COMO HACER UNA ANTENA DIPOLO V INVERTIDA DE MEDIA ONDA

Por Sergio Zuniga, CE2CG, antes CE2JNZ

La Serena, Chile – 14 de agosto de 2010.

Se agradecen las observaciones de Manfred, XQ6FOD

Este es un artículo dedicado a los radioaficionados que comienzan.

La antenita dipolo es sin duda una de las antenas de HF que se encuentra en el top de la línea de la relación desempeño/costo.

Si bien es la primera antena que un radioaficionado piensa instalar para operar en HF, al momento de poner en la práctica la teoría, aparecen algunos detalles, que parece interesante comentar.

1.- DIMENSIONES

El dipolo estándar de media onda en V invertida puede calcularse como sigue:

Long de cada brazo (en metros) = 71.5/f

donde f es la frecuencia deseada, en MHz. Las dimensiones y la ecuación son válidas para alambre desnudo. Si el alambre está aislado, hay que acortarlo un poco más corto, debido al factor de velocidad más bajo que produce la aislación. Sin embargo recuerde que siempre es más fácil cortar alambre, que agregar.

A partir de esta fórmula pueden obtenerse las siguientes medidas para algunas bandas de HF:

Banda	Frecuencia central y longitud del dipolo
para la banda de 6 m para la banda de 10 m para la banda de 15 m para la banda de 20 m para la banda de 40 m para la banda de 80 m	51.500 khz --->1,39 m cada brazo. 28.500 khz --->2,51 m cada brazo. 21.300 khz --->3,36 m cada brazo. 14.200 khz --->5,04 m cada brazo. 7.100 khz --->10,07 m cada brazo. 3.700 khz ---> 19,3 m cada brazo.

Para mayor referencia, véase ARRL_Handbook_2009, capítulo 22: Antenas.

2.- ESPACIO MÍNIMO NECESARIO PARA INSTALAR UNA V INVERTIDA

Con los dos brazos de la antena V invertida en 90 grados, y conociendo el largo de cada brazo, obtenemos dos medidas claves: la altura mínima requerida desde el centro de la antena hasta el suelo, y el terreno necesario entre cada punta de cada brazo del dipolo.

	Altura mínima requerida desde el centro de la antena hasta el suelo (altura de la torre o mástil, en mts)	Terreno mínimo necesario entre cada punta de cada brazo del dipolo (mts)
para la banda de 6 mts para la banda de 10 mts para la banda de 15 mts para la banda de 20 mts para la banda de 40 mts para la banda de 80 mts	1.0 1.8 2.4 3.6 7.1 13.6	2.0 3.5 4.8 7.1 14.2 27.3

Por ejemplo, para una antena V invertida para 40 metros, Ud. necesita una torre o mástil que se eleve como mínimo 7.1 metros desde el suelo, y necesita 14.2 metros horizontales entre cada punta de la antena. Esto es suponiendo que los brazos llegan hasta el suelo.

Sin embargo, si se hacen llegar los brazos a unos postes, cerco o muro, de por ejemplo 2 metros de altura, entonces Ud. necesita 2 metros de altura adicional en el mástil o torre para mantener los 90 grados entre cada brazo. Es decir, el mástil debería medir 9.1 metros de altura como mínimo.

Puesto que es necesaria cierta holgura para las piolas que sostienen los brazos, el cuadro anterior representa las medidas mínimos teóricas, y en la práctica se debe agregar algo más a cada medida.

Con la tabla anterior, es fácil ver si dado las dimensiones del terreno de nuestra casa, nos “entra” o no un dipolo invertido. También nos permite hacer un diagnóstico rápido de algunas antenitas V invertidas, lo que puede ayudar a explicar por qué no “salen” al aire tan bien como deberían.

Las puntas de una antena son puntos de muy alta tensión, y la cercanía con cualquier objeto produce una fuerte desintonía. Según el material de ese objeto, también se produce una fuerte pérdida de potencia. Por ello, las puntas deben estar lejos del suelo, y de cualquier objeto que no sea muy buen aislante. Eso también debe tenerse en cuenta para calcular el espacio requerido.

3.- ACERCA DEL ANGULO DE LOS BRAZOS DEL DIPOLO

El dipolo extendido tiene un lóbulo de radiación bien conformado (relativamente), pero requiere bastante espacio para poder instalarla (en bandas de HF).

En el caso de la V invertida (con brazos en ángulo de 120 a 90 grados), se ahorra mucho espacio en la instalación, pero su lóbulo de radiación se deforma, y que puesto que la punta de los brazos se acercan mucho al suelo (al contrario del dipolo extendido), tiende a capturar las interferencias cercanas.

Sabemos que en condiciones ideales, las antenas deben tener una impedancia en su punto de alimentación de 50 Ohms. Si el ángulo que forman los brazos del dipolo es de 90 grados (aprox) teóricamente la impedancia de la antena es de 50 Ohm. Y si está los brazos están completamente extendidos, la impedancia es cercana a 75 Ohm solo en el espacio infinito, o a ciertas alturas especificas sobre el suelo. Sin embargo, a las alturas en que los aficionados ponen los dipolos usualmente, la impedancia del dipolo extendido anda mucho más cerca de 50 Ohm, y las V invertidas suelen andar entre 25 y 35 Ohm. Por eso, en la practica un dipolo extendido suele dar una ROE más baja que una V invertida.

Conclusión: Si tiene terreno suficiente, trabaje con un dipolo extendido. Si no, confórmese con una V invertida.

4.- ¿NECESITO UN BALUN?

El uso de balunes es uno de los temas en que existe mayor desacuerdo entre los radioaficionados.

Balun es una contracción de “balanced to unbalanced”, es decir un dispositivo que permite adaptar sistemas balanceados (como lo es una antena dipolo) con otro desbalanceado, como lo es un coaxial. Directamente, esto no tiene nada que ver con la ROE de la antena (un balun no protege a su equipo de una alta ROE).

La siguiente explicación proviene de Steve, G3TXQ, y es la mejor que encontré:

Las figuras de abajo muestran en verde los dos brazos de un dipolo extendido de media onda. El pequeño círculo rojo muestra el punto de alimentación en el centro de la antena. Las líneas púrpura representan la distribución de la corriente en la antena.

En la Fig. a) tal como se espera, la distribución de la corriente en la antena es la mitad de la onda (media onda).

En la Fig. b), conectamos un coaxial a la antena, con la malla del coaxial conectada al brazo derecho del dipolo, y a su vez esta malla está conectada a tierra en la sala de radio. Nótese que casi toda la corriente (en púrpura) que debería ir al brazo derecho, ha preferido bajar por fuera del coaxial.

Entonces el coaxial se ha convertido en el otro brazo del dipolo, y no el brazo derecho como debería.

Entonces tenemos que bastante de la radiación que el equipo trata de enviar a la antena cuando transmitimos, queda de vuelta en el shack.

Lo peor de esto es en recepción, el coaxial recibirá las fuentes de ruido local (dentro del shack), y las enviará al punto de alimentación de la antena.

a) Sin Coaxial

b) Con Coaxial

c) Con Balun 1:1 de 100 ohms

d) Con Balun 1:1 de 1000 ohms

En la Fig. c) si se agrega un balun 1:1 en el punto de alimentación (un balún simple, con una impedancia de choke de 100 ohms), las cosas mejoran bastante, puesto que la mayoría de la corriente ahora fluye al brazo derecho del dipolo, aunque aún existe alguna corriente en el coaxial.

Por último, en la Fig. d) incorporando un balun 1:1 con una impedancia de choke de 1000 ohms, se recupera la situación al caso del dipolo original.

Entonces, si se opera una estación sofisticada, con computador, digimodos, montones de conexiones de señales en el shack, es casi imprescindible un Balun. Pero si el shack de radio es “básico”, sin fuentes switching en la casa, ni luces fluorescentes compactas, es probable que el balun no ayude gran cosa.

Por otro lado, la biblia de los radioaficionados, el ARRL_Handbook_2009 (capítulo 21, página 21.15), afirma que es completamente debatible si vale la pena la molestia y el costo de instalar un balun para los dipolos. Y con esa simple frase, sentencia la utilidad práctica de los balunes.

El ARRL_Handbook_2009 también señala que la forma más simple de construir un balun 1:1 es un choque (o choke), es decir enrollar una porción de cable coaxial como una bobina. Señala que este tipo de balun-choke es simple, barato y efectivo, es decir las tres B. Este es el tipo de balun que personalmente uso y recomiendo (humildemente). Para el caso de la banda de 40 metros, se trata un rollo de 15 cms de diámetro aprox. con 12 vueltas de coaxial, como se muestra en la figura de la derecha. El rollo de cable coaxial difícilmente puede dañar, a diferencia de balunes con ferritas mal elegidas, que sí causan problemas.

Existen muchas antenas que se enfocan en corregir estas adaptaciones, destacando las antenas “bazooka”, “doble bazooka”, y la famosa “G5RV”.

5.- COMO HACER UN CENTRO DE DIPOLO Y AISLADORES ECONÓMICOS

Si ha decidido prescindir del balún, y usar el choque con el coaxial enrollado, las siguientes recomendaciones pueden ser de utilidad.

A continuación algunas fotos de Centros de antena de Fábrica, es decir, los que se venden comercialmente:

Aquí, como ideas, algunas fotos de Centros hechos en casa (no en la mía):

Fuente de esta foto: Sam, EA3CIW

El centro de la derecha es hecho por el colega CA2WXC, y se ofrece en zona12.

Hay quienes sostienen que los conectores SO239 y PL259 no sirven para la intemperie, y que es inevitable que se llene el cable con agua, apenas llueva. Si quiere usar conector, que sea tipo N, porque esos son impermeables, tanto entre el macho y la hembra, como también entre el macho y el cable. En cuanto a cómo sellar los conectores después de ponerlos, la silicona no sirve. Es totalmente permeable al vapor de agua, y más aun, es higroscópica. Por eso es común que en los baños se ponga negra, porque le crecen hongos dentro de estructura microesponjosa. Se chupa de agua, y oxida todo lo que hay debajo de ella. Si se quiere usar un sellador, que sea de poliuretano o de butilo, nunca de silicona.

Roberto, CE5CNT, me ha comentado que en una oportunidad quedó corto con el coaxial, y agregó un segmento adicional usando una doble hembra SO 239 (el conocido ‘barrilito’) más los dos PL. Solo después de 2 años el ROE estaba infinito, y revisando se dio cuenta que estaba mojada interiormente, a pesar del sándwich de huinchas aisladoras. Probablemente esto no ocurra en el norte de Chile, donde las lluvias son escasas, pero en el sur, sí es un tema.

Aprovecho de agregar a la derecha una foto de la solución que hizo Gustavo, CE4WJK, que hasta el momento me parece la mejor para soportar la intemperie: - Dos pernos de bronce “pasados”, y bien apernados. Colgando, un choque de coaxial. Nótese que los extremos del choque están bien embarrilados con huincha. Con esto se elimina usar conectores PL o similares a la intemperie, y lo mejor, no cuesta tanto hacerle mantención al sistema.

6.- AISLADORES Y TENSORES

Se pueden construir aisladores económicos y eficientes como en la foto que sigue, con tubos de PVC. Respecto a los tensores o piolas, por su duración se recomienda el ‘perlon’ de color negro. También anda muy bien el “invisible para pescar Albacora”, que se encuentra por retazos en los puertos.

7.- QUÉ TAN CRÍTICA ES LA ALTURA DEL DIPOLO?

Al hablar de altura de una antena, no se habla tanto de metros sino de longitudes de onda. Por ejemplo, un dipolo en la banda de 40 metros y ubicado a 10 metros de altura, está a una altura de 0.25 de la longitud de onda. El principio general es que las antenas que irradian con polarización horizontal, como lo es un dipolo, tienen un rendimiento muy pobre cuando están a baja altura. Por el contrario, las verticales se desempeñan mejor a baja altura. A mayor altura del dipolo, mayor despeje de elementos circundantes, y una menor alteración a los lóbulos de irradiación del dipolo.

El ARRL_Handbook_2009, página 22.2 señala que el efecto de la altura en la resistencia a la radiación del dipolo típico de media onda no es tan drástica si la altura de la antena es de a lo menos 1/4 λ (es decir un 25% de la longitud de onda). La resistencia aumenta porque el campo de inducción de la antena a baja altura es absorbido fuertemente por la tierra.

El gráfico de la derecha (gracias a Mike Banz, AA3RL) muestra como varía la impedancia (sólo la parte real, es decir sin reactancia) del dipolo al instalarlo muy cerca de la tierra, versus instalarlo a gran altura. Lo interesante del gráfico es que elimina el mito de que la impedancia del dipolo extendido es siempre de 75 ohms, sino que más bien depende de la altura en que se encuentre. También puede mostrarse que la forma del lóbulo de irradiación del dipolo varía fuertemente con la altura del dipolo.

Luego, en el dipolo efectivamente la altura es crítica, y uno debiera asegurarse que ésta altura sea de a lo menos 1/4 λ. Esta debería ser la regla de oro. Algunos autores señalan que la altura mínima debe ser de 1/2 de onda.

8.- ¿QUÉ TAN CRÍTICO ES EL LARGO DEL COAXIAL?

La altura del dipolo es crítica en su desempeño, pero elevar innecesariamente las antenas tiene un alto costo. Por una parte el costo de comprar más coaxial, y peor aún, la pérdida en decibeles que viene implícita en largos coaxiales. Por ejemplo, el ARRL_Handbook_2009, página 21.7 muestra un ilustrativo gráfico de la atenuación en decibeles de distintos tipos de coaxial (cada 100 pies de largo), según la frecuencia de trabajo.

Si la línea de transmisión (coaxial) está cortada eléctricamente en 1/2 onda (o un múltiplo) de la frecuencia deseada, en este caso especial la línea es "transparente en impedancia". Si en la salida del cable tenemos conectada una impedancia fija (por ejemplo una antena), entonces en la entrada del cable vamos a tener la misma impedancia, siempre que la longitud del cable sea de 1/2 ondas exactas. Por otro lado, si el largo del cable es de múltiplos impares de 1/4 de onda, tendremos en la entrada una impedancia REFLEJADA sobre la impedancia del cable: Si el cable es de 50 Ohm y la carga es de 100 Ohm, en la entrada tendremos 25 Ohm. Si la carga es inductiva, en la entrada será capacitiva, etc.

Estos comentarios aclaratorios sobre el punto son de Manfred, XQ6FOD, adaptados por mí:

Largo del coaxial = 1/2 onda	Largo del coaxial = 1/4 onda	Largo del coaxial = no múltiplo exacto 1/4 de onda
Imaginemos que aplicamos una serie de pulsos breves (en vez de una sinusoide continua de RF) a un cable coaxial abierto en su extremo. Si aplicamos un pulso breve cada 0.1 microsegundos (frecuencia de repetición de 10MHz), y el cable es de 15 metros de longitud eléctrica (1/2 onda), cada pulso viajará por el cable, rebotará en el extremo abierto, y viajará de regreso, llegando JUSTO cuando le aplicas un pulso nuevo. Como ese pulso se encuentra con el pulso rebotado, no va a poder entrar en el cable, porque el pulso rebotado tiene la misma tensión que el pulso nuevo, y por eso no fluye corriente. Es decir, el cable va a presentar impedancia infinita a esos pulsos. Si el cable tiene dos medias ondas, o tres, o cuatro, cada pulso se va a demorar dos, tres o cuatro ciclos de 0.1us en ir y volver, pero una vez que comienzan a llegar los pulsos rebotados, igual cada pulso se encuentra con uno rebotado, y el cable presentara la impedancia infinita. Si aplicamos una sinusoide de 10MHz en vez de los pulsos pasará lo mismo: Cada punto de la sinusoide entrante se encuentra con exactamente el mismo voltaje reflejado, y el cable entonces presenta impedancia infinita. Se dice en este caso que el cable está en resonancia (paralela), porque el comportamiento que tiene es igual al de un circuito resonante paralelo hecho con una bobina y un condensador.	Si el cable coaxial es de 7.5 metros de longitud eléctrica (un cuarto de onda), cada pulso rebotado llegaría justo en el medio del tiempo entre los pulsos entrantes. Si le aplicamos la sinusoide: Cada punto de la sinusoide entrante se encuentra con un voltaje igual PERO OPUESTO saliendo del cable. La suma de lo que entra y lo que sale siempre da cero, por lo tanto el cable presenta una impedancia nula (cortocircuito). Lo mismo ocurre si la longitud eléctrica del cable es cualquier múltiplo impar de un cuarto de onda. En este caso el cable está en resonancia (en serie), ya que ese cortocircuito en una frecuencia especifica es el comportamiento de un circuito serie de una bobina y un condensador.	Los pulsos rebotados llegan ahora un poquito o mucho más atrasados respecto a los pulsos entrantes. Con la sinusoide, la reflejada tiene una relación de fase con la entrante que depende de la longitud exacta del cable. Es decir, se comporta como una bobina o un condensador de cierto valor, según la frecuencia y el largo del cable. Entonces ya no hablamos de circuito abierto o cortocircuito, como en el caso de los cuartos de onda exactos, sino que está la posibilidad de tener CUALQUIER valor de reactancia capacitiva o inductiva. Si tenemos un cable coaxial de longitud no múltiplo exacto de un cuarto de onda, y ese cable va conectado a una carga (antena) que no es resonante exacta, y no tiene 50 Ohm de resistencia, entonces en la entrada se puede tener una amplia variedad de impedancias. Esto se puede calcular en cada caso particular, pero usualmente no vale la pena. Es mejor usar un sintonizador de antena, aun sin saber la impedancia real que hay en la entrada del cable. Cualquiera que sea esta impedancia, si resulta en una ROE suficientemente baja, es aceptable.

¿Qué tan importante es el criterio de la 1/2 onda?. Una de las bellezas de la línea de 1/2 onda exacta es que la impedancia de la línea no influye sobre la medición! Da lo mismo que se use cable de 50 o 75 Ohm, o que el cable no sea de manufactura precisa. Con tal que resuene en media onda, y que tenga perdidas despreciables (eso es importante!) en su entrada habrá la misma impedancia que en su salida. Entonces se puede medir directamente la impedancia de la antena (solo de la antena). Pero en el caso de los radioaficionados, en la práctica casi nunca se puede aplicar esto, porque normalmente uno quiere medir la antena sobre un RANGO de frecuencias, una banda, y a veces varias bandas, y la línea puede tener 1/2 onda exacta solo en una frecuencia muy especifica.

Entonces, si se quiere medir la impedancia de una antena, hay dos opciones: Subir a la torre y medir directamente en la antena, o bien calcular la impedancia de la antena en cada frecuencia, tomando en cuenta el valor medido (que incluye el efecto de la línea) y la transformación efectuada por la línea a través de la cual se midió. Si se sabe con buena precisión los datos de la línea, la longitud eléctrica y sus características, solo resta la parte tediosa de los cálculos que la puede hacer la Carta de Smith o algún software.

Conclusión acerca del largo del coaxial en un dipolo: Teniendo un buen sintonizador de antenas, la longitud óptima del cable coaxial obedece más bien a tratar de mantener la antena a una altura razonable (caso del dipolo), con bajas pérdidas por atenuación debido al largo del cable, y todo a un costo económico razonable.

9.- CONSIDERACIONES FINALES.

- La importancia de contar con un medidor de ROE: En otros artículos ya mencionamos que el instrumento básico para evaluar las antenitas, las líneas de transmisión, y equipos es un medidor de Potencia-ROE. Afortunadamente algunos equipos de radio modernos ya vienen con medidores incorporados. Aún así, siempre tenga uno a mano.

- ¿Bigote de gato? Consiste de un conjunto de dipolos para distintas bandas, unidos a un mismo punto de alimentación. La dificultad de esta antena múltiple está en su dificultad para ajustar cada banda, debido a una muy compleja interacción entre ellas, a menos que se tomen ciertas precauciones. Aquí se recomienda fuertemente usar un sintonizador de antenas. Con tantas antenas juntas, para una frecuencia en particular, es casi imposible superar el desempeño de una antena que trabaje aisladamente. A pesar de esto, en el caso de muchos radioaficionados, el beneficio puede superar el costo.

Los bigotes de gato son fáciles de ajustar (con poca interacción), bajo dos condiciones: que los distintos dipolos estén bien separados, y que no se combinen dipolos que sean resonantes armónicamente. Es decir, si pones un dipolo de 40 metros y uno de 15 metros en el mismo cable, eso va a ser complicado. En cambio uno de 80 con uno de 40, no genera problema alguno, y combinar uno de 160 con uno de 20, a pesar de la gran diferencia, tampoco causa problemas. Son igual de fáciles de ajustar que antenas independientes.

- ¿Es crítico el diámetro del cable irradiante usado para la antena?. No es crítico en el caso de las bandas de HF. Tiene una incidencia marginal aumentando el ancho de banda, es decir, se puede subir y bajar varios kilociclos a partir de la frecuencia central sin que el ROE suba tan rápidamente. Lo malo es que colgar alambre de varios kilos provoca problemas mecánicos, aparte de los riesgos de daños en caso de caída o corte. Generalmente se usa cable de cobre de 2,5mm a 4 mm. Para instalaciones experimentales o excursiones, bastan alambres de 1,5 mm o menos. No se notará la diferencia. En comparación, en antenas de VHF y UHF las diferencias son significativas en el ancho de banda.

- Si su trabajo lo debe aprobar un especialista, considere que es incorrecto es soldar el alambre de cobre a una arandela de cobre estañado, o de fierro niquelado (no es lo mismo cualquier material para la arandela, por la corrosión galvánica). Considere también que sí es correcto unir alambre de cobre con pernos de cobre. Lo mejor es soldar todo, para evitar la corrosión. Además, evitar las conexiones por presión cuando hay cable estañado con soldadura, ya que la soldadura es un material muy fluido y bajo la presión se deforma lentamente, y se pierde la presión de contacto. Ese tipo de conexiones van a morir rápidamente, haciéndose intermitentes.

- No subestime la importancia de las antenas de HF a la hora de instalar un sistema de comunicaciones por HF. Haciendo un cálculo al vuelo (y seguro que me equivoco), en Chile pueden existir unos 5.000 o 10.000 equipos de radio HF en condiciones de operación óptimas en manos de radioaficionados. Sin embargo en todo el país, deben existir a lo más unas 200 antenas de HF trabajando en condiciones satisfactorias…. La conclusión obvia es que el verdadero desafío que enfrentan los radioaficionados es levantar y mantener operativo un sistema de antenas. Me arriesgo a afirmar que la principal causa de salida de colegas del hobby son las antenas. Luego, si Ud. está comenzando en la radioafición, creo que un buen consejo es que antes de comprar una radio, resuelva el problema de las antenas, de otro modo el equipo solamente le quitará espacio en alguna parte de su casa.

Eso es todo (por ahora).

Si alguien puede aportar ideas o correcciones al artículo, son bienvenidas.

Saludos cordiales desde el Cerro Grande de La Serena - Chile.

Sergio Zuniga – CE2CG

Agosto de 2010, actualizado en marzo de 2011.

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