EL ABC DE LAS ANTENAS

 

3. Antenas verticales de ¼ de onda

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.)

 

Resonancia de un monopolo vertical con 2 radiales

Empecemos por examinar en detalle cómo se produce la resonancia en una antena vertical formada por un monopolo de ¼ de longitud de onda y dos radiales iguales y opuestos y horizontales, de ¼ de longitud de onda también. Veamos el funcionamiento, suponiendo que actúa en recepción, como se observa en las figuras 1a y 1b.

Nota: Recordemos que ya hemos explicado en capítulos anteriores que los electrones realmente apenas se desplazan milímetros por los cables, sino que se mueven del mismo modo que las bolas de un billar colocadas en fila, que apenas se mueven cuando la primera bola recibe un impacto, sino que lo que se desplaza es la tacada que se transmite hasta la última bola que sale disparada. Así pues, lo que realmente se desplaza por un cable, a casi la velocidad de la luz (al 95%), es “la tacada” o el impulso eléctrico atractivo o repulsivo, mientras que los electrones se mueven apenas algún milímetro.

Figura 1

Cuando el campo eléctrico positivo de la onda electromagnética alcanza el monopolo vertical (figura 1a), todos los electrones (la tacada) se ven atraídos hacia arriba hacia el punto A y allí aumenta la presión eléctrica y rebotan hacia el punto C. En este recorrido del impulso de ida y vuelta desde C hasta A y vuelta a C, la tacada atractiva (no los electrones, que se desplazan muy poco) recorre dos veces L/4, es decir L/2, y entonces resulta que la onda ha cambiado de semiciclo, de modo que ahora es negativo (Figura 1b) y contribuye reforzando este movimiento hacia abajo, hacia los radiales.

Los electrones siguen su camino hacia abajo y encuentran dos caminos idénticos: el radial CD y el radial CB, por lo que se reparten en dos mitades, una de las cuales se mueve hacia la puntas D y la otra mitad hacia la punta B, donde rebotarán y vuelven hacia C en el siguiente semiciclo.

Cuando la tacada repulsiva alcanza las puntas D y B, los electrones se ven repelidos por el aumento de la presión eléctrica allí, y la tacada vuelve reflejada hacia el punto C, con lo que habrán recorrido también dos veces L/4, es decir L/2, y descubren que la onda incidente ha vuelto a cambiar de semiciclo y refuerza su movimiento.

Si el conductor radiante AC, así como los conductores radiales CD y CB tienen la longitud adecuada de L/4, se produce también aquí una resonancia, pues el movimiento propio natural de un extremo a otro se encuentra en fase con la onda incidente y la corriente electrónica alterna en los cables alcanza su amplitud máxima. Exactamente igual que una masa suspendida alcanza su desplazamiento máximo cuando recibe impulsos sincrónicos, tal como se observa en la figura 2, en que vemos el equivalente mecánico de la resonancia de una antena vertical con dos radiales horizontales iguales y opuestos.

Figura 2

Como las corrientes y tensiones que se inducen en los dos radiales CD y CB son iguales y opuestas, la contribución que realizan a la señal recibida es práctiicamente nula en casi todas las direcciones del espacio, de forma que la recepción solo es obtenida por el movimiento electrónico vertical en el radiante, que nos viene reforzado por las tensiones y corrientes extraídas de la onda electromagnética por el monopolo vertical AC. Y estas alcanzarán la máxima amplitud cuando la antena sea resonante, gracias a sus dimensiones físicas de L/4 en las 3 ramas.

 

Resonancia de un monopolo de ¼ de onda con tierra perfecta.

Si en lugar de dos radiales iguales y opuestos y horizontales disponemos de una tierra perfectamente conductora, el funcionamiento de la antena varía ligeramente.

La tierra perfectamente conductora se comporta como un sumidero perfecto para el movimiento repulsivo de los electrones (realmente la tacada repulsiva) que los envía hacia tierra, y como una perfecta fuente de electrones (o tacada atractiva) en el siguiente medio ciclo de signo opuesto, a la hora de tener que suministrarlos (figuras 3a y 3b).

Figura 3

Vamos a suponer que estamos en transmisión con el centro del coaxial conectado a la base del monopolo vertical y la malla conectada a una tierra perfectamente conductora inmediata. Cuando llega el impulso de repulsión negativo al monopolo, los electrones se ven obligados a dirigirse hacia la punta A y, al aumentar allí en la punta la presión eléctrica, vuelven rebotados hacia C, recorriendo el impulso L/4 + L/4 = L/2, por lo que cuando llega la tacada del impulso rebotada de vuelta a C, la onda de RF ha cambiado de semiciclo y de signo, porque ya ha transcurrido media onda en el tiempo, de modo que ahora la tacada de tensión que les llega es positiva y de atracción, y a la tierra llega el negativo que los empuja a meterse muy a gusto en el sumidero.

Cuando el impulso de atracción positivo llega al monopolo y el lado negativo repele los electrones hacia el suelo, todos los electrones se dirigen al sumidero de la tierra. Este movimiento de electrones repulsivo hace que los electrones se repartan por el suelo en todas direcciones, así que su circulación es simétrica en todas las direcciones en un azimut de 360º, por lo que su radiación es totalmente nula en el espacio circundante, pues los campos magnéticos generados por estas corrientes simétricas se anulan todos entre sí en un espacio alejado.

Por tanto, solo nos queda la radiación vertical producida por el movimiento vertical (arriba y abajo) de los electrones en el monopolo, de forma que tan solo el monopolo radia toda la energía de RF que le suministramos.

El equivalente mecánico de la resonancia de un monopolo de L/4 sobre tierra natural perfecta sería mucho más simple como vemos en la figura 4.

Figura 4

 

El efecto imagen de un monopolo con tierra perfecta

Además, con una tierra perfectamente conductora, el suelo se convierte en un espejo que refleja la radiación de la onda original radiada por el monopolo como si fuera una imagen especular (figura 5), y la onda directa y la especular (reflejada en el suelo conductor) se suman prácticamente en fase con ángulos muy pequeños de radiación. Esta es la gran ventaja de la vertical con plano de tierra conductor perfecto natural.

Figura 5

Si sumamos los efectos del monopolo radiante y su imagen, vemos que podemos considerar la antena como un perfecto dipolo vertical, cuya máxima radiación se encuentra en la perpendicular al centro del dipolo, es decir con un ángulo de elevación muy bajo y prácticamente cercano a 0º de elevación respecto al suelo. Esto permite a una vertical con plano de tierra natural emitir con ángulos mínimos de elevación, ángulos casi imposibles de alcanzar con un dipolo horizontal.

Los dipolos horizontales tienen el problema de que su altura es determinante para conseguir ángulos de radiación bajos, como veremos más adelante en el siguiente capítulo, mientras que las antenas verticales radian con ángulos bajos sin problemas. Por tanto, en transmisión, son antenas muy adecuadas para el DX, aunque en recepción sean antenas que captan mucho ruido procedente de todas direcciones (omnidireccionales) del espacio circundante y muy ruidosas.

 

¿Existen las tierras perfectamente conductoras?

Desgraciadamente, las tierras perfectamente conductoras casi no existen en el mundo real. Podemos conseguir alguna tierra perfectamente conductora natural en algunos casos muy concretos, como por ejemplo, cuando nos colocamos en los terrenos de una marisma o a la orilla del mar. Son situaciones casi únicas, muy poco frecuentes en la práctica, y en las que nos asombraríamos de la ganancia que proporciona una antena vertical en los ángulos más bajos de radiación. En el mundo real, en otros lugares, no existen tierras perfectas naturales.

La mayoría de terrenos montañosos, especialmente los lugares más prominentes y elevados, se asientan normalmente sobre rocas eruptivas y metamórficas de muy mala conductividad, de forma que es prácticamente imposible disponer de una tierra perfecta en la cumbre de cualquier elevación del terreno.

No existen normalmente montañas y colinas con una capa freática inmediatamente debajo de nuestros pies en sus puntos más altos. Y el suelo rocoso es muy mal conductor eléctrico, con lo que es casi imposible conseguir una toma de tierra que tenga buena conductividad y perderemos mucha potencia en ella. Veamos la diferencia en la figura 6.

Figura 6

 

¿Lugares elevados? ¿Exactamente para qué?

Existe la idea absurda de que si nos colocamos en un lugar elevado conseguiremos un ángulo de radiación muy bajo con una antena de HF. Contra más altura mejor. ¿Pero si estamos en una colina, entonces ¿dónde está el suelo reflector? ¿Os dais cuenta de que el suelo perfectamente reflector normalmente sólo se encuentra a nivel del mar y junto al mar?

Los lugares más elevados sirven bien para VHF y bandas superiores, pero para HF no sirven para nada. La máxima altitud no nos proporciona ganancia ni un menor ángulo de radiación. Tal vez la única ventaja es que conseguiremos algo menos de ruido eléctrico de origen artificial, pero desgraciadamente la limitación a nuestra recepción en HF se debe principalmente al ruido exterior atmosférico y galáctico. Este solo podemos disminuirlo estrechando los lóbulos de radiación de nuestras antenas y consiguiendo que capten el menor ruido posible procedente de ángulos de elevación elevados. Así que para la operación en portable, siempre es mejor situarse a la orilla del mar que en una montaña, algo exactamente contrario a lo que tendemos a suponer.

 

Tierras perfectamente conductoras artificiales

Podemos disponer de tierras perfectamente conductoras en algunos edificios en los que se dispone de una estructura metálica y se ha instalado una trama de hierro debajo de la antena para reforzar el hormigón del suelo. De todas formas, mucho cuidado con estas mallas porque debemos huir, como de la peste, de colocar nosotros mismos mallas de alambre entrelazadas, de tipo tela de gallinero, porque sus múltiples cruces de conductores oxidados, normalmente de alambre de hierro, al oxidarse dan lugar a infinidad de contactos defectuosos que producen rectificaciones que generan armónicos. Si estamos en el campo solitario en una casa aislada, pues los armónicos y las intermodulaciones generadas por los malos contactos tal vez no molestarán a nadie y nadie se enterará, solo nuestros equipos de alta fidelidad, pero no es aconsejable colocarlas encima de un edificio de pisos. Los problemas de interferencias se multiplican hasta el infinito. Las mallas conductoras deben ser soldadas o bien láminas metálicas perforadas o continuas.

Si colocamos nosotros mismos una lámina conductora debajo de nuestro monopolo, tiene que ser lo más continua posible y con los mínimos contactos que puedan oxidarse y fallar, porque todos ellos producirán problemas de mala conducción, con la posible rectificación de la RF y la generación de productos de intermodulación y armónicos, debidos a la no linealidad de los contactos defectuosos.

 

Los hilos largos demasiado cortos como verticales

Una variante de los monopolos son las antenas de hilos largos demasiado cortos que todo el mundo tiene la tentación de utilizar como antena vertical, pero sin tierra perfecta ni contraantena. En ese caso, la radiofrecuencia circula hacia tierra a través de nuestro equipo y del sistema de alimentación (Figura 7), con todos los efectos secundarios que eso conlleva.

Figura 7

Por tanto, es imprescindible que consigamos algún tipo de contraantena que contribuya a que la RF se pasee solamente por el sistema antena-contraantena y no circule por nuestro equipo (Figura 8).

Figura 8

Como posible contraantena, podemos colocar radiales resonantes de ¼ de onda en cada banda que queramos utilizar. Estos radiales de ¼ de onda, deben ser iguales y opuestos y estar algo elevados sobre el suelo, y son los que completarán la resonancia del hilo como un dipolo mal ajustado o como antena vertical, al sintonizarlo con el acoplador. Sería mejor colocar por lo menos dos radiales iguales y opuestos por banda para que su radiación se cancele, como los de la figura 1 y 2, pero se cancela su radiacion ejor poniendo tres y cuatro simétricos por banda.

 

¿Cómo conseguimos contraantenas más decentes para los monopolos?

Todas las variantes se reducen a dos sistemas: picas o estacas de cobre clavadas en el suelo o radiales al pie de las antenas, o las dos cosas a la vez.

Las picas o estacas son adecuadas para terrenos sedimentarios en los que hay una buena capa de tierra en la que es fácil clavar picas a buena profundidad sin tropezar con un lecho de rocas. Estos terrenos tienen una conductividad aceptable si se mantienen húmedos y producen un grado de reflexión muy aceptable, gracias a su aceptable conductividad.

Los radiales son adecuados para suelos más rocosos en los que la capa de tierra suelta o arcillosa es más bien delgada y tropezamos con rocas a muy poca profundidad. Pero vayamos a la práctica con más detalle:

- Picas en el suelo

Las picas en el suelo deben ser unas cuantas. No basta con una. Debemos conseguir una resistencia de pérdidas la menor posible para no perder nuestros preciosos vatios en la toma de tierra. Dicen que la resistencia que se consigue con una sola pica de cobre clavada en el suelo con 2 metros de longitud oscila entre 20 y 40 ohmios.

Si tomamos como objetivo conseguir una resistencia a tierra inferior a 10 ohmios, teniendo en cuenta de que nuestra antena vertical o monopolo tendrá una resistencia de radiación de unos 36 ohmios (72/2), el cable coaxial encontrará una resistencia aparente en el punto de alimentación Rt = Rr + Rg = 36 + 10 = 46 ohmios, como si estuvieran en serie, perfecta para adaptarla a nuestro cable de 50 ohmios (figura 9).

ABC 03 09

Desgraciadamente la proporción de pérdidas que tendremos en la resistencia de tierra Rg (Figura 10) será de 10/46 x 100 = 21,7% que parece considerable, pero que aún es aceptable, si tenemos en cuenta que este porcentaje equivale solamente a una pérdida de 1 dB, una cifra prácticamente indetectable (Se considera como significativa una pérdida >= 3 dB).

De todos modos, para estar seguros de que conseguimos una resistencia de tierra menor de 10 ohmios, deberíamos clavar por lo menos 4 picas de 2 metros separadas por un par de metros cada una. De esta forma, estaremos seguros de que nuestra resistencia de pérdidas será como máximo menor que 10 ohmios (40/4) y minimizaremos las pérdidas. Ya veis que no es tan fácil.

- Radiales: Enterrados y elevados

El mejor artículo que conozco que se haya publicado sobre tipos de radiales para verticales de HF apareció en el QST de Marzo de 2010 An experimental look at ground systems for HF Verticals por Rudy Severns, N6LF, quien se dedicó a experimentar con medidas, número de radiales y su longitud, consiguiendo unas conclusiones sorprendentes, que se hace un poco difícil resumir todas aquí. Yo os recomendaría que buscarais ese artículo en la web de la ARRL, o que pidierais que os lo descargara algún miembro de la ARRL o me lo pidáis a mí directamente.

-- Colocación: Radiales mejor muy elevados que solo algo elevados, y algo elevados mejor que sobre el suelo directamente (mínimo 15 cm). Y siempre elevados mejor que enterrados. La mejor elevación es a 2,4 metros de altura. Cuatro radiales iguales y opuestos de ¼ de onda a esta altura superior a 2 m superan a 120 radiales directamente sobre el suelo. La mínima elevación recomendable es de 15 centímetros. Si los dejamos sobre el suelo, mejor que sean recubiertos de aislante y tendremos que poner unos cuantos más. Si son enterrados, basta con que tengan una longitud de 1/8 de onda, porque la tierra los alarga eléctricamente.

-- Número: Con radiales elevados, con 4 radiales iguales y opuestos de 1/4 bastan. Para radiales sobre el suelo, a partir de 16 radiales, al aumentarlos la mejora es inferior a 1 dB, de forma que no vale la pena llegar a 32 radiales, ni mucho menos a 120 radiales.

-- Longitud: si son elevados deberían ser 4 radiales de L/4 por banda. Si están directamente sobre el suelo, la mejor longitud es 1/6 de longitud de onda, porque si son más largos baja la ganancia de la antena. El motivo es que el efecto de inmediatez del suelo hace que los radiales resuenen a una frecuencia más baja de la propia y por eso hay que dejarlos más cortos de L/4. Si están enterrados, mejor que sean recubiertos de aislante y aún pueden ser más cortos, hasta tan solo 1/8 de longitud de onda. No sale a cuenta ponerlos más largos.

 

La antena Ground Plane

La antena Ground Plane (GP) se denomina equivocadamente “antena con plano de tierra artificial”. Yo también he cometido ese error muchas veces. No existe el tal plano de tierra artificial. Los radiales de una GP no son para nada un plano de tierra artificial. No reflejan en absoluto la radiación del monopolo radiante como haría un plano de tierra artificial propiamente dicho, sino que constituyen la contraantena o la otra mitad de un dipolo vertical.

Realmente solo son una contraantena que no radia horizontalmente, sino que radian algo verticalmente también si se colocan inclinados y deben ser simétricos, y 2 o 3 como mínimo o cuatro radiales iguales y opuestos, de forma que las corrientes que los recorren generen campos eléctricos y magnéticos con una componente horizontal que se anule en cualquier punto del espacio situado a cierta distancia.

Si sólo son 2 radiales iguales y opuestos, la radiación horizontal se cancela en el dirección perpendicular, pero radian algo horizontalmente en el mismo plano de los radiales. Si están inclinados, radian verticalmente, pero no reflejan la radiación, así que de “plano de tierra artificial” nada de nada, no lo olvidéis. Solo constituyen la otra mitad de la antena que forma el dipolo vertical. Forman también una contraantena, pero al estar inclinados, contribuyen un tanto a la radiación vertical.

Los radiales de una GP, aparte de su contribución a la radiación vertical, se inclinan también hacia abajo para aumentar la impedancia en el punto de alimentación de la antena, pues sube de unos 36 ohmios (72/2) hasta 50 ohmios, perfecto valor para la adaptación a un coaxial de 52 ohmios de alimentación. Eso hace que contribuyan ligeramente a la radiación vertical del monopolo.

 

¿Balun en una vertical?

El monopolo colocado sobre tierra perfecta teóricamente no necesita balun, pues si la tierra es perfecta, no se puede producir ninguna corriente de RF de retorno reflejada por el exterior de la malla del coaxial que vuelva hacia la estación. Dicho sea de paso, recordemos que el cable coaxial tiene la mala costumbre de comportarse como un conductor de tres hilos (vivo, interior malla, exterior malla), de los que el tercero (exterior de la malla) tiene vida propia.

Sin embargo, todas las otras antenas verticales necesitan imprescindiblemente un balun para cortar posibles corrientes por el exterior de la malla del coaxial, puesto que el exterior de la malla acostumbra a dejar circular sus propias corrientes de RF en modo común, que circulan independientemente hacia la estación, si no impedimos su avance con balunes de tensión o de corriente que impidan su circulación por el exterior de la malla.

Y eso es todo por ahora.

 

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