El Arte de Apilar Antenas UHF: Maximizando Ganancia y Directividad para Radioaficionados

El mundo de las comunicaciones por radioafición, especialmente en las bandas UHF (Ultra High Frequency), presenta desafíos y oportunidades únicas para los entusiastas que buscan expandir sus horizontes. Para aquellos radioaficionados dedicados a operaciones DX terrestres, así como a modos de operación especializados como EME (Earth-Moon-Earth) y MS (Meteor Scatter), la necesidad de antenas más potentes y direccionales es primordial. Aquí es donde entra en juego el concepto de "apilamiento" de antenas, una técnica que permite mejorar significativamente la ganancia y la directividad de un sistema de antena. Este artículo explora en profundidad las ventajas, los desafíos y las consideraciones técnicas involucradas en el apilamiento de antenas UHF, basándose en la experiencia y los cálculos de expertos como Martin Steyer, DK7ZB.

La Ventaja Fundamental del Apilamiento: Ganancia Direccional

El apilamiento de antenas se refiere a la práctica de agrupar múltiples antenas idénticas, ya sea vertical u horizontalmente, o una combinación de ambas, para crear un conjunto de antenas más potente. La principal ventaja de este método es la obtención de una mayor ganancia en una dirección preferida. Martin Steyer, DK7ZB, un reconocido experto en el diseño de antenas, abordó este tema en un artículo seminal publicado a finales de los años 90 [1]. Su trabajo, que ha servido de guía para innumerables radioaficionados, destaca que el apilamiento permite concentrar la energía de la antena en un haz más estrecho, lo que se traduce en señales más fuertes y claras, especialmente crucial para las comunicaciones a larga distancia.

El estándar de facto entre muchos radioaficionados para la banda de 2 metros es una antena Yagi de 16 elementos. Si bien existen configuraciones con 12, 24, 32 o incluso 48 elementos, su uso es menos común. A medida que aumenta el número de elementos en una sola antena, la relación entre el gasto de material y el rendimiento tiende a ser menos favorable. Además, los problemas mecánicos se vuelven más pronunciados. Los conjuntos de antenas de gran tamaño están sujetos a una carga de viento considerable, lo que impone exigencias significativas a la resistencia del mástil de la antena, el tubo vertical, la estructura de soporte y el rotor.

La Cuestión Crítica: Distancia y Configuración del Apilamiento

Determinar la "distancia correcta" entre las antenas en un array es una pregunta que no admite una respuesta única y universal. Depende en gran medida de las circunstancias específicas y de la aplicación definida. Básicamente, existen dos escenarios límite: el apilamiento de dos antenas o la configuración de un gran conjunto de antenas.

Para lograr una ganancia máxima posible de aproximadamente 3 dB, se requiere una distancia relativamente grande entre las antenas. Sin embargo, esta separación mayor también conlleva la formación de lóbulos laterales y nulos más pronunciados en el diagrama de radiación vertical, en comparación con una única antena Yagi. Además, una gran distancia de apilamiento complica el diseño mecánico del conjunto.

Por otro lado, una separación significativamente menor entre las antenas puede resultar en una supresión óptima de los lóbulos laterales, pero a costa de una reducción en la ganancia máxima alcanzable, que se sitúa entre 1,5 y 1,8 dB.

Consideremos el ejemplo práctico de dos antenas Yagi de 7 elementos apiladas verticalmente para la banda de 2 metros. Este escenario ilustra claramente el dilema asociado a las diferentes distancias de apilamiento.

Consideraciones Mecánicas y Físicas: Más Allá de la Eléctrica

Desde una perspectiva puramente mecánica, el apilamiento vertical de antenas suele ser preferible. Por ejemplo, cuatro antenas superpuestas verticalmente son, en la práctica, mucho más manejables que cuatro antenas dispuestas en una configuración en H cruzada. Los problemas mecánicos en una configuración en H pueden volverse tan severos que la construcción se vuelve inviable, incluso con longitudes de antena de 1,5 longitudes de onda (ʎ).

Además del complicado diseño mecánico de la cruz en H, el elevado momento de inercia también puede ser un problema significativo. En física, durante el movimiento giratorio, el momento de inercia está relacionado con el par de la misma manera que la masa está relacionada con la fuerza en el movimiento lineal. El momento de inercia aumenta a medida que la masa se aleja del centro de rotación o del eje de rotación. Esto implica que las antenas descentradas (incluso si están dispuestas simétricamente en una configuración H) presentan un momento de inercia mucho mayor que las antenas apiladas verticalmente, cuyo centro de gravedad coincide con el centro de rotación.

¿Alguna vez ha intentado girar manualmente un gran conjunto de antenas Yagi en configuración H durante un día de campo? Si es así, sabrá que, a diferencia de un grupo de antenas apiladas, esta tarea requiere un esfuerzo considerable. Con un diseño en voladizo típico de un grupo en H, se necesita más tiempo y energía para mover la masa, lo que dificulta la reacción rápida a los cambios en la alineación de la antena. El rotor de la antena está sometido a fuerzas de torsión mucho mayores durante la aceleración y el frenado. En consecuencia, el rotor debe ser de una capacidad "un poco mayor".

Según la recomendación de Martin Steyer, DK7ZB, la estrategia más sensata suele ser utilizar dos antenas largas apiladas verticalmente en grupo. Un grupo de cuatro antenas en disposición H con yagis más cortas ofrece nominalmente la misma ganancia, pero el ángulo de apertura horizontal considerablemente reducido suele limitar seriamente su utilidad para el tráfico terrestre.

Ángulo de Apertura: Enfocando la Señal

Normalmente, se prefiere un ángulo de apertura vertical muy pequeño, ya que permite enfocar la mayor proporción posible de la radiación hacia el horizonte. Las únicas excepciones a esta regla general son las comunicaciones por satélite, EME o Aurora a distancias más cortas, donde un ángulo de elevación mayor puede ser ventajoso.

Martin Steyer, DK7ZB, ha realizado cálculos para profesionales que, en general, no conocen el ángulo de apertura de su antena. Estos cálculos determinan la ganancia máxima para dos Yagis apiladas verticalmente. Asumiendo que la asignación de elementos y la ganancia de una "Longyagi" (una Yagi de alta ganancia) son casi óptimas, existe una clara dependencia entre la ganancia de la antena y la distancia del apilamiento.

Técnicas de Interconexión: Cable Coaxial vs. Otras Opciones

En la mayoría de los casos, la adaptación de impedancia en VHF se realiza utilizando transformadores de cuarto de onda. Sin embargo, la técnica coaxial, aunque común, no es necesariamente la más aconsejable para interconectar grupos muy grandes de antenas largas. A medida que la longitud total de los cables coaxiales aumenta, la atenuación adicional puede volverse significativa. Además, los cables de baja atenuación suelen ser pesados y añaden una masa considerable al conjunto.

Por estas razones, los especialistas en grandes sistemas EME a menudo optan por cables bifilares de construcción propia, que son considerablemente más ligeros y presentan una menor atenuación.

Los adaptadores coaxiales, también conocidos como acopladores de 3 dB o divisores de -3 dB, dividen la potencia de entrada a partes iguales (50%) entre dos antenas, manteniendo la impedancia. Estos dispositivos aprovechan el hecho de que la impedancia característica de las líneas coaxiales depende de la relación entre el diámetro del conductor interior y el del exterior, así como de las propiedades del dieléctrico (en este caso, el aire). La forma de la sección transversal de los conductores puede ser arbitraria; por ejemplo, el conductor exterior puede ser cuadrado mientras que el conductor interior es redondo. Esto facilita la conexión atornillada de los divisores coaxiales con brida.

Los divisores cuádruples fabricados industrialmente, diseñados para la banda de 70 cm o 23 cm, son bastante compactos. Sin embargo, en general, los cables coaxiales se utilizan más para grupos de dos o cuatro antenas en las bandas de 2 m y 70 cm, lo que resulta en una configuración mecánica relativamente sencilla.

DK7ZB también prefiere la adaptación mediante cables, al menos para 144 MHz, debido a la longitud poco manejable de las construcciones de tubo. En el punto de conexión, debe haber una impedancia de 100 Ω en cada una de las dos líneas que salen de las antenas, de modo que al conectarlas en paralelo se cree la impedancia de 50 Ω necesaria para el cable coaxial principal. Por lo tanto, una impedancia característica de 70 Ω daría como resultado una adaptación perfecta. Sin embargo, estos cables coaxiales específicos son difíciles de conseguir hoy en día, ya que ya no se fabrican. Si se acepta un SWR (Standing Wave Ratio) ligeramente superior de 1,13, es factible utilizar cables de 75 Ω. La longitud de estos cables debe ser un múltiplo impar de ʎ/4 para cumplir la condición de transformación, teniendo en cuenta el factor de acortamiento que varía según el dieléctrico (aproximadamente 0,667 para polietileno sólido y entre 0,78 y 0,85 para cables con alto contenido de aire). Es fundamental respetar las especificaciones del fabricante.

Para el cableado, es crucial que los cables de conexión sean lo más cortos posible y que, al calcular su longitud, se tenga en cuenta el apantallamiento (incluyendo la longitud de apantallamiento de los conectores utilizados).

La interconexión de cuatro antenas es aún más sencilla en términos de impedancia, ya que solo se requieren cables coaxiales de 50 Ω. Las líneas que van de cada antena a los puntos de conexión consisten en cables con una impedancia característica de 50 Ω. Aunque las longitudes de los cables l1 son arbitrarias, deben ser idénticas. Debido a la conexión en paralelo en los puntos de conexión, la impedancia resultante es de 25 Ω. Las secciones de cable l2 transforman esta impedancia a 100 Ω en el punto "Y", de modo que allí se obtienen nuevamente 50 Ω tras la conexión en paralelo. Un cálculo confirma que las líneas de cuarto de onda con cable de 50 Ω cumplen esta tarea. Por lo tanto, todas las líneas pueden constar del mismo tipo de cable; solo es necesario calcular y cortar con precisión las longitudes l2.

Consideraciones Prácticas y de Diseño

Si es posible controlar mecánicamente el apilamiento vertical de cuatro antenas (considerando que un apilamiento individual a una distancia de 3 metros para antenas de 2 metros ya resulta en una altura total del conjunto de 9 metros), se obtiene una disposición óptima en términos de características de radiación: un ángulo de elevación vertical muy pequeño y un lóbulo de radiación horizontal más amplio.

Hay otro punto importante que merece atención: las antenas deben estar dispuestas de tal manera que todos los elementos radiantes reciban la energía en fase. Esto significa que las líneas gamma, los conductores interiores de los cables balun de media onda y los cables coaxiales para la alimentación deben estar en el mismo lado (y en la parte inferior) de todas las antenas.

Los "potes de adaptación" (matching pots) no son muy rentables para la banda de 2 metros si se pueden lograr conexiones de soldadura limpias para los cables de adaptación. Para 70 cm, los elementos de transformación de cables pueden implicar pérdidas adicionales ligeramente superiores, pero aún aceptables. En principio, los valores teóricos de ganancia siempre son superiores a los realmente alcanzados, ya que los cables, conectores y empalmes implican pérdidas inevitables. Por lo tanto, se les debe prestar especial atención.

En cuanto a la mecánica de los puntos de conexión en los tubos de un empalme en H, se pueden evitar costes elevados construyéndolos uno mismo.

Combinando Diferentes Tipos de Antenas

¿Las antenas utilizadas tienen que ser idénticas, o es posible combinar diferentes tipos de antenas? Sí, también es posible. Por ejemplo, se pueden combinar dos Yagis para 2 m y cuatro Yagis para 70 cm en una configuración en cruz H. Con un diseño hábil de la mecánica, se puede lograr un equilibrio aproximado de la construcción a pesar de la asimetría.

Selección de Antenas Yagi para Arrays

La elección de las antenas Yagi individuales es fundamental para la construcción de un array de antenas. Las antenas Yagi de WiMo, diseñadas según los principios de DK7ZB, se basan en tecnología eléctrica y mecánica sin concesiones, y provienen de su propia producción "Made in Germany". Los principios de diseño de estas Yagis buscan la máxima ganancia posible con un ancho de banda amplio y un buen lóbulo lateral y pérdida de retorno.

Estas antenas están diseñadas para un perfil de corriente optimizado. Para evitar pérdidas por efecto pelicular, solo se utilizan elementos con un diámetro de 8 mm fabricados con una aleación de aluminio de alta conductividad. Este es un buen compromiso entre pérdidas eléctricas mínimas y la posible carga del viento. Con elementos de acero, se perderían más de 0,5 dB de ganancia debido a una peor conductividad. Los elementos se fijan con estabilidad a largo plazo utilizando soportes de elementos de poliamida resistentes a los rayos UV, que no muestran cambios en los datos eléctricos incluso después de años. El montaje directo en el tubo de la pluma con clips de retención metálicos puede asociarse a la oxidación en los puntos de contacto, provocando un cambio gradual en los datos de la antena. El elemento radiante de una Yagi de este tipo es siempre un dipolo plegado con un balun de teflón, alojado en una caja de dipolo resistente a la intemperie, soldada en frío y espumada adicionalmente.

Las antenas Flexa Yagi, desarrolladas y fabricadas por la oficina de ingeniería de RS en Alemania durante más de 30 años, adoptan un enfoque ligeramente diferente. El principio de optimización según DL6WU permite obtener excelentes datos de ganancia, diagrama, adaptación, ancho de banda y bajas pérdidas, evitando corrientes de elemento extremadamente altas. Gracias al uso de elementos finos de acero inoxidable, las Flexa Yagis se caracterizan por un peso especialmente reducido, lo que las hace muy adecuadas para su uso en antenas phased array.

Divisores de Potencia y Adaptadores de Impedancia

Para conectar dos o cuatro antenas idénticas, se puede utilizar el llamado "coaxial matching pot" o divisor de potencia (divisor de -3 dB). Estos divisores transforman la impedancia característica de los 12,5 Ω o 25 Ω de las antenas conectadas en paralelo a los 50 Ω necesarios, prácticamente sin pérdidas. Por encima de 70 cm, siempre se deben utilizar divisores de potencia para esta tarea. En las bandas de 2 m y 70 cm, también se puede trabajar con líneas de fase.

Sistemas de Rotación y Soporte Mecánico

Para radioaficionados terrestres convencionales, se necesita un rotor azimutal con el que se puedan cubrir 360° en el plano horizontal. Para modos de operación especiales como EME, MS y Aurora, se requiere un rotor de elevación adicional para poder alinear la antena verticalmente hasta 90°. Especialmente si se desea mover un gran conjunto de antenas, la capacidad de carga y los momentos de torsión y flexión de un rotor de antena son criterios importantes.

No solo el rotor en sí debe ser de "mayor calibre", sino que difícilmente funcionará sin un cojinete superior. Las fuerzas laterales solo pueden absorberse con un cojinete superior adicional. Esto aumenta el esfuerzo mecánico y se necesitan componentes adicionales para el cojinete superior: un tubo vertical o incluso un mástil de celosía más pequeño, así como una plataforma para el cojinete superior.

La lista de materiales de montaje para tales estructuras puede ser extensa, incluyendo abrazaderas transversales y placas transversales, soportes de montaje, pernos en U, abrazaderas dobles, abrazaderas para tubos, pestillos, abrazaderas para tubos verticales, abrazaderas de arriostramiento, tubos de aluminio, tubos de acero, tubos de PRFV (plástico reforzado con fibra de vidrio), tapas de mástil, soportes de mástil, bases de mástil y abrazaderas para bases de mástil, semicarcasas y manguitos de sujeción para tubos de PRFV, así como soportes de elementos de plástico para tubos verticales redondos o perfiles rectangulares.

Si sus planes para la construcción de un conjunto de antenas están completamente desarrollados y la decisión de emprender este extenso proyecto ha sido tomada, el equipo de WiMo está a su disposición para ofrecer asesoramiento y discutir sus deseos e ideas.

Antenas UHF: Una Visión General

La banda UHF (Ultra High Frequency) abarca el rango de frecuencias de 300 megahercios a 3 gigahercios. Las antenas UHF son dispositivos diseñados para recibir y transmitir señales electromagnéticas dentro de este rango. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde la radiodifusión y la televisión hasta las comunicaciones inalámbricas, dispositivos móviles, seguridad pública y sistemas de respuesta a emergencias.

El funcionamiento básico de una antena UHF implica la recepción de señales electromagnéticas enviadas desde un transmisor. Estas señales son captadas por elementos conductores (cables o varillas metálicas) dispuestos en un patrón específico. La señal captada se convierte en una señal eléctrica al inducir una corriente eléctrica en los elementos conductores. De manera recíproca, una antena UHF puede transmitir señales al recibir una señal eléctrica que genera campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio en forma de ondas de radio.

Existen diversos diseños de antenas UHF, incluyendo antenas de plano de tierra, antenas log-periódicas y antenas Yagi. La ganancia y la directividad pueden personalizarse mediante diferentes diseños. Las antenas UHF también pueden diseñarse para polarización vertical u horizontal, según los requisitos de la aplicación. Otros factores de diseño a considerar incluyen los materiales de construcción y las opciones de montaje.

Aplicaciones de las Antenas UHF

Las antenas UHF encuentran aplicación en numerosos sectores:

• Comunicaciones Inalámbricas: Se utilizan en dispositivos Wi-Fi, Bluetooth y routers inalámbricos, siendo eficaces para la recepción de señales a corta distancia.
• Sistemas RFID (Identificación por Radiofrecuencia): Esenciales en sistemas logísticos y de seguimiento para leer y escribir datos en etiquetas RFID. Las aplicaciones comunes incluyen el seguimiento de inventarios, control de accesos y gestión de activos. En el sector minorista, proporcionan visibilidad en tiempo real y seguimiento preciso del inventario. En la manufactura, son cruciales para el seguimiento en tiempo real y la automatización, mejorando la eficiencia de la producción y el control de calidad. En sanidad, se utilizan para el seguimiento de equipos médicos y productos farmacéuticos.
• Militar y Defensa: Se emplean en sistemas de comunicación naval y aeroespacial, permitiendo una comunicación precisa entre buques y aeronaves, vital para las operaciones militares.
• Seguridad Pública y Servicios de Emergencia: Se utilizan en diversos sistemas de comunicación dentro de departamentos de policía, aplicaciones de seguridad, servicios de defensa, bomberos y ambulancias.

Tipos de Antenas UHF

Las antenas UHF están disponibles en diversas formas y configuraciones:

• Antenas Dipolo: Compuestas por dos varillas o cables metálicos dispuestos en línea recta.
• Antenas de Panel: Comúnmente utilizadas para routers WiFi, amplificadores de señal y sistemas RFID.
• Antenas Parabólicas: Empleadas para comunicaciones de largo alcance en aplicaciones como CCTV y sistemas de comunicación punto a punto.
• Antenas en Array: Formadas por varias antenas más pequeñas dispuestas según un patrón específico.

Instalación y Sintonización

La instalación y sintonización adecuadas son cruciales para optimizar el rendimiento de una antena UHF.

Factores Clave para la Instalación:

• Evitar obstáculos metálicos: Los objetos metálicos cercanos pueden interferir con la recepción de la señal al reflejarla.
• Exposición al viento y a la intemperie: El sistema de montaje de la antena debe ser estable y capaz de soportar las condiciones climáticas adversas.

Pasos para Instalar una Antena UHF:

1. Seleccionar la antena adecuada: Identificar el tipo de antena UHF que mejor se adapta a las necesidades específicas (Yagi, omnidireccional, de panel, etc.).
2. Identificar la ubicación de montaje: Elegir un lugar que ofrezca un camino despejado entre la antena y el objetivo de comunicación.
3. Montar la antena: Fijar la antena a un poste, mástil o soporte de montaje, asegurando la estabilidad de la estructura.
4. Conectar la antena al dispositivo: Utilizar un cable adecuado para conectar la antena al dispositivo inalámbrico (router, receptor).
5. Configurar el dispositivo inalámbrico: Ajustar la configuración del dispositivo conectado para que coincida con el tipo de antena.

Sintonización para Optimizar la Recepción:

• Medir la intensidad de la señal: Utilizar un medidor de intensidad de señal para evaluar la calidad y fuerza de la señal recibida.
• Ajustar la dirección de la antena: Para antenas direccionales, apuntar con precisión hacia la fuente de señal.
• Utilizar un medidor de ROE (Relación de Onda Estacionaria): Para asegurar la adaptación de impedancias.

Cómo Elegir la Mejor Antena UHF

La selección de la antena UHF adecuada implica considerar varios factores:

1. Aplicación: Determinar el uso previsto (TV, comunicaciones inalámbricas, RFID, etc.).
2. Rango de Frecuencia: Asegurarse de que la antena opere dentro del rango de frecuencia de la aplicación.
3. Requisitos de Ganancia: Antenas de alta ganancia son ideales para comunicación a larga distancia, concentrando la energía en una dirección específica.
4. Directividad: Elegir entre antenas direccionales (para comunicaciones de largo alcance donde la dirección del emisor se conoce) u omnidireccionales (para comunicaciones de corto alcance que cubren todas las direcciones).
5. Tamaño y Factor de Forma: Considerar el espacio de instalación, portabilidad y requisitos estéticos.
6. Entorno de Instalación: Seleccionar antenas de exterior resistentes a la intemperie si es necesario.
7. Polarización: Decidir si se requiere polarización vertical u horizontal.
8. Adaptación de Impedancias: Garantizar una adaptación adecuada entre la antena y la línea de transmisión para minimizar la reflexión de la señal y maximizar la transferencia de potencia.

Comparación entre UHF y Otras Bandas

• Antena UHF vs. VHF (Very High Frequency): Las antenas VHF operan en el rango de 30 MHz a 300 MHz, ofrecen longitudes de onda más largas y, en general, un mayor alcance en comparación con las antenas UHF. Las longitudes de onda más largas de VHF son menos susceptibles a obstáculos ambientales como edificios, árboles o el clima, lo que las hace ventajosas para la comunicación a larga distancia.
• Antena UHF vs. SHF (Super High Frequency): En comparación con las antenas SHF (3 GHz a 30 GHz), las antenas UHF son más versátiles en su capacidad para penetrar obstáculos como paredes y árboles, lo que las hace más adecuadas para aplicaciones en interiores o urbanas.

Con el auge del 5G y el Internet de las Cosas (IoT), se espera que la demanda de antenas UHF eficientes continúe creciendo. Las antenas UHF son un componente esencial de los sistemas de comunicación modernos, ofreciendo una amplia cobertura, altas velocidades de transmisión de datos y adaptabilidad a diversas aplicaciones.

[1] Steyer, M., DK7ZB: Sticking of VHF Yagi antennas, FUNKAMATEUR 46 (1997), H. 5, pp.

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