La Antena G5RV (Zeppelin alimentada en el centro)

The G5RV (center-fed Zepp antenna)

 

por Sergio Zuniga, XG2CG

La Serena, Chile

octubre de 2013

 

 

1. Historia

 

         La antena G5RV es muy popular para los radioaficionados. Se trata de un dipolo multibanda que incorpora una sección de transformación de impedancia en la alimentación del dipolo. A pesar de lo que muchos creen, este tipo de antenas ya eran muy conocidas en los años 30 en los Estados Unidos. En diciembre de 1935 en la revista ‘Collins Signal’, la empresa Collins Radio publicó una antena multibanda de 2, 3 o 4 bandas (dependiendo de la configuración) usando tubos de cobre como líneas abiertas. Nuevamente apareció en el "Radio Antenna Handbook" del año 1936. Después apareció en 1937 en el "Johnson Antenna Handbook". Entonces, para ser justos, el nombre correcto de la G5RV y de sus variantes debería ser "Antenas multibanda tipo Collins", o más precisamente "versión Collins de Antenas tipo Zeppelin alimentadas en el centro" (Collins version of the center-fed Zepp).

 

         La antena que muy tímidamente publicó Louis Varney en 1958 en un artículo de sólo 2 páginas en la revista "R.S.G.B. Bulletin", era titulado "An Effective Multi-band Aerial of Simple Construction". Varney describe allí el clásico dipolo con un irradiante de 102 pies (31 metros), 51 pies cada brazo, y con una sección de adaptación de 10,36 metros de línea abierta paralela de 34 pies, o 8,8 metros de cinta de 300 ohm. Esa es la verdadera G5RV. Pero probablemente hoy en día nadie quisiera construir esa misma antena, ya que buscaba una adaptación a 72 ohms (que era lo que se usaba en esa época), y hoy día todos buscamos los 50 Ohms. Entonces las antenas G5RV que hoy aparecen en internet son en realidad "variantes" de la G5RV clásica, o algo parecido.

 

         El hecho de que la G5RV haya sido sugerida por un entusiasta radioaficionado, como lo era Louis Varney, ayudó a que su versión de la antena Collins se popularizara entre los radioaficionados.

 

 

2.- Louis Varney

 

         El padre del inglés R. Louis Varney (9 Junio 1911 - 28 Junio 2000) era ingeniero eléctrico y gerente en Londres de JH Holmes & Co., una gran planta de fabricación de productos eléctricos. Louis se convirtió en Boy Scout y quedó fascinado con el código Morse, y rápidamente ganó la insignia de Comunicador. Construyó su primera radio a  cristal cuando tenía 11 años de edad. Louis obtuvo su primera licencia de radioaficionado (2ARV) en 1927. Terminó la escuela en 1928 a los 17 años de edad para trabajar como aprendiz de la industria donde trabajaba su padre, y pasó allí dos años. Luego fue oficial de la Royal Corps of Signals. Varney comenzó una serie de experimentos en antenas multibandas en 1946, cuando estaba viviendo en una casa en Stony Stratford (Inglaterra) con un gran jardín y quiso instalar una antena multi-banda. Trabajando en el problema, Louis calculó la G5RV hacia fines de los años 50.

 

 

3.- Teoría básica de la Antena Zeppelin alimentada en el centro

 

         El principio teórico de esta antena es en realidad simple, y creo que en base a los siguientes 4 puntos se comprenderá su operación. Supongamos primero que tenemos un dipolo común (de media onda). Sabemos 4 cosas fundamentales:

 

1.- Sabemos que un dipolo tiene ROE mínima aproximadamente en media longitud de onda, y en cada "múltiplo impar" de media onda (las frecuencias armónicas). Por ejemplo, un dipolo para la banda de 40 metros (de unos 20 metros de largo, 10 metros cada brazo) tendrá ROE mínima alrededor de 7Mhz, 3*7=21Mhz, 5*7=35Mhz, etc. (en realidad las antenas reales resuenan un poco más arriba que eso).

 

2.- Sabemos que un dipolo presenta altas impedancias en cada "múltiplo par" de media onda. Por ejemplo, el dipolo anterior tendrá impedancias cercanas a 1.800 Ohms (esto depende del diámetro del cable del dipolo) alrededor de 2*7=14Mhz, 4*7=28Mhz, etc. Es decir, el dipolo trabajará muy mal en cada múltiplo par de media onda, presentando una alta reactancia capacitiva de alrededor de 2.000 Ohms. Este principio puede apreciarse en la Ilustración 1.

 

Ilustración 1: Impedancia para distintas bandas en un dipolo de 30,5 metros de largo.

Fuente: ARRL Antenna Book 2007 (21ed) capítulo 02 (Antenna Fundamentals).

En el gráfico de la izquierda se asume un dipolo de 100' (30,5 metros). Este dipolo resuena aproximadamente en 5Mhz (Z=75+j0).

 

Las armónicas impares son 15 y 21 metros, donde efectivamente el gráfico muestra que hay resonancia.

 

Las armónicas impares son 10, 20 y 30 metros, donde se aprecia que el dipolo presenta alta resistencia real (capacitiva) y una reactancia también alta, al ubicarse estas bandas en el extremo inferior derecho del gráfico.

 

3.- Sabemos que cuando una línea de alimentación es de 1/4 onda de largo (90°), se convierte en un eficiente transformador de impedancia. Por ejemplo, si el dipolo tiene una impedancia de 1.800 Ohms en cierta frecuencia, y agregamos una línea que tiene una impedancia de 300 Ohms (y 1/4 de onda de largo), entonces la impedancia en la entrada de la línea será ahora de unos 50 Ohms, ya que 300=Raiz(1800*50). Esta transformación de impedancia realizada por el segmento de línea, permite entonces adaptar impedancias, y en nuestro caso bajar altas impedancias para llevarlas a valores cercanos a 50 Ohms. Pero esta transformación no sólo ocurre para 1/4 de onda, sino que también ocurre en términos casi idénticos en cada múltiplo impar de 1/4 de onda (90°), es decir en 3/4 de onda (270°), 5/4 de onda (450°), etc. Entonces, la línea de 300 Ohms hará una transformación de impedancias para bandas más altas que los 40 metros, incluso cuando el largo del segmento corresponda a por ejemplo 450° de la longitud de la onda, más allá de incluso 360° que es el largo de la onda completa. Es decir transformará también en un dipolo para las bandas altas. En resumen, agregar un segmento de línea de transformación cercano a 1/4 de onda de largo a nuestro dipolo básico, se traduce en que ahora será posible trabajar nuevas bandas, sacrificando una parte del desempeño que el dipolo tenía en 40 metros. Se producen entonces una serie de interacciones largo-dipolo versus largo-línea, que vía experimentación pueden llevar a una combinación de bandas deseables con bajo ROE.

 

         La Ilustración 2 he hecho los cálculos para mostrar cómo un segmento de línea de transmisión de 300 Ohms, y de 1/4 de longitud de onda transforma altas resistencias reales (eje horizontal) y altas reactancias (curvas) en niveles de ROE muy razonables (eje vertical).

 

Ilustración 2: ROE en la entrada de la línea para distintas combinaciones de R y X, cuando se una un segmento de 300 Ohms.

Fuente: Elaboración propia.

El gráfico de la izquierda entrega la ROE en la entrada de línea de alimentación de un dipolo genérico, para varios niveles de impedancia en un dipolo que es alimentado con un segmento de cable paralelo de 300 Ohms perfecto (sin pérdidas) de 1/4 de onda de largo.

 

La resistencia real (R) del dipolo se mide en el eje horizontal, y la reactancia (X=0, X=1000, X=2000 y X=3000) en el cuerpo del gráfico.

 

Ejemplos:

- Una impedancia en la entrada de la antena de Z=1.800+j0, es transformada en una ROE=1:1 en la entrada de la línea (ubicar este punto en el gráfico de la izquierda).

- Una impedancia en la antena de Z=2000+j1000, se transforma en una ROE=1.7 en la entrada de la línea.

 

Nota importante: El gráfico no cambia si la reactancia es inductiva o capacitiva, y tampoco cambia para múltiplos impares del largo de la onda.

 

4.- Sabemos que si un dipolo presenta 50 Ohms en su alimentación en la frecuencia de resonancia, y lo alimentamos con una línea que no es de 50 Ohms, se presentará un desajuste, es decir una elevación de la ROE en la entrada de la línea, y ya no será de 1:1. Entonces, la incorporación de la línea de transformación de 300 Ohms por ejemplo, no es gratuita, debido a que 'sacrifica' desempeño en las frecuencias donde originalmente el dipolo trabajaba muy bien.

 

Resumen:

 

         Veamos lo anterior con un ejemplo numérico:

         Si tomamos un dipolo para 40 metros, y lo alimentamos con una línea paralela de 300 Ohms y de 1/4 de onda de largo, y agregamos nuestro conocimiento de los 4 puntos anteriores, tendremos por conclusión dos resultados fundamentales:

Resultado 1: Que el dipolo tendrá una leve merma en su desempeño en las bandas de 7Mhz, 3*7=21Mhz, 5*7=35Mhz, etc. cuando es alimentado con un cable de 300 ohms de 1/4 de onda de largo, en lugar de uno de 50 ohms.

Resultado 2: Que el dipolo ahora será trabajable (con ROE razonable) en las bandas de 2*7=14Mhz, 4*7=28Mhz, etc. cuando es alimentado con un cable de 300 ohms de 1/4 de onda de largo, en lugar de uno de 50 ohms.

 

         En resumen, los pasos anteriores explican la intuición de la famosa Antena Zeppelin alimentada en el centro, más conocida entre los radioaficionados como la G5RV. Se trata de una antena multibanda que si bien sacrifica parte de su desempeño en su frecuencia fundamental y en sus frecuencias armónicas impares, tiene la ventaja de que permite ahora trabajar las frecuencias armónicas pares. Adicionalmente a lo anterior, la incorporación de la línea de 300 Ohms requiere de un acortamiento del largo del dipolo para su mejor desempeño en el mayor número de bandas.

 

 

4.- Otras Versiones de la Antena

 

         Los fundamentos explicados anteriormente han sido simplificados al máximo. No se incluye una serie de otros efectos adicionales que también son relevantes. Esos elementos hacen que se puedan construir innumerables variantes, con distintas combinaciones de largo de antena y largo de cable de transformación, y también variando la impedancia de dicho cable. Algunas versiones se acercan más a las bandas amateur y otras permiten prescindir de un sintonizador de antenas para algunas bandas.

 

         La alternativa más conocida es la ZS6BKW del profesor Brian Austin de South Africa, publicada en Junio de 1985 en RadioZS. Es más corta que la G5RV (93' en vez de 102'), pero la línea paralela es más larga (39.8' en vez de 30.6'). Una comparación entre la G5RV y la ZS6BKW permite comprender que variando largos se generan costos y beneficios (trade-off), y que entonces existe espacio para muchas otras variantes:

1) La G5RV no trabaja bien en 17 y 10 metros, pero la ROE en 80 metros es mejor que en la ZS6BKW.

2) La ZS6BKW no trabaja bien en 15 metros, y necesita un sintonizador en 80 metros.

 

         Tengo un par de antenas G5RV cortas adquiridas en los EEUU (de fábrica), y sus medidas no coinciden, y a pesar de eso ambas trabajan bastante bien. Entonces es claro que las medidas deben ser tomadas como referencias. En este tipo de antenas nada es demasiado exacto, ya que también debe considerarse la altura de la instalación, la interacción con el medio, y otras variables.

 

         Me parece que en general es difícil encontrar cable de alimentación paralelo de 450 Ohms, a diferencia del de 300 Ohms disponible casi en cualquier casa electrónica. Entonces, las medidas siguientes son para cable de 300 Ohms, y para lo que se conoce como G5RV corta o G5RV junior.

 

Tabla 1: Dimensiones comunes de la G5RV corta (junior)

 

G5RV corta con 300 Ohms

Largo de la antena total

15,50 m (51,0')

Largo de la antena cada brazo

7,75 m (25,4')

Largo de la alimentación

4,30 m (14.1')

 

 

5.- Algunas Simulaciones Ilustrativas

 

         Usaré el programa MMana-Gal para hacer un análisis ilustrativo.

 

         Supongamos en primer lugar un dipolo de media onda en V invertida con cable de 2mm de diámetro de cobre, con un largo de cada brazo es 10.41 metros. Las dimensiones y disposición de la antena son las que se muestran en la Ilustración 3.

 

Ilustración 3: Configuración de un dipolo para 40 metros en Mmana-gal

 

 

 

         Tal cual está definido, a una altura de 10 metros, este dipolo tiene mínimo ROE (50 ohms)=1,01 en 7.111 khz (Ver Ilustración 4). Como nota, en el espacio libre la ROE mínima ocurre en 7.050 khz.

 

Ilustración 4: ROE del Dipolo de 40 metros.

 

         Si resolvemos esta misma antena para 21.200 khz, por ejemplo, y ampliamos la foto para ver qué ocurre en otras frecuencias, obtenemos la Ilustración 5, donde se aprecia que también hay mínimos en 21.308khz (ROE=1,91), y en 35.431khz (ROE=3.28), correspondientes a los armónicos impares (7, 21, 35 Mhz, etc). Esto coincide con lo que sabíamos, es decir que el dipolo de 40 metros puede ser trabajado en 15 metros sin sintonizador. Pero lamentablemente el dipolo de 40 metros trabaja muy mal en otras frecuencias tal como está.

 

 

Ilustración 5: ROE del dipolo para 40 metros en distintas frecuencias.

 

         En MMANA-GAL esta línea de transmisión debe ser modelada como cables abiertos, es decir dos cables paralelos (uno en cada brazo del dipolo), alimentados en su base. Si el espaciamiento de los cables paralelos es de s=20mm, el diámetro del alambre es 1,5mm y la constante dieléctrica relativa es de 1,7, entonces se puede definir un cable paralelo de aproximadamente 300 ohms en Mmana-gal. La Ilustración 6 muestra los detalles.

 

Ilustración 6: Calculador de Impedancia de Cable Paralelo

Fuente: http://www.mantaro.com/resources/impedance_calculator.htm#twisted_pair_impedance

 

Nota: La constante dieléctrica del vacío = 1, y la del aire (20 °C) = 1.0006.

 

         Definamos ahora una nueva antenita en V invertida con dos cables de cobre 1.5 mm de radio (3mm de diámetro), de 15,1079 metros cada uno, unidos en el centro a 13,5 metros de cable paralelo del mismo material y diámetro como línea de transformación. La especificación de los cables en Mmana-gal y el gráfico de la antena se muestran en la Ilustración 7. Puesto que el punto de alimentación de la antena se define como un pequeño círculo rojo, nótese que a diferencia del dipolo simple anterior en que la alimentación se encontraba en la unión de ambos brazos, ahora se encuentra en el extremo inferior del cable paralelo. También se considera una tierra real, cable de cobre y una altura de 10 metros.

 

Ilustración 7: Antena Zeppelin alimentada en el centro (G5RV) corta en Mmana-gal

 

 

         Haciendo el análisis, Mmana-gal muestra que los puntos de mínimo ROE se encuentran en la bandas de 80, 40, 20 y 10 metros, de acuerdo a son la Tabla 2. Entonces efectivamente un dipolo que originalmente permitía trabajar sólo 40 y 15 metros como únicas frecuencias en la banda de radioaficionado, con un ajuste del largo de los brazos y el uso de un cable paralelo para adaptar las impedancias, se logra finalmente que el dipolo resuene en 4 bandas de radioaficionados. Eso es la G5RV.

 

Tabla 2: ROE e impedancia de Antena Zeppelin alimentada en el centro (G5RV) corta

Frecuencias (khz)

ROE

Impedancia

3.565 (80m)

6,43

7.79+j2.34

6.917 (40m)

1,16

43.12-j0.06

13.916 (20m)

1,18

58.51+j2.58

28.089 (10m)

1,32

37.93+j0.05

 

         La ilustración 8 muestra el comportamiento de la ROE en diferentes bandas. Puede apreciarse que en realidad la antena se desempeña bastante bien en 40, 20, 10 y 6 metros. Su desempeño el malo en 80 metros, y definitivamente no sirve en 15 metros.

        

Ilustración 8. Comportamiento de una G5RV corta

En 80 metros:

En 40 metros:

En 20 metros

En 15 metros (21.200 khz):

Z = 2548.47+j1978.10         

ROE = 81.68

En 10 metros:

En 6 metros:

 

         En las simulaciones anteriores no se hace ninguna mención a la velocidad de los cables, al diagrama de radiación de las antenas, sus lóbulos, y ganancias. En efecto, si bien todos los elementos anteriores son muy importantes, por simplicidad nos enfocamos solamente en la ROE.

 

 

6.- Preguntas y respuestas en una Antena Zeppelin alimentada en el centro (G5RV)

 

a) ¿Trabaja adecuadamente en todas las bandas de HF de radioafición?= Falso. Aunque con un buen sintonizador, en caso de necesidad puede trabajar en cualquier banda.

b) ¿Trabaja adecuadamente en las bandas WARC (30m, 17m y 12m)? = Falso.

c) ¿La ROE es baja en todas las bandas? = Falso

d) ¿La línea es parte de la antena en el sentido de que también irradia? = Falso, excepto por magnitudes despreciables. Un buen balún reduce o elimina esto, pero salvo casos excepcionales no tiene ninguna importancia práctica.

e) ¿Necesita balún para trabajar adecuadamente? = Falso.

 

 

7.- Construyendo una Antena Zeppelin alimentada en el centro (Conocida como G5RV)

 

         Puesto que este artículo ya es suficientemente largo, la experiencia de construir una antena tipo G5RV la desarrollo en otro artículo que se puede ver aquí.

 

 

 

PS: Cualquier comentario a este artículo, por favor hágamelo llegar por email.

Gracias a Manfred, XQ6FOD, por sus enriquecedores comentarios.

Lo que se dice en este artículo y cualquier posible error, son de mi exclusiva responsabilidad.

 

Saludos, desde el Cerro Grande de La Serena

Sergio, XQ2CG

Octubre de 2013

 

 

 

Regresar