Diálogos con EA3OG: Contra la tierra común de RFpor EA3OG

 No consigo acabar con la práctica de la puesta a tierra común de RF en equipos y acopladores, pero confío en que podré convenceros de que es perjudicial cuando hayáis leído “el porque”.

Llevo años luchando por desacreditar la toma de tierra común para RF y recomendando que no se utilice por sistema, si no es en algún caso muy concreto. Pero los fabricantes son más poderosos e insistentes que yo e insisten en recomendarla e instalarla en los equipos y acopladores. Para postre, es importante que todos los equipos tengan una toma de tierra común eléctrica y eso contribuye a la confusión general entre las dos clases de tomas de tierra.

Desgraciadamente, siempre descubro que la mayoría de radioaficionados no ha entendido bien la cuestión, por lo que me tomo la libertad de volverlo a sacar a relucir con tan corto intervalo de tiempo, pues ya lo expliquéantneriormente  en los Diálogos con EA3OG de la revista CQ de enero de 2006, pero confío en que esta vez os convenza para siempre.

 ¿Dices que la tierra común de RF no sirve para nada?

En el texto del artículo dedicado a las tomas de tierra en general, ya declaraba que una toma de tierra común de RF no sólo no servía para nada, sino que incluso es contraproducente. Y mucho más ahora en que los equipos de nuestra estación ya vienen generalmente todos equipados con un tercer hilo (amarillo-verde) en el cable de alimentación, de forma que ya disponen casi todos de una toma de tierra común eléctrica que deja todos los chasis conectados a la toma de tierra común de la red.

¿Por qué es tan importante que no circule RF por un cable de tierra común?

Porque si realmente ese cable cumpliera su función y circulara por el cable una buena corriente de RF, se modificaría el diagrama de radiación de nuestra antena y una buena parte de nuestra transmisión se radiaría dentro de nuestra estación. Por otra parte, lo más probable es que esa radiación tuviera una polarización que no coincidiría con la de nuestro sistema radiante y perjudicaría su funcionamiento, aparte de afectar a su directividad, como vamos a ver más a fondo a continuación.

N. del E. Hace algún tiempo, al reparar una fuente de alimentación conmutada de un PC (de buena marca y absolutamente “silenciosa” en RF), advertí que el hilo verde-amarillo que unía el módulo a la toma de tierra del conector de red llevaba incorporado un aro de ferrita, sobre el que se habían devanado cuatro espiras. Precisamente para evitar la propagación de RF sobre la red, ¡exactamente lo que sostiene Luis!

Si nos hemos tomado mucho interés en que nuestra antena tenga una buena ganancia y directividad, y radie toda nuestra potencia de RF en un lugar lo más alto posible, con la

altura adecuada, con el ángulo de elevación más conveniente, si entonces circula RF por nuestro flamante cable de toma de tierra común de RF, no se podrá evitar que se ponga a radiar también, y es evidente que perturbará el diagrama de radiación de nuestra maravillosa antena y lo enviará al cuerno.

 ¿Y qué es lo que te pone tan nervioso que te hace volver a escribir sobre el tema?

El que los fabricantes de equipos y accesorios (acopladores) insisten en recomendarla siempre, tal como he descubierto al comprar un acoplador automático, uno de los más modernos acopladores actuales, pues sus fabricantes lo recomiendan exponiendo ideas anticuadas, ideas de los tiempos en que no se entendía bien el comportamiento de la RF y de cuando los cables de alimentación de los equipos no disponían de tercer hilo de puesta a tierra eléctrica. Pero tengo la esperanza de que algún día lean mis artículos y se enteren de que lo que recomiendan es un gran error y que deberían matizarlo muchísimo mejor y que la toma de tierra de RF sólo debe utilizarse con antenas de hilo largo.

Pero empecemos explicando las cosas desde el principio:

¿Es correcto aconsejar una toma de tierra común eléctrica?

Efectivamente, es un gran acierto recomendar una toma de tierra eléctrica común para todos los equipos que van conectados entre sí, pero en eso no se debería incluir nunca en este capítulo a los equipos que no llevan alimentación propia, como por ejemplo los acopladores de antena no automáticos. No la necesitan. Recordemos bien el por qué.

 ¿Por qué es tan importante la toma de tierra común eléctrica?

Porque esta conexión común es la que garantiza que todos los chasis metálicos están al mismo potencial eléctrico y eso es lo que evita que no nos piquemos (no suframos descargas eléctricas de corriente alterna) cuando conectamos y desconectamos los equipos entre sí y con sus accesorios externos, así como tampoco al conectar y desconectar las antenas.

 ¿Si algún equipo no dispone de tercer hilo es importante colocarle una toma de tierra común eléctrica?

Sí, es importante unirlos todos con algún cable, de modo que si hay algún otro equipo que sí dispone de tercer hilo, el problema de la puesta a tierra eléctrica quedará ya resuelto. Y si ningún equipo dispone de este tercer hilo, pues es importante que los conectemos todos entre sí de algún modo y a una toma de tierra común eléctrica. Pero es importantísimo que no permitamos que circule la RF por este cable.

 ¿Por qué la RF no debe circular de ningún modo por este cable de tierra?

Porque si circula efectivamente RF por ese cable en transmisión, nunca nos acordamos de que todo lo que afecta al diagrama de radiación de nuestra antena en transmisión, afecta exactamente igual al diagrama de la antena en recepción, y éste diagrama es mucho más importante, como ya he explicado en artículos anteriores.

Si habéis leído la revista CQ de abril 2007, ya explicaba en ella que la ganancia de la antena en recepción puede llegar a mejorar nuestra sensibilidad hasta el doble de su ganancia, al disminuir el ruido exterior captado, al mismo tiempo que aumenta la señal con su ganancia. Así que se ve muy claramente que, si la importancia del diagrama de radiación de la antena en recepción es doble que en transmisión, debemos procurar no estropearlo todo con cables de tierra de RF capaces de radiar y, no lo olvidemos nunca, de captar también RF en recepción.

Por otra parte, si hemos tomado grandes precauciones para que nuestra antena directiva tenga una gran relación frente/espalda (Front to back) y podamos utilizarlo para atenuar alguna estación que nos perturba, tengamos en cuenta que esta propiedad nos la cargamos olímpicamente con la radiación (y captación) de nuestra preciosa toma de tierra común por la que circula RF. Porque no olvidemos que ese cable de toma de tierra común de RF es capaz de captar señales en recepción también.

¿Y si no circula energía de RF por ella? ¿La aceptarías entonces?

Entonces más vale sacarla porque no sirve para nada. Es un cable inútil que es mejor retirar, si ya disponemos de una toma de tierra común eléctrica. Si no disponemos de ninguna puesta a tierra común eléctrica, sea bienvenida, pero asegurándonos de que no circula RF por ella en transmisión.

 ¿Por qué estás tan seguro de que cualquier cable de tierra para RF radiará y captará energía?

Seguro, no estoy, aunque si operamos en diversas bandas, en alguna nos perjudicará, porque si la estación no está en un sótano o en una planta baja sin sótano, cualquier toma de tierra no será lo bastante corta y tendrá una longitud realmente apreciable a efectos de radiofrecuencia. Es corriente que en una vivienda unifamiliar y de varias plantas la estación esté en el piso más alto. Así que la toma de tierra siempre tendrá unos cuantos (o muchos) metros o pisos. No digamos si se tiene la estación en un piso elevado de un edificio de apartamentos.

Lo normal es que como mínimo tenga una longitud apreciable y esa longitud podría llegar muy fácilmente a ser un cuarto o media onda de longitud en alguna de las frecuencias que trabajamos. Y ahí comienzan los problemas. Si resuena y es un cuarto de longitud de onda, pondrá un máximo de RF en el equipo, justo lo contrario de lo que pretendemos. Y si es media longitud de onda, de forma que ponga un mínimo de tensión de RF en ambos extremos, malo también porque resonará de forma independiente con efectos inesperados en el diagrama de radiación de tu antena.

 ¿Qué recomiendas instalar si no tenemos instalado el tercer hilo de puesta a tierra común eléctrica en nuestra casa?

Si no disponemos de toma de tierra eléctrica y nos vemos obligados a conectar todos los equipos con un cable de tierra común, cable que deberemos llevar hasta alguna toma de tierra, yo recomiendo que ese cable de tierra sea aislado (recubierto) y que lo enrolles en anillos de ferrita o en rectángulos partidos de ferrita, de forma que se impida que circule cualquier RF por este cable. Y que además del mismo modo procuremos impedirle cualquier resonancia que se pudiera producir en él.

¿Y no circulará RF por una instalación normal con tercer hilo amarillo-verde?

Es posible, pero a mí no se me ocurre cómo evitar que circule por ella sin modificar la instalación eléctrica de la casa, de forma que lo más recomendable es alejar la antena o el sistema radiante tanto como se pueda de la casa o del apartamento, sin pasarnos demasiado con la distancia, para que las pérdidas en el cable de transmisión o de bajada no sean excesivas y sea peor el remedio que la enfermedad.

Si se sospechara de algún problema de este tipo, lo que sí se puede hacer es que todos los equipos de la estación estén conectados a regletas de enchufes, que luego se llevarán a una única conexión con la red con un solo cable, el cual se podría enrollar en anillos o montarle cilindros partidos de ferrita. Así se solucionaría muy fácilmente el problema.

 ¿En qué caso único se debe utilizar realmente una toma de tierra de RF?

Cuando utilizamos una antena de hilo largo, entonces es imprescindible que realicemos una buena toma de tierra de RF que sirva de contraantena al hilo largo, para que nuestra instalación eléctrica no se convierta en la contraantena del sistema radiante, con todos los problemas que eso genera. De todos modos, esa toma de tierra de RF se recomienda realizarla fuera de la casa, para que la RF circule principalmente fuera de nuestra estación y no perturbe todos los elementos eléctricos interiores, como televisores y amplificadores de audio. Claro que eso no es tan fácil de realizar en un apartamento, pero también es difícil montar un hilo largo en el terrado de un edificio de apartamentos. Deben ser pocos los que lo han conseguido.

Ahora, para la toma de tierra del hilo largo, tenemos además dos posibilidades: la primera, utilizar un acoplador manual o automático en el interior de la estación para acoplarlo a nuestro transmisor; o lo que es mucho mejor como segunda opción: un acoplador remoto automático. En efecto, es mejor utilizar un acoplador automático exterior hermético a prueba de intemperie. Con este último, si además disponemos de una toma de tierra exterior, nos aseguramos que toda la RF circule realmente en el exterior de la estación y nos ahorraremos muchos problemas. Actualmente empiezan a haber acopladores automáticos a precios asequibles incluso para exteriores.

 ¿Y qué diablos podemos hacer si detectamos RF en el interior de la estación, si tú no aconsejas una toma de tierra para RF para eliminarla?

Supongo que te refieres a qué se puede hacer cuando te quemas el bigote al acercarte a la boca el micrófono al transmitir, o que el manipulador te quema cuando lo tocas sin querer en transmisión, o aparece audio en los altavoces del sistema de alta fidelidad, que son los síntomas de la presencia de una RF considerable en el interior de la estación.

Lo más probable es que tengamos una RF que circula por el exterior del cable coaxial de bajada de la antena, porque trabajamos con algún tipo de antena asimétrica alimentada por cable coaxial y, por ejemplo, siempre se ha dicho erróneamente que las antenas verticales no necesitan balun para funcionar porque son asimétricas y se adaptan perfectamente a un cable de alimentación asimétrico como es el cable coaxial. Y esto es falso. Éste ha sido uno de los errores que se ha perpetuado en el mundo de la radioafición de toda la vida. Las antenas verticales también pueden inducir corrientes en

el exterior de la malla del cable coaxial y, por tanto, llegar a la estación y quemar los bigotes del operador y las manos del radiotelegrafista.

Ya sabéis que siempre he recomendado alimentar las antenas verticales con balun 1:1 o colocar anillos o rectángulos de ferrita en los cables de alimentación, tanto en la antena, como en el interior de la estación, para que no circule ninguna corriente de RF por el exterior de la malla, porque esas antenas son tan sensibles como los dipolos o cualquier antena horizontal a que la RF se propague por el exterior del cable de bajada hasta la estación.

 Frases inadecuadas en los manuales

Por ejemplo, en el manual de un acoplador automático recién comprado se puede leer la siguiente traducción:

“Precaución: Para seguridad del operador, debe instalarse siempre una buena tierra exterior o una toma a una cañería de agua conectada a la caja del acoplador. Asegúrese de que el transmisor y los demás accesorios tienen una tierra de protección. En los paneles traseros de los equipos hay una palomilla señalada ‘GROUND’ para este propósito. Para su seguridad, use tanto buenas tierras de protección eléctrica como tierras de RF. Es particularmente importante el tener una buena tierra para la RF cuando se usa una alimentador monofiliar”.

No explican las diferencias entre tomas de tierra eléctricas y para RF, con lo cual fomentan la confusión.

Por un futuro mejor

Tengo la esperanza de que este artículo se divulgue lo suficiente para que nadie coloque innecesariamente cables de la puesta a tierra para la RF. A ver si consigo que se enteren los fabricantes que no deben recomendarlas en sus manuales y consigo cargármelas de una vez por todas. Por mí no quedará.

73 Luis A. del Molino, EA3OG

 

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TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 4: Una pica clavada en tierra es suficiente para una vertical?Martes, enero 29, 2013   Luis del Molino   No comments

¿Basta con una pica clavada en tierra para una antena vertical de 1/4 de onda?

En el Test sobre conocimientos prácticos sobre la radioafición, planteábamos qué había de cierto sobre un par de ideas muy difundidas entre nuestra afición y que volvemos a recordar: Si no puedes colocar muchos radiales enterrados debajo de una

vertical, una simple pica clavada en tierra es suficiente como contraantena para una vertical de ¼ de onda. ¿Verdadero o falso?

La respuesta correcta es que es mucho más falso que verdadero. Una  antena vertical necesita  una contraantena mucho mejor que una simple pica clavada en tierra, puesto que la conductividad de una sola pica como tierra es generalmente muy pobre y la eficiencia de la antena se arruina.  Y todo eso sin tener en cuenta la pobre conductividad del suelo en general, salvo honrosas excepciones. Volveremos a comentarlo más adelante.

La siguiente pregunta del Test era: Es mejor colocar tropecientos radiales enterrados, que unos pocos radiales elevados bajo una antena vertical de ¼ de onda. ¿Verdadero o falso?

Pues resulta también falso. Es algo más eficiente y  puede resultar más sencilla la colocación de unos pocos radiales elevados resonantes de un cuarto de onda (4 por cada banda), aunque solamente sea a 30 cm sobre el suelo, que colocar una gran cantidad de radiales enterrados bajo la antena como contraantena.  Más adelante explicamos de dónde salen estas afirmaciones.

Vuelta a lo básico:  La gran ventaja de las antenas verticales

Empecemos por puntualizar que la gran ventaja de las verticales estriba en que con ellas se consigue un bajo ángulo de radiación en emisión (y también  en recepción, pero con “reservas”) en bandas bajas, aunque su ganancia queda muy lejos de la que se puede obtener con antenas horizontales directivas, si se colocan a suficiente altura.

 

Fig. 1- Diagrama de radiación de una antena vertical de cuarto de onda

Aclaremos primero que las “reservas” sobre las ventajas del bajo  ángulo del máximo del lóbulo de recepción  se derivan de su omnidireccionalidad y, por tanto, de su captación de ruido procedente de todas direcciones, lo cual hace que sean sordas comparadas con dipolos horizontales, incluso los dipolos colocados a una altura muy inferior a la adecuada.

Puntualicemos que un ángulo suficientemente bajo de radiación de dipolos y antenas directivas horizontales adecuado para el DX solo se consigue instalándolos a suficiente altura, por lo menos a  ¾ de longitud de onda sobre el suelo, lo que normalmente sólo

hace posible su instalación a una altura adecuada en bandas de frecuencias elevadas, a partir de los 14 MHz. Para corroborar esta afirmación, pensemos que una antena horizontal  para la banda de 30 metros ya necesitaríamos colocarla a más de 22 metros de altura sobre el suelo, si queremos que sea eficaz para el DX. Y no hablemos de los 30 metros de altura que serían necesarios para una antena horizontal para la banda de 40 metros.

 

 Fig. 2 – Ángulo de radiación de un dipolo según la altura

Primera conclusión

Las verticales son buenas para el DX en bandas de frecuencias muy bajas, pues proporcionan buenos ángulos bajos de radiación para el DX en bandas de 160, 80 y 40 metros con instalaciones relativamente fáciles de realizar, mientras que la instalación de dipolos o directivas horizontales a una altura adecuada es muy problemática, por no decir casi imposible, excepto en instalaciones descomunales como la Torre 7 de Radio Arkala (www.radioarcala.com).

Para bandas de frecuencias superiores a partir de los 20 m, siempre será mejor colocar antenas directiva a una buena altura adecuada, porque, además del ángulo bajo, podremos conseguir directividad, la cual no solo nos proporcionará ganancia en transmisión y recepción, sino que, además, muchísimas veces reducirá el ruido captado gracias a su  directividad. No hay comparación posible en recepción con la omnidireccionalidad de una vertical.

La excepción sería la instalación de un array o una matriz de verticales enfasadas para obtener directividad con ellas. Pero, atención a que esto no sería fácil de realizar con verticales multibanda, por la complicación que representaría montar sistemas de enfasamiento multibanda. Un tinglado así solo nos saldría a cuenta montarlo como mucho sólo para un par de bandas, a escoger entre las más bajas de 160, 80 y 40 metros.

 

Fig. 3 – Cuatro verticales enfasadas

 

Un par de malas razones para instalar verticales

-En primer lugar y principal es que aparecen muchos anuncios de antenas verticales en las revistas de radioafición y parece que sean muy fáciles de montar e instalar. Nos olvidamos de que el mercado de la radioafición es un mercado principalmente americano, en un continente en el que la mayoría de población vive en fincas y viviendas con grandes extensiones de terreno a su alrededor y con terrenos poco rocosos, sino más bien sedimentarios, en los que es muy fácil instalar radiales bajo una antena vertical.

Pero este no es el caso de Europa, donde la mayor parte de la población radioaficionada no vive en viviendas aisladas, sino que vive en apartamentos o en casa adosadas donde no es posible la colocación de tomas de tierra adecuada para RF, por lo que la mayoría de estas antenas verticales que vemos en todos esos anuncios no son instalables por el radioaficionado medio europeo.

- Aparte de tantos anuncios, en segundo lugar viene la falta de espacio que nos hace soñar con la posibilidad de colocar una antena vertical en un espacio reducido, como por ejemplo un patio o una terraza. Pero nos olvidamos de que la mayoría de verticales comerciales no llevan incorporada la otra mitad de la antena, la contraantena, y que no pueden funcionar sin algún tipo de contraantena, normalmente unos radiales.

Hay muy pocas verticales sin radiales ni contraantena, pues las pocas disponibles son dipolos verticales multibanda como las antenas GAP Titán (http://www.gapantenna.com/titan.html)  y la MFJ-1798 (http://www.mfjenterprises.com/Product.php?productid=MFJ-1798), o bien se trata de antenas de tipo end-fed, o sea verticales alimentadas en alta impedancia por su extremo inferior, pero estas no acostumbran a ser multibandas. Todas las restantes verticales que vemos en los anuncios de antena presentan un grave problema de instalación y funcionamiento, pues solo nos venden la mitad de la antena.

Así que mucho cuidado con lo que compramos, pues podéis encontrarnos con que solo habéis comprado la mitad de la antena y falta la otra mitad. Generalmente no tendréis ni la más mínima posibilidad de conseguir una contrantena adecuada en el terrado de una vivienda o en la terraza de en un apartamento, aunque haya ciertas excepciones. Por

ejemplo, algunos edificios totalmente de estructura metálica podrían permitir la instalación de una vertical, si proporcionan también una buena superficie metálica conductora inmediatamente debajo de la antena, pero esos casos son más bien raros. En las edificaciones normales actuales con estructura de hormigón y techos de bovedilla, no hay habitualmente una superficie conductora adecuada.

El sueño de una pica en Flandes

Una buena variante del sueño de colocar una vertical sin radiales de ningún tipo en un espacio reducido es la posibilidad de conseguir una buena toma de tierra con tan solo clavar una pica en el suelo. Es decir, utilizar la tierra como contrantena conectando con ella por medio de una pica clavada en el suelo.

Pero, aquí, la primera condición que debe cumplir el suelo es que sea buen conductor y eso no es tan frecuente en España, aunque en otros países pueda ser algo más fácil de encontrar. En EEUU, donde se venden tantas verticales, en sus estados centrales, donde acostumbra a residir la mayor parte de la población radioaficionada, suele haber extensas llanuras con un terreno sedimentario, normalmente no demasiado húmedo, pero por lo menos el suelo cumple la condición de que se le pueda clavar fácilmente picas de 2,5 metros.

En España, el problema es que, de entrada, los terrenos acostumbran a ser en su mayor parte rocosos y no vamos a poder clavar probablemente cualquier pica más de 50 cm. Para postres, con una sola pica clavada, ya hemos comentado en muchos artículos anteriores que, en un suelo medianamente conductor, obtenemos una resistencia de tierra entre 20 y 40 ohmios. Si tomamos como referencia una media de 30 ohmios por pica, esta resistencia sería totalmente de pérdidas y se encontraría en serie (sumada) con la resistencia de radiación de la antena vertical de ¼ de onda (37,5 ohmios). Por tanto absorbería casi la mitad de la potencia. Eso es ya una ganancia negativa de -3 dB para empezar, aparte de la poca ganancia teórica propia de una vertical que ya se coloca  1 o 2 dB por debajo de un dipolo.

Si queremos reducir esta resistencia de tierra a un valor razonable, deberíamos clavar por lo menos 4 picas para poder dividir la resistencia por 4. Eso nos daría una resistencia de pérdidas media de 7,5 ohmios, lo que nos ayudará a mejorar la adaptación al coaxial de 50 ohmios, pues obtendríamos una antena que tendría más o menos 37,5  + 7,5 = 45 ohmios de impedancia en su punto de alimentación,  mientras que las pérdidas en la resistencia de tierra serían menores de 1 dB, concretamente de 0,8 dB.

 

Fig. 4 – Colocación efectiva de piquetas de tierra

Ya veis que todo depende de que tengamos el terreno adecuado. ¿En unas marismas? Perfecto. ¿A la orilla del mar con una buena capa freática y a casi el mismo nivel del mar? Excelente. ¿En un barco con todo el mar como superficie conductora? Fantástico.

¿En una montaña? Fatal. Te recuerdo que todas las montañas son rocosas y que el resultado, incluso en el caso de que consiguieras clavar las picas,  será muy decepcionante por su falta de conductividad. Mejor piensa en otra antena, así como en todos los demás casos.

Si tenemos buenas razones, vertical con radiales

Vamos a suponer que disponemos de suficiente terreno no rocoso y relativamente buen conductor, porque hay una buena capa freática y queremos aprovechar el bajo ángulo de radiación  de una vertical, porque queremos disponer de una buena instalación para operar en concursos en bandas bajas (160, 80, 40 m) concursos. Nos quedan muchos interrogantes todavía.

Los principales interrogantes con los que nos encontramos y a los que intentaremos dar respuesta en este artículo se resumen en estas  preguntas: ¿Radiales desnudos o recubiertos? ¿Basta con unos pocos o hay que colocar muchos radiales? ¿Radiales resonantes en ¼ de onda o no resonantes? ¿Cortos o  largos? ¿Radiales enterrados o elevados? ¿Profundamente enterrados o lo menos posible?

Vayamos por partes: De entrada, vamos a dar por supuesto que hablamos de radiales enterrados.

¿Desnudos o recubiertos?

Los cables de cobre desnudos mejorarán el contacto con tierra y disminuirán la resistencia. Por supuesto que puede utilizarse un solo hilo de cobre, pero es mejor que el cable esté formado por múltiples hilos porque, para un mismo diámetro de cable y coste, el contacto de numerosos hilillos que lo forman proporcionará una mayor superficie de contacto y una menor resistencia de contacto con la tierra conductora y, por tanto, menos pérdidas.

Pero tenemos el problema de que, con el tiempo, los ácidos del suelo corroerán poco a poco el cobre y, unos pocos años después, descubriremos que se ha oxidado todo y que no queda ni cable. Algunos autores recomiendan intercalar radiales recubiertos de aislante que se acoplarán capacitivamente al suelo, sin que en cambio se deterioren con el tiempo y ese pequeño detalle garantizará la duración a largo plazo de nuestra instalación.  ¿Ponerlos todos aislados? Entonces nos quedamos sin conductividad con tierra, lo cual es malo para rayos, para estática y muchas cosas más. Así que la mejor solución puede ser una intermedia. Unos aislados y otros descubiertos, pero que sean del máximo diámetro posible que permita nuestro presupuesto.

Por propia experiencia con mis antenas (ya tengo muchos años), os puedo corroborar que los años pasan muy rápidamente y que el esfuerzo de haber realizado una

instalación de cualquier tipo hace que  confiemos en que vaya a durar toda la vida y, por consiguiente, descuidemos totalmente su mantenimiento y la renovación de los materiales empleados. La duración de una antena es directamente proporcional al precio y la calidad de los materiales empleados. No escatimemos gastos en esta etapa. Contra mayor sección del hilo de cobre empleado, más años nos durará la instalación.

¿Acero inoxidable? Vale la pena pagar el precio del cable inoxidable para riostras y amarres para sujetar la torreta de una directiva, aunque desgraciadamente la conductividad del acero inoxidable es muy mala y no puede ni debe emplearse en conductores para antena, ni tampoco para radiales. Por poner un ejemplo, tuve montado un dipolo en V invertida para 28 MHz realizado con dos ramas de acero inoxidable que daba una respuesta plana entre 26 y 32 MHz. La ROE era fantásticamente plana, pero todo se perdía en la resistencia del cable, pues por supuesto,  llos controles que recibía eran muy decepcionantes.

¿Pocos o muchos radiales?

Este es un tema que ha sido muy debatido y parece como si hubiera quedado como paradigma de un sistema de radiales en el que deban colocarse tantos como se puedan y, si puedes pagarlos, mejor colocar hasta 120 radiales. Eso sería un radial cada 3 grados de la rosa de los vientos. Yo daba por supuesto que esto era lo más aconsejable, hasta que leí el artículo “An experimental Look at Ground Systems for HF Verticales” (Un vistazo experimental a los sistemas de tierras para Verticales de HF) de Rudy Severns, N6FL, publicado en el QST de Marzo de 2010 en la página 30.

La primera comprobación que  Rudy Severns realizó fue la de aumentar el número de radiales enterrados desde 4 hasta 8, luego hasta 16 y 32, y finalmente hasta colocar 64 radiales. No, no llegó a colocar los 128  radiales porque los resultados anteriores ya le habían indicado que no salía a cuenta, que no valía la pena.

La diferencia de señales radiadas que encontró, tanto con antenas verticales de ¼ de onda, de 1/8 de onda y incluso más cortas, fue apreciable (mayor que algún decibelio) hasta alcanzar el número de 16 radiales enterrados.  A partir de esa cifra, al duplicar los radiales, las señales ya sólo aumentaban en décimas de decibelio.

Al pasar de 16 a 32 radiales enterrados, la mejora que obtuvo se encontraba entre 0,2 y 0,3 dB y, al pasar de 32 a 64 radiales, obtuvo también mejoras de solamente 0,2 dB con todo tipo de verticales, con lo que la mejora total al pasar de 16 a 64 radiales oscilaba entre 0,4-0,6 dB. Extrapolando sus gráficas, se deducía claramente que el paso de 64 a 128 hubiera producido en todos los casos una mejora inferior a 0,1 dB. Una ganancia nada rentable para tanto esfuerzo.

Así que ya tenemos una conclusión. Por lo menos vale la pena colocar 16 radiales, pero difícilmente obtiene recompensa el esfuerzo de colocar 128 radiales. La mejora no llegaría ni a 1 dB.  Esta conclusión es muy importante si, además, pretendemos realizar un sistema directivo de 4 verticales enfasadas, de modo que el sistema sea direccionable por medio de la combinación de fases. Si necesitamos colocar 4 planos de tierra, uno para cada una, vale la pena saber hasta dónde sale a cuenta llegar en la instalación de radiales.

¿Profundamente enterrados o lo menos posible?

Para contestar a esta pregunta me remito a un artículo titulado The Ground-Image Vertical Antenna escrito por Jerry Sevick, W2FMI, y publicado en el QST de Julio de 1971.

Sus conclusiones experimentales fueron que contra más cerca de la superficie se encuentren los radiales, mejor que mejor. Contra más los enterraba, menos efectivos resultaban. Así que está claro que no sale a cuenta enterrarlos mucho, sino sólo lo suficiente para que se pueda circular por encima sin mayores problemas y sin peligro de cualquier posible contacto y, sobre todo, fuera del alcance de los paseantes.

¿Radiales enterrados o elevados?

Bien, esta es una buena pregunta. A mí siempre me había sorprendido el excelente resultado que proporcionaban las antenas Grond Plane con plano de tierra artificial, formado por tres o cuatro cortos radiales resonantes de 1/4 de onda, o mucho más cortos alargados eléctricamente con bobinas.

Las conclusiones de N6FL fueron que, colocando 4 radiales resonantes para cada banda y por lo menos a 30 cm del suelo, se conseguían resultados consistentemente 1 dB por encima de los obtenidos con radiales enterrados. ¿Con cuántos radiales? Pues las pruebas las realizó empezando con 4 radiales por banda y obtuvo el mismo éxito que con más radiales. Siempre he sostenido que bastaría con 2 radiales opuestos por banda, pero desgraciadamente me he quedado con las ganas de saber si dos son suficientes, pues el autor comenzó ya con cuatro.

 

Fig. 5-Radiales a 30 cm del suelo

Insistamos en que las experiencias de Rudy Severns, N6LF, demuestran que cuatro radiales elevados a 30 centímetros sobre el suelo resultaron ser tan efectivos como 120 radiales enterrados.

Claro que eso tiene el inconveniente de que los radiales queden al alcance de transeúntes y presenten radiofrecuencia de gran tensión en las puntas, con lo que resultaría extraordinariamente peligroso cualquier contacto accidental durante la transmisión, incluso con equipos QRP de potencias de 5 W.  En las puntas de radiales resonantes de ¼ de onda aparecen siempre tensiones de RF muy elevadas que pueden

quemar la mano del que toca esa punta. Por tanto, si hablamos de radiales elevados en una parcela, a menos que esté vallada de forma que se impida la circulación por los alrededores de la antena, debemos colocarlos por lo menos a 2,5 metros de altura para que no se puedan alcanzar con la mano.

 

05-Radiales a 2,50 cm del suelo.bmp

¿Resonantes en ¼ de onda o no resonantes? ¿Cortos o  largos?

Por supuesto que los radiales elevados deben ser de ¼ de onda de longitud por banda y resonantes, opuestos por lo menos dos a dos para cancelar su radiación en el espacio. De eso no hay ninguna duda.

En cambio, los radiales enterrados inmediatamente debajo dejan de ser resonantes y la cuestión que nos planteamos es qué longitud mínima deben de tener. Según los experimentos de N6LF, sorprendentemente conseguía mejores señales cuando los radiales enterrados eran algo más cortos que ¼ de longitud de onda, concretamente alrededor de un 70% de esa longitud. Eso quiere decir que, para una antena vertical para 40 metros, la longitud óptima la encontraba sobre los 6-7 metros para cada radial enterrado, cuando ¼ de onda serían 10 metros.

La explicación que encontró es que, al enterrar los radiales bajaba mucho su frecuencia de resonancia y eso desplazaba la corriente máxima en la antena hacia los radiales y, al acortarlos, se mejoraba la eficiencia de la antena y se devolvía la corriente máxima a la base. Además, este efecto de la mejora con el acortamiento de los radiales era mucho más marcado cuando se utilizaban solamente 4 radiales enterrados y era mucho menos acusado cuando se utilizaban 16 o 32 radiales enterrados por banda.

Por otra parte, los radiales enterrados recubiertos de aislante se afectaban mucho menos por el enterramiento y se optimizaban con una longitud muy ligeramente inferior a la de ¼ de onda.

Como conclusión principal, el autor en su artículo del QST expone que, si utilizaba 16 radiales, el efecto de acortar su longitud desaparecía rápidamente. Por tanto recomendaba que, si para la instalación de radiales se dispone de un presupuesto limitado, o sea de una cantidad de cobre determinada, es decir, si sólo disponemos de unos metros de cobre concretos, es mucho mejor distribuir esos metros de cobre de

forma que se coloquen muchos más radiales cortos que no unos pocos largos. Y eso era especialmente mucho más cierto contra más corta fuera físicamente la vertical en relación a la longitud de onda; es decir, contra más acortada por medio de sombreros capacitivos o bobinas de carga que aumentaran su longitud eléctrica para llevarla a resonancia.

Resumen de las conclusiones sobre las verticales

¿Tenemos un extenso terreno con buena conductividad y capa freática cerca de la superficie? Pensemos en colocar una vertical con por lo menos 16 radiales enterrados de mucho menos de ¼ de onda de longitud que nos darán un gran rendimiento y dispondremos de un ángulo bajo de radiación. La conductividad del terreno nos garantiza ese bajo ángulo de radiación. Poner muchos más radiales no sale demasiado rentable (< +1 dB).

¿Tenemos un extenso terreno pero muy seco y con poca conductividad? ¿Tendremos un bajo ángulo de radiación también? Eso ya es más dudoso y más vale que pensemos en colocar radiales resonantes de ¼ de onda elevados, por lo menos 4 por cada banda.

No tenemos un terreno suficientemente grande pues es más bien pequeño, pero nos consta una buena conductividad, pues en el subsuelo hay una capa freática muy próxima y es muy húmedo. Pensemos en colocar varias picas al pie de la vertical para conseguir una baja resistencia de tierra en serie con la antena y nos proporcionará también con un buen ángulo bajo de radiación.

Tenemos un terrenito muy pequeño y con un subsuelo más bien rocoso y no podemos colocar antenas horizontales por falta de espacio. Olvidémonos de las verticales sin cotraantena y empecemos a pensar en verticales de media onda acortadas con bobinas y otros artilugios, como las que mencionábamos al principio del artículo, la GAP Titán y la MFJ-1798.

Claro está que todo esto es sólo será válido para las tres bandas bajas de HF, pues para las bandas altas, debemos siempre pensar en instalar dipolos o antenas directivas sobre torreta o mástil, ya sean Yagi o cúbicas, pues ante cualquier antena horizontal colocada a suficiente altura, las antenas verticales pocas ventajas nos ofrecen.

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TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 5: Un trozo de cable como hilo largo necesita un balun 9:1?Domingo, enero 27, 2013   Luis del Molino   No comments

En el Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición, preguntábamos qué había de cierto sobre cierta idea muy difundida entre la radioafición sobre los hilos largos, y una de las que más a menudo se comentan en las bandas es la que discutimos en el presente artículo:

La pregunta que planteábamos allí era en realidad una afirmación: Cualquier  trozo de cable sirve como una antena de hilo largo y se le debe colocar siempre un balun 9:1. ¿Verdadero o falso?

La respuesta que dábamos allí era que esta afirmación es en un 90% de las veces falsa. Cualquier trozo de cable no es un hilo largo. Para que un hilo conductor pueda ser considerado  como una antena de hilo largo, debe tener por lo menos 2 longitudes de onda a la frecuencia más baja de operación. Eso significa que un hilo largo para 3,5 MHz debería tener por lo menos 160 metros de longitud y, para los 7 MHz, debería tener por lo menos 80 metros de longitud. Esa longitud le da ciertas características direccionales. Y apostamos a que tu supusta antena de hilo “largo” no los tiene.

Además, por otra parte, el balun 9:1 solamente se debería colocar con un hilo  realmente largo, pues entonces se comporta como una línea de transmisión que discurre paralelamente al suelo y su impedancia se acerca a los 500-700 ohmios. Entonces y solo entonces, debemos colocarle un balun adaptador de impedancias 9:1 que multiplique por 9 la impedancia del cable coaxial de 50-75 ohmios para adaptarlo en lo posible a los 500-700 ohmios de la antena que se ha convertido en una línea de transmisión, gracias a la longitud del hilo largo paralelo al suelo.

Fig. 1 Una antena de hilo largo debe ser mayor de 2 longitudes de onda.

Evidentemente, si el hilo es más corto, como normalmente ocurre en nuestro país, en el que prácticamente casi nadie dispone de suficiente terreno para montar hilos realmente largos, no debemos colocarle jamás un balun 9:1 porque complicaríamos y haríamos mucho más difícil el ajuste del acoplador para convertir su impedancia en 50 ohmios.

Y no te olvides de una buena contraantena

Hemos hablado en muchos artículos anteriores de que muchas antenas verticales son solamente la mitad de la antena y que nos falta la otra mitad, que debe actuar como contraantena. Con las antenas de hilo largo ocurre exactamente lo mismo.

Con las antenas de un solo hilo corto, mediano o largo el problema es exactamente igual y vamos a precisar que todo lo que comentamos aquí da por supuesto que te has preocupado de cómo resolver el problema de la otra mitad de la antena. De lo contrario, habrás perdido el tiempo leyendo este artículo.

 Si no utilizamos una buena contraantena, lo que realmente estamos planteando es que la contraantena sea el sistema de tierra de protección eléctrica de la estación, lo que lleva a que la RF se pasee por todo nuestra instalación, justamente por donde no debe.

Fig. 2 Hilo corto o largo sin contraantena y tierra a través de la estación

Hilo “largo” más corto que largo

Si como sucede generalmente en la práctica el hilo largo es más bien corto porque es menor de ¼ de longitud de onda en alguna banda en que intentamos sintonizarlo, entonces su resistencia de radiación con toda seguridad será muy inferior a los 50 ohmios de la impedancia característica del cable coaxial. Y eso ocurre especialmente cuando por ejemplo utilizamos un hilo de 10 metros, que se comporta aceptablemente bien como antena de 1/4 de onda en 40 metros (si le hemos colocado  una tierra medianamente decente), cuando no podemos resistir la tentación de intentar trabajar los80 y los 160 metros sintonizándolo con el acoplador.

Fig. 3 Impedancia de un hilo corto con tierra aceptable.

En las condiciones de por ejemplo la Fig. 3, resultaría que la impedancia del sistema radiante sería muy baja porque el supuesto hilo largo sería realmente corto y con una resistencia de radiación inferior a 10 Ω en 80  metros.  Teniendo en cuenta una buena

resistencia Rt de tierra de 10 ohmios aceptablemente baja, eso nos daría un total de 20 ohmios como impedancia a acoplar.

Si ahora además le intercaláramos un balun 9:1, dividiríamos por 9 su impedancia y nos encontraríamos con  20/9 = 2,2 Ω de impedancia, lo que haría muy difícil si no imposible que consiguiéramos sintonizarla con el acoplador.

Así que el acoplador no lo puede acoplar todo

Todos sabemos que es algo complicado disponer de una antena adecuada para todas y cada una de las banda de radioaficionado, de forma que nos proporcione una carga y una ROE aceptables al transmisor. Casi todos recurrimos tarde o temprano al uso de un acoplador para conseguir que al transmisor no se encuentre con una impedancia imposible y una ROE excesivamente elevada que no pueda soportar y, en consecuencia, reduzca su potencia de salida o se desconecte mediante el circuito de autoprotección.

Una vez ya tenemos colocado un acoplador, probablemente no podremos resistir la tentación de intentar acoplar cualquier antena en otras bandas para la que no estaba diseñada y hacerla trabajar como antena multibanda. Y normalmente descubrimos que conseguimos sintonizar esta antena improvisada en alguna banda, aunque algunas se nos resisten. Eso significa que hay longitudes que se dejan acoplar y otras longitudes que no se dejan sintonizar según la banda.

Las longitudes difíciles de acoplar de los hilos cortos y largos

Serán muy difíciles de acoplar, casi imposibles, las longitudes de hilo que coincidan exactamente con múltiplos de media onda en la frecuencia de trabajo, porque resonarían presentando altísima impedancia, porque serían como dipolos resonantes alimentados por un extremo, en el que se encuentra una impedancia tan elevada alrededor de los 3000 ohmios, que está fuera del alcance del margen de sintonía de los acopladores. Eso también incluye longitudes que difieran +- 5% sobre esa media onda.

Fig. 4 Hilo de media onda que no se deja acoplar

Eso significa que, si por ejemplo queremos acoplar un hilo corto o largo en 10 metros, debemos evitar los múltiplos de 5 metros que sería media onda en 10 m, así como los múltiplos de 5,70 metros para intentar acoplar en la banda de los 12 metros, así como también los múltiplos de 6,70 metros que sería media onda en 15 metros, etcétera.

Podemos formar una tabla con las longitudes que no nos interesan en absoluto para un hilo corto ni largo, puesto que en una banda u otra nos pondrán problemas. Tomamos como constante de referencia para el cálculo de estas medias ondas un factor de velocidad de 0,95 que es el que recomiendan todos los autores para realizar los cálculos de antenas de hilos o cables, lo que representa una velocidad de propagación de la onda por el cable de 300 x 0,95 = 285.000 km/s. Es decir que calcularemos las longitudes de media onda prohibidas calculando los múltiplos de longitudes medias ondas 285/2 = 142,5/f para el centro de cada banda, con lo que realizamos en la tabla que se adjunta:

BandaMHzK

longitudMedia onda x2,00 x3,00 x4,00 x5,00 x6,00

10 m 28,5 142,5 5,00 10,00 20,00 20,00 25,00 30,00

12 m 25 142,5 5,70 11,40 17,10 22,80 28,50 34,20

15 m 21,2 142,5 6,72 13,44 20,17 26,89 33,61 40,33

17 m 18,1 142,5 7,87 89,75 23,62 31,49 39,36 47,24

20 m 14,2 142,5 10,07 20,14 30,21 40,28 50,35 60,42

30 m 10,1 142,5 14,11 28,22 42,33 56,44 70,54 84,65

40 m 7,1 142,5 20,07 40,14 60,21 80,28100,35120,42

80 m 3,6 142,5 39,58 79,17118,75158,33197,92237,50

160 m 1,8 142,5 79,17158,33237,50316,67395,83475,00

 

Vemos que en esta tabla nos aparecen huecos de ciertas longitudes que no serán resonantes en casi ninguna banda y que nos permiten sintonizar las antenas con el acoplador bastante cómodamente en casi todas las bandas. Por ejemplo, hay un hueco en las longitudes comprendidas entre 8,5-9,5 metros, así como las que están entre 12-13 metros, y también entre 15-16 metros , así como entre 21-22 metros, porque se apartan suficientemente de la resonancia en media onda de varias bandas, si disponemos de hilos relativamente cortos. Más o menos deberíamos apartarnos de estas longitudes por lo menos un +-5% de la longitud resonante en media onda y sus múltiplos.

Si estamos hablando de hilos más largos, tendremos que colocar longitudes sobre los huecos entre 35-37 metros, 52-54 metros, 64-66 metros, 73-76 metros, etcétera, siempre intentando apartarnos de las resonancias en múltiplos de media onda en las bandas que queramos trabajar.

Para hilos más largos, tenemos mucho más margen y huecos, pues las posibles resonancias a frecuencias más altas, ya no tienen tanta importancia, pues entonces

empiezan a comportarse más bien como hilos largos y la impedancia se encuentra siempre oscilando en los alrededores de los 400-600 ohmios comentados

Una longitud mágica: los 43 pies o 13 metros

Es posible que hayáis visto alguna vez en la revista QST que se venden unas antenas verticales, de las que afirman que se pueden acoplar en todas las bandas. Todas las que se venden como multibandas que cubren 80-10 m tienen una longitud mágica: 43 pies (x 0,3048 m/pie) = 13, 10 metros, así que debe haber una explicación razonable para que esta longitud sea escogida para verticales sintonizables en todas las bandas.

Fig. 5 Vertical multibanda de 13 metros de longitud. La más acoplable

¿Qué propiedad mágica tiene esta longitud?

Efectivamente es una longitud que no resuena en ½  onda presentando una alta impedancia en ninguna banda de aficionados actual y no se resiste demasiado a que un buen acoplador pueda conseguir añadirle la inductancia y capacidad que la llevan a resonancia sin problemas en cualquier banda. Y todo eso, además, con unas dimensiones todavía manejables para una antena vertical.

Aunque precisamente por ser una antena vertical ajustada a ¼ de onda, tiene el inconveniente de que solamente disponemos de media antena y recordemos que la tenemos que complementar instalándola en un suelo y con un buen sistema de toma de tierra (si es buena conductora) o con radiales enterrados aperiódicos (recordemos que se recomiendan 16 por lo menos) o elevados (recordemos que hacen falta 4 por banda de ¼ de onda). Ver revista CQ nº 333 de Setiembre de 2012 página XX.

Una antena inédita multibanda: la V invertida de 2 x 13 metros

Si ahora yo tuviera que montarme ahora una antena multibanda, la solución que adoptaría sería  colocar un acoplador remoto automático en la punta de un mástil de 3 x 3 = 9 metros  o en la punta de una torreta para una directiva y descolgar de allí dos ramas en V invertida de 13 metros, con una longitud de cable total de 26 metros. Sería

fácilmente sintonizable por el acoplador en todas las bandas y dispondría de un dipolo resonante multibanda a una buena altura.

Fig. 6 Antena con acoplador remoto en V invertida de 2 x 13 metros.

El acoplador remoto , colocado en lo alto de un mástil, tiene el inconveniente de que debe recibir tanto el cable coaxial como el de alimentación, aunque algunos acopladores remotos pueden alimentarse también por el interior del propio cable coaxial, con separadores de la tensión continua de 12 V. De esta forma, eliminamos una mayor complejidad de la instalación y ahorramos en cable de alimentación, aunque los cable de alimentación de tres hilos de corriente para exteriores son bastante más baratos que un cable coaxial y no encarecen demasiado la instalación.

Únicamente tenemos que tomar la precaución de asegurarnos con un algún anillos de ferrita (Balun de corriente) de que no circula RF por el cable de alimentación, cosa que deberíamos colocar siempre también en los cables de control de los rotores que mueven antenas directivas para HF. También es aconsejable colocar un UN-UN con anillos de ferrita intercalado en algún punto del cable coaxial para impedir que se pasee la RF por el interior de la estación. Tanto da que lo coloquemos arriba junto al acoplador (Tuner) remoto como abajo junto al transceptor.

Balun necesario ¿sí o no?

Otra questión importante es si debemos o no colocar un balun después del acoplador. Ya hemos dicho que si el hilo es corto, no debemos utilizar nunca un balun 9:1 que nos reduzca la impedancia de la antena, sino que el balun debe ser 1:1 y, en cualquier caso, siempre es aconsejable colocar algún tipo de balun o un-un para que la RF no se propague de algún modo hacia otras tomas de tierra de protección eléctrica de la estación. Este balun puede ser tanto un balun de tensión de tres devanados después de acoplador con relación de transformación >1, o bien un balun un-un de ferritas colocadas en el coaxial, antes del acoplador, pues su misión, en el caso de hilos cortos, es simplemente impedir que la RF se desvié hacia las tomas de tierras de protección eléctrica de la estación.

Fig. 7 Antena con balun después del acoplador  9:1, 4:1 o 1:1 según longitud.

En el caso del balun UN-UN de anillos de ferrita, es mejor colocarlo entre el equipo o lineal amplificador y el acoplador de antena, pues así dejamos que el acoplador haga su función de acoplar sin interferir y, al mismo tiempo, el UN-UN impida las corrientes de tierra por las masas comunes eléctricas del transceptor y lineal.

Fig. 8 Antena con UN-UN y acoplador recomendado para hilos cortos.

Balun simétrico de tensión o un simple un-un de corriente

En el caso de que pongamos el balun después del acoplador, lo normal es utilizar un balun de tensión con tres devanados que aumente la impedancia en consonancia con la longitud del hilo. Si es más bien corto, no debemos sobrepasar la relación 1:1, porque las impedancias estarán por debajo de los 50 ohmios. Si es mediano, de forma que alcanza o supera alguna longitud de onda, debemos aumentar la relación a 4:1 para acércanos a una impedancia media de 200 ohmios y, si es largo, mayor de 2 longitudes de onda en la banda más baja, será entonces cuando deberemos utilizar el balun 9:1, pues la impedancia en la mayoría de frecuencias más elevadas se acercará a los 500-600 ohmios.

Aquí no hace falta en absoluto que el balun sea simetrizador, porque no estamos atacando antenas simétricas con líneas paralelas en las que la simetría es importante,

sino que aquí estamos siempre hablando de sistemas asimétricos con monopolos radiantes y contraantenas de algún tipo.

Los hilos largos de verdad: la bidireccionalidad

Los hilos largos de verdad muestran un diagrama de radiación en forma de alas de libélula que se acercan mucho al eje marcado por la dirección del hilo. Contra más largo sea el hilo, más estrechos y próximos al hilo serán los lóbulos de radiación.

Fig. 9 Lóbulos de radiación de una antena de hilo largo bidireccional.

Puesto que al final del hilo no hay nada, se produce una reflexión de la onda directa hacia atrás y existe una onda reflejada prácticamente de casi la misma magnitud de salida, lo que da lugar a una bidireccionalidad de la antena de hilo realmente largo.

Si queremos eliminar esta onda reflejada, deberemos colocar una resistencia de carga a tierra que absorba la energía no radiada. Entonces obtenemos una antena inventada por Beverage.

Las antenas Beverage sí que son unidireccionales

Las antenas Beverage con resistencia de carga al final del hilo largo, tienen el retorno normalmente por tierra, lo que se consigue conectando una resistencia de carga a tierra por medio de picas como tomas de tierra, aparte de la que obligatoriamente tendremos en el punto central.  Esta resistencia de tierra debe ser de una impedancia entre 200 y 600 ohmios para absorber la potencia no radiada por el camino hasta llegar a la resistencia. Es muy fácil que sólo se radie un 30-50 % de la energía transmitida y que la resistencia de carga tenga que ser capaz de disipar 50-70% de la potencia del emisor.

Fig. 10 Lóbulos de radiación de una antena Beverage unidireccional.

uesto que se pierde mucha energía en estas resistencias, lo normal es que el que trabaja con antenas Beverage, las utilice solamente en recepción (por ejemplo 8 antenas en 8 direcciones del espacio, a cada 45º de la rosa de los vientos) y , para la transmisión,  utilice por ejemplo una antena vertical en el mismo centro del sistema de antenas Beverage.

Fig. 11 Ocho antenas Beverage conmutadas en 8 direcciones.

De esta forma, se dispone de una recepción muy selectiva, que se consigue por medio de un conmutado remoto para poder cambiar rápidamente la dirección de recepción a voluntad. El problema a resolver consiste en realizar un buen conmutador de antenas, fácil de manejar, para seleccionar una de las 8 antenas Beverage directivas como las que se  comentan en el párrafo anterior. Nada que se no pueda resolver hábilmente con los medios de que disponemos hoy en día.

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TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 3: Una tierra común para la RF es indispensable?Domingo, enero 27, 2013   Luis del Molino   No comments

TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN-3:  LA TOMA DE TIERRA COMÚN DE RF

La radioafición está llena de tópicos que circulan como si fueran auténticas verdades y que no están basados en ninguna realidad científica ni experimental. En este artículo intentamos desmontar una de las más difundidas, incluso por mismos los fabricantes de acopladores y transceptores, que recomiendan unir todos los equipos una toma de tierra común, para evitar la circulación de RF, justamente lo contrario de lo que se debe hacer.

 En el Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición, planteábamos cuál era la respuesta correcta a la pregunta:  “Una buena toma de tierra de RF en la estación elimina la RF en el micro y en la estación”. ¿Verdadero o falso?

La respuesta que dábamos como correcta en el test sobre tus conocimientos es que esta afirmación es totalmente falsa.  Las tomas de tierra en el interior de la estación deben ser exclusivamente para protección eléctrica y debemos evitar en todo lo posible que circule RF por ellas.

Si tenemos RF en el micro, no debe intentar realizarse la cura con una puesta a tierra de RF, porque lo peor que nos puede ocurrir es que una toma de tierra de RF común en la estación funcione realmente como toma de tierra de RF y conduzca la radiofrecuencia y la derive hacia tierra. Entonces, como todo conductor que conduce RF, ese cable actúa realmente como una antena y radia energía en el interior del shack, en nuestra estación como puede verse en la figura 1, con los consiguientes problemas de que todo se llena de RF, desde el micro hasta el manipulador electrónico.

 

Figura 1: Dipolo sin balun y toma de tierra interior

 

Así que la prudencia aconseja que debemos impedir por todos los medios posibles que la RF circule por cualquier toma de tierra de protección eléctrica en el interior de la estación y eso significa evitar en todo lo posible las tomas de tierra comunes para RF en la estación.

Sin embargo, es fundamental la toma de protección eléctrica

¿Es posible que todos nuestros equipos no estén al mismo potencial eléctrico si están enchufados a la misma red eléctrica? Desgraciadamente sí.

Modernamente, por fortuna, es difícil que todos los equipos no estén al mismo potencial eléctrico, porque cualquier equipo o dispositivo eléctrico de cierta potencia debe llevar instalado un tercer hilo en la clavija y en el cable de alimentación, normalmente un cable recubierto con un aislante de color amarillo con franjas verdes, que debe quedar conectado a una tierra común de protección de la instalación eléctrica actual, tierra común que actualmente se exige que se encuentre en todos las bases de enchufes modernos. Pero hay muchas excepciones.

Desgraciadamente no todas las bases de enchufes del domicilio son modernas ni todos los equipos llevan el tercer hilo en la clavija del enchufe ni en el cable de alimentación. Si no lo llevan, puede darse muy bien que dos dispositivos electrónicos se encuentren a distinto potencial eléctrico y experimentemos una descarga al manejarlos con las dos manos.

Es muy frecuente encontrarse con televisores cuyo potencial de masa común (chasis) es distinto del de la tierra de la toma de antena y experimentemos una descarga al intentar conectar el cable coaxial de antena, por poner un ejemplo con el que yo me he encontrado (y picado) muchas veces.

La fuente de alimentación de algunos equipos enchufados a 220 V sin tercer hilo es muy probable que lleve condensadores de desacoplo de RF que no son exactamente iguales. Esto hace que el chasis de estos equipos puedan quedar a potenciales diferentes. Por ejemplo, puede ocurrir que uno de ellos tenga un potencial intermedio equivalente a 110 V AC (220/2) y que otro quede a un potencial intermedio de 175 V o 45 V (220-175), según la posición de la clavija, con lo que aparece una diferencia de potencial entre ambos equipos de 65 V. Y esta tensión pica, aunque no peligrosamente, pues la descarga se produce a través de condensadores con una reactancia suficientemente elevada. Pero es suficientemente  molesta.

La distribución más normal de corriente alterna se basa en 3 fases de con diferencia de 380 V entre ellas. pero con una tensión al conductor neutro de 220 V entre fase y neutro. Se distribuye a cada apartamento con un solo cable vivo y un solo cable de retorno, aparte de un cable de tierra independiente que no lleva corriente, pero que se utiliza como cable de protección eléctrica. Realmente sólo pica uno de los dos cables, pero con la tensión alterna de 220 V, que es  muy peligrosa (Figura2).

 

Figura 2: Redes de distribución eléctrica de baja tensión

 

Pero también podemos encontrarnos con instalaciones más antiguas con 220 V entre las 3 fases y solamente 125 V entre fase y neutro. Para proporcionar modernamente 200 VAC en estas instalaciones, se distribuye a los domicilios actuales con dos fases vivas que pueden dar descargas de 125 V al despistado que toque uno cualquiera de los dos cables. Y los 125 V son también muy peligrosos. Cualquier tensión alterna superior a los 50 V es realmente peligrosa.

 La protección del interruptor diferencial o IPC

Para protegernos de las descargas peligrosas (mayores de 30 mA) deben instalarse también obligatoriamente un tipo de relés diferenciales, que saltan cuando hay una corriente desigual en los dos hilos del relevador. Esta diferencia de corrientes se produce cuando aparece una corriente de fuga que circula fuera del circuito formado por los dos hilos, es decir, circula solamente por una de ellos hacia un tierra  en lugar de retornar por el otro cable.

 

Figura 3: Esquema de un IPC o protector diferencial

 

Supongamos que tocamos una lavadora que ha tenido un problema de aislamiento y se produce una fuga que pone el chasis en tensión y  en ese momento la tocamos con las manos mojadas. La lavadora puede que no haya disparado hasta ahora el diferencial, porque los tacos de goma anti-vibración la mantenían aislada del suelo, por lo que nosotros, al tocarla, le proporcionamos un circuito de retorno a la tensión del chasis metálico a masa. Si no existiera el protector diferencial que desconecta al detectar una corriente que no pasa por los dos conductores, sino solamente por uno de ellos a través de nuestro cuerpo, podríamos morir electrocutados.

Así que no lo olvidéis. El perfecto funcionamiento del interruptor diferencial es fundamental para nuestra protección. Debemos comprobar que funciona correctamente pulsando un botoncito de prueba situado en el exterior junto al interruptor. El protector diferencial debe saltar inmediatamente y desconectar la corriente eléctrica.

¿Por qué es necesario que nuestros equipos estén todos al mismo potencial?

Para evitar que suframos descargas al conectar y desconectar un elemento de la estación de otro elemento diferente. Lo más normal es que cualquier dispositivo que utilicemos, sea un acoplador o un medidor de ROE o un manipulador electrónico, o un filtro de audio, lleve su propia alimentación incorporada y su chasis quede a diferente potencial unos de otros, si no van equipados con el tercer hilo. Debemos prestar especial atención a los equipos con clavija de solamente dos polos sin contacto lateral de masa, pues es evidente que adolecen de este problema. Debemos unirlos de algún modo, pero procurando siempre que no circule la RF por estos cables de tierra común eléctrica (Figura 3).

Figura 4: Puesta a tierra común de los equipos.jpg

 

¿Cómo podemos impedir que la RF se pasee por nuestra estación?

El elemento esencial para conseguir que la RF no circule por el interior de nuestra estación, no es ni más ni menos que la colocación del balun (de Balance/Unbalance) más adecuado en la antena para evitar que circulen corrientes de RF independientes por el exterior de la malla del cable coaxial.

Como hemos visto en un artículo anterior (Revista CQ 331 de Junio de 2012), si no se coloca  un bálun en el punto donde se conecta un cable coaxial asimétrico, se puede producir corrientes asimétricas que circulan por el exterior del cable y que no solo radian RF como si formaran parte de la antena, sino que la conducen al interior de la estación, buscando un camino para llegar a tierra, camino que pasa por los cables de protección eléctrica.

 

Figura 5: Dipolo con balun

 

¿Qué tipo de balun se recomienda en el centro de un dipolo?

En general, es más recomendable el balun de tensión con tres devanados de la Figura 5, que el simple balun de arrollamiento o con anillos de ferrita, llamados vulgarmente balunes de corriente, aunque en algunas antenas se puede utilizar este último sin problemas.

Digo que es preferible el balun de tensión porque por una parte une en cierto modo conductivamente el vivo y la malla para corrientes continuas, con lo que elimina cualquier posibilidad de que se cargue de estática el hilo central del cable coaxial.  Le concede un camino de descarga para la electricidad estática.  Por otra parte, dicen muchos expertos que esa unión impide en cierto modo que el hilo central del coaxial y la rama de la antena a la que va conectada se comporten como una antena vertical que capta ruidos eléctricos de campo eléctrico vertical de las proximidades y hace que la antena sea menos ruidosa.

Sin embargo, muchas Yagis y antenas directivas horizontales ya llevan algún tipo de unión entre el vivo y la malla, realizado por medio de adaptaciones simétricas de tipo

betamax, o por medio de líneas de ¼ de onda entre el vivo y la malla de la antena (antenas de VHF y superiores) colocados en la viga de soporte (boom). En ese caso, los balunes Unun ( de Unbalance/Unbalance) de anillos de ferrita (de material adecuado a la frecuencia de la antena) son perfectamente aconsejables para evitar las corrientes de malla que pudieran modificar el lóbulo de la antena.

 

Figura 6: Balun de tensión Figura 7: Unun de ferritas

 

No olvidemos que algunas antenas de VHF llevan balunes de ¼ de onda de tipo bazooka que impide las corrientes por la malla de coaxial. En ese caso, hay que comprobar si hay circuito entre el vivo y la malla para evitar problemas de acumulación de estática.

¿Es suficiente este balun de tensión para evitar corrientes de malla?

A veces no es suficiente y no basta con colocar este balun o choque en la antena para impedir la circulación de RF por el exterior del cable, porque da la casualidad de que la bajada tiene una longitud resonante en ½ onda y la malla del coaxial se comporta como una antena receptora, captando directamente la radiofrecuencia radiada por la antena. Para resolver este segundo problema, lo mejor es colocar otro balun de corriente Unun (de Unbalanced/Unbalanced)  inmediatamente en la estación, junto a la salida del transmisor o del acoplador de antena.

Un balun de corriente Unun (Figuras 7 y 8) consiste en un choque de RF realizado con anillos de ferrita colocados por el exterior de un trozo de cable coaxial que pasa por su interior y que impide su circulación por el exterior de la malla. De esta forma, obligamos a que toda la RF circule únicamente por el interior del cable coaxial de salida. Recordemos que la corriente del vivo del cable coaxial y del interior de la malla son siempre iguales y opuestas y su radiación se cancela en cualquier caso.

La colocación de una toma de tierra en lugar de este choque UNUN en el interior de la estación podría hacer que la RF captada por radiación por la bajada de coaxial circulara por ese cable de toma de tierra, que entonces llenaría de RF captada en el interior de la estación, produciendo todo tipo de interferencias en otros dispositivos.

 

 

Figura 8: Dipolo con balun y con unun en la estación

 

¿Pueden dar problemas otros cables?

Es muy posible que en la estación entren otros cables, como por ejemplo los destinados al control de rotores o a la alimentación de preamplificadores. Estos cables son también susceptibles de captar RF y entrarla en la estación, por lo que es muy posible que modernamente debamos tomas precauciones especiales con ellos.

Este problema no se presentaba anteriormente cuando los mandos de los rotores eran electromecánicos, basados en contactos y relés, pero cuando modernamente se basan en electrónica más sofisticada, con conexiones y cables USB para poderlos que permiten su manejo mediante programas de seguimiento de satélites o de la posición de la Luna, el tema empieza a ser preocupante. La conexión USB es muy sensible a la RF, como han podido comprobar todos los que utilizan equipos SDR. Nada que no se pueda resolver colocando ferritas ad hoc  que envuelvan los cables de control de rotores y alimentación.

¿Pueden dar problemas de RF las verticales?

Si la vertical es una Ground Plane con radiales elevados (Figura 9), puede dar exactamente los mismos problemas que  un dipolo, por lo que es imprescindible utilizar un balun, preferiblemente de tensión, en el punto de conexión  con la antena. De lo contrario, nos arriesgamos a tener Rf en la estación.

 

Figura 9: Vertical GP sin balun Figura 10: Vertical GP con balun

¿En qué tipo de antenas es necesaria una auténtica toma de tierra de RF?

Evidentemente en todas las que pretendemos utilizar la tierra como contraantena, es decir las que solamente disponen de la mitad del radiante en comparación con un dipolo o antena simétrica, es decir, verticales , hilos cortos e hilos largos.

 

Figura 11: Vertical con tierra natural Figura 12: Vertical con tierra y balun

 

De todos modos, aunque no sea imprescindible, en cualquier antena vertical con tierra natural (figura 11)  es siempre recomendable la colocación de un balun de tensión para asegurarse de que hay un circuito de descarga de estática a tierra por el devanado central del balun de tensión de tres hilos (figura 12). Claro que eso podría también conseguirse por un método más barato de colocar una resistencia de carbón de 1 Megohmio entre el vivo y la masa, que no absorbería potencia RF y apenas se calentaría, pero  nos descargaría la electricidad estática, pero la pregunta es ¿dónde la colocaríamos?

   

Figura 12: Antena de hilo corto Figura 13: Antena de hilo largo

 

Si la antena es de hilo corto (< 1 L) como la de la figura 12, por favor, no le pongáis un balun de 9:1 porque la impedancia de la antena es menor de 50 ohmios. Aquí pensamos que un hilo largo es algo que tiene poco más de un cuarto de longitud de onda y eso no es así. Una antena de hilo largo (Figura 13), para que tenga una impedancia que se acerque a los 600 ohmios de una línea de transmisión de un hilo con tierra, necesita tener una longitud de más de 2 L para que su impedancia sea suficientemente elevada para acercarse por lo menos a los 400 ohmios y aaptarse con un balun 9:1. Una auténtica antena de hilo largo con varias longitudes de onda alcanzaría una impedancia de 600 ohmios, la impedancia de una línea de transmisión formada por un hilo horizontal y la tierra.

¿Cómo deben ser las auténticas tomas de tierra de RF?

La mayoría de radioaficionados considera que una pica de 2,5 metros  clavada en tierra es suficiente para realizar una buena toma de tierra de RF. Sin embargo, la práctica nos demuestra que la resistencia de una pica clavada en tierra se encuentra sobre los 20-40 ohmios en un suelo de conductividad media. Esa resistencia es excesivamente elevada para nuestros propósitos.

En efecto, si tenemos en cuenta que la resistencia de tierra queda en serie con la resistencia de radiación de una antena de por ejemplo de ¼ de longitud de onda (37,5 ohmios), nos encontramos con que el rendimiento de la antena sería como máximo del 50% y eso ya son 3 dB de pérdidas en la potencia radiada por la antena.

La conclusión es que deberíamos reducir esta resistencia clavando por lo menos 4 picas (Figura 14)en los vértices de un cuadrado con una separación de por lo menos un metro de lado. De esta forma, conseguiremos reducir la resistencia de tierra a unos valores de entre 5 y 10 ohmios, con lo que aumentamos el rendimiento de la antena hasta un 75-90%, un valor muy aceptable, pues representa solamente unas pérdidas de décimas de decibelio.

 

Figura 14: Toma de tierra efectiva con 4 picas

 

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TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 2: Si la ROE es elevada, la línea radia interferencias?Domingo, enero 27, 2013   Luis del Molino   No comments

TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN-2: Si la ROE es elevada, la línea radia interferencias

Otro de los tópicos que está presente en la mente de muchos radioaficionados novatos es que la presencia de ondas estacionarias en la línea de transmisión, es decir, una ROE elevada a la salida del transmisor es una fuente de radiación de interferencias y espurias. Y están convencidos de que las interferencias mejorarán si la  antena se adapta de una forma óptima hasta conseguir el soñado 1:1 en el medidor de ROE. Aquí explicamos claramente  por qué la ROE normalmente no tiene la culpa de la radiación de interferencias, sino la falta de simetrizadores.

Si la ROE en la línea de transmisión es elevada, la línea puede radiar más interferencias. ¿Verdadero o falso?

Así lo preguntábamos en el Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición. Preguntábamos si es cierto o falso que las ondas estacionarias presentes en una línea de transmisión hacen que radie más interferencias por culpa de esa ROE elevada y, por tanto, en caso de problemas de interferencias de RF, debemos dedicar todos los esfuerzos posibles a exterminar esa plaga de la ROE como sea.

La respuesta correcta a esa afirmación es que es totalmente FALSA y vamos a exponer aquí las razones que justifican esta respuesta, y que podemos dividir en tres argumentos principales:

Corrientes en modo común

En primer lugar, porque  la radiación que pueda proceder de una línea de transmisión no se debe a la presencia de ondas estacionarias en la línea de transmisión, sino a

problemas de corrientes de RF en modo común que circulan por el cable coaxial, concretamente por la parte exterior de la malla de la línea coaxial.  Una antena de cualquier tipo  bien instalada no debe tener problemas de radiación desde la línea coaxial, tenga o no ondas estacionarias.

Si una línea de transmisión radia energía no deseada, veremos con más  detalle a continuación  que eso siempre es por nuestra culpa. Siempre sucede porque no hemos tomado las precauciones más elementales en la instalación de una antena, sea horizontal o vertical, concretamente para evitar que circulen corrientes en modo común (en un solo sentido del cable coaxial), es decir, por el exterior de la malla.

Si tomamos las precauciones que luego veremos con todo detalle, no debemos preocuparnos  de que una línea de transmisión, sea del tipo que sea, radie energía, porque no radiará nada. Toda la energía emitida llegará a la antena, hayan o no ondas estacionarias, y saldrá radiada por la antena.

Por supuesto que la potencia reflejada por una desadaptación de la antena a la impedancia característica de la línea, si no utilizamos un acoplador, es muy posible que, al llegar devuelta rebotada, se disipe en el transmisor y radiemos algo menos de potencia real en la antena, pero podemos conseguir fácilmente que no sea radiada por la línea de transmisión como veremos posteriormente.

Linealidad de los amplificadores

En segundo lugar, porque las interferencias generadas siempre se deben a la falta de linealidad de los amplificadores lineales (o no tan lineales), o bien, se deben a otras espurias generadas en los osciladores del transmisor. Lo que sí es cierto es que, si hay una gran desadaptación de la antena con la línea, esto puede que afecte al transmisor, especialmente si el paso final es transistorizado y éste se encuentra con una carga no adecuada. Entonces y sólo entonces, es muy posible que se degrade ligeramente la linealidad del amplificador final y esto hace posible que aumenten  la generación de armónicos en ese amplificador.

Si el amplificador lineal es un amplificador a válvulas y realizamos bien la sintonía y adaptación del paso final (normalmente equipado con un circuito PI de acoplamiento), no debemos preocuparnos por la presencia de ondas estacionarias en la línea ni por la linealidad del amplificador, pues siempre tendrá la carga adecuada, una vez bien sintonizado.

Por otra parte, siempre la falta de linealidad del amplificador final es la que ocasiona la generación de más armónicos y el aumento los productos de intermodulación dentro en la banda pasante de la emisión. Cuando  hay una mala linealidad en el amplificador final, aparte de generarse más  armónicos, se produce otro problema: esto hace que se mezclen los componentes de la voz en una banda lateral (sea la superior o la inferior) emitidos al modular y el resultado es que una vez demodulada la voz en un receptor, esta se nota menos nítida y se vuelve más áspera o más rasposa.  Esto se debe a que se mezclan entre sí las propias señales de la banda lateral y se generan productos de intermodulación entre ellas, dando como resultado frecuencias que no deberían estar presentes  dentro de esa banda lateral.

Generación de espurias

En tercer lugar, las espurias que genere un emisor son emisiones que no se encuentran dentro de la banda pasante de la modulación, y se deben generalmente a la falta de pureza del sintetizador principal PLL y al ruido de fase del oscilador. Para mejorar la estabilidad, se procura que el oscilador principal sintetizado funcione a una frecuencia relativamente baja, lo cual nos obliga a añadir conversores elevadores de frecuencia para obtener la frecuencia final adecuada en cada banda.

En cualquier caso, el sintetizador es muy difícil que genere señales sinusoidales puras y las espurias generadas se agravan en los mezcladores posteriores, encargados de elevar la frecuencia de la señal  del oscilador hasta alcanzar la banda de transmisión deseada.  Estas frecuencias espurias, al pasar por mezcladores sucesivos, dan lugar a la generación de nuevos productos de intermodulación entre ellas que aumentan en cada conversión.

Como veis, las espurias generalmente no tienen que ver nada con la linealidad del amplificador, ni con la adaptación de la antena  con la línea de transmisión. Se han generado mucho antes.

El ruido de fase del oscilador principal

Por otra parte, lo mismo pasa con el ruido de fase del oscilador. Este ruido se genera por culpa de pequeñas irregularidades de las corrientes electrónicas en los osciladores y es un subproducto que siempre se intenta reducir al mínimo con mayor o menor éxito. Así pues, debe mantenerse a la mayor distancia posible en decibelios del pico de la frecuencia fundamental del oscilador desde que se inicia su generación. Pero, desgraciadamente, el ruido también aumenta al pasar por cada uno de los mezcladores de conversión, los mezcladores elevadores de frecuencia para cada banda, pues el ruido, en cuanto nos referimos al espectro frecuencial del mismo, está desperdigado por las frecuencias de los alrededores de la frecuencia fundamental emitida, y esas frecuencias vecinas también se mezclan entre sí y dan lugar a un ruido adicional que se suma al ruido de fase original al pasar por los mezcladores.

Lo importante es que no radie la línea

Pero como decíamos anteriormente, se generen o no espurias , la cuestión es que debemos conseguir que la bajada o línea de transmisión no radie, es decir, que no se comporte como una antena, sino como lo que debe ser: un transportador de RF que no radie absolutamente nada, sino que traslade toda la energía generada a la antena, de modo que se radie allí y se convierta en ondas electromagnéticas .

Pero ahora veamos cómo es posible que una línea de transmisión radie por ella misma y no cumpla bien esta misión transportadora.

¿Por qué puede radiar una línea de transmisión coaxial?

Veamos dos figuras claves a continuación. Un transmisor que alimenta un dipolo con una línea paralela (Figura 1) y otro que lo alimenta con una línea coaxial ( Figura 2).

   

Figura 1 – Dipolo con cable paralelo Figura 2 – Dipolo con cable coaxial directo

En la línea de transmisión paralela que alimenta un dipolo simétrico (Figura 1), las dos corrientes que circulan por los dos cables paralelos son exactamente iguales y opuestas, por lo que los campos eléctricos y magnéticos generados a una cierta distancia, pongamos  por ejemplo a una distancia suficientemente alejada, como por ejemplo 10 veces la separación de la línea, ya son prácticamente iguales y opuestos. Si los campos eléctricos y magnéticos generados de los dos cables se anulan entre sí, la radiación electromagnética radiada es prácticamente nula. Conclusión: la línea de cables paralelos de una antena simétrica está garantizado que no radia nada.

En la línea de transmisión coaxial que alimenta un dipolo simétrico (Figura 2), todo esto no ocurre de una manera tan simétrica y tan bonita: la asimetría del cable coaxial nos produce problemas  inesperados. El cable coaxial se puede comportar como una línea de tres conductores en lugar de dos (Figura 3 y 3 bis):

 

 

Figura 3 – Dipolo con cable coaxial directo = 3 conductores.

Figura 3 bis –Detalle del cable coaxial con 3 corrientes.

 

Los tres conductores son:

1- El vivo del coaxial

2- El interior de la malla

3- El exterior de la malla

Ahora tenemos un problema: El exterior de la malla, conectada directamente a una rama del dipolo, se puede comportar  como una antena   resonante independiente con una longitud L/4 + h (Fig. 4).  Las corrientes en el vivo y el interior de la malla pueden ser iguales y opuestas y no radiar absolutamente nada, pero el exterior de la malla puede hacer la guerra por su cuenta y resonar en la misma frecuencia aproximada o en otras frecuencias, e introducir corrientes en el medidor de ROE  y mostrarnos lecturas totalmente distintas de las que hay realmente en el interior de la línea.

 

Figura 4 – Dipolo con cable coaxial directo

La suma de longitudes puede resonar como un múltiplo impar de cuartos de onda y modificarnos la curva de resonancia de la antena para comportarse como una antena vertical independiente  (máxima corriente abajo)o resonar en un múltiplo de media onda y llenarnos de radiofrecuencia el interior de la estación (máximo de tensión abajo). ¡Qué desastre! El fenómeno se pone en evidencia cuando, al alargar o acortar la línea con un latiguillo, la ROE indicada  por el medidor cambia también. Podemos volvernos locos intentando ajustar la antena a resonancia, cuando lo que la desvía de su resonancia es la longitud resonante de la bajada, combinada con una rama de la antena. El cambio de la longitud afecta a la resonancia y al comportamiento de la antena. Efectivamente, tenemos un problema.

¿Por qué diablos no utilizamos entonces siempre los cables paralelos?

Si los cables coaxiales producen tal desastre, me preguntaréis, ¿cómo es posible que todo el mundo los utilice? ¿Por qué no se utilizan siempre las bajadas de cables paralelos?

Muy sencillo: porque los cables de bajada paralelos son un problema mecánico tremendo. Si se hacen con separadores en escalerilla, pueden retorcerse por el viento y cruzarse la línea, y no son fáciles de introducir dentro de la estación por las ventanas, y no pueden pasar cerca de elementos metálicos o conductores sin afectarse, no podemos doblar esquinas ni ángulos fácilmente, y…  etcétera, etcétera. Todo les afecta y pueden acabar muy mal en cualquier momento con tan solo que haga un poco de viento o cualquier otro fenómeno meteorológico.

Si se utilizan cables paralelos con cintas separadoras de algún tipo de plástico, estos cables se afectan también por la lluvia y por la nieve, y por las proximidades de elementos conductores, por lo que hay que mantenerlos separados de las paredes por lo

menos 10-15 cm, y además, no se pueden introducir tampoco fácilmente en el interior de la estación sin que se afecten. Un desastre de instalación y bastante problemática.

Todas las ventajas mecánicas son del cable coaxial

En cambio, el cable coaxial bien instalado no se afecta por nada: puede curvarse, introducirse por agujeros, por tubos, por ventanas  hasta el interior de la estación, no le afectan elementos metálicos próximos, puede colocarse pegado a las paredes. Es comodísimo y fantástico de instalar. ¿No te parecen que éstas son unas cuantas razones muy importantes para intentar superar el pequeño inconveniente de la asimetría que presenta?  Y ni siquiera estos problemas que presenta son difíciles de resolver. Nada de eso.

¿Cómo podemos superar la asimetría del cable coaxial?

Pues es fácil, la solución es muy simple: impidiendo la circulación de la corriente parásita de RF externa por la malla y obligando a que todas las corrientes de RF circulen por el interior del cable y sean exactamente iguales y opuestas, de forma que su radiación se cancele en el espacio lejano.  Asunto resuelto.

En las antenas de HF, se utilizan principalmente  tres métodos para impedir las corrientes en modo común en un dipolo, aunque hay alguno más como veremos, que se utiliza más bien en VHF.

Balún de tensión:

Este es un balun consistente en tres devanados sobre un núcleo de ferrita como el que se contempla en la figura 5. Cualquier diferencia entre las corrientes que circulan por las dos ramas del dipolo crea una tensión correctora en el devanado central que tiende a compensar la diferencia de corrientes hasta hacerlas iguales y opuestas, es decir hasta anular cualquier radiación.

 

Figura 5 – Balun de tensión

 

Además este balun, cambiando la relación entre devanados, puede actuar como  un transformador de impedancias y utilizarse para adaptar un coaxial de 50 o 75 ohmios a impedancias superiores. Es decir, cambiando las relaciones entre devanados nos permite transformar un cable de 50 ohmios en una impedancia de 200 ohmios muy apropiada para Windoms (balun 4/1) o adaptar antenas de tipo hilo largo (largo de verdad) con relaciones más elevadas (9/1) y alcanzar hasta los 450 ohmios de impedancia.

Balun de espiras de cable

A partir de los 20 metros y en las bandas superiores (incluidas VHF), es muy fácil y barato evitar las corrientes de malla enrollando el cable coaxial en un forma de bobina de espiras juntas  con media docena de vueltas (Figura 6) y generando así una inductancia en el exterior del cable que es suficiente para frenar las corrientes externas, sin que el interior del cable se entere de que se ha realizado un arrollamiento.

 

Figura 6 – Balun de coaxial enrollado

 

Para las bandas de frecuencias más bajas (160, 80 y 40 m), este método no es nada  práctico porque no es fácil conseguir suficiente inductancia y, si se aumentan las espiras, aparece una capacidad entre espiras que empieza a ser excesiva para frecuencias superiores, si se pretende que sea multibanda. Se recomienda utiizar el primero o el tercer método.

Balun de anillos de ferrita sobre el cable:

Modernamente se ha puesto de moda realizar balunes (por ejemplo el MFJ-915) que consisten en numerosas ferritas en anillo colocadas a lo largo de un palmo de cable coaxial de forma que se frena el paso de la RF por el exterior del cable. Estos balunes se han popularizado, no son caros y reciben normalmente el nombre de UN/UN (de unbalanced/unbalanced). Se intercalan en el cable coaxial cerca del punto central de alimentación de la antena para evitar las corrientes por el exterior de la malla (Figura 7).

 

Figura 7 – Ferritas para frenar corrientes de RF

 

Incluso se está popularizando su colocación en el interior de la estación en el punto de salida de la RF final, por ejemplo, a la salida del transceptor y después del acoplador por los motivos de que pueden ahorrarnos también que la RF afecte el equipo, especialmente ahora que se ha puesto de moda que muchos equipos estén controlados por CAT a través de un puerto USB y la RF pueda llegar al ordenador a través de los cables de conexión. Y también nos evita la RF captada directamente por la línea de bajada como veremos a continuación.

Bazooca en el boom de la antena

Hay otros métodos que no se utilizan para antenas de cable, pero que utilizan mucho los fabricantes de antenas de VHF, como por ejemplo colocar un stub resonante de ¼ de onda que impida el paso de corrientes por el exterior de la malla. Uno de estos métodos es el llamado bazooka que consiste en hacer pasar el cable coaxial por dentro de un tubo de ¼ de longitud de onda que se conecta a la malla del cable en el extremo más alejado de la antena como se observa en la figura 8.

 

Figura 8 – Bazooka para eliminar corrientes de RF

¿De qué otra forma puede captar radiofrecuencia una línea?

A pesar  de que pongamos un balun de cualquier tipo en el punto de alimentación del dipolo, la línea de bajada o de transmisión de la antena puede captar radiofrecuencia por si misma si da la casualidad de que resuena como antena de ½ onda en cualquiera de las bandas.

En sí, este problema es difícil de evitar y los problemas que produce son muy inferiores a los que puede llegar a producir las corrientes una antena sin balun en el punto de alimentación, porque estamos hablando de otra magnitud. En el caso de las tensiones de Rf producidas por corrientes de malla por formar parte de la antena, podemos estar hablando de voltios de RF, mientras que si hablamos de RF captada por la antena podemos estar hablando de milivoltios como mucho.

Esta RF captada no era un problema que preocupara a nadie ni tenía la menor trascendencia ni siquiera cuando llegó la era de los ordenadores y comenzaron las transmisiones digitales con ordenador, mediante las conexiones RS-232 a los decodificadores de RTTY y las TNC de radiopaquete. Pero las cosas han cambiado ahora modernamente con la conexión USB.

Nuevo problema: La conexión USB

El problema se ha presentado con toda su crudeza  con la aparición de los dispositivos decodificadores conectados por puerto USB. El conector y el cable USB se ha demostrado muy sensible a la RF y eso ha dado lugar a que aparezcan cuelgues del programa decodificador y del ordenador y de los receptores SDR con gran facilidad. Y eso se presenta con tensiones muy pequeñas de RF que antes no le importaban a nadie que se captaran.

Ahora tenemos que vigilar que la RF no se pasee por todos los cables que bajan de la antena, y colocar ferritas partidas en cualquier cable, si no queremos que nos pasen toda clase de cosas raras en el ordenador. A mí personalmente me ocurrió con los cables de los rotores de las antenas de satélite, que se encontraban en otra torreta, pero que captaban la RF y la llevaban hasta el mismo ordenador en que funcionaban los equipos SDR. Me llevó mucho tiempo  descubrir por qué saltaba el equipo SDR solamente cuando transmitía en 15 metros.  Esto ya era una indicación de que había una resonancia en algún cable. Un día por casualidad descubrí que los cables del rotor resonaban en una longitud de onda completa  (15 metros) y me introducían la RF hasta el ordenador a través del controlador de rotores conectado al puerto paralelo.

¿Cómo podemos evitar problemas?

Aparte de colocar ferritas en las líneas de todos los dispositivos que, de alguna forma, pueden conducir la RF al ordenador, es prudente evitar cualquier problema de RF captada por nuestra línea de transmisión, incluso en las de las demás antenas, colocando un balun UN/UN de anillos de ferrita en el interior de la estación, justo antes de la entrada al acoplador de antena o al paso final del amplificador lineal (Figura 9).

 

Figura 9 – Colocación de un un-un junto al transmisor

Especialmente si utilizamos lineales de gran potencia, los altos niveles de RF pueden afectar mucho más a los ordenadores. En todos estos casos, debemos poner en práctica todos los recursos posibles para evitar que circule la RF por nuestra estación, y tampoco llegue al ordenador. La RF debe salir por el interior del cable coaxial y llegar a la antena y no dejarla volver por otros caminos.

Y por supuesto, nada de utilizar toma de tierra común de RF en la estación.

La nefasta toma de tierra común

Lo peor que puede ocurrirnos al colocar una toma de tierra común de RF en una estación emisora es que funcione bien y realmente derive la RF a masa. Con ello resulta que la RF se pasea y se radia en el interior de la estación, porque la toma de tierra de RF ahora forma parte de la antena. Todas nuestras buenas intenciones de que la energía de RF se radie en la antena se han ido a la porra.

En la Figura 10 tenemos un buen ejemplo de una mala instalación. Una antena dipolo sin balun que cancele la corrientes en modo común y una toma de tierra oportuna que acaba de complicarlo todo, formando parte de la antena y radiando por su cuenta.

 

Figura 10 – Dipolo sin balun y con toma de tierra de RF

 

Tenemos una resonancia en el dipolo y otra en el sistema formado por una rama del dipolo, la malla del cable coaxial y la toma de tierra de RF. Toda una segunda antena de polaarización vertical completa que radia energía de otra forma y en el interior de nuestra estación, en el que a lo mejor incluso hay un máximo de corriente a nuestros pies. Toda una garantía de que tendremos RF en el micrófono y en todos los dispositivos conectados al transceptor.

Así que lo más prudente, en este caso, aparte de colocar un balun en la antena, es impedir de alguna forma con ferritas partidas que la RF circule por cualquier toma de tierra común de protección eléctrica que tengamos.

Pero por lo menos las antenas verticales no necesitan balun, ¿o sí?

Igual que los dipolos, las antenas verticales de tipo GP con radiales también deben llevar un balun, e incluso un un/un a la salida del transmisor o del acoplador, que impida la circulación de corrientes por el exterior de la malla, pues  la RF puede circular en modo común exactamente igual que lo hace por las líneas de transmisión conectadas a los dipolos de media onda horizontales sin balun. Recordad que el problema de la RF por la malla no lo produce la asimetría de la antena, sino precisamente la asimetría del cable coaxial.

El caso extremo es el que se muestra en la figura 11 en el que la línea coaxial tiene una longitud múltiplo de 1/4 de longitud de onda y en el que, por consiguiente, se produce un máximo de tensión de RF junto al transmisor, porque el otro extremo es de baja impedancia por fuerza. Si en este caso no ponemos un balun, tendremos problemas de

RF elevados en los bigotes al modular. Si tampoco ponemos un un/un junto al transmisor, es posible que la RF captada directamente por la antena nos dé también algún problemilla en algún dispositivo USB del ordenador (si lo utilizamos), porque ya hemos comentado que es un nuevo problema: la mayor sensibilidad a pequeñas corrientes de RF simplemente captadas por resonancias en los cables, sean coaxiales o no de las conexiones USB.

 

Figura 11 – Vertical GP con linea 1/4 onda

 

En cambio, en las antenas verticales con plano de tierra natural, en las que la malla del coaxial se conecta a tierra-tierra y en la que el suelo conductor forma una imagen perfecta del radiante de cuarto de onda, no está muy claro que se produzcan corrientes por el exterior de la malla, salvo que la línea de transmisión tenga un múltiplo impar de cuarto de onda exacto.

En este caso, se produciría un máximo de  la tensión de RF captada en la conexión al transmisor igual al de la figura 11. Pero en este caso estoy convencido de que esta tensión de RF puede anularse poniendo también a una tierra-tierra este extremo. En este caso, si que puede ser útil la tierra común de RF y no haría falta colocar un balun a la salida del transmisor. Pero siento deciros que esto no lo he podido comprobar personalmente, así que dejémoslo en el aire hasta que algún otro radioaficionado nos confirme si representa problemas o no.

Pero no echemos nunca más la culpa de la RF  en la estación a la ROE elevada cuando esta varia al modificar la longitud del cable porque no hemos puesto ningún balun en la antena que evite las corrientes de malla en modo común.

73 de Luis EA3OG

 

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