La inmortal plano tierra

Una de las antenas que más mala reputación tiene entre los radioaficionados, y quizás una de las más efectivas para bajas altitudes que existe en la radio es la vertical, o "plano tierra" de 1/4 de onda. Esta antena es considerada por muchos como de "baja calidad" debido a que es ampliamente utilizada por estaciones de banda ciudadana... definitivamente una extraña correlación.

La realidad que conocen radioaficionados de más experiencia es totalmente otra. La antena vertical de 1/4 de onda es una antena muy efectiva para situaciones en donde se tiene poca altitud sobre el suelo, y es quizás la única variedad de antena que es totalmente independiente del suelo. Para muchos casos, especialmente a bajas frecuencias, una antena vertical puede resultar mucho más eficiente que cualquier dipolo o loop que se les pueda ocurrir.

Las verticales se componen esencialmente de dos partes: un elemento "caliente" vertical y una serie de conductores horizontales o inclinados que muchas veces van elevados sobre el suelo. Este arreglo de conductores va conectado a la malla del cable coaxial, por lo que el plano que contiene estos conductores se conoce como "plano de tierra".

El elemento vertical va conectado al conductor central del cable coaxial, y no tiene detalles inusuales. Su longitud es de una cuarta longitud de onda aproximadamente.

El plano de tierra:

El plano de tierra muchas veces está construido empleando cables o tubos de menor calibre, cada uno con una cuarta longitud de onda. Sin embargo no necesariamente tiene que ser ésta la construcción. Especialmente en bandas de mayor longitud de onda es útil a veces improvisar sistemas de planos de tierra diferentes a los mencionados

Una forma que se utiliza a veces en bajas altitudes es simplemente colocar una varilla de cobre en el suelo, y a esta varilla conectar la malla negativa del coaxial. Adicionalmente se colocan en esta varilla una serie de conductores de una cuarta longitud de onda, que se extienden radialmente desde el elemento vertical. Entre más conductores se coloquen, mejor será el desempeño de la antena. No es nada raro ver arreglos de 20 o más radiales en verticales de este tipo.

Este arreglo anterior podría ser, por ejemplo, el caso en una antena vertical para 40 metros. El elemento vertical tendría unos 10 metros de largo, lo cual haría su colocación sobre un mástil algo difícil. Lo que normalmente se hace es crear una base aislada en el suelo, puede ser utilizando PVC o algún tipo de concreto eléctricamente aislado, y en esta base colocar el tubo vertical. De una varilla de tierra colocada contiguo a la base se extiende el sistema de radiales de la antena. Muchas veces por razones funcionales (por ejemplo para poder pasar la cortadora de zacate) el sistema de radiales se entierra unos centímetros bajo la superficie del suelo.

La forma más frecuentemente vista en longitudes de onda cortas (por ejemplo 10, 12 y 15 metros) es un elemento vertical montado sobre un mástil en el techo. Al mástil se sujetan los radiales, construidos en alambre #12 o #14, los cuales a la vez sirven como vientos. Este diseño lo analizaremos más detenidamente para la banda de los 10 metros.

En una antena vertical, la longitud del elemento vertical afecta la longitud necesaria de los radiales. Conforme aumenta la longitud vertical, los radiales se deben acortar. Igualmente conforme se alargan los radiales, la longitud vertical requerida es menor. Un cambio pequeño en longitud vertical provoca un cambio grande en longitud de radiales, por lo que si estamos limitados en espacio horizontal, puede resultar útil darle un poco más de longitud al elemento vertical para deshacernos de longitud de radiales. En longitudes de onda grandes, puede resultar útil más bien alargar los radiales para acortar la longitud del elemento vertical. Es recomendable no extender la longitud del elemento vertical más allá de 3/4 de onda, para evitar problemas de acople de impedancias.

Ajuste y colocación:

Las antenas verticales tienen algunos detalles curiosos en cuanto a su ajuste y colocación. La colocación de una vertical es esencialmente independiente del suelo. Una vertical puede ser colocada en la punta de una torre o a algunos metros sobre el suelo sin afectar significativamente su desempeño. Lo que cambiará será la impedancia de la antena y el proceso necesario para ajustarla.

La antena vertical tiene dos parámetros que deben ajustarse para lograr un funcionamiento correcto: el primero es la resonancia de la antena. La resonancia de la antena permite una eficiencia correcta en emisión de señal, y se logra ajustando la longitud del elemento vertical y de los radiales. Teóricamente la resonancia se obtiene al llegar a un cuarto de longitud de onda el elemento vertical.

El otro parámetro es la impedancia de la antena. Las antenas verticales tienen una impedancia cercana a los 40 ohmios, lo cual permite alimentarlas directamente con coaxial RG-8 ó RG-58. La impedancia varía principalmente con el ángulo del plano de tierra con respecto al elemento vertical y con la altura de éste sobre el suelo.

El proceso usual para ajustar una antena vertical consiste en colocar la antena en una posición determinada, con los radiales a un ángulo fijo. Primero empezamos ajustando la resonancia de la antena acortando o alargando el elemento vertical según sea necesario. Una vez ajustada la resonancia en donde la queremos, terminamos el ajuste variando el ángulo de los radiales. Puede ser necesario eventualmente acortar o alargar los radiales para lograr el SWR por debajo de 1.5:1.

Antena vertical para 10 metros:

Esta antena vertical para 10 metros es un ejemplo de construcción fácil para una vertical, que no requiere de mucho espacio y por lo general da buenos resultados. El diseño puede ser extrapolado para longitudes de 12 o incluso 15 metros, con algunas ligeras modificaciones y refuerzos.

El diseño de la antena es relativamente simple, y es el mismo de cualquier vertical: un elemento vertical que mide 2.63 metros (una cuarta longitud de onda en 28.500 MHz), y una serie de radiales que tienen la misma medida. El elemento vertical puede ser tubo de aluminio de una pulgada, con la punta de 3/4 de pulgada. Estos diámetros proporcionan un elemento telescópico, para posterior ajuste de la antena. La razón del tubo de 1 pulgada es principalmente funcional: si posteriormente se desea expander la antena para 12 o 15 metros, simplemente se compra un trozo de longitud apropiada en 3/4 de pulgada y se monta sobre el diseño ya existente.

La pregunta fundamental aquí es: cómo construirla? Las dimensiones pequeñas de esta antena permiten montarla sobre un mástil, que puede ser tubo EMT de 19 milímetros. El problema fundamental que enfrentamos es como acoplar el elemento vertical al EMT sin causar un cortocircuito, y posteriormente como acoplarle la línea de alimentación sin exponernos a peligro por entrada de agua en el cable.

Hay muchas formas de hacer el acople. Algunos recomiendan utilizar tubo PVC de media pulgada, el cual entra forzado en el tubo EMT con ayuda de un martillo, y una vez adentro es casi imposible de soltar sin ayuda de una segueta. Se colocan dos anillos aislantes (que pueden ser anillos cortados de una unión lisa de media pulgada en PVC) entre la punta del mástil y el elemento vertical , y entre estos anillos se coloca una placa metálica para amarrar los radiales. Encima del "sandwich de anillos" se coloca el elemento vertical con ayuda de una gasa sin fin.

Esta forma es muy útil debido a la disponibilidad de los materiales: el PVC de media pulgada es un material utilizado en sistemas domésticos de agua potable, y está disponible casi en cualquier lugar. Incluso puede ser conseguido gratuitamente como desecho de construcción. El trozo necesario no es mayor a unos 30 centímetros. Su desventaja principal es que el PVC es poco duradero en condiciones de luz solar intensa. Una antena de este tipo construida en PVC puede durar uno o dos años antes de que el PVC se degrade por luz ultravioleta y se quiebre. Adicionalmente si se utiliza PVC el diseño no debe utilizarse para longitudes mayores a 10 metros por razones estructurales.

La forma alterna de construcción, y a la cual siempre he terminado volviendo a través de los años, es a base de gasas sin fin. Los materiales requeridos son dos gasas sin fin de unas 2 pulgadas y media (su diámetro es tal que se puedan ajustar seguramente a la combinación de tubos EMT y aluminio), una gasa sin fin de una pulgada, un trozo de manguera plástica de una pulgada de medio metro aproximadamente, medio metro de la misma manguera pero en 3/4 de pulgada (que quepa tallada alrededor del tubo EMT) y una botella plástica de medio litro de Coca Cola o su refresco favorito (lo importante es que tenga la forma normal de una botella de medio litro).

La manguera plástica se introduce en una olla de agua caliente. Esto causa que se suavice y se expanda, lo que hace muy fácil su colocación alrededor del tubo. La manguera caliente se toma y se coloca alrededor de los tubos EMT y aluminio, y se deja enfriar. Al enfriarse, la manguera se contraerá y quedará sujetando los tubos.

Posteriormente se toman los dos tubos y se ponen lado a lado y se sujetan mediante las gasas sin fin. Estas deben llevar una separación de unos 30 centímetros para dar estabilidad adecuada a la antena. La gasa superior se coloca a unos 3 centímetros del tubo de aluminio expuesto. A la gasa superior se amarra la malla del cable coaxial, y el conductor central se sujeta al tubo de aluminio utilizando otra gasa sin fin de una pulgada.

Rendering de la parte central de la vertical de 1/4 de onda. Los tubos se aislan entre sí utilizando manguera plástica (que por cierto viene en todo tipo de colores interesantes como este verde rave >:) y se sujetan utilizando dos gasas sin fin. A la gasa que lleva los radiales (en este caso la inferior) se amarra la malla del cable coaxial para hacer el plano de tierra.

Los radiales de la antena se amarran a la gasa superior, y la unión se protege de la entrada de agua utilizando una botella de plástico con el fondo cortado. Puede ser necesario también cortar ligeramente el cuello, hasta tal punto que pueda pasar por él el elemento vertical.

Al colocar la antena en el techo, los radiales se utilizan como vientos para sostener el mástil. Una vez colocada, la botella se coloca para que tape la punta del cable coaxial y no permita la entrada de agua. Es importante también hacer un sello en el cuello de la botella utilizando sellador de silicón.

Una vez que tengan la antena ajustada y montada en el techo, hay que proteger el cable contra el agua. Esto se puede lograr de manera muy complicada con selladores de silicón y conectores especiales, o puede simplemente colocarse una botella plástica cortada a la mitad como paraguas sobre el cable. Si utilizan esta última alternativa, sellen la parte superior de la botella (donde hacen el hueco) con silicón para evitar entrada de agua.

Una alternativa que es útil cuando se requiere jugar con el ángulo de los radiales es colocar un sistema independiente de vientos, por ejemplo a tres cuartas partes de la altura del mástil, para dejar los radiales libres. El ángulo de los radiales se controla luego utilizando línea de pescar. Dando las medidas correctas a una segmento de línea entre el mástil y el extremo del radial se puede obtener una gran variedad de ángulos.