Análisis de Monopolos de HF
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Resumen:
En este artículo se analizan distintas configuraciones de monopolos, las diferencias entre una tierra perfecta e imperfecta y el efecto de utilizar un plano de tierra con radiales o una contraantena. Los análisis se basan en simulaciones realizadas con el programa 4NEC2 y se realizan introduciendo nuevos elementos en aproximaciones sucesivas.
Índice:
1. Monopolo sobre tierra perfecta.
2. Monopolo sobre tierra real.
3. Monopolo con contraantena.
4. Monopolo con 4 radiales.
5. Conclusiones.
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Monopolo ideal Monopolo_ideal.nec |
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Monopolo tierra media Monopolo_tierra_media.nec |
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Monopolo tierra media, 1 radial Monopolo_tierra_media_1radial.nec |
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Monopolo tierra media, 4 radiales Monopolo_tierra_media_4radiales.nec |
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Monopolo tierra media, 32 radiales Monopolo_tierra_media_32radiales.nec |
1. Monopolo sobre tierra perfecta.
Se analiza un monopolo ideal de 1/4 de longitud de onda para trabajar en la banda de 20 metros, ajustado a una frecuencia central de 14,1 MHz. En primer lugar se analiza un monopolo ideal sobre tierra perfecta. A continuación se analizan los efectos de una tierra imperfecta y lo que sucede al ir añadiendo radiales para formar un plano de tierra mejorado.
1.1. Estructura de la antena.
En 4NEC2, disponemos el monopolo en el eje "Z", de forma completamente perpendicular al plano "XY" (fig.1).
En este primer análisis se considera una tierra perfecta y no se incluye ningún radial. La longitud del monopolo, optimizada con 4NEC2 para minimizar la ROE, es de 5,16 metros.
1.2. Resultados de la simulación.
La ROE resultante es de 1:1,38 para toda la banda de 20 metros, tal y como se muestra en la fig.2.
La antena es completamente ominidireccional, gracias al plano de tierra perfecto que se está simulando y presenta una ganancia de 5,15 dBi (3 dBd), es decir, el doble de la ganancia de un dipolo de media longitud de onda (fig.3).
En el plano vertical, el diagrama de radiación presenta su máxima ganancia justo en dirección tangente al plano de tierra (fig.4), haciendo que la antena sea óptima para DX en estas condiciones. La eficiencia de radiación de la antena calculada por 4NEC2 es del 99,96 %, próxima al 100 % teórico.
2. Monopolo sobre tierra real.
Partiendo del diseño anterior (fig.1), se sustituye la tierra perfecta por una tierra real de tipo medio (conductividad 0.005 S/m, constante dieléctrica 13), para analizar los efectos en los parámetros de la antena. Esto nos permitirá trasladar los análisis teóricos al mundo real.
2.1 Resultados de la simulación.
Usando la misma longitud de 5,16 metros, la ROE se dispara a 1:14,5 (fig.5). Es decir, la antena queda completamente desajustada al presentar una impedancia alejada de 50 ohmios en su punto de alimentación. Será necesario utilizar un transformador de impedancias o un acoplador de antena.
Aunque la antena sigue siendo omnidireccional, el primer efecto de la tierra imperfecta que se observa en el diagrama de radiación es una elevación del lóbulo (fig.6).
Este efecto es muy típico en instalaciones de antenas en el lateral del techo de un vehículo (plano de tierra finito): hacia el lado del techo, el plano de tierra es óptimo y el diagrama de radiación casi no se distorsiona. Hacia el exterior, en cambio, desaparece el plano de tierra del techo y el diagrama de radiación se distorsiona, elevándose (fig.7).
La antena pasa a tener una ganancia máxima de -7,74 dBi a una elevación de 25 grados sobre el suelo. Es decir, es una antena con pérdidas. La eficiencia de radiación es de tan sólo el 5,22 %. Esto se debe a que las corrientes que circulan por la antena han de regresar a la misma a través de un medio de conductividad eléctrica pésima, como es la tierra media. Los efectos serían incluso peores si la tierra es seca.
3. Monopolo con contraantena.
Observando los dos análisis anteriores, parece claro que interesa mejorar la conductividad del plano de tierra para evitar que el diagrama de radiación se distorsione y que la antena pierda eficiencia. Esto puede conseguirse instalando radiales o contraantenas. La denominación de radial o contraantena (counterpoise en inglés) ha dado lugar a diversas controversias, analizadas en profundidad por L.B.Cebik (W4RNL).
En este apartado se analizan los efectos de utilizar un único radial o contraantena, opción escogida por diversos fabricantes de antenas de HF verticales portables. Consideramos además que tanto el monopolo como la contraantena están muy próximos al suelo.
Existen varias teorías sobre la longitud óptima de los radiales. En el ARRL Antenna Book se recomienda una longitud mínima igual a la mitad de la longitud de onda de trabajo. En este ejemplo se realizará una optimización con 4NEC2 para obtener la longitud de contraantena óptima que proporcione una ROE mínima.
En la simulación de 4NEC2, para evitar que el radial esté en contacto directo con la tierra, elevaremos toda la estructura 0,1 metros respecto al suelo.
3.1. Estructura de la antena.
En 4NEC2, disponemos el monopolo en el eje "Z", de forma completamente perpendicular al plano "XY" (fig.8).
En la simulación, el radial o contraantena se extiende a lo largo del eje "X" positivo del plano de tierra. Volvemos a la longitud ideal del monopolo calculada en el primer apartado (5,16 metros) y ejecutamos una optimización con 4NEC2 para hallar la longitud óptima de la contraantena, con el objetivo de tener una ROE mínima, resultando ser de 4,79 metros con una ROE de 1:1,41. Hay que tener en cuenta que este resultado solamente es válido para este monopolo, con esta frecuencia de trabajo y con este tipo de tierra.
3.2. Resultados de la simulación.
Tras nuestro proceso de optimización del radial o contraantena, la ROE se mantiene en torno a 1:1,4 en toda la banda de 20 m (fig.9).
El diagrama de radiación deja de ser omnidireccional (fig.10), ya que la antena pasa a tener más ganancia en la dirección impuesta por el radial o contraantena (el eje "X" positivo, en nuestro caso).
Si analizamos el plano vertical del diagrama de radiación (fig.11), observamos que el lóbulo principal se encuentra en la dirección de la contraantena, con una ganancia máxima de -1,3 dBi a una elevación de 30 grados. La relación frente/espalda es de 4,6 dB, por lo que es recomendable orientar la contraantena en la dirección en la que se encuentre la estación remota. La eficiencia de radiación es del 16 %.
Si comparamos los resultados con los del ejemplo 2, utilizando la contraantena hemos mejorado la ganancia en unos 6,5 dB y hemos multiplicado la eficiencia por 3. Con una longitud de contraantena adecuada además hemos conseguido que la antena esté sintonizada en la banda de trabajo.
Puede concluirse que, para un monopolo de longitud dada e invariable, la utilización de un radial o contraantena de longitud estudiada favorecerá el retorno de las corrientes a través del mismo, consiguiéndose una mejora de la eficiencia y de la ganancia en la dirección impuesta por la contraantena.
La contraantena pasa a formar parte realmente de la estructura total del sistema radiante, por lo que su longitud ha de seleccionarse para optimizar la ROE.
4. Monopolo con 4 radiales.
En el ejemplo anterior hemos podido comprobar cómo la ganancia y la eficiencia de radiación de un monopolo mejoran al utilizar un único radial o contraantena. No obstante, el monopolo ha pasado de ser una antena omnidireccional a tener mayor directividad en el sentido impuesto por la contraantena. Si queremos conservar las características de omnidireccionalidad, será necesario usar al menos 4 radiales.
4.1. Estructura de la antena.
En 4NEC2, disponemos el monopolo en el eje "Z", de forma completamente perpendicular al plano "XY" (fig.12). Los cuatro radiales se disponen en cada uno de los semiejes "+Y", "-Y", "+X" y "-X".
Para asegurar la omnidireccionalidad, los cuatro radiales se disponen formando ángulos de 90º en el plano de tierra. En la simulación de 4NEC2, para evitar que los radiales estén en contacto directo con la tierra, elevaremos toda la estructura 0,1 metros respecto al suelo. El monopolo tiene la misma longitud que en el resto de ejemplos (5,16 metros) y cada radial la longitud del ejemplo anterior (4,79 metros).
4.2. Resultados de la simulación.
La ROE en la frecuencia de diseño es de 1:1,62, siendo algo menor en la parte alta de la banda de 20 m (fig.13).
El diagrama de radiación nuevamente es omnidireccional, gracias a la disposición de los 4 radiales (fig.14).
Al analizar el plano vertical del diagrama de radiación (fig.15), observamos que la ganancia máxima es de -0,47 dBi, consiguiéndose en un ángulo de elevación de 25 grados. La eficiencia de radiación es del 27,57 %.
Si comparamos los resultados con los del ejemplo 3 (un sólo radial), obtenemos una mejora de 0,8 dB en la ganancia, con la ventaja adicional de que la antena es omnidireccional. La eficiencia de radiación es casi el doble.
5. Conclusiones.
En la tabla 1 se resumen los resultados de las simulaciones realizadas con el monopolo ideal sobre tierra perfecta, el monopolo sobre tierra real media y el efecto de añadir uno o cuatro radiales. Se incluyen además los resultados obtenidos al utilizar varias configuraciones hasta un máximo de 256 radiales.
Se pueden extraer las siguientes conclusiones:
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La tierra real provoca que las corrientes que salen de la antena regresen a la misma a través de un medio con escasa conductividad eléctrica. La eficiencia de radiación del monopolo pasa a ser del 5%, la ganancia empeora unos 12 dB en un terreno medio y el diagrama de radiación se eleva. El resultado es incluso peor en terrenos más áridos. La impedancia de la antena en su punto de alimentación cambia, siendo necesario rediseñar la longitud de la antena, usar una red de adaptación o usar un acoplador.
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Si se utiliza un único radial o contraantena de longitud adecuada, las corrientes regresarán a la antena en gran medidad a través del mismo y puede llegar a conseguirse una ROE dentro de límites. La eficiencia de radiación se multiplica por tres respecto al caso anterior y la ganancia mejora en 6 dB. La antena es directiva, con el máximo de radiación en el sentido impuesto por la contraantena.
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Para conseguir que el diagrama de radiación sea omnidireccional, ha de utilizarse un número de radiales par con disposiciones completamente simétricas. Conforme mayor sea el número de radiales, mayores serán la eficiencia de radiación y la ganancia del monopolo. A partir de 128, añadir más radiales no supondrá apenas ninguna diferencia. Este resultado concuerda con el indicado en el ARRL Antenna Book.
Ismael Pellejero - EA4FSI |
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