Utilice trampas para habilitar el funcionamiento multibanda con antenas dipolo

La antena dipolo de cable largo de importancia histórica puede parecer un anacronismo en estos días de dispositivos inalámbricos compactos y altamente móviles que operan en el espectro de gigahercios, pero ese no es el caso. Debido a sus numerosas virtudes, todavía es ampliamente utilizada por militares, servicios de emergencia, locutores y aficionados de la radio (hams) para enlaces punto a punto de larga distancia en todo el mundo y transmisiones de área amplia.

Entre estas virtudes se encuentran la flexibilidad, la facilidad de instalación, el patrón de radiación ajustable, la baja visibilidad para los demás y el pequeño tamaño de embalaje/transporte. Se utiliza principalmente en frecuencias por debajo de 30 megahercios (MHz) (longitud de onda de 10 metros (m)) en lo que históricamente se designó como la banda de alta frecuencia (HF) que abarca de 3 a 30 MHz, así como en frecuencias más bajas/longitudes de onda más largas. Como beneficio adicional, una sola antena dipolo puede servir a múltiples bandas simultáneamente mediante la adición de circuitos LC resonantes simples llamados trampas en ambos brazos del dipolo.

Este blog proporcionará una breve descripción general del principio de la antena de cable largo (dipolo), señalará algunas teorías comparándolas con consideraciones del mundo real, y explicará cómo las trampas pueden ampliar su utilidad para funcionar como una antena multibanda. (Algunas de estas consideraciones se aplican a otras configuraciones del dipolo, como el conocido dipolo plegado, pero también existen diferencias importantes).

¿Por qué utilizar una antena dipolo de cable largo?

Dado que muchas de las antenas actuales son cortas (en la mayoría de los casos, del orden de un metro o menos) o casi invisibles, como el resonador de chip o la antena F invertida plana (PIFA) dentro de un teléfono inteligente, el dipolo de cable largo puede parecer una antigüedad o curiosidad. Sin embargo, las ecuaciones de Maxwell y la teoría de ondas muestran que un radiador/receptor dipolo efectivo debe tener una dimensión primaria de la mitad de la longitud de onda de interés. Esta antena dipolo clásica no está conectada a tierra y presenta una carga simétrica y equilibrada para el amplificador de potencia del transmisor y el amplificador front end del receptor (Figura 1). (La impedancia nominal de un dipolo ideal es de 73 Ω, pero a menudo se cita como 75 Ω; la diferencia es insignificante). Si la antena está conectada a la línea de alimentación común de 50 Ω, se necesita un arreglo de adaptación de impedancia modesto entre la línea de alimentación y la antena.

Figura 1: La antena dipolo clásica y básica tiene dos brazos de un cuarto de longitud de onda y aparece como una carga resistiva balanceada de 73 Ω en su frecuencia operativa resonante. (Fuente de imagen: MicrowaveTools)

Si se utiliza un cable delgado para el dipolo, el ancho de banda normalmente será de alrededor del 5 % de la frecuencia central; un cable más grueso aumentará el ancho de banda hasta en un 20 %, pero afectará otros atributos de rendimiento. Si la conexión al transmisor o receptor se realiza a través de un circuito con conexión a tierra y utiliza un cable coaxial como línea de alimentación, es posible que se necesite un transformador balun. Sin embargo, un cable coaxial también se puede usar directamente en muchos casos siempre que las impedancias coincidan correctamente.

Dado su diseño simple, es fácil ver el atractivo de la antena dipolo de cable largo. Todo lo que requiere son dos longitudes iguales de cable y una forma de unirlas a árboles, edificios, postes indicadores o lo que sea útil. La antena no suele estar conectada directamente a esos soportes; en su lugar, generalmente se usa una longitud de cable y aisladores como "separadores" de fijación (Figura 2).

Figura 2: El dipolo generalmente se une a sus soportes a través de aisladores (blancos) y longitudes de cable que permiten que las longitudes de los brazos del dipolo se mantengan independientemente de la distancia entre los soportes. (Fuente de imagen: Physics Forums)

En la práctica, la longitud real de la antena para un rendimiento óptimo probablemente deba ajustarse para adaptarse al hecho de que el cable tiene un grosor finito y a otras variaciones de la teoría, pero este ajuste suele ser inferior al cinco por ciento. Incluso si no se ajusta, el rendimiento suele ser bastante bueno y la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) suele estar por debajo de un 1.5:1 generalmente aceptable.

En aquellos casos en los que haya un cambio o desajuste significativo en la impedancia de la antena, el VSWR aumentará a un nivel inaceptable y el rendimiento se verá afectado. En tales casos, se utiliza un sintonizador de antena ajustable en la línea de alimentación para compensar e implementar una transición.

La ganancia teórica del dipolo es de alrededor de 2 dBi (dB relativo al isótropo). Su patrón de radiación es simple y, a menudo, está simbolizado por un toro o una rosquilla (Figura 3).

Figura 3: El patrón de radiación del dipolo visto desde arriba en el plano vertical (A) y desde un lado en el plano horizontal donde parece un toro o una rosquilla (B). (Fuente de imagen: Science Direct)

El usuario puede ajustar la orientación de la antena para dirigir la máxima energía del transmisor/sensibilidad de recepción hacia el transceptor de radio previsto, que a menudo se encuentra a miles de kilómetros de distancia. Hay muchos casos documentados de comunicación exitosa a estas distancias utilizando un dipolo a 20 y 40 m con potencia de transmisión muy por debajo del vatio y en condiciones de propagación atmosférica adecuadas, ya que su eficiencia y patrón de radiación son buenos.

La operación multibanda amplía la versatilidad

En muchas situaciones de comunicación de alta frecuencia del mundo real, es necesario tratar de establecer un contacto en más de una banda al mismo tiempo o cambiar de banda a diferentes horas, ya que la conectividad es una función de muchas variables, como manchas solares, ruido atmosférico, luz diurna en contraste con operación nocturna, y las condiciones de propagación varían constantemente. Como resultado, una antena dipolo de banda única puede resultar insuficiente.

La solución obvia es configurar múltiples antenas dipolo, una para cada banda/longitud de onda de interés. Sin embargo, esto presenta dificultades prácticas para manipular, atrapar, manejar y cambiar entre múltiples líneas de alimentación. En algunos casos, se podría usar un divisor/combinador de RF para permitir que una sola línea de alimentación se conecte a dos antenas, pero esto produce pérdidas y nuevos problemas de adaptación de impedancia.

Afortunadamente, existe una mejor solución que, como el dipolo, se ha utilizado desde los primeros días de la tecnología inalámbrica: la "trampa". (No está claro cuándo se introdujo por primera vez este término o quién lo introdujo; la palabra no se usa en la patente de EE. UU. 2.229.865 de 1941 que presenta la técnica). Una trampa es una combinación simple de inductor-capacitor (LC) conectada en paralelo que es autorresonante entre dos bandas de interés.

Se inserta una trampa en cada brazo del dipolo para que la antena tenga dos longitudes eléctricas pero una sola longitud física. A frecuencias por debajo de la frecuencia resonante, la reactancia de la trampa será inductiva; por encima de la frecuencia resonante, será capacitiva. Las trampas actúan como un interruptor al cortar eléctricamente el resto de la antena en la frecuencia de diseño de la trampa y funcionar como una bobina de carga por debajo de la frecuencia resonante de la antena.

Un modelo eléctrico simplificado de la trampa muestra el inductor y el capacitor físicos y una pequeña resistencia parásita (R_P) (Figura 4).

Figura 4: La trampa es un circuito LC resonante simple con cierta resistencia inevitable no deseada que se puede modelar en serie (a) o como un circuito RLC en paralelo (b). (Fuente de imagen: AntenTop)

Las trampas pueden tener la reputación de tener pérdidas, lo que sería un problema tanto para los modos de transmisión como para los de recepción. Sin embargo, una trampa correctamente diseñada y sintonizada impondrá una pérdida modesta del orden de 1 dB, y eso suele ser aceptable a cambio de la comodidad que proporciona.

Selección de los valores de los componentes de la trampa

Matemáticamente, hay un número infinito de emparejamientos de LC que darán como resultado una frecuencia resonante deseada. Sin embargo, muchos de estos requerirían un inductor extremadamente pequeño (o grande) combinado con un capacitor extremadamente grande (o pequeño), respectivamente. Tal emparejamiento se vería excesivamente afectado por parásitos y problemas de tamaño físico, y también tendría un factor Q (factor de calidad) que sería demasiado estrecho o ancho para la banda de interés.

Afortunadamente, existe una cantidad considerable de publicaciones disponibles sobre el tamaño de las trampas basada en la teoría, la implementación y la experiencia práctica en el campo. Por ejemplo, una trampa que usa un inductor de 5.55 microhenry (µH) emparejado con un capacitor de 100 picofaradios (pF) es un buen punto de partida para un dipolo de 80/40 m (Figura 5).

Figura 5: Los valores de los componentes que se muestran y las dimensiones lineales del dipolo (en pies) son un buen punto de partida para un dipolo multibanda de 80/40 m. (Fuente de imagen: QSL Net)

Seleccionar los componentes de la trampa es algo más que determinar los valores adecuados de L y C, ya que existen algunos problemas muy prácticos de manejo de potencia y robustez. Para las antenas de solo recepción, casi cualquier inductor o capacitor puede manejar la cantidad muy pequeña de energía recibida, que es del orden de milivatios y, a menudo, menos. Sin embargo, los transmisores a menudo proporcionan niveles de potencia que oscilan entre las decenas, las centenas e incluso más vatios, por lo que los componentes de la trampa deben estar clasificados para esos niveles de potencia.

Las trampas también están expuestas a la intemperie. Si bien algunas antenas dipolo están ubicadas en entornos benignos, como un ático o un granero de madera, la mayoría están al aire libre y, por lo tanto, deben soportar la lluvia, la presión del viento, las temperaturas extremas, la condensación y más. Por lo tanto, la trampa y su conexión deben estar completamente selladas, tener algún tipo de disposición de drenaje y ventilación, o estar construidas con materiales resistentes a la intemperie. Incluso si las conexiones permanecen intactas, cualquier intrusión de agua o corrosión puede afectar los valores de los componentes y, por lo tanto, cambiar la frecuencia resonante.

Por lo general, la construcción de trampas requiere encapsular sus componentes sellándolos en una caja de plástico, usando un revestimiento conformado o usando algún tipo de construcción expuesta resistente a la intemperie (Figura 6). La tubería de PVC de bajo costo se usa a menudo como núcleo de un inductor bobinado; en otros casos, se utiliza una tubería de PVC con tapas terminales herméticas como recinto con orificios de acceso estancos.

Figura 6: En esta trampa casera de 80/40 m se utiliza un inductor bobinado a mano alrededor de un tubo de PVC como soporte central. (Fuente de la imagen: www.vk4adc.com)

Hay otra cuestión práctica por considerar: ajustar y recortar los componentes de la trampa. Si bien el cálculo de los valores de los componentes es un primer paso necesario, estos valores ideales a menudo no son lo suficientemente cercanos debido a los parásitos, el diámetro del cable y las imperfecciones del bobinado del inductor, por citar solo algunos factores del mundo real.

Por esta razón, la mayoría de las trampas caseras y muchas comerciales permiten al usuario realizar algunos ajustes en los valores L y C en el campo para lograr el rendimiento deseado, lo que generalmente se realiza con un medidor VSWR. Este ajuste puede ser un proceso iterativo frustrante, especialmente si es uno mismo quien realiza las implementaciones; nuevamente, hay muchos sitios web con sugerencias prácticas para simplificar el proceso.

El uso de trampas no se limita únicamente al uso de un dipolo de cable largo sobre dos bandas. Es posible construir antenas dipolo de tres e incluso cuatro bandas utilizando una serie de trampas. Sin embargo, hacer esto requiere ajustes adicionales y algunos compromisos de rendimiento y compensaciones en el patrón de radiación de la antena, la ganancia, el ancho de banda y otros parámetros.

No se limita a dipolos simples

Si bien las trampas generalmente se asocian a dipolos de cable largo básicos, no se limitan a ese diseño de antena. Por ejemplo, una antena Yagi Uda multibanda, direccional y de alta ganancia (a menudo llamada simplemente "Yagi") se construye utilizando una matriz de elementos dipolo activos y pasivos. Se usan trampas en el director, el controlador activo y los elementos reflectores de esta forma de Yagi para que pueda funcionar en múltiples bandas (Figura 7).

Figura 7: Las trampas se pueden utilizar para el funcionamiento de tres bandas en dipolos básicos, así como en antenas multibanda más complejas, como este diseño Yagi de 20/15/10 m; se muestran (de izquierda a derecha) el director de antena, el controlador y los elementos reflectores, cada uno con dos trampas en cada brazo. (Fuente de imagen: OnAllBands)

Es posible construir su propio dipolo, y muchos usuarios únicos hacen precisamente eso. Pero también están disponibles como unidades comerciales estándar como la KGI825 de PulseLarsen Antennas. Este dipolo básico de un cuarto de longitud de onda con una ganancia de 2 dB está diseñado para operar de 806 a 896 megahercios (MHz), centrado en 851 MHz (Figura 8).

Figura 8: La KGI825 es una antena dipolo de un cuarto de longitud de onda con una ganancia de 2 dB y una frecuencia central de 851 MHz. (Fuente de imagen: PulseLarsen Antennas)

La KGI825 puede manejar hasta 60 vatios de potencia de transmisión y ofrece un práctico montaje magnético dentro de una ventana de entre 0.138 y 0.158 pulgadas de grosor (3.5 a 4 milímetros). Viene con un cable coaxial RG-58/U de 14 pies (4.25 m) al que el usuario agrega el conector deseado.

Conclusión

La antena dipolo de cable largo humilde, modesta y de baja tecnología ha servido al mundo inalámbrico durante más de un siglo. Continúa haciéndolo gracias a su simplicidad, adaptabilidad, portabilidad y efectividad. Mediante el uso de trampas pasivas, su capacidad de funcionamiento puede extenderse a dos o incluso más bandas en la parte de alta frecuencia del espectro electromagnético.

Contenido relacionado

"Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 1" ("Entender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 1")

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

"Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 2" ("Entender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 2") https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

"Antennas: Design, Application, and Performance" ("Antenas: Diseño, aplicación y rendimiento")

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

“The Use of Baluns for Measurements” ("El uso de baluns para mediciones")

https://www.digikey.com/en/articles/the-use-of-baluns-for-measurements

“Understanding the RF Balun and its Transformative Function” ("Entender el balun de RF y su función transformadora")

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-rf-balun-and-its-transformative-function

“Use PIFAs to Solve the Small-Product, Smaller-Antenna Dilemma” ("Usar las PIFA para resolver el dilema de productos pequeños y antenas más pequeñas")

https://www.digikey.com/en/blog/use-pifas-to-solve-the-small-product-smaller-antenna-dilemma

Referencias externas

• H.K. Morgan, Patente de EE. UU. 2.229.865, “Sistema de antena de radio”
• MicrowaveTools, “Antena dipolo”
• Science Direct, “Fundamentos de la antena: Patrón de radiación”
• On All Bands, “Trampas de antena: una forma de lidiar con el espacio limitado ”
• QSL Net, “Circuitos y trampas afinados”
• AntenTop, “Modelado de antenas de trampa”
• AntenTop, “Antenas de trampa de múltiples rangos”
• Web de VK4ADC, “Trampas de antena de bajo costo”
• SOTABeams, “Uso de trampas de antena”