sábado, 31 de enero de 2015

ANTENA LOOP MAGNÉTICA

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Loop


Por CE3YU Alberto, Radioaficionado



El sufrimiento comenzó cuando cambié mi domicilio desde el campo a la ciudad. Llegué a vivir a un departamento en un primer piso, con algo de jardín interior del tamaño de un sello postal, rodeado de edificios y con prohibición absoluta de instalar todo tipo de torres y antenas, ya sean éstas del tipo Yagi, dipolos y cualquier otro engendro inventado por radioaficionados para experimentar en telecomunicaciones. ¡El primer intento de escuchar mi querida banda de 40 metros (7 MHz) fue un desastre! Instalé una antena Vertical con plano de tierra de la manera más elegante y técnicamente aceptable que pude. Al encender el equipo, el ruido eléctrico superaba la marca de S9 +40 dB. ¡Había que hacer algo! Y era urgente. Mi primera acción fue tomar un libro llamado “The ARRL Antenna HandBook” ([ARRL] American Radio Relay League). Entre sus páginas encontré una antena que prometía una buena recepción y excelente relación señal ruido. Para mi mayor deleite, ésta era pequeña en tamaño, no necesitaba altura, era perfectamente posible de hacer con tubo de cobre,  era  multi-banda  y tenía  mejor  rendimiento  que un   dipolo  para 40  metros instalado a menos de 20 metros de altura. Había encontrado una probable solución y puse manos a la obra.

La primera antena de este tipo que fabriqué, fue algo parecido a una antena de cuadro semejante a las que usaban las radios antiguas de AM (figura-1 izquierda). Con varias vueltas  de  alambre  de  cobre  esmaltado  delgado  y un  condensador  var iable  entre  sus terminales, de unos 300 pF   que compré en un Mercado de Pulgas (semejante al de la figura-1 derecha). Al acercarle una radio portátil, ésta captó estaciones de AM lejanas (onda larga, desde los 500 a los 1.700 KHz), unos 200 km de distancia. Estaciones que era imposible escuchar sin acercar la radio a esta antena. Luego dejé sólo dos espiras de la antena conectadas al condensador variable y cambié el receptor a una banda de onda corta y ¡oh sorpresa! Podía escuchar estaciones en AM en la banda de 19 metros en idiomas extraños que parecían del lejano oriente y también oír en buenas condiciones a radioaficionados en las bandas de 40 y 80 metros. La decisión estaba tomada, tenía que construir la antena para usarla también en trasmisión.



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Figura-1
1ª Antena Loop y condensador variable de un viejo receptor de AM.


Luego hice una antena loop de una sola espira con cable coaxial, conectando sólo la malla en paralelo (figura-2 izquierda) con un condensador variable típico, semejante a los usados en un sintonizador de antena (transmatch) (figura-2 derecha) y pude escuchar y trasmitir en 40 metros. Esta antena loop magnética tenía como acoplamiento un loop de Faraday. Era muy similar a la de la figura siguiente.


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Figura-2
2ª  antena loop y condensador variable para tensiones más altas.


El resultado fue sorprendente, muy bueno. Sin embargo quería algo mejor y puse empeño en lograrlo.

El primer condensador fijo (no variable) que usé en esta nueva antena fue uno que hice con láminas de cobre, de esas que usan los niños en “artes plásticas” y funcionó perfectamente bien en la banda de 40 metros (Figura-3), en paralelo con un condensador variable de unos pocos pF. En vez de cables para conectar el o los condensadores al loop, usé cintas dobles de cobre de unos 7 mm de ancho (de dos capas para reducir la resistencia) cortadas del mismo material con que había hecho el condensador. 




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Figura-3
Condensador fijo con separación de aire y para tensiones altas.


El siguiente paso fue importar de Ucrania un condensador variable al vacío (figura-4). Éste demoró casi un mes y medio en llegar a mi domicilio y por correo ordinario. Después lo monté apernado en un par de planchas idénticas, de cobre de 3 mm de espesor (para que pudiese disipar calor, si es que éste se producía en el condensador variable al vacío) y dobladas de la forma que se muestra en la figura que sigue, toda esa estructura a su vez la monté con pernos de 1/8 de pulgada y con golillas planas y de presión, sobre una placa de acrílico de 6 mm de espesor, comprada a precio de recortes en una fábrica de letreros luminosos. Finalmente los resultados fueron muy buenos. Con las condiciones de propagación normales, hice contactos en 40 metros desde mi departamento en Santiago con Lima por el norte y con estaciones en la Patagonia por el sur. Era lo que necesitaba.


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Figura-4
Condensador variable al vacío de material militar soviético.


La  experiencia  obtenida  al  hacer  las  pruebas  antes  descritas,  la  he puesto en  este documento  en un lenguaje lo más claro y simple posible, la simpleza es la clave. De tal manera que lo importante, que habla del funcionamiento de la antena, sus atributos y cómo construirla en casa, pueda ser comprendido por la comunidad de radioaficionados y llevada a la práctica con las menores dificultades posibles, es decir, de manera simple.

Tenga usted en mente que, en mi opinión, los conceptos en la radio afición deben ser:

-    conceptos simples
-    simples de entender
-    simples de reproducir

Esto es lo que he tratado de hacer al escribir este artículo. Espero que lo logre. Si no es así, háganme llegar un e-mail a:
ce3yu@hotmail.com
y con sumo agrado modificaré el documento para hacer más claro y entendible el material que les parezca deba ser clarificado.

También hay algo muy importante que debo mencionar antes de seguir escribiendo y es que las leyes de la física no pueden ser violadas sin pagar las consecuencias. En una antena se puede variar a elección, hasta dos de las tres propiedades que ésta tiene;

-Tamaño de la antena (relativo a la longitud de onda)
-Eficiencia de la antena (relación señal/ruido)
-Ancho de banda de la antena (factor Q)

Siempre puedo variar dos y al hacer esto, siempre afecto la tercera. En todos los casos, hay que sacrificar una de ellas.

No se puede tener  las  tres juntas. En otras palabras,  en la antena  loop  magnética  se sacrifica el ancho de banda en aras de un tamaño pequeño y una buena eficiencia. Mientras más eficiente es la antena, más agudo es el rango en que la antena opera. Si usted necesita construir una antena pequeña con un ancho de banda amplio, usted no obtendrá buena eficiencia. ¡Usted probablemente construirá una “dummy load”! Si usted logra las tres cualidades en una antena pequeña, entonces su cable coaxial está siendo parte de su antena. Conclusión, ¡usted no tiene una antena pequeña!

En la naturaleza, las cosas ocurren por múltiples causas y múltiples condiciones. Creo que no podemos controlarlas todas, quizá una cuantas. Éstas pueden ser las más importantes dejando el resto de lado. Que puede ser que tengan una influencia marginal en nuestro propósito inicialmente.

Una de las cosas más difíciles de aceptar en el hobby de la radio es cuán impredecible es lo que ocurre en el día a día. La ciencia se encuentra en lo más íntimo de este lindo hobby, recuerden que nadie puede tener en cuenta todas las variables posibles y todos los desafíos que cada situación nos presenta. Aún cuando tratemos de eliminar el máximo de “supuestos”, finalmente nos encontraremos a merced de cosas (hechos) que están más allá de nuestro control. Cosas tales como condiciones solares, interferencias producidas por la naturaleza o por el hombre, etc. Todo se combina para permitirnos escuchar y conversar con alguien a diario. Para mí, esto no es algo tan negativo, es parte del atractivo del hobby. Poder escuchar una trasmisión en condiciones difíciles ¿no es algo entretenido?
Poder escuchar una estación que no hemos oído antes o encontrar una vía de comunicación
a una parte del mundo que no esperábamos, es algo que me anima. Aprendiendo a esperar lo inesperado hace este hobby muy entretenido.
Nunca dejen de aprender  y los animo  a siempre desear  intentar algo  nuevo. La gran aventura de la radio afición nos está esperando a la vuelta de la esquina.

Teniendo esto en mente y no olvidándolo, nos irá bien.

En la Figura-5 a continuación, está dibujado el esquema eléctrico de la antena loop magnética. Como se puede apreciar, se trata de un circuito muy simple pero tiene que ser construida observando cuidadosamente los detalles mencionados en este artículo. Por la facilidad que proporciona la “WEB”, algunas figuras de este documento están tomadas de internet, por lo que usted encontrará algunas palabras en inglés.



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Figura-5


Y a continuación está la foto de la antena loop magnética que construí y tengo en uso actualmente. También se puede apreciar el trípode hecho en casa para montarla. El mástil que la sostiene es una barra de cortina de madera barnizada y comprada en el HomeCenter.
¡Cuidado; este mástil no puede ser de material conductor y menos “ferro magnético”!



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Figura-6
3ª  y actual antena loop fabricada y en uso.


Después de leer varios artículos sobre el tema, me parece que uno de los secretos mejor guardados por la comunidad de radioaficionados es:

¿Cómo se comporta tan bien una antena pequeña (a mi juicio mal llamada loop magnética) en comparación con una antena de HF tradicional, la cual es mucho más grande?

Antes de continuar, se define como  antena  loop pequeña en este caso, a un loop de circunferencia 1/10 (un décimo) de longitud de onda o menor. En el caso de los 7 mhz (40 metros) el loop debe tener alrededor de 4 metros de circunferencia. Esto resulta en un loop de 1,27 m de diámetro.

Obviamente este valor puede crecer hasta unos 3,1 metros de diámetro. Si se hace mayor, el loop puede auto resonar y se pierde eficiencia.

Nuevamente, el objetivo de este pequeño artículo es publicar y compartir alguna información práctica acerca de la construcción correcta de una antena loop magnética y enumerar los puntos claves del loop, destacando sus características y cualidades únicas. Una antena loop magnética puede ser muy conveniente para ponerla sobre una mesa, en un loft, en un porche, en un balcón de un departamento en un piso alto o en cualquier espacio pequeño o en un condominio restrictivo en materia de antenas y torres. 

Esta es una antena de HF pequeña pero muy eficaz para espacios restringidos, es lo más anhelado por los radioaficionados, es como encontrar el Santo Grial de nuestra afición. Este deseo es particularmente poderoso en los radioaficionados que se enfrentan a  la posibilidad de abandonar varios aspectos de su amado hobby, al tener que mudarse a lugares residenciales más restringidos que tienen reglas estrictas en contra de la instalación de torres y antenas. A pesar de todas esas restricciones impuestas, los radioaficionados tenemos una alternativa práctica y muy viable para continuar con el hobby, una antena loop magnética que puede ser usada en interiores y exteriores.

Este artículo discute cómo una antena tan pequeña puede proveer un servicio perfectamente adecuado a los radioaficionados que deseen seguir operando sus estaciones de HF sin ninguna necesidad de torres altas, dipolos, antenas Yagi, o las G5RV tan difíciles de manejar. Estas antenas comunes  se  les  llama  en inglés; NVIS (Near Vertical Incidence  Skywave / onda atmosférica de incidencia cercana a la vertical). En las antenas de hilo largo, tales como los dipolos, G5RV, etc. la radiación de ángulo más bajo no existe o está muy disminuida. Por otro lado, las antenas verticales tienen dificultades para recibir las señales que inciden en ángulo cercano a la vertical, por los puntos nulos que se sitúan encima de ellas.

La   antena   loop   magnética,   según   lo   que   la   teoría   indica,   tiene   ángulos   de radiación/recepción altos y bajos.

En la práctica, la diferencia en la intensidad de la señal que se obtiene entre estas otras antenas y una loop magnética, en el peor de los casos, será de un punto-S, si la antena loop está bien diseñada y construida.

Unos pocos hechos a considerar:

Un loop diseñado, construido y ubicado adecuadamente de sólo un metro de diámetro, va a sobrepasar en rendimiento a cualesquier tipo de antena, excepto a una yagi de tres elementos en las bandas desde los 10, a los 20 metros. Además estará en el entorno de un punto de señal S (6dB) por encima de una antena mono-banda montada a una altura apropiada sobre el suelo.

Las antenas loop magnéticas tienen lo suyo en la bandas altas de HF, digamos entre los 40 y 10  metros; con frecuencia tienen un rendimiento asombroso al compararlas con las antenas convencionales. Son fáciles de instalar y poner en servicio, por esta razón ha sido la antena preferida de los profesionales de la defensa, militares, diplomáticos y navegantes, en donde se requiere comunicaciones robustas y confiables. En los 80 y 160 metros el rendimiento de un pequeño loop, generalmente excede el rendimiento de un dipolo horizontal y en particular a un dipolo que esté montado más bajo que la altura óptima sobre el plano de tierra. Esta es una limitante muy común para cualesquier antena de HF.

La  ventaja  práctica  real  de  un  pequeño  loop  comparado  con  una  antena  Vertical sintonizada o una Vertical de tamaño completo es que no depende de un plano de tierra para alcanzar una operación eficiente. Esta característica tiene un significado profundo y muy particular para antenas de 80 y 160 metros operando en espacios restringidos. Esta es una de las razones por las que me gusta esta antena. No tengo que lidiar con planos de tierra, radiales, etc. Las antenas loop son inherentemente simétricas, como un dipolo.

Y bien, ¿dónde está el gato encerrado? Si un pequeño loop es tan buena antena, entonces ¿por qué no todo el mundo tiene una de ellas y se deshace de sus torres tan altas?  Porque como ya dije antes, las leyes de la naturaleza y en este caso, las del electromagnetismo no pueden ser violadas sin consecuencia alguna y el precio inevitable que uno paga por operar con una antena eléctricamente tan pequeña, es el ancho de banda. Un ancho de banda agudo a cambio de: una eficiencia pobre y un gran tamaño. Es decir, uno obtiene una buena eficiencia pero un ancho de banda muy angosto. Es una buena lata tener que ajustar la SWR (relación de onda estacionaria o ROE) cada vez que usted cambia de frecuencia. Más de algún radioaficionado estará pensando en instalar un sintonizador de antena para ajustar la ROE. Ni lo sueñen, no sirve en este caso.
Yo creo que las ventajas de esta antena loop en un ambiente eléctricamente ruidoso y limitado en espacio, lejos sobrepasan el hecho de tener que ajustar la antena cada vez que se cambia de frecuencia.

Ése es el factor limitante fundamental que se debe ceder cuando se usa una antena loop pequeña, el ancho de banda.

Cualquier antena pequeña (en términos de largo de onda, identificado con la letra griega lamda; ?) tendrá un ancho de banda agudo y requerirá ser sintonizada cada vez que se cambia de frecuencia dentro de una banda o fuera de ella. Los usuarios de antenas loop magnéticas deberán contentarse con anchos de banda de unos, digamos 10 o 20 kHz en 40 metros, es decir un poquito más del 0,2% de la banda. Deberemos estar muy contentos si la antena puede ser ajustada de manera fácil, para cubrir las frecuencias que deseamos usar.

Si comparamos la eficiencia de una antena Vertical de tamaño pequeño con la eficiencia de una loop pequeña, se cambia la dependencia al plano de tierra y las pérdidas en la tierra por algo mucho más fácil de controlar, que son las pérdidas por resistencia pura en el elemento radiante en forma de loop y las conexiones eléctricas del condensador variable de sintonía.

Se define como una antena loop pequeña (STL, small transmiting loop), a la antena que tiene una circunferencia de más de un octavo y algo menos de un tercio de longitud de onda, la cual resulta en, aproximadamente, una distribución uniforme de la corriente a lo largo  de la antena  y, digamos que esta estructura se comporta como  una inductancia parásita. A diferencia de una antena vertical corta o un dipolo, la a ntena loop presenta una reactancia inductiva en sus extremos, por lo tanto la sintonía y el acoplamiento se llevan a cabo con un único condensador. La auto-inductancia del loop puede resonar con la capacitancia y formar un circuito sintonizado paralelo de un factor Q muy alto. Este factor Q es muy alto porque la resistencia a la radiación es pequeña comparada con la reactancia del  loop  y el ancho  de  banda  de  la  VSWR  (voltaje  standing  wave  ratio  o  ROE  en castellano) es muy angosto. El logro de una antena loop de un alto Q nos indica que no se trata de una antena con pérdidas e ineficiente. Cuando aplicamos potencia a la antena loop, estando ésta en su frecuencia de resonancia, toda la potencia va a ser irradiada excepto la potencia absorbida por las pérdidas en el conductor y el condensador variable, que se expresan en la fórmula W= I2R y que en definitiva se desperdicia y disipa en forma de calor. Con el diseño apropiado, las pérdidas en ese circuito equivalente en serie van a ser despreciables o al menos suficientemente pequeñas. Comparadas esta pérdidas por resistencia pura, a la resistencia de radiación del loop, resistencia que va a resultar en una radiación intrínsecamente eficiente y se puede alcanzar un buen rendimiento en una estructura de antena relativamente pequeña. ¡Fantástico, espléndido!

Factor Q

Hemos hablado del factor Q, que también se llama “factor de calidad” o “factor de selectividad”. Se trata de un parámetro que mide la relación entre la energía almacenada en un circuito y la energía que se disipó en un ciclo completo de la señal. Un factor Q alto indica una tasa baja de pérdida de energía en relación a la energía almacenada por un circuito resonante.

Es un parámetro importante para los osciladores, filtros y otros circuitos sintonizados, pues proporciona una medida de lo aguda que es su resonancia.

Los sistemas resonantes responden a una frecuencia determinada, llamada “frecuencia de resonancia”, mucho más que al resto de frecuencias. El rango de frecuencias a las que el sistema  responde  significativamente  es  lo  que  se  llama  el  “ancho  de  banda”,  y  la frecuencia central es la “frecuencia de resonancia eléctrica”.

El factor de calidad de circuitos pasivos con “resistencias, bobinas y condensadores” es bajo, inferior a 100, por el efecto de la resistencia de los alambres con que se fabrican las bobinas, principalmente, ya que para valores elevados de inductancia se necesitan grandes longitudes de hilo.

Podemos expresar de la siguiente forma el factor Q:




Ecuación 1 


El factor Q se define como la frecuencia de resonancia (f0) dividida por el ancho de banda
(f2-f1):



Ecuación 2



El factor Q aplicado a un solo componente sirve para caracterizar sus componentes que no son ideales. Así, para una bobina real se debe tener en cuenta la resistencia del alambre; un valor alto de Q significa una resistencia pequeña y por tanto un comportamiento más parecido a la bobina ideal.

En filtros sirve para ver lo selectivos que son, es decir, para ver el ancho de banda. En principio, un filtro con menor ancho de banda (mayor Q), será mejor que otro con más ancho de banda. También, como se puede deducir de la ecuación 2, es más difícil hacer filtros de calidad (porque requieren una Q mayor) a alta frecuencia que a baja frecuencia.

Habiendo hablado algo del “factor Q”, seguimos con nuestra antena. Una antena loop magnética orientada verticalmente, tiene un patrón de radiación en forma de “doughnut” o toroidal (como una cámara de neumático). El máximo de radiación se encuentra en el plano del loop con puntos nulos de radiación en ángulo recto al plano del loop. Las antenas loop  orientadas  verticalmente  funcionan perfectamente  bien cerca del plano  de tierra. Cuando se montan horizontalmente, el patrón de radiación se torna omnidireccional con sus puntos nulos en ángulo recto hacia arriba y hacia abajo. Las antenas loop orientadas horizontalmente deben ser instaladas a una fracción significativa del largo de onda sobre el plano de tierra. Es decir, si trabajamos en la banda de 40 metros, se debe instalar a unos 20 metros de altura. De este modo se evitará pérdidas importantes debido a su interacción con el plano de tierra. Por lo tanto, la orientación horizontal es poco usada e infrecuente.

Las corrientes que fluyen a través de la resistencia a la radiación del loop resultan en potencia de RF que se convierte en radiación electromagnética. Una onda de radio que se propaga debe tener ambos componentes, un campo magnético y un campo eléctrico para que pueda existir (ver figura 7). En el caso de la antena loop magnética, se genera un campo magnético poderoso al pasar una corriente substancial de RF a lo largo del loop y, como consecuencia, este campo magnético genera en el espacio libre el campo eléctrico correspondiente que le falta. De esta manera se forma la onda electromagnética con sus elementos E y H. Así se origina el nombre “antena loop magnética” que a mi modo de ver no es muy correcto pero se entiende.



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Figura-7    Onda electromagnética 


Resistencia a la radiación (Rr) No toda la potencia que se suministra a una antena se irradia. Algo de ella se convierte en calor y se disipa. La Rr es un poco irreal, porque no se pude medir en forma directa. La Rr es una resistencia de la antena a la corriente alterna y es igual a la potencia irradiada por la antena, dividida por el cuadrado de la corriente en su punto de alimentación.  La ecuación que define la Rr es:

Rr = Prad / i2

Ésta es la resistencia en el punto de alimentación de la antena. La energía que entregamos en ese punto debe ser irradiada al espacio. La oposición que presenta el sistema “antena + entorno” a la energía entregada en el punto de alimentación sea, a su vez, entregada al espacio, es lo que llamamos resistencia a la radiación.

La resistencia a la radiación está determinada por la geometría de la antena y no por los materiales de los cuales está hecha.

Se puede visualizar como una resistencia equivalente en el circuito. Resistencias por pérdidas (Rloss) están en serie con la Rr y sólo consumen y desperdician potencia. Las Rloss se dan en los componentes de la antena loop tales como el condensador variable, el tubo o perfil   con que está hecho el loop, contactos pobres y deficiencias en la construcción. Además existen pérdidas causadas por el ambiente; plano de tierra y otras pérdidas causadas por inducción. Todas conspiran en contra la eficiencia.

Sin embargo, dado que en una antena loop la resistencia a la radiación es muy pequeña comparada con un dipolo de ½ ? (media longitud de onda), el loop está en ventaja respecto a las pérdidas por resistencia a la radiación.

El único truco y parte del desafío del diseño práctico de la construcción casera del loop es reducir las pérdidas por resistencia pura al mínimo.

La corriente que fluye a través de la resistencia a la radiación de una antena, cuando se eleva al cuadrado y se multiplica por esa resistencia, determina la cantidad de potencia real de RF que se irradia. Debido  a la baja resistencia a la radiación de una  antena  loop magnética (unas pocas  milésimas de  ohm),  circulan corrientes  muy altas (decenas de ampères) necesarias para que se irradie potencia, aún cuando la potencia aplicada a la antena loop sea moderada. Por lo tanto es muy importante que se mantengan muy pero muy bajas todas las posibles fuentes de resistencia pura que puedan contribuir  a las pérdidas, en comparación a la resistencia a la radiación, el objetivo es lograr una alta eficiencia con casi toda la energía de RF que se entregue a la antena y ésta se transforme en potencia de RF irradiada. De lo contrario, la potencia de RF aplicada a la antena loop, se transformará en calor  en todos los puntos en donde estas pérdidas se encuentran.  La Figura-8 y la Figura-9 a continuación muestran los diagramas de tensión (volts) y corriente (ampères) que se distribuyen en cada punto de la antena. 



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Figura-8   Diagrama de distribución de tensión (voltaje)


Muy Importante: Nunca se debe utilizar un condensador de tipo convencional, de los que poseen una sección de placas fijas en el estator y otra de placas móviles en el rotor, porque el terminal de conexión del rotor se realiza a través de un contacto por fricción (deslizante) o escobilla y esto introduce unas pérdidas completamente inaceptables para el uso de transmisión en una antena loop magnética, sobre todo cuando se transmite con potencias superiores a 10~20w.



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El efecto práctico del condensador de tipo mariposa estriba en que realmente son dos condensadores puestos en serie a través del rotor, por lo cual la capacidad de cada uno de ellos debe ser el doble del valor final y en consecuencia la tensión que soporta dicho conjunto es el doble de la que soporta cada uno de ellos.



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Ejemplo: para un condensador de 145pF en realidad son dos condensadores de 290pF cada uno, puestos en serie.



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Las placas del rotor se asemejan a la forma de una mariposa.


En este caso, las placas son de aluminio de 1mm de grosor, cortadas mediante tecnología LASER y la tornillería de latón, ambos metales no  férricos (hay que recordar que la utilización de tornillería de acero en este componente introduce pérdidas de RF).

Si se utiliza un condensador variable de estator dividido, como el de la figura-10, o del tipo mariposa de la figura-11 o un condensador al vacío de la figura-4, se puede alcanzar bajas pérdidas en el condensador de sintonía. Las pérdidas en el conductor se pueden controlar eligiendo el diámetro adecuado del tubo de cobre que se usará para formar el elemento del loop y poniendo mucho cuidado en tener una baja resistencia óhmica en las conexiones del condensador, éstas pueden ser soldadas con estaño o plata. Aun con una potencia tan baja como 100 watts en transmisión (Tx), habrá una corriente de muchas decenas de ampères de RF circulando y una potencia expresada en volts-ampère-reactivos (VAR) fluyendo a través del loop y del condensador de sintonía; especialmente con loops pequeños en bandas tales como los 40, 80 y 160 metros.



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 Figura-9   Distribución de la corriente en función del largo del loop.


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Figura-10  Condensador variable de estator dividido y dieléctrico de aire.

En el caso de un condensador variable con separación de aire entre las placas, las pérdidas del condensador pueden ser minimizadas soldando las placas del rotor y del estator a los espaciadores para disminuir la resistencia de contacto, la cual es acumulativa. Cuando se usa un condensador tipo mariposa (Figura-11), las técnicas de construcción inherentes a este tipo de condensador eliminan cualesquier pérdida, producto de los contactos rotatorios en el camino de la corriente de RF. Esta configuración permite usar sólo un rotor para ejecutar el acoplamiento variable entre las dos secciones separadas del estator y por lo tanto evitar la necesidad de cualquier contacto deslizante que tienen los condensadores variables más conocidos y que introducen grandes pérdidas. Dado que estando las placas del estator fijas y en serie, se eleva al doble el límite de la tensión de trabajo (voltaje) de RF que se puede manejar con este condensador variable, sin que se produzcan arcos eléctricos entre sus placas. Dado el hecho que la antena loop es un circuito resonante de alto Q, muchos kilo-volts de RF pueden estar presentes entre las placas del condensador y se debe tomar las precauciones necesarias. Una antena loop magnética es capaz de manejar unos 400 watts PEP o más cuando se construye adecuadamente y los componentes de sintonía se seleccionan cuidadosamente.

Con los condensadores variables antiguos, del tipo que usaban los equipos militares, con estator y rotor plateados, se tiene menos pérdidas que los fabricados en aluminio. Estos pueden ser construidos en casa.

La Figura-4 muestra un condensador al vacío que proporciona muy bajas pérdidas en su conductor y dieléctrico en el elemento de sintonía del loop. Este tipo de condensadores disponen de un tornillo Vernier para controlar la variación de la capacidad. Típicamente se dispone de unas 15 o más vueltas para recorrer todo el rango de la capacidad del condensador.




Figura-11   Condensador variable tipo mariposa que tolera varios kVA.


El condensador variable de sintonía acumula una tremenda cantidad  de energía en el campo eléctrico que se forma entre sus placas y en los alrededores del corte o división del loop. Usted debe evitar acoplamientos o perturbaciones de la simetría del campo y la simetría del espacio circundante a este punto, ocasionadas por la cercanía del plano de tierra, una construcción o un mástil metálico. Por esto, recomiendo poner el condensador variable en la parte superior del loop. He leído artículos que dicen que en la práctica no se detecta diferencias. Mi idea es que sí las hay.


Alimentación y acoplamiento:

Aún cuando la antena loop tiene una apariencia simple y un tanto decepcionante, es una estructura compleja con patrones de radiación y polarización características que dependen de cómo está alimentada. Esto es, en forma balanceada o desbalanceada. El método de alimentar y acoplar el loop, configuración del plano de tierra, así como el factor de la forma geométrica y las proporciones del loop mismo, son un buen campo de experimentación. Existen varios métodos de acoplamiento que incluyen condensadores en serie, transformadores subsidiarios acoplados al loop (loop de Faraday) y el gamma match. Cada uno de ellos con sus méritos respectivos.

La elección que personalmente prefiero son el gamma match y el loop de Faraday. Ambas técnicas trabajan bien. Sin embargo, el loop de Faraday ubicado en la parte baja central de la antena STL, simétricamente ubicada y en el plano de la antena (en posición opuesta al condensador de sintonía), proporciona una mejor simetría eléctrica y balance eléctrico que puede ser más beneficioso en propiedades tales como la relación frontal-lateral y el patrón de puntos nulos. En suma, junto con irradiar un patrón de asimetría leve, el método que usa el gamma match puede también resultar perjudicial al flujo de corriente en la malla del coaxial que alimenta a la antena y podría ser necesario un BALÚN de desacople hecho con toroides de ferrita para prevenir radiación espuria y la captación de ruidos extraños en recepción. También depende mucho de la instalación del cable coaxial de la antena y los objetos metálicos existentes cercanos a la antena, que puedan cambiar la simetría de la antena y su balance.

Con el método elegantemente simple de acoplamiento por transformador, llamado loop de Faraday, la fuente de señal de 50O que alimenta el loop auxiliar, no requiere otros componentes de acoplamiento, ya que no hay una componente reflejada de tipo reactivo con  la  cual  lidiar  (el  loop  principal  se  muestra  puramente  resistivo  en  el  punto  de resonancia, con sólo las componentes Rrad (resistencia a la radiación) y Rloss (resistencia por pérdidas) en serie. El loop principal actúa como uno de los devanados de un transformador con núcleo de aire mientras que el loop pequeño que alimenta a la antena y que a su vez es alimentado por el cable coaxial, actúa como el otro devanado.

La impedancia exhibida por este pequeño loop auxiliar de alimentación, está determinada únicamente por su diámetro respecto al loop primario sintonizado y resonante. La relación del diámetro es 5:1 y entrega un acoplamiento perfecto en el rango de frecuencia de 10:1 del loop sintonizado principal. Lo que sucede en el circuito entre el loop primario y el loop de alimentación es como en un transformador sencillo, debido a la existencia de un campo altamente reactivo cerca del loop primario en resonancia, el cual sirve en gran medida para concentrar las líneas de flujo magnético que cortan el loop de alimentación pequeño y no sintonizado. El grado de concentración de flujo magnético está en función del factor Q del loop primario sintonizado, el cual varía con la frecuencia, por ejemplo, el Q más alto se da en la frecuencia más baja de operación y el Q más bajo se da en la frecuencia más alta de operación. Esta variación del factor Q es consecuencia de la suma de la resistencia causada por las pérdidas y la resistencia expresada en modo complejo, a la radiación del loop primario como función de la frecuencia. La impedancia efectiva del loop secundario está dada por la relación diámetro/área comprendida por la circunferencia del loop y por el número de líneas de flujo magnético que lo cortan. Por lo tanto, la impedancia que muestra el loop secundario será en esencia  independiente de la frecuencia. Esto se puede apreciar intuitivamente porque cuando el loop de alimentación es en extremo pequeño en relación al largo de onda y estamos en la frecuencia más baja de operación, el número de líneas de flujo magnético que cortan al loop de alimentación es grande debido al alto factor Q, en cambio, cuando el loop de alimentación es una fracción mayor de un largo de onda en la frecuencia   de   operación  a   medida   que   la   frecuencia   de   resonancia   aumenta,   la concentración de líneas de flujo magnético se reduce debido a que el factor Q disminuye. 
La descripción anterior puede ser de mucha ayuda para visualizar lo que ocurre, desde un punto de vista conceptual y nos da entendimiento  de qué ocurre con este método  de alimentación.

Si uno busca construir un loop con un patrón de simetría lo más puro y con nulos laterales profundos, vea las figuras-12 y 13. El transformador de Faraday debe ser completamente balanceado, pareado en relación ancho de banda y que se acople perfectamente, por lo tanto elija una relación 5:1 con el diámetro del loop. Ésta será la estructura preferida de alimentación del loop. La figuras-12 y 13, a continuación, ilustra la construcción del loop de Faraday de alimentación.





Figura-12  Opciones de construcción de loops de Faraday con malla.


Variaciones del loop de alimentación con malla de Faraday, el más simp le es el loop sin malla ilustrado en la Figura-12. El loop de Faraday debe ubicarse directamente en el centro inferior opuesto al del condensador variable de sintonía que se ubica en el lado más alto del loop y opcionalmente con la malla del coaxial de alimentación, conectada al punto central neutro del loop principal. Nuevamente, el diámetro del loop de Faraday de alimentación debe ser 1/5 del loop de radiación principal. 




Figura-13


El loop debe estar balanceado para rechazar de la mejor manera el campo-E, que es el campo eléctrico que transporta el ruido, justamente es lo que queremos minimizar; considerando que el loop responde predominantemente al campo-H (campo magnético), cualquier desbalance eléctrico resulta en corrientes comunes no deseadas fluyendo en el loop alimentador y que pueden desviar o  torcer el patrón de radiación y aportar una sensibilidad perjudicial del campo-E, la cual puede contribuir a captar el ruido eléctrico local, cosa que no queremos. Estas extrañas corrientes de alimentación pueden ser bloqueadas y eliminadas rápidamente con un choque tipo balún (balanced/unbalanced) de núcleos de ferrita, cuyo concepto se muestra en las Figuras-14/15/16/17.





Figura-14  Típico balún de núcleos de ferrita. 





Figura-15 Balún de varias vueltas para altas potencias.






Figura-16  Construcción de un balún simple.


Las variadas configuraciones de balunes de coaxial mostradas aquí, usan núcleos de ferrita Amidon o equivalentes, mezcla (mix) 43 (µ = 850) o mix 61 para la pila de núcleos y deben estar ubicados en la línea de alimentación muy cerca de donde el coaxial se conecta al loop. 



Figura-17 Modo opcional de construcción de un choque o balún.


El método de alimentación en vez del loop de Faraday, llamado “Gamma match” está ilustrado en la Figura-17. Es, básicamente un autotransformador con la malla del coaxial conectada al loop en el punto neutro central y el conductor central del coaxial conectado al punto del loop donde la relación de voltaje/corriente es 50 Ohms. Este método aporta un desbalance y asimetría propios de su geometría. También aporta una pequeña distorsión en el patrón de radiación. Esto es uno de los costos a pagar asociados con la alimentación en Gamma si lo comparamos con el método del loop de Faraday.
Plano de simetría del loop.




Figura-18 Gamma match asimétrico.


Los parámetros geométricos del Gamma match y el punto exacto de ubicación del punto en donde se obtienen los 50 Ohms de impedancia, son el fruto de la experimentación. Sin embargo se obtiene una relación de onda estacionaria 1:1 perfecta en el punto en que el loop resuena. 



Figura-19  Técnica de alimentación en Gamma


Cuando se usa el método de alimentación por transformador, uno debe hacer el esfuerzo de hacer un match entre la suma de la resistencia a la radiación del loop y las pérdidas por resistencia con los 50 Ohms de impedancia del coaxial de alimentación. Dependiendo del tamaño del loop y la frecuencia de operación, la impedancia de operación del loo p puede variar entre los 50 a 100 mili-Ohms. Esto implica que se requiere una relación de transformación de impedancia aproximada de 1000 a 500, esto es una relación de vueltas de 30:1 a 22:1 (figura-19). El uno (1) en esta relación es, simplemente, el tubo conductor del loop que pasa a través del centro del núcleo del toroide de ferrita (figura-20).

Un toroide de ferrita tal como un FT-140-43 de diámetro interno de 23 mm o un FT-240-43 de diámetro interno de 35 mm se debe ubicar en el tubo del loop en el lado exactamente opuesto al condensador de sintonía del loop, tal cual se ilustra en la Figura 19 izquierda. El devanado primario de varias vueltas debe tener el número de vueltas adecuado para haga “match” con los 50 Ohms del coaxial de alimentación. El tubo de cobre es, en efecto, el enrollado secundario de una vuelta del transformador. Para una operación adecuada, debemos asegurarnos que la permeabilidad del núcleo (µ) es suficientemente elevada para proveer  una reactancia primaria  mayor  que el doble de  la  impedancia de  la  línea de alimentación,  mientras que el material con que está hecho  el núcleo  debe tener bajas pérdidas por histéresis en la frecuencia de operación. La ferrita con un mix de 43 con un coeficiente µ = 850 satisface este requerimiento. Este método  simple de alimentación trabaja muy bien con potencias de entre 100 y 200 Watts, cuando el devanado primario es parejo y bien distribuido, hecho con un alambre de cobre  aislado con PVC de unos 1.5 mm2 de sección recta.



Figura 19 B Ejemplos de transformadores de acoplamiento:





Figura-20 Fabricación conceptual del transformador de acoplamiento.



Una variación interesante mostrada en el cuadro superior derecho de la Figura-19 derecha, es el transformador con una relación 1:1 que tiene una sola vuelta del loop de alimentación enhebrada a través del núcleo toroidal. Este arreglo ubica efectivamente los 50 Ohms de impedancia del coaxial de alimentación en serie con la muy baja impedancia del loop y puede resultar en algunas pérdidas causadas por el mal acoplamiento. Sin embargo, mientras más preciso sea el número de vueltas en el primario, se obtendrá mejores resultados.

Características de radiación del loop:

Las antenas loop pequeñas tienen, al menos, dos nodos de radiación simultáneos; un modo magnético y un modo eléctrico de dipolo plegado. Cuando la razón de las proporciones del modo loop y del modo dipolo son alterados para alcanzar iguales intensidades, resulta en algún patrón de radiación asimétrico y un grado de uni-direccionalidad que puede ser útil. El resultado es una relación frente-atrás de unos 6 dB o algo parecido.

El loop con su patrón de radiación en forma de “doughnut”, muestra una ganancia típica de
1.5 dBi sobre el suelo (un plano de tierra promedio) y una ganancia de 5 dBi cuando se instala con unos radiales cortos (el largo de los radiales no necesita ser mayor que el doble del diámetro del loop) o montado sobre un plano metálico conductor. Para comparar, un dipolo horizontal de ½ ? montado a una altura de ¼ ? sobre el suelo, tiene una ganacia de 5.12 dBi y una antena vertical de ¼ ? con 120 radiales, cada uno de ¼ ? de largo, tiene una ganacia de 2 dBi, cuando está montada sobre un suelo promedio. La relación frente-lado de un loop bien balanceado es de unos 20 a 25 dB, cuando se pone cuidado en suprimir radiaciones espurias del cable de alimentación.

Sin embargo, la antena loop magnética tiene una ventaja significativa sobre cualquier otra antena debido a su patrón de radiación muy exclusivo. Si se instala verticalmente, el patrón de radiación en forma de “doughnut” o toroidal, se puede visualizar verticalmente en la tierra, donde la máxima ganancia se da en los ángulos bajos y altos, irradiando igualmente bien en todos los ángulos de elevación, respecto al plano del loop. Por ejemplo, se obtiene radiación en todos los ángulos, desde el horizontal hasta el vertical. De manera que si el loop irradia en todos los ángulos, una sola antena loop puede reemplazar a una antena vertical y a una horizontal. Esto es particularmente beneficioso en 160, 80 y 40 metros, donde el loop nos dará un excelente servicio, al cubrir distancias regionales y locales y fácilmente igualara y superará una antena Vertical alta de ¼ ? para contactos lejanos e n DX, por lo tanto es una buena antena de propósito general.

La energía irradiada por una antena loop magnética está polarizada verticalmente en el horizonte, mientras que es polarizada horizontalmente en el zenit. Usted se dará cuenta rápidamente que la antena loop magnética tiene una propiedad que la caracteriza y que es entregar buena radiación en trasmisión y buena respuesta en recepción tanto en largas, medias y cortas distancias. Esto se logra en virtud del bajo ángulo de la propagación verticalmente polarizada y por medio de la incidencia oblicua de la radiación horizontalmente polarizada. En contraste con esto, una antena monopolo Vertical es útil sólo para propagación con polarización con poco ángulo vertical. Dado que ésta muestra ese tipo de patrón de radiación y por lo tanto muestra una respuesta pobre en ángulos de radiación de unos 45 grados o más. Tales antenas son  muy buenas para comunicaciones a larga  distancia  cuando  la  propagación  manifiesta  efecto  “skip”.  También  para  corta distancia por medio de la propagación de onda terrestre.

Para mayor contraste, un dipolo horizontal de ½ ? o una yagi que tenga elementos en forma de dipolo, instaladas a una altura del suelo que menor que 1 ?, y no en un espacio libre ideal o montada a gran altura, muestra un patrón de radiación predominantemente vertical, con casi cero radiación en el horizonte. Un ejemplo de esto son las populares antenas que en medios de la radio afición universal se les llama las “calienta nubes” que son la G5RV, las antenas alimentadas por un extremo, los dipolos, las V invertidas, etc. Por lo tanto son más útiles en distancias cortas o medias en donde el espectro de HF donde la propagación de incidencia oblicua es posible.

Es importante notar que cuando se compara una antena loop magnética con una yagi para 20 metros, esta última debe ser montada a una altura de por lo menos un largo de onda, es decir, a una altura de 20 metros. De esta forma trabajará bien y tendrá un ángulo de radiación tendiente al horizonte.

Desafortunadamente, torres de tal altura son poco prácticas en áreas residenciales. Esto se debe a ordenanzas municipales y a planos reguladores de las ciudades. Si una antena Yagi de HF es montada a menos de 10 metros de altura, entonces una antena loop magnética superará a la antena Yagi. Siempre recibo burlas de radioaficionados que compran antenas Yagi de HF de alto rendimiento y en una forma que diría yo, sacrílega, las montan a una altura menor que lo recomendado o en las cercanías de un techo metálico. Los problemas empeoran cuando en las bandas más bajas que la de 20 metros, donde la dirección del patrón de ángulo elevado, es causada por la baja altura de la antena y no es muy apoyador para facilitar buenas comunicaciones del tipo DX.

En comparación a una antena loop magnética, montada verticalmente, la parte baja del loop no necesita estar a más de un diámetro del loop de distancia del suelo. Esto hace muy fácil montar esta antena en espacios con restricciones. No hay ventajas significativas en el rendimiento cuando una antena loop se monta a gran altura. Todo cuanto importa es que el loop esté despejado de objetos en las inmediaciones y en la dirección de radiación. Montar el loop sobre un pequeño mástil no metálico y sobre un techo que haga de plano de tierra, entrega excelentes resultados.

Una buena antena de HF para DX, requiere una buena potencia de transmisión y una ángulo bajo de radiación. Pensando bien, una antena Vertical eficiente y adecuadamente instalada, una loop magnética ubicada adecuadamente y una Yagi de varios elementos a buena altura, trabajan bien. Por supuesto la antena Yagi tiene una ganancia ventajosa respecto al loop y esto puede ser útil en señales débiles.

Propiedades en recepción:

En un ambiente urbano típico con altos niveles de ruido, una antena loop siempre oirá más que una gran Yagi en las bandas de HF. Una antena loop magnética balanceada responde predominantemente a la componente magnética de la onda Electro Magnética incidente, mientras que es casi insensible a la componente eléctrica ruidosa. Esta es la razón principal por la que las antenas loop magnéticas son impresionantemente silenciosas en recepción. Son capaces de discriminar señales en un ambiente ruidoso que jamás podría oír con una antena Vertical, dipolo o Yagi. La verdadera ganancia de una antena está dada por su relación señal/ruido.

En la propagación de una onda de radio, la magnitud del vector eléctrico es 120p o 26 dB mayor que la magnitud del vector magnético, la diferencia es debida a la impedancia intrínseca en el espacio  libre (377 Ohms). Por otro lado, el ruido eléctrico (campo -E) generado por motores eléctricos, fuentes de poder “switching” mal diseñadas, luminarias públicas, etc., la componente eléctrica es muchas veces mayor que la de una onda de radio. Mientras que las antenas verticales o los dipolos son sensibles a ambas componentes de la onda EM, es decir, la componente eléctrica (campo-E) y la componente magnética (campo- M), la antena loop sólo es sensible a la componente magnética de la onda. Respecto a la componente eléctrica, el loop será prácticamente ciego a ésta y ofrecerá un alto grado de rechazo  al  ruido  generado  por  los  humanos  y  al ruido  eléctrico  atmosférico  o  ruido galáctico. No despreciemos este último, es del orden del 10% del ruido total.

Por lo tanto, el término ampliamente usado “antena loop magnética” es para señalar a esta propiedad de discriminar las componentes de las ondas EM. La teoría de antenas trata al loop como el conjugado eléctrico del dipolo. El loop es un dipolo magnético y el dipolo común es un “dipolo eléctrico”

Es significativo que en una antena loop magnética, la relacion señal-ruido (SNR) es alrededor de 10 a 20 dB mayor que un dipolo horizontal. En un ambiente urbano eléctricamente ruidoso, es mucho más evidente la mejor SNR (relación señal/ruido) cuando se le compara a una antena vertical. Esto es debido a que el ruido hecho por el hombre comprende una componente de campo eléctrico poderoso y para peor, muy polarizada verticalmente. La  relación señal ruido es la que determina el  rendimiento de una antena y  no la intensidad de la señal que se recibe. Si falta intensidad de señal, la amplificará el sistema AGC del receptor, que es de bajo ruido.

El criterio más importante a tener en cuenta cuando se trata de recepción, es la relación señal/ruido y no la ganancia o eficiencia de la antena. En las bandas de HF y en particular, la mitad baja del espectro, el ruido predominante es el eléctrico hecho por el hombre, el ruido galáctico y el ruido atmosférico.
La antena loop tiene otra ventaja práctica en la recepción. La cualidad mencionada de un circuito resonante de alto-Q nos entrega un filtro pasa-banda que se encuentra obviamente antes de la etapa de entrada del receptor. Este preselector gratis que es la antena en sí, proporciona una tremenda mejora en el rendimiento cuando nos encontramos en una banda congestionada, además con poderosas estaciones del tipo “broadcasting” y en particular el ruido  eléctrico  ocasionado  por  descargas  atmosféricas.  También,   las  interferencias causadas por estaciones próximas (QRM) son rechazadas o muy atenuadas.

De la misma manera que se elimina el QRM causado por una señal poderosa y los efectos de intermodulación, el filtrado reduce dramáticamente el ruido eléctrico generado por las luminarias y las señales débiles aún pueden ser oídas bajo estas condiciones adversas y que antes era imposible escucharlas con otro tipo de antenas.

Todas las características de la antena loop juntas, son las que hacen que esta antena supere en rendimiento a un dipolo, antena Vertical, Yagi o Quad cuando se lleva a cabo una prueba comparativa. Por otro lado en modo transmisión, la capacidad de filtrado selectivo de la antena, cualesquier armónica de la trasmisión es atenuada en gran medida y no irradiada.  Esto  ayuda  a  eliminar  las  interferencias  en  la  TV  y  en  las  radios  tipo broadcasting.

Algunas palabras acerca de eficiencia y pérdidas:

Así como  la mayoría de los sistemas de antenas se originan de una simetría eléctrica perfecta, se producirán flujos de corriente en partes del sistema y su vecindad en donde no debería haberlos. Tales factores externos pueden ser agregados al total de las pérdidas de energía del sistema de antenas. Las pérdidas más difíciles de derrotar son las atribuidas al ambiente circundante o entorno. Aislar la antena loop magnética de la tierra y su ambiente eléctrico circundante es virtualmente imposible en las bandas bajas de HF. Esto incluye las corrientes que fluyen por la malla del coaxial y por los objetos conductores cercanos, tales como cañerías y cables eléctricos.

Cuando el largo del perímetro del loop se aproxima a 0.25 ? la antena loop magnética alcanza su máxima eficiencia. Esta longitud corresponde al mayor ancho de banda, VSWR y el menor voltaje en los terminales del condensador variable de sintonía, debido una mayor resistencia a la radiación y al factor Q que está asociado al sistema de antena.

La eficiencia está influida por la energía irradiada, energía de RF que es capturada o absorbida por objetos en las proximidades del loop. Materiales ferrosos tales como fierro y acero que contribuyen significativamente a las corrientes de Eddy y a las pérdidas por histéresis.

La eficiencia también es función de la conductividad del suelo. Aún cuando una antena loop magnética no requiere radiales o un plano de tierra, una vez que la energía electromagnética es irradiada, aun está sujeta a las leyes del electromagnetismo de la física de la radio que todos los tipos de antenas experimentan.
Una mejor conductividad del plano de tierra, generalmente resulta en más señal polarizada verticalmente que se refleja (en un campo distante, no en las cercanías), por lo tanto, se combina y refuerza la señal de vía directa en los ángulos de radiación bajos, que son los que se desea.

Las loop orientadas verticalmente pueden entregar el doble de la señal bajo ciertas condiciones. Cuando son operadas en las cercanías de una superficie terrestre altamente refl ectiva, tales como agua salada. Esto es porque una loop puesta verticalmente es muy especial, y como un agregado adicional, la antena loop no tiene la desventaja de tener por encima del patrón de radiación de la antena unos puntos nulos, como es el caso de las antenas verticales.

Efectos del plano de tierra en el rendimiento de una antena loop;

Cuando una antena dipolo se instala horizontalmente sobre el terreno, su imagen en la tierra estará en fase opuesta. Como consecuencia de esto, si la altura de un dipolo es menos que ¼ de longitud de onda, equitativamente se desarrollan altas pérdidas en el sistema, debido a la disminución de la resistencia a la radiación, en conjunto con la elevación de las pérdidas por resistencia, que resultan de la disipación de potencia con una tierra casi perfecta. Esto representa un clásico escenario de una maldición duplicada y un rendimiento más que perjudicado, en el caso de los dipolos instalados a una altura del suelo insuficiente (una limitante generalizada en el caso de muchas antenas de radio aficionados)

Por el contrario, las corrientes de RF oscilantes asociadas con la imagen de una antena loop instalada verticalmente sobre el suelo, están “en fase” con las del loop. Por lo tanto el efecto del plano de tierra, en el rendimiento de una loop instalada verticalmente es relativamente pequeño. De hecho, porque la componente magnética de una onda electro- magnética es máximo en el límite entre la tierra y el espacio inmediatamente superior, el rendimiento del loop es mejor cuando el loop es instalado cerca de la tierra y a una distancia fuera del campo cercano de inducción del loop (uno o dos diámetros del loop). Sin embargo, si en las cercanías existen objetos conductores tales como líneas de transmisión eléctrica o edificios, en la dirección de la trasmisión/recepción, entonces es preferible escoger una altura superior para instalar el loop, en donde no existan objetos que obstruyan el paso de las señales.

En comparación con el rendimiento de una antena loop y una Vertical, instaladas en lo alto de un edificio, se puede decir que la antena loop será un claro ganador respecto a los patrones de radiación vertical y horizontal. Esto se debe a que el comportamiento de una antena Vertical instalada en lo alto de un edificio, es generalmente no predecible con exactitud, porque corrientes verticales van a fluir de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, por todas las vías conductoras entre la antena y la tierra y cada una de estas vías contribuirá al patrón total de radiación en la forma de múltiple lóbulos de radiación y nulos.

Una antena loop balanceada es inmune a tales problemas porque el plano de tierra bajo la antena no forma el circuito de la mitad faltante de la antena, respeto al plano de tierra que la soporta, como es el caso de una antena Vertical. Por lo tanto, las múltiples vías de corriente hacia tierra se eliminan con el loop. Por supuesto, la antena loop y la antena vertical están sujetas a las interferencias eléctricas debido a la altura sobre la tierra.

Objetos de metal que pueden reflejar, cuando son de un tamaño mayor que 1/3 de longitud de onda y a una distancia menor que dos largos de onda del loop, pueden producir puntos nulos de onda estacionaria en una dirección dada y en varias frecuencias. Si la antena es montada encima de un techo de metal, las interferencias por difracción provenientes de la forma del edificio deberían ser tomadas en cuenta, si se producen puntos nulos en ciertas direcciones y en algunas frecuencias.

Generalmente, el mejor lugar para montar una antena loop es cerca de una arista de un techo conductivo y en la dirección de la propagación deseada.

Por lo tanto, la operación de una antena loop instalada verticalment e sobre un buen plano de tierra, es mejor que si se instala sobre un plano de tierra pobre, este factor es mucho menos crítico  que para  las antenas Verticales.  En el caso  de una antena Vertical,  la eficiencia que se obtiene es completamente dependiente de la calidad del plano de tierra y los materiales con que están construidos los radiales.


Directividad de una antena loop magnética;

Comúnmente se cree que una antena loop magnética instalada verticalmente, muestra un patrón de radiación bi-direccional con la recepción máxima en el plano del loop. Esto es verdad para ondas polarizadas verticalmente que acometen desde ángulos de elevación muy bajos (menos de 10 grados) y para señales a nivel de la tierra. Todo esto no es cierto para  señales  con  ángulo   de  elevación  mayores  de  30  grados,  cuya  polarización generalmente rota o cambia de vertical a horizontal, a una tasa de rotación equitativa debido a la llamada “rotación de Faraday” causada por los electrones libres dentro de la ionósfera.

Cuando los ángulos de incidencia de la onda exceden los 45 grados, la respuesta del loop cambia a una preferencia por la polarización horizontal con un ángulo de azimut de 90 grados con respecto al plano del loop. Por lo tanto, para comunicaciones de corta distancia, digamos menos de 500 km, la mejor recepción será con el plano del loop perpendicular a ángulo de azimut de la señal de llegada.

No es fácil predecir cuál rumbo acimutal nos entregará la mejor recepción del loop durante las horas nocturnas y que tengan saltos de menos de 500 km y en frecuencias menores a 7 MHz.  Esto  se  debe  a  la  prevalencia  de  las  señales  atmosféricas  y  terrestres  que  se combinan  en  forma  random  (o  aleatoria)  para  producir  un  “fading”  bastante  serio.
Generalmente la mejor solución es del tipo “prueba y error” para determinar cuál orientación de la antena entregará la mejor mezcla, entre la señal promedio más alta y el menor y problemático “fading”. Por lo general para distancias de más de 500 o 1000 km, es con el plano del loop en la dirección de la señal incidente.

Por lo tanto, los puntos nulos mostrados por el loop en ángulos de elevación bajos, pueden ser  usados  para  “anular  lo  más  posible”  las  ondas  terrestres  y  reducir  el  “fading” cuando la señal atmosférica existe simultáneamente con la señal terrestre. En comparación con las antenas Verticales que tienen puntos nulos encima de ellas y por lo tanto no son eficientes para cortas y medias distancias.

Una antena loop instalada verticalmente y a menos de 0.15 ? sobre el suelo, muestra una excelente cobertura entre señales proveniente del zenit y señales con una elevación de casi cero grados. Esto hace que el loop sea útil en casi todos los rangos de distancia. En señales con un ángulo de elevación de 20 grados o más, el loop tiene un comport amiento casi omnidireccional cuando recibe señales atmosféricas.

Para una antena loop montada sobre un plano de tierra promedio, viéndolo como algo opuesto a un suelo que tenga una conductividad perfecta, la respuesta a señales de bajo ángulo vertical, por ejemplo, de menos de 5 grados, es típicamente 10 dB o más por debajo de la respuesta alcanzable por la antena ubicada en un plano de tierra perfecto. Por lo tanto merece la pena notar que la tierra ubicada inmediatamente bajo el loop, afecta la respuesta, principalmente a señales con un alto grado de verticalidad, mientras que las propiedades del plano de tierra, en el caso de largas distancias, tiende a caracterizar el rendimiento del loop, en bajos ángulos verticales en el plano del loop.

Temas de construcción y ubicación:

Sin un condensador variable de estator dividido, uno del tipo “mariposa” o uno al vacío y que tolere la tensión de RF adecuada, es inútil o más bien estéril, construir una antena loop y esperar que ésta entregue los buenos resultados de que es capaz. Minimizar todas las fuentes de pérdidas por resistencia es particularmente importante en el modo de trasmisión.

En virtud de disponer de un rotor más corto, el condensador tipo mariposa tiene algo menos de pérdidas en el rotor que el de tipo de estator dividido. En cualquiera de los dos casos,  los  dos  estatores  de  los  condensadores  variables  deben  ser  conectados  a  cada terminal del loop  por  medio  de cintas de cobre.  El condensador  variable de sintonía indudablemente es la componente más crítica en un proyecto exitoso, cuando se construye una antena loop magnética hecha en casa.

Aún cuando son más caros y difíciles de encontrar, los condensadores variables al vacío tienen una rango de valores de capacitancia mucho mayor, en relación a su valor mínimo y máximo y además, permiten sintonizar al loop en un rango de frecuencias más amplio que con la mayoría de los condensadores variables con separación o dieléctrico de aire. Los condensadores al vacío también tienen pérdidas intrínsecas, pero mucho más bajas que la mayoría de los condensadores variables con dieléctrico de aire. Existen condensadores variables al vacío marca “Jennings” y una multitud de condensadores equivalentes de origen ruso que están disponibles por eBay, junto con sus abrazaderas de montaje plateadas para asegurar una baja resistencia al contacto con el conductor que forma el loop. Una resistencia de contacto baja es absolutamente esencial entre los terminales del condensador variable y el loop. ¡Eliminar cualquier mili-Ohm de resistencia en la antena loop, es importante para alcanzar la más alta eficiencia! 



Figura-21
Abrazaderas para el condensador variable al vacío con “fittings” de cobre soldados con plata.

También se puede usar condensadores variables tipo trombón, pistón o placas intercaladas. Condensadores fijos hechos en casa, tales como los de placas paralelas, pueden construirse de láminas de cobre de desecho y separados por aire, en paralelo con un condensador variable de baja capacitancia para operar una loop mono-banda.   El aire es siempre el mejor  dieléctrico  si  no  se  dispone de  vacío,  otros materiales dieléctricos tienen  altas pérdidas  tangenciales  y  altos  factores  de  disipación.  Cuando  se  usa  un  condensador variable al vacío, un condensador variable con separación de aire o uno hecho en casa, su eje mecánico puede acoplarse a una caja de reducción que a su vez se acopla a un motor eléctrico pequeño, para facilitar un mando remoto. De esta forma se puede sintonizar el loop cuando está montado en un lugar distante o en el techo. La Figura-22 muestra un condensador fijo con dieléctrico de aire, hecho en casa en paralelo con un condensador variable construido por VK5JST, que usó materiales de un costo bajo, agregándole un VERNIER de sintonía y un motorcito eléctrico para moverlo en forma remota. El material usado como dieléctrico fue cortado de una tabla de cortar pan de las que venden en los supermercados o directamente “tomados” de la cocina de la “XYL”. La sintonía de la antena  loop  puede  ser  hecha  manualmente  o  basada  automáticamente  en  la  VSWR (relación de onda estacionaria) con un circuito electrónico de control automático, que a su vez controla un motor de paso (stepper motor) que puede ser sacado de una impresora vieja y en desuso. Al mover el condensador variable al punto de mayor ruido, en el modo Rx (recepción), se obtendrá el punto de la más baja VSWR cuando, posteriormente se apriete el PTT.




Figura-22


Todos los cables de control del motor deben ser ruteados simétricamente respecto a las dos mitades del loop y deben ser desacoplados y protegidos con algún “choque”, inmediatamente a la salida del área del loop. Rutear los cables por el interior del tubo de cobre que conforma el loop y hacerlos salir por un hoyo taladrado en el punto eléctrico más neutro, el que está justo en directamente opuesto  al condensador variable de sintonía (180º), es una buena manera de mantener los cables de control del motor eléctrico aislados y eléctricamente neutrales respecto a la RF (radiofrecuencia).

El no poner atención estricta y cuidadosa a los detalles de construcción, en relación a eliminar todas las fuentes de pérdidas por resistencias parásitas y elegir montar la antena loop muy cerca de materiales ferro-magnéticos, son las dos razones más importantes por las cuales las antenas loop magnéticas fallan en entregar su rendimiento potencial; no sean “pesimistas” al recibir reportes de señal bajos, por estas causas. Por el contrario, una antena loop magnética bien construida y bien ubicada es una delicia.


Otro método para construir un condensador variable con separación de aire, se ilustra en la Figura-23. Consiste en acercar y alejar placas para sintonizar una antena loop mono banda de un metro de diámetro, para 20 metros, hecha con tubo de cobre. La tensión (voltaje) que tolerará el condensador variable, es decir, la potencia que será capaz de manejar, estará dada por la distancia entre las placas y/o cualesquier material dieléctrico que se ponga entre ellas. 




Figura-23
Motor “de paso” que mueve un perno que a su vez, mueve un condensador variable con separación de aire.

Las antenas loop magnéticas para trasmisión están diseñadas para una cobertura óptima en las bandas desde los 3.5 a los 30 MHz. Es mejor separarlas por lo menos en dos tamaños. Si se desea incluir la banda de 160 metros, es mejor contar con tres tamaños diferentes de loop.

Una loop de 0.9 metros de diámetro, anda bien para las bandas de 20 a 10 metros (y tal vez sintonizable en la banda de 30 metros, dependiendo del rango de la capacidad del condensador variable), y una antena loop de 2 metros de diámetro para la cobertura de las bandas bajas, desde los 80 a los 30 metros. Para un mejor rendimiento en las bandas de 80 y 160 metros, se recomienda una loop de 3.4 a 4 metros de diámetro. La resistencia a la radiación y por lo tanto la eficiencia que se puede alcanzar es proporcional a la cuarta potencia de la longitud de la circunferencia de la loop.

Algo importante que debe ser tenido en cuenta a cerca de los condensadores variables al vacío, es que ellos no son parejos para manejar las corrientes de RF (radio frecuencia), a lo largo de su rango de capacitancia. Por lo tanto es bueno tener en cuenta este factor en los cálculos de diseño de una loop y asegurarse de operar con un condensador variable al vacío que tenga las características deseadas en todo el rango de sintonía del loop. Fabricantes como  ITT  Jennings  entregan  gráficos  de  estos  datos.  Esta  es  una  buena  razón  para restringir el rango de sintonía a una relación de capacidad de 2 a 3:1 entre los valores máximos y mínimos del condensador variable. Esto permite una relación óptima VAR/RF. Mantenerse dentro del rango  lineal de las capacidades del condensador al vacío es lo principal, por ejemplo cuando se opera en modo CW, es fácil excederse, en contraposición al ciclo de trabajo de la SSB (banda lateral única). Todo estará bien si no sobrepasamos la temperatura que soporta el sello que va entre el metal y el vidrio del condensador variable al vacío. Esto no ocurrirá en la práctica si las abrazaderas de la montura del condensador variable al vacío actúan como un buen disipador térmico.

La operación de las antenas loop magnéticas entregan su mejor rendimiento cuando la relación entre la inductancia y la capacitancia puede ser seleccionada y la mayoría de la capacidad de sintonía puede ser provista por un condensador fijo también sea al vacío. De este modo, un condensador variable al vacío mucho más pequeño puede ser instalado en paralelo con el fijo, facilitando una mejor sintonía fina.

Un ancho de banda perfectamente alcanzable, es proporcional al tamaño de la antena loop, es decir su diámetro. El factor Q es inversamente proporcional al diámetro de la antena loop. Dependiendo de su construcción, una antena loop magnética de un metro de diámetro puede mostrar una eficiencia intrínseca a la radiación de un 90% en el rango de los 1.8 y
30 MHz.

La eficiencia intrínseca de la antena loop no considera las externalidades tales como el plano de tierra y las pérdidas ocasionadas por el ambiente en donde se instaló la antena. Este es un punto bastante obvio que puede ser analizado empíricamente porque usted puede aplicar a la antena loop algunos cientos de Watts de potencia en modo CW y tanto la antena loop y el condensador variable de sintonía permanecerán fríos. Si la antena loop es muy ineficiente, rápidamente ésta se calentará y puede llegar a fundir las soldaduras de la antena loop con tales niveles de potencia aplicada.

La tubería de cobre es el material preferido para fabricar una antena loop, debido a su alta conductividad y baja resistencia por unidad de longitud, en relación con el aluminio. Las pérdidas de RF son causadas principalmente por el “efecto piel o de superficie” (skin effect) y la concentración de corrientes de RF a lo largo de la superficie de la antena loop. Este  problema  se  puede  disminuir  considerablemente  usando  un  tubo  con  área  de superficie mayor (diámetro mayor del tubo), para formar la antena loop.

La forma óptima de una antena loop es el círculo. Esta forma nos proveerá la mayor área incluida dentro del loop en relación a su perímetro. La resistencia a la radiación es proporcional al área encerrada en el  loop,  mientras que  las pérdidas causadas por  la resistencia óhmica, son proporcionales al largo de la circunferencia. Un loop cuadrado es la peor forma para una antena loop, mientras que la forma octogonal para un loop (construido con tramos rectos de cobre y codos) comprende un 20% más de superficie que un cuadrado del mismo perímetro y resistencia óhmica.

Un punto importante de recordar es que la resistencia a la radiación y por lo tanto la efectividad de la antena loop es proporcional al largo del perímetro de la antena loop elevado a la cuarta potencia.

La instalación práctica y el lugar en donde se sitúa la antena loop magnética son factores extrínsecos o externalidades que pueden ser beneficiosos o perjudiciales, cuando afectan a la radiación y a las pérdidas por resistencia, cuando la antena loop no es estrictamente ubicada en un ambiente de espacio libre.

Cuando una antena loop magnética se monta sobre un plano de tierra buen conductor que cumpla las funciones de reflector o unos radiales de alambre de cobre, se crea una imagen de la antena loop que aumenta la resistencia a la radiación en un factor considerable. Tal escenario es fácil de hacer.
A la inversa, si la antena loop es instalada sobre un plano de tierra promedio, la resistencia a la radiación aumenta pero se refleja hacia la antena una “resistencia reflejada que causa pérdidas”. Debido al efecto de acople de los transformadores el campo reactivo cercano en el plano de tierra no tan bueno. Instalar la antena loop a una altura mínima igual a un diámetro  del  loop  es  importante,  debido  a  que  se  gana  eficiencia  en  la  antena  a consecuencia de minimizar las pérdidas intrínsecas del conductor de la antena loop que pueden ser contrarrestadas por esta resistencia perjudicial causada con la cercanía a la tierra (factor extrínseco).

De la misma manera, cuando tenemos materiales ferro magnéticos muy cerca de nuestra antena loop, el campo magnético cercano a la antena va a inducir, por un efecto similar al de los transformadores, una tensión a través de la resistencia a la RF del material ferroso, ocasionando un flujo de corriente que está asociado con las pérdidas de potencia y descrito por la fórmula W= I2R. Esta situación se da cuando una antena loop se instala en un balcón de un departamento que tiene, muy cerca, perfiles de acero o barras de acero que forman parte del hormigón armado. Esta influencia perjudicial puede minimizarse orientando el loop en ángulo recto respecto a estos materiales perniciosos. Otro mal efecto causado, es el debido a las corrientes que fluyen en el suelo por la capacidad que se produce entre e l loop y la superficie del suelo. Este efecto capacitivo puede ser minimizado manteniendo al loop, al menos a una distancia del suelo igual a la mitad del diámetro del loop o más.

Las pérdidas ocasionadas debido al plano de tierra, se atribuye a dos compo nentes; el que se debe a la corriente inducida en la imagen reflejada de la loop más abajo de la superficie del plano  de tierra, con una resistencia proporcional a la resistencia del suelo  más la pérdida  que  se  debe  a  las  corrientes  que  fluyen  en  el  suelo.  Éstas  las  ocasionan  la capacidad entre el loop y la superficie el suelo. Las pérdidas sistémicas totales varían de una manera compleja  en función de la frecuencia de trabajo del loop, la altura del loop, la resistencia del suelo, la permitividad del suelo y la profundidad de la capa superficial superficie del suelo.

La analogía de  un transformador  aplicada  a  la  antena  loop  magnética  es  buena  para entender  varias  cosas.  El enlace  de  comunicaciones  vía  HF  es  bastante  similar  a  un “transformador en el espacio”.  La antena loop magnética, cuando está en modo recepción, funciona como un devanado secundario bastante lejano a la antena que trasmite, la cual se comporta como un devanado primario. La componente magnética de la onda electromagnética que incide en la antena loop, induce una pequeña corriente de RF que fluye en el conductor del loop por medio de una propiedad física que se llama inducción. A su vez esta corriente es aumentada por la propiedad resonante de la antena de un factor Q muy alto, que tiene una buena adaptación de impedancia con el cable coaxial que hace de línea de trasmisión.

Una antena loop montada en un espacio libre, en un mástil no metálico, tal como un tubo de PVC de unos 5 a 7 cm de diámetro y sobre un pedestal, armado cuidadosamente con fittings de gasfitería también de PVC, es el mejor soporte. También se le puede agregar un rotor para orientarla en un determinado ángulo que anula un QRM en particular. 






Toda  antena  (dipolos,  Verticales,  Yagi,  loops)   irradia  energía  electromagnética. Cuando las antenas estén en modo trasmisión, mantenga una distancia prudente. Se debe tener  cuidado  de  no  tocar  el  loop  y ninguna  otra antena,  cuando  ésta  está  en  modo trasmisión, en recepción no existe ningún problema. También no se acerque al campo electromagnético próximo a la antena para no exponerse a una alta radiación electromagnética. Una distancia mayor que uno o dos diámetros  del loop se considera una región segura para la salud. La radiofrecuencia que emana de la antena, quema la piel si se toca el loop en modo trasmisión. Esto puede producir incomodidad y dolor, además de demorar mucho tiempo en sanar.

Conclusiones:

Un plato se puede saborear sólo comiéndolo, por lo tanto, se anima al radio aficionado experimentador   a   tener   experiencia   práctica,  construyendo   algunas   antenas loop magnéticas en casa. La comprobación empírica de la eficacia es siempre muy gratificante. Aún con un trasmisor de tan baja potencia como unos modestos 5 Watts, se puede obtener grandes logros con esta antena. Y por último, lo que buscamos y queremos obtener de una antena de HF, son comunicaciones confiables todo el tiempo cuando una banda está abierta para  los  DX,  simplemente  irradiar  eficientemente  el  máximo  de  la  potencia  de  RF entregada a la antena, en una dirección que sirva y en un ángulo de radiación adecuado. Esta muy poco apreciada antena loop magnética cumple muy bien con este criterio.

Una antena loop magnética bien diseñada y bien construida cumple con el dicho popular que dice que un galón de rendimiento se puede obtener de una botella de una pinta, o algo así.. 


Teoría:

Ahora quisiera agregar un poco de teoría, no es necesario saber cómo se resuelven las ecuaciones de James Clerk Maxwell que vivió en el siglo 19, que juntó todo el conocimiento que había hasta entonces a cerca del electromagnetismo y lo modeló matemáticamente en cuatro ecuaciones brillantes. Ahora veremos un poquito de eso.

Ustedes encontrarán aquí un resumen de las reglas físicas que definen el rendimiento de las antenas loop con núcleo de aire y núcleo de ferrita. Estas últimas son las que se usan en los receptores de radio modernos.

Para quienes son totalmente adversos a las matemáticas, encontrarán un comentario en sólo palabras que resumen las definiciones y conclusiones principales.

Principios de la antena loop:

El propósito de cualquier antena es convertir una onda electromagnética en un voltaje. Como ya hemos visto, la antena loop magnética es un devanado de cobre de una espira alrededor de un núcleo de aire o de ferrita.
Cabe agregar que una antena loop es sensible al campo magnético de una onda electromagnética y no a su campo eléctrico. La ley de Faraday de la inducción electromagnética establece que se induce una Fuerza Electromotriz (FEM) en una bobina al hacer variar un campo magnético dentro o en la vecindad de ella. La FEM inducida es directamente proporcional al tiempo promedio de la variación del flujo magnético a través de la bobina, esta relación se expresa así:


 (1) 

donde  he es la fuerza electro motriz expresada en volts.


Esta ecuación es válida solamente para antenas que son eléctricamente cortas respecto al largo de onda que operamos. Entonces definamos algo más:


•     como el vector de inducción magnética y u es el vector unidad.

•    el vector normal o que incide en 90º a la marco de superficie, n es el vector unidad.


       donde theta es el ángulo


        entre  las  líneas del campo
magnético y el marco de superficie normal.




El flujo magnético es una medida de la cantidad de magnetismo que pasa a través de la antena que se aplica a una inducción magnética dada: 

(2) 

Para un campo magnético sinusoidal, que se aplica sobre una superficie uniforme que llamaremos S, la amplitud B(t) que se proyecta en n es:


(3) 


(4)




Continuará…. este tema...


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Esta es información que reuní en un solo documento, fue escrita separadamente por radioaficionados, ingenieros eléctricos, físicos y hasta una “paper” hecho por un premio NOBEL. Todos ellos interesados en el campo de las antenas y en particular, en la antena loop magnética. CE3YU Alberto.





Antena loop magnética para HF, poco conocida y menos apreciada.




CE3YU Alberto