Acoplador arriba o abajo?

ACOPLADOR ARRIBA O ABAJO, SIMÉTRICO O ASIMÉTRICO

Continuemos “mareando la perdiz” con unas cuantas ideas adicionales para todos aquellos operadores que quieran llevar su estación a la mayor perfección y para los que cualquier pérdida es importante, por pequeña que sea, lo cual es una excelente idea , pero que a veces me temo que no sale demasiado a cuenta, especialmente si no tenemos la antena más adecuada.

Recordemos brevemente

En un artículo anterior que hablaba sobre las antenas que necesitaban acopladores para adaptarlos a los 50 ohmios de nuestro transmisor, concretamente en la revista Radioafición  de Marzo de 2015, ponía como ejemplo de una antena no resonante una antena G5RV, que es una antena monobanda que se utiliza como multibanda como la de la figura 1. Cuando la forzamos a adaptarse bien con un acoplador situado junto al transceptor, las pérdidas por la  desadaptación en el cable coaxial, debidas a la no resonancia de esta antena, comparadas con las de un dipolo perfectamente resonante, no son significativas, pues la máxima diferencia que encontrábamos comparadas con las de un dipolo resonante eran de -1,3 dB en la banda de 30 metros (ver tabla I) para un cable coaxial de hasta 45 metros de largo.

Figura 1: Antena G5RV, una monobanda utilizada como multibanda.

Recordemos que comparábamos las pérdidas en el cable coaxial en cada banda de una G5RV real, sintonizada con un acoplador automático junto al transceptor, con las de un dipolo hipotético resonante en cada banda (figura 2) con una ROE de 1,5:1 y tres longitudes distintas de coaxial (15, 30 y 45 metros). En la Tabla I repetimos el cuadro completo de pérdidas calculadas, utilizando un cable coaxial RG-213 (Belden 88267), uno de los cables más utilizados en las instalaciones de radioaficionado.

Figura 2: Dipolo supuestamente resonante y adaptado con ROE 1,5:1 en cada banda.

Y añadíamos que estos cálculos son extrapolables también a cualquier otra antena cuyo mínimo de ROE no coincida exactamente con nuestra frecuencia favorita y sea superior a  1,5:1. Este cuadro nos confirma que no vale la pena jugarse la vida subiendo una y otra vez a ajustar mejor una antena, pues la máxima diferencia encontrada en el rendimiento no es realmente significativa (alrededor o menos de 1 dB), ni siquiera con 45 metros de cable coaxial.

Pero en estas dos figuras encontraréis dos detalles más muy importantes en cada una de las antenas:

Balun de tensión: Fijaos que me he molestado en poner un balun de tensión (de tres devanados) en la conexión entre el coaxial y la línea paralela de la G5RV de la figura 1 (que no lo lleva  de origen) y también entre el coaxial y el dipolo de la figura 2, para evitar que la RF que se propague también por el exterior de la malla del coaxial y dé problemas de RF en la estación, al tiempo que, al ser un balun de tres devanados, une eléctricamente el vivo y la malla, con lo que evitamos cualquier problema de acumulación de estática.

Un-un o balun de corriente: También me he molestado en colocar en las dos ilustraciones 1 y 2 un Un-Un de anillos de ferrita (MFJ-915) en la estación para disminuir la RF y el ruido local, que puedan ser captados directamente por la malla del cable coaxial (actuando como antena vertical) y que puede contribuir también en recepción a la disminución del ruido local captado en algunas bandas,  según mi experiencia.

De todas formas, la realidad nos demuestra que pérdidas, lo que se dice pérdidas en la línea de transmisión coaxial, haberlas “haylas”, y siempre debemos intentar minimizarlas, pero antes debemos valorar y ordenar bien cuáles son nuestras prioridades.

¿Y ya tenemos claras nuestras prioridades?

Si lo que queremos es optimizar el rendimiento de la instalación y nos preocupan las pérdidas en la línea de transmisión, lo lógico es que empecemos por instalar antenas resonantes y bien ajustadas en cada banda, como casi todas las comerciales montadas correctamente, cuya impedancia  y adaptación ya están garantizadas por el fabricante. Y si dan problemas de ROE, es que no han sido montadas correctamente, y lo que se recomienda es bajarlas y volverlas a revisar cuidadosamente.  Así que el uso del acoplador inicialmente de entrada puede y debe evitarse.

 Y si montamos antenas de cable de construcción propia para las bandas bajas de HF, procuraremos que estén bien dimensionadas para el segmento de la banda que solemos trabajar y, por consiguiente, intentaremos de entrada que no sea necesario utilizar siempre un acoplador para trabajar con ellas.

¿Acoplador automático incluido en el equipo?

Si nuestro equipo lleva un acoplador automático incorporado, por poco que el transmisor no se resista a la ROE, es decir, que no reduzca su potencia por autoprotección (normalmente solo con ROE > 2:1), evitaremos en todo lo posible el uso del acoplador, porque su utilización seguro que introducirá alguna pérdida adicional por mínima que sea. Es absurdo utilizarlo por aquello de “por si acaso” para forzar una ROE 1:1.

Por tanto, lo mantendremos siempre en Bypass (paso directo) mientras no empiece a disminuir la potencia emitida por la cifra presente de ROE. Sería un error pretender mejorar la adaptación para que nuestros ojos disfruten contemplando una ROE de 1:1 en el medidor. El uso del acoplador no mejorará nada las pérdidas en el cable, sino que seguro que introducirá alguna mínima pérdida adicional (la del cable coaxial seguirá exactamente igual), aunque por ahora es difícil de estimar, pero probablemente será muy pequeña, si no intentamos acoplar una antena de dimensiones muy reducidas. Una idea de la magnitud de las pérdidas en el acoplador si con la mano notamos que aumenta su temperatura apreciablemente, pues las pérdidas siempre se convierten en calor.

Acoplador = No disponemos de la antena adecuada

Si estamos hablando de utilizar acopladores, es porque no disponemos de la antena adecuada  o de las dimensiones adecuadas, y pretendemos trabajar en bandas  o frecuencias en las que nuestra antena no es resonante y, por consiguiente, las pérdidas pasan a ocupar un lugar secundario, porque nuestra prioridad absoluta es salir al aire como sea.

De todos modos, si podemos hacer alguna cosa para disminuir las pérdidas, pues es lógico que intentemos minimizarlas, así que pensemos qué podemos hacer para mejorar la situación sin necesidad de jugarnos la vida.

Acoplador automático remoto

Si el acoplador se puede situar en la antena, o lo más próximo posible a la antena,  conseguiremos siempre que la línea de transmisión coaxial este bien adaptada y que las pérdidas sean mínimas en el cable, pues habremos reducido la ROE en el cable coaxial al mínimo posible (figura 3).

Figura 3: Antena dipolo con sintonizador remoto.

Hemos de tener en cuenta que una buena adaptación realizada por un acoplador automático remoto normalmente solo garantiza una ROE < 1,5:1, pues el sistema de ajuste automático se detiene cuando ha conseguido una ROE inferior a esta cifra, normalmente prefijada por el fabricante y programada en el algoritmo de acoplamiento óptimo, aunque  a veces puede ser modificada por el usuario (generalmente entre 1,5 y 2:1).

Antenas multibanda

Ahora que todos los fabricantes se han decidido a convertir sus acopladores automáticos en remotos, colocando los mismos modelos automáticos en cajas estancas, alimentados a través del cable coaxial, esto nos proporciona la posibilidad de realizar antenas multibanda, con muy bajas pérdidas en el cable coaxial utilizado como línea de transmisión, a un precio relativamente asequible… bueno, por lo menos al precio del acoplador remoto automático, si es que me aceptas que es asequible.

¿Qué tipos de antena multibanda?

Casi todas las configuraciones de antenas permiten  ser  sintonizadas  fuera de su banda de funcionamiento normal por medio de un acoplador remoto, y vamos a examinar la instalación remota en  tres grandes grupos de antenas más generales:

• Verticales con plano de tierra natural
• Verticales con radiales elevados
• Dipolos horizontales y similares

Aunque antes de ahondar en detalles, debemos tener en cuenta que las antenas multibanda acoplables mediante acoplador, deben cumplir una condición indispensable:

La condición indispensable para el acoplamiento

Sabemos que el dipolo normal, las ramas de cada lado de la antena tienen una longitud de ¼ de onda,  de forma que en total las dos ramas hacen media longitud de onda y, si no es así, podemos forzar su resonancia alargándola con bobinas y acortándola con condensadores. Esto lo hace muy bien un acoplador automático remoto.

Pero hay una longitud tabú que impide la adaptación normal por un acoplador y esa longitud nefasta es la de  ½ onda en cada rama y sus múltiplos. ¿Por qué?

Porque la resonancia de un conductor en media onda supone que aparecen en sus extremos unos puntos de altísima impedancia que están fuera del alcance de los acopladores normales. Se convertirían en antenas alimentadas por un extremo y estas antenas normalmente solo podemos utilizarlas en QRP.

Para las potencias habituales de salida de la mayoría de transceptores  comerciales (100-200 W), las tensiones de RF que se producen en las puntas con altas impedancias son tensiones tan elevadas que no las resisten los condensadores normales que podrían utilizarse en un acoplador (Hay otros métodos de adaptación en línea de cuarto de onda sin condensadores que ya se han comentado en otros artículos).

Por tanto, si queremos conseguir una antena multibanda con un acoplador remoto automático, debemos buscar una longitud mágica que no sea resonante en media longitud de onda (o en alguno de sus múltiplos) en ninguna de las bandas que queremos acoplar. ¿Existe en la práctica esa longitud mágica?

Vertical con plano de tierra natural

En las revistas de radio americanas se encuentran varias antenas verticales con la longitud mágica de 43 pies o sea 13,10 metros, pues lo consideran el radiante óptimo para una vertical montada sobre un suelo conductor, para sintonizarla con un acoplador remoto automático. Esta longitud se ha demostrado que permite acoplarla en todas las bandas, incluidas las bandas WARC, con un acoplador automático remoto normal (figura 4).

Figura 4: Vertical multibanda de 43 pies con acoplador remoto.

Vertical con radiales elevados

Si queremos realizar una vertical con radiales elevados, el secreto de la vertical normal es utilizar radiales iguales y opuestos cuya radiación se cancele en el espacio, de modo que solo radia el radiante principal vertical de ¼ de onda. La configuración más simple, aunque no es perfecta, se puede realizar con tan solo 2 radiales elevados iguales y opuestos.  Los radiales no forman parte de la antena radiante, sino que constituyen la contraantena para permitir la adaptación. Repito, si son iguales y opuestos, su radiación se anula en el espacio lejano, aunque no tanto si están inclinados.

En consecuencia, tanto el radiante vertical como los radiales opuestos elevados los haremos por pares y  de una longitud no resonante en media onda en ninguna banda; por tanto, usaremos la longitud mágica de 13,10 metros para evitar que se presente en su extremo conectado un punto de alta impedancia que impida el acoplamiento  (figura 5).

Figura 5: Vertical de 43 pies con dos radiales iguales y opuestos.

Dipolo horizontal o V invertida

El dipolo horizontal que instalemos con acoplador remoto necesitará desgraciadamente un soporte central para sostener el acoplador, de forma que nos veríamos obligados a utilizar 3 soportes verticales.  Por tanto, la configuración más aconsejable será la de una V invertida, si pretendemos simplificar la instalación utilizando un único soporte central, que es lo más razonable para montar un acoplador remoto en las alturas (figura 6).

Figura 6: Dipolo multibanda de 43 pies con acoplador remoto.

Acoplador ¿simétrico o asimétrico?

Si se trata de un dipolo, que es una antena simétrica, ¿qué pasa si estamos hablando de colocar un acoplador con salida asimétrica en el centro de una antena simétrica? ¿Representa esto algún problema grave?

Pues esto no necesariamente representa un problema, puesto que no haría falta ponerle ningún balun o transformador simetrizador, si lo que inyectamos en el centro del dipolo es una tensión diferencial entre el vivo  y la masa del acoplador. Esto se puede realizar perfectamente conectando una rama al vivo y la otra rama de la antena a la masa del acoplador con salida asimétrica.

El problema es que tendríamos que tomar alguna precaución para mantener aislada la masa del acoplador del mástil de soporte, para que este no forme parte de la antena (figura 7), pues esta conexión lo incluiría entre los elementos radiantes y nos produciría problemas de radiación propia, de modo que acabaríamos teniendo una mezcla de antena en V y mástil vertical, ambos radiantes combinados con lóbulos impredecibles (aunque, quién sabe, también podría ser que esa mezcla fuera útil para el DX). ¡Habría que probarlo!

Figura 7: Dipolo de 2 x 43 pies (2 x 13,,0 m) con acoplador asimétrico aislado  del mástil.

¿Ningún balun?

Si la antena la hemos colocado sin ningún balun simetrizador y está directamente conectada al acoplador asimétrico bien aislado del mástil, sí que será conveniente  colocar un un-un o balun de corriente con anillos de ferrita inmediatamente antes del acoplador, para evitar corrientes de RF por el exterior de la malla del  coaxial y que aparezcan reflejadas por la rama de la antena  conectada a la masa del acoplador. El MFJ-915 es el más adecuado para todos estos casos (figura 7).

¿Y si no podemos aislar el acoplador del mástil?

Si no podemos aislar la masa del acoplador del mástil, sí que necesitaremos un balun de tensión o de tipo transformador, de forma que independicemos las tensiones de RF aplicadas a cada rama de la antena de las suministradas por el vivo de salida del acoplador y la masa, que no hemos podido evitar que quede conectada al mástil. De este modo impediremos que aparezca una corriente de RF tanto por el mástil como por el exterior de la malla, al estar conectados juntos  la masa del acoplador, el mástil y la malla del coaxial (figura 8), pero las dos ramas radiantes estarán conectadas a la salida del balun o del transformador.

Figura 8: Acoplador asimétrico no aislado y balun transformador.

¿Balun también para antena vertical?

Esto mismo debe aplicarse exactamente a cualquier vertical con radiales elevados o que consista en un dipolo vertical con stubs, pues  pueden producirse los mismos retornos de RF por el exterior de la malla. Podemos escoger dos configuraciones: la que se muestra en la figura 5 con acoplador + balun  si el acoplador no está aislado del soporte, o la que se muestra en la figura 9 si el acoplador lo mantenemos aislado del soporte.

Figura 9: Antena vertical con acoplador asimétrico y un-un.

Únicamente nos podremos ahorrar el balun que impida las corrientes por el exterior de la malla del coaxial si la vertical está sobre un suelo naturalmente conductor  o con radiales enterrados, pues en ese caso la RF no puede volver reflejada por la tierra conductora natural y viajar por el exterior del coaxial, porque se dispersa en todas direcciones por igual como se observa en la figura 4.

Pérdidas en el acoplador

Es muy posible que se popularicen estos sistemas radiantes en el futuro, pues nos permiten disponer de una antena multibanda (que opere en  “todas” las bandas) de una forma muy simple y con menores pérdidas en la línea de transmisión. Entonces, para escoger un acoplador, tendríamos que escoger el de menores pérdidas.  

Pero eso es complicado, porque deberíamos exigir a los fabricantes que nos informaran de las pérdidas de su acoplador para cada valor de la ROE y para cada banda. Sería muy complicada la comparación entre acopladores, pues la misma ROE puede proceder ya sea por desadaptación de una impedancia resistiva o también por una reactancia capacitiva o inductiva, con valores distintos de las L y C usadas para la adaptación. Todo un problema para desarrollar una comparativa estándar.

Un buen amigo y colega me sugería que sería muy importante que intentáramos estudiar estas pérdidas en los acopladores. Después de meditarlo un poco, mi respuesta fue que, aparte de la dificultad práctica de medir y comparar las pérdidas para cada acoplador y para cada ROE, resulta muy fácil comprobar si las pérdidas en un acoplador son excesivas, pues basta comprobar con la mano si su temperatura sube considerablemente al utilizarlo. Si no notamos ningún calentamiento, podemos apostar que las pérdidas son mínimas y no tienen la menor importancia.

Si usamos acopladores es porque pretendemos salir  en bandas para las que las antenas que hemos instalado no han sido diseñadas o fuera de sus frecuencias de resonancia. ¿Y vamos entonces a preocuparnos por las pérdidas en los acopladores que nos permiten este apaño?  Es más importante que nos tomemos más en serio las pérdidas en las líneas de transmisión, que pueden llegar a ser considerables e invirtamos más dinero en un cable con menores pérdidas.

Otro asunto sería que estuviéramos hablando de antenas muy cortas con resistencias de radiación cercanas al ohmio, en las que las pérdidas óhmicas en la misma antena y el acoplador pueden llegar a ser proporcionalmente muy importantes. Entonces  se vuelve a poner de manifiesto el problema de cuáles son nuestras prioridades. Si lo que tenemos es un problema de espacio y necesitamos utilizar antenas pequeñas para poder emitir, las pérdidas  en el sistema de acoplamiento pasan también a ocupar un lugar secundario en la lista de nuestras prioridades.

73 Luis EA3OG