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Introducción a las antenas NVIS (i)

Antenas NVIS

Las antenas NVIS (Near Vertical Incidence Antennas) o antenas de incidencia casi vertical son aquellas antenas que son más apropiadas para comunicaciones a corta distancia, porque proporcionan un directividad  más dirigida hacia el cenit y permiten un rebote casi vertical en la ionosfera, lo que permite realizar contactos con estaciones situadas en un radio inferior a 300-500 km.

Vamos a considerar en primer lugar qué ángulos de radiación son los más convenientes para que una antena sea realmente útil en NVIS y nos permita realizar estos contactos, y luego veremos qué antenas son las más apropiadas para este tipo de comunicaciones.

La capa F de la ionosfera

Durante el día, la capa reflectora  ionizada F se forma  por la acción de los rayos solares a una altura entre 200 y 300 km, mientras que por la noche, los iones se recombinan  con electrones y la capa se desvanece lentamente. Nosotros estimaremos una altura media entre ambos valores, por ejemplo los 250 km de altura. Si nosotros prendemos realizar contactos en el interior de un círculo de radio 300 km alrededor de la estación TX (Figura 3), es fácil determinar el ángulo de elevación mínimo que necesitaremos para  el mejor funcionamiento de nuestra antena NVIS. No se necesita trigonometría esférica para un cálculo del ángulo mínimo de elevación.

Figura 1: ángulo de elevación mínimo 60º

Debemos conseguir que la ganancia de nuestra antena NVIS sea máxima hacia los 90º de elevación y una buena radiación con un ángulo superior al del triángulo formado por la capa F entre el transmisor TX y un receptor RX (Figura 1).

Obtenemos que el ángulo α = arco tangente (250/150) = 60º. Por tanto, resulta que nuestra antena debe emitir de preferencia en ángulos de elevación superiores a 60º para operar en un radio de hasta 300 km, o sea entre 60º y 90º de elevación, y ángulos superiores a 45º para abarcar un radio de hasta 500 km.

Otra cuestión  es que la capa F de la ionosfera disponga de la suficiente concentración electrónica para permitir el reflejo hacia abajo, pero la buena o mala propagación NVIS propagación no es el tema de este artículo

La altura del dipolo horizontal y el ángulo de radiación

Sabemos que en el suelo, por mala que sea la conductividad del terreno, siempre se produce una buena reflexión de las ondas electromagnéticas de polarización horizontal. Según la altura de la antena, la onda que se dirige hacia el suelo da lugar a una onda reflejada que se suma o se resta a la radiada directamente por la antena (Figura 2). Para una buena radiación NVIS, utilizaremos el terreno como reflector para reforzar nuestra radiación hacia el cenit, igual que un reflector refuerza la emisión hacia delante del elemento excitado de una antena Yagi.

Figura 2: Suma de campo radiado directo y campo reflejado en el suelo.

La teoría de las antenas NVIS consiste en aprovechar el efecto de rebote en el suelo de las ondas electromagnéticas de polarización horizontal, para que la onda directa y reflejada se sumen en fase.  Si el suelo fuera perfecto y no hubiera pérdidas en la reflexión, podríamos conseguir hasta una ganancia de 6 dB, que desgraciadamente nunca alcanzaremos, pero sí que podremos aproximarnos a esa cifra si colocamos la antena a una altura conveniente del suelo para que la onda directa y la reflejada se sumen en ángulos elevados, alrededor de los 90º.

Si miramos los efectos de la reflexión en tierra de la radiación de un dipolo horizontal según la altura a la que coloquemos la antena, según sea la altura en relación con la longitud de onda λ, podemos encontrarnos con los siguientes diagramas de radiación vertical o  lóbulos de elevación (Figura 3):

Figura 3: Lóbulos de radiación vertical de un dipolo según la altura.

Vemos claramente que hay unas alturas  que son más favorables para los ángulos de radiación más bajos, que son los que nos interesan para el DX, y otras alturas que son más favorables para los ángulos de radiación más altos, tipo NVIS, y más adecuadas para contactos cercanos.

En la figura 3 es evidente que los múltiplos impares de ¼ de longitud de onda (h = ¼λ, ¾λ, 5/4λ…) son favorables para comunicaciones NVIS. En cambio, las alturas múltiplos de media longitud de onda (h = ½ λ, λ, 1½λ…)  son más favorables para el DX con ángulos bajos de radiación.

La reflexión NVIS

La explicación más sencilla  y directa de cómo actúa la reflexión que favorece la radiación NVIS la podremos observar en las siguientes figuras: la 4a muestra la altura más desfavorable (λ/2), mientras que la 4b muestra la más favorable (λ/4):

Figura 4a: Dipolo a una altura de λ/2.Figura 4b: Dipolo a una altura de λ/4.

Vamos a analizar en detalle únicamente la más favorable (Figura 4b): al estar la antena a ¼ λ (0,25λ) del suelo, la parte radiada por la antena que se dirige al suelo llega con 90º de retardo en relación a la onda generada por la antena hacia arriba. La reflexión en el suelo da lugar a un cambio de fase de 180º, porque la corriente producida por el campo eléctrico de la onda incidente en el suelo, da lugar a la aparición en el terreno de una tensión contra-electromotriz, de sentido opuesto a la corriente inducida por el campo eléctrico incidente, y esta tensión contra-electromotriz da lugar a una radiación desde el suelo hacia arriba con 180º de retardo.

Finalmente, como el campo eléctrico radiado por la reflexión, para llegar de vuelta hasta la antena, debe recorrer otros λ/4, esto produce un nuevo retardo de 90º, el cual, al acumularse a los dos retardos anteriores, suma un retardo total de 90º+180º+90º = 360º. Por tanto, la señal reflejada en el suelo llegará en fase justo a tiempo para sumarse al ciclo siguiente que se origina de nuevo en la antena. Ahora ambos campos radiados se suman en fase y, por tanto, se refuerza el campo original  con el reflejado y se consigue un campo eléctrico casi doble del inicial, lo que podría representar hasta +6 dB de ganancia teórica en directividad o concentración de potencia.

En la práctica, debido a que el suelo también experimenta mínima reactancia inductiva en la capa más exterior de la tierra, precisamente por donde intenta circular la RF, también se produce un ligero retardo adicional de la señal en la reflexión en el suelo, por lo que el retardo en el suelo es algo superior a 180º.

En consecuencia, la altura óptima para NVIS de un dipolo horizontal, en lugar de ser la teórica de ¼ λ (o sea 0,25 de λ), en la práctica es algo menor y se reduce a tan solo 0,2 de λ. Esa altura es la que da lugar a los 360º de retardo óptimo que permite que se sumen la onda directa y la reflejada hacia el cenit.

Alturas más favorables para NVIS del dipolo horizontal:

Banda de 40 metros: altura óptima 40 x 0,2 = 8 metros

Banda de 60 metros: altura óptima 60 x 0,2 = 12 metros

Banda de 80 metros: altura óptima 80 x 0,2 = 16 metros

Antenas verticales descartadas

Las antenas verticales o de polarización vertical no emiten bien hacia el cenit ni tampoco se reflejan tan eficazmente en el suelo como las antenas de polarización horizontal, por lo que NO nos interesan para nada como antenas NVIS pues sus radiación se produce de preferencia hacia ángulos bajos de radiación, más apropiados para el DX, tal como se contempla en la figura 5a, mientras que las antenas horizontales o de polarización horizontal como el dipolo, tienen diagramas de radiación vertical como se los de la figura 5b y son óptimas para NVIS.

Figura 5a: Antena vertical sobre suelo real.Figura 5b: Dipolo horizontal NVIS.

En este diagrama se ve claramente que una antena vertical sobre un suelo real de conductividad mediana (Figura 5a) no radia apenas nada hacia los ángulos de comunicaciones NVIS, que son los de elevación mayores de 60º, mientras que un dipolo horizontal, colocado a la altura correcta de 0,2 λ, concentra su radiación entre +60º y 140º, y son perfectas para NVIS, a pesar de que tiene algunos inconvenientes que vamos a examina a continuación:

Inconvenientes del dipolo de media onda horizontal

Primer inconveniente del dipolo horizontal: Para su instalación necesita dos soportes verticales de buena altura (h = 8 o 12 o 16 metros) y estos soportes necesitan riostras para mantenerse bien erguidos, lo cual hace que se necesite un espacio mayor que media longitud de onda para su instalación del que exigen sus dimensiones, porque por lo menos debe haber una riostra más allá de cada mástil para  soportar la tensión del cable de la antena. Si pretendemos que quede  horizontal (figuras 6a y 6b).

Figura 6a: Dipolo horizontal visto de perfil.Figura 6b: El dipolo necesita más espacio.

Segundo inconveniente del dipolo horizontal: su radiación no es omnidireccional porque su diagrama de radiación horizontal tiene dos huecos en la dirección de las puntas o extremos del propio cable (Figura 7a).

Tercer inconveniente del dipolo horizontal: es  prácticamente monobanda, pues al alimentarlo en el centro de la antena, solo podemos utilizarlo también con una ROE aceptable en la fundamental para la que hemos cortado su longitud en media onda y, como mucho, en el tercer armónico, o sea en una frecuencia triple de la fundamental. Por tanto, podríamos decir que como máximo es bibanda, pero ya la segunda banda es una frecuencia mucho más alta de las usadas habitualmente para NVIS.

El dipolo en V invertida

Los dos primeros inconvenientes los resuelve perfectamente la disposición en V invertida, puesto que, colocado de esta forma, el dipolo en V invertida es perfectamente omnidireccional (Figura 7b), y solo necesita un mástil central de soporte. Además, los propios cables y sus cuerdas de sujeción nos sirven de riostras para mantener el mástil erguido en su posición.

Figura 7a: Diagrama acimutal dipolo.Figura 7b: Diagrama acimutal V  invertida.

En la figura 7a se ve muy claramente que la radiación del dipolo es casi nula en la dirección de las puntas, mientras que la colocación en V invertida (Figura 7b) nos muestra que en esta forma el dipolo radia de un modo prácticamente omnidireccional.

Ya hemos resuelto los dos primeros inconvenientes del dipolo, puesto que ahora ya solo necesitamos un soporte central y ya radia de forma omnidireccional, pero nos sigue fallando el tercer inconveniente, porque el que la V invertida alimentada en el centro sigue siendo una antena muy monobanda que solo funciona también en el tercer armónico y podríamos decir en cierto modo que solo es una antena bibanda, pero en frecuencias de poco interés NVIS.

La V invertida también es bibanda

Efectivamente, un dipolo horizontal o una V invertida para 40 metros puede ser también utilizado con muy poca ayuda de acoplador en el tercer armónico de 7,1 MHz, es decir en 7,1 x 3 = 21,3 MHz o sea en la banda de 15 metros (Figura 8), aunque necesitaremos alguna ayudita de un acoplador para adaptar bien una ROE de casi 3:1.

Figura 8: La V invertida para 40 metros resuena también en 15 metros.

 

Por otra parte, un dipolo horizontal o una V invertida para 80 metros (3,5 MHz) con 42 metros de cable, puede también ser utilizado con un toque de acoplador en 3,5 x 3 = 10,5 MHz o sea en la banda de 30 metros.

Finalmente, de modo anecdótico se puede comentar que, si pudiéramos disponer de un dipolo o V invertida para 160 metros (con 84 metros de cable horizontal o en V invertida), también funcionaría en 60 metros (1,8 x 3 = 5,4 MHz), pero supongo que estaréis de acuerdo conmigo en que no es fácil colocar todo ese cable de antena. Yo no sé cómo hacerlo.

El dipolo no es una buena antena multibanda

Como el dipolo se alimenta por el centro con una impedancia muy baja que es apropiada para nuestros cables coaxiales y en el centro da la casualidad de que se produce la  máxima corriente de RF, cuando doblamos la frecuencia y pretendemos trabajar en un segundo armónico, nos encontramos con que el dipolo presenta un mínimo de corriente y un máximo de tensión, lo que produce en el centro una impedancia elevadísima que impide el acoplamiento y la adaptación al cable coaxial (Figura 9a).

En cambio, para el tercer armónico, aparece un mínimo de impedancia en el centro que permite la mejor adaptación al coaxial con un poco de ayuda del acoplador (Figura 9b).

Figura 9a: Impedancia máxima en el centro para el 2º armónicoFigura 9b: Impedancia mínima en el centro para el 3er. armónico.

La V invertida triple es multibanda

Es relativamente fácil convertir una V invertida en una antena multibanda combinando varios dipolos resonantes conectados en paralelo, lo que recibe el nombre de bigotes de gato, de modo que los tres dipolos quedan conectados al mismo balun 1;1 simetrizador del cable coaxial.

Conectamos las tres antenas de una forma que podríamos llamar en paralelo, teniendo en cuenta que deberemos ajustar las longitudes de forma algo diferente, pues siempre se afectan algo entre sí, especialmente el dipolo en V invertida para 60 metros, cuya longitud es la que más hay que retocar para que resuene en 5,35 Mhz.

Figura 10a: V invertida triple en planta.Figura 10b: V invertida triple vista de perfil.

Una condición  importante para el montaje en la práctica es que, para que no se afecten las antenas entre sí, lo que debemos hacer es separar los extremos de los tres dipolos en direcciones tan distintas como sea posible (Figuras 10a y 10b), para que no se afecten entre ellos, pues si los colocáramos en el mismo plano vertical, unos encima de otros, que sería lo más fácil, nos encontraremos con que se afectan mutuamente tanto en impedancias como en radiación, con lo que se nos estropea su funcionamiento óptimo. El resultado de su modelación en EZNEC+ con las puntas bien separadas lo podéis ver en la gráfica de ROE de la  figura 11 en la que se ve que es fácil  conseguir la resonancia y adaptación perfecta en las tres bandas.

Figura 11: Gráfica de ROE de la V invertida triple en bigotes de gato.

 

¿No nos cabe?

Tenemos una solución muy sencilla que no altera ni la resonancia ni la radiación: si desviamos los extremos de los cables que no nos caben en las direcciones que más nos convengan.  Las disposiciones que funcionan prácticamente igual a la original, son las que mostramos en las figuras 12 a y 12 b. La primera resuelve el problema de la falta de amplitud  y la segunda resuelve el problema de la falta de longitud.

Figura 12a: Estrechamos el espacioFigrua 12b: Acortamos el espacio

La EndFed de 40 m es más multibanda

La antena EndFed horizontal o en V invertida de media onda alimentada por un extremo es una mejor antena multibanda que el dipolo porque, al alimentarla por su extremo, podemos aprovechar la resonancia de la longitud de media onda en todos los armónicos pares e impares de la frecuencia fundamental (Figura 13). Esto sucede porque en un extremo de media onda o sus múltiplos siempre se presenta una impedancia muy elevada, pero que podemos  adaptar con un autotransformador o transformador de impedancias alta/baja (49:1) con una relación de espiras interna de 7:1.

Veamos primero las resonancias de una EndFed de media onda para 40 metros simulada en el programa EndFed+ con una longitud de 21,5 metros de cable con adaptador alta/baja en el extremo en la figura 13:

Figura 13: EndFed para 40 metros con 21,5 metros de cable.

Comprobamos que la antena de cable de 21,5 metros se puede acoplar y resuena en 40++20+15+10 metros, lo que no está nada mal: 4 bandas para un solo cable. En 40 metros nos queda un poco alta de ROE para transmisores quejicas, pero nada que no pueda resolver cualquier acoplador.

La EndFed para 80 m es más multibanda aún

Finalmente, a continuación mostraremos las resonancias de una EndFed para 80 metros con 43 metros de cable. Son muchos metros de cable para una operación en portable, pero el resultado multibanda es tan espectacular que deberíamos plantearnos siempre si podemos encontrar la forma de colocar en alto tanto cable, porque podríamos trabajar todas las bandas (figura 14) con la resonancia de la antena asegurada en nada menos que en las bandas de  80+40+30+20+18+15+12+10 metros, aunque con algo de ayuda de un acoplador en algunas de ellas.

Figura 14: Resonancias EndFed para 80 metros con 43 metros de cable.

Banda de 60 metros

Desgraciadamente, la banda de 60 metros no está relacionada armónicamente ni con los 40 ni con los 80 metros. En la siguiente parte de este artículo, mostraremos algunos trucos con los que podremos conseguir también el funcionamiento de nuestros dipolos y nuestra EndFed en los 60 metros para una operación multibanda que incluya los 60 m, a pesar del problema de que los 5,35 MHz de la banda de 60 metros sólo están relacionados armónicamente con la banda de 160 metros (1,8 x 3), lo que exigiría instalar 86 metros de cable para poder aprovechar un funcionamiento bibanda  y eso si que ya son palabras mayores y una longitud de cable totalmente indigesta.

73 Luis EA3OG