COMO HACER UNA ANTENA DIPOLO V INVERTIDA DE MEDIA ONDA

 

Por Sergio Zuniga

XQ2CG

La Serena, Chile – agosto de 2010.

 

 

            Este es un artículo dedicado a los radioaficionados que comienzan.

 

            El dipolo es sin duda una de las antenas de HF que encabeza el ranking de preferencias por su 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 interesantes de comentar.

 

 

1.- DIMENSIONES

 

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

 

 

Esta ecuación es válida para alambre desnudo. Si el alambre está forrado/aislado, la antena es un poco más corta debido a la menor velocidad que produce la aislación. A pesar de que pueden obtenerse fórmulas precisas según las características del cable, es recomendable partir con la ecuación anterior por un motivo práctico: es más fácil cortar que agregar cable.

 

            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 ---> 19,30 m cada brazo.

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

 

 

2.- ESPACIO MÍNIMO NECESARIO PARA INSTALAR UNA V INVERTIDA

 

            Debemos ver si el dipolo deseado entra o no en nuestro terreno. Supongamos que ponemos los dos brazos de la antena en V invertida en 90 grados. Conociendo el largo de cada brazo obtenemos dos medidas claves: a) la altura mínima requerida desde el centro de la antena hasta el suelo, y b) el terreno horizontal necesario entre cada punta de cada brazo del dipolo.  Esto se muestra en la Tabla siguiente.

	Altura mínima requerida desde el centro de la antena hasta el suelo (altura de la torre o mástil)	Terreno mínimo necesario entre cada punta de cada brazo del dipolo
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 m 1.8 m 2.4 m 3.6 m 7.1 m 13.6 m	2.0 m 3.5 m 4.8 m 7.1 m 14.2 m 27.3 m

 

            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 los brazos se hacen llegar a unos postes, cerco o muro, de por ejemplo 2 m de altura, entonces Ud. necesita 2 m 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.

 

            Las puntas de un dipolo deben estar lejos del suelo y de cualquier objeto que no sea muy buen aislante, ya que en las puntas de una antena hay muy alta tensión, y la cercanía con cualquier objeto produce una fuerte desintonía y pérdida de potencia. Eso también debe tenerse en cuenta para calcular el espacio requerido.

 

 

3.- ANGULO DE LOS BRAZOS DEL DIPOLO: ¿V INVERTIDA O DIPOLO RIGIDO?

 

- El dipolo extendido requiere más espacio (en bandas de HF) que una V invertida.

- La punta de los brazos la V invertida se acercan al suelo, y por eso tiende a capturar interferencias.

 

            La forma del lóbulo de irradiación del dipolo varía fuertemente con la altura del dipolo. El siguiente gráfico muestra comparativamente los patrones verticales de un dipolo horizontal y una V invertida, ambas a 15m de altura en sus vértices. Puede concluirse que a unos 15 metros de altura el dipolo extendido tiene un desempeño superior a la V invertida, con un lóbulo mejor conformado y un menor ángulo de irradiación, lo que es beneficioso para lograr comunicados a larga distancia.

 

Patrón vertical: dipolo horizontal extendido a 15m de altura

Patrón vertical: V invertida horiz. con centro a 15m de altura

 

            Sabemos que en el espacio infinito el dipolo de 90 grados (aprox) tiene una impedancia de 50 Ohm, y el dipolo extendido tiene una impedancia cercana a 75 Ohm. Sin embargo, a las alturas usuales en que los aficionados ponen las antenas, la impedancia de ambas puede estar bastante cerca de los 50 Ohm.

 

            La tabla siguiente muestra que según la altura, el dipolo extendido puede dar una ROE más baja y un mejor desempeño que una V invertida.

 

Simulaciones en MMana-Gal en terreno promedio (constante dieléctrica 13.0 y conductividad 5.0 mS/m).

Ambas antenas de cable de cobre de 2mm diám., con centro de antena de 10 cms, y un largo variable para menor ROE en 7,1 Mhz.

 

            Conclusión: Si tiene terreno suficiente, intente levantar los brazos de la V invertida para transformarla en un dipolo extendido.

 

 

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

 

            Un dipolo en la banda de 40 metros ubicado a 10 metros de altura, está a una altura de 0.25 de la longitud de onda (0,25 lambdas).

 

- Las antenas que irradian con polarización horizontal (ej. dipolo) tienen un rendimiento muy pobre a muy baja altura.

- A mayor despeje de elementos circundantes, menor es la alteración a los lóbulos de irradiación.

- La impedancia del dipolo extendido no es siempre de 75 ohms, sino que depende de la altura en que se encuentre.

 

            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 extendido al instalarlo muy cerca de la tierra, versus instalarlo a gran altura.   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.

 

            Si bien la altura del dipolo es importante, elevar innecesariamente las antenas tiene un alto costo:

a) el costo de comprar más coaxial, y peor aún,

b) la pérdida en decibeles que viene implícita en largos coaxiales. El ARRL_Handbook_2009, página 21.7 muestra un gráfico de la atenuación en decibeles de distintos tipos de coaxial (cada 100 pies de largo), según la frecuencia de trabajo.

 

            Contrario a los dipolos, las antenas verticales se desempeñan mejor a baja altura.

 

 

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

 

            La siguiente tabla analiza los efectos de la longitud del coaxial según la impedancia de la antena y según si el coaxial es perfecto o no. Esto, asumiendo que queremos llegar con 50 ohms al equipo de radio. El caso más realista y probable que enfrentamos es el caso 3, coaxial de 50 ohms con pérdidas, y puede verse en la tabla que el largo del coaxial no tienen ningún efecto sobre a ROE.

 

	Antena perfecta Z=50 ohm	Antena imperfecta Z=60+10j
Caso 1: coaxial perfecto 50 ohm, sin pérdidas	ROE=1:1 independiente del largo del coaxial.	ROE=1:1,29 independiente del largo del coaxial.
Caso 2: coaxial 75 ohms sin pérdidas	ROE=1:1,50 independiente del largo del coaxial.	ROE=1:1,81 independiente del largo.
Caso 3: coaxial de 50 ohms con pérdidas	ROE=1:1 independiente del largo del coaxial.	ROE depende de la pérdida, pero no del largo.
Caso 4: coaxial 75 ohms con pérdidas	ROE depende de la pérdida, pero no del largo del coaxial.	ROE depende de la pérdida y del largo.

 

Conclusión acerca del largo del coaxial en un dipolo: Teniendo un buen sintonizador de antenas podemos casi olvidarnos del tema del largo del coaxial, y la longitud recomendada obedece más bien a:

a) mantener el dipolo a una altura razonable,

b) evitar pérdidas por atenuación debido a un largo innecesario del cable,

c) evitar gastos innecesarios en coaxial y mástiles o torres.

 

Caso especial: Una línea de 1/2 onda exacta tiene como propiedad que la impedancia de la línea (coaxial) no influye sobre la medición. Da lo mismo que se use cable de 50 o 75 Ohm. Con tal que tenga perdidas despreciables, 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, esto no es de interés (salvo casos especiales) porque uno quiere trabajar 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.

 

 

 

6. ¿ES CRÍTICO EL DIÁMETRO DEL CABLE IRRADIANTE USADO PARA LA ANTENA?.

 

- A mayor diámetro aumenta el ancho de banda, es decir evita que la ROE suba tan rápidamente al salir de la frecuencia central.

- A mayor diámetro se tiene un mayor ancho de banda, se tiene una mayor ganancia en decibeles.

- El diámetro del cable usado no es crítico en el caso de las bandas de HF.

 

            Pero colgar alambre de gran diámetro 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.

 

El siguiente gráfico muestra que con un mayor diámetro del cable, adicionalmente a un mayor ancho de banda, se tiene una mayor ganancia en decibeles.   Este efecto es muy notorio para cables extremadamente delgados hasta un diámetro de 0,1 pulgadas (2,54 mm), pero de ahí en adelante el efecto es despreciable. Fuente: Walt Fair, Jr., W5ALT

 

 

7.- ¿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. Esto no tiene nada que ver con la ROE de la antena, es decir un balun no protege a su equipo de una alta ROE (a menos que simultáneamente adapte la impedancia de la antena a la del equipo).

 

            La siguiente explicación proviene de Steve, G3TXQ: Las figuras de abajo muestran en verde los dos brazos de un dipolo extendido de media onda. El pequeño círculo rojo en el centro de la antena es el punto de alimentación. Las líneas púrpura representan la distribución de la corriente.

 

- a) Sin coaxial, tal como se espera, la distribución de la corriente en la antena es la mitad de la onda (media onda).

- b) Si conectamos un coaxial a la antena (sin balun), casi toda la corriente (en púrpura) que del brazo derecho, baja por fuera del coaxial. Entonces el coaxial se ha convertido en el otro brazo del dipolo, y no el brazo derecho como debería. Entonces parte de la radiación que el equipo trata de enviar a la antena regresa al shack. En recepción, el coaxial recibirá las fuentes de ruido local (dentro del shack).

- c) Si se agrega un balun 1:1 en el punto de alimentación (un balún simple de 100 ohms) la mayoría de la corriente ahora fluye al brazo derecho del dipolo, pero aún existe alguna corriente en el coaxial.

- d) Incorporando un balun 1:1 con una impedancia de 1000 ohms, se recupera la situación al caso del dipolo original.

 

a) Sin Coaxial

b) Con Coaxial sin balun

c) Con Balun 1:1 de 100 ohms

d) Con Balun 1:1 de 1000 ohms

 

            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, el balun no tendrá beneficios, y será una fuente de pérdidas de señales en transmisión y recepción.

 

            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.

 

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. Este tipo de balun-choke es simple, barato y efectivo, es decir las tres B.   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 perjudicar en transmisión y recepción, a diferencia de balunes con ferritas mal elegidas, que sí causan problemas.

 

 

 

8.- CENTRO DE DIPOLO Y AISLADORES ECONÓMICOS

 

            Si ha decidido prescindir del balún, 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. El conector tipo N es impermeable, y puede usarse tanto entre el macho y la hembra, como entre el macho y el cable.

 

            En cuanto a cómo sellar los conectores, 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, indica que en una oportunidad agregó dos segmentos de coaxial con una doble hembra SO 239 (el conocido ‘barrilito’). 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. 

 

A la derecha una foto de la solución que hizo Gustavo, CE4WJK, muy buena para soportar la intemperie.   - Dos pernos de bronce “pasados”, y bien apernados. Nótese que los extremos 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.

 

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.

 

           

9.- CONSIDERACIONES FINALES.

 

- La importancia de contar con un medidor de ROE: En otros artículos ya mencionamos que el instrumento básico para evaluar las antenas, las líneas de transmisión y equipos es un medidor de Potencia-ROE. Afortunadamente algunos equipos de radio modernos ya vienen con medidores incorporados. También los sintonizadores de antenas modernos traen uno incluido. Aún así, siempre tenga uno a mano, especialmente si le gusta experimentar.

 

- Soldaduras: Considere también 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. 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.

 

 

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

 

Sergio Zuniga – XQ2CG

Agosto de 2010, actualizado en marzo de 2014.

Se agradecen las observaciones de Manfred, XQ6FOD