Monopolo sintonizado

A vueltas con la antena monopolo corta

 

Hay circunstancias en las que nos vemos obligados a utilizar antenas pequeñas. Normalmente esta situación se da en la práctica campestre y puede ser por razones de visibilidad o simplemente por peso. Las antenas de hilo son las más ligeras, sin embargo el hilo no se sostiene solo y hay que disponer de un par de anclajes donde sujetarlo, uno puede ser el suelo con una pica pero el otro tendrá que ser un árbol, si lo hay o un poste o un mástil plegable que podemos transportar fácilmente. En este caso una antena monopolo de varilla puede ser una magnífica solución. Es ligera, discreta, omnidireccional y apta para enlaces a media y larga distancia.

Las bandas de 17 metros en adelante se pueden resolver con un hilo montado en una caña de pescar o usar una antena telescópica con una longitud de unos 4m. Conforme subimos de banda podemos ir acortando la antena para que funcione correctamente en la frecuencia deseada. Sin embargo en las bandas más bajas, la antena va a quedar muy corta y por tanto requiere de algún sistema de acoplamiento para poder operar con ella. Vamos a ver una forma de cómo acoplar antenas cortas distinto a la bobina de carga que se usa tradicionalmente.

 

¿Qué es una antena corta?

 

Podemos definir una antena corta como una antena que mide menos de lo que sería necesario para resonar a la frecuencia de trabajo. Por ejemplo una varilla de 2,8m es un cuarto de longitud de onda y por tanto resuena en 25,5MHz pero esta misma varilla en 15, 17, 20m y así sucesivamente es cada vez más corta y no es resonante. Por tanto podemos decir que una antena es corta si mide menos de un cuarto de longitud de onda, en el caso del monopolo que es el que nos ocupa.

El circuito equivalente de una antena en la frecuencia de resonancia lo podemos presentar como un un circuito RLC. R será la resistencia de radiación más la resistencia de pérdidas, mientras que la L y la C resuenan a la frecuencia de trabajo de la antena y por tanto la impedancia reactiva y capacitiva se anulan. De esta forma la antena solo presenta componente resistiva. Sin embargo al bajar la frecuencia, la antena se queda corta y es solamente capacitiva por tanto el circuito equivalente será la resistencia de radiación más la de pérdidas y la diferencia entre la reactancia inductiva y capacitiva que al ser mayor esta última dará como resultado una reactancia negativa o dicho de otra manera la antena es capacitiva. En la práctica la resistencia de tierra no será cero y por tanto la incluiremos dentro de la resistencia de radiación como resistencia de pérdidas.

 

La antena monopolo de un cuarto de longitud de onda presenta una impedancia de aproximadamente 36 ohmios a la frecuencia de resonancia, siempre y cuando tenga un plano de tierra ortogonal que se aproxime a un conductor perfecto, pueden ser 8 o más radiales de 1/4 de longitud de onda. Sin embargo, al bajar la frecuencia de operación por debajo de la frecuencia de resonancia, la resistencia de radiación baja y la reactancia capacitiva sube más que lo hace la inductiva. Cuanto más baja sea la frecuencia menor será la resistencia de radiación y menor el condensador equivalente (mayor reactancia capacitiva) que presenta la antena.

Hay que recordar que la reactancia capacitiva Xc = 1/(2*pi*F*C) siendo F la frecuencia en hercios y C la capacidad en faradios. 

 

Podemos hacer unos cambios de unidades de forma que  Xc = 1000000/(2*PI*F*C) siendo F la frecuencia en megahercios y C la capacidad en picofaradios.

 

Adaptación de una antena corta

 

Debido a que la antena corta no presenta 50 ohmios, la ROE va a ser mas alta cuanto más corta sea la antena. Se hace indispensable incluir un circuito de adaptación. Puede ser un acoplador de antena colocado en la base, una bobina de carga en serie que anule la componente reactiva capacitiva de la antena pero al no afectar a la resistencia de radiación va a ser necesario algo más que la bobina de carga para adaptar a 50 Ohmios. Algunas antenas comerciales aprovechan que el bajo Q de la bobina de carga sumado a la resistencia de radiación y sumado a la resistencia de pérdidas para obtener una resistencia final de 36 ohmios o más, de tal manera que la ROE será menor de 1,5:1.

Otra opción menos usada es aprovechar la componente capacitiva que presenta la antena como condensador de sintonía de una bobina. Esta bobina va colocada entre la toma de tierra y la varilla de la antena. La capacidad antena-tierra queda en paralelo con la bobina y la podemos sintonizar así. La bobina sintonizada podemos usarla como un auto transformador de tal forma que adapte la impedancia de la antena a 50 ohmios. Para entender cómo funciona esta idea lo primero es ver  como se pasa de un circuito serie a uno paralelo.

Resistencia equivalente de la antena Rr+Rp, donde Rr es la resistencia de radiación y Rp la resistencia de pérdidas. Una buena antena cumple que Rr >> Rp. 

 

La relación de transformación Rt del autotransformador, transforma la impedancia del extremos sintonizado dividiendo por el cuadrado de la relación Rt. Hay que recordar que la relación de transformación es el cociente entre la tensión a la salida del transformador y la de su entrada. 

El circuito de la izquierda muestra nuestra bobina conectada a la antena RC. El circuito serie equivalente de la antena lo podemos pasar a un circuito paralelo equivalente[1]. La resistencia serie de bajo valor respecto de la reactancia capacitiva pasa a ser una resistencia paralelo muy alta, varios miles de ohmios. En el centro de la imagen está el circuito equivalente de nuestra bobina de sintonía la capacidad de la antena y en la resistencia equivalente paralelo R. Como esta resistencia tiene un valor mucho mayor que 50 ohmios, es factible transformarla en 50 Ohmios mediante una toma en las primeras espiras de la bobina, como se puede ver en el circuito de la derecha. La relación de transformación que resulte del cociente del número total de espiras de la bobina dividido entre el punto de la toma. Elevando al cuadrado obtenemos la relación de transformación de impedancia. En el caso de usar una bobina con núcleo de aire la relación de transformación no es exactamente el cociente del número de espiras de la bobina dividido por la toma ya que influye el coeficiente de acoplamiento K que es menor a 1.

 

Procedimiento de sintonía

 

Podemos calcular la impedancia, parte real e imaginaria, a la frecuencia que nos interese mediante programa de simulación basados en NEC2, como son MMANA-GAL, EZNEC, XNEC2C, etc o podemos usar fórmulas[2] que vienen en algunos libros pero que son aplicables solamente para casos en los que se disponga un plano de tierra que sea un conductor perfecto. Independientemente del método que utilicemos lo que sí obtendremos es una aproximación que nos puede ser útil como punto de partida. Por ejemplo la varilla de 2,8m con un plano de tierra de cuatro radiales de cuatro metros cada uno, presenta en la banda de cuarenta metros una impedancia de 10,2- 971j, hallado mediante Xnec2c. La reactancia capacitiva de esta antena se corresponde con una capacidad de 23,4pF. Para esta capacidad en la banda de 40 metros necesitaremos una bobina de sintonía y/o de carga 21,4uH. Podemos calcular las espiras de la bobina[3] con coil32 o 64, por ejemplo. Será un punto de partida.

Capacidad en función de la longitud a distintas frecuencias 

 

A modo de guía aproximada podemos usar la gráfica adjunta para una antena de hilo de 1mm de diámetro. Para cada longitud se ha calculado la capacidad equivalente de la antena en las bandas bajas.
La gráfica muestra como al aproximar la longitud de la antena a un cuarto de longitud de onda, la capacidad equivalente sube de forma exponencial.

 
Con un VNA profesional podríamos medir la impedancia de la antena, pero en la práctica con la instrumentación asequible para radioaficionados, la medida es tan imprecisa que no sirve para nada. Por el contrario podemos hacer otro tipo de medidas que si nos sean útiles y que se pueden hacer tanto con VNA portátil como con el venerado grip-dip. 

El grid-dip conectado a un frecuencímetro nos va a permitir encontrar la frecuencia de resonancia de la antena con la bobina de sintonía que hayamos puesto en la base de la antena. Tendremos simplemente que ajustar el valor de ésta para que la antena resuene la frecuencia que nos interesa. Desgraciadamente el dip que va a provocar la antena va a ser bastante reducido o por lo menos es en mi caso con el grid-dip casero que yo tengo así sucedió[4].

Espira de captación para conectar con VNA

Por el contrario, con el VNA conectado a una bobina de 2 o 3 espiras, como la de la imagen adjunta y en la que podamos meter dentro la bobina de sintonía de la antena, variando el acoplamiento entre ambas veremos una frecuencia en la que se produce una cierta adaptación, mostrado por la curva de ROE que presenta un pico hacia el 1:1. En esta frecuencia en que la ROE disminuye va a ser la frecuencia de trabajo de la antena. Si esta frecuencia está por encima del valor que nos interesa simplemente tendremos que aumentar la bobina de adaptación añadiendo alguna espira y si la resonancia está por debajo de la frecuencia que nos interesa haremos lo contrario. Hay que tener en cuenta que el entorno afecta a la sintonía de la antena, por tanto si cambiamos de ubicación puede ser que el ajuste no sea el mismo hasta el punto de sea inservible. Si la varilla es de longitud fija esto será una limitación. Si se usa una varilla que en la punta tenga un elemento ajustable, como las antenas de móvil, podremos ajustar la antena a cada ubicación y el único problema que no vamos a controlar es la resistencia de radiación + pérdidas que afortunadamente es más estable.

Finalmente haremos una toma en la primera, segunda... espira empezando por el lado conectado a tierra de tal forma que podamos medir la ROE. Veremos que habrá una una frecuencia para la cual se puede conseguir la adaptación 1:1 variando la toma de la excitación. Si no baja la ROE cerca del 1:1 y al pasar de una toma a la siguiente la ROE no mejora es posible que el mejor punto para la toma sea uno intermedio entre las dos anteriores. También comprobaremos que puede ser que la frecuencia de resonancia a la que se consigue la mejor ROE no coincida con la que hemos medido con el VNA mediante la bobina de captación. La razón es que la capacidad de la antena puede variar por nuestra propia presencia, la bobina de captación con el VNA y especialmente si la contrantena no es lo suficientemente efectiva como para hacer insensible la antena al entorno.

 

Caso práctico

 

Hace años que conseguí una varilla de antena táctica AT-271. Esta varilla es plegable y desplegada tiene una longitud total de 2,8m, es decir resuena en 25,5MHz. Pero la quiero usar para la banda de 40 metros, especialmente en la playa. Así que tras varias pruebas, me ha servido para comprobar que el procedimiento de ajuste de la antena es perfectamente viable, sobre todo con el VNA. 

 

También he hecho la comprobación con el grid-dip y un medidor de campo con un tinySA. Coincide que la frecuencia en la que mayor intensidad de campo mide el Tiny con su antenilla telescópica, haciendo un barrido con el grid-dip, es la misma que el VNA con la bobina de acoplamiento que permite obtener la mejor adaptación. Por tanto ambos sistemas son viables aunque el VNA es más rápido y preciso.

La adaptación de la antena consiste en una bobina hecha sobre una forma de 36mm de diámetro, 25 espinas juntas de hilo de un milímetro de diámetro y una toma a 2,25 espiras contando desde el lado inferior donde conecta toma de tierra. La contrantena consiste en 4 radiales de 2,8m también, más una pica para conectar a tierra.

 
El soporte de la bobina además soporta la varilla y el conjunto se monta sobre un tubo de PVC para clavarlo en el suelo arenoso de la playa. Este soporte está hecho con impresora 3D y funcionó muy bien hasta que el sol lo calentó y por efecto del peso de la varilla se deformó completamente al reblandecer el PLA. Moraleja, hay que usar plásticos que aguanten bien la temperatura con colores claros que eviten que se calienten al sol del verano.

 

Resultados

ROE medida con NanoVNA

La medida con el VNA muestra la respuesta en frecuencia de la curva de ROE. La marca 1 está en 7000KHz, la 2 en 7100 y la 3 en 7200. Como podemos ver en la respuesta se consigue una frecuencia con ROE 1:1 y un ancho de banda de 200KHz para ROE <1,7:1. Esta medida se ha hecho con un cable coaxial RG179  de 10m de largo. A 2,8m de la antena se ha colocado un choque con ferrita para que el resto de cable no sea parte de la antena y afecte a la sintonía.

Con el medidor de ROE y un transmisor se obtienen resultados similares, como era de esperar. 

Como el soporte de la antena se deformó por completo y a falta de hacer una nueva versión, siguiendo el mismo procedimiento, no he podido hacer pruebas reales de comunicación. Esto queda para un futuro trabajo.

Algunas imágenes

La bobina de 40m sola, tocando con el dedo una punta consigue adaptarse en 19MHz. Una casualidad.

Probando en el jardín

Grid-dip midiendo en una espira en el lado de tierra.

Choque en el cable coaxial, a 2,8m del BNC que conecta a la antena.

Midiendo campo cercano con el TinySA y excitando la bobina de la antena con grid-dip. Comprobamos como al pasar por la frecuencia de resonancia la intensidad de la señal captada por el TinySA llega a un máximo.

Referencias
1.- https://wilaebaelectronica.blogspot.com/2018/12/transformacion-serie-paralelo-y-paralelo-serie-de-impedancias.html
2.- Cálculo de antenas EA5BWL ISBN 9788426716668
3.- https://coil32.net
4.- QURPE numero 72 invierno 2011.