Artículo publicado en la revista CQ Radio Amateur, abril de 2011. Por Salvador Doménech EA5DY -La Propagación y la altura de las antenas Durante la reciente edición del popular concurso ARRL International DX Contest SSB  celebrada el pasado mes de marzo pudimos observar unas excelentes aperturas en la banda de diez metros como no se habían observado desde hacía muchos años. Resulta muy interesante observar este tipo de  aperturas que escapan de las condiciones habituales del mes porque gracias a la enorme actividad y variedad de estaciones que participan es posible analizar la situación con muchas muestras de datos e identificar condiciones especiales de propagación gracias a la alta actividad en las bandas. La estación de concurso ED5T de la delegación de URE en Torrente comunicó durante las dos tardes del concurso con casi un millar de estaciones norteamericanas en diez metros. Desde la estación ED1R tuve ocasión de monitorizar los intensos amontonamientos en su frecuencia de llamada. La señal de ED5T era claramente audible por backscatter, pero sin embargo resultaba ciertamente chocante observar que desde Ávila, sede de ED1R, no  escuchábamos durante el sábado a prácticamente ningún corresponsal de ED5T en su pile-up de diez metros, tan solo algún ocasional indicativo norteamericano que llegaba como un suspiro. En ED5T las señales provenientes del otro lado del Atlántico eran, según nos cuentan, entre buenas y muy buenas. La estación ED1R no es precisamente modesta. Se trata ED1R de una excelente estación especializada en concursos situada en un entorno rural, sin absolutamente ninguna fuente de ruido en las proximidades y con cuatro torres con antenas monobanda en cada una de ellas. La antena de 10 metros consiste en una yagi  monobanda de cinco elementos a diez metros de altura. El entorno es completamente plano y despejado en todas direcciones, incluyendo el rumbo directo hacía NA. ¿qué está pasando para observar tan enormes diferencias entre las dos estaciones de concurso?. La respuesta hay que buscarla en las particulares condiciones de la apertura de los 10 metros en un entorno de tan baja actividad solar y en el enorme efecto que produce la altura de las antenas y el terreno circundante para capturar de manera eficiente determinadas condiciones de propagación limitadas a bajos ángulos de llegada de las señales El rango de ángulos de elevación con que pueden llegar las señales a la Tierra a través de un camino ionosférico es un parámetro estadístico muy cambiante a lo largo de todo el ciclo solar. La primeras medidas experimentales sobre los ángulos de elevación de las señales y su propagación se realizaron en 1934 por los Laboratorios Bell cuando, durante el mínimo del ciclo 17, analizaron el enlace de onda corta entre Nueva Jersey y Londres. Posteriormente este parámetro de los ángulos de elevación ha sido muy ampliamente estudiado en el desarrollo de sistemas avanzados de comunicaciones, radiodifusión y radares militares de onda corta.  La mayor parte de los resultados de estos estudios están incorporados en el modelo estadístico de la ionosfera del programa de predicción de propagación IONCAP. El programa IONCAP es un motor de cálculo de propagación desarrollado por diversas agencias del gobierno norteamericano y es la base del programa VOACAP con el que se realizan  las previsiones de propagación de esta revista.  La ARRL, utilizando como base a IONCAP, ha realizado una tabulación muy exhaustiva de los ángulos de elevación y su incidencia estadística desde distintas ubicaciones del mundo a varias regiones de los EEUU.  Estas tablas pueden encontrarse en formato electrónico en las últimas ediciones del ARRL Antenna Book. Los cálculos de estas tablas se han realizado para todos los meses del año y todos los niveles de actividad solar que se dan a lo largo de un ciclo solar. La figura 1 muestra en barras verticales el porcentaje estadístico de todas las aperturas  desde España peninsular hasta Nueva Inglaterra, en la costa este norteamericana. El eje vertical a la derecha del cuadro indica el porcentaje de casos en los que, dándose una apertura en diez metros, ésta contendrá principalmente, señales  con el ángulo de elevación indicado por cada barra vertical. Durante los periodos del ciclo solar de elevada actividad será frecuente que simultáneamente lleguen señales con muy diferentes ángulos de elevación . Cuando las capas F de la ionosfera cuentan con una densidad de ionización elevada, los ángulos de incidencia que producen suficiente refracción de las señales para que estas vuelvan de nuevo a la Tierra , pueden llegar a estar contenidos en un rango bastante amplio en un mismo momento dado. Sin embargo, para la banda de diez metros y para los circuitos entre EA y W, en los periodos de moderada o baja actividad solar, como en el que nos encontramos en este momento, tan solo se conseguirán refracciones en la capa F2 las señales con ángulos de elevación muy bajos y que por tanto incidan sobre la ionosfera con ángulos igualmente muy bajos. En condiciones normales y con la MUF bien establecida por encima de los 28 MHz (lo cual no era el caso) las condiciones estadísticamente más probables para un circuito entre EA y W2 en 10 metros es de tres saltos por capa F2 con un ángulo de salida de 5 a 10 grados y de cuatro saltos por capa F2 con un ángulo de salida de 16 a 20 grados. Cada vez que se añade un salto en el circuito de propagación se pueden añadir unas pérdidas que van de 15 a 35 dB, por lo que es muy probable que en este caso del concurso ARRL, estuviéramos en condiciones de propagación de tan solo dos saltos con ángulos de salida de uno ó dos grados y de tres saltos con ángulos de 5 ó 6 grados de elevación. Con los niveles de ionización bajos, la refracción de la señal en las capas altas de la ionosfera es menor , pudiendo llegar a ser insuficiente para que la señal retorne a la tierra. En algunos casos, la refracción es lo suficientemente baja para hacer que la señal viaje a lo largo de la propia capa F2, mediante un llamado salto cordal, pudiendo ser refractada más adelante en otra zona de ionización ligeramente más intensa y así poder volver de nuevo a la tierra. El camino cordal en condiciones de baja ionización puede prolongarse a lo largo de muchos cientos o incluso algunos miles de kilómetros y es responsable de excelentes DX en entornos en los que la banda parece cerrada. Para acceder a este modo de propagación suelen tener mucha mayor ventaja las estaciones con ángulos de radiación muy bajo. En la figura 1 se representa el diagrama de radiación en elevación de las antenas de las dos estaciones, ED5T en color rojo y ED1R en color azul. La antena de ED5T para 10 metros consiste en una tribanda con cinco elementos activos para esta banda, y situada sobre una torre de 18 metros de altura. La torre de ED5T se encuentra en lo alto de una suave colina de 130 metros de altura y completamente despejada en el rumbo hacia los EEUU con perfecta visión del horizonte a cero grados. La antena de diez metros en ED1R consiste en una long-yagi monobanda de cinco elementos situada, de manera aislada y sin interacciones ajenas, sobre una torre de una altura de una longitud de onda completa, es decir a diez metros de altura. El entorno circundante es completamente plano y despejado hacia los EEUU. En el espacio libre, la antena de ED1R tiene más de 2,5 dB de ganancia que la de ED5T. Sin embargo en la disposición en la que están ubicadas y sobre todo, por el efecto del suelo circundante, el rendimiento de ambas antenas es radicalmente distinto. En la figura 1 se observa que para ángulos de elevación muy bajos (hasta 2 grados), la antena de ED5T situada sobre la cima de una colina tiene entre 20  y 15 dB de mayor ganancia que la yagi de ED1R, a pesar de estar ésta última sobre un terreno completamente despejado. La antena de ED1R presenta su máxima ganancia en un ángulo de elevación de 16 grados, el cual tan sólo es adecuado para los casos de DX con W por cuatro saltos F2 (modo 4F2) que se dan con mayor frecuencia en las fases altas del ciclo solar y para cubrir las señales de un solo salto provenientes de Europa en cualquier momento del ciclo que suelen estar entre 10 y 25 grados de elevación. La antena de ED5T presenta uno de sus picos de máxima ganancia a tan solo un grado de elevación y lo mantiene con algunos altibajos sobre un amplio rango de ángulos de elevación. Únicamente es inferior a la monobanda de cinco elementos a diez metros de altura para los ángulos estadísticos de elevación superiores a diez grados, es decir los provenientes de modos de propagación F2 de cuatro saltos. El efecto del suelo circundante es el causante del diferente lóbulo de radiación vertical que una antena puede tener es situaciones reales. Las características de ganancia, F/B, anchura de lóbulo, etc que suelen presentar los fabricantes para el espacio libre quedan absolutamente transformadas por el efecto de las reflexiones de campo lejano en el entorno circundante. Para entender este fenómeno, consideremos el caso de un terreno circundante plano, como el mostrado en la figura 2. Las ondas emitidas por la antena sobre el campo lejano golpean el terreno y son reflejadas de manera similar a las ondas de luz sobre un espejo. Al igual que la luz, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de la onda reflejada. Las ondas reflejadas se combinan con las ondas directas que son lanzadas por encima del horizonte de diferentes formas. Las ondas reflejadas por el suelo que están en fase con la onda directa se sumarán a ésta reforzando las señales que salen en ese ángulo de elevación. Por otro lado, las ondas reflejadas en el suelo que presenten un desfase de 180º respecto a la onda directa , se restarán a ésta y la antena presentará un nulo de radiación en ese ángulo de elevación.  El efecto de la combinación para determinados ángulos de elevación de la señal directa y las sucesivas ondas reflejadas en el campo lejano del terreno circundante hace aumentar notablemente la ganancia de la antena con respecto a su patrón de ganancia en el espacio libre. El máximo teórico es de seis dB que solo se alcanzaría en el caso de un suelo perfectamente reflector. En la práctica podemos encontrar ganancias adicionales entre 4 a 5 dB gracias al efecto del suelo. Para un terreno completamente plano y una antena situada a una longitud de onda de altura, el máximo de ganancia, es decir el ángulo en el que se suman en fase las ondas directa y las sucesivas reflejadas de campo lejano y para polarización horizontal, se obtiene a unos 16º de elevación. Si elevamos la antena hasta dos longitudes de onda, la ganancia máxima se obtiene para un ángulo de elevación más bajo, de siete grados. Sin embargo aparece un ángulo de elevación en el que se suman en contrafase la señales directa y las reflejadas por el suelo, anulándose entre sí y produciendo un mínimo de ganancia. En la figura 3 se muestra el caso de una antena para diez metros situada a una longitud de onda de altura (línea roja) y la misma antena situada a dos longitudes de onda de altura (línea azul). la antena a 20 metros de altura (línea azul) cubre con mucha mayor ganancia los ángulos de elevación estadísticamente más probables para el camino de DX entre EA-W2 mediante propagación 3F2. En la figura 4 se presentan los ángulos de elevación para el camino entre EA y Europa. Los ángulos estadísticamente  más probables para este otro camino se encuentran en un rango bastante más amplio y elevado. Por ello, una antena a tan solo una longitud de onda de altura -como la mostrada en rojo en la figura 4- cubrirá suficientemente los ángulos mas probables hacia Europa. El diseñador de una estación de concursos debe intentar encontrar el óptimo de la altura de sus antenas para cada circuito hacia las zonas del mundo de mayor interés. Una herramienta muy útil para este cometido es el programa HFTA desarrollado por la ARRL y que acompaña a las ediciones de su famoso ARRL Antenna Book. En próximos artículos detallaremos su uso y cómo sacarle partido junto a las predicciones de propagación para optimizar nuestra estación. 73 de Salvador EA5DY/4 Figura 1: Ángulos de elevación y su probabilidad para el camino entre EA y W2 en la banda de 10 metros. La línea roja representa la ganancia de la antena de ED5T y la línea azul la ganancia de la antena de ED1R Figura 2: Una antena interacciona con su entorno produciendo máximos de ganancia en aquellos ángulos en los que la onda reflejada en el suelo se suma en fase con la onda directa. para una antena sobre una pendiente este ángulo puede ser mucho más bajo que el de una antena sobre suelo plano Figura 3: Una antena a  una altura de dos longitudes de onda presentará un máximo de ganancia a 7º de elevación (línea azul) frente a los 16º que presentará a una altura de una longitud de onda (línea roja) Figura 4: Ángulos de elevación y su probabilidad para el camino entre EA y Europa para la banda de 20 metros. Los ángulos para este camino de un solo salto pueden cubrirse sin problemas con una antena a una altura de una longitud de onda.