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Antenas: alturas buenas y malas

¿HAY ALTURAS DE ANTENAS MEJORES Y PEORES?

Por Luis A. del Molino EA3OG (ea3og@ure.es)

Un buen amigo radioaficionado me preguntó hace poco qué opinaba sobre su proyecto de cambiar una Yagi tribanda con trampas, por una monobanda de 4 elementos para 20 metros. Con todo lo que se deduce sobre la importancia de reducir la captación del ruido exterior en HF, que es el gran limitador de la sensibilidad en recepción, se me ocurrió la posibilidad de considerar si no le saldría más a cuenta modificar la altura de la antena, por lo que le pregunté a qué altura estaba situada. Su respuesta fue que a unos 14 metros de altura. 

Después de saber esta cifra, le sugerí que tal vez le saldría mucho más a cuenta subir la antena actual tribanda hasta 20 metros de altura, en lugar de cambiarla por una monobanda, aunque eso le representaría tener que añadirle dos tramos de torreta. Me preguntó el porqué y aquí tienes mi justificación, si tienes la paciencia de llega al final de la lectura de este artículo.

El ruido exterior es el que manda en HF

Realmente no debería haber alturas buenas ni malas, pero la problemática del predominio del ruido exterior en HF nos conduce a concluir que sí hay unas alturas mejores y otras peores. Pero centremos el tema que da origen a este artículo, que es, como siempre, el ruido exterior. En la Figura 1 se muestra que normalmente la situación más probable y frecuente con que nos encontramos, cuando la ionosfera refleja las señales en cualquier banda, es que el ruido exterior se distribuye uniformemente por una semiesfera, en cuyo centro se encuentra nuestra antena, que vamos a suponer de momento que es un dipolo.

Figura 1: Ruido exterior uniformemente distribuido por una semiesfera.

El ruido exterior se compone del ruido radioeléctrico natural galáctico, que podemos considerar que incluye también el solar y el planetario (Júpiter principalmente), al que tenemos que añadir el atmosférico, producido por descargas eléctricas de tormentas lejanas,  y el radioeléctrico artificial, generado en las proximidades de nuestro QTH y también, por qué no, a distancia.

Ya hemos comentado en otros artículos la tabla I en que se resume todo este ruido exterior captado en cada banda por un dipolo y que es el que limita la recepción  e impide aprovechar la mayor sensibilidad de la mayoría de receptores con esta antena. Si disponéis de un receptor SDR bien calibrado, podéis entreteneros en comprobar cuántos dBs adicionales de ruido tenéis en vuestro QTH.

Tabla I: Ruido exterior captado por un dipolo de media onda
En dBm con un filtro de 500 Hz de ancho de banda
FrecuenciaPleno campoPueblo (+6dB) (*)Ciudad (+12 dB) (*)
1,8 MHz-101 dBm-95 dBm-89 dBm
3,5 MHz-109 dBm-103 dBm-97 dBm
7 MHz-117 dBm-111 dBm-105 dBm
10 MHz-118 dBm-112 dBm-106 dBm
14 MHz-119 dBm-113 dBm-107 dBm
18 MHz-125 dBm-119 dBm-113 dBm
21 MHz-126 dBm-120 dBm-114 dBm
24 MHz-127 dBm-121 dBm-115 dBm
28 MHz-131 dBm-125 dBm-119 dBm
50 MHz-135 dBm-129 dBm-123 dBm
(El (*) significa que son estimaciones y no medidas reales)

Por otra parte, En la Tabla II se muestra aquí la sensibilidad de unos cuantos receptores, obtenidos de los análisis que realiza Sherwood Engineering, que podéis encontrar completa en la web: http://www.sherweng.com/table.html. Si nos fijamos en que, por ejemplo, con un dipolo el límite de recepción posible en 20 m lo tenemos en -119 dBm en pleno campo, posiblemente los -113 dBm en un pueblo  y probablemente los -107 dBm en ciudad, vemos que ningún receptor, por bueno que sea, permite mejorar nuestra recepción con un dipolo.

Tabla II: Comparativa de la sensibilidad en un ancho de banda de 500 Hz
EquipoNoise FloorMDS
Yaesu FTDX-3000-142 dBm-139 dBm
ICOM 756 Pro II-141 dBm-138 dBm
Hilberling-141 dBm-138 dBm
Flex-3000-139 dBm-136 dBm
Drake R4-C-138 dBm-135 dBm
Elecraft KX3 y K3-138 dBm-135 dBm
Kenwood TS-590S-137dBm-134 dBm
Flex-1500-136 dBm-133 dBm
Ten-Tec Orion-135 dBm-133 dBm
Perseus-125 dBm-122 dBm

Tiraremos el dinero al comprar el mejor receptor del mundo, si no mejoramos la antena, porque escucharemos exactamente lo mismo que con el receptor más mediocre. Incluso en 10 metros, el único equipo de esta lista que se queda algo corto de sensibilidad es el Perseus, y eso solamente en pleno campo, porque en un pueblo, ya recibirá exactamente lo mismo que todos los demás, si tenemos un  triste dipolo o una V invertida o una vertical.

¿Qué podemos hacer contra el ruido exterior?

Para mejorar nuestra sensibilidad en la recepción, lo único que podemos hacer es reducir el ruido captado y el único medio de conseguirlo no es tirando el dinero en un transceptor carísimo, sino instalando una antena directiva de algún tipo, la mejor que podamos pagar, y colocada a la altura adecuada, de las que veremos más adelante cuáles son mejores y cuáles son peores alturas.

¿Qué directiva es la mejor?

  • Todas son buenas, ya sean Yagis, cúbicas, logarítmicas, colineales horizontales, agrupaciones verticales y horizontales (arrays), Beverages, rómbicas, y alguna directiva más que seguro que me olvido mencionar …
  • Algunas tienen mejor relación delante/espalda que otras, pero  esta cifra delante/espalda no aparece casi nunca por ningún lado en la disminución del ruido captado, excepto en un caso muy concreto y poco frecuente en que el ruido entra solamente por la espalda. En todos los demás casos, lo que te interesa es que tenga una buena cifra en la diferencia de la ganancia delantera y los lóbulos laterales o relación Front/Sidelobe.

¿Es cierto que la ganancia de una directiva puede ser doble en recepción?

Si hablamos con propiedad, la ganancia de una antena en recepción no se dobla en recepción, eso es falso. Pero sus efectos en la recepción son increíbles y equivalentes a como si se doblara o más la ganancia o más. Si el ruido está uniformemente distribuido por una semiesfera, si la señal procede de la dirección a la que apunta una antena directiva (por ejemplo con 10 dBi), por una  parte, aumenta la señal recibida con su ganancia G en por ejemplo 10 dB y, por otra parte, disminuye el ruido captado probablemente en más de 10 dB. Por tanto, nos mejora la relación señal/ruido de la señal deseada en más de 20 dBs, cifra que casualmente puede llegar a superar el doble de la ganancia. No está nada mal.

El efecto obtenido, comparando la directiva con la recepción que tendríamos con un dipolo,  es como si el ruido exterior captado lo hubiéramos rebajado  en algo más (mejor menos) de -20 dB en nuestro dipolo. Casi nada. Ahora sí que empieza a servir de algo la mayor sensibilidad de un buen receptor o transceptor.

¿Y si el ruido no llega uniformemente repartido?

Si nos llega únicamente por la misma dirección a la que apunta la antena, entonces no mejoramos nada, como se puede contemplar en la Figura 2. La directiva no nos servirá de nada. Aumentará igual la señal que el ruido y la relación señal/ruido no mejorará.

Pero puede haber momentos en que el ruido nos llegue por la espalda, pues sólo entran por delante y muy débiles las señales fuertes, como nos mostraría la figura 3. Entonces será una maravilla. Escucharemos señales debilísimas, imposibles de escuchar con otras antenas más omnidireccionales, porque aquí nos ayudará la relación delante/espalda, en lugar de la ganancia.

Finalmente, aún tenemos otra posibilidad más interesante y frecuente, y es que nos lleguen señales de DX con ángulos de elevación muy bajos, como en la figura 4, en la que el ruido no llega por ángulos mucho más altos y nuestra directiva bien colocada en altura tiene un lóbulo de radiación bien bajo, yrecibe una señal que nos entra  muy por debajo del ruido. Fantástico. Esta situación es la que nos interesa.  Para eso tendremos que fijarnos mucho en el diagrama o lóbulo de elevación de las antenas.

Fig. 2: Ruido por delanteFigr. 3: Ruido por detrásFig. 4: Ruido llega de más alto

¿Podemos mejorar con la altura el ruido captado por un dipolo?

Ya que no podemos mejorar para nada el diagrama de radiación de un dipolo en el plano acimutal, pues el diagrama de radiación de un dipolo en el espacio libre es  el ocho que todos conocemos (Figura 5)  y que proporciona una ganancia de 2,16 dBi  en el espacio libre en la dirección perpendicular al dipolo, gracias a su rechazo de señales que le llegan por las puntas, miremos a ver si con mayor altura podemos mejorar el diagrama de elevación y disminuir el ruido captado por ángulos bajos.

Figura 5: Diagrama acimutal de un dipolo de media onda

Para nuestras comparaciones, vamos a utilizar el programa de modelado y simulación de antenas EZNEC 4.0, colocando el dipolo a diferentes alturas, empezando por 5/10/15/20 m de altura. (Por cierto que me he llevado el chasco de que el programa EZNEC 4.0 no funciona en Windows de 64 bits y suerte que tenía otro ordenador todavía con Windows 7 de 32 bits y he podido hacer las simulaciones). Ahor finalment y he conseguido la versión 6.0.

Antena dipolo para 20 m a diferentes alturas
Dipolo a una h = λ/4 (5 m)Dipolo  a una h = λ/2 (10 m)
Dipolo a una h = ¾ λ (15 m)Dipolo a una h = λ (20 m)
Figura 6: Dipolo a diferentes alturas

Resultados del modelado con EZNEC:

Un dipolo para la banda de 20 m situado a un acierta altura sobre el suelo presenta lóbulos de radiación con una ganancia muy superior a la de un dipolo en el espacio libre. Vemos en la simulación (Figura 6) que proporciona ganancias reales de 7,68, 7,98, 8,46 y 7,81 dBi. Por tanto, algún efecto tendrán sobre la señal y el ruido, dependiendo de la altura a la que colocamos la antena. Veamos qué efectos son estos:

A una altura de 5 metros sobre el suelo, equivalentes a λ/4, presenta una emisión máxima hacia el cenit que no nos interesa en absoluto, pues recíprocamente, en recepción  captará todo el ruido reflejado por la ionosfera y el no reflejado que llega del espacio y poco captará de la señal que queremos escuchar.

A una altura de 10 m sobre el suelo, equivalente a λ/2, presenta un lóbulo con un máximo de 7,98 dBi centrado en un ángulo de elevación de 32º, y presenta también una disminución de captación de ruido del cenit de alrededor de -15 dB. Esta es una buena altura para un dipolo para 20 metros.

A una altura de 15 m sobre el suelo, equivalente a ¾ λ, presenta una ganancia máxima de 8,46 dBi con un ángulo de 21º de elevación, lo que es muy aceptable, pero nos aparece un lóbulo en forma de seta hacia el cenit (90º), que en recepción significa que captará una gran cantidad de ruido procedente del espacio que entra por ángulos altos. Es una altura poco adecuada para nuestra antena de 20 metros, pues captará mucho ruido por este lóbulo cenital.

A una altura de 20 m sobre el suelo, equivalente a 1 λ, tenemos una ganancia de 7,81 dBi con un lóbulo de radiación máxima a 15º, ángulo que no está nada mal para trabajar DX, y otro lóbulo a 53º también de 7,8 dBi que nos servirá para trabajar estaciones más próximas, con una disminución de la radiación hacia el cenit de -8 dB, dejando la ganancia más o menos en 0 dBi a 90º de elevación. Perfecto para disminuir el ruido captado.  Le hemos sacado un mucho mejor  rendimiento a nuestro dipolo al colocarlo a 20 m de altura. Vale la pena

Conclusión para dipolos

  • Coloquemos el dipolo a múltiplos de λ/2 siempre que sea posible.
  • Evitemos colocarlo a múltiplos impares de λ/4.

Para un dipolo para 20 metros, podemos señalar las siguientes alturas más convenientes

  • Alturas mejores: 10, 20, 30 m de altura
  • Alturas peores: 5, 15, 25 m de altura

Para un dipolo para la banda de 15 metros:

  • Alturas mejores: 7,5, 15, 22,5, 30 m
  • Alturas peores: 3,75, 11,25, 18,75 m 

La mejor altura común para un dipolo multibanda con la banda de 20 y 15 metros sería la de 30 metros, si nos atrevemos a colocar una torreta tan alta. Serían también aceptables  unas alturas intermedias  de 10,75 m y de 21,75 metros para un dipolo tribanda, pues queda bastante optimizada la altura para las bandas de 20 y 15 y no desentona demasiado tampoco para 10 metros.

¿Y qué pasa con una antena Yagi?

Vamos a plantear los mismos escenarios para una Yagi de 3 elementos para 20 metros. Tenemos los diagramas de elevación en la Figura 7.

Antena Yagi de 3 el. para 20 metros
Yagi a una h = λ/4 (5 m)Yagi a una h = λ/2 (10 m)
Yagi a una h = ¾ λ (15 m)Yagi a una h = 1 λ (20 m)
Figura 7: Antena Yagi de 3 el. para 20 metros

Resultados del modelado con EZNEC de la Yagi para 20 metros:

A una altura de 5 metros, equivalente a λ/4, proporciona una ganancia de 11,11 dBi a una elevación de 43º, pero tiene una radiación hacia el cenit (90º) apreciable, pues tiene todavía unos 3-4 dBi de ganancia. En recepción todavía captará bastante ruido de ángulos elevados.

A una altura de 10 metros, equivalente a λ/2, proporciona una ganancia máxima de 12,94 dBi con 28º de elevación, un ángulo algo alto para el DX, pero la radiación hacia el cenit (y la recepción de ruido) está a -30 dB del máximo o sea sobre -17 dBi, que no está nada mal. No capta casi nada de ruido de ángulos altos.

A una altura de 15 metros, equivalente a 2/4 λ, proporciona una ganancia máxima de 13,76 dBi con una elevación de 10º que es óptima para el DX, pero le aparece una radiación hacia el cenit con aproximadamente -12 dB sobre el máximo, con lo que aún radiará (y recibirá) ruido con todavía algo así como 1,75 dBi de ganancia. Capta algo de ruido del cenit (90º) y también del otro lóbulo a 60º, aunque  bastante disminuido. Es mejorable.

A una altura de 20 metros, equivalente a 1 λ,  tiene una ganancia de 13,86 dBi con un ángulo de 15 grados de elevación, perfecto para el DX más distante, y, en cambio la captación de ruido por ángulos altos será muy pequeña. Es la altura ideal para una Yagi para la banda de  20 metros.

Conclusiones generales:

Contra más simple es la antena, más importante es colocarla a la altura h más adecuada para eliminar los lóbulos de radiación hacia el cenit, altura que resulta ser siempre múltiplos de λ/2.

En efecto, si consideramos la reflexión en el suelo inmediatamente debajo de la antena colocada a una altura de λ/2 (Figura 8), veremos que la onda electromagnética radiada hacia abajo por el dipolo (elevación -90º), llega 180º grados más tarde al suelo (justo opuesta), donde sufre una reflexión que la invierte otros 180º (en fase) y vuelve hacia la antena con otros 180º de retraso, con una fase finalmente opuesta (180 x 3 = 540º, luego 540º – 360º = 180º) a la que en ese momento inicia nuevamente el siguiente ciclo de la radiación del dipolo, cancelando la radiación en dirección hacia el cenit. Perfecto.

Figura 8 Rebote en tierra de la radiación de un dipolo a λ/2

Contra más ganancia tiene una antena directiva, menos importancia tiene colocarla a una altura óptima, aunque si no la colocamos a una de esas alturas más convenientes, siempre nos captará bastante más ruido procedente de ángulos altos, aunque queda también bastante  atenuado en relación al ruido que capta un dipolo por ángulos altos a la misma altura.

Así que creo que queda bien demostrado que SÍ es cierto que hay alturas mejores y peores y, por supuesto, que también hay antenas mejores y peores para la recepción¸ en donde se impone sin lugar a dudas la prioridad de agenciarnos una buena antena directiva, mucho más importante que buscar un buen receptor. Recordad siempre que lo que no se oye, no se puede contactar. Y es la antena la que hace el milagro y no el receptor.

73 de Luis A. del Molino EA3OG