.

 

La antena Bazooca: un híbrido con puntas

Una antena que tiene puntas, aunque tiene una alimentación de circuito cerrado es la antena Bazooca (Figura 11a), que dispone de un circuito muy especial de alimentación, realizado con cable coaxial, que cierra el circuito entre el vivo y la malla, pero mantiene la puntas del coaxial cortocircuitadas en los extremos. Por tanto, no sufre el problema de acumulación de estática.

Al realizarla con cable coaxial RG-213 de 10 mm de diámetro, se consigue un ancho de banda algo mayor que con una antena dipolo con cable de 2-3 mm (figura 11b), pero esta antena requiere también colocar un balun de corriente (un-un) en la bajada de coaxial de 50 ohmios para compensar la asimetría del cable coaxial (Figura 11c) de alimentación, por lo que no presenta ninguna ventaja especial, pues su ganancia es casi exactamente la misma que la de un dipolo (2,28 dBi) y nos ha salido más cara de construcción y montaje.

Figuras 11

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ABC 11 11b y 11c

Antenas de aro

El aro es la figura geométrica cerrada por excelencia, pero tiene el problema mecánico de que si es de un diámetro superior a 1,5 metros, empieza a ser muy difícil de sostener en posición en un plano vertical (Figura 12a) y colocarlo a buena altura. Por otra parte, como acostumbra a ser un radiante muy corto en relación a la longitud de onda, tiene muy baja resistencia de radiación, con graves problemas de eficiencia y dificultades para una buena adaptación.

La adaptación en general no es un gran problema, porque hay muchos métodos para elevar la impedancia, pero como su cifra real es inferior a 0,1 o 0,2 ohmios, esta resistencia de radiación empieza a ser muy inferior a su resistencia de pérdidas óhmicas. De modo que, aunque se haga con tubo de cobre o aluminio, esta resistencia es muchísimo más elevada que en corriente continua por culpa del efecto pelicular. Este efecto pelicular produce que la RF circule solo por la superficie exterior del tubo, con lo que no sirve de nada la totalidad de la sección conductora y la resistencia de pérdidas en RF es muchas veces superior a la resistencia óhmica en corriente continua medida con un óhmetro.

Total, su eficiencia es penosa en trasmisión, llegando a ser menor del 10%(-10 dB), por lo que normalmente se utiliza solamente en recepción, pues en HF el ruido exterior marca el límite a la recepción y el que una antena de aro de diámetro 1 a 2 m tenga una ganancia negativa de -14 dBi no influye apenas en la relación señal/ruido de las estaciones recibidas. Es decir, con un aro se oye prácticamente lo mismo que lo que se escucharía con un dipolo de media onda situado a la misma altura Pero hay que tener en cuenta que en el aro se atenúa tanto el ruido como la señal.

Vamos a analizar el modelo de un aro de 1,70 de diámetro realizado con tubo de cobre de 16 mm. Se sintoniza en 7,15 MHz con una capacidad de 95 pF y, además, debido al efecto pelicular, resulta que tiene una resistencia de pérdidas de 2 ohmios as 7 MHz, que le proporciona un ajuste poco crítico y bastante ancho.

Figuras 9 y 10

Los resultados obtenidos con el modelado son que, a diferencia del dipolo, el diagrama de radiación

 

¿Captan menos ruido las antenas de aro?

Se dice que estas antenas captan menos ruido que las antenas habituales, pero lo que realmente hacen es bajar las señales y el ruido de la misma forma y magnitud, con lo que parece que reciben menos ruido eléctrico, pero en realidad bajan al mismo tiempo las dos cosas: la señal y el ruido exterior, con lo que no mejoran la relación señal/ruido por ningún lado. Se puede utilizar su direccionalidad para eliminar el ruido procedente de una dirección determinada, pero solo se disminuye en otros 12 dB en este modelo. Tiene también un efecto de puntas muy marcado, lo que es una ventaja para atenuar el ruido si se puede girar para reducirlo al máximo.

 

Antenas de aro magnéticas (blindadas)

Las antenas que disminuyen el ruido eléctrico cercano son las antenas de aro blindadas, que no son sensibles a los ruidos eléctricos cercanos, en los que predomina el campo eléctrico sobre el magnético, que no se ha formado todavía. Están realizadas con cable coaxial, pero el aro radiante y receptor solamente es el vivo de la antena, mientras que la malla del coaxial sirve de blindaje.

El blindaje evita que la antena funcione captando el campo eléctrico de la onda electromagnética, pero entonces queda sensible únicamente al campo magnético de la onda. Eso hace que sea menos sensible a los ruidos eléctricos que se generan en las proximidades y en los que predomina campo eléctrico, en el que todavía no se ha igualado en magnitud con el campo magnético, como sucede ya en el campo lejano, que esté alejado de la antena más de una longitud de onda.

Los aros blindados también reciben igual el ruido eléctrico y atmosférico lejano, porque la energía del campo eléctrico y el magnético de la onda electromagnética se iguala en el campo lejano de modo que viajan por el espacio igualados, a tan solo una o dos longitudes de onda de distancia del emisor.

La conclusión es que las antenas de aro blindadas tienen su ventaja solamente en lugares muy poblados (ciudades europeas), con gran generación de ruido eléctrico generado en las proximidades, pero en el campo no representan ninguna ventaja especial.

 

Antena Delta Loop

La antena Delta Loop es un triángulo isósceles colocado en un plano vertical, cuyos tres lados suman más o menos una longitud de una onda completa. Tiene la gran ventaja, igual que la V invertida, de que solamente se necesita un mástil central elevado para su instalación y también los cables y el cordaje que la sujetan sirven de riostras para sostener el mástil central.

La superioridad sobre la V invertida deriva de que una Delta tiene su resonancia en onda completa y eso le permite operar de forma multibanda, en todos los armónicos de la onda completa0 a diferencia de la V invertida que solo funciona en la frecuencia fundamental por su resonancia en media onda y en su tercer armónico.

Su funcionamiento varía según por dónde se alimente, pues tenemos hasta 3 posibilidades: Por el centro de la base (Figura 13a), por el vértice superior (Figura 13b) y por un vértice lateral (Figura 13c).

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Figuras 13a y 13b

El resultado es que es tanto la opción (a) como la (b) son excelentes antenas NVIS para 40 metros y contactos con ángulos de radiación superiores de 45º, o sea para distancias inferiores a 1000 km, mientras que en la versión (c) ocurre todo lo contrario, puesto que tiene una directividad muy marcada hacia las puntas para ángulos inferiores a los 45 grados, lo que la hace ser una mala antena para distancias cortas y una excelente antena para el DX, aunque sea casi imposible girarla para dirigirla hacia otras direcciones que nos interesen.

En las opciones (a) y (b) necesitamos colocar un balun 4:1 o un 2:1 para adaptarla mejor a un cable de 50 ohmios, mientras que en la opción (c) alimentada por un vértice inferior, la impedancia es más baja y basta con un balun simetrizador 1:1, aunque hay que añadir unos centímetros más de cable en cada lado para volver a centrar la resonancia en todas las bandas en que resuena, o sea en 40-20-15-10 m (figura 14).

Figuras 14

De todos modos, como todas las antenas multibandas, es imposible ajustarla perfectamente en todas las bandas, de forma que el uso del acoplador (mejor automático) es imprescindible para salir sin problemas para el emisor en la mayoría de las bandas.

 

¿Por qué es importante el funcionamiento multibanda?

Ya conocéis el dicho de… “Quien mucho abarca, poco aprieta” que también se cumple perfectamente en las antenas. Las prestaciones multibanda se contraponen a una buena ganancia y ángulos de radiación lo más bajo posible conseguible con una buena directiva.

No funcionan bien en todas las bandas en que resuenan, pero si no somos concurseros y lo que nos gusta es la posibilidad de hacer contactos siempre que nosotros queramos y no cuando disponga la señora propagación ionosférica, es mejor disponer de una antena multibanda (Figura 14) que pueda operar en la banda que esté abierta, en los momentos en que una antena directiva no sirve para nada, si sus bandas de funcionamiento están completamente cerradas.

 

Doble Delta Loop para 80 m

Supongo que me diréis que es difícil colocar una DeltaLoop para 80 metros que trabaje en todas las bandas de aficionado (todos los armónicos), pues hay que montar un triángulo equilátero de casi 27 metros de lado (27 x 3 = 81 m) para instalarla, pero hay otra forma de colocar esos ochenta metros de cable en forma de Doble Delta Loop para conseguir que funcione en 80 metros con una altura de mástil muy normal, como por ejemplo con un mástil central de solamente 10 metros de altura. Aquí tenéis la configuración dibujada y el resultado de la gráfica de ROE que demuestra la resonancias en todas las bandas.

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Figuras 14

Como ya comentaba en antenas multibandas anteriores, “quien mucho abarca, poco aprieta” y no esperes una excelente antena para el DX en todas las bandas, pero sí que esta antena te permitirá salir en todas las bandas de radioaficionado con cualquier acoplador con una buena eficiencia, pues la ROE será acoplable en todas las bandas. La mejor resonancia se encuentra en los 14,2 MHz.

 

La antena Loop horizontal o Skyloop

Otra antena de onda completa con buenas propiedades multibanda es la antena cerrada de cuadro horizontal con una longitud de onda completa, Veamos sus características a partir del modelado de una antena SkyLoop para 40 metros (Figura 16a).

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Figuras 16a y 16b

Pregunta: ¿cuál es el espacio mínimo necesario para una Sky Loop para 80 y 40 metros?

La respuesta la tenemos en la siguiente Tabla I:

Tabla 1

Si somos de los afortunados que disponemos de un terrado, aunque sea comunitario, con estas dimensiones, podemos disfrutar de una antena multibanda bastante chula. En el caso de la SkyLoop, necesita algún metro de espacio en el terrado más para arriostrar cada uno de los mástiles con un viento en cada esquina, pero hay otras soluciones (Figura 17) que permiten instalar cuatro mástiles sin las riostras necesarias en la Figura 16a.

 

¿No nos cabe? SkyLoop de 4 Vs invertidas

El truco para montar una SkyLoop en superficies aún más reducidas consiste en colocar los mástiles en los lados del rectángulo (Figura 17a), de modo que los mismos cables de la antena sirven de riostras para mantener los mástiles de 7 metros de altura en su lugar, mientras que en las esquinas solo necesitamos pequeños mástiles de algo más de 2 metros que no necesitan riostras.

Figuras 17

Podemos llegar a colocar el cable necesario para una Skly Loop multibanda para 40-20-15-10 m (Figura 17b), en un terrado cuadrado de tan solo 6 x 6 metros, colgando los cables de cuatro mástiles con una altura de tan solo 6,8 metros en forma de 4 Vs invertidas., con mástiles de 2 metros en las esquinas de modo que la antena no esté al alcance de la mano.

Eso es todo por ahora. En el próximo capítulo 12, hablaremos de antenas directivas.

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