• Author / Uploaded
• enrique

Citation preview

ESTUDIO DE ANTENAS HF DESPLEGABLES

Se permite la distribución y modificación libre de este documento, ya que una gran parte de este estudio está sacado de diferentes páginas y les muestro mi agradecimiento, en especial al creador de la gran aplicación de cálculo de antenas 4NEC2. Creado por Enrique Butragueño Sánchez y Eduardo Isabel Romero del Centro Logístico de Transmisiones con mucho cariño para los alumnos del curso de HF en EMACOT.

INDICE. -PRÓLOGO............................................................................................................................................................ 3 -ANTENA DIPOLO.................................................................................................................................................. 4 -ANTENA EN T DE MEDIA ONDA. ........................................................................................................................... 5 -ANTENA DIPOLO PLEGADA. .................................................................................................................................. 6 -ANTENA DIPOLO PLEGADA EN T. .......................................................................................................................... 7 -ANTENA WINDOM............................................................................................................................................... 8 -ANTENA DIPOLO MEDIA ONDA INCLINADO. .......................................................................................................... 9 -ANTENA DIPOLO PLEGADA INCLINADA. .............................................................................................................. 10 -ANTENA EN U.................................................................................................................................................... 11 -ANTENA EN L INVERTIDA.................................................................................................................................... 12 -ANTENA EN V. ................................................................................................................................................... 13 -ANTENA EN V INVERTIDA. .................................................................................................................................. 14 -ANTENA EN V INCLINADA................................................................................................................................... 15 -ANTENA DIPOLO PLEGADA EN V INVERTIDA. ....................................................................................................... 16 -ANTENA EN DELTA............................................................................................................................................. 17 -ANTENA LAZO MEDIO DELTA.............................................................................................................................. 18 -ANTENA RÓMBICA............................................................................................................................................. 19 -ANTENA MAGNÉTICA (2m diámetro). ................................................................................................................. 20 -ANTENA MULTIBANDA....................................................................................................................................... 21 -ANTENA DE HILO LARGO (1 metro de altura). ...................................................................................................... 22 -ANTENA VERTICAL............................................................................................................................................. 23 -ANTENA VEHICULAR. ......................................................................................................................................... 24 -ANTENA NVIS AS-2259/GR. ................................................................................................................................ 25 -CONCLUSIONES RESPECTO A LAS SIMULACIONES. ............................................................................................... 26 -RUIDO............................................................................................................................................................... 27 -CONSIDERACIONES DE LA ANTENA RESPECTO AL RUIDO...................................................................................... 28 -CONSIDERACIONES FINALES. .............................................................................................................................. 29

2

-PRÓLOGO. Debido a la disparierad de información en internet y manuales de radio tácticas, acerca de las antenas de HF desplegables y buscando la sencillez de montaje en campo. He decido estudiar el comportamiento de las antenas más sencillas y analizar su comportamiento teórico para analizar las ventajas y desventajas de cada una. Para ello dispondremos de una longitud fija de dos hilos de antena de 20 metros cada uno y una altura fija de 5 metros que no excederemos, se establecen estas constantes por ser las más habituales de encontrar en el campo; apoyándonos en un árbol que encontremos o un mástil transportable con no más de cinco minutos de montaje. Debido a las limitaciones de altura respecto al suelo, nunca vamos a obtener una antena direccional para muy larga distancia, para lo cual únicamente analizaremos las frecuencias de 4, 5, 7, 9 y 11MHz. Que posiblemente son las que utilicemos para corta y media distancia. Todos los cálculos se harán sobre una impedancia de 50 ohm, excepto en aquellos que se especifique un balun determinado. A efectos de cálculo se tomarán todas las constantes dieléctricas de las tierras como medias, ya que sabemos que este cálculo varía en función del tipo de terreno. Sabemos previamente que únicamente adaptamos impedancias para una frecuencia única y una longitud de antena determinada. También necesitaremos un balun o unun si va conectada a tierra, para el resto de frecuencias necesitamos un acoplador de antena y de este modo la haremos multibanda.

Gráfico representativo de la radiación en función de la altura al suelo para el uso de la misma antena y frecuencia. Este gráfico es representativo de un dipolo, pero nos vale para entender cómo se va a comportar la antena en función de la altura al suelo.

3

-ANTENA DIPOLO.

4

-ANTENA EN T DE MEDIA ONDA.

5

-ANTENA DIPOLO PLEGADA.

6

-ANTENA DIPOLO PLEGADA EN T.

7

-ANTENA WINDOM.

8

-ANTENA DIPOLO MEDIA ONDA INCLINADO.

9

-ANTENA DIPOLO PLEGADA INCLINADA.

10

-ANTENA EN U.

11

-ANTENA EN L INVERTIDA.

12

-ANTENA EN V.

13

-ANTENA EN V INVERTIDA.

14

-ANTENA EN V INCLINADA.

15

-ANTENA DIPOLO PLEGADA EN V INVERTIDA.

16

-ANTENA EN DELTA.

17

-ANTENA LAZO MEDIO DELTA

18

-ANTENA RÓMBICA

19

-ANTENA MAGNÉTICA (2m diámetro).

20

-ANTENA MULTIBANDA.

21

-ANTENA DE HILO LARGO (1 metro de altura).

22

-ANTENA VERTICAL.

23

-ANTENA VEHICULAR.

24

-ANTENA NVIS AS-2259/GR.

25

-CONCLUSIONES RESPECTO A LAS SIMULACIONES. Viendo los resultados de las simulaciones, podemos sacar varias conclusiones. La primera que nos llama poderosamente la atención es que la altura míni ma al suelo de cualquiera de sus brazos se relaciona directamente con la ganancia de la antena, esta también está relacionada con la verticalidad o horizontabilidad de los brazos. Para este rango de frecuencias poner cualquiera de sus brazos a menos de 2 m etros de altura arruina la antena. Configurar varios brazos a diferentes longitudes no se consigue mayor ancho de banda, al revés, nos imposibilita colocar un balun y el acoplador de antena trabajará enormemente sin ningún resultado, ya que nos dará una ganancia buena en dos o tres frecuencias puntuales pero pésima en el resto. La antena estándar NVIS militar, aparte de requerir mucho trabajo de montaje, no cumple su objetivo, ya que tiene poca ganancia vertical y no es omnidireccional. Con las antenas verticales cortas conseguimos muy malas antenas ya que precisan de más de 30 m de altura para tener ganancia, sería una buena antena para larga distancia si consiguiéramos esa altura, hemos visto que es de las peores antenas que podemos utilizar. Especialmente mala es cuando va montada sobre un vehículo, ya que nos influye negativamente la propia chapa del vehículo, haciéndola direccional hacia adelante a unas frecuencias y hacia atrás en otras. Las antenas con una resistencia en el centro del dipolo, obliga a nuestra antena a no tener potencia reflejada y por consiguiente no precisar de acoplador, pero mata totalmente la ganancia de la misma, para hacernos una idea, es como si pusiéramos una carga de 50 ohm en paralelo con nuestra antena. En muchas antenas que nos encontramos en internet o manuales tácticos de campaña, conectadas a una carga siempre de 800 ohm, no dejan de ser una aberración, si bien es cierto que conseguimos eliminar un lóbulo lateral a altas frecuencias, también arruinamos el otro, solo deberíamos conectar una antena a tierra en caso estricto de necesidad y como ultimísimo recurso. En cuanto a la V invertida tan extendida, precisar que no es tan buena como cabe esperar, apenas tenemos ganancia, requiere de mucha altura para tenerla y es muy direccional a altas frecuencias. También el añadido de precisar el acoplador de antena puesto en alto, ya que imposibilita poner un balun y un acoplador en el suelo. En cuanto a V inclinada que hacen referencia tantos manuales tácticos, con o sin resistencias, algunos incluso te aconsejan abrir más o menos los brazos en función de la distancia, es todo un error, es una antena pésima y a medida que cerremos los brazos todavía peor. En general todas las antenas inclinadas tienen muy mal comportamiento, ya que perdemos totalmente la ganancia y obtenemos una direccionalidad extraña que resulta imposible predecir. En definitiva, después de este pequeño estudio, podemos afirmar, como cualquier radioaficionado sabe, que una triste dipolo es la mejor, con una buena longitud logramos mucha ganancia y siempre radiando para donde queremos, en bajas frecuencias para el cielo y a altas frecuencias para el suelo. El sueño de cualquier operador de HF y también el sueño de cualquier instalador, con un balun calculado arriba e n la antena y un acoplador en el suelo. Cabe destacar la sorpresa al evaluar la antena magnética que la que tiene mejores resultados con mucha diferencia, una antena pequeñísima que no requiere plano de tierra, que es cerrada y acoplada, que más podemos pe dir. La única pega es que precisamos de un condensador variable que tendríamos que ajustarlo cada vez que cambiemos de frecuencia, sería mortal de necesidad tocar los extremos del condensador por las altas tensiones que se producen en sus extremos, pero aparte de esto es sin duda la mejor antena desplegable junto con el clásico dipolo. También cabe reseñar las antenas en V y windom que tienen un buen comportamiento, no llagan a tener las prestaciones del dipolo pero son una buena opción. Especialmente la antena en V, ya que nos simplifica la instalación con el acoplador en el suelo, no teniendo pérdidas de acoplamiento entre el balun, cable y acoplador. La V invertida nos ofrece unas prestaciones pobres y resulta muy difícil calcular un balun para ubicar el acoplador en el suelo, requeriremos un balun 9:1 o balun 16:1 en función de la frecuencia a utilizar. Exactamente nos ocurre con la antena rómbica pero esta nos ofrece mejores prestaciones complicando muchísimo la instalación. Sobre el resto que hemos analizado no cabe reseñar nada positivo, para caso de necesidad por ubicación. 26

Aunque no las hemos puesto en este estudio y hemos concluido que las antenas verticales eran muy malas antenas de 2 a 11 MHz por su bajo ángulo de despegue, cabe reseñar el buen comportamiento de estas antenas para larga distancia con frecuencias superiores a 12 MHz; distancias superiores a 1.000 Km. Le añadimos un rendimiento extra al disponer una red de radiales en el suelo; mínimo cuatro, para tener incluso ganancia a ángulos de radiación más bajos , no consiguiendo apenas diferencia de comportamiento entre la típica antena de 16 ft y la antena de 32 ft. Para nada comparables con las ganancias de una logarítmico-periódica de 10dB o una yagui de 20dB para comunicarse punto a punto, pero una buenísima opción como antena omnidireccional para larga distancia. Para hacernos una idea, con 5 dB de ganancia prácticamente duplicamos el alcance en el rango de 2 a 30 MHz por la ley de propagación en el espacio. Hasta aquí todo claro, simulable y demostrable empíricamente, en cuanto a transmisión podemos saber cuál es la mejor antena y la que más nos interesa. Pero hay que hacerse la siguiente pregunta, ¿la mejor antena para transmitir es la mejor antena para recibir? La respuesta es contundente, ¡NO! Contamos con un poderoso enemigo, el ruido.

-RUIDO. Partiendo de la idea de que el ruido es la suma de ruidos producidos por los siguientes medios:

-Ruido térmico propio, intrínseco de todos los materiales. Está relacionado directamente con la temperatura, la resistencia y el ancho de banda. En nuestro caso de 50 ohms, 3 KHz de ancho de banda sería de -139 dBm que siempre tendremos y es propio de todos los materiales. -Ruido atmosférico y cósmico verticalmente polarizado, procedente de radiaciones provocadas por el sol, objetos estelares, tormentas, rayos, etc. Inciden verticalmente sobre nuestra antena, este es superior por la noche porque desaparece la capa D que atenúa notablemente los niveles de ruido atmosférico y cósmico. -Ruido producido por el hombre radiado verticalmente polarizado. Este es el que más afecta a la HF por contaminación radioeléctrica, teléfonos, ordenadores, motores y en general los dispositivos eléctricos y electrónicos que utilizamos. Tipo Urbano Residencial Rural Remoto

Nivel medio -95 dBm/Hz -106 dBm/Hz -118 dBm/Hz -134 dBm/Hz

Día (dB) +11 +10 +9 +3

Noche (dB) -6 -5 -4 -1

Muy poblado +8.5 +6 +7

Poco poblado -8.5 -6 -7

Podemos destacar que el ruido urbano y residencial de día en la banda de 1,6 a 4 MHz la deja casi inservible. -Ruido producido por el hombre radiado horizontalmente polarizado por tierra. Debemos de ser conscientes que la radiación electromagnética también se desplaza por la corteza terrestre, especialmente las frecuencias bajas, la banda de 1,6 a 4 MHz e inciden en nuestra antena horizontal y especialmente en nuestra conexión a tierra. Estas desaparecen cuando los alejamos más de 20 km de una zona poblada. 27

-CONSIDERACIONES DE LA ANTENA RESPECTO AL RUIDO. Partiendo que un receptor medio tiene una sensibilidad media de -108dbm para 10 dB de S/N y por lo anteriormente visto, podemos determinar que: Estando en un ambiente urbano o residencial muy poblado y especialmente por el día no debemos utilizar bajo ningún concepto antenas con ningún componente vertical, conseguiríamos como si fuera una atenuación de hasta 32 dB, ya que sería lo necesario para superar nuestro nivel de ruido. Unas 40 veces menos de distancia de cobertura. Para eliminar las radiaciones por tierra no debemos conectar nunca la antena a tierra y disponer de una red de radiales en tierra debajo de la antena conectadas a sus picas, aunque esta red nos varíe el comportamiento de la antena.

Nunca utilizar líneas de transmisión abiertas, tipo escalera, siempre usaremos un coaxial de calidad. Alejaremos en lo posible nuestra antena de la instalación eléctrica y torres de alta tensión. Ya que estas líneas son una fuente tremenda de ruidos y señales espúreas. El ruido es inferior en antenas sintonizadas para su longitud de menor impedancia. También reducimos el ruido en las antenas cerradas, ya sea con hilo, resistencia o condensador. Un filtro de ferrita EMI alrededor del cable de antena nos reduce notablemente el ruido e interferencias. Si conectamos el equipo a la red es importantísimo que posea un buen filtro EMI de red, ya que la red eléctrica es una gran fuente de ruidos, especialmente si conectamos la tierra eléctrica y no la física; o sea una pica. En un ambiente urbano o residencial es muy recomendable tener una antena para transmitir y otra para recibir. En una buscaremos ganancia para transmitir lo más lejos posible y en otra la mayor inmunidad al ruido aunque tengamos pérdidas de ganancia. En este ambiente destacamos la dipolo plegada y especialmente la magnética que nos ofrece un especial anillo de blindaje magnético para el ruido, de ahí su nombre y con la salvedad que solo sería para propagación NVIS. En el entorno urbano o residencial las únicas antenas receptoras válidas para larga distancia serían las yaguis y logarítmico-periódicas a más de 20 metros de altura de forma horizontal. Yagui Logaritmico-Periódica Magnetica Dipolo plegado

28

-CONSIDERACIONES FINALES. Para elegir una antena transmisora debemos de tener varios criterios, el primero y más importante la distancia a comunicar, ya que en función de la distancia, nos interesan ángulos de radiación próximos a 90° para cortas distancias y de 0° para largas distancias, este ángulo óptimo varía en función de la frecuencia y de la hora del día. Una buena media en España sería de 1,6 a 11 MHz para corta distancia y a partir de 11 MHz para larga distancia. Sin embargo por la noche de 1,6 a 5 MHz para corta distancia y partir de 5 MHz para larga distancia. Debemos elegir para el intervalo de 5 a 11 MHz si nuestra antena es diurna o nocturna, que implica que sea de corta o larga distancia. Lo óptimo sería tener 2 antenas y poder elegir en función de la distancia a comunicar. También podemos establecer la media para este intervalo radiando a 45°, convirtiéndola en una mala antena para corta y larga distancia. Para corta distancia serían unas buenas antenas la dipolo, windom, en V, rómbica y magnética. Malas aunque usables la V invertida, dipolo plegada en V y NVIS militar. Para medias distancias y con muy mal rendimiento, la V invertida a mas altura, antena en U y en L. Para larga distancia, la vertical; también llamada látigo y si queremos más ganancia precisamos montar un mástil de más de 20 metros de altura y antenas direccionales como las yaguis para una banda o logarítmico-periódica para multibanda. Para una emergencia y en condiciones extremas podemos usar una antena de hilo largo con pésimas prestaciones. Elegiremos la misma antena para recibir como para transmitir en el ámbito rural o remoto. Otra cosa bien diferente es en el medio urbano o residencial, donde nuestro principal enemigo es el ruido , aparte de las consideraciones de frecuencias, diurnas, nocturnas, corto, largo alcance. En este entorno para corta distancia nos interesan las antenas dipolo, dipolo plegado, rómbica y magnética. Para larga distancia precisamos como en transmisión montar un mástil de más de 20 metros de altura y antenas direccionales como las yaguis para una banda o logarítmico-periódica para multibanda. Tanto si es de corta como larga distancia precisamos una buena red de radiales de tierra debajo de la antena. En ambientes muy ruidosos es una buenísima opción instalar dos antenas idénticas a una cierta distancia conectadas a un circuito fasor, de forma que nos reste las señales que llegan en fase a las dos antenas, o sea el ruido. La consideración final es que no hay antenas de HF malas, sino mal ubicadas. Mi intención era demostrar que muchos manuales tácticos pueden confundir al instalar una antena en el campo, ya que todavía, a día de hoy, mucha gente los sigue consultando y creyendo que son verídicos. También era mi intención ver con usted toda la problemática que puede conllevar una antena de HF.

29