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Planos de Tierra mitos y realidades | Radioaficion Ham Radio

Planos de Tierra mitos y realidades

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MAS SOBRE LOS SISTEMAS DE TIERRA DE LAS ANTENAS VERTICALES

Los planos de tierra y los contrapesos. Definiciones. Los mitos y las realidades sobre el rendimiento de las verticales.

Por Don Newcomb, W0DN

En varios artículos nos referimos a las antenas que funcionan con o sin radiales al nivel del suelo. Y una pregunta que muchos se estarán haciendo es si elevándolas por ejemplo un par de metros del suelo podemos prescindir de los radiales. A menos que se esté dispuesto a disminuir la eficiencia del sistema la respuesta es un rotundo NO. En el caso de la mayoría de las verticales alimentadas por la base si se las subiera unos tres metros del suelo es muy probable que se necesitaran radiales resonantes para reducir la ROE.

Recordemos que un irradiante que tenga una extensión física 1/4 de longitud de onda puede funcionar en resonancia porque el suelo, aunque tenga pérdidas, motiva una imagen especular de la mitad 'faltante' de un dipolo de 1/2 longitud de onda.

El extremo inferior de esa antena está en el punto de bajo voltaje y corriente elevada. La impedancia en su punto de alimentación es de aproximadamente la mitad de la que corresponde a un dipolo o sea de 35 ohmios más la resistencia de pérdida por el suelo. Si el punto de alimentación estuviera demasiado cerca del suelo esa antena sería también resonante. Pero si la elevamos más de aproximadamente 50 centímetros la extensión de cualquier vertical con respecto a la conexión al suelo pasa a formar parte del irradiante. Esa antena ya no sería resonante en una o más bandas.

En forma similar por más perfecto que fuera el sistema de tierra que se le instalara al nivel del suelo poco contribuiría a la eficiencia de una vertical colocada en una torre.

Cualquier sistema de radiales o de tierra debe instalarse lo más cerca que se pueda del punto de alimentación por la base de una antena.

¿Cuántos radiales se necesitan?

Sabemos que para eliminar en forma total las pérdidas que se producen por el suelo necesitamos aproximadamente 100 radiales. Pero no todos disponen de espacio para instalarlos.

Si el lector no tiene un terreno lo suficientemente grande para ubicarlos, cuatro radiales de 1/4 de onda. colocados sobre la base de una antena instalada a 1/2 onda son igualmente eficientes.

Debe tenerse en cuenta que conforme la altura de instalación de la antena decrece la cantidad de radiales que se necesitan para obtener una eficiencia igual naturalmente aumenta. De manera que con la antena a una altura de 1/4 de longitud de onda para eliminar las pérdidas producidas por el suelo se necesitarán no menos de 12 radiales resonantes.

radiales en antenas verticales

En cualquier punto distante indicado como P en el dibujo, la intensidad del campo será la resultante de dos haces: uno que proviene directamente de la antena y otro el reflejado por el suelo. El haz reflejado llega más lejos que el directo y la distancia se indica como BC. En este caso la onda reflejada se considera como originada en la antena 'imagen'. AD es igual a BD y el suelo se desempeña como un 'espejo'. Por debajo de él está la antena imagen. En el caso de una vertical las corrientes en la real y en la 'imagen' circulan en una misma dirección o sea que están en fase.

Los planos de tierra y los contrapesos. Definiciones. Los mitos y las realidades sobre el rendimiento de las verticales.

La figura muestra dos antenas de media onda, una horizontal y la otra vertical. Vemos también las 'imágenes' que les corresponden. A diferencia de lo que ocurre en una vertical, en el caso de una horizontal si la observáramos desde un punto remoto en la superficie del suelo, resultaría obvio que las corrientes que circulan por la real y por la 'imagen' lo hacen en direcciones opuestas o sea que están 180 grados fuera de fase.

Dibujos del The ARRL Anterma Book.

La instalación de la antena

Además de reducir la cantidad de radiales que se necesitan para eliminar o reducir al mínimo las pérdidas producidas por el suelo se preguntarán Vds. si existe alguna otra ventaja en instalar la antena en una torre o en un mástil elevado. La respuesta es que puede haber alguna o a lo mejor ninguna. Veamos algunos ejemplos.

Si la antena estuviera en una zona boscosa o rodeada de edificios de altura considerable esa obstrucciones absorberán la RF de polarización vertical de aquella. De manera que en esos casos tiene sentido instalar la antena de manera tal que la RF no sea afectada particularmente en las bandas de HF.

Cuando la antena esté a nivel del suelo y no existan obstrucciones, disponiéndose a la vez de espacio suficiente para instalarle radiales, no se justifica el gasto que representa adquirir una torre o instalarla en un mástil elevado.

El patrón de irradiación en el ángulo vertical de esa misma antena a nivel del suelo sin obstrucciones y con los radiales que corresponden es el esencialmente el mismo que el de la misma antena colocada a 15 metros. A esta altura naturalmente el ajuste es incómodo y hasta riesgoso.

La diferencia principal entre una instalación elevada y otra al nivel del suelo, suponiendo que en uno y otro caso no haya obstrucciones, es que cuando se la ponga sobre la superficie para eliminar o reducir al mínimo la resistencia de pérdida por el suelo se necesitarán más radiales.

Los planos de tierra y los contrapesos. Definiciones. Los mitos y las realidades sobre el rendimiento de las verticales.

El dibujo muestra como las corrientes por el suelo afectan las pérdidas de una antena vertical acortada. En A la corriente que circula por la combinación Ce y Re puede ser apreciable en el caso de que Ce sea mucho mayor que Cw o sea la capacitancia de la vertical con respecto a los radiales de tierra. Esa relación puede mejorarse hasta cierto punto usando más de ellos. Si se elevara la antena, Ce, que consiste de la combinación de Cei y Cra, disminuye mientras que Cw permanece igual. El sistema radial que vemos en B se llama a veces 'contrapeso'. I indica corriente.

Las antenas verticales sin radiales

En algunos anuncios que vemos en las revistas se nos dice que hay diseños de antenas que no requieren radiales con o sin un accesorio apareador de impedancias o 'transmatch'. Y hemos visto uno en el que se asegura que un irradiante de 5 metros es de 'media onda' o que por lo menos funciona como tal en los 20 metros no obstante que como sabemos media onda en esa banda representa 10 metros.

Aún así los 5 metros que se indican representan una extensión suficiente para que exista resistencia a la irradiación relativamente alta en los 20 metros y las bobinas de carga o trampas para las bandas de HF probablemente no motiven mucha resistencia que se traduzca en pérdidas.

Pero ¿Cómo funcionará esa antena al nivel del suelo e inclusive a poca altura de él? Probablemente no mejor o peor que nuestro irradiante común de 1/4 de longitud de onda debido a que la resistencia de pérdida por el suelo estará presente y dispuesta a asbsorber la mayor parte de la RF.

De manera que lo de 'No se necesitan radiales' tal como ocurre con 'No hay pérdidas por el suelo' representa expresiones de deseos. Pero la realidad es que para la RF de las antenas verticales que se usan en HF esas dos instancias son solamente hipotéticas. Mientras tanto, en esas circunstancias y principalmente en el invierno, los gusanos recibirán la tibieza o el calor (de acuerdo con la potencia) de nuestra radiofrecuencia.

Definiciones de plano y contrapeso

Cuando hablamos de 'radiales de tierra' suponemos que se trata de extensiones de alambre soterradas o enterradas o bien extendidas sobre la superficie partiendo de la base de la antena. No es muy claro el concepto de 'radiales de contrapeso' que se indica en algunos anuncios. Porque si seguimos leyendo el anuncio vemos que finalmente se trata de radiales. De manera que vamos a aclarar esos conceptos recurriendo a las definiciones del The ARRL Antenna Book

Plano de tierra - Sistema de conductores que se instalan por debajo de una antena elevada para que actúen como tierra en el suelo. Ver también contrapeso.

Contrapeso - Un alambre, cable o conjunto de ellos instalados cerca del suelo pero aislados de él para que establezcan un pasaje de baja impedancia y alta capacitancia con el suelo. Ver también plano de tierra.

Vemos entonces que el contrapeso para que funcione en forma apropiada depende entonces de un valor considerable de capacitancia con el suelo. Y ello indica dos cosas:

  • a) que en relación con las longitudes de onda debe estar cerca del suelo;
  • b) que debe cubrir una superficie suficiente para que se desarrolle suficiente capacitancia entre él y el suelo que está por debajo.

Podemos visualizarlo como una placa de un capacitor y al suelo como la otra resultando obvio que la capacitancia entre ellas disminuye cuando la separación aumenta.

Los contrapesos se usan más a menudo con antenas verticales destinadas a las bandas de frecuencias más bajas y los conductores que los forman se ponen soterrados o enterrados tomando la disposición de una telaraña para que de esa manera la capacitancia aumente. Para evitar que alguien tropiece

con ellos no es común que se los ponga separados del suelo. Si se resolviera elevarlos debe hacérselo a no menos de dos metros y medio. Cuando se los instale a una altura mayor y se desestime la capacitancia con respecto al suelo por lo general miden 1/4 de longitud de onda.

No debe dejarse de considerar la posibilidad de que un grupo de radiales resonantes en una banda puedan también formar un sistema de contrapeso efectivo en una u otras de mas baja frecuencia. Veamos algunos ejemplos.

Cuatro radiales de 1/4 de longitud de onda para los 40 metros proporcionan suficiente capacitancia con el suelo para que funcionen comer contrapeso capacitivo en los 80/75 y 160 metros cuando la altura de la base de las antenas no exceda de aproximadamente 7.5 metros. Esta altura representa menos de 1/10 de longitud de onda en los 160 metros y el doble de ella en las de 80 y 75 metros. Tenga en cuenta lo dicho porque vamos a seguir hablando de las antenas verticales 'sin radiales'

Su automóvil es un contrapeso

Empecemos por decir que la mayoría de las antenas móviles funcionan de acuerdo con el principio del contrapeso y que aunque el lector no se hubiera percatado la carrocería del automotor proporciona acoplamiento capacitivo con el suelo.

En el caso de una antena 'sin radiales' en la que se usa un sistema abreviado de 'radial de contrapeso' nos preguntamos cuál es su función precisa. Porque cerca del suelo los radiales cortos no contribuirán en mucho a reducir la resistencia de pérdida, ciertamente no más que la misma cantidad de radiales de alambre, comunes, del mismo o mayor tamaño. Y aún en alturas mayores no resulta claro el concepto de cómo un sistema vestigial de radiales tomarían el lugar de una docena de ellos de 1/4 de longitud de onda que se necesitarían para reducir en forma significativa la resistencia de pérdida por el suelo cuando la antena se haya elevado a aproximadamente 1/4 de onda en los 20 metros.

Por su lado el accesorio apareador remoto toma el lugar de los radiales resonantes en cuanto a resonancia y ROE respecta, pero en nada contribuirá a reducir las pérdidas por el suelo.

Los radiales elevados tienen por lo general 1/4 debido a que es una extensión resonante que conviene. Pero, suponiendo que no convirtieran a la antena en su conjunto reactiva, es deseable usarlos más extensos.

Su función es la misma que la de los radiales de tierra o radiales de contrapeso: proporcionar pasajes de 'retorno' de baja pérdida para las corrientes que de otra manera circularían sobre o a lo largo del suelo representando pérdidas. Nuevamente el concepto de 'cuanto más alambre usemos en el sistema de tierra, mejor' nos indica el camino acertado.

¿Independencia de tierra? ¡De ninguna manera!

Un fabricante de antenas 'sin radiales' han empezado hace poco tiempo a producir una versión para 7 bandas un poco más alta que asegura tiene una extensión de 'media onda eléctrica' no obstante que su altura física es bastante más corta de la que se requiere para los 40 metros.

El rendimiento de esa vertical 'sin radiales' en condiciones competitivas en los 40 metros banda en que los cortos radiales de contrapeso serán todavía menos efectivos en reducir las pérdidas en los 20 metros, es probablemente una pregunta que merece una respuesta particularmente porque el fabricante insiste en lal 'independencia de tierra'.

Pensamos que ese fabricante exagera y que esa actitud se deba a que el rendimiento dependerá de los mismos factores que afectan a otras antenas verticales convencionales en las que se usan los radiales de tierra.

¿Puede un 'transmatch' proporcionar una ROE reducida? Naturalmente que sí. Pero esa circunstancia no nos indica cómo será el rendimiento de la antena. De manera que esa 'independencia' que mencionamos antes es solamente hipotética y es mejor que en esas circunstancias nos olvidemos de ella.

Cualquier vertical que funcione más o menos bien sin los radiales lo hará MUCHO mejor si se los usa o se recurre a un contrapeso. Y para que el sistema resulte realmente efectivo debe considerarse la superficie que esos radiales cubran y cuántos radiales se usan para abarcarla.

Cuando tenga oportunidad acérquese a alguna estación comercial, de esas que llamamos de 'broadcasting'. Verá una verdadera 'telaraña' de cables que parten de la torre o sea de la antena vertical. ¡Es indudable que por algo los usan! Y cerca de la base verá un cuarto. Allí está el 'transmatch', pero una versión 'un poco' más grande que el de su cuarto de radio o que le instalaron dentro del equipo.

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