Estas líneas son las más eficientes pero son mucho más difíciles de instalar y solamente resultan prácticas para instalaciones permanentes de emisoras de TV o FM. En esencia consisten en dos tubos de cobre concéntricos, en el interior de los cuales se mantiene aire seco o nitrógeno a baja presión.

Quizá nos preguntaremos por qué no se hace el vacío en él; tiene el inconveniente de que la más pequeña fuga daría entrada al aire húmedo, provocando la pérdida de características del cable. Por el contrario, una fuga teniendo un gas a presión en su interior sólo origina una pérdida en el mismo, manteniendo las características del cable sin ningún otro problema.

En todos estos cables hay que mantener la excentricidad y los diámetros dentro de unas tolerancias mínimas, ya que se producirían fácilmente reflexiones, más apreciables en las bandas de VHF y UHF. Por esta razón, la impedancia característica de los cables con dieléctrico sólido está determinada más exactamente que la de los cables con dieléctrico de aire cuyos separadores o su instalación pueden provocar discontinuidades.

Para la conexión de los cables coaxiales existe en el mercado una amplia gama de accesorios y conectores que conservan la impedancia y presentan pocas pérdidas de inserción.

Los cables coaxiales se han estandarizado en dos grandes grupos, según sea su impedancia característica: de 50W y de 70W .

Normalmente se fabrican de 52 y 75 W , aunque en Europa se está normalizando el cable coaxial de bajas pérdidas con una impedancia de 60W .

La fórmula que permite calcular la impedancia de una línea coaxial con aislamiento de aire es:

El factor de velocidad en el caso de líneas coaxiales con dieléctrico gaseoso es aproximadamente 1; en los cables de dieléctrico sólido va de 0.65 a 0.80. Normalmente los fabricantes lo especifican para cada tipo de cable, lo que permite expresar una línea que tenga una longitud física determinada en longitudes de onda.

La fórmula que permite calcular la longitud eléctrica en el espacio libre con factor de velocidad L es:

En el diseño de las antenas se busca siempre la mayor efectividad, es decir, que radien el mayor porcentaje de energía que llegue a ella, o que capten la mayor energía posible para unas frecuencias determinadas. Para ello tienen que cumplir una serie de requisitos, como son dimensiones, impedancia, etc. Las características de una antena son las mismas tanto si se usa para transmitir como para recibir, por lo cual se puede decir que toda buena antena en transmisión también será una buena antena en recepción.

Alrededor de una antena transmisora podemos medir la intensidad de campo producida por la onda electromagnética radiada; uniendo todos los puntos de igual intensidad, trazamos una curva que corresponderá al lóbulo de radiación de la antena; si las medidas se han tomado en el plano horizontal, la curva que obtenemos nos da el lóbulo de radiación horizontal y si están tomadas en el plano vertical tendremos el lóbulo de radiación vertical.

Las antenas se pueden clasificar según su directividad en el plano horizontal; si el lóbulo de radiación es parecido a una circunferencia con centro en la antena es omnidireccional;

si la radiación es en dos direcciones opuestas, la antena es bidireccional;

y cuando el lóbulo de radiación está en una sola dirección, la antena es direccional.

Se llama radiador isotrópico a una antena imaginaria que radiase igual energía exactamente en todas las direcciones; esta antena estaría en el centro de una esfera en la que todos los puntos de su superficie recibirían la misma cantidad de energía. El radiador isotrópico solo existe teóricamente, ya que un punto situado en el centro de la esfera no puede ser una antena, puesto que ésta exige unas dimensiones físicas de acuerdo con la frecuencia de trabajo y por lo tanto tendrá una mayor radiación hacia unos puntos que hacia otros.

La ganancia de una antena es la relación o cociente entre la potencia entregada a la antena y la que tendríamos que entregar al radiador isotrópico para obtener la misma intensidad de campo en un punto común a los dos lóbulos (situados en la dirección del lóbulo principal de la antena). La ganancia de una antena se expresa en dB.

Para que una antena de un buen rendimiento, tiene que resonar a la frecuencia de trabajo y tener cancelada la componente reactiva. Cuando ésto se realiza, para una misma potencia entregada circulará corriente mayor.

La resonancia de una antena se logra si a lo largo de ella se establecen vientres y nodos de intensidad y en función del número de semiondas que pueda contener.

Tratándose de una antena vertical conectada a tierra por un extremo, la longitud más corta en que se obtiene la resonancia es un cuarto de onda; la distribución de las ondas estacionarias en este tipo de antena no admite más que un nodo de corriente en su extremo y un nodo de tensión a la altura de la toma de tierra. Por lo tanto una antena vertical con toma de tierra resonará cuando tenga una longitud de un cuarto de onda o un múltiplo impar de ella.
 

La longitud eléctrica de una onda de radiofrecuencia está relacionada con la velocidad de propagación de las ondas en el espacio y con su frecuencia: donde L es en metros y F en Hz.
 

La impedancia de una antena es la relación que existe en un punto de la antena entre la tensión y la intensidad; si alimentamos a una antena con la frecuencia que corresponde a su resonancia, la impedancia coincide con la resistencia de radiación. En el punto de alimentación tendremos un máximo de corriente creado por la potencia entregada, la cual será disipada por la antena. Conociendo la potencia suministrada a la antena y la corriente de la misma en el punto de alimentación, la fórmula de Joule:

permite hallar el valor de la resistencia o la impedancia de la antena. Este dato es válido cuando la antena está alimentada en un punto de máxima intensidad, de tal manera que cuando nos alejamos de él, la impedancia crece llegando a varios miles de ohmios en los extremos de la antena en donde tenemos los mínimos de intensidad.

Cuando la antena es alimentada cerca de un máximo de intensidad, la impedancia baja, diciéndose entonces que está alimentada en corriente. Hay casos en los que la antena está alimentada en un punto de mínima corriente, o sea, un máximo de tensión; entonces su impedancia es alta y se dice que está alimentada en tensión. La relación longitud/diámetro de la antena tiene influencia en su impedancia.

La gama de frecuencias en que puede funcionar una antena sin sobrepasar el límite prefijado de ondas estacionarias en la línea de alimentación, es denominada anchura de banda.

La impedancia del punto de alimentación de una antena construida con elementos gruesos, varía menos que en una de elementos delgados, lo que indica que una antena con un Q bajo permite mayor anchura de banda que con un Q alto, la cual solo podrá ser utilizada en un margen muy estrecho de frecuencias. La ganancia y la impedancia limitan normalmente el margen de funcionamiento en la región de frecuencias de HF, mientras que el cambio de características limita el margen de las de VHF.

La dirección de la componente eléctrica de la onda electromagnética radiada por una antena determina la polarización de la misma; para antenas rectilíneas esta polarización coincide con la posición de la antena horizontal o vertical con respecto al suelo.

El ángulo de radiación de una antena es el que forma el eje de su lóbulo de radiación principal con el horizonte. Este ángulo se mide en el plano vertical y viene determinado por el diagrama de radiación de la antena, por la altura de la antena respecto al suelo y por la naturaleza del mismo; tiene gran importancia para lograr mayores distancias de salto en un circuito. Si se trata de antenas de HF situadas cerca del suelo en relación con la longitud de onda, el suelo afectará al ángulo de radiación, ya que parte de la energía radiada por la antena es reflejada por el suelo y devuelta al espacio.

Si el suelo es buen conductor, se forma una antena imagen y de ella parte otra onda; el total del campo radiado es la resultante de la componente de la onda radiada por la antena y la componente de la onda radiada por la antena imagen. Dado que la onda reflejada por el suelo ha recorrido un espacio más largo que la directa, puede darse el caso en que las ondas directa y reflejada lleguen a un punto en fase y se sumen, o que lleguen desfasadas y se resten, dando una menor intensidad de campo; este efecto es diferente según sea la polarización de la antena, ya que en la antena imagen hay una inversión de las cargas eléctricas y las ondas polarizadas horizontalmente sufren un desfase de 180⁰, mientras que las polarizadas verticalmente no sufren variación.

La antena dipolo o antena de media onda, es una de las más simples de construir. Está formada por un solo hilo de longitud aproximada a media longitud de onda; a partir de esta antena se han creado otras antenas más complejas.

La resistencia de radiación de una antena dipolo en el espacio es de 73W , siempre que la radiación de su longitud física y el diámetro del conductor con que esté realizada sea muy grande. Se puede considerar que su resistencia puede variar entre 50 y 73W para casos prácticos, dependiendo de varias circunstancias como son su construcción física (aisladores, conductor) y su instalación (situación respecto al suelo).

La resistencia de radiación o impedancia depende en una muy pequeña parte del conductor empleado; si utilizamos un conductor de gran diámetro, la capacidad de la antena aumenta, mientras que a la vez disminuye la inductancia. La mayor relación inductancia/capacidad hace que la antena tenga un Q más alto y su ancho de banda quede limitado a unos pocos kilohercios y viceversa.

Para frecuencias de hasta 30 MHz el cálculo de la longitud de una antena dipolo es muy exacto empleando la formula:

Un ejemplo práctico de cálculo lo podemos ver en el diseño de una antena dipolo para la frecuencia de 14.250 MHz; dicha antena tendrá una longitud de 142.5 dividido por 14.250 lo que nos da como resultado 10 metros. La longitud total de la antena hay que medirla de extremo a extremo de los conductores o sea midiendo la longitud de los dos hilos conductores más la del aislador de espaciamiento central.

El lóbulo de radiación del dipolo no es uniforme, por lo que la máxima radiación se realiza según la perpendicular al punto medio, decreciendo hacia sus extremos, para ser nula a lo largo de la dirección del mismo.

Para alimentar una antena dipolo tenemos diversos sistemas. Cuando alimentemos en potencia, la corriente será máxima en el centro y va decreciendo hasta anularse en los extremos. La tensión será máxima en los extremos y nula en el centro, en donde la impedancia o resistencia de radiación es aproximadamente 70W , por lo que lo más sencillo es alimentar la antena con una línea de 75W ya sea abierta o coaxial. Si usáramos línea coaxial, tendríamos que intercalar un medio (balun) para lograr la simetría, ya que si no lo instalamos pasamos de una línea desequilibrada a una antena equilibrada, produciendo una desviación en el lóbulo de radiación, así como la circulación de corrientes por la malla del coaxial.

Todo lo dicho anteriormente es referente a una antena dipolo hecha con hilo de cobre de 1 a 2 mm de diámetro, aislando las puntas y el centro por medio de aisladores.

El dipolo descrito anteriormente sólo funciona correctamente para un margen de frecuencias muy pequeño, de tal manera que el radioaficionado sólo los puede utilizar para una banda, necesitando uno para cada una de las bandas en que se desee transmitir. La propiedad de resonancia del dipolo nos permite alimentar con la misma bajada a varios dipolos resonantes a diferentes frecuencias.

 calculados con la clásica formula:

Es conveniente instalar un sistema o balun de relación 1 a 1 para pasar de la simetría de la antena a la asimetría de la línea coaxial; esta antena puede instalarse entre dos puntos o postes, entre los que se colocarán los diferentes dipolos ordenados de mayor a menor longitud, con sus centros unidos a la bajada coaxial.

Al trabajar con esta antena existe el problema de la radiación de armónicos, detalle que puede solucionarse utilizando un acoplador de antena coaxial a coaxial, instalado cerca del transmisor para obtener la mejor relación de ondas estacionarias. Al colocar los dipolos en paralelo y conectarlos en un punto con la bajada, no todos tienen la misma impedancia, sino que difieren algo de 75W ; para compensar estas diferencias podemos utilizar en el montaje el siguiente sistema:

Para lograr la resonancia en varias frecuencias, otros tipos de antena utilizan el sistema de trampas sintonizadas en paralelo e instaladas simétricamente del centro, a lo largo de cada ramal; a la frecuencia de resonancia la trampa actúa como un aislador, desconectando la parte de la antena exterior a ella. En las frecuencias más bajas que la de resonancia actúan como cargas; ésto es, alargando la antena, se permite acortar el dipolo para la frecuencia más baja.

Una antena adecuada para trabajar en todas las bandas de HF es la que se muestra en la siguiente figura, en ella las trampas resuenan a 7.1 MHz, y están construidas con una bobina de 10 espiras de hilo de cobre de 2 mm de diámetro arrollado sobre una forma de 63 mm de diámetro con una longitud de 43 mm. En paralelo se dispone un condensador de 50 pF con aislamiento para tensiones de 5,000 a 10,000 voltios, lo que le permite trabajar a 500 0 100 vatios de potencia.

Otro tipo de antena es la antena V invertida a la que se le puede considerar como una antena dipolo, alimentada y elevada del terreno en el centro, con los extremos mas bajos.

En antenas verticales para lograr un ángulo de radiación bajo se emplea mucho la antena vertical llamada Marconi, de un cuarto de onda de longitud. Esta antena se debe instalar en lugares despejados, libre de objetos metálicos y con una buena tierra; en algunos casos se obtienen resultados satisfactorios con una conexión corta al sistema de tuberías de agua, pero siempre es aconsejable una buena toma de tierra independiente y de unos pocos Ohms de resistencia.

Normalmente esta antena está aislada en su totalidad del suelo; en los casos más corrientes de alimentación, su resistencia de radiación es la mitad de la del dipolo, o sea, unos 37W . Al igual que con los dipolos, se pueden construir con conductores múltiples y obtener un aumento de la impedancia; por ejemplo, con dos conductores cortocircuitados por el extremo opuesto al suelo, uno de ellos conectado a él. Entre el extremo del otro conductor y tierra tendremos 150W . Si este mismo cuarto de onda se construye con tres conductores igualmente cortocircuitados por el extremo alejado a tierra y por el extremo próximo a tierra se conectan dos a ella, entre el otro extremo y tierra se tendrán 300W , para así poder alimentar la antena con línea de este valor.

Utilizando métodos de adaptación semejantes a los que se emplean en los dipolos, es posible obtener el cuarto de onda unifilar conectado a tierra, y empleando la adaptación gamma conectarla a una línea coaxial de 75W ; al tratarse de antenas no balanceadas cuando se emplean líneas de alimentación coaxiales no se precisan balun paso equilibrado o desequilibrado como en el caso de los dipolos.

Muchas veces, el mayor problema que pueden presentar este tipo de antenas consiste en lograr una buena tierra; por eso se ha desarrollado una variante, consistente en un plano de tierra artificial, empleando como mínimo cuatro conductores, dispuestos en forma de radiales horizontales en la base del cuarto de onda vertical.

Estos radiales tienen la misma longitud que la de la antena, y además de no necesitar toma de tierra, otra importante ventaja de esta antena consiste en que radiará en un ángulo vertical muy bajo independientemente de su altura sobre el suelo, lo que la hace muy apta para el DX.

Su lóbulo de radiación horizontal en omnidireccional, al igual que en las que tienen toma de tierra.

Para alimentarla con una línea de 50W se puede inclinar el plano de tierra unos 45⁰ de la horizontal, logrando un aumento de la resistencia de radiación en la antena y una adaptación correcta.

En esta antena también podemos colocar trampas para que con unas longitudes determinadas la podamos hacer resonar a diversas frecuencias.

Enrollando la media onda del conductor, es posible que la antena quede algo corta; entonces se puede alargar añadiendo un inductor con tomas en serie con ellas, en la base o mediante una varilla en la punta. Esta antena es de banda estrecha y por lo tanto sensible a la frecuencia. Para acortar las antenas verticales de cuarto de onda también se pueden instalar bobinas de carga en su extremo inferior o en el medio; ésto ocasiona una baja resistencia de radiación y una alta reactancia, lo que obliga a utilizar redes de alto Q, para compensar la reactancia y transformar la resistencia a valores practicables. Por eso este tipo de antenas, solamente son utilizables en un margen de funcionamiento muy pequeño, alrededor de la frecuencia de diseño, empleándose en equipos móviles y en donde no es posible instalar otro tipo de antena.

A partir de la antena dipolo de media onda es posible lograr antenas que radien o reciban las ondas electromagnéticas en un haz estrecho, lo que permite concentrar en un punto toda la energía, logrando de esta manera que la intensidad de campo en un punto sea mucho mayor que la que se obtendría con otra antena de la misma potencia.

Situando un elemento de media longitud de onda a una distancia de cuarto de onda de un dipolo excitado, la onda radiada por el dipolo llega a este elemento desfasada en un tiempo igual al cuarto de período de la onda, produciendo en él una corriente inducida; esta corriente tiene un sentido tal, que el campo producido se opone al campo inductor, produciéndose un desfase de un semiperíodo. De nuevo este campo, al volver al dipolo, se desfasa un cuarto de período; si sumamos todos los desfases, vemos que la onda vuelve al dipolo en fase con la onda que circula por él, sumándosele.

El elemento añadido necesita una cierta energía para vibrar, energía que toma de la radiada por el dipolo, recibiendo por este motivo el nombre de elemento parásito. En el caso de que tenga mayor longitud que el dipolo excitado, se comporta como reflector y en el caso de que sea más corto actúa como director. En una antena de este tipo llamamos dipolo al elemento que está conectado a una línea de transmisión.

La longitud del dipolo y demás elementos está determinada por la fórmula normal de cálculo del dipolo. La modificación del elemento parásito provoca, si se alarga, una reactancia inductiva y si se acorta, una reactancia capacitiva. Al modificar su longitud respecto al dipolo, provoca una variación en el desfase de la onda, permitiendo reducir la separación entre dipolo y elemento. Si la medida del elemento parásito es la misma que el dipolo y existe una separación entre ellos de 0.15 longitudes de onda, la antena da dos ganancias iguales, una hacia delante y la otra hacia atrás. Para una distancia mayor, el elemento parásito se comporta como reflector y para menos de 0.15 longitudes de onda como director.

Un dipolo en presencia de elementos parásitos tiende a disminuir su resistencia cuando las distancias son cortas. Para un elemento director de 0.1 longitudes de onda, la impedancia del dipolo queda reducida a 15W , aumentando a medida que se separan; cuando las separaciones superan la longitud de onda, la impedancia del dipolo aumenta.

La antena más simple con elementos parásitos o antena Yagi, es la formada por el dipolo y un elemento pasivo. Cuando éste tiene la misma longitud que el elemento dipolo acabamos de ver su comportamiento, pero si la longitud del elemento pasivo aumenta en un 5 % o queda más distanciado, pasa a actuar como reflector, disminuyendo el lóbulo de radiación trasero para reforzar el delantero y obtener una ganancia en esta dirección de 6 dB aproximadamente.

Si disminuimos la longitud primitiva del elemento pasivo en un 5 %, actuará como director teniendo el mismo lóbulo de radiación que en el caso anterior.

Normalmente para el cálculo de estos elementos de antena podemos partir de las siguientes formulas:

Al estar el elemento pasivo cerca del dipolo, se produce sobre él una sintonía hacia la frecuencia más alta de la calculada, por lo que se tendrá que alargar.

La ganancia máxima se obtiene cuando el elemento pasivo actúa como director y está a 0.15 longitudes de onda del dipolo. En algunos casos, en vez de la máxima radiación hacia delante, lo que interesa es aprovechar las propiedades de estas antenas y tener otro máximo que afecte a la relación delante – detrás.

Para evitar las interferencias que puedan aparecer detrás de la antena, interesa que el lóbulo posterior sea lo más pequeño posible, cosa que se logra variando la separación del reflector o director del dipolo, o bien aumentando o disminuyendo la longitud del reflector o director.

La anchura de banda de la antena aumenta cuando el Q de la misma disminuye, lo cual se obtiene haciendo los elementos lo suficientemente gruesos; para las bandas de HF una relación longitud / diámetro de 300 a 400 da suficiente anchura de banda para poder trabajar los kilohercios que hay en estas bandas; también la separación entre elementos afecta al Q de la antena, y por tanto a su anchura de banda.

Si le añadimos un tercer elemento, tendremos una antena Yagi de tres elementos compuesta por reflector, dipolo y director. Lo dicho para la situación de los elementos parásitos de la antena anterior, sirve para esta antena; la impedancia del dipolo baja la mitad de la que tenía para la de dos elementos, llegando a 10W para separaciones de 0.13 a 0.2 longitudes de onda para el reflector y de 0.1 para el director. Estas medidas son para el caso de máxima ganancia, menor impedancia y mínima anchura de banda. Una separación del reflector a 0.25 longitudes de onda da una mayor anchura de banda y mayor impedancia.

Las longitudes de los elementos para separaciones de 0.15 longitudes de onda entre ellos se calculan de la siguiente manera:

Esta antena tendrá una ganancia de 7.5 dB y una impedancia de 10W . Reduciendo la longitud del director y poniendo los elementos a una separación de 0.25 y 0.25 longitudes de onda, se logra una ganancia de 8.5 dB y una impedancia aproximada de 35W .

Se puede obtener una ganancia de entre 9 y 10 dB añadiendo un nuevo director a la antena de tres elementos; la longitud de este director será de 130 a 135 dividido por la frecuencia en MHz. Con la adición de este nuevo director la impedancia queda reducida, pero se podrá aumentar algo la separación para que no influya tanto. Si a esta antena de cuatro elementos se le añade otro director, la ganancia aumentara aproximadamente otro decibel, y así sucesivamente hasta cierto limite, a partir del cual la adición de nuevos elementos casi no influye en la ganancia.

Cabe hacer mención que a causa de la dependencia mutua de las variables que entran en las características de la construcción de estas antenas, los datos se obtienen por experimentación, siendo diferentes según la fuente de información.

Hemos explicado los tipos de antenas más usuales, existen algunos más como: la antena dipolo plegado, que es alimentada con línea abierta; las antenas de hilo largo, que tienen una distribución de la corriente y tensión a lo largo de un conductor; la antena rómbica, esta antena sin terminación por su forma de rombo radia en las dos direcciones del eje mayor; la antena cúbica, que es de forma cuadrada y de un cuarto de onda por lado; antenas de polarización circular, que básicamente son utilizadas para VHF y UHF con un uso casi solo para rebote lunar y satelital.

A continuación mostramos varias marcas de antenas comerciales:
 

• Alpha Delta
• Butternut
• Create
• Comet
• Cushcraft
• Diamond
• Force 12
• Hustler
• Hy Gain
• KLM
• Larsen
• M2
• Premier
• Valor
• Van Gorden