Suele ocurrir que al instalar una antena de HF ya calibrada y luego al conectar el cable coaxial, nos damos cuenta que la ROE se ha disparado, ¿qué ocurrió allí y por qué la solución pasa por modificar la longitud del cable?
¿Mito o realidad que la longitud del cable coaxial afecta la ROE de la antena?. Lo cierto es que no es un mito ya que se puede comprobar este fenómeno de manera empírica con nuestro medidor de ROE. No, no es un fallo de la antena ni un defecto en el cable y por ello no debemos desarmar todo y volver a armar. En este artículo trataré de dilucidar este fenómeno muy usual que ha sido mal interpretado y que tiene una solución que va más allá de sacrificar cable al cortarlo o alargarlo innecesariamente.
Pongámonos en contexto con un ejemplo práctico muy común entre los radioaficionados:
Hemos confeccionado una antena dipolo V invertida en nuestro tejado y a través de un analizador de antena la hemos calibrado obteniendo una ROE de 1.2:1. Un valor más que aceptable debido a las condiciones que disponemos, incluso podríamos esperar una ROE 1.5:1 y sigue siendo bueno.
Posteriormente colocamos el cable coaxial definitivo y lo hacemos pasar a nuestro shack, sala de radio o como queramos llamarle al rincón donde hacemos este hobby y soldamos el conector PL que irá conectado a la salida de antena de nuestro equipo, y al momento de transmitir vemos que la potencia de trasmisión es baja, alrededor de un 50% o un poco más, pero no logramos obtener los 100 Watts como lo esperamos. Verificamos la ROE y vemos un valor 2,8:1 o superior a 3:1, generando preocupación en especial del cable que hemos instalado; ¿será de buena calidad?, ¿habrán quedado los conectores en cortocircuito?, ¿la antena se habrá desajustado o se salió de su sitio?.
Volvemos a subir al techo, revisamos todo y no hay nada anormal, los cables están bien y la antena está tal cual como la dejamos. En eso consultamos a algún colega y nos va a preguntar:
¿Cortaste el cable coaxial a la longitud requerida?
Aquí es donde empieza el proceso donde se hace evidente la relación entre la ROE y el largo del cable el cual es la línea de transmisión bajo las siguientes fórmulas:
Nuestra dipolo V invertida está diseñada para la banda de 40 metros y resuena con una ROE de 1.2:1 en 7.100KHz.
Para saber la longitud de onda de una frecuencia, sabemos que es el producto entre la velocidad de la luz y la frecuencia.
Donde:
- λ (lambda) es la longitud de onda en metros,
- c es la velocidad de la luz en el vacío en miles de km/s,,
- f es la frecuencia en MHz.
Reemplazando los valores conocidos de la fórmula obtendremos la longitud de onda expresada en metros:
Dando por resultado 42,25 metros la longitud de onda física de la frecuencia central elegida la cual es 7.100KHz. Sin embargo no debemos olvidar que por el cable coaxial la señal de radiofrecuencia no viaja a la velocidad de la luz, por lo tanto se debe aplicar un factor de corrección el cual se denomina factor de velocidad según el tipo de línea de transmisión que estamos utilizando.
Suponiendo que utilizamos un cable RG8, por lo que debemos consultar en la hoja de datos de su fabricante para conocer el factor de velocidad, el cual es 0,82 (valor promedio), lo quiere decir que la radiofrecuencia viaja un 82% de la velocidad de la luz dentro del cable RG8.
Por lo tanto debemos corregir la longitud física en longitud eléctrica, utilizando el valor de la fórmula anterior multiplicándolo por el factor de velocidad:
Longitud eléctrica (en metros) = 42,5 metros x 0,82 = 34,85
Hemos obtenido como longitud eléctrica el valor de 34,85 metros y con ello ya estamos en condiciones de estimar el largo del cable coaxial.
Debemos seguir una regla para lograr el objetivo deseado: obtener la misma ROE que tenemos en antena (en este ejemplo 1,2:1) y para ello debemos tener como largo máximo del coaxial 1/2 onda o múltiplos de la onda completa.
Figura 1: Onda de radio con indicación de sus valores al pasar por cero por cada semiciclo.
En la Figura 1 se aprecia una onda senoidal en la que las barras azules y la verde representan la mitad de un ciclo cada vez que el valor es igual a cero en el centro del gráfico. La idea es que cuando cortemos el cable coaxial, su longitud eléctrica coincida con el valor de la longitud expresada en la tabla. El hacerlo cercano a los picos positivos y negativos, nos dará un valor de ROE alto, mientras que si lo hacemos en el cruce por cero será el mismo que el de la antena. Los valores correctos para el cable coaxial deber ser los siguientes:
El primer valor puede ser el de media onda. Esto quiere decir que la longitud del cable coaxial será el largo eléctrico multiplicado por 0,5 longitud eléctrica de onda:
Largo cable coaxial en metros = 34,85 x 0,5 onda = 17,42 metros
Si usted tiene una distancia de su equipo a la antena de unos 10 metros, le van a sobrar 7,42 metros, los cuales deberá tenerlos estirados de alguna manera y no enrollarlos para no sumar otros fenómenos indeseables que no forman parte de este artículo.
Si la distancia del calculo anterior no alcanza para llegar a su equipo desde la antena (suponiendo que tiene una torre de 20 metros y le faltan 5 metros para llegar a su equipo), lógicamente va a requerir de más cable. Para ello el cable debe tener una longitud de una onda eléctrica completa para asegurar el cruce por cero.
Largo de cable coaxial =34,85 x 1 onda = 34,85 metros
En este ejemplo habrá un excedente de 9,85 metros de cable coaxial que debiesen estar estirados y no enrollados.
La línea verde de la Fig. 1 que representa 1 1/2 longitud de onda y no se recomienda para solucionar el caso bajo análisis.
De este punto en adelante, se pueden usar múltiplos de la longitud eléctrica:
Largo de cable coaxial =34,85 x 2 ondas = 69,7 metros
Largo de cable coaxial =34,85 x 3 ondas = 104,55 metros
Y así hasta dar con la longitud necesaria de acuerdo a las necesidades.
Cada vez que seleccionemos un valor de longitud de cable con esta operación matemática, al medir la ROE siempre veremos el valor que presenta la antena.
Llegado a este punto de la lectura, me imagino que empezamos a dudar de la solución, porque sabemos que la longitud de todo cable debe ser siempre la menor posible para evitar pérdidas innecesarias y claramente dejar 10 metros de cable o más para evitar que la ROE suba, significa también una pérdida en la eficiencia de nuestra estación: mayor susceptibilidad a recibir QRM, menor sensibilidad de recepción y menor potencia recibida en antena al momento de trasmitir. Algo nos dice que la solución genera muchos inconvenientes del punto de vista económico y técnico, además que existen antenas multibanda para HF alimentados con un único cable, ¿por qué entonces debemos hacer todo esto si el coaxial es una línea de transmisión debidamente blindada?.
Pero, ¿cual es la verdadera causa del aumento de la ROE según sea la longitud del cable coaxial?. Es la pregunta que no hemos respondido y para ello debemos tener claro sobre los sistemas balanceados y no balanceados.
¿Qué es un sistema balanceado?
En un sistema balanceado, las señales viajan en dos conductores con igual amplitud pero en fase opuesta respecto a ellas. Un ejemplo claro de esto es la electricidad alterna, la cual en nuestro hogar tenemos dos cables: fase y neutro. Al medir con un osciloscopio podemos ver que la frecuencia eléctrica de la red es de 50Hz y que va alternándose el ciclo positivo de manera progresiva para hacerse cada vez más negativo para repetir todo de nuevo 50 veces por segundo. Cada vez que la fase se hace positiva, quiere decir que el neutro se hace más negativo, y en consecuencia cuando el neutro se hace más positivo, la fase se hace más negativa.
En sistemas de audio profesional los micrófonos o cualquier otro dispositivo de audio utilizan 3 cables y no 2 como lo hacemos nosotros. Sabemos que un micrófono tiene dos cables: uno el que lleva la señal y el otro es el negativo o tierra, pero en sistemas de audio profesional se utilizan sistemas balanceados, por lo que un micrófono lleva tres cables: la tierra y dos cables que llevan la señal desfasadas entre sí en 180°. Las ventajas de un sistema balanceado es que la intensidad de señal puede ser el doble debido al desfase de 180°, sin embargo lo principal es la inmunidad al ruido en modo común. Las corrientes de modo común son eliminadas mucho antes que la señal sea procesada y amplificada. ¿Cuantas veces nos ha pasado que al aumentar la longitud de un cable de micrófono aparece aumentado el famoso hum del ruido eléctrico que se filtra por inducción electromagnética?. Eso no pasa en sistemas balanceados y por eso su uso en sistemas profesionales de audio.
En radioafición las antenas dipolo funcionan de manera balanceada, esto quiere decir que cuando un extremo del dipolo está en el máximo positivo, el otro extremo está en el máximo negativo, invirtiéndose en el siguiente ciclo de la onda. En resumidas cuentas las señales viajan en dos conductores con igual amplitud pero en fase opuesta respecto a ellas.
Fig. 2: Dipolo balanceado. Fuente: Wikipedia
¿Qué es un sistema no balanceado?
Un sistema no balanceado es aquel en el que las corrientes y voltajes en los conductores de una línea de transmisión no son simétricos respecto a tierra. En este sistema, uno de los conductores está conectado a tierra o actúa como referencia, mientras que el otro lleva toda la señal activa. ¿Acaso esto no es el cable coaxial que utilizamos como línea de transmisión?. Claro, la malla está conectada a tierra en el equipo y el terminal central es la que lleva la señal a la antena, por lo tanto es una línea no balanceada que alimenta a una antena balanceada… ¿será esta la razón de la ROE en relación con la longitud del cable coaxial?.
Comportamiento de una antena dipolo alimentada con línea de transmisión no balanceada
Fig. 3: Dipolo no balanceado. Imagen modificada de wikipedia.
En la Figura 3 se representa en grandes rasgos (sin animación lamentablemente), a una antena dipolo funcionando de manera no balanceada. En el tramo de la derecha, se encuentra totalmente positivo cada vez que la semionda sea positiva, mientras que el tramo de la izquierda permanece en todo momento con carga negativa porque es la tierra del equipo y su polaridad no cambia, siempre es negativo. Entonces el único tramo que cambiará e irradiará será el segmento de la derecha mientras que el segundo no hace nada productivo. Intuitivamente nos dice que la antena está funcionando al 50%, y no en su totalidad. Debemos tomar en cuenta ese detalle, porque cuando se nos dice que una dipolo tiene una ganancia de 2.15dBi se refiere al trabajar de manera balanceada, por lo tanto en falta de simetría su ganancia debiese ser -0,85 dBi.
Además de esa pérdida de eficiencia, las flechas rojas indican que por el cable coaxial surgirán corrientes de modo común, las cuales convertirán al blindaje del cable como otra antena. Dichas corrientes fluyen hacia el equipo y son las que producen esta alza de ROE según el largo de la línea de transmisión y se ven atenuadas cuando el largo coincida con el cruce por cero de la onda, porque en ese momento la corriente de modo común también será cero.
Esas corrientes de modo común son las culpables en los momentos en que nos da la corriente al tocar el equipo durante la transmisión, como también ser testigos de interferencias en otros equipos de radio dentro del shack y que se escuche el típico ruido de la RF filtrándose sin razón en equipos y parlantes de audio.
Las corrientes de modo común se incrementan a medida que la ROE de la antena deja de ser perfecta especialmente cuando nos vayamos alejando de su frecuencia de resonancia a la cual habíamos ajustado. Por ejemplo, si la antena tiene una ROE de 1:1 a la frecuencia de 7.100KHz es muy probable que las corrientes de modo común sean despreciables, pero no así si la ROE es de 1.1:1 o 1.2:1 en los 7.120KHz y allí los efectos se harían notar.
¿Por qué entonces se utilizan antenas balanceadas y cables no balanceados?
El proceso de cables no balanceados para RF es mucho menos complejo y por tanto menos costoso, sin tomar en cuenta que fabricar equipos balanceados serían mucho mas complicados en su diseño y mejor no imaginar el valor de venta que tendrían. Además hay antenas que son no balanceadas como las verticales o las ground plane y volveríamos al mismo problema.
¿Entonces hay alguna solución que no sea modificar la longitud de los cables coaxiales?
Por fortuna sí existe solución y son dispositivos pasivos que convierten un sistema no balanceado en balanceado (y viceversa) que se les conoce con el nombre de BALUN, el cual es la contracción de dos palabras BALanced y UNbalanced (balanceado y no balanceado en español).
Los BALUN son productos que se pueden comprar o fabricar de manera casera, los hay de núcleo de aire o de ferrita según la necesidad como también el rango de frecuencias que puede operar y la potencia máxima que pueden soportar.
Fig. 4: Balun 1:1. Fuente: Aliexpress
En nuestra antena la impedancia es de 50 Ohms, al igual que el equipo y la línea de transmisión, por lo tanto nuestro BALUN debe presentar la misma impedancia de entrada y salida, denominándose como balun «uno a uno», que de manera numérica se expresa 1:1.
Fig. 5: Balún 1:1 fabricación casera. Fuente: https://vk6ysf.com/
Para algunos colegas les puede parecer inútil utilizar un BALUN 1:1, es como un transformador que no presenta ninguna ganancia ni ventaja, es dinero perdido o un gasto de tiempo el instalarlo. Lo cierto que la función es simplemente adaptar dos sistemas que son incompatibles entre sí con una mínima pérdida.
Hay diversos tipos de BALUN, con diversas relaciones como 4:1 o 9:1 y muchos más, que tendrán la doble misión de compatibilizar la impedancia y adaptar dos sistemas distintos. Pero eso es otro tema.
Choke BALUN
Existe otra alternativa que es utilizar una bobina de cable coaxial con las medidas pertinentes, cumpliendo con el mismo efecto.
Fig. 6: Choke BALUN. Fuente: https://lu4bb.com/
Hay colegas que sostienen que la instalación de un BALUN altera las propiedades de la antena, que generan pérdidas en recepción y transmisión siendo opiniones no del todo ciertas. Cuando una dipolo trabaja no balanceada, su lóbulo de radiación no será el que debiese ser y las pérdidas producidas por las corrientes de modo común son superiores a la instalación de un BALUN. Por lo tanto, no existe bajo mi punto de vista que este dispositivo genere problemas sino grandes ventajas que marcarán un antes y un después en nuestra estación.
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Muy interesante y buen articulo. Un tópico importante para todo radioaficionado explicado de manera muy simple pero clara y concisa. Espero despierte el interés de profundizar sobre éste y otros fenómenos de la radiofrecuencia y las antenas en aquellos que lo lean. Felicitaciones Patricio. 73′