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LAS ANTENAS EH
INDICE
INTRODUCCIÓN
Las denominadas antenas EH son un concepto nuevo en el mundo de las
antenas, que las aparta de las antenas tradicionales, denominadas genéricamente
antenas de Hertz.
Este documento da una explicación técnica sobre este tipo de antenas, y
muestra los detalles de construcción de una antena de este tipo.
Una antena tradicional de cualquier tipo, se comporta como un circuito
resonante (si está operando a frecuencia de resonancia), en el que la corriente
que circula por ella está desfasada 90 grados respecto a la tensión aplicada
(como se puede ver en los diagramas de distribución de corrientes y tensiones en
una antena resonante). Aunque la alimentación de la antena aplique la tensión y
la corriente en fase, en la antena la tensón y la corriente mantienen este
desfase de 90 grados.
Dado que la tensión aplicada a la antena por el generador de RF es la
responsable del campo eléctrico E generado por la antena y la corriente que
circula por ella es la responsable del campo magnético H generado por ésta, en
las cercanías de la antena ambos campos no mantienen una relación de fase
adecuada, no están en fase, y por tanto no se propagan conjuntamente como un
campo electromagnético, sino como campos individuales de inducción, denominados
"Campos próximos". Sí es cierto que a partir de una cierta distancia a la
antena, denominada "distancia de Rayleigh", y por un extraño fenómeno de
la Naturaleza, ambos campos se enfasan y se propagan conjuntamente constituyendo
un campo electromagnético, que es el que se propaga a distancia en forma de
ondas electromagnéticas (de radio). Por ello este tipo de campo se denomina
también "Campo lejano" de la antena.
La distancia de Rayleigh depende del cuadrado de la máxima dimensión de la
estructura irradiante y es inversamente proporcional a la longitud de onda, pero
no es una distancia fija, sino de referencia, ya que la transición de campos
próximos (de inducción) a campos lejanos (electromagnético) es gradual y el
límite entre ambos tipos de campos no puede establecerse con exactitud. Esta
distancia de transición entre campos próximos y campos lejanos es del orden de
1/3 de la longitud de onda.
El campo lejano consiste totalmente en energía irradiada en forma de ondas
electromagnéticas que ya ha escapado definitivamente de la antena, y que avanzan
por el espacio con una polarización (referida al campo eléctrico) igual a la
polarización eléctrica de la antena transmisora.
Un campo electromagnético se caracteriza por cumplir las siguientes
condiciones (condiciones de Poynting):
-
Los campos eléctrico E y magnético H han de coexistir en el mismo volumen
del espacio.
-
Ambos campos han de ser ortogonales entre ellos (sus líneas de fuerza
deberán ser perpendiculares: sus planos de vibración son perpendiculares).
-
La relación matemática entre E y H es de 377. Este valor es la
denominada impedancia del espacio frente a la propagación de la energía
electromagnética.
-
Los campos E y H han de vibrar (variar) de forma exactamente igual.
-
Los campos E y H han de estar en fase.
A la distancia de Rayleigh es cuando los campos eléctrico y magnético
generados por una antena de tipo Hertz comienzan a enfasarse y cumplir las
condiciones de Poynting que definen a un campo electromagnético.
El hecho que en la antena la corriente esté desfasada 90 grados con respecto
a la tensión aplicada (está adelantada respecto a la tensión), implica que ésta
genera campos próximos eléctricos y magnéticos importantes, y por otro
lado, que la potencia total radiada por la antena no sea la máxima
posible, pues como es sabido, la potencia disipada por una corriente alterna
sobre una carga es máxima cuando la tensión y la corriente están en fase (cosa
que no ocurre en una antena convencional, donde este desfase podría
interpretarse como una especie de "factor de corrección" de corriente alterna).
La energía radiada como campos próximos se puede perder en parte al ser disipada
en forma de corrientes inducidas por el campo magnético H cercano en objetos
ferromagnéticos muy próximos a la antena, o por absorción del campo eléctrico E
cercano por fluorescentes y otros elementos muy próximos a la antena. Estas
pérdidas de energía debilitan los campos próximos, y ello da lugar a que se
debilite también el campo electromagnético radiado, que es la que va a
alcanzar antenas distantes, ya que éste surge por el posterior enfasamiento de
los campos E y H cercanos a partir de la distancia de Rayleigh . Por ello, en
una antena convencional o de Hertz, parte de la energía entregada por el
transmisor o generador de RF se pierde a través de los campos próximos y el
resto se propaga en forma de ondas electromagnéticas: El rendimiento real de la
antena no es completo.
Por otro lado los campos eléctricos y magnéticos próximos son los
responsables de la mayoría de las interferencias electromagnéticas (EMI)
en las proximidades de la antena, así como en recepción, de la inducción de
ruidos en la antena y por tanto, de la aparición de ruidos de origen local
en el receptor de radio.
También afectan a la resistencia de radiación de la antena por la
interación del campo eléctrico con el suelo o la tierra. Sabido es que en el
caso de las antenas polarizadas horizontalmente, como puede ser una antena
dipolo horizontal, su resistencia de radiación es función de la altura de la
antena sobre el suelo cuando está a baja altura, siendo el efecto cada vez menor
a medida que la antena está más alta, siendo poco significante a partir de media
onda de altura. Sin embargo, el efecto de tierra apenas tiene efecto en una
antena elevada sobre el suelo polarizada verticalmente. Esto da a entender que
es el campo eléctrico E cercano de la antena el que al interaccionar con el
suelo (que es más o menos conductor), modifica la resistencia de radiación de la
antena.
Inicio
LAS ANTENAS
EH
La antena EH fue inventada y patentada por el veterano radioaficionado
norteamericano Ted Hart (W5QJR), a finales de los años 80's, y se basa en
un concepto distinto al que emplean las antenas clásicas de Hertz. En este tipo
de antena se fuerza un desfase de la corriente que circula por la antena
para enfasarla con la tensión, de modo que el campo magnético H que genere pase
a estar en fase con el campo eléctrico E generado por la antena en las
proximidades de ésta, y por tanto la potencia transmitida por la antena en forma
de ondas electromagnéticas sea máxima. Esto implica un diseño mecánico de la
antena totalmente distinto al de cualquier antena convencional, y de hecho las
antenas EH son antenas con tamaños muy inferiores a las antenas
convencionales, siendo antenas verticales con tamaños del orden de 1/20 de
longitud de onda, pero con un elevado rendimiento (a diferencia de las
antenas de Hertz o convencionales, que cuanto más cortas son, peor es su
rendimiento). Pueden realizarse antenas EH de menor tamaño, pero ello reduce
entonces el ancho de banda de la antena.
Su denominación como "antenas EH" hace referencia al enfasado de los campos
eléctrico E y magnético H radiados por la antena. Las denominadas Antenas de
Campo Cruzado (CFA, Crossed Field Antenna) tienen un comportamiento parecido
a las antenas EH, y su denominación hace referencia al hecho de que este tipo de
antena generan los campos magnético y eléctrico separadamente, pero son
combinados adecuadamente (en fase) gracias a su método de construcción. Las
antenas EH generan los campos E y H de forma distinta a las antenas CFA.
Inicialmente se desarrollaron para la recepción de la Onda Media, pero pronto
se desarrollaron prototipos para HF, y actualmente ya se comercian este tipo de
antenas para las bandas de radioaficionados en HF, donde presentan la ventaja de
un buen rendimiento con un tamaño pequeño (algo muy deseable en las
bandas más bajas, donde las antenas convencionales son de gran tamaño a causa de
la gran longitud de onda), aunque son omnidireccionales.
Básicamente una antena EH es una antena de tipo Hertz (convencional) que
funciona con una red de cambio de fase seguida de una red de adaptación. La
función de esta última es la de proporcionar una impedancia conjugada de
adaptación a la antena.
El circuito equivalente de una antena EH es el siguiente:
En estas antenas se fuerza el enfasado de los campos magnético y eléctrico
en la propia antena, generando campo electromagnético radiado en la propia
antena, y ello da lugar al confinamiento de los campos próximos a la esfera
física de la propia antena, además de ser reducidos de magnitud. Y dado el
pequeño tamaño de una antena EH, ello significa que el riesgo de interferencias
electromagnéticas (EMI) por energía radiada como campo próximo, y la recepción
de ruidos de origen local queda prácticamente eliminado. Como ejemplos de ruidos
electromagnéticos de tipo local a los que son bastante insensibles las antenas
EH están los generados por las chispas de los motores, las fugas en las líneas
eléctricas (chisporroteos), los generados por el encendido de las luces
nocturnas, etc.., que son ruidos que se propagan principalmente como campos
eléctricos o magnéticos. Éstos pueden inducir tensiones en las antenas normales,
que son llevadas al receptor y percibidas como ruidos, pero que en el caso de
las antenas EH son rechazados, y éstas sólo recibirán los componentes radiados
como energía electromagnética por estas fuentes de ruido.
También el pequeño tamaño de los campos eléctrico y magnético cercanos hace
que cuando una antena EH sea instalada sobre el suelo, su resistencia de
radiación no varíe significativamente por la presencia del suelo próximo,
incluso aunque sea tendida con polarización horizontal.
Inicio
CASO DE UNA ANTENA
HERTZ
El circuito equivalente de una antena Hertz o convencional incluye:
-
La resistencia de radiación, Rr, término que representa la capacidad de
disipación de potencia de RF mediante radiación al espacio, y que puede ser
equiparado a una resistencia óhmica disipadora de potencia.
-
Las resistencias de pérdidas, Rp, que disipan potencia en forma de calor,
y que por tanto no es radiada al espacio: resistencia óhmica de los
conductores, por efecto pelicular, etc...
-
Las reactancias capacitativas e inductivas de la antena, de valores -j*Xc
y +j*Xl respectivamente, debidas a la inductancia L de los conductores que
forman la antena y la capacidad C respecto al plano de tierra o
contraantena.
-
Un elemento desfasador ficticio, indicado como -jD, que sería el
responsable del desfase de 90 grados que hay en la antena entre la tensión
aplicada y la corriente que circula por ella. La corriente está adelantada 90
grados respecto a la tensión, por lo que el campo H está adelantado 90 grados
respecto al campo E en la misma antena.
En una antena Hertz su forma y características físicas de la antena definen
los valores de los distintos parámetros mencionados (salvo el último).
Las reactancias inductivas y capacitativa son responsables en los circuitos
eléctricos de corriente alterna de pérdidas de potencia en forma de "pérdidas
reactivas de potencia", que no disipan calor, pero que están ahí. Sin
embargo, a la frecuencia de resonancia de una antena (o de cualquier circuito de
corriente alterna), ambas reactancias son de igual valor absoluto, por lo que al
ser de distinto signo (en su valor expresado en números complejos), se cancelan,
y no hay pérdidas reactivas de potencia, por lo que la antena pasa a disipar
toda la potencia que recibe entre su resistencia de radiación Rr y sus
resistencias de pérdidas Rp. Conviene que las resistencias de pérdidas
sean lo más bajas posibles para que el rendimiento de la antena sea máximo.
En el caso de antenas cortas (comparadas con las antenas dipolos o cuartos de
onda), éstas pueden radiar igual de bien que una antena normal, siempre que sea
correctamente alimentada. Pero en el caso de las antenas cortas, su menor tamaño
tiene unos efectos desfavorables: a menor tamaño, su resistencia de radiación
disminuye, así como su capacidad y su inductancia propias. De hecho, en una
antena corta, su inductancia natural L es muy baja, y su reactancia es
mayormente capacitativa (sobre todo si los elementos que la constituyen son
de grueso diámetro), aunque también su capacidad propia C también es menor. Por
ello, para llevar una antena corta a la frecuencia de resonancia hay que añadir
una inductancia adicional adecuada (una "bobina de carga") para aumentar
el valor de la reactancia inductiva de la antena lo suficiente para cancelar la
reactancia capacitativa. Si se aumenta la longitud de los elementos aumentan
también la inductancia y la capacidad de la antena, hasta llegar a la condición
de resonancia, momento en que las reactancias inductiva y capacitativa se
igualan, y ello ocurre en el caso de un elemento de cuarto de onda eléctrico.
El problema de las bobinas de carga para las antenas cortas es que si son de
gran tamaño (como las necesarias para llevar a resonancia una antena muy corta),
pueden introducir una resistencia óhmica (contando el efecto pelicular) que
puede ser incluso bastante mayor que la baja resistencia de radiación de la
antena, por lo que perjudica notablemente su eficiencia (pues gran parte de la
energía se va a perder disipada como calor en estas resistencias óhmicas), no
siendo radiada. Puede mejorarse la eficiencia de la antena aumentando el
diámetro de los elementos que la constituyen, ya que ello aumenta la capacidad
natural de la antena y por tanto precisa una bobina de carga menor para llevarla
a resonancia y por tanto con menos pérdidas óhmicas. Pero aún así, la
resistencia de radiación seguirá siendo baja y por tanto la eficiencia de la
antena baja. Como ejemplo, una antena de móvil de 2,5 metros de longitud,
cargada con una gran bobina de carga en su centro, sintonizada para su uso en
las bandas de 75-80 metros (cuarto de onda: 18-20 metros), tiene una eficiencia
del orden del 3% comparada con una antena resonante de cuarto de onda, y una
resistencia de radiación del orden de 0,4 ohmios.
Cuando se habla de resonancia en un circuito eléctrico de corriente
alterna a la frecuencia de operación, la tensión aplicada y la corriente que
genera y circula a través del circuito están en fase, y entonces la
disipación de potencia es máxima. Ello no es precisamente lo que ocurre
en una antena resonante, donde es conocido que la corriente que circula por la
antena está desfasada en 90 grados (pi/2 radianes) respecto a la tensión
aplicada a la antena, de ahí que en el circuito equivalente de cualquier antena
Hertz se deba incluir el desfasador ficticio -jD como causante de este desfase.
Los desfases tienen lugar a causa del desplazamiento de la corriente de RF
impulsada por la tensión aplicada a lo largo de la capacidad natural de la
antena, que afecta a su propagación, y del efecto de la inductancia de la antena
sobre la circulación de la corriente por ésta. Ambos desfases son de sentido
contrario, provocando el desfase de 90 grados entre tensión y corriente.
Este desfase entre tensión y corriente es el responsable del desfase entre el
campo eléctrico E radiado por la antena (debido a la tensión) y el campo
magnético H radiado (debido a la corriente) en las proximidades de la antena.
En cuanto a la resistencia de radiación de la antena, ésta disminuye a medida
que la antena se hace físicamente más corta respecto al cuarto de onda. Para el
caso de una antena corta de hilo o varilla, el cálculo de la resistencia de
radiación Rr del hilo o varilla se puede realizar de forma aproximada con la
siguiente fórmula empírica:
Rr = 273 * (L * F) 2 * 10 -
8 ( L en pulgadas, F en MHz )
= 42,315 * (L * F) 2 * 10 -
4 ( L en metros , F en
MHz)
Así, una antena de 15 pulgadas de longitud (38,1 cm) presenta a 14,2 MHz una
resistencia de radiación de 0,124 ohmios.
Inicio
CASO DE LAS ANTENAS
EH
Las antenas EH resuelven los problemas de las antenas cortas de tipo Hertz,
ya que son antenas muy cortas, sintonizadas, y con una resistencia de
radiación no baja, lo que aumenta mucho la eficiencia de este tipo de
antena. Y además son antenas que no generan prácticamente campos
próximos, lo que significa que radían toda la energía en forma de ondas
electromagnéticas, reduciendo enormemente las EMI (interferencias
electromagnéticas) y reduciendo mucho la recepción de ruidos electromagnéticos
de origen local.
En el caso de las antenas EH su diseño básico parte de una antena tipo
Hertz (convencional) bastante corta, y cuyo modelo eléctrico ya conocemos, y
que sabemos que se trata de una antena muy capacitativa (por ser muy corta).
Esta antena se lleva a resonancia, y se la añade una red de
desfase, representada en el modelo anterior por +jF, cuya función es
introducir un desfase adicional entre la tensión aplicada a la antena de Hertz y
la corriente que circula por ella de 90 grados, pero opuesto al que tiene lugar
de forma natural en la antena de Hertz (debido a -jD). Las redes empleadas
retrasan la corriente entregada por el transmisor o fuente de RF en 90 grados, y
además tienen otra función: adaptar en impedancias la antena a la línea de
transmisión.
Esto produce que se cancele el desfase entre corriente y tensión en la
antena (al ser anulada -jD), y por tanto que la corriente y la tensión
estén en fase en la antena, y por tanto los campos radiados eléctrico E y
magnético H estén en fase. La antena apenas radía campos E y H próximos, y
prácticamente toda la energía aplicada a la antena por el transmisor es radiada
directamente como campo electromagnético desde la propia antena. No hay
desperdicio de potencia radiada en forma de campos cercanos.
La cancelación del desfase de la antena (debido a -jD) por la red de desfase
+jF trae también como consecuencia que aparezcan dos nuevos componentes en la
antena: Una resistencia de radiación adicional, Rr´, y una reactancia
inductiva adicional Xl´ debida al desplazamiento natural de la corriente a
través de la capacidad de la antena. La resistencia de radiación adicional Rr´
aumenta notablemente la resistencia de radiación de la antena, y ello mejora
mucho su eficiencia (pues aumenta la resistencia de radiación total de la
antena, sin aumentar significativamente las resistencias de pérdidas), y
mejora su ancho de banda.
La reactancia inductiva adicional da lugar a un aumento de la capacidad de
la antena (ya que esta reactancia inductiva cancela parte de la reactancia
capacitativa Xc de la antena, lo que equivale a aumentar la capacidad de la
antena), y esto permite reducir la inductancia de sintonía necesaria en la red
adaptadora para llevar la antena a resonancia, disminuyendo las pérdidas en esta
inductancia y disminuyendo el factor Q de la antena (aumenta su ancho de banda).
El aumento de la capacidad de la antena por este factor es del orden de 1,4
(raíz cuadrada de 2) para antenas EH muy cortas (sin apenas inductancia).
Los valores de estos dos nuevos componentes es función de la configuración
física de la antena Hertz sobre la que se construye la antena EH.
Para comprender más el funcionamiento de las antenas EH, hay que considerar
el comportamiento de los campos eléctrico E y magnético H en una antena Hertz.
El campo eléctrico E es generado por la tensión de RF aplicada a los elementos
de la antena, y se manifiesta mediante líneas de fuerza que salen y entran
perpendicularmente a la superficie de los conductores de la antena. El campo
magnético es debido a la circulación de la corriente por la capacidad natural de
la antena, es decir, en el dieléctrico que separa los elementos de la antena, y
genera líneas de fuerza que son perpendiculares y concéntricas a los conductores
de la antena (ver FIGURA 1).
Figura 1
Un campo magnético H se genera cuando circula una corriente variable por un
conductor, pero también cuando hay un cambio en un campo eléctrico variable E en
un dieléctrico, lo que puede interpretarse como un cambio virtual de corriente
eléctrica, que es conocido como "Corrientes de desplazamiento" en el
dieléctrico.
Pero el campo magnético H está desfasado en 90 grados respecto al campo
eléctrico E, debido al desfase de 90 grados que existe en la antena entre la
tensión aplicada y las corriente generada que circulan por ella. La circulación
de las corrientes en la antena se encuentra condicionada por la inductancia de
la antena, que la retrasa 90 grados respecto a la tensión, y por la capacidad
natural de la antena, que la adelanta 90 grados respecto a la tensión.
Por tanto, podemos considerar que el campo magnético H de la antena es la
suma de dos componentes de campo magnético, desfasadas 180 grados entre sí, y 90
grados respecto al campo eléctrico. Una componente, Ha , está adelantada 90
grados respecto al campo eléctrico (debida a la capacidad de la antena), y la
otra, Hr, está retrasada 90 grados (debida a la inductancia de la antena). En un
gráfico vectorial sería lo siguiente (se toma el movimiento de las fases de los
campos citados en el sentido de las agujas del reloj):
En el caso de una antena Hertz muy corta, su comportamiento eléctrico es
capacitativo, y apenas muestra inductancia alguna, por lo que la componente Hr
es prácticamente cero, y el campo magnético total radiado prácticamente es el
debido a la componente Ha.
En el caso de una antena EH el campo magnético total H y el eléctrico E han
de estar en fase, y si la antena es muy corta, esto equivale a decir que el
campo Ha ha de estar en fase con el campo eléctrico E:
En este caso, que es el típico de una antena EH, la red de cambio de fase (+
jF) que se introduce ha de dar lugar a un retraso de fase de la corriente de 90
grados para que la componente Ha quede enfasada con el campo eléctrico E. La
componente Hr quedará en oposición de fase, pero al tratarse de una antena muy
corta, esta componente es prácticamente despreciable.
Inicio
RENDIMIENTO DE LAS
ANTENAS EH
Una antena EH es una antena físicamente muy corta, comparada con la longitud
de onda a la frecuencia de resonancia, y realizada con tubos de bastante
diámetro. Por ello éstos tienen resistencias de pérdidas insignificantes.
Las pérdidas tienen mayormente lugar en la red de adaptación, y si están bien
diseñadas, también son bajas (una pequeña fracción de un decibelio). Y dado que
los campos magnético y eléctrico están en fase en la antena, toda la potencia
transferida a ésta se radia en forma de campo electromagnético (no se pierde
potencia en forma de campos cercanos), por lo que la eficiencia de una antena
EH es alta, a pesar de ser una antena corta. Así, por ejemplo, una antena
dipolo EH realizada con elementos de sólo 0,005 longitudes de onda (dipolo de
0,01 L.onda) y de diámetro 1/3 de la longitud de cada elemento, son capaces de
radiar niveles de campo electromagnéticos mayores que los radiados por una
antena dipolo convencional (Hertz) de media onda (de tamaño 25 veces mayor).
Por otro lado las antenas EH manifiestan un menor nivel de ruido que
una antena Hertz. En efecto:
- En una antena Hertz o convencional, cuando ésta recibe señales
electromagnéticas (campos E y H simultáneos), genera una tensión y una corriente
en la antena que son transferidos como señal útil al receptor. Pero cuando
recibe un campo eléctrico E o un campo magnético H aislado, como son los ruidos
de origen eléctrico o magnético, generan una corriente inducida en la antena que
es transferida al receptor: El campo eléctrico induce una tensión a lo largo de
la antena que es aplicada al receptor, mientras que un campo magnético crea una
corriente inducida en la antena que es aplicada al receptor. En ambos casos, el
receptor recibe ruido eléctrico o magnético.
- En una antena EH, cuando esta recibe una señal electromagnética, genera una
tensión y una corriente variables con las fases adecuadas como para ser
aplicadas a la entrada del receptor como señal útil. Pero cuando la antena
recibe campos eléctricos o magnéticos aislados, éstos crearán tensiones o
corrientes respectivamente en cada uno de los dos elementos de la antena, y al
ser la antena EH de pequeño tamaño, las tensiones o corrientes generadas en
ambos elementos de la antena son prácticamente iguales en amplitud y fase, por
lo que prácticamente se cancelarán a la entrada del receptor: Los ruidos
eléctricos y magnéticos son prácticamente suprimidos por las antenas EH.
Frente a ruidos puramente eléctricos o magnéticos, las antenas EH son unos
30 dB más silenciosas que una antena dipolo convencional. Esto permite
que en determinadas ubicaciones, donde hay mucho ruido de naturaleza eléctrica,
las antenas EH puedan recibir bien señales que serían completamente tapadas por
el ruido local si se usara una antena hertz.
Inicio
RED DE DESFASAJE PARA
UNA ANTENA EH
Ahora que sabemos cómo funciona una antena EH, podemos pasar a ver cómo
realizar una.
Como se ha dicho anteriormente, una antena EH es una antena corta de Hertz
sintonizada, típicamente de tipo dipolo, constituido por dos cilindros cortos de
grueso diámetro, a la que se han añadido una red de desfasaje que introduzca un
desfasaje adecuado a la corriente eléctrica para enfasarla con la tensión, lo
que provoca que en la misma antena campo eléctrico E y campo magnético H estén
enfasados, y la antena radíe prácticamente toda la potencia ya directamente como
radiación electromagnética (y no como campos próximos).
Partiendo de un par de conductores cortos y gruesos, para formar una dipolo
corta con gran componente capacitativa, para construir una antena EH será
necesario:
1: Llevar la antena corta a sintonía a la frecuencia de uso,
2: Enfasar la corriente y la tensión en la antena.
3: Adaptar la impedancia de la antena (al estar sintonizada, será su
resistencia de radiación) a la impedancia de la línea de alimentación.
Consideremos el caso de una antena dipolo corta y gruesa que la queremos
hacer trabajar en la banda de 40 metros (7 MHz), y que esta antena presenta una
resistencia de radiación Rr de unos 20 ohmios, y una capacidad natural de unos
10 pF. Debido a que la inductancia de tal antena es prácticamente despreciable,
la reactancia de la antena será prácticamente capacitativa, y el valor de ésta
será la reactancia que muestran esos 10 pF a la frecuencia de 7 MHz, que son
unos 2.274 ohmios.
Por tanto, la impedancia de tal antena, en expresión compleja, será:
Z = Rr - Xc = 20 - 2274j
y el ángulo de fase de la impedancia será de -89,5 grados (en un diagrama
vectorial de impedancias, es el ángulo entre el vector impedancia y el eje que
soporta las resistencias no complejas, como es la resistencia de radiación):
Por tanto, para compensar este ángulo de desfase de la impedancia se deberá
añadir una reactancia inductiva Xl que compense la reactancia capacitativa Xc de
la antena para llevarla a resonancia (-Xc = Xl, Z = Rr), lo que significa
introducir un desfase de +89,5 grados en el diagrama de impedancias, lo que hace
resonante a la antena a la frecuencia de operación, y además deberemos añadir un
desfase adicional de +90 grados, para que en la antena la corriente se enfase
con la tensión. Esto supone introducir un desfase total de 89,5 + 90 = 179,5
grados. Y además, debe adaptarse la impedancia de la antena resultante, que será
su resistencia de radiación de 20 ohmios (al ser resonante) a la impedancia de
la línea de transmisión, típicamente 50 ohmios.
Una red de adaptación que pueda hacer todo esto sería por ejemplo una red
L+T, esto es, una red compuesta por una red en L seguida de una red en T, y
es lo que se muestra en la FIGURA 2. La red L
permite la adaptación de impedancias de la línea (50 ohmios) a la antena (20
ohmios), y esta adaptación de impedancias concreta introduce un desfase de 45
grados. La red T deberá entonces introducir los 134,5 grados restantes de
desfase para conseguir que la red L+T completa introduzca el desfase total de
179,5 grados requeridos para construir la antena EH de este ejemplo.
Los datos mencionados son para este ejemplo. En ayuda del radiotécnico y del
radioaficionado existen programas que permiten calcular resistencias de
radiación de antenas cortas (nos puede servir para ello la fórmula empírica
mencionada anteriormente), capacidades e inductancias naturales de las antenas,
y para el cálculo de redes de desfasaje para RF, que nos facilitarán el cálculo
y desarrollo de una antena EH.
Figura 2
En el caso de usar una red L+T para que una antena corta Hertz sea convertida
en una antena EH, similar a la mostrada en la FIGURA 2, hay que
decir que la red en L está compuesta por C1 y L1, mientras que la red en T está
compuesta por L1, L2 y C2. La bobina L1, pues, participa de ambas redes, y ello
se hace para reducir el tamaño de la red total L+T a dos bobinas (y dos
condensadores).
Pero además la bobina L2 ha sido dividida en dos partes, donde una de
ellas se ubica entre los dos elementos de la dipolo. Ello obedece a dos razones:
Por un lado, si la conexión entre la red de desfasaje y los dos elementos de la
dipolo se realizara directamente por dos hilos de alimentación, y éstos están
adecuadamente enfasados para que la antena radíe, los hilos de alimentación
también van a radiar, lo que es un efecto indeseable. Y por otro lado, al
dividir la bobina L2 en dos partes conectadas a través de los hilos de
alimentación, se reduce la aparición de altas tensiones de RF en dichos hilos. Y
es que a través de L2 se desarrollan altas tensiones de RF.
En efecto, la corriente de RF que circula por la antena para una potencia de
transmisión P dada se puede calcular por la fórmula:
P = I 2 * Rr
mientras que la tensión de RF que se desarrolla a través de la antena será:
V = I * Z = I * ( Rr + j ( Xl - Xc ) )
En nuestro caso tenemos que la resistencia de radiación Rr es baja, por lo
que la intensidad I será alta, y como la capacidad natural de la antena es baja,
lo que implica una reactancia capacitativa alta, da lugar a tensiones altas.
Esto justifica también el uso de una red L+T, ya que permite el uso de
condensadores de baja tensión, aunque capaces de soportar el paso de altas
corrientes, y las altas tensiones se desarrollan a través de la bobina L2.
En nuestro ejemplo no se ha tenido en cuenta la inductancia natural de la
antena, sólo se ha considerado la capacidad y la resistencia de radiación. Si se
considera la inductancia natural de la antena, que es muy baja, su reactancia
inductiva tiene un valor bajo, que cancela parte de la reactancia capacitativa,
y esto equivale a considerar que la antena tiene una capacidad virtual natural
mayor que la real. A efectos de cálculos, considerar la inductancia de la antena
es aproximadamente lo mismo que considerar que la antena tiene una capacidad
natural 1,4 veces la capacidad natural real, que en nuestro ejemplo sería
una capacidad de 14 pF. Y volviendo a recalcular la antena EH con este nuevo
valor de capacidad, se obtiene un modelo de antena EH más preciso.
Con los programas de cálculos de redes adecuados es relativamente fácil para
el aficionado calcular una red L+T para diseñar una antena EH, y usando para
ello materiales de bajo coste. Para el caso de una antena EH estándard,
el espaciado entre los dos elementos de la dipolo es igual al diámetro de la
sección de cada elemento, lo que implica una capacidad natural entre
elementos de aproximadamente 7 pF (margen de 7 a 10 pF), y la longitud de cada
elemento es pi veces (3,14159) el diámetro de cada elemento (es decir, es igual
a la longitud de la circunferencia de la sección de cada elemento).
Existe otro tipo de red de desfasado para la construcción de las antenas EH,
la red L+L, que emplea condensadores de valor más bajo y de mayor
tensión. Es una red L+L , constituida básicamente por dos bobinas iguales y
dos condensadores del mismo valor, aunque los valores de las bobinas y de
los condensadores pueden variar algo en el ajuste final de la antena.
Este tipo de red es de menor coste que una red L+T, pero más difícil de
ajustar para un radioaficionado medio, y es el tipo de red que emplean las
antenas EH comerciales que se están fabricando en la factoría de Stefano
Galastry (IK5IRR) en Florencia (Italia) (Arno Elettronica,
www.eheuroantenna.com). La FIGURA 3 muestra
el esquema de una antena EH con una red L+L con datos para las bandas de 40 y de
20 metros, y la FIGURA 4 muestra
el esquema de este tipo de red, donde se ha tomado como modelo equivalente de la
antena corta de Hertz una reactancia capacitativa Xa en paralelo con una
resistencia de radiación Ra, según el modelo empleado por Lloyd Butler
(VK5BR).
Figura 3
Figura 4
En este modelo Ra tiene un valor igual a 2 * Pi veces el valor de la
impedancia radioeléctrica del aire o vacío (376 ohmios), esto es, 2368 ohmios,
para el caso de una antena EH estándard (elementos de longitud Pi veces el
diámetro de cada cilindro, y separación entre cilindros igual al diámetro de
éstos). La red adapta la impedancia de la línea de alimentación (50 ohmios
típicamente) a la resistencia de radiación paralela Ra de la antena, llevándola
a resonancia, cosa que se podría hacer también con una única red adaptadora en L
(constituida por una bobina en serie y un condensador en paralelo con la
antena), pero el uso de una red L+L además simetriza la alimentación de la
dipolo y realiza los cambios de fase requeridos para convertir la antena corta
de Hertz en una antena EH. Cada elemento reactivo de ambas redes L tiene una
reactancia igual a la raíz cuadrada de 50 veces el valor de Ra (2368 ohm), lo
que es un valor de 340 ohmios (para adaptar la antena a 50 ohmios). Hay que
tener en cuenta que la reactancia capacitativa de cada red L está constituida
por el condensador de la red y la capacitancia Xa de la antena, ambas en
paralelo (de ahí que en la FIGURA 4 sólo se
muestre la presencia de Xa en el modelo de antena, ya que Xa está reflejada y
embebida en los 340 ohmios de la reactancia capacitativa de cada una de las dos
redes L).
Llevado a la práctica, estos valores de reactancias para los cuatro
componentes de la red L+L, y teniendo en cuenta que la capacidad natural de la
antena es de 7 a 10 pF, en la banda de 20 metros (14 MHz) implica usar bobinas
de 4 µH y condensadores de 33 pF (incluye la capacidad reflejada de la dipolo,
en paralelo). Estos valores deberán reajustarse a la práctica en una de las dos
redes L al realizar el ajuste fino de desfases y resonancia de la antena.
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UN EJEMPLO PRÁCTICO: ANTENA
EH PARA LA BANDA DE 20 METROS (14 MHz)
Este ejemplo práctico de desarrollo de una antena dipolo para la banda de 20
metros ha sido realizado y publicado por el propio Ted Hart, W5QJR,
descubridor y desarrollador del concepto de las antenas EH y propietario de la
firma norteamericana "EH Antenna Systems".
Figura 5
La antena presentada es una antena dipolo compacta realizada sobre una pieza
de tubo plástico de una pulgada de diámetro externo, donde cada elemento se
realiza arrollando sobre el tubo de plástico hoja de papel de aluminio o una
lámina de cobre. La longitud de cada elemento del dipolo es de sólo 7,5
pulgadas, esto es, 19 cm. Usa una red de desfasaje L+T como la descrita en la FIGURA 2. La FIGURA 5 muestra a
Ted Hart con una antena de este tipo.
1- Hágase con hojas de papel de aluminio o de cobre (o de cualquier
otro material conductor) y de un tubo plástico de una pulgada (2,54 cm) de
diámetro externo. Para éste último puede usar tubería plástica usada para
conducciones de agua, de diámetro interno de 3/4 de pulgada, lo que corresponde
a un diámetro externo de una pulgada.
Arrolle las hojas de aluminio o de cobre alrededor del tubo plástico para
formar los dos elementos de la dipolo. Espacie ambos elementos el diámetro del
tubo, esto es, una pulgada. Puede usar cola o cinta adhesiva para fijar
adecuadamente el material conductor al tubo plástico. La longitud de cada
elemento cilíndrico de la dipolo será de 7,5 pulgadas (19 cm).
Puede usar en lugar de lo anterior tubería de cobre de una pulgada de
diámetro para construir los cilindros de la dipolo, y usar un espaciador
plástico para separar ambos cilindros. Estos materiales se pueden encontrar sin
problemas en cualquier fontanería.
2- Mida la capacidad entre ambos cilindros de la dipolo. Si no dispone
de instrumental adecuado para ello, le anticipamos que su valor es de
aproximadamente 7 pF.
3- Calcule la resistencia de radiación de la antena. Resultará ser
unos 30 ohmios.
4- Con estos datos, y usando un programa de cálculo de redes para RF,
calcule los valores de los componentes de la red L+T necesaria para esta antena.
Éstos resultarán ser los siguientes:
-
C1 : 225 pF , y deberá ser capaz de aguantar corrientes de RF de 1,4 A a
71 Vrms, para una potencia de transmisión de 100 watios.
-
C2 : 291 pF , y deberá ser capaz de aguantar corrientes de RF de 3,4 A a
133 Vrms, para una potencia de transmisión de 100 watios.
-
L1 : 0,92 µH , que se puede realizar arrollando 2,5 espiras de hilo de
calibre 16 en el tubo de plástico. Mantenga las espiras separadas y ubíquelas
debajo de L2, tal como se ve en la FIGURA 5.
-
L2 : 13,61 µH , que se puede realizar arrollando 21 espiras de hilo de
calibre 16 esmaltado en el tubo de plástico a espiras casi juntas, mas 4
espiras adicionales arrolladas a espiras espaciadas en el tubo plástico en el
espacio de separación entre los dos elementos de la dipolo. Las 21 espiras
ubíquelas en la parte interior de la antena, manteniendo un espacio de
separación respecto al extremo del elemento inferior de la dipolo igual al
diámetro del tubo. Debido a la capacidad parásita entre este arrolamiento y el
elemento inferior de la dipolo, se reducirá algo el ancho de banda de esta
antena.
Para los condensadores a emplear, cualquier condensador cerámico permite la
operación con bajas potencias de transmisión, pero para operar con potencias de
hasta 100 watios, son adecuados los condensadores de mica ajustables mediante
tornillo de compresión.
5- Para ajustar la antena se requiere ajustar la inductancia total
necesaria para hacer resonante la antena. Ello viene determinado por el número
de espiras de las bobinas, y por la separación entre espiras. Modifique la
separación entre espiras para un ajuste fino. Como alternativa, suelde un muy
corto hilo metálico en el extremo inferior del cilindro inferior de la dipolo, y
ubíquelo en el espacio de separación entre el extremo del cilindro y la bobina
L2. Curvando este hilo en dicho espacio, se puede ajustar el punto de resonancia
de la antena en varios cientos de KHz.
6- Para ajustar la antena a mínima ROE, es necesario ajustar el valor
del condensador de la red T, condensador C2, así como su punto de conexión a las
bobinas. No es necesario ajustar C1, por lo que éste puede ser un condensador de
valor fijo, aunque si fuera variable, permitiría resintonizaciones finas de la
antena debidas a pequeñas variaciones en la inductancia de las bobinas. Para C2
use un condensador de mica ajustable.
Para realizar estos ajustes, puede usar un generador de RF variable, un
sencillo medidor de campo a diodo, y un medidor de ROE de puente de resistencias
para bajas señales. Con el generador de señal puede inyectar una señal a la
antena en torno a los 14 MHz, e irla variando, y con el medidor de campo puede
observar entonces la intensidad relativa radiada por la antena. Ello le
permitirá observar a qué frecuencia radia la antena con mayor intensidad. Regule
C2 hasta que la antena radíe con mayor intensidad en la frecuencia deseada.
Ajuste ahora finamente la antena a mínima ROE ajustanto el espaciado entre
espiras de L1 y retocando el ajuste de C2.
Una vez ajustada la antena a mínima ROE, puede usar la antena dentro de un
buen rango de frecuencias sin apenas variar la ROE.
7- Compruebe el ancho de banda de la antena. Los resultados que
obtendrá serán:
245 KHz para un ROE máximo de 2:1
390 KHz para un ancho de banda de ±3dB.
Este ancho de banda a ±3 dB es el mismo que el de un dipolo completo para
esta banda (20 metros), y ello corresponde a un Q de 36,4. Dado que Q = Xl/R, y
Xl = 1296 ohm, entonces R = 35,6 ohm. La resistencia a la RF de las bobinas es
de unos 2,18 ohmios, por lo que la resistencia de radiación de la antena será
35,6 - 2,18 = 33,43 ohmios, muy superior a los 0,124 ohmios que tendría la
correspondiente antena corta de Hetz. La eficiencia de nuestra antena será del
94% ( = Resistencia de radiación entre resistencia total).
8- Otros cálculos sobre esta antena:
Corriente de RF que circula por la antena:
________
I = \/ P * R pues P = I² * R
Para 100 watios, I = 2,8 A ; para 5 watios, I = 0,14 A
Tensiones de RF a través de la antena:
V = I * Z con Z = Rr + Xc = 33,4 + 1144j
Para 100 watios, V = 3204 Vrms ; para 5 watios, V = 160 Vrms.
Cuidado al manipular la antena, a causa de las altas tensiones que se
presentan en transmisión, incluso con bajas potencias, en el centro de la
antena.
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CONSTRUCCIÓN DE UNA ANTENA
PARA LA BANDA DE 40 M (7 MHZ)
Descrita por Stefano Galastri (K5IRR), Abril 2002.
Esta antena para la banda de 7 MHz tiene un buen compromiso entre el diámetro
de los cilindros, grande para permitir su fácil construcción, y su tamaño, lo
suficientemente pequeño como para construirla en la mesa de nuestro cuarto de
radio. La información aquí descrita sirve para construir una antena EH para
cualquier otra banda de radioaficionados distinta a la de 40 metros.
La antena usa una red de cambio de fase L+L, y su diseño obedece al mostrado
en la FIGURA 3.
La FIGURA 6
muestra una antena de este tipo.
Figura 6
Se precisa:
-
Un tubo de PVC (típicamente de los usados para conducciones de agua) de 4
pulgadas de diámetro (10 cm) y unos 3 pies de longitud (1 metro). La versión
comercial de la antena usa tubo de fibra de vidrio.
-
Unas hojas finas de cobre, de latón, o papel de aluminio (sirve el
empleado para las cocinas).
-
Hilo de cobre de calibre 12 AWG, plastificado, como el empleado para las
instalaciones eléctricas de las viviendas.
-
Dos condensadores variables al aire de 50 pF máximo, con un espaciado
entre placas mínimo de 0,04 pulgadas (1 mm) para una potencia de transmisión
de 100 watios. Para operación con muy pocos watios cualquier trimmer variable
sirve. Para operación a mayores potencias, use espaciados entre placas de los
condensadores variables de 0,02 e incluso 0,01 pulgadas.
NOTA: Para antenas para frecuencias de 7 MHz o inferiores la mejor
relación longitud/diámetro para los cilindros es de 1,5 : 1 . Para frecuencias
de 10 MHz y superiores, la mejor relación es de 3,14 : 1 (esto es, Pi : 1). Así,
para nuestra antena de 7 MHz, la longitud de cada cilindro deberá ser de 4
* 1,5 = 6 pulgadas (15 cm).
El diagrama de radiación de las antenas EH cambia con la mencionada
relación longitud/diámetro de los cilindros. Para frecuencias de 10 MHz y
superiores interesa un ángulo vertical de radiación bajo, lo que es excelente
para los enlaces a largas distancias (DX), y ello se consigue aumentando dicha
relación (cilindros más largos). Por contra, para comunicaciones a menores
distancias, típicas en las bandas más bajas, puede usarse mejor la relación
1,5:1 , pero esta relación aumenta la impedancia Z de la antena y ello da lugar
a tensiones de RF más elevadas en los condensadores ( pues P = V 2 /
Z ), esto hay que tenerlo en cuenta: deberá emplear condensadores variables con
mayor espaciado entre placas.
Debido a la mayor impedancia de la antena para la relación 1,5:1 , los
condensadores empleados serán de valor la mitad que los empleados para la
relación 3,14:1 , y las bobinas deberán ser de mayor impedancia (de más
espiras). Si para la relación 3,14:1 se emplean condensadores de 63 pF para esta
antena (banda de 7 MHz), para la relación de 1,5:1 serán de 30 pF y de mayor
tensión.
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MONTAJE DE LA
ANTENA
Realice los dos cilindros en el tubo de PVC con las siguientes medidas:
Longitud de cilindro: Diámetro x 1,5 = 4" x 1,5 = 6
pulgadas.
Separación entre cilindros = Diámetro = 4 pulgadas.
Y eso es todo. La antena ya está físicamente construida.
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SOBRE LA CONEXIÓN A LA
ANTENA
A considerar previamente varias cosas sobre el conexionado de la red L+L
empleada. La ubicación de la red de desfasaje es en el tubo de PVC de soporte
debajo del cilindro inferior, y se conectará a los cilindros de la antena
mediante dos hilos paralelos que transcurren por el interior del tubo
de PVC de soporte.
- El hilo que alimenta el cilindro superior deberá pasar cerca del centro del
tubo soporte de PVC de la antena.
- El hilo que alimenta el cilindro inferior deberá pasar cerca de la pared
del cilindro inferior por el interior del tubo.
- El hilo que se conecta al cilindro superior, se conectará a éste en su
borde inferior.
- El hilo que se conecta al cilindro inferior, se conectará a éste en su
borde superior, y posicionado a 180 grados del punto de conexión del otro
cilindro.
Prácticamente, el punto de alimentación de los dos cilindros es en el centro
de la antena, igual que en cualquier dipolo.
Al decir el borde de un cilindro, realmente significa el borde. Se
puede hacer un agujero entre el tubo de PVC de soporte y la lámina de cobre,
pasar el extremo del hilo, y cuando vaya a soldarlo al borde del cilindro, usted
puede doblarlo para dejarlo justamente en el borde del cilindro, y después puede
cortar y eliminar el trozo de hilo sobrante.
Para que los dos hilos pasen a través del interior del tubo, se pueden usar
hilos de cobre rígido. Ello permitirá, una vez doblados adecuadamente,
mantenelos en el interior del tubo en sus posiciones adecuadas.
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ADICIÓN DE DOS PEQUEÑAS
BOBINAS
Se añadirán dos pequeñas bobinas realizadas con dos espiras cada una en serie
con los cilindros. A estas bobinas nos vamos a referir de momento como
"bobinas de aislamiento".
Cuando se genera la radiación en los dos cilindros, los hilos que transportan
la energía de RF internamente a éstos desde la red irradían algo. Ello da lugar
a algunas pérdidas. Por ello se realizan dos bobinas de dos espiras en el tubo
de soporte junto al borde de cada cilindro (en el espacio de separación entre
cilindros). Técnicamente el objeto de esto es generar algún pequeño retardo en
las corrientes de RF que alimentan los cilindros. Haciendo esto, sólo los dos
cilindros mantendrán la fase correcta.
Las dos bobinas se conectarán en serie entre los hilos de alimentación que
vienen por el interior del tubo y el borde del respectivo cilindro. La
separación entre cada bobina y el respectivo cilindro no es crítica, 0,01 o 0,02
pulgadas (2-5 mm) es suficiente.
En general, la disposición constructiva (en vertical) para la antena será (en
este orden, de arriba a abajo):
cilindro
superior
bobina de aislamiento de dos
espiras
espacio
bobina de aislamiento de dos
espiras
cilindro
inferior
L2
C2
C1
L1
Coaxial de alimentación
El espacio entre los dos cilindros debe mantenerse igual al diámetro de
los cilindros. La distancia entre L2 y el borde inferior del cilindro
inferior es de unas 2 pulgadas (5 cm), no es crítico. Las dos bobinas de
aislamiento pueden realizarse y ubicarse en el interior o en el exterior del
tubo.
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REALIZACIÓN Y AJUSTE DE
LA RED L+L
Recomendamos mucho que emplee condensadores variables de aire para iniciar
los ajustes. Después usted podrá usar condensadores de fabricación casera cuando
ya tenga práctica en el ajuste de la antena prototipo y vaya a realizar la
versión final de la antena.
Para realizar las bobinas de la red L+L emplee hilos aislados de los
empleados para las instalaciones eléctricas del hogar. Posteriormente, cuando
tenga usted práctica suficiente, puede emplear en su lugar hilo de cobre
esmaltado, al realizar la versión final de la antena.
Arrolle 13 espiras juntas en el tubo para L2 y 12 espiras para L1. Es muy
importante que L2 tenga una espira de más que L1.
Mantenga una separación entre L2 y L1 de unas 6 pulgadas (15 cm), no es un
valor crítico. Se recomienda arrollar todas las bobinas de la misma manera. Con
separaciones inferiores entre L1 y L2 disminuye el ancho de banda de la antena.
Fije las bobinas lo mejor que pueda para que no se muevan ni se deformen.
Puede emplear goma de pegar, etc... Y ya tendrá el prototipo de la antena.
Siguiendo este procedimiento, no necesitará conocer los valores de la
inductancia de ambas bobinas para realizar la antena.
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SINTONIA DE LA
ANTENA
Esto es lo que tiene que hacer: Hágase con un generador de RF portátil a
batería, mejor si su caja de chasis es metálica, y conéctelo directamente al
conector de su antena EH, sin ningún alargo de cable coaxial por medio.
Utilice un medidor de campo a diodo situado cerca de la antena, y ponga el
generador en marcha. Ajuste los condensadores de la red L+L de la antena a
máxima indicación de señal en el medidor de campo. Una vez conseguido, aumente
la potencia del generador o transmisor, para el posterior ajuste los
condensadores a mínima indicación de ROE.
Si no dispone de un generador de éstos, use un transceptor de HF de baja
potencia, o ajustado a mínima potencia, y mantenga la antena alejada del
transmisor.
Conecte un medidor de ROE directamente al conector de la antena, sin ningún
alargo de coaxial por medio. Ahora sí puede conectar el transmisor de HF de baja
potencia al medidor de ROE mediante una línea coaxial, y reajuste los
condensadores a mínima indicación de ROE en el medidor.
El generador ha de ser sintonizado sobre los 7 MHz, y se recomienda se
mantenga en posición estable durante los ajustes. Su caja ha de ser metálica y
no de plástico, ya que lo blindará de la potente radiación generada por la
antena, que puede dar lugar a errores en el ajuste de la frecuencia de sintonía
correcta de la antena si la caja del generador no es metálica.
Y el generador ha de ser alimentado con pilas internas, ya que de usar una
alimentación externa, los cables de conexión a la fuente de alimentación externa
pueden influenciar en el ajuste de la sintonía de la antena, y el punto de
ajuste obtenido entonces luego puede no concidir con el real cuando se conecte
la antena al cable coaxial de alimentación para su empleo normal.
Al ajustar C1 y C2 a mínima ROE, hágalo cada vez realizando muy pequeñas
variaciones en el ajuste de estos condensadores, hasta obtener la ROE de 1 : 1.
En este punto no es muy importante la frecuencia exacta del generador, que
deberá ser sobre los 7 MHz, lo importante es ajustar los condensadores a la ROE
de 1 : 1 . Una vez conseguido, ya puede pasar a sintonizar y ajustar la antena a
la frecuencia de operación deseada.
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NOTAS
Con el fin de compensar la variación de frecuencia debido al efecto de
acoplamiento capacitativo de la antena con el suelo (como ocurre normalmente con
cualquier antena), se sugiere realizar la sintonía de la antena a una frecuencia
algo mayor a la de uso.
El medidor de campo debe estar colocado a la altura del centro de la antena,
esto es, a la misma altura que el área que separa los dos cilindros. Ello es así
porque dicha zona de la antena es la zona de máxima radiación de ésta. Y tenga
el medidor siempre a la vista durante los ajustes.
Intente obtener la ROE de 1 : 1 para la máxima indicación de señal en el
medidor de campo.
Compruebe el ancho de banda de la antena para una ROE de 2 : 1 , y
anótelo.
Elmine una espira de cada bobina de la red y repita de nuevo los pasos de
ajuste anteriores (mantenga siempre una espira de diferencia entre L1 y L2). Es
conveniente eliminar las espiras en exceso.
Realice el proceso anterior las veces que sean necesarias hasta obtener la
máxima indicación de señal en el medidor de campo (siempre sin moverlo de su
posición inicial), entonces deberá también haber obtenido el mayor ancho de
banda a ROE 2 : 1 , y por tanto la máxima eficiencia para la antena.
Entonces la red L+L estará ajustada correctamente. Las bobinas entonces tendrán
entre 10 y 12 espiras.
Ya puede conectar la línea de alimentación coaxial y usar la antena.
Una vez conecte la línea coaxal a la antena, el punto de resonancia de ésta
variará algo. Varíe la frecuencia de operación para buscar la frecuencia a la
que la antena muestra la ROE de 1 : 1. Si esta frecuencia está demasiado
apartada del valor a la que fue ajustada, tome nota de la diferencia de
frecuencia de sintonía, conecte de nuevo el generador a la antena (con el cable
coaxial ya conectado) y retoque la sintonía de la antena para corregir esa
diferencia de frecuencia.
Pero si no obtiene la ROE de 1 : 1 , deberá realizar de nuevo el
proceso de sintonización de la antena. Es muy importante obtener una ROE
de 1 : 1 con la línea coaxial conectada usando un generador de RF de
muy baja potencia. Si la antena es alimentada con 1 o más watios, puede ser
imposible obtener una lectura de ROE de 1 : 1 , y esto no es debido en sí
a la antena, sino que se está procediendo a realizar los ajustes de la antena
con una potencia del generador que está afectando a las indicaciones que muestra
el medidor de campo, ubicado en las proximidades de la antena, y que está dando
lugar a medidas erróneas que están falseando el ajuste de la sintonía de la
antena. Para evitarlo, deberá situar el medidor de campo a una distancia de la
antena no inferior a la longitud de uno de los cilindros. Tenga en cuenta que no
está trabajando con una antena tipo Hertz, sino con un tipo de antena de
concepción distinta.
La lógica de la sintonzación de la antena es la siguiente:
- Si la inductancia de L1 se reduce, el valor de C1
deberá aumentarse.
- Si la capacidad de C1 se aumenta, deberá reducirse
la capacidad de C2.
O bien:
- Si la inductancia de L2 se reduce, el valor de C2
deberá aumentarse.
- Si la capacidad de C2 se aumenta, deberá reducirse
la capacidad de C1.
Recuerde que L2 siempre ha de tener al menos una espira de más que L1.
Esto deberá conducir al ajuste correcto de las dos bobinas. Cuando lo
consiga, los dos condensadores, C1 y C2, deberán tener prácticamente el mismo
valor (± 3 pF).
Entonces la red L+L estará bien balanceada y la antena tendrá sus mejores
prestaciones. Cualquier efecto del intenso campo radiado por la antena sobre el
transceptor será minimizado.
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CONSIDERACIONES SOBRE
ACOPLAMIENTOS DE LA ANTENA A LA LINEA
Por su modo de funcionamiento, las antenas EH generan una cantidad de energía
radioeléctrica igual o mayor a la que genera una antena dipolo clásica y en un
espacio muy reducido, debido al pequeño tamaño de este tipo de antenas. Ello
implica que alrededor de una antena EH hay un campo radiado muy intenso,
mucho mayor que el que se genera alrededor de una dipolo, y por tanto la malla
del cable coaxial de alimentación de la antena estará inmerso en este intenso
campo radiado, por lo que se inducirán en la malla corrientes de RF que
se dirigirán a través de la malla del coaxial hacia el transceptor, provocando
un aumento de la ROE, y aumentando el riesgo de quemaduras por RF. Por ello se
sugieren varias cosas:
a) La más importante: tienda el cable coaxial hacia el transmisor
paralelo al eje del tubo de la antena, evitando que el cable esté tendido
alrededor de la antena.
b) Lo ideal es colocar la antena por encima del transceptor y no al
lado de éste, pero si ello no es posible, deberá disponer de una buena tierra de
RF en la estación.
c) Si no dispone de esta tierra de RF, puede usar un alargo de hilo
con un circuito resonante LC serie insertado conectado a la masa del
transceptor. Este circuito deberá ser sintonizado para entregar la máxima
corriente de RF a la frecuencia deseada. Así se consigue tener una tierra de RF
virtual que le evitará incrementos en la ROE.
d) En caso de operar en salidas campestres, la línea coaxial deberá
estar tendida sobre la tierra, hierba o suelo al menos 15 pies (4,5 - 5 metros).
La capacidad entre la malla del coaxial y el suelo a que ello da lugar es
suficiente para descargar suficientemente las corrientes de RF inducidas en la
malla a tierra.
Y si es posible, lo mejor es colocar la antena a al menos 3 o 4 metros por
encima de la estación.
La línea coaxial no radía ni su longitud afecta a las características dela
antena. Si cambia la longitud de la línea coaxial, no deben ser afectadas las
características de la antena, incluso aunque reduzca la longitud de la línea
coaxial a 1 metro, o inserte choques o balunes coaxiales en la línea.
Por todas las razones anteriores se aconseja no operar con la antena
demasiado cerca a usted.
Inicio
POLARIZACION DE LA
ANTENA
La antena EH estándard ( con la relación 3.14 : 1 ) tiene ganancia si se
compara con la dipolo, pero enteramente distribuida en 360°. La antena EH
estándard tiene un lóbulo de radiación de forma muy aplastada, por ello
es muy importante la correcta colocación de la antena, siendo lo más adecuado
ubicarla en posición vertical.
El diagrama de radiación de la antena EH es muy adecuado para tener una gran
eficiencia para señales locales y DX (lejanas) en las frecuencias de uso
respectivas de acuerdo con la relación longitud/diámetro empleado. El diagrama
de radiación muestra el citado lóbulo con un máximo de radiación horizontal
hasta los 30 a 60 grados de elevación vertical (según el valor de dicha
relación: La relación mayor, esto es, 3,15 : 1 , da lugar a lóbulo de radiación
más aplastado que para la relación menor, 1,5 : 1 , que tiene un lóbulo de
radiación más ancho en el plano vertical).
Inicio
Fuentes:
EH Antenna - Definition, de Ted Hart (W5QJR), octubre 2002 (disponible en http://www.eh-antenna.com/
EH Antennas - An article, de Ted Hart (W5QJR) (misma página web)
Some new thoughts on how the eh dipole works (the H field generated by the
longitudinal E field), de Lloyd Butler VK5BR, febrero 2003.
(disponible en http://www.qsl.net/vk5br/EHAntennaTheory.htm
How to build and tune your EH Ham Antenna , de Stefano Galastri (K5IRR),
Abril 2002 (accesible desde http://www.eh-antenna.com/
(Imágenes y artículos originales tomadas de estas fuentes en julio de
2004.
Por: Fernando Fernández de Villegas
(EB3EMD)
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