¿Antenas resonantes o no resonantes?

EL DILEMA

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

Desde el principio de mi actividad como radioaficionado, siempre había oído y leído la importancia de disponer de una antena resonante y una perfecta adaptación a la antena del cable coaxial, de forma a conseguir una ROE 1:1 en la línea de transmisión para optimizar la radiación y la recepción de una antena.

Por supuesto, como todos, siempre me tomé estos principios básicos como un dogma de fe y los aplicaba  a rajatabla siempre que me era posible. Con los años y la experiencia, mis dudas sobre todos estos dogmas en general han aumentando considerablemente, hasta el punto ponerlos todos en solfa y, en particular, las pérdidas en las antenas no resonantes bien acopladas.

Acoplarlas manualmente cada vez que se cambia de banda es un incordio, pero gracias a la posibilidad que tenemos hoy en día de apretar un botón de un acoplador de antena automático, en unos cuantos segundos conseguimos engañar al transmisor para que vea una ROE < 2:1 y nos parece que operar con una antena no resonante con ROE elevada en el cable es mucho más cómodo y fácil.

Pero… ¿es exactamente  lo mismo?

Aparentemente, desde el punto de vista del transmisor, parece como si una antena no resonante bien acoplada funcionara exactamente igual que una antena resonante, pero… ¿son “exactamente” iguales? ¿Cómo podríamos comprobarlo? ¿Hay alguna diferencia? ¿Es esa diferencia significativa o es totalmente despreciable?

 Las podemos resumir en estas dos preguntas clave:

• ¿Se  obtiene el mismo rendimiento con una antena no resonante bien adaptada con un acoplador de antenas, que con una antena resonante que no necesita  acoplador?
• Si no dan el mismo rendimiento, ¿cuánto perdemos exactamente si utilizamos un acoplador con una antena no resonante para forzar su resonancia?

Si contestamos estas dos preguntas, sabremos, además, si vale la pena perder el tiempo y jugarnos la vida subiéndonos a un mástil, torreta o escalera para ajustar una antena a resonancia hasta conseguir la adaptación perfecta, cuando no hemos acertado con las medidas para hacerla resonante. ¿Sí  o no? ¿Lo dejamos correr y recurrimos al acoplador?

El ejemplo más representativo: la antena G5RV

Por otra parte, siempre me había preocupado la popularidad de la antena G5RV, especialmente desde el día en que me enteré de que era una antena monobanda (resuena solo a la frecuencia más baja de su diseño), pero que se utiliza en multibanda con un acoplador de antenas con gran éxito y, además, goza de una gran popularidad.

Siempre le tuve cierta manía, porque siempre pensé que no podía ser que radiara tan bien como un dipolo multibanda. En consecuencia, a todo el mundo le recomendaba que se dejara de historias y se buscara una antena resonante, como por ejemplo un dipolo multibanda con trampas que la hicieran resonar en diversas bandas, pues donde se diera una antena resonante, ya se podían quitar las no resonantes. Así que personalmente, la G5RV no la he utilizado ni recomendado nunca, pero ahora ya me han entrado fuertes dudas.

Las dudas

Con los años y después de haber escuchado tantas estaciones operando con esta antena, mis dudas sobre si era un buen consejo (o no) han ido aumentando y se me ha ocurrido que no sería tan difícil resolver el dilema de una  vez por todas. Bastaría hacer un buen cálculo de las pérdidas introducidas por la ROE elevada en una G5RV y compararlas con las de un dipolo resonante: Calculamos las pérdidas adicionales en el cable coaxial por el uso de una G5RV y las comparamos con las de un dipolo perfectamente resonante, alimentado por la misma línea coaxial. 

Y si seguís leyendo, encontraréis los resultados de los cálculos, que han requerido unos cuantos minutos para anotar las medidas de ROE presentes en el cable con la G5RV, y unas cuantas horas para preparar las tablas, hasta dar con un formato de presentación que fuera más significativo y pusiera de manifiesto las diferencias de rendimiento.

 Pero tendréis que leeros hasta el final este artículo para descubrir si yo tenía razón en tenerle manía a la G5RV, o si, por el contrario, estaba totalmente equivocado y eran simples prejuicios infundados.

De momento, vamos a analizar el funcionamiento de la línea de transmisión sin pérdidas conectada a una antena mal adaptada y, por tanto, con ROE elevada, sometida al lavado purificador mediante un acoplador para dejarla 1:1 al transmisor.

Para eso tenemos que analizar el fenómeno que se produce en una línea de transmisión con ROE elevada, debido a una cierta energía reflejada por la antena que vuelve hacia el transmisor, lo que significa que hay una radiofrecuencia  que se dirige hacia la antena y una parte de la misma que vuelve reflejada por culpa de la desadaptación.

La ROE en una línea coaxial sin pérdidas

Empezaremos por plantear qué sucede exactamente en una línea de transmisión coaxial sin pérdidas. Algunos me dirán que este es un caso hipotético imposible de que se dé en la práctica, pues todas las líneas de transmisión tienen alguna pérdida, pero tened en cuenta que hay dos casos muy concretos en los que las pérdidas en la línea de transmisión son completamente despreciables.

El primer caso lo tenemos cuando la línea coaxial es muy, muy corta, tan corta de longitud que sus pérdidas son totalmente despreciables ya de entrada. Por ejemplo pensad en cualquier línea coaxial con una longitud inferior a 5 metros.

El segundo caso lo tenemos cuando la línea de transmisión consiste en una línea abierta de cables paralelos separados por aisladores y, en consecuencia, el dieléctrico que los separa es el aire. Este tipo de línea de transmisión (muy complicadas de instalar mecánicamente desde la antena hasta la estación) tiene pérdidas prácticamente despreciables, pues solo se producen las debidas a la resistencia óhmica  del cable, que es pequeñísima (décimas de ohmio), incluso teniendo en cuenta el efecto pelicular o skin, que aumenta sustancialmente la resistencia de un conductor al paso de la RF.

Una ROE elevada no significa pérdidas automáticamente

Aunque la antena no sea resonante y con ROE 3:1, si conseguimos adaptarla con el acoplador de antenas (manual o automático) a ROE 1:1,  ¿se radia en la antena toda la potencia exactamente igual? ¿Qué pasa con la potencia reflejada?

Vamos a dejar bien claro que la aparición de una ROE elevada en una antena bien acoplada no significa que se pierda la potencia reflejada, devuelta por la antena. Sabemos que la relación de ondas estacionarias (ROE) y la potencia reflejada por una antena mal adaptada al coaxial, se corresponden en una tabla de ROE y porcentaje de reflejada que podemos ver simplificada en la Tabla I. En ella vemos que una ROE de 3:1 supone una potencia devuelta hacia el transmisor del 25%. Pero eso, como veremos, no significa que disminuya  la potencia radiada por la antena en un 25% y que solo se radie el 75%.

Suponiendo que el cable coaxial no tiene pérdidas, porque es muy corto o es de línea paralela y hemos acoplado perfectamente la antena a ROE 1:1, el balance de potencias que se produce en el cable coaxial en el que se mantiene ROE 3:1 entre el acoplador y la antena se representa en la figura 1, en que se puede comprobar que se consigue radiar igualmente toda la potencia de 100 W, siempre que la línea de transmisión, repito, sea considerada como perfecta, no tenga pérdidas y hayamos sintonizado el acoplador de antena debidamente.

Figura 1: Potencias directa y reflejada en un coaxial sin pérdidas y ROE 3:1

El proceso que se observa en en esta instalación lo vemos en  la figura 1 y es el siguiente:

1. El emisor saca 100 W que envía al acoplador por un coaxial con ROE 1:1.
2.  El acoplador envía 100 W a la antena (A –> A’) con ROE 3:1 que refleja devuelta hacia atrás un 25% de la potencia recibida.
3. La antena ha devuelto el 25% de la potencia recibida hacia el transmisor (de B’ -> B), es decir le devuelve 25 W y, de modo que radia 75 W de potencia ya en ese primer viaje por el cable.
4. En el siguiente ciclo el acoplador recibe esos 25 W en B y los devuelve exactamente reflejados hacia la antena por C en dirección a C’.
5. La antena devuelve desde C’ nuevamente el 25% de los 25 W (6,25 W) hacia el acoplador siguiendo el camino D’ -> D y radia los 18,75 W restantes en este segundo viaje.
6. El acoplador recibe los 6,25 W y los devuelve nuevamente íntegros hacia la antena por F -> F’.
7. La antena devuelve un 25% de los 6,25 W (1,5625 W) hacia el acoplador por G’ -> G y radia los restantes 4,6875 W.
8. El acoplador recibe los 1,5625 W y los devuelve hacia la antena H -> H’.
9. La antena radia el 75% de los 1,625 W de forma que se radian 1,171875 W y devuelve 0,390625 que ya no nos molestamos en mostrar dibujados.
10. Así el proceso sigue indefinidamente en un rebote sucesivo entre directa y reflejada, hasta conseguir la radiación prácticamente completa de los 100 W.

El balance de potencias directa y reflejada que se contemplaría en un medidor de ROE con medidor incluido de potencia directa y reflejada se resumiría así:

Potencia aplicada 100 W (Figura 1)

Potencia directa (Forward) = 132,8125 W

Potencia reflejada (Reverse) = 32,8125 W

Potencia emitida neta = 99,609375, pero que finalmente llega a los 100 W completos en los siguientes ciclos de rebote.

Así pues, ¿dónde está el problema con la ROE?

Hemos planteado un caso ideal y perfecto de que este cable coaxial no tiene pérdidas. En la práctica, el problema es que el cable coaxial sí tiene unas pérdidas en su dieléctrico que normalmente es de polietileno, y estas pérdidas, que son proporcionales a la longitud, aumentan con la frecuencia y, además, aumentan con la ROE. Y contra más longitud y más frecuencia, más pérdidas tendremos en el cable y, con la ROE, aún aumentarán mucho más las pérdidas.

Es lógico que aumenten las pérdidas al aumentar la ROE, porque vemos que la potencia generada por el transmisor se pasea arriba y abajo por el cable coaxial y, en cada viaje arriba y abajo de la potencia directa y de la reflejada, sufrirá cierta atenuación que producirá el cable coaxial y se pierde más potencia disipada en el cable, cuando están presentes las ondas estacionarias.

Comparamos: una G5RV y un dipolo multibanda perfecto

 Ahora tengamos en cuenta las pérdidas en el coaxial y comparemos lo que sucede en dos antenas: la primera es una G5RV comercial (figura 2), diseñada para los 80 metros como banda fundamental, y que tiene instalada en su terrado en V invertida Agustín, EA3AOG, formada por dos cables de 15 metros cada uno, alimentados en el centro por 10 m de cinta paralela de 450 ohmios y, a continuación, una bajada de unos 25 metros de cable coaxial RG-213.

Figura 2: Antena G5RV para 80 metros y frecuencias superiores

Asombrosamente un acoplador automático MFJ 929  consigue acoplarla hasta en 160 metros, aunque en esta banda no lo ha comprobado demasiado bien si llega a alguna parte, pero en todas las demás bandas se adapta bien y consigue acoplarla con ROE inferior a 1,5:1.

La segunda antena es un dipolo resonante (figura 3) multibanda al que calificaremos de “hipotético”, puesto que se supone que resuena en todas las bandas mediante unas supuestas trampas y que mantiene una ROE mínima de 1,5:1 en la frecuencia de resonancia, porque está situado a una altura de media longitud de onda que le proporciona una impedancia de 72 ohmios en su punto de alimentación, muy parecida a la que tiene en el espacio libre, y en el que conectamos un coaxial de 50 ohmios. Por tanto, ROE = 1,5:1.

Figura 3: Antena dipolo multibanda con 72 ohmios y ROE = 1,5:1

Insisto en que es una antena hipotética porque, aunque hay dipolos con trampas para 3 o 4 bandas, no conozco ninguno que sea multibanda en “todas” las frecuencias. En la práctica solo conozco un par de antenas verticales multibanda resonantes en todas las bandas, normalmente conseguida con estubs paralelos al radiante, que le permiten resonar en “todas” las bandas. En realidad, la única que conozco bien es la vertical Titán de GAP porque tengo una funcionando, que en realidad es un dipolo multibanda colocado en vertical y que resuena en todas las bandas habidas y por haber (menos 60 metros), aunque con una impedancia de 50 ohmios supongo que porque está en posición vertical.

Así que aquí supondremos que tenemos un dipolo horizontal resonante en todas las bandas con una impedancia en el centro de 72 ohmios, la impedancia que presenta un dipolo en el espacio libre y que más o menos se consigue colocándolo a una altura de media longitud de onda. Eso hace que supongamos presente una ROE de 1,5 en todas las bandas, aunque lógicamente no estaría a una altura de media longitud de onda en todas ellas.

Pérdidas aceptables o inaceptables

La comparación consistirá en calcular las pérdidas que se producen en una y otra antena con un par de tipos de cables coaxiales de diversas longitudes, para comprobar si las pérdidas son aceptables y lo suficientemente pequeñas como para que no valga la pena complicarse la vida con antenas auténticamente resonantes, o simplemente las pérdidas son tan elevadas que suponen un gran hándicap para nuestro objetivo de establecer una comunicación de DX.

¿A qué llamaremos pérdidas aceptables?

Por una parte, sabemos en que, en todas las mediciones de las características de los receptores, como por ejemplo el cálculo de la MDS (Mínima señal discernible), de la IMD (Intermodulación de tercer orden) y del Margen Dinámico de Bloqueo y muchas otras, se considera significativa una variación de la lectura de 3 dB, así que creo que podemos tomar como límite de eficiencia que si las pérdidas de la antena no resonante no superan los -3 dB (50% de pérdida de potencia), podremos considerarlas como no significativas, y si superan los 3 dB, pues diremos que son excesivas.

Es decir, si perdemos solamente 1 o 2 dB, diremos que estas pérdidas no son significativas y que no vale la pena molestarse en corregirlas ni en buscar una antena más eficiente, que en nuestro caso sería conseguir una antena con una resonancia y adaptación perfecta.

Por otra parte, tengamos en cuenta el cuadro de de la equivalencia en porcentaje de las pérdidas y su correspondiente valor en decibelios en la Tabla II que nos explica que unas pérdidas de 3 dB suponen el 50% de potencia perdida:

Las pérdidas reales dependen de la longitud, la frecuencia y la ROE

Así que vamos a calcular qué sucede en la realidad con una línea coaxial real con pérdidas, teniendo en cuenta las 3 longitudes más probables en una estación de radioaficionado que considero más probables y representativas:

1. 15 metros de coaxial que sería la instalación de una antena en una azotea o terraza inmediatamente cerca de la estación que está al lado o en el piso inmediato inferior.
2. 30 metros de coaxial que correspondería a una antena en un terrado con torreta y una estación situada en el último piso.
3. 45 metros de coaxial que correspondería a una antena en una torreta y situada en algún apartamento en un piso más bajo del inmueble.

El programa de cálculo de las pérdidas

Para calcular las pérdidas, utilizaremos un programa muy preciso de cálculo que tiene en cuenta infinidad de parámetros de los cables coaxiales, además de la frecuencia utilizada, la ROE presente en a línea coaxial y la longitud del cable, que son las variables que manejaremos nosotros

Se trata del programa: “Transmission Line details – v1.1” de Dag Maguire, AC6LA, que se puede descargar como un ejecutable (TLDetails.exe) desde la web: www.ac6la.com y que dispone de los parámetros de cálculo para numerosos  cables coaxiales muy estándar, como por ejemplo los Belden. Este programa sólo requiere tener instalada también la suite Microsoft Office, pues utiliza algunas funciones de este programa.

Los cables coaxiales escogidos

Para nuestros cálculos de pérdidas, escogeremos dos cables concretos, considerándolos los dos más representativos y utilizados generalmente:

Un RG-58 (Belden 9201), un cable coaxial relativamente delgado de impedancia característica de 52 ohmios y un dieléctrico de polietileno sólido (factor de velocidad de 0,66), con un diámetro de tan solo 6 mm y que todo el mundo desaconseja, pero que tiene sus grandes ventajas porque es muy manejable y, en ciertas instalaciones, es muy fácil de montar y utilizar, especialmente cuando trabajamos en portable y no necesitamos grandes longitudes.

Un RG-213 (Belden 8267), un cable coaxial clásico de un diámetro de 10 mm, mucho más rígido y difícil de manejar e instalar, con una impedancia de 50 ohmios también, pero con el mismo dieléctrico de polietileno sólido (factor de velocidad 0,66) y unas pérdidas muy inferiores a las del coaxial más delgado RG-58.

Los resultados comparativos

Los podemos ver en la siguientes Tablas III y IV:

Partimos de un emisor de 100 W, que se envían a una G5RV bastante bien acoplada con una ROE inferior a 1,5:1 en todas las bandas, pero con una ROE real en la línea de transmisión coaxial que se muestra en la columna titulada ROE, y que hemos medido después de haber acoplado en cada una de las frecuencias relacionadas en la primera columna.

Por otra parte, el dipolo se considera que tiene 72 ohmios y que muestra una ROE de1,5:1 en todas las bandas. Este valor podría ser inferior según la altura a la que lo coloquemos, puesto que varía entre 50 y 100 ohmios, pero se considera que es el valor más probable.

Al partir de un transmisor con 100 W, las potencias perdidas pueden considerarse también como un porcentaje de pérdidas sobre 100 W, lo cual facilita estimar la magnitud de las pérdidas.

Nota: tenéis que tener en cuenta que la columna de la derecha en que se calcula la “Pérdida en dB en antena (*)”, los decibelios han sido calculados mediante la relación de potencias útiles que llegarían a las dos antenas y no mediante la comparación directa de las pérdidas.

Comentarios a los resultados

Sorpresa: podemos comprobar inmediatamente que, incluso con un cable delgado como el RG-58, las pérdidas en el cable que alimenta la G5RV no son significativamente superiores a las del dipolo, si no utilizamos longitudes de cable cercanas a los 45 metros. Para longitudes de cable menores (15 y 30 m), el aumento de pérdida en nuestra señal radiada no supera nunca los 2 dB de diferencia, una cifra que hemos dicho que se considera no significativa.

Confirmación: para un cable RG-231, la diferencia entre operar con una antena resonante y una no resonante, no es nunca significativa pues lo que perderemos en nuestra señal no supera casi nunca 1 dB, excepto para longitudes de 45 metros y solo en tres bandas en las que empeora nuestra señal radiada en como máximo -1,3 dB de diferencia.

Las conclusiones finales

No tengo más remedio que reconocer que la G5RV, a pesar de la desconfianza que tenía hacia ella, es una antena que funciona muy bien en la mayoría de las bandas con un buen acoplador, y mucho mejor de lo que suponía, aunque nos veamos obligados al proceso de acoplarla en cada cambio de banda y conseguir que resuene todo el sistema (antena y línea coaxial) con nuestro acoplador (La mayoría de acopladores automáticos tienen memorias).

Otro comentario que me gustaría añadir es que el cable coaxial RG-58 es muy cómodo y fácil de colocar y pasar por todas partes, pues es incluso algo más delgado que el cable de TV (recordad que el cable 75 ohmios es casi un milímetro más grueso), y es evidente que no presenta pérdidas exageradas para longitudes de hasta 30 metros en las bandas de HF. Muchas veces nos complicamos la vida colocando tiradas cortas del cable RG-213, mucho más grueso y rígido, cuando no es realmente necesario, si no es a la salida de un amplificador lineal.

Espero que este cálculo comparativo os haya servido también a vosotros para aumentar vuestra fe en las antenas no resonantes y en los acopladores de antena automáticos o manuales. Por algo los están incorporando muchos fabricantes en sus equipos, pues han descubierto que es una opción que muchas veces decanta la compra hacia un determinado modelo que sí lo incorpora.

73 de Luis EA3OG