EL ABC DE LAS ANTENAS

 

10. ANTENAS DE CABLE ABIERTAS

Por Luis A. del Molino EA3OG (ea3og@ure.es)

 

Los 72 Ω del dipolo

Ya hemos hablado en los anteriores capítulos de que el dipolo de media onda es la antena básica por excelencia, que resuena en una determinada frecuencia fr, siempre que su longitud sea casi exactamente la longitud de onda dividida por dos.

Como la onda electromagnética se propaga por el cable a una velocidad algo inferior a la de la luz en aire y en el vacío (solo viaja al 95% de 300.000 km/s), para calcular la longitud resonante hay que quitarle un 5% a la media longitud de onda, de modo que resulta:

L (en metros) = 142,5 / fr = (300 x 0,95/2) / fr

Pero debemos tener muy en cuenta que el dipolo horizontal no presenta realmente una impedancia de 50 ohmios en el centro a la frecuencia de resonancia, sino que esta impedancia resistiva en el espacio es realmente de 72 ohmios. Por tanto, en condiciones ideales, no se adapta exactamente al cable coaxial de 50 ohmios y es imposible conseguir una ROE mínima de 1:1.

Eso significa que, si alimentáramos por el centro un dipolo horizontal con un coaxial de 50 ohmios y la antena estuviera muy, pero que muy alta (varias longitudes de onda), como si estuviera en el espacio, la ROE mínima que deberíamos esperar debería ser :

ROE = Z / Zo = 72 Ω / 50 Ω = 1,44:1

Así que no deberíamos rompernos los cuernos intentando bajar esa ROE hasta 1:1 ajustando la longitud de la antena, porque nunca bajaría de ningún modo, sino que, al alargar o acortar su longitud, la ROE aún aumentaría más, al añadir a los 72 Ω una reactancia inductiva o capacitiva, igual que pasa exactamente igual subiéramos o bajáramos la frecuencia de nuestra transmisión.

 

La impedancia cambia con la altura

Sin embargo, en la práctica, como en las bandas más bajas de HF es imposible colocar la antena a una altura considerable, sino que muchas veces hemos de conformarnos con una altura miserable de un octavo, un cuarto, media o tres cuartos de longitud de onda, la impedancia en el centro del dipolo típico de media onda horizontal oscila entre 50 y 100 ohmios, como podemos ver en la Tabla I de impedancias, según la altura. Se ve claramente que, cuando la antena la instalamos muy baja, la impedancia del dipolo en el centro oscila mucho. Pero, a medida que aumenta la altura, la impedancia va convergiendo hacia los 72 ohmios.

Pero, aparte de la altura, disponemos de otro truco muy interesante para bajar la impedancia del dipolo de media onda y conseguir una mejor adaptación, como por ejemplo inclinar las dos mitades del dipolo hacia abajo en forma de V invertida. Veamos sus ventajas:

 

Dipolo en V invertida

- En primer lugar, la V invertida tiene la gran ventaja sobre el dipolo de que solo necesita un soporte central para sostener la antena (Figura 1b), lo cual simplifica mucho el montaje al dividir la complicación por 2, al necesitar un sólo mástil de soporte en lugar de 2.

-En segundo lugar, los mismos cables de antena y sus prolongaciones con algún tipo de cuerda aislante nos sirven de riostras para sostener erguido en posición el mástil central.

-En tercer lugar, , resuelve el problema de la nula radiación de los dipolos hacia las puntas, lo que nos hubiera podido dificultar contactos en esa dirección. Al estar las ramas inclinadas en V, la antena radia también hacia las puntas con una pequeña componente vertical, que la convierte en la práctica en una antena omnidireccional, a diferencia del dipolo horizontal que realmente no es omnidireccional, porque apenas radia por las puntas, como podemos comprobar con los modelados respectivos en EZNEC+ (Figuras 2a y 2b).

-En cuarto lugar, repitamos que tenemos la ventaja de que, al inclinar las ramas hacia abajo, disminuye su impedancia resistiva en el centro y la acerca más hacia los 50 ohmios, por lo que se adapta mejor a los cables coaxiales de transmisión de 50 ohmios.

Como único defecto, podemos destacar una bajada de 2 dB en la ganancia de la antena en la perpendicular al plano que contiene la antena. La mayor omnidireccionalidad, nos hace perder algo de ganancia frontal.

Nota: Durante el resto de este capítulo, las comparaciones de antenas las realizaremos siempre como si estuvieran en el espacio, lo que en el programa EZNEC+ se denomina Free Space (FS). Esta opción nos permite hacer comparaciones más realistas entre diferentes antenas, sin vernos afectados por la altura de la antena sobre el suelo, puesto que el suelo aumenta la ganancia en determinados ángulos de elevación y dificulta las comparaciones de las antenas si no están exactamente a la misma altura media.

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En resumen, son muchas las ventajas de la V invertida respecto al dipolo horizontal y no tiene contraindicaciones, salvo su gran tamaño para ciertas bandas de frecuencias más bajas y que nos obliga a utilizar un mástil central de altura considerable, si queremos obtener un ángulo de radiación decente para el DX. La altura mínima recomendada para el DX es ½ longitud de onda. Eso son 20 m (factible) para la banda de 40 m, pero serían ya 40 metros de altura (muy difícil) para la banda de 80 m.

En cuanto a la ganancia, debemos reconocer que la V invertida tiene 2 dB menos de ganancia en la dirección erpendiclar al plano de la antena.

 

La V NO invertida

Nos olvidamos muchas veces de que también se puede colocar un dipolo en forma de V No invertida y que puede ser una solución muy interesante y cómoda para transmitir cuando nos encontramos entre dos edificios altos (Figura 3a) , en los que el patio que los separa tiene una dirección adecuada para las direcciones que queremos trabajar.

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Por ejemplo, si nos encontramos en el Levante español y nos encontramos con que tenemos un espacio abierto en dirección Este-Oeste, entonces no necesitaríamos ningún mástil, sino tan solo algunos vecinos amables que nos dejaran sujetar los dos cables de la antena a sus balcones o terrados (figura 3a).

 

Los problemas del espacio reducido

El radioaficionado europeo que pretende operar en HF siempre tropieza con el mismo problema: la falta de espacio para colocar antenas de longitud media onda, que puedan trabajar bien en las bandas más bajas, concretamente los 80 y 40 m (ya no hablemos de los 160 m), por culpa de las enormes dimensiones de la media onda (40 m y 20 m) que exigen las antenas para estas bandas y las reducidas dimensiones de nuestras parcelas, viviendas, terrados y terrazas de apartamentos en Europa.

Las soluciones para acortar las antenas y hacerlas más asequibles son muy variadas, porque van desde el replegado de la antena de alguna forma, la colocación de bobinas y trampas, etcétera, pero todas ellas tienen un defecto en común: Al realizarlas con una longitud radiante más corta, siempre se produce una ligera disminución de la ganancia. Empecemos por comentar las soluciones más sencillas:

Dipolo trombón de varas

Consiste en intentar doblar el cable de la antena de alguna forma para alcanzar la resonancia en menor espacio. Yo la llamo trombón de varas por el parecido que tiene este instrumento con esta antena (figura 4).

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Como es una antena realmente más corta, aunque se adapta muy bien a 50 ohmios, tiene una resistencia de radiación algo inferior, puesto que pierde 2,6 dB de ganancia (-0,6 dBi) respecto al dipolo (2,1 dBi) de media onda estándar y tiene un ancho de banda para ROE < 2:1 algo inferior al de un dipolo normal. Nada grave para el que no tiene espacio suficiente para un dipolo de media onda completo.

 

Dipolo hexagonal

La antena dipolo hexagonal (figura 5a) es una versión más cerrada de un dipolo, utilizando la misma longitud de cable que en un dipolo horizontal, pero montado en forma de hexágono, sobre una estructura de 6 varillas de fibra horizontales, que soportan el cable partiendo de un soporte central, de modo que el espacio que ocupa es mucho más reducido.

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El problema que se plantea en esta antena es que la impedancia en el punto de alimentación central baja mucho al estar replegada sobre sí misma y se acerca a los 25 ohmios, por lo que tendremos problemas de adaptación.

Esto nos obliga a utilizar un transformador de impedancia 2:1, que podría ser realizado mediante un cable coaxial de 37.5 ohmios de un cuarto de onda eléctrico para adaptarla a los 50 ohmios que nos interesan para nuestro cable coaxial. El cable del adaptador de 37,5 Ω lo podemos realizar poniendo 2 cables de 75 ohmios en paralelo. (Véase al final del capítulo 4 “Líneas de transmisión”, en que se muestra cómo se juntan los dos vivos y las dos mallas de los dos trozos de cable para obtener una línea de transmisión de 37,5 ohmios).

En cuanto a ganancia (1,2 dBi), el dipolo hexagonal solo pierde 0,9 dB en relación a un dipolo de media onda (2,1 dBi) en el espacio (figura 5b), por lo que es una opción mucho mejor para disponer de una antena reducida que la antena trombón de varas anterior, que perdía bastante más, aunque mecánicamente es bastante más compleja de construir, con esos 6 brazos de soporte que necesita a partir del mástil central.

 

Dipolos acortados con bobinas

Una solución mucho más fácil en la práctica para acortar un dipolo y que siga siendo resonante consiste en alargarlo eléctricamente mediante bobinas hasta volver a conseguir la resonancia, aunque las ramas sean más cortas físicamente. La inductancia de las bobinas retrasa el movimiento electrónico en el radiante y, de este modo, conseguimos que aparentemente la antena parezca más larga y el rebote electrónico en las puntas llegue justo en fase al centro de la antena (resonancia), en fase con la RF procedente de la alimentación.

Vamos a suponer que en nuestra terraza cabe un dipolo con dos ramas de 7 metros (14 m en total) y queremos que resuene en 40 metros para lo que harían falta dos ramas de 10 metros (20 metros en total). Nos basta con añadirle justo en medio de cada rama una bobina una inductancia de 12,5 μHy. Nos ahorramos 3 metros por rama. No está nada mal (figura 5).

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En cuanto a ganancia, este dipolo alcanza una ganancia de 1,9 dBi en el espacio libre y, por tanto, solo pierde 0,3 dB respecto a un dipolo de 2 x 10 metros de longitud. Así que el uso de bobinas sale bastante a cuenta, porque resulta que las pérdidas en las dos bobinas o inductancias son muy pequeñas en estas frecuencias. Por supuesto, puede montarse en forma de V invertida como todos los dipolos.

 

Dipolo multibanda con trampas

De las antenas acortadas, pasamos a las antenas multibanda. Podemos dar un paso más y aprovechar el uso de bobinas para convertir nuestra antena en multibanda, añadiendo un par de condensadores en paralelo con las dos bobinas para convertirlas en circuitos resonantes en paralelo, formando lo que llamamos trampas (figura 7a).

De este modo, estas trampas resonantes proporcionan una alta impedancia a una frecuencia más elevada (otra banda) que las convierten en los extremos de otra antena resonante en media onda en una banda de menor longitud de onda. Al mismo tiempo, las bobinas nos alargan eléctricamente la antena para resonar en una longitud de onda más larga o sea en una frecuencia más baja.

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Hemos convertido la inductancia en un circuito resonante (trampa) en la frecuencia 14 MHz. Esta trampa nos bloquea la RF a esta frecuencia más alta y la hace funcionar como un dipolo de media onda para 20 metros, mientras que en 7 MHz la presencia de los condensadores en paralelo de 10 pF nos contrarrestan algo el efecto alargador de la inductancia y nos obliga, para compensarlo, a alargar medio metro más el cable de la antena para recuperar la resonancia en 40 m.

Solo mostramos el diagrama acimutal del dipolo con trampas en 40 metros (Figura 7b), pues el diagrama acimutal en la banda de 20 metros será exactamente igual al de un dipolo de media onda (Figura 2b). Ahora en 40 m hemos perdido solamente unas cuantas décimas de dB ( 1,55 dBi) a cambio de disponer de una antena multibanda para 20 y 40 metros bibanda.

 

Dipolos en paralelo como bigotes de gato

Se puede conseguir también una antena bibanda conectando dos dipolos resonantes en paralelo a un único balun (Figura 8a), buscando la resonancia en ambas bandas. Las longitudes hay que retocarlas ligeramente para que el mínimo de ROE se centre en cada banda y aquí os pongo un ejemplo bibanda 80-40 metros, que también resuena más o menos en 30 metros (tercer armónico de 3,5 MHz) y en 15 metros (tercer armónico de 7 MHz).

La mejor disposición para el montaje de los dos dipolos es colocarlos en V invertida con un ángulo de apertura de 120º, pues es la que permite la mejor relación de ondas estacionarias con el mínimo de ROE para ambos dipolos. La mejor disposición se encuentra separando los cables de ambos dipolos horizontalmente, tal como se observa en la figura 8a (perfil) y en la figura 8b (planta), en la que vemos que es conveniente separar las puntas de los dos dipolos..

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Recordemos que la disposición en V invertida nos dará un diagrama de radiación mucho más omnidireccional, al desaparecer el efecto de la radiación nula hacia las puntas que tiene el dipolo totalmente horizontal.

 

G5RV no resonante

Otra antena multibanda que es más corta de lo necesario para una resonancia en media onda es la famosa G5RV (Figura 9a y 9b). Su funcionamiento se basa en alargar la antena mediante una línea de transmisión vertical, que se puede realizar con un adaptador formado con 2 cables paralelos y separadores de aire, aunque es mucho más cómodo una cinta de cables paralelos separados por polietileno con ventanitas de 450 ohmios de impedancia, que es la que tiene menos pérdidas.

Aquí tenéis dos versiones, una para la banda de 80 y otra para 40 metros, cuyas medidas no son nada críticas, porque normalmente requieren el uso de un acoplador, que además permite trabajar con ella en otras bandas más altas, convirtiéndola en una muy aceptable antena multibanda.

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En cuanto a ganancia, entre el menor tamaño y unas ligeras pérdidas en la cinta paralela, nos encontramos con que pierde más o menos -3 a -4 dBs en promedio en relación al dipolo estándar de media onda. No olvidemos que es una antena mucho más corta que una de media onda. También se puede colocar en V invertida sin ningún problema especial.

 

Antena Windom

Como toda antena de media onda, la Windom (figura 10a, 10b y 10c)) es una antena alimentada lejos del centro que resuena muy bien en todos los armónicos pares e impares y es una excelente multibanda.

Mientras el dipolo de media onda no puede alimentarse en el centro en los armónicos pares, porque allí aparece una impedancia elevadísima que lo impide, la Windom, al ser alimentada lejos del centro, nos permite una adaptación mucho más aceptable mediante balun transformador de impedancia con valores entre 200 (4:1) y 300 Ω (6:1).

La antena Windom se calcula como media onda para la banda más baja que deseemos utilizar (recuerda el factor 0,95) y se alimenta alejada del centro. Según las versiones, puede colocarse un balun 6:1 (300 Ω) a un 16% del extremo o un balun 4:1 (200 Ω) a un 25% del extremo y puede funcionar con una ROE aceptable en multibanda en todos los armónicos pares e impares, aunque como la adaptación no es perfecta todas las bandas, acostumbra a exigir el uso de un acoplador, especialmente para cubrir toda la banda de 80 metros.

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Como casi todas las antenas multibanda de un solo radiante, hay que cortarla más bien larga (42 m) para que resuene bien en la banda de CW de los 80 metros para que luego, en 40 metros y superiores, no se nos vaya demasiado alta de frecuencia.

La ganancia de la antena en 80 metros es idéntica a la de un dipolo de media onda, porque es una antena de media onda y, por tanto, tiene exactamente la misma ganancia. En las siguientes bandas de frecuencias más elevadas aparecen múltiples lóbulos con ganancias máximas mayores que las de un dipolo, aunque también aparecen direcciones con menor ganancia y es difícil prever el resultado práctico banda a banda.

Como los balunes 6:1 y 4:1 de impedancias son normalmente simetrizadores de coaxial, por lo que no hace falta añadir ningún tipo de choque para evitar las corrientes del exterior de la malla, aunque sean asimétricas (las antenas), porque el problema no es la asimetría de la antena sino del cable coaxial.

 

EndFed alimentada por un extremo

La EndFed (Figura 11ª, 11b, 11c y 11d) es una antena en la que nos hemos atrevido a desplazar el punto de alimentación al extremo del cable y, por tanto, también es una antena de media onda multibanda, en cuyo extremo nos encontramos con una tensión de RF muy elevada y una corriente mínima (fuga de electrones en el extremo), por lo que su impedancia allí se encuentra entre 2000 y 4000 ohmios.

Tiene la ventaja de que se puede montar de muchas maneras como vemos en la figura siguiente en que se distinguen cuatro configuraciones posibles (Figura 11a,b,c,d) entre otras muchas.

¿Cómo se adapta a los 50 Ω una impedancia tan alta?

Para alimentarla correctamente con un cable coaxial de 50 ohmios, debemos utilizar un transformador de impedancias de relación muy elevada, como por ejemplo 47:1 (relación de espiras 7:1) e incluso 81:1 (relación de espiras 9:1). Eso se consigue utilizando un transformador de impedancias de banda ancha realizado con un núcleo toroidal apropiado, sobre el que se devana dos devanados con una relación de espiras de 7:1 y de 9:1 o también mediante un solo devanado conectado en forma de autotransformador (Figura 12a).

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El problema principal para fabricar ese transformador adaptador es que esa relación de espiras eleva la tensión de RF a valores muy altos y peligrosos. Por ejemplo con una potencia de 100 W sobre 50 ohmios, la tensión en el primario del transformador es de 70 V y de 490 V (x7) o 630 V (x9) en el secundario del transformador.

Sin embargo, si aplicamos una potencia de 1500 W, nos encontraremos con que la tensión ya alcanza los 273 V en el primario y nada menos que 1.917 V (x7) en el secundario e incluso 2.464 V (x9). Y hablamos de tensión eficaz y no de pico que aún sería más elevada. Esto hace que sea muy complicado conseguir que el transformador o autotransformador soporten dichas tensiones sin que salte un arco por ruptura, por lo que hay pocos fabricantes que ofrezcan estos transformadores.

También se pueden realizar adaptadores monobanda con un cable coaxial de cualquier impedancia cortocircuitado por el otro extremo (Figura 12b) y que tenga una longitud resonante de λ/4 eléctricos, es decir, teniendo en cuenta la velocidad de propagación interna del cable, llamado Factor de Velocidad. En un RG-58 o RG-8 normal con polietileno sólido, este factor de acortamiento es 0,66, por lo que un adaptador para 40 metros exige una longitud de unos 6,6 metros, con la toma en un punto intermedio al 6 % del extremo aproximadamente. Tiene el inconveniente de que las corrientes en el adaptador de coaxial son muy elevadas pues es resonante y aumenta mucho las pérdidas que disminuyen la ganancia de la antena.

L a antena EndFed tiene también la ventaja de que, si la adaptamos con un transformador de banda ancha, es una antena multibanda y resuena en todos los armónicos pares e impares (figura 12c). Si la frecuencia de diseño son los 80 metros, conseguimos una antena multibanda que resuena en TODAS las bandas de radioaficionado (80-40-30-20-17-15-12-10 m), mientras que si la frecuencia de diseño son los 40 metros, tan solo funciona en 40-20-15 y 10 metros.

Nota 1: No debemos confundir este transformador de relación de espiras 9:1 para EndFed que adapta impedancias de 81:1, con un balun de relación de impedancias 9:1 que solo tiene internamente una relación de transformación 3:1 para adaptar impedancias de 450 ohmios a los 50 del coaxial.

Nota 2: El uso del autotransformador requiere la colocación de un choque un un-un. Si el sistema de adaptación de alta a baja impedancia es mediante transformador con devanados independientes, la antena no requiere un balun simetrizador de coaxial, pues las corrientes que descienden por el vivo y la malla ya son simétricas. Pero si el sistema de adaptación 9:1 0 7:1 es del tipo autotransformador, este adaptador no simetriza las corriente en el coaxial y es conveniente la colocación de un Un-un con ferritas que elimine la posible corriente independiente que intentaría circular por el exterior de la amalla.

 

Antenas pseudo ENDFED

He visto que se venden comercialmente unas pseudo EndFed con la denominación EZWIRE que no son ni una Windom ni una EndFed, sino algo intermedio, y que no tienen una longitud resonante, pero permiten trabajar casi todas las bandas mediante el uso obligado de un acoplador. Emplean para la adaptación un balun 9:1 de impedancias (3:1 de espiras) y tienen una longitud no resonante de 32 o 16 metros, según modelo. El balun se encuentra colocado a unos 2,5 metros y 1,25 metro respectivamente de un extremo y hay que dar por supuesto que es simetrizador de corrientes en el coaxial.

Una vez bien acopladas, el rendimiento de cualquiera de esta antena debe de ser muy similar al de un dipolo de media onda, aunque su ganancia debe ser algo menor, porque las dimensiones de la de 32 m es inferior a media onda en 80 metros, y la de 16 metros de longitud también es inferior a media onda en 40 metros, pero la diferencia debe ser bastante pequeña, y probablemente insignificante dentro de- 1 o- 2 dB. En estos tiempos de acopladores automáticos rapidísimos, hay que tenerlas muy en cuenta.

 

Long Wire o hilo largo

¿Qué es realmente una Long Wire? Pues es una antena con una gran longitud de cable, de varias longitudes de onda, de forma que, al ser recorrida por la tensión de RF, cada onda completa va radiando en su avance por el cable y va sumando radiación de RF en fase y aumentando la señal radiada en direcciones próximas a la del cable. Son antenas que salen a cuenta para bandas muy bajas (80m y 40 m), en las que es bastante difícil conseguir directividad por otros medios, como por ejemplo una Yagi, puesto que tendría un tamaño monstruoso para estas bandas.

Aunque “long wire” significa antena de hilo largo, no basta con que el hilo sea más o menos largo, sino que, para ser una antena con una directividad aceptable, por lo menos tiene que tener una longitud de 3-4 longitudes de onda, sino más (Figura 11).

Beverage

Para que la antena de hilo largo sea directiva y unidireccional, necesitamos que no haya una reflexión hacia atrás de la potencia reflejada en el extremo final y que no devuelva la energía no radiada hacia atrás y radie en la dirección contraria, tenemos convertirla en una antena Beverage (figura 13), para lo cual se le coloca una resistencia de carga en el extremo opuesto para absorber la energía no radiada y con un valor que se corresponda con la impedancia característica de un cable paralelo al suelo y que suele ser de 600 ohmios, aunque esto varía mucho con la altura del hilo largo.

Para hacernos una idea de tamaño, estamos hablando de que empiezan a tener cierto sentido como Beverage longitudes de cable de cómo mínimo 200 metros de cobre para la banda de 80 y 40 metros, alimentándolas entre un primer extremo y tierra con un balun elevador de 1:9 y terminándola en una carga conectada a tierra de 400-600 ohmios (Beverage)en su otro extremo, con lo que llega a proporcionar una cierta ganancia positiva con un rechazo de lóbulos laterales algo mayor que 10 dB, lo cual permite reducir el ruido captado de otras direcciones, lo cual es muy interesante en estas bandas tan bajas, en que aumentar la directividad por otros medios daría lugar a antenas gigantescas.

El programa EZNEC+ del que dispongo no simula bien las antenas Beverage con suelo real, porque no tiene bien en cuenta las resistencias de conexión al suelo, de forma que los resultados que obtengo (fogira 14b) no son nada fiables, pero de todos modos queda claro que no sale a cuenta utilizar las Beverage para bandas más altas. Por ejemplo, con 200 m de cable tendríamos nada menos que 10 longitudes de onda en 20 metros. Pero no vale la pena su instalación, porque la ganancia que se obtendría sería miserable y la supera por mucho cualquier antena de tan solo 2 elementos que montemos para la banda de 20 metros, montada a tan poca altura como una torreta de 10 metros. La Yag tendrá menos directividad, pero mucha más ganancia.

Es interesante la posibilidad de aprovechar la directividad de varias antenas Beverage realizando el montaje de varias antenas conmutadas, dirigidas a distintas direcciones acimutales, para escoger una recepción mejor procedente de una dirección determinada, muy difícil de conseguir por otros medios en estas bandas tan bajas, tal como se observa en la figura 14a.

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Así que al hablar de Long Wires y Beverage propiamente dichas, no estamos hablando de dimensiones a escala europea, sino que estamos hablando de dimensiones a escala americana con grandes extensiones de terreno, en el que se puedan colocar antenas de longitudes monstruosas, que puede que lleguen a ser rentables para concursos, pero que no salen a cuenta en un espacio europeo.

En mi opinión no merecen que les dediquemos ni un segundo más de atención, nada más que como un mero ejercicio teórico para el que quiera soñar con grandes espacios.

73 Luis EA3OG - ea3og@ure.es