Antenas de Hilo Largo (Long Wire)

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ATENCIÓN: ARTÍCULO EN CONSTRUCCIÓN

2. Antena de hilo largo en el espacio libre.

En este apartado se realiza el estudio de antenas de hilo ubicadas en el espacio libre, mediante 4Nec2, para analizar sus características radioeléctricas teóricas. En el apartado 3 se repetirán las simulaciones ubicando la antena a una determinada altura sobre un suelo real.

Las simulaciones están realizadas tomando como unidad de medida la longitud de onda de trabajo (lambda), por lo que los resultados son válidos para cualquier frecuencia. Se consideran longitudes L de la antena comprendidas entre 0.25 y 5 longitudes de onda. Como ya se ha indicado, para las simulaciones en espacio libre se ha dotado a la antena con una contraantena de 0.25 longitudes de onda, instalada a 90º del hilo principal en el extremo del generador. El modelo de 4Nec2 puede descargarse a través del siguiente enlace:

Descargar fichero:
Hilo_largo_EL_Lvar_CP025_EA4FSI.nec

2.1. Impedancia de la antena de hilo largo en el espacio libre.

En la fig.4 se muestran la resistencia (trazo azul) y la reactancia (trazo rojo) de un hilo largo situado en el espacio libre, para longitudes "L" comprendidas entre 0.25 y 5 longitudes de onda. Obsérvese cómo la resistencia varía entre unos 50 ohmios y unos 1050 ohmios, en función de la longitud. Por otro lado, la reactancia se hace nula cuando la longitud L de la antena es múltiplo impar de 1/4 de la longitud de onda de trabajo.

Fig.4. Resistencia y reactancia de un hilo largo en el espacio libre.

En la fig.5 se muestran el módulo de la impedancia (trazo verde) y la fase de la impedancia (trazo magenta) en esas mismas condiciones. El módulo de la impedancia sigue una tendencia general a reducirse conforme aumenta la longitud de la antena, con valores que oscilan desde unos 1070 ohmios para una longitud igual a 0.4 lambdas hasta unos 110 ohmios para una longitud igual a 4.75 lambdas.

Fig.5. Impedancia de un hilo largo en el espacio libre.

Para trabajar con una radio con una impedancia de salida de 50 ohmios, deberá por tanto emplearse siempre un acoplador de antena. Téngase en cuenta que un acoplador de gama baja puede acoplar impedancias hasta unos 600 ohmios, uno de gama media hasta unos 1000 ohmios y uno de gama alta hasta unos 2000 ohmios, por lo que además del acoplador puede ser necesario utilizar un transformador de impedancias tipo UNUM. Por otro lado, en el mercado profesional, sobre todo en el militar, pueden encontrarse acopladores capaces de acoplar hilos de tan sólo 7,6 metros en toda la banda comprendida entre 1,6 y 30 MHz.

En cualquier caso no conviene olvidar que, aunque un acoplador sea capaz de sintonizar un hilo largo, no lo hará a cualquier precio: si la impedancia del hilo está muy lejos de los 50 ohmnios, gran parte de la potencia transmitida por la radio se disipará en el acoplador, sin llegar a radiarse. Por este motivo, interesa identificar qué longitudes de la antena proporcionan impedancias más fáciles de acoplar.

En la fig.6 se muestra la relación de onda estacionaria (ROE) resultante al acoplar un hilo largo a una radio con impedancia de salida de 50 ohmios, sin acopladores intermedios. La gráfica nos dará una idea de cuáles serán las longitudes del hilo más propicias, desde el punto de vista del acoplamiento, para trabajar con la radio.

Fig.6. ROE de un hilo largo en el espacio libre conectado a una radio de 50 ohmios

Del análisis de la figura se deduce fácilmente que las longitudes del hilo (L) más idóneas desde el punto de vista de la ROE son aquellas que cumplen la siguiente condición:

[1]

Es decir, desde el punto de vista de la impedancia, la longitud total del hilo ha de ser un múltiplo impar de la cuarta parte de la longitud de onda de trabajo, para facilitar el acoplamiento a la radio.

La explicación de este hecho es sencilla si analizamos la distribución de corrientes y voltajes en la antena. En el extremo del hilo en circuito abierto, la corriente ha de ser forzosamente nula. En ese mismo punto el voltaje está desfasado 90º respecto a la corriente. Si comenzamos a recorrer la antena desde dicho punto hacia la radio, cada múltiplo impar de un cuarto de la longitud de onda encontraremos voltaje nulo, haciendo que la reactancia se anule y que por tanto el acoplamiento a la radio presente menos dificultades.

2.2. Diagramas de radiación de la antena de hilo largo en el espacio libre.

Lógicamente, el diagrama de radiación de una antena de hilo en una frecuencia determinada será distinto en función de la longitud del hilo y su relación con la longitud de onda de trabajo. A continuación (figs.7-26) se muestran los diagramas de radiación verticales obtenidos mediante simulación para longitudes L del hilo comprendidas entre 0.25 y 5 longitudes de onda. Los diagramas de la columna de la izquierda corresponden a hilos largos que cumplen la condición [1] de ROE mínima.

En cada diagrama, el hilo largo se ubica en la línea horizontal que divide al diagrama polar en dos mitades. Tenga en cuenta que los diagramas representados se corresponden con el corte vertical del diagrama de radiación en 3D en el punto de máxima ganancia, es decir, cada diagrama puede corresponder a una vista distinta del diagrama 3D en acimut. Observe los acimuts indicados en la parte inferior izquierda de cada diagrama, referidos a la dirección marcada por el propio hilo. Pulse en las imágenes para verlas a tamaño más grande.

Fig.7. Diagrama para L = 0.25 lambdas	Fig.8. Diagrama para L = 0.5 lambdas
Fig.9. Diagrama para L = 0.75 lambdas	Fig.10. Diagrama para L = 1 lambda
Fig.11. Diagrama para L = 1.25 lambdas	Fig.12. Diagrama para L = 1.5 lambdas
Fig.13. Diagrama para L = 1.75 lambdas	Fig.14. Diagrama para L = 2 lambdas
Fig.15. Diagrama para L = 2.25 lambdas	Fig.16. Diagrama para L = 2.5 lambdas
Fig.17. Diagrama para L = 2.75 lambdas	Fig.18. Diagrama para L = 3 lambdas
Fig.19. Diagrama para L = 3.25 lambdas	Fig.20. Diagrama para L = 3.50 lambdas
Fig.21. Diagrama para L = 3.75 lambdas	Fig.22. Diagrama para L = 4 lambdas
Fig.23. Diagrama para L = 4.25 lambdas	Fig.24. Diagrama para L = 4.5 lambdas
Fig.25. Diagrama para L = 4.75 lambdas	Fig.26. Diagrama para L = 5 lambdas

Visualizados en tres dimensiones, los lóbulos de radiación mostrados en el plano vertical tienen realmente forma de cono.

La primera conclusión que puede obtenerse tras la observación de los diagramas es que, tanto por encima como por debajo del hilo, existirá un número de lóbulos de radiación igual al número de medias longitudes de onda contenidas en la longitud total del hilo {3}. Es decir, el número de lóbulos en cada hemisferio (superior e inferior) viene dado por el valor de "n" en la expresión [1]. De este modo, una antena de longitud L = 0.5 lambdas presenta un único lóbulo en el hemisferio superior, una de L = 1 lambda presenta dos lóbulos, la de L = 1.5 lambdas tres lóbulos y así sucesivamente.

Por otro lado, si se desea trabajar en NVIS, no todas las configuraciones serán válidas. Solamente las longitudes del hilo que cumplan la siguiente condición tienen lóbulos orientados a 90º de elevación:

[2]

Es decir, para trabajar en NVIS, la longitud del hilo deberá ser igual a un múltiplo impar de la mitad de la longitud de onda de trabajo {8}. No obstante, para longitudes L superiores a dos lambdas, cualquier antena de hilo largo presentará lóbulos con una elevación mínima de 75º, también aptos para el trabajo en esta modalidad (dependiendo de la distancia total de enlace que se desee). Por otro lado, cualquier antena de hilo largo de longitud inferior a 0.5 lambdas también presentará un único lóbulo de radiación apto en mayor o menor medida para NVIS.

No obstante, en casi todos los casos y como veremos en el siguiente apartado, la ganancia que se consigue con los lóbulos aptos para NVIS es mínima o incluso se tienen pérdidas.

Si lo que se desea es disponer de un hilo largo para trabajar en NVIS en operación portable, es decir, con un tamaño manejable y fácilmente transportable, desde el punto de vista de la ROE [1] la longitud de 0.25 lambdas es la más recomendable, asumiendo que la antena tendrá unos 1,5 dB de pérdidas a 90º de elevación. La otra opción es usar alguna de las antenas que cumplan la condición [2], asumiendo que parte de la energía será disipada por el acoplador, sin llegar a radiarse.

Por otro lado, los lóbulos principales siempre serán los que presentan menor elevación respecto al hilo {8}, teniendo mayor ganancia para longitudes mayores del hilo. Si lo que se desea con la antena de hilo es realizar enlaces a larga distancia (DX), deberán evitarse las configuraciones que proporcionan diagramas de radiación con lóbulos grandes y elevación alta, para no desperdiciar la potencia del transmisor.

Obsérvese también la falta de simetría de los lóbulos respecto a la perpendicular al hilo en su punto medio, debida a las pérdidas óhmicas sufridas por la onda cuando se propaga por el hilo {2, 7}.

A partir de las mismas simulaciones realizadas, en la fig.27 se muestra una gráfica con la ganancia máxima (trazo negro) que presentan las antenas de hilo largo en espacio libre para longitudes L comprendidas entre 1/4 y 5 longitudes de onda, a intervalos de 1/4 de longitud de onda y con la contraantena de 1/4 de onda instalada. Se especifican además la elevación o ángulo de despegue (trazo rojo) y la desviación horizontal respecto al eje de la antena (trazo azul), mirándola desde la radio, que determinan la dirección en la que se consigue la máxima ganancia en cada caso. Pulse en la imagen para verla a tamaño grande.

Fig.27. Ganancia máxima de un hilo largo en el espacio libre

Observamos que la tendencia general es que a mayor longitud del hilo, mayor ganancia máxima de la antena {3}. Por otro lado, los ángulos de despegue en los que se presenta la ganancia máxima son cada vez menores conforme la longitud de la antena aumenta, haciendo por tanto que las antenas más largas sean las más apropiadas para enlaces a larga distancia (DX). Respecto al ángulo de desviación horizontal del máximo de radiación respecto a la propia dirección del hilo, conforme aumenta la longitud se hace cada vez más bajo, es decir, la antena se hace más directiva en la dirección del propio hilo.

En el vídeo 1 se muestran los diagramas de radiación en 3D obtenidos al simular con 4Nec hilos largos de diferentes longitudes en el espacio libre, desde media longitud de onda a cinco longitudes de onda, a intervalos de media longitud de onda y empleando la contraantena de 0.25 longitudes de onda.

Vídeo 1. Diagramas de radiación en 3D de hilos largos de distintas longitudes en el espacio libre

En el vídeo, el hilo se encuentra dispuesto a lo largo del eje Y. Para cada longitud "L" simulada, el diagrama de radiación 3D se rota 360º en torno al eje Z, de forma que puedan observarse todos los lóbulos de radiación.

2.3. Diseño de hilos largos multibanda.

En ocasiones, será necesario utilizar un hilo largo para trabajar en distintas frecuencias de la banda de HF, ya sea porque se precisa establecer enlaces a distintas horas del día, porque ha de enlazarse con varias estaciones cuyo enlace presenta MUF distintas o simplemente porque se está utilizando un modo de trabajo tipo ALE (Automatic Link Establishment) con un plan de varias frecuencias.

A continuación se indican varios criterios a tener en cuenta a la hora de diseñar hilos largos multibanda:

Uno de los criterios de diseño de mayor importancia puede ser la facilidad de transporte, por lo que el hilo deberá tener una longitud tal que pueda enrollarse y transportarse cómodamente.

La frecuencia de trabajo más baja dentro de nuestro plan determinará la longitud de onda más crítica, ya que a frecuencias más bajas se tienen mayores longitudes de onda y por tanto la longitud del hilo deberá ser mayor.

El acoplador de antena disponible también jugará un papel importante. Si se dispone de un UNUM y de un buen acoplador de antena, podrán utilizarse longitudes de hilo más cortas de lo habitual, aunque siempre teniendo en cuenta que los hilos más cortos proporcionan ganancias peores y que gran parte de la energía proporcionada por el transmisor se disipará en forma de calor en el acoplador.

Desde el punto de vista de la ROE, interesa que la longitud del hilo sea un múltiplo impar de 1/4 de la longitud de onda para todas las frecuencias de trabajo. Por tanto, si es imperativo utilizar una antena de hilo largo, los planes de frecuencias pueden diseñarse para adecuarse a sus características.

En la siguiente hoja Excel se presentan tres herramientas sencillas para el diseño de hilos largos que permitan trabajar en varias frecuencias de la banda de HF.

Descargar calculadora de hilos largos
Longwire_calculator_EA4FSI.xlsx

La herramienta (1) permite determinar, para una longitud de hilo dada, cuáles serán las frecuencias de trabajo óptimas con el criterio de minimizar la ROE.

Con la herramienta (2) se puede determinar, a partir de un conjunto de frecuencias de trabajo que el operador tenga asignado, cuál es la longitud mínima necesaria del hilo para poder trabajar en todas ellas. El criterio, en este caso, viene dado por la necesidad de poder trabajar en la frecuencia más baja (desde el punto de vista de la ROE), que es la más crítica desde el punto de vista de la impedancia. Es imprescindible que además consulte los diagramas de radiación resultantes en cada caso.

Finalmente, con la herramienta (3) podrá determinar las alturas de instalación idóneas para emplazar un hilo largo de 1/4 de longitud de onda para operar en frecuencia fija con propagación NVIS. Más información en el siguiente apartado (antena de hilo largo sobre tierra real).