LA ANTENA VERTICAL Y LOS SISTEMAS DE “CONTRAPESOS”

Todos deseamos una antena eficiente, pero sucede que a veces tenemos poco espacio para montarla . Es mi caso. Por ello la nota de VK1BRH, escrita en primera persona, me resulto sumamente ilustrativa y decidi compartirla, luego de traducirla, con la cofradia de radioaficionados.
Como la construccion gramatical del ingles difiere de aquella que utilizamos en el idioma castellano, me permiti agregar entre parentesis, “muletillas”, para que el texto no perdiese su sentido original. Me atrevi a no traducir expresiones idiomaticas, por no tener estas un correlato preciso en nuestra lengua (ruego las disculpas del autor).
No es esta una traduccion literal ni ha sido asistida por “software”. 

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INTRODUCCION

Existe una variedad de articulos tratando las ventajas y desventajas de distintos sistemas de “contrapesos”. Los parametros de tales sistemas son dificiles de cuantificar en la practica (ya sea porque) las antenas se encuentran situadas en ubicaciones que no son las ideales, o la literatura que desea explicar lo que sucede, pone la informacion de modo poco practico o inaplicable, permitiendo al lector que extrapole mas alla de los limites de la informacion que se le presenta, haciendo que este arribe a conclusiones incorrectas.

Como resultado de estas dificultades nacieron dichos (populares, folcloricos) sin fundamento, por ejemplo “cuanto mas alto mejor”.

ACTIVIDADES

Me interesa operar en banda de 160 metros, (pero) desarrollar antenas razonablemente eficientes para esta banda es todo un desafio. Como me interesa el trabajo con antenas moviles y portatiles construi y experimente un poco. Fue dificil cuantificar los resultados, y, por otro lado, tedioso alterar los diseños, por lo que recurri a la “simulacion” (entiendase “software para simulacion”).

Luego de numerosas simulaciones vi que era posible optimizar la eficiencia de una antena mediante la alteracion de las corrientes terrestres (generadas) y al traves de la interaccion de las impedancias de la antena y su imagen sobre la tierra. Resulto un estudio fructifero si bien en un principio dude de los resultados obtenidos.

SIMULACIONES

Una organizacion de nota, la “Lawrence Livermore National Laboratory” (LLNL) fue comisionada por el Departamento de Defensa de los EEUU para realizar estudios teoricos y analisis practicos de varios sistemas de antenas. Hoy se dispone de material que ha sido “des-clasificado” y puesto a disposicion del publico.

Durante este periodo se desarrollaron varios programas de simulacion para computadoras; se destaca el “Numeric Electromagnetic Code” -Codigo Electromagnetico Numerico- (Mini NEC, NEC-2, y NEC 3. Mas actualmente el NEC 4).

NEC-81 es la version para PC anterior al NEC-2. Si desea obtener alguno de estos NEC-81, NEC-2 y MINI NEC, puede hacerlo atraves de la sociedad  Applied Computation Electromagnetic Society (ACES) contactando al Dr R.W. Adler, ECE Department, Code EC/AB, Naval Post Graduate School, 833 Dyer Rd, Rm. 437, Monterey California, 93943-5121, U.S.A o faxeando al Fax 1 408 649 0300 o al correo electronico 554-1304@mcimail.com, donde podra solicitar las condiciones, costos y gastos.

NOTA posterior a la publicacion del documento: Puede obtenerse “software” de dominio publico en Unofficial NEC2 pages. (Paginas no oficiales de NEC 2). NEC-2 puede modelar antenas proximas al suelo (tierra) con conductividad regular.

El analisis de este tipo de suelos esta basado en el trabajo de Sommerfeld. Estaria produciendo resultados de perdidas e impedancias en el punto de alimentacion realistas y razonablemente cuantificables.

“PERFORMANCE” DEL SISTEMA

El objetivo de la simulacion fue determinar las ventajas relativas de planos de tierra elevados en sistemas de verticales de largo reducido, por ejemplo hasta 0.25 de onda.

Tradicionalmente se mide la impedancia del punto de alimentacion de un sistema irradiante con perdidas comparandolo con el ideal teorico. En verticales, la resistencia del punto de alimentacion es llamado “resistencia de base” (Rb); esta compuesta de la “Resistencia de Irradiacion util” (Rr), mas todas las “perdidas por resistencia” (Rl). Rr puede ser evaluada teoricamente, y seria la Rb sobre un suelo (tierra) infinito e ideal.

Rr puede ser obtenida mediante una nueva simulacion de un modelo de suelo (tierra) ideal, si bien doblando el tiempo de procesamiento de datos para obtener un resultado. Afortunadamente NEC-2 calcula la cantidad de potencia irradiada alrededor de la antena y divide esto por la potencia aplicada. Esta ultima relacion depende de: si el modelo es simulado en espacio libre o sobre el suelo.

La region de radiacion de una antena en el espacio es similar a una esfera solida, por ello le damos un valor “uno”. En cambio situada la antena contra un suelo infinito e ideal, el valor seria aproximadamente “dos” atento el reflejo del suelo contra la hemiesfera superior (hasta 3db). Esta relacion se utiliza tambien para medir la estabilidad del modelo: si su valor excede grandemente al esperado, el modelo ha fallado.

Nota post-publicacion: Una antena puede presentar hasta 6dB sobre el patron de irradiacion en el espacio, debido a reflejos del suelo en algunas direcciones.

RESULTADOS

Con el termino “desplazamiento” significamos la medida de la altura del plano de tierra sobre el suelo; esta (aclaracion) pretende evitar confundir la medida (que llamamos “desplazamiento”) con la longitud de los elementos de la antena. Todos las longitudes, alturas y desplazamientos se encuentran medidos en largos de onda -lamdas- salvo que se indique lo contrario.

RESISTENCIA VS. “DESPLAZAMIENTO” DEL PLANO DE TIERRA

La Figura 1 muestra los efectos del “desplazamiento” bajo una antena vertical para 1,825 Mhz (con un largo de) de 0.10 de onda con tres radiales de la misma longitud. Para el suelo seleccione los parametros promedio: constante dielectrica relativa 13 y conductividad 5 mili-Siemens/metro (13,5); tipicos para tierra arcillosa seca tipica de la region de Canberra.

figura 1

Notese que la Rb es alta a “desplazamiento” cero, mucho mas alta que Rr, significando esto que Rb, a esta altura, se encuentra compuesta mayormente de resistencia, disipandose en el suelo en forma de calor. Notese cuan dificil resulta determinar, en este grafico, el “desplazamiento” optimo de las curvas Rb y Rr.

EFICIENCIA VS. “DESPLAZAMIENTO”

La Figura 2 nos muestra la eficiencia de la antena en las condiciones recien referidas. Hay un “pico” inicial a “desplazamientos” bastante bajos. Aprovecharemos este efecto.

COMPARATIVO: LARGO DE IRRADIANTES Y RADIALES VARIABLEDESPLAZAMIENTO CONSTANTE

La Figura 5 grafica la simulacion realizada por Eric, VK3AX, de una vertical para 1,825 Mhz con 3 radiales montada a 20 pies (6,10m) sobre tierra arcillosa promedio (13,5). Nos interesaban los efectos de la altura y la longitud de los radiales. En el grafico se muestra el largo del irradiante en pies y largos de onda.

figura 5

Observese que irradiantes cortos se comportaron bastante bien con radiales de un largo de 0.15 de onda. El resultado justificaba llevar tal antena a la practica. En tanto el largo de los irradiantes aumenta de 0.06 a 0.15 de onda la eficiencia aumenta un 5%, siendo poca la ganancia que se obtiene al extender los irradiantes hasta 0,25 de onda. De hecho este ultimo largo es notoriamente menos eficiente que un irradiante de 0.148 de onda. En todas las curvas aparece un largo optimo para irradiantes y radiales. Una vez mas, observese que resultan optimos los radiales menores a un cuarto de onda para irradiantes cortos.

COMPARATIVO: PLANO ELEVADO / FRECUENCIA

La Figura 6 muestra que sucede al cambiar la frecuencia. El analisis ha sido realizado para las bandas de 160m, 80m, 40m y 20m posibilitanto que se apliquen los resultados a vuestras bandas preferidas. Se utilizaron en la simulacion longitudes de irradiantes y radiales de 0.25 de onda y 3 radiales.

Se etiqueto cada curva en funcion de las caracteristicas del suelo. Las nombramos de arriba hacia abajo: Perfecta -agua de mar-, Buena, Promedio y Pobre. La curva promedio etiquetada (13,5) es indicativa de suelos arcillosos secos. Las graficas que siguen cubren bandas de 160, 80, 40 y 20 metros.

figura 6a1

figura 6b1

Notese que las curvas tienen un pico a “desplazamientos” entre 0.002 y 0.05 de onda. Mas dificil resulta observar, dada la escala de los graficos, que las curvas descienden a una eficiencia cero, a cero altura (Se observa mejor en la Figura 2).

CONCLUSIONES

De las Figuras resultantes de la simulacion resulta obvio que la eficiencia decrece dramaticamente cuando el “desplazamiento” del plano de tierra se aproxima a cero.

Cuando se utilizan tres o mas radiales, su largo resulta mas importante para la eficiencia en general, que el numero de estos, con alguna excepcion. Bajo ciertas condiciones he notado que se presenta un efecto colateral interesante: el uso de una vertical con un solo radial fue substancialmente mas eficiente que una antena con cualquier otro numero de radiales; este “hibrido” ha sido estudiando y aplicado en sistemas marinos y terrestres. (Me agradaria realizar un analisis de este tema y antenas horizontales mas adelante).

El articulo original y la bibliografia se encuentran en: Short Vertical Antennas and Ground Systems – VK1BRH * Copyright (c) Ralph Holland 1995, Copyright ( c) Amateur Radio 1995.  http://www.arising.com.au/people/holland/ralph/shortvert.htm

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