LA ANTENA MULTIBANDA G5RV, ACTUALIZADA
Por su Autor: Louis Varney*, G5RV
# Adaptado del articulo del mismo titulo en Radio
Communication, July 1984, pp. 572-575.
Traducido por: Mario Berrocal Aguero, TI2MAB.
La antena G5RV, con su sistema de alimentación especial, es una antena multibanda alimentada al centro con capacidad de operación eficiente en todas las bandas de HF, desde 3.5 a 28 MHz. Sus dimensiones son específicamente diseñadas para ser instaladas en areas de espacio limitado, con lo cual puede acomodarse, razonablemente, en línea recta con sus 102 pies (31.08 mts.) horizontales.
Como la radiación completa de una antena horizontal o V invertida tiene lugar desde el centro, a las dos terceras partes de su longitud total, en cada extremo de la misma, se puede hacer que sus puntas queden en caída vertical, semivertical o curva, en un ángulo conveniente hacia el cuerpo principal de la antena, sin una perdida significativa de la eficiencia de la radiación.
============================================
Para la instalación en áreas muy limitadas de espacio, las dimensiones de ambos "brazos" y de la sección acopladora de la antena, pueden dividirse entre un factor de 2 para formar una G5RV de media onda, la cual seria una antena eficiente desde 7 hasta 28 MHz.
============================================
El tamaño completo de la antena G5RV funcionara también en la banda de 1.8 Mhz. si el extremo final de la sección adaptadora es unida a la estación transmisora, mediante una línea balanceada o trozo de coaxial y una red de acoplamiento (antena Tuner o transmatch), además de una buena conexión a tierra o un cable tipo contrapeso (counterpoise),similarmente, la versión de media onda de esta antena, puede ser usada en las bandas de 3.5 y 1.8 MHz.
En distinción de las antenas multibandas en general, la G5RV, versión completa, no fue diseñada como una dipolo de media onda en su frecuencia menor de operación, sino que fue diseñada como un hilo largo de 3 medias longitudes de onda, alimentado al centro en 14 MHz., donde una sección acopladora de 34 pies (10.36 mts.) de línea abierta, funciona como un transformador de impedancias de 1:1.
Esta sección conectada a una línea paralela de 75 Ohms, o a coaxial de 50 u 75 Ohms, observara una impedancia cercana al acople en esa banda con una consecuente baja ROE en el alimentador.
Sin embargo en todas las otras bandas de HF, la función de esta sección es actuar como una sección de maquillaje para acomodar las ondas estacionarias (componentes de la corriente y voltaje) las cuales, en ciertas frecuencias de operación, no pueden ser acomodadas completamente en la porción radiante de los "brazos" horizontales (o V invertida).
La frecuencia central de diseño, de la versión completa de la G5RV, es 14.150 MHz. y la dimensión de 102 pies (31.08 mts.) son derivados de la formula para antenas "Hilos largos" (Long Wires):
Long. fts = 492(n - 0.05) 492 x 2.95
------------------ -------------- = 102.57 ft (31.27 m)
f (Mhz) 14.15
Donde: n = es el numero de medias longitudes de onda del cable (parte horizontal). El sistema completo, deberá ser llevado a resonancia mediante el uso de una sección acopladora. En la practica, la antena es cortada a 102 pies (31.08mts.).
Como la antena no hace uso de trampas o aros de ferrita, la porción del dipolo viene a ser progresivamente de una mayor longitud eléctrica con el incremento de la frecuencia. Este efecto confiere ciertas ventajas sobre una trampa o sobre dipolos cargadas con aros de ferrita porque, con el incremento de la longitud eléctrica, el lóbulo principal del componente vertical del diagrama polar, tiende a ser bajado cuando la frecuencia de operación es incrementada. Entonces, desde 14 MHz. hacia arriba la mayoría de la energía radiada en el plano vertical esta en los ángulos convenientes para los trabajos de DX. Además el diagrama polar cambia con el incremento de la frecuencia, desde un típico patrón de un dipolo de 1/2 longitud de onda en 3.5 MHz., a un patrón de dos 1/2 longitudes de onda enfazadas en 7 y 10 MHz. y así hasta una antena tipo "Hilo largo" en 14,18,21,24 y 28 MHz.
También el acople de la impedancia con línea paralela de 75 Ohms o cable coaxial de 75 Ohms, en la base de la sección de acople (línea abierta), es buena en 14 MHz. y aun, el uso de cable coaxial de 50 Ohms, resulta en alrededor de 1.8:1 en la relación de ondas estacionarias, en esta banda y el uso conveniente del correcto tipo de una red de acople (antenna tuner o transmatch), es necesario en todas las otras bandas de HF (pero no se habla del uso de un Balun, como lo piensan algunos). Esto es así porque la antena mas la sección de acople de la misma (línea abierta), presentaran una carga reactiva al alimentador en esas bandas.
Asi, el uso del correcto tipo de red de acople, es esencial en el orden de asegurar un máximo de transferencia de energía a la antena, desde un típico transmisor, teniendo un coaxial de 50 Ohms (línea desbalanceada) en la salida. Esto significa una entrada desbalanceada a una salida balanceada, si el alimentador de línea paralela es usado , o, de una desbalanceada a desbalanceada si el alimentador usado es un coaxial.
Una red de acople también es empleada, para satisfacer las condiciones de cargas convincentes, demandadas por tales equipos modernos que tienen un sistema de control de nivel automático. El sistema siente las condiciones de la ROE presentes, en la salida del transmisor de estado sólido y así, protegerlo de un daño, el cual podría ser causado por una carga reactiva, teniendo una ROE de mas de 2.1:1.
El razonamiento anterior no se aplica al uso de la versión completa de la antena G5RV, en 1.8 MHz. o a la versión de uso de media onda en 3.5 y 1.8 MHz. En estos casos, el terminal del conductor alimentador de la antena que va a la estación deberá ser sujetado y el sistema sintonizado a resonancia, por una serie convenientemente conectada a un circuito de inductancia y capacitancía, que se conecta también a una buena tierra, o a un cable de contrapeso (counterpoise).
Alternativamente, una red de acople de tipo desbalanceado a desbalanceado, tal como un circuito de acople en T o L, puede ser utilizado. Bajo estas condiciones la porción de los "brazos" de una antena horizontal (o V invertida), mas la sección de acople y el alimentador, funcionan como una antena Marconi o antena T, con la mayor radiación efectiva teniendo lugar desde la porción vertical o desde cerca de la porción vertical del sistema; la horizontal actúa como un elemento de carga capacitiva superior. Sin embargo, con el sistema alimentado como se describió arriba, una radiación muy efectiva es obtenida en estas dos bandas, aun cuando la horizontal esta mas baja, algo así como a 25 pies (7.62 mts.) sobre la tierra.
TEORIA DE LA OPERACION:
La teoría general de operación ha sido explicada arriba.
La teoría de operación detallada en cada banda, desde 3.5 hasta 28 MHz. continua.
La relevancia teórica del plano horizontal del diagrama polar para cada banda puede ser hallado en cualquier manual especializado de antenas. Sin embargo debe de tenerse en mente lo siguiente:
a- el diagrama polar se muestra generalmente, en dos formas
dimensiónales que son, de hecho, figuras tridimensionales
(sólidas) alrededor del plano de la antena; y
b- toda la teoría de los diagramas polares ha sido modificada
por los efectos de la reflexión y la absorción de objetos
conductores cercanos, tales como cercas de alambres, casas
de metal, sistemas de cableado eléctrico y aun árboles
altos. También la conductividad local de la tierra
materialmente afectara el patrón de radiación polar actualmente
producido por una antena.
Los diagramas polares teóricos están basados en la asumpcion de que una antena esta apoyada, en espacio libre y sobre de una tierra perfectamente conductora. Tales condiciones son, obviamente, imposibles de alcanzar en el caso de instalaciones típicas de aficionados. Lo que esto significa en la practica es que el lector no deberá sorprenderse si una antena particular, de una instalación típica de aficionado produce contactos donde una nulidad es indicada en el diagrama polar teórico y talvez una radiación no tan efectiva en las direcciones de los lóbulos principales, como debería indicarse teóricamente.
EN LA BANDA DE 3.5 MHz.:
En esta banda cada mitad horizontal mas los 17 pies (5.18 mts.) de cada pierna de la sección acopladora, forman un dipolo plegado de media longitud de onda, levemente horizontal.
El remanente de la sección acopladora actúa como una indeseable, pero inevitable, reactancia entre el centro eléctrico de la dipolo y la red acopladora del alimentador.
El diagrama polar es, efectivamente, como el de una antena dipolo
de media longitud de onda.
EN LA BANDA DE 7 MHz.:
En esta banda la forma horizontal, mas los 16 pies (4.87 mts.) de la sección acopladora, funcionan como un dipolo parcialmente plegado de 2 medias longitudes de onda en fase, haciendo que la antena produzca un diagrama polar con el lóbulo del patrón de una antena dipolo de media onda, debido a sus características colineáles. Otra vez el acoplamiento con línea paralela de 75 Ohms o coaxial de 50 u 80 Ohms, como alimentador conectado a la base de la sección acopladora (línea abierta), es degradado por una indeseable reactancia que se presenta en la mitad inferior de la sección de acople (línea abierta), pero, despreciándosele mediante el uso de una adecuada red de acople de impedancias (antennatuner o transmatch) el sistema carga bien e irradia muy efectivamente en esta banda.
EN LA BANDA DE 10 MHz.:
En esta banda, la antena funciona como una colineal de 2 medias longitudes de onda en fase, produciendo un diagrama polar prácticamente similar al del comportamiento de la banda de 7 MHz. Una carga reactiva se presenta al alimentador en la base de la sección acopladora (línea abierta), pero al igual que en 7 MHz., el desempeño es muy efectivo.
EN LA BANDA DE 14 MHz.:
En esta frecuencia, las condiciones son ideales. La forma horizontal de la antena, con 3 medias longitudes de onda y alimentación al centro, producen un diagrama polar de un multilobulo de irradiación en donde la mayoría de su potencia radiada, se presenta en el plano vertical, en un ángulo de alrededor de 14 grados, haciéndola efectiva en el trabajo de DX.
Como la resistencia de radiación al centro de un hilo largo de 3 medias longitudes de onda y soportadas a una altura de 1/2 longitud de onda sobre la tierra de un promedio de conductividad de alrededor de 90 Ohms, la sección de acoplamiento funciona ahora como un transformador de impedancias de 1:1. Un alimentador de cualquier tipo de impedancia característica entre 75 y 80 Ohms, verán una carga no reactiva (resistiva) de alrededor de este valor en la base de la sección de acople (línea abierta), así que la ROE, en el punto de alimentación, será de una relación 1:1.
Aun en el caso de usar, como alimentador, un coaxial de 50 Ohms, resultara en una ROE de solo 1.8:1. Esto asumiendo aquí, que los 34 pies (10.36 mts.) es un promedio de altura para las antenas en las instalaciones de aficionados.
EN LA BANDA DE 18 MHz.:
En esta banda la antena funciona como una antena de 2 longitudes completas de onda alimentada en fase; esto combina la ganancia de salida de un conjunto de 2 elementos colineáles con un ángulo zenital bajo de radiación con el de un dipolo de 1/2 longitud de onda, debido a las características de un "Hilo largo".
EN LA BANDA DE 21 MHz.:
En esta banda la antena trabaja como un "Hilo largo" de 5 medias longitudes de onda, produciendo un diagrama polar con un multilobulo, con un ángulo zenital efectivamente bajo de radiación. Además una carga de alta resistividad se presenta al alimentador en la base de la sección acopladora (línea abierta) y el sistema carga bien cuando es usado en conjunto con una red de acople adecuada, radiando en forma efectiva para el trabajo en contactos de DX.
EN LA BANDA DE 24 MHz.:
Aquí también como en la explicación anterior, otra vez la antena funciona como un "Hilo largo" de 5 medias longitudes de onda, pero con la desviación en las posiciones de los antinodos de las corrientes en la forma horizontales y la sección acopladora (línea abierta). La sección acopladora presenta ahora una condición de carga resistiva mas baja al alimentador conectado a su extremo mas bajo que la que hace en 21 MHz. Otra vez el diagrama polar presenta un multilobulo con un ángulo zenital bajo de radiación.
EN LA BANDA DE 28 MHz.:
En esta banda la antena funciona como dos antenas del tipo "Hilo largo", cada una de 3 medias longitudes de onda alimentadas en fase. El diagrama polar, es similar al del "Hilo largo", pero aun con mas ganancia sobre un dipolo de media longitud de onda, debido al efecto colineal obtenido por la alimentación de 2 antenas de 3 medias longitudes de onda en línea y con una proximidad cercana en fase.
CONSTRUCCION DE LA ANTENA:
Las dimensiones de la antena se obtendrán mediante la formula como se indico anteriormente. Si es posible, el mejor uso de esta antena se obtiene en su ubicación horizontal y en línea recta, siendo erigida tan alto como sea posible sobre la tierra.
En la descripción de la teoría de operación, se ha asumido que es posible erigir la antena a una altura promedio de alrededor de 34 pies (10.36 mts.), lo que haría que sea una altura optima para el funcionamiento en 14 MHz. En cuanto a las bandas de 1.8, 3.5 y 7 MHz. esta altura será muy baja para cualquier antena horizontal, lo que haría que no se de una muy buena eficiencia en el rendimiento de la misma. En la practica, muy pocos radioaficionados pueden instalar mástiles a la altura optima, de media longitud de onda en la banda de 3.5 o 7 MHz. y definitivamente no, en la 1.8 MHz.
Si no es posible acomodar una antena de 102 pies (31.08 mts.) en forma horizontal y en línea recta, por razones de limitación de espacio, a una elevación de 10 pies (3.04 mts.) en cada extremo del cable se puede permitir dejarse colgar en posición vertical y en un ángulo conveniente, o dejarse curvos en un plano horizontal, con un resultado prácticamente sin efecto en el desempeño de la misma.
Esto se debe a que en cualquier antena dipolo resonante, la mayor radiación efectiva, toma lugar desde el centro de la misma hacia las dos terceras partes de su longitud, donde los antinodos de la corriente están situados. Cerca de cada extremo de tal antena, la amplitud de las corrientes de ondas estacionarias caen rápidamente a cero en la parte exterior de las extremidades de la antena. Consecuentemente, la radiación efectiva de estas partes de la antena es mínima.
La antena puede también ser usada, en forma de una "V" invertida.
Sin embargo, se deberá recordar que en tal configuración, para lograr una radiación efectiva, el ángulo incluido en su vértice, deberá ser no menor de 120 grados.
El uso de alambre 14 AWG de cobre esmaltado, es el recomendado para la sección horizontal, pero también se pueden usar medidas mas delgadas, tales como 16 o 18 AWG (en lo particular, yo use el numero 16 y funciona bastante bien, TI2MAB).
LA SECCION ACOPLADORA:
Esta deberá ser, preferiblemente, de línea abierta para una mínima perdida. Como esta sección lleva siempre una corriente de onda estacionaria (y voltaje), su impedancia es insignificante.
Una típica y satisfactoria forma de construcción es hacer los separadores de ambas líneas, en plástico acrílico o si no se puede, en PVC.(Separación entre Líneas = 5 cm)
Si usted decide usar línea de 300 Ohms, como alimentador para esta sección, es preferible que sea del tipo "escalerilla", ya que es extremadamente importante tener en cuenta, si se usa cinta sólida, que con el polvo, agua y nieve, la sección acopladora se desintonizara fácilmente.
Para construir esta sección, deberá tenerse en cuenta el factor de velocidad del cable usado (VF), ya que para la confección de dicha sección la longitud de onda eléctrica es algo mas pequeña que la longitud física. Así, si se calcula una media longitud de onda para 14.15 MHz con línea de 300 Ohms, tipo "escalerilla", el factor de velocidad seria de 0.90, lo que nos daría una longitud de 31 pies (9.51 mts.).
Esta sección, deberá colgar verticalmente, desde el centro de la antena por al menos unos 20 pies (6.09 mts.), o mas si es posible. Luego se puede curvar y atar a un poste con una cuerda de nylon, aquí se conecta el cable alimentador, coaxial RG 8, RG 58 o RG 213 (yo use el RG 59 y con este me resulto muchísimo mas fácil que resuene la antena en todas las bandas, con excepción de la de 1.8 MHz. ya que nunca lo intente, con mi acoplador de antenas [antenna tuner o transmatch], dice TI2MAB).
EL ALIMENTADOR:
La antena puede ser alimentada por cualquier tipo conveniente de alimentador y siempre que este disponible una red de acople (antenna tuner o transmatch).
En el articulo original publicado en el Boletín de la RSGB de noviembre de 1966, se sugirió que si un cable coaxial era utilizado como alimentador, debería emplearse un Balun para la transformación de impedancia necesaria en la base de la sección acopladora, esto se sugirió porque la sección acopladora era un sistema balanceado y el cable alimentador coaxial era desbalanceado, costumbre que hoy día prevalece entre los radioaficionados debido a su desconocimiento. Pero con experimentos posteriores y con un mejor entendimiento de la teoría de operación del Balun indicado, se estableció que tal dispositivo no era adecuado, debido a la alta carga reactiva presentada en la base de la sección acopladora en todas las bandas.
Si un Balun es conectado a una carga reactiva, con una ROE(SWR) de mas de 2:1, su perdida interna se incrementara. El resultado será recalentamiento de los cables y saturación en su centro.
En casos extremos, con relativa alta potencia de operación, el calor generado en el dispositivo puede causar que este se queme.
La razón principal de que no se use un Balun en la antena G5RV, es que es una red de acople diferente, la cual emplea un circuito sintonizado y el Balun no puede compensar la condición presentada por el, de carga reactiva en la mayoría de las bandas, donde si puede hacerlo una red de acople adecuada (antenna tuner o transmatch) rindiendo efectiva y eficientemente.
Experimentos que fueron conducidos para determinar la importancia, o dicho de otra forma, los efectos de desbalance causados por la conexión directa de una cable coaxial como alimentador, a la base de la sección acopladora de la antena G5RV, fueron de resultados sorprendentes. La investigación mostró que, las corrientes medidas en HF, en la unión del conductor interno del cable coaxial a uno de los lados de la sección de acople (balanceada) y la unión del conductor externo del cable coaxial (malla) al otro lado de esta sección, fueron virtualmente idénticas en todas las bandas, arriba de 28 MHz. se observo una ligera pero inconsecuente diferencia en estas corrientes.
Así que, no hay por que proveer un dispositivo de balance de impedancia a esta sección, cuando se usa un cable coaxial como alimentador.
El uso de una red de acople del tipo desbalanceado a desbalanceado, entre la salida del coaxial de un transmisor moderno (o transceptor) y el alimentador coaxial es esencial.
Esto se debe a la condición reactiva presentada al extremo que va a la estación de este alimentador, el cual en todas, pero especialmente en la banda de 14 MHz., tendrá una ROE (SWR) de medianamente alta a alta en ellas. La ROE, sin embargo, resultara en una insignificante perdida en un alimentador coaxial de buena calidad y de razonable longitud, digamos, arriba de 70 pies (21.33 mts.). También cable coaxial de 50 u 80 Ohms puede ser usado y debido a que habran ondas estacionarias en el cable, la impedancia característica en el, es insignificante.
Otro tipo de alimentador que puede ser empleado es la línea paralela de 75 Ohms. Esta exhibe una perdida relativamente alta en frecuencias sobre 7 MHz., especialmente cuando una ROE (SWR) alta este presente. Yo recomiendo usar no mas de 50 a 60 pies (15.24 a 18.28 mts.) de este tipo de línea entre la base de la sección acopladora (línea abierta) y la red de acople (antenna tuner o transmatch). La línea paralela de 75ohms disponible en el Reino Unido es del tipo receptor; línea de menor perdida y de tipo transmisor, se encuentra disponible en los Estados Unidos.
El mas efectivo sistema de alimentación es la línea del tipo abierto. Una longitud adecuada de tal línea, puede ser construida de la misma manera que se ha descrito para la sección acopladora de línea abierta. Si esta forma es empleada, casi cualquier longitud podra ser utilizada desde el centro de la antena, hasta la red de acople de impedancias (antenna tuner o transmatch). En este caso, la sección acopladora viene a ser parte integral del alimentador.
Una longitud conveniente de alimentador de tipo línea abierta es la de 84 pies (25.60 mts.), esto permite la sintonía paralela de un circuito de acople en todas las bandas, desde 3.5 a 28 MHz.
Choque de Cable Coaxial en HF:
Bajo ciertas condiciones las corrientes pueden fluir sobre el conductor externo del coaxial. Esto se debe al inherente efecto de desbalanceo a balanceo causado por la conexión directa de un alimentador coaxial a la base de la sección acopladora (balanceada), que recoge la energía radiada por la antena. Esta es una condición indeseable y puede incrementar las oportunidades de interferencia en la TV [desde una sobrecarga fundamental, si el alimentador es ubicado cerca de una antena receptora de TV, por ejemplo]. Este efecto puede ser reducido o eliminado por el bobinado del cable coaxial alimentador, haciendo una bobina de 8 a 10 vueltas de un diámetro de 6 pulgadas (15 cm.),
inmediatamente abajo del punto de conexión del cable coaxial a la sección de acople (línea abierta), las vueltas pueden acomodarse juntas y sostenerse con cinta adhesiva o con cuerda de nylon.
Es importante que la unión del cable coaxial a la sección acopladora (línea abierta), sea hecha por cualquier método aceptable y a prueba de agua. Usándose para ello cualquier tipo de sustancia selladora, resina epoxica, silicón, barniz de poliuretano, o bien, utilizar algún tipo de caja que encierre dicha conexión, sin permitir que ingrese el agua.
REFERENCIAS:
Varney, L., "ATU o astu?", Radio Communication, August 1983.
Varney, L., "HF Antennas in Theory and Practice - A Philosophical
Aproach", Radio Communication, Sept. 1981.
G5RV Multi-Band Antenna by Louis Varney,
.jpg){kind=small}
