La antena más barata del mundo
Una de las cosas más bonitas que puede hacer el radioaficionado es probar antenas. Ya sé que alguno me dirá que eso es caro en dinero y arriesgado en equilibrios por los terrados. Yo pretendo demostrar lo contrario, presentándole la antena más barata del mundo y que, además, no hace falta instalarla en un mástil, sino que incluso se puede tener encima de la mesa.
En una de esas vacaciones de Pascua en las que me vi obligado a ir a parar a un apartamento alquilado en el que no podía pretender instalar ninguna antena, se me ocurrió experimentar con un modelo que había visto en un libro de antenas, cuyo título ahora no recuerdo. La antena era la llamada antena de ranura, pero a mí se me ocurrió enrollarla alrededor de un bidón de madera y la convertí en la antena de tambor, diseño que no he visto nunca comentado, aunque se convierte inmediatamente en la DDR o Direct Driving Ring Radiator (anillo radiante de acoplamiento directo). Pero estudiemos de momento el diseño básico.
Una ranura en una superficie metálica es exactamente el negativo eléctrico de un dipolo de 1/2 longitud de onda. No es un tipo de antena muy corriente en la práctica, puesto que, normalmente, una ranura es un hueco en una placa metálica y es más caro perforar una plancha para obtener una antena, que construirla con tubo o varilla, aparte de que la varilla tiene menos resistencia al viento. Sin embargo, este tipo de antena es de gran aplicación en los aviones, en los que, por las velocidades a que se mueven y la resistencia del aire, no es fácil montar nada que sobresalga del fuselaje del avión, mientras que una ranura rellena de algún material aislante es fácil efectuarla en el fuselaje. De ahí que existan muchas aplicaciones de estas antenas que, aunque no son demasiado apropiadas para nosotros, pueden ser de alguna utilidad en ocasiones especiales.
Hasta ahora hemos hablado de una superficie metálica en la que se practicaba una ranura, pero si tuviéramos que comprar una plancha de cobre para mecanizarla, tendríamos que suprimir la palabra «barata y fácil de construir» del título de este artículo.
Pero existe un material muy apropiado con el que se pueden construir todas las antenas de ranura que queramos y por un precio irrisorio que no me atrevo a calcular, pero seguro que no llega a un duro: un metro y pico de papel de aluminio. Como mucho, lo que podría encarecer la antena es el soporte sobre el que tendremos que sujetar el papel de aluminio. Si utilizamos cartón, el precio sube disparado. Si la colocamos sujeta con cinta adhesiva a una puerta o a una ventana, desaparece el problema.
La puerta tiene la ventaja de que podemos girarla 90° y compensar la pequeña directividad que pudiera tener, o mejor dicho, el ángulo muerto que nos pudiera quedar, con un movimiento tan simple como el de abrir o cerrar la puerta. Y no me he atrevido a poner en el título la antena más barata del mundo con rotor, porque todos habríais saltado diciendo: «Vaya pasada, tío...»
Dimensiones básicas
Vamos a estudiar las dimensiones que debería tener la ranura que debemos practicar en el aluminio, partiendo de la idea que ya os exponía al principio: la antena de ranura no es más que el negativo de un dipolo o de una antena colineal ( figura 1 ).
Por consiguiente, la dimensión del hueco en su longitud principal es también de 1/2 λ, igual que la del dipolo. Si la calculamos para 145 MHz, la longitud de onda sería:
l = 300.000/145.000 = 2,07 metros de longitud de onda
Como la antena es equivalente a un dipolo de 1/2 λ, su longitud, l, sería:
l = 2,07/2 = 1,03 m
Teniendo en cuenta que las ondas electromagnéticas se propagan realmente por elementos metálicos con una velocidad ligeramente inferior, debemos acortarla un 4 o 5 %, de forma que la haremos realmente de una longitud.
l = 1,03 x 0,95 = 0,98 m o sea, 98 cm
En cuanto al ancho, no es una medida crítica en absoluto. Yo las construí con anchos desde 5 mm hasta 4 o 5 cm sin encontrar ninguna diferencia apreciable. Como el único sistema práctico es cortar el aluminio con una hoja de afeitar apoyándose sobre cartón o el mismo suelo, un mínimo de 2 o 3 cm es mucho más cómodo de realizar y da margen para el error.
En cambio, si hiciéramos la ranura demasiado estrecha, podríamos llegar a conseguir que saltara un arco eléctrico en su punto medio, donde se produce la máxima tensión eléctrica en resonancia, pero eso sería hablar de ranuras de 1 o 2 mm y potencias considerables obtenidas con lineales.
Mi idea es que el ancho de la ranura aumenta proporcionalmente el ancho de banda de la antena, igual que en el dipolo aumenta el ancho de banda al utilizar tubo más grueso. Sólo hay que tener en cuenta que, cuanto más ancha hagamos la ranura (4 o 5 cm), más corta deberá ser, igual que el dipolo se acorta físicamente al aumentar el diámetro del tubo.
Para explicar esto, veamos cómo, en un dipolo efectuado con una tira metálica ancha, encontraríamos varias trayectorias que producirían resonancia electrónica en 1/2 longitud de onda, como por ejemplo las OA, OB y OC cuyas longitudes difieren en milímetros ( figura 2 ).
Adaptación de impedancias
Lo más bonito de la antena de ranura es la forma de alimentación, puesto que es exactamente un negativo del dipolo: recordemos que en el dipolo se corta el elemento para intercalar en serie (si así pudiera decirse) el coaxial de alimentación. Pensemos en negativo y llegaremos a la conclusión de que deberemos alimentarla en paralelo en dos puntos apropiados a la misma altura, uno a cada lado de la ranura ( figura 3 ). En el dipolo, a medida que nos separamos del centro para cortar el elemento e intercalar el cable coaxial, aumenta la resistencia, de forma que es mínima en el centro (75 ohmios) y máxima en los extremos.
En la antena de ranura, la resistencia en dos puntos homólogos a cada lado de la ranura es máxima en el centro (75 ohmios) y desciende hacia los extremos en que es nula, puesto que están, podríamos decir, en cortocircuito.
En un punto cercano al centro, aproximándose por cualquiera de los dos extremos, encontraremos una impedancia de 75 Ω, al que podremos conectar el cable coaxial correspondiente. Si nos desplazamos un poquito más hacia una punta, también podremos acoplarle un cable de 50 Ω, pues en algún punto conseguiremos una impedancia igual a la del cable y, por consiguiente, una ROE cercana a 1:1.
Mi método de acoplamiento a la antena era bastante rústico: sujetaba como podía los dos extremos del cable con cinta aislante sobre el papel de aluminio. Ese es el método ideal para hacer pruebas, pero no es aconsejable para un funcionamiento habitual. Movía unos centímetros las puntas de los cables, las sujetaba con la cinta aislante y a medir la ROE, hasta que encontraba una inferior a 2 que indicaba ya una adaptación casi perfecta. Eso iba bien con 10 vatios, pero sería conveniente agujerear el papel de aluminio sujeto sobre cartón o madera y sujetar el cable con tornillos, tuercas y arandelas, si utilizáramos potencias mayores, una vez determinado el punto de adaptación óptima.
La ranura como línea de transmisión
Otra forma de ver la ranura sería considerarla, no como una antena. sino como dos trocitos de línea de transmisión de 1/4 de longitud de onda conectados por sus extremos abiertos ( figura 4 ). La línea de 1/4 λ se comporta como un circuito resonante en paralelo que presenta impedancia infinita en el extremo abierto y nulo en el extremo cortocircuitado.
Polarización
Una peculiaridad muy importante es que la ranura vertical radia con polarización horizontal. Sí, es justamente la polarización opuesta a la de un dipolo; ya os lo decía.
El campo eléctrico es perpendicular a la dirección de la ranura, puesto que a ambos lados de la ranura hay tensiones justamente opuestas de polaridad.
Radiación
También dicen, aunque yo no estoy muy de acuerdo, que es una antena de radiación preferentemente de campo magnético, y que, por consiguiente, se afecta poco por las superficies metálicas cercanas a menos de un par de longitudes de onda. Cuando ensayé la variante tambor de la antena de ranura, eso me pareció muy poco cierto. Comentemos un poco más esa supuesta radiación preferente del campo magnético.
Su diagrama de radiación es parecido al del dipolo ( figura 5 ) aunque la superficie metálica la hace aún más directiva si es plana; y la única forma de hacerla exactamente omnidireccional es practicar la ranura en un cilindro y paralela a su eje central. Si el cilindro tiene un perímetro parecido a una media longitud de onda, la antena será omnidireccional ( figura 6 ). En este caso, se puede imaginar la antena de ranura como una infinidad de halos apilados a lo largo de una altura de 1/2 longitud de onda radiando en fase.
Distribución de corrientes y tensiones
En el diagrama de tensiones y corrientes ( figura 7 ) se ve cómo la tensión de radiofrecuencia es máxima en el centro y nula en los extremos, mientras que las corrientes I son mínimas en el centro y máximas en los dos extremos. Son precisamente esas corrientes en los extremos las que crean un campo magnético importante, que tiene el mismo sentido, pues las corrientes son del mismo sentido en ambos extremos.
Colineales de ranura
Existe la antena de ranura colineal, exactamente igual a las colineales que desarrollábamos en un artículo anterior [CQ Radio Amateur, núm. 41, Abril 1987, pág. 52]. Varias ranuras diferentes de 1/2 λ se pueden alimentar enfasadas, de forma que su radiación se sume en dirección perpendicular ( figura 8).
Esto no representa ninguna ventaja especial sobre los dipolos colineales agrupados, pero en las ranuras superpuestas puede conseguirse el efecto colineal de una forma muy simple alimentando un solo dipolo, puesto que el inmediato superior se acopla a través del campo magnético generado por la corriente en el punto medio B ( figura 9 ) de una forma automática. Pero un efecto opuesto al del dipolo es sensacional para ajustar las antenas de ranura más largas y conseguir un funcionamiento en fase.
En efecto, recordáis que un dipolo se puede acortar y mantener la resonancia por medio de una inductancia intercalada en algún punto del cable (bueno, normalmente, en la práctica, se ponen dos inductancias en puntos simétricamente situados a cada lado de la toma).
Pues en una antena de ranura, el modelo opuesto es exactamente un condensador en vez de bobina, en paralelo en vez de en serie, y uno solo en el centro de la antena ( figura 10 ).
Es decir, podemos hacer una ranura sintonizable a frecuencias más altas de la que corresponde a sus dimensiones físicas, y que por consiguiente actuará como un dipolo a la frecuencia que queramos (más alta que la de diseño), por medio de un condensador variable en el centro de la antena. Podemos ver ( figura 11 ) cómo construir una antena resonante de 1/2 longitud de onda para 2 metros, a la que le hemos dado una longitud física de 0,75 m y la alargamos eléctricamente por medio de un condensador situado en el punto medio. La sintonía se hace ligeramente más complicada al tener dos variantes: la toma del coaxial que nos dará mínima ROE y la resonancia de las ranuras con el condensador; pero, con un poco de paciencia, también conseguiremos ROE 1:1. En este caso, al ser más corta la antena, disminuye su resistencia de radiación y el punto de adaptación a 50 ohmios lo encontraremos más cerca del centro.
La antena de tambor
A mí se me ocurrió que la ranura se podría enrollar en torno de un tambor de madera. Conseguí hacerme con unos bidones para contener cola en polvo, hechos con madera sencilla de un diámetro de unos 35 cm y que resultaron ideales para mi invento, pues su perímetro de unos 110 cm admitía perfectamente una 1/2 λ ( figura 12 ) enrollada a su alrededor.
Sujeté mi hoja de aluminio con cinta aislante y practiqué la ranura con la hoja de afeitar. Descubrí que se comportaba muy bien como dipolo vertical, poniendo el tambor encima de la mesa al lado del equipo, aunque eso de que no era sensible a las masas metálicas próximas, no parecía ser muy cierto, pues la ROE y el punto de acoplamiento óptimo cambiaba al variar la proximidad del tambor al suelo; es decir, variaba mucho si lo bajaba al suelo, lo ponía en una silla o lo subía a la mesa. Al estar la ranura enrollada, la resistencia de radiación bajaba y conseguía adaptarla a 75 Ω poniendo el coaxial casi prácticamente en el centro de la ranura. Finalmente descubrí (me temo que demasiado tarde) que el tambor se convertía en la antena DDRR (Direct Driven Ring Radiator) al realizar exactamente la misma figura con un tubo de cobre y poniéndole un condensador en el centro para efectuar la sintonía en cualquier frecuencia ( figura 13 ). Lástima que ya estuviera inventada, aunque me queda la esperanza de que mi camino para descubrirla tuviera algo de original. Esta es una antena que se ha utilizado a bordo de barcos, puesto que, con un condensador variable movido por control remoto, se convierte en una antena de dimensiones muy reducidas que se puede hacer trabajar en HF en una gama amplísima de frecuencias, y sin bobinas que hagan bajar su rendimiento. La antena utilizada militarmente es la misma, aunque partida por la mitad, utilizando una superficie metálica para realizar la imagen de la otra mitad ( figura 14 ).
Antenas comerciales de ranura
Existían hace tiempo dos modelos comerciales, de los que no sé si alguno se fabrica todavía, realizados por Cab Radar. Uno de ellos era un modelo en 1/4 λ, que era como una ranura de 49 cm en un cilindro de perímetro 1/2 longitud de onda, que se comportaba exactamente como una línea abierta resonante de 1/4 λ ( figura 15 ). En el extremo abierto, dos plaquitas sujetas formaban un condensador que permitía ajustar la resonancia a voluntad ligeramente. También podemos verlos como un apilamiento de halos en un 1/4 de onda.
Otro modelo del mismo fabricante era la que se describe en la figura 16 y que todavía tengo en funcionamiento; es decir, un cilindro de aluminio de 1,60 m de altura con un diámetro de 26 cm y una ranura de 3 cm por 1,50 m, paralela al eje del cilindro. Un condensador variable en el centro permite ajustarla a resonancia en cualquier frecuencia de una banda muy ancha. Parece que se comporta como dos dipolos de 1/2 λ en fase, acortados y acoplados por el condensador.
Espero que alguien más se anime a experimentar a estas sorprendentes antenas y me cuente algún día que ha inventado un diseño nuevo; pero, por favor, que no reinvente la DDRR que ésta ya la inventé yo demasiado tarde para hacerme famoso.