Técnica y bricolaje » La antena Avanti Astroplane, a fondo

Basado en un artículo original de Francisco González, TI5LX, y reproducido en parte aquí con su autorización (gracias, Francisco)

La antena Avanti Astroplane fue inventada por Louis J. Martino y Herbert R. Blaese al final de la década de los sesenta y patentada en 1971 bajo la inscripción número 3587109.

El aquella época la CB estaba muy de moda, los operadores empleaban equipos de 23 canales y se les imponía la limitación de que la antena no podía exceder 6 metros sobre la altura máxima de la construcción que existiera en la propiedad. Esta limitación fué el talón de Aquiles empleado por la Avanti en perjuicio de las antenas verticales de 1/4 y 5/8 de longitud de onda, usualmente alimentadas en la base. La razón era muy simple, la antena Avanti emite desde su parte superior, las otras antenas citadas lo hacen desde la base. Esto tenía como resultado que estando la Avanti y las otras verticales a la máxima altura permitida de 6 metros, la Avanti tenía más cobertura por irradiar desde una altura mayor.
La Avanti consiste, tal como lo muestra la figura 1 izquierda, en tres secciones de 1/4 de longitud de onda. A 27 MHz la longitud de onda es de 11 metros, de manera que 3 cuartos de onda requieren 8.27 metros y esto supera los 6 metros de altura máxima permitida.

La solución que el Martino encontró fue recortar la longitud física del elemento superior a 1/8 de onda, así la antena tendría dos secciones inferiores de 1/4 de onda y una superior de 1/8, como se muestra en la figura 1 derecha, alcanzando una altura de 6.82 metros, que considerando los acortamientos debidos a la forma de la antena y el tipo de material empleado, perfectamente cumplía la norma de 6 metros de altura máximo.
Para acortar la antena Martino empleó un sistema bien conocido, denominado carga superior, véanse figuras 2 y 3. La carga superior permitía alargar eléctricamente el elemento superior de 1/8 de onda a 1/4 de onda. Esto significa que aunque físicamente este elemento mide 1/8 de onda, la carga superior forma un espejo en el que se proyecta y desde el punto de vista eléctrico, el elemento es más largo. ¿Cuánto más largo? depende de las dimensiones de la carga superior. Si los elementos de esa carga en forma de cruz se construyen de 1/8 de onda, entonces el elemento de 1/8 se proyectará en la misma proporción alcanzando una longitud eléctrica de 1/4 de onda. Véase figura 4.

La figura 4 muestra dos antenas Avanti para 2 metros. A la izquierda una antena simple sin carga superior, a la derecha se ha colocado un espejo, para mostrar mediante esta analogía, cómo la longitud del tubo superior se alarga. Este es aproximadamente el efecto que tiene la cruz (carga superior) de la antena Avanti Astroplane para efectos de las ondas de radio, forman un espejo que alarga la parte superior.

La antena patentada en 1971 se muestra en la figura 5, consiste en un elemento superior de 1/8 de longitud de onda, al final del cual se coloca una carga en forma de cruz, conformada por 4 elementos de 1/16 de longitud de onda.
La parte media de la antena consiste en dos elementos de 1/4 de onda que se separan progresivamente conforme disminuye la altura hasta unirse en un aro de 1/16 de longitud de onda de diámetro.
El elemento superior de 1/8 de onda se une a uno de los elementos medios de 1/4 de onda.
Adicionalmente un mástil de soporte, que forma parte de la antena, debe colocarse en el punto de alimentación, unido al punto de unión entre el elemento superior y la sección media. Es en este punto que se conecta el shield (malla) del coaxial que alimenta la potencia a la antena. El centro del coaxial se conecta al extremo medio que no se conecta al elemento superior.

Las dimensiones de la antena que se comercializó se muestran en la figura 6.

La respuesta de frecuencia con las medidas optimizadas se muestra en la figura 8.

Se evidencia una respuesta centrada en 27.5 MHz con un ancho de banda a VSWR de 1.5 de 1 MHz. Con un VSWR de 2 el ancho de banda es de aproximadamente 1.5 MHz.
El manual del propietario reza que la antena tiene cobertura total en los 40 canales de la CB y así también nuestra Avanti Astroplane optmizada a 1VSWR de 1.5, cubre de 26.8 a 27.9 MHz.

¿Se puede cambiar el ancho de banda?
La respuesta es SÍ.
Se puede cambiar el ancho de banda de la Avanti Astroplane. La antena Avanti Astroplane responderá en un rango de frecuencias mayor en la proporción en que se alarge el elemento que sostiene la cruz, al cual le llamo yo elemento superior.
Si el elemento superior se hace más grande, entonces para mantener la antena en resonancia, debe hacerse la cruz más pequeña.

Y es aquí donde me permito otra simplificación, si se suprime la cruz, por la elongación del elemento superior hasta alcanzar 1/4 de onda, entonces tenemos una antena J de 1/2 onda con un elemento circular en la base.

Cómo ajustar la Avanti Astroplane
Hemos observado que ajustando el tamaño de la cruz se ajusta la frecuencia de resonancia, como era de esperar.
Algunos colegas nos han planteado, aunque no lo probamos, que esto también se puede lograr haciendo telescópico el elemento superior para poder cambiar su tamaño y por consiguiente su frecuencia de resonancia sin cambiar el tamaño de la cruz.
Además, al ajustar la frecuencia de resonancia mediante el procedimiento señalado también cambia la impedancia, por lo que debe completarse el ajuste abriendo o cerrando los elementos de la sección media. Esto se logra muy fácilmente si se corre el separador aislante de la sección media hacia arriba o hacia abajo. Véase figura 6, en ella el elemento aislante se denomina “fiberglass rod”.
Es necesario aclarar algo más, hay dos parámetros con los que vas a lidiar si decides construir esta antena, uno es la impedancia y el otro es la resonancia.
Una antena es resonante cuando sus dimensiones se relacionan con múltiplos o submúltiplos de una longitud de onda. Cuando esto ocurre, la antena es capaz de captar más señales que cuando su tamaño es tal que no está en resonancia.
Las antenas entonces funcionan más eficientemente en la medida que su tamaño se relacione con la longitud de onda, ya sea por múltiplos o submúltiplos.
Ahora bien, la Avanti y en general cualquier antena, puede estar en resonancia, pero su impedancia ser incorrecta. Si esto ocurre verás que la antena responde bien en un rango de frecuencias, incluso tenderá a bajar las estacionarias en la frecuencia de resonancia, pero no bajarán lo suficiente. Este es el caso de colegas que se topan con casos en los que la antena no pude bajar de por ejemplo 2.0 VSWR.
En el caso de la antena Avanti, si ajustando la longitud de los elementos de la cruz o el elemento superior, logras un “dip” (un mínimo) de estacionarias alrededor de la frecuencia central del rango que deseas cubrir, entonces trata de ajustar la separación de los dos elementos medios, ajustando hacia arriba o hacia abajo el elemento separador aislante, esto afectará la impedancia y también la frecuencia de resonancia, pero entonces puedes volver al ajuste de la cruz o el elemento superior para recuperar la frecuencia deseada.

Los patrones de irradiación
La figura 9 muestra el patrón de irradiación vertical de la antena Avanti Astroplane en el espacio libre. La figura 10 muestra el mismo gráfico, tal como fue presentado por el inventor al solicitar la patente.

La simulación muestra una ganancia máxima de 1.53 dBi en la dirección de 10 grados sobre el horizonte (80 grados en el gráfico de la figura 9) en el espacio libe.

La figura 11 muestra el patrón vertical en presencia de una tierra real, nótese el ángulo de máxima irradiación a 0 grados sobre la horizontal y una ganancia de 7.12 dBi.
Conforme al “manual del propietario” de esta antena, el modelo AV101, indica que tiene una ganancia de 4.46 dBi. Pero hay que recordar que dBi significa ganancia respecto a un irradiador isotrópico, que es una antena inexistente (teórica) que se emplea para determinar matemáticamente la ganancia de las antenas.
Una antena dipolo de media onda tiene 2.15 dBi, lo que se conoce como 0 dBd. Así que una antena Avanti Astroplane tiene 4.46 – 2.15 = 2,31 dBd. O lo que es lo mismo, la Avanti Astroplane tiene una ganancia real conforme al fabricante de 2.31 dB sobre un dipolo.

Pero la figura 11 muestra una ganancia resultado de la simulación digital de 7.12 dBi, es de cir una ganancia de 7.12-2.15 = 4.97 dBd. Lo cual coincide con la propuesta del fabricante.

La alimentación de potencia (conectándole el cable coaxial a la antena)
En el diseño que patentó Martino (véase la patente en la referencia) se alimenta la potencia en el elemento corto., véase figura 12.

Como se observa en la figura 12, se instalan dos láminas metálicas que al atornillarse una a la otra, abrazan los tubos de la antena. Tal como se muestra en la figura 13 una abrazadera de latón (de color naranja en la figura) se suelda en el centro del conector PL. Esta abrazadera tiene forma de C, es decir es un cilindro que tiene una ranura en un lado, así, cuando los tacos de hule que son presionados por las láminas de metal presionan esta abrazadera de latón, se une fuertemente al tubo corto de aluminio.

La impedancia de entrada
La antena Avanti Astroplane tiene una impedancia de entrada del orden de 60 ohmios.

La avanti “¿una antena sorda?”
Como he planteado arriba, la avanti tiene dos modos de operación, uno en el cual la impedancia de la antena en el punto de alimentación es cercano a 50 ohmios (lo cual se puede lograr abriendo o cerrando los elementos medios de la antena “el vestido de la bailarina”), es decir en el cual la VSWR es baja; y el otro, en el cual la antena está o no en resonancia (que se logra con el tamaño de la cruz o “carga superior”)
La avanti no necesariamente está en resonancia porque tenga baja VSWR !!, ésta y cualqueir antena está en resonancia cuando sus dimensiones están relacionadas con múltiplos o submúltiplos de la longitud de onda, solo en esas condiciones se produce la máxima transferencia de potencia de las ondas que atraviesan la antena hasta el receptor.
Dicho de otra manera, nuestra tésis consiste en que una antena es más eficiente, o sea “oye más”, en la medida en que se encuentre en resonancia. Es decir repito, en la medida en que sus dimensiones se relacionen con un múltiplo o submúltiplo de una longitud de onda. Y recuérdese que la longitud de onda en el aluminio o en el cobre no es la misma que en el aire, por algo que se denomina factor de velocidad, es decir porque la onda viaja más lento en otros materiales, en relación a su velocidad en el aire. Pero además recuérdese que en todos los elementos que terminan en punta se manifiesta un fenómeno de acortamiento para las ondas de radio en relación con la longitud de onda, que se conoce como efecto de punta.
Así que 300 dividido por la frecuencia en MHz es una longitud de onda en el aire, pero no necesariamente en un tubo de aluminio o un alambre de cobre.
Además, algunos colegas no toman en cuenta que el diámetro de los elementos tiene una relación directa con el resultado final, porque las dimensiones físicas cambian en la antena, todo este análisis está referido a los diámetros propuestos por el inventor de la antena, los cuales se muestran en la figura 6. Por esta razón, una recomendación: Si usted fabrica una antena Avanti para otra frecuencia (que no sea la banda de 11 metros) tome en consideración trasladar los diámetros de los tubos en la proporción que guardan en el modelo mostrado en la figura 6 para la banda de 11 metros.
Hace algunos días bromeaba con Ti2MAB, Mario y T4VZ, Víctor en relación a que en la buena teoría, se podría transmitir empleando como antena la cama en que se reposa, “el catre metálico” como decimos los ticos, si se emplea un sistema adecuado de acople que transforme la impedancia del “catre” a 50 ohmios. Pero eso no significa que sería un sistema de transmisión eficiente. Pero cuidado!, tampoco podría plantearse que “los catres no funcionan como antenas porque son muy deficientes”, en realidad, aunque parezca jocoso, si se acopla adecuadamente y las medidas del mismo son resonantes, seguro que su eficiencia sería envidiable 🙂
Por esto, me parece injusto que algunos colegas, con muchas experiencia pero poco conocimiento, afirmen que la antena avanti es sorda.
Yo tengo que confesar que la antena Avanti que construí para probar el calculador de antenas avanti descrito arriba, me dió tan buenos resultados, que es la que regularmente empleo para mis comunicados en 2 metros, y no la considero NADA SORDA.

Un comentario final: ¿Es la Avanti Astroplane la mejor antena?
La respuesta es un rotundo no, la mejor antena no existe.
No existe porque el término “mejor” es muy subjetivo, lo que hace que usted considere en una antena como “la mejor”, no necesariamente es lo mismo que todos verían. Es decir el término tiene muchos significados. Uno que se interese en el dx puede buscar la mejor antena direccional, pero quizá otro consideraría la directividad como una desventaja porque se interesa en los comunidados locales, así que le atraería más una antena omnidierccional.
Aún dentro de un mismo tipo de antenas, omnidireccionales por ejemplo, podríamos difererir en qué características harían la mejor antena, si el ángulo de irradiación bajo o alto; la estructura completamente aterrizada; el tamaño; la capacidad de potencia, etc.
Cada antena tiene su mérito, solo es justo decir por ejemplo, en términos de alguna característica específica en comparación con otra antena si le favorece a tus intereses o no. Pero nunca generalice. Yo puedo plantear que la Avanti Astroplane, en la teoría tiene más ganancia que la Sirio 827. La Avanti tiene 2,31 dBd y la Sirio 827 apenas 1,5 dBd. Lo dicen los fabricantes en sus manuales de usuario. Pero una pequeña búsqueda en google también lo puede confirmar.
Además puedo afirmar que estando ambas antenas a la misma altura y en el mismo punto, la antena Avanti Astroplane es reportada con mayor señal en relación a la Sirio 827 ( 9 unidades la Avanti, 8 unidades la Sirio 827). Pero en términos de manejo de gran potencia como 2 o 3 KW, quizá la Sirio es superior.
Pero, para qué comprar por más 100 mil colones una antena de menor ganancia (La Sirio 827) si con menos de 20 mil se puede construir una Avanti Astroplane (de mayor ganancia) que no podrá quizá manejar 2 KW, pero que ni se da cuenta cuando opera a los 5 o 20 watts que tiene su equipo (Que es el límite legal por cierto).
Además considero que cuando se hace referencia a una antena, se debe aportar números, muchos estimables colegas emplean como único argumento en favor de algunas antenas, como la Sirio 827, el trillado argumento de “instále esta super antena y ya me contará”, claro, pero y ¿si no le convence? quién le devuelve a usted los más e 100 mil colones que pagó por la super antena?
No considero tampoco que porque una antena sea de fábrica es mejor que otra de tipo casera. Las antenas siguen principios mecánicos y eléctricos, que se pueden satisfacer tanto en las construcciones aficionadas como las profesionales en fábricas. No cáigas en el engaño de muchos comerciantes que solo quieren vender, después de todo ¿Qué es la radioafición sino experimentación?

Colaboraciones en la creación de este artículo
Mi agradecimiento a Ti5WLR, Wilberth y Ti2UNA, Gerardo por su ayuda y consejos en relación con esta antena.
Así también nuestro agradecimiento a Henry, “Renegado” de San Isidro de Grecia, Costa Rica, por la experimentación y las pruebas comparativas de la Avanti Astroplane de 2,31 dBd (descrita aquí) con la antena Sirio 827, donde se evidenció en la práctica, la superioridad en señal reportada que ya en la teoría ofrece la Avanti Astroplane sobre aquella antena de apenas 1.5 dBd.

Referencias:

• Google patents site.
• 26 alfa tango site UK
• Yi Huang / Kevin Boyle. Antennas from theory to practice. Editorial Willey. United Kindom 2008.
• The ARRL Antenna Book. 19th Edition. ARRL CT, USA. 2000.
• Laport Edmund. Ingeniería de Antenas. McGraw Hill. Buenos Aires, Argentina.1963.
• Modelador digital de antenas 4NEC2.

Artículo original, publicado en www.revistaqso.com

 Apéndice

Calculadora online para el diseños de una “Astroplane”.