En esta página se analizan distintas configuraciones de monopolos, las diferencias entre una tierra perfecta e imperfecta y el efecto de utilizar un plano de tierra con radiales o una contraantena. Los análisis se basan en simulaciones realizadas con el programa 4NEC2 y se realizan introduciendo nuevos elementos en aproximaciones sucesivas.
In this page you will find an analysis of several monopole configurations, the differences between a perfect and an imperfect ground and the effects of using a ground plane made of radials or counterpoises. The analysis are based on simulations performed with the 4NEC2 software and are performed introducing new elements in successive aproximations.
1. Monopolo sobre tierra perfecta.
Monopole over perfect ground.
2. Monopolo sobre tierra imperfecta.
Monopole over imperfect ground.
3. Monopolo con contraantena.
Monopole with one radial or counterpoise.
4. Monopolo con 4 radiales.
Monopole with 4 radials.
5. Conclusiones.
Conclusions.
1. Monopolo sobre tierra perfecta
Monopole over perfect ground
Se analiza un monopolo ideal de 1/4 de longitud de onda para trabajar en la banda de 20 metros, ajustado a una frecuencia central de 14,1 MHz. En primer lugar se analiza un monopolo ideal sobre tierra perfecta. A continuación se analizan los efectos de una tierra imperfecta y lo que sucede al ir añadiendo radiales para formar un plano de tierra mejorado.
The antenna under analysis is an ideal quarter-wave monopole designed to work in the 20 meters band, adjusted to a central frequency of 14,1 MHz. In a first approach, an ideal monopole over perfect ground is analyzed. Then, an imperfect ground is introduced and after that the effects of adding radials to achieve an improved ground plane.
Estructura de la antena
Antenna structure
En este primer análisis se considera una tierra perfecta y no se incluye ningún radial. La longitud del monopolo, optimizada con 4NEC2 para minimizar la ROE, es de 5,16 metros.
In this first analysis we consider a perfect ground and zero radials. The monopole length, as optimized with 4NEC2 to minimize SWR, is 5,16 meters.
Parámetros de la antena
Antenna parameters
La ROE resultante es de 1:1,38 para toda la banda de 20 metros. La antena es completamente ominidireccional y presenta una ganancia de 5,15 dBi (3 dBd), es decir, el doble de la ganancia de un dipolo de media longitud de onda.
The resulting SWR is 1:1,38 in the whole 20 meters band. The antenna is omnidirectional and its gain is 5,15 dBi (3 dBd), that is, twice the gain of a half-wavelength dipole.
Diagramas de radiación
Radiation patterns
Como ya se ha indicado anteriormente, la antena es completamente omnidireccional, gracias a que su plano de tierra es perfecto.
As stated before, the antenna is omnidirectional, thanks to the perfect ground plane.
En el plano vertical, el diagrama de radiación presenta su máxima ganancia justo en dirección tangente al plano de tierra, haciendo que la antena sea óptima para DX en estas condiciones. La eficiencia de radiación de la antena calculada por 4NEC2 es del 99,96 %, próxima al 100 % teórico.
In the vertical plane, the radiation pattern has its maximum gain just at a null takeoff angle, making the antenna optimal for DX work under these ideal conditions. The radiation efficiency, as calculated by 4NEC2, is 99,96 %, very close to the theoretical 100 %.
2. Monopolo sobre tierra imperfecta
Monopole over imperfect ground
Partiendo del diseño anterior, se sustituye la tierra perfecta por una tierra real de tipo medio (conductividad 0.005 S/m, constante dieléctrica 13), para analizar los efectos en los parámetros de la antena. Esto nos permitirá trasladar los análisis teóricos al mundo real.
Using the same design, the perfect ground is changed by a real average ground (conductivity 0.005 S/m, dielectric constant 13) in order to analyze the effects on the antenna parameters. This will help to move the theoretical analysis to the real world.
Parámetros de la antena
Antenna parameters
Usando la misma longitud de 5,16 metros, la ROE se dispara a 1:14,5. Es decir, la antena queda completamente desajustada al presentar una impedancia alejada de 50 ohmios en su punto de alimentación. Será necesario utilizar un transformador de impedancias o un acoplador de antena.
Using the same length of 5,16 meters, the SWR rises to 1:14,5. That is, the antenna is unmatched with an impedance far away of 50 ohms in its feeding point. It will be necessary to use an impedance transformer or an antenna tuner.
Diagramas de radiación
Radiation patterns
Aunque la antena sigue siendo omnidireccional, el primer efecto de la tierra imperfecta que se observa en el diagrama de radiación es una elevación del lóbulo. Este efecto es muy típico en instalaciones de antenas en el lateral del techo de un vehículo (plano de tierra finito): hacia el lado del techo, el plano de tierra es óptimo y el diagrama de radiación casi no se distorsiona. Hacia el exterior, en cambio, desaparece el plano de tierra del techo y el diagrama de radiación se distorsiona, elevándose.
Although the antenna is still omnidirectional, the first observed effect of an imperfect ground is an elevation of the radiation lobe. This effect is typical in antennas installed on the side of the roof o a vehicle (finite ground plane): towards the vehicle roof the ground plane is optimal and the radiation pattern is not as distorted as in the other way, where the absence of a ground plane causes the antenna lobe to be higher.
La antena pasa a tener una ganancia máxima de -7,74 dBi a una elevación de 25 grados sobre el suelo. Es decir, es una antena con pérdidas. La eficiencia de radiación es de tan sólo el 5,22 %. Esto se debe a que las corrientes que circulan por la antena han de regresar a la misma a través de un medio de conductividad eléctrica pésima, como es la tierra media. Los efectos serían incluso peores si la tierra es seca.
The new antenna gain is -7,74 dBi at a takeoff angle of 25 degrees over ground. That is, this is an antenna with losses. The radiation efficiency is barely 5,22 %. This is due to the fact that the currents circulating in the antenna must return through the average soil, which has a very poor electric conductivity. Those effects would be even worse over a dry soil.
3. Monopolo con contraantena
Monopole with one radial or counterpoise
Observando los dos análisis anteriores, parece claro que interesa mejorar la conductividad del plano de tierra para evitar que el diagrama de radiación se distorsione y que la antena pierda eficiencia. Esto puede conseguirse instalando radiales o contraantenas. La denominación de radial o contraantena (counterpoise en inglés) ha dado lugar a diversas controversias, analizadas en profundidad por L.B.Cebik (W4RNL). En este apartado se analizan los efectos de utilizar un único radial o contraantena, opción escogida por diversos fabricantes de antenas de HF verticales portables. Consideramos además que tanto el monopolo como la contraantena están muy próximos al suelo.
Existen varias teorías sobre la longitud óptima de los radiales. En el ARRL Antenna Book se recomienda una longitud mínima igual a la mitad de la longitud de onda de trabajo. En este ejemplo se realizará una optimización con 4NEC2 para obtener la longitud de contraantena óptima que proporcione una ROE mínima.
En la simulación de 4NEC2, para evitar que el radial esté en contacto directo con la tierra, elevaremos toda la estructura 0,1 metros respecto al suelo.
Observing the previous analysis, one can conclude that it should be of interest to improve the electrical conductivity of the ground plane to avoid distortions in the radiation pattern and a loss of eficiency. This can be achieved using radials or counterpoises. Using the name of radial or counterpoise has lead to controversy, deeply studied by L.B.Cebik (W4RNL). The following analysis takes into account only one radial or counterpoise, which is the option chosen by several manufacturers of portable vertical HF antennas. Furthermore, we will consider that both the monopole and the counterpoise are very close to the ground.
There are several theories about the optimal length of the radials. The ARRL Antenna Book recommends a minimum length of half the working wavelength. In our experiment we will run an optimization process with 4NEC2 in order to find the optimal length for our counterpoise.
In the 4NEC2 simulation, in order to avoid the counterpoise to be in direct contact with the ground, we will rise the whole structure 0,1 meters above ground.
Estructura de la antena
Antenna structure
En la simulación, el radial o contraantena se extiende a lo largo del eje X del plano de tierra. Volvemos a la longitud ideal del monopolo calculada en el primer apartado (5,16 metros) y ejecutamos una optimización con 4NEC2 para hallar la longitud óptima de la contraantena, con el objetivo de tener una ROE mínima, resultando ser de 4,79 metros con una ROE de 1:1,41. Tenga en cuenta que este resultado solamente es válido para este monopolo, con esta frecuencia de trabajo y con este tipo de tierra.
In the simulation, the radial or counterpoise is extended all along the X-axis of the ground plane. We return to the initial value of monopole length calculated in the first analysis (5,16 meters) and run an optimization process with 4NEC2 to find the optimal length of the counterpoise, with the goal of achieving a minimum SWR. The result is a counterpoise of 4,79 meters with an SWR of 1:1,41. Please remember that this solution is only valid for this monopole, at this working frequency and over this type of ground.
Parámetros de la antena
Antenna parameters
Tras nuestro proceso de optimización del radial o contraantena, la ROE se mantiene en torno a 1:1,4 en toda la banda de 20 m.
After our counterpoise length optimization process, the SWR is around 1:1,4 and almost flat in all the 20 meters band.
Diagramas de radiación
Radiation patterns
El diagrama de radiación deja de ser omnidireccional, ya que la antena pasa a tener más ganancia en la dirección impuesta por el radial o contraantena.
The radiation pattern is no more omnidirectional: the antenna has more gain in the direction imposed by the counterpoise.
Si analizamos el plano vertical del diagrama de radiación, observamos que el lóbulo principal se encuentra en la dirección de la contraantena, con una ganancia máxima de -1,3 dBi a una elevación de 30 grados. La relación frente/espalda es de 4,6 dB, por lo que es recomendable orientar la contraantena en la dirección en la que se encuentre la estación remota. La eficiencia de radiación es del 16 %.
Si comparamos los resultados con los del ejemplo 2, utilizando la contraantena hemos mejorado la ganancia en unos 6,5 dB y hemos multiplicado la eficiencia por 3. Con una longitud de contraantena adecuada además hemos conseguido que la antena esté sintonizada en la banda de trabajo.
Puede concluirse que, para un monopolo de longitud dada e invariable, la utilización de un radial o contraantena de longitud estudiada favorecerá el retorno de las corrientes a través del mismo, consiguiéndose una mejora de la eficiencia y de la ganancia en la dirección impuesta por la contraantena.
La contraantena pasa a formar parte realmente de la estructura total del sistema radiante, por lo que su longitud ha de seleccionarse para optimizar la ROE.
If we analyze the vertical plane of the radiation pattern, we can see that the main lobe is located in the general direction of the counterpoise, with a maximum gain of -1,3 dBi at a takeoff angle of 30 degrees. The front/back ratio is 4,6 dB, so it is recommended to install the counterpoise pointing to the remote station azimuth. The radiation efficiency is 16 %.
If we compare the results with those of example #2, we see that, using the counterpoise, we have improved the antenna gain in 6,5 dB, having also three times more radiation efficiency. With an adequated counterpoise length we can also achieve the impedance matching in the working band.
It can be concluded that, for a monopole of given length, the use of a single radial or counterpoise of studied length will benefit the overall antenna efficiency and gain in the direction imposed by the counterpoise.
In fact, the counterpoise is another part of the whole antenna, so its length has to be studied to optimize the SWR.
4. Monopolo con 4 radiales
Monopole with 4 radials
En el ejemplo anterior hemos podido comprobar cómo la ganancia y la eficiencia de radiación de un monopolo mejoran al utilizar un único radial o contraantena. No obstante, el monopolo ha pasado de ser una antena omnidireccional a tener mayor directividad en el sentido impuesto por la contraantena. Si queremos conservar las características de omnidireccionalidad, será necesario usar al menos 4 radiales.
In the previous example we have proven that the gain and radiation efficiency of a monopole are improved by means of an unique radial or counterpoise. However, under this condition the monopole is no more an omnidirectional antenna, having more directivity in the direction imposed by the counterpoise. If we want to keep the omnidirectional characteristic, it will be necessary to use at least 4 radials.
Estructura de la antena
Antenna structure
Para asegurar la omnidireccionalidad, los cuatro radiales se disponen formando ángulos de 90 grados en el plano de tierra. En la simulación de 4NEC2, para evitar que los radiales estén en contacto directo con la tierra, elevaremos toda la estructura 0,1 metros respecto al suelo. El monopolo tiene la misma longitud que en el resto de ejemplos (5,16 metros) y cada radial la longitud del ejemplo anterior (4,79 metros).
In order to ensure that we have an omnidirectional radiation pattern, the four radials are installed at 90 degrees intervals over the ground plane. In the 4NEC2 simulation, in order to avoid the radials to be in direct contact with the ground, we will rise the whole structure 0,1 meters above ground. The length of the monopole is the same as in the previous examples (5,16 meters) and each radial is 4,79 meters long, as calculated in example #3.
Parámetros de la antena
Antenna parameters
La ROE en la frecuencia de diseño es de 1:1,62, siendo algo menor en la parte alta de la banda de 20 m.
The SWR at the design frequency is 1:1,62, being lower in the higher part of the 20 meters band.
Diagramas de radiación
Radiation patterns
El diagrama de radiación nuevamente es omnidireccional, gracias a la disposición de los 4 radiales.
The radiation pattern is again omnidirectional, thanks to the layout of the 4 radials.
Al analizar el plano vertical del diagrama de radiación, observamos que la ganancia máxima es de -0,47 dBi, consiguiéndose en un ángulo de elevación de 25 grados. La eficiencia de radiación es del 27,57 %.
Si comparamos los resultados con los del ejemplo 3 (un sólo radial), obtenemos una mejora de 0,8 dB en la ganancia, con la ventaja adicional de que la antena es omnidireccional. La eficiencia de radiación es casi el doble.
If we analyze the vertical plane of the radiation pattern, we can see that the maximum gain is -0,47 dBi at a takeoff angle of 25 degrees. The radiation efficiency is 27,57 %.
If we compare the results with those of example #3, we achieve an improvement of 0,8 dB in the antenna gain, with the additional advantage of having an omnidirectional radiation pattern. The radiation efficiency is almost twice the previous value.
5. Conclusiones
Conclusions
En la siguiente tabla se resumen los resultados de las simulaciones realizadas con el monopolo ideal sobre tierra perfecta, el monopolo sobre tierra real media y el efecto de añadir uno o cuatro radiales. Se incluyen además los resultados obtenidos al utilizar varias configuraciones hasta un máximo de 256 radiales.
The following table is a summary of the simulations performed with the ideal monopole over perfect ground, the monopole over real average ground and the effects of using one or four radials or counterpoises. It also includes the results obtained simulating several radial configurations up to 256 radials.
- La tierra real provoca que las corrientes que salen de la antena regresen a la misma a través de un medio con escasa conductividad eléctrica. La eficiencia de radiación del monopolo pasa a ser del 5%, la ganancia empeora unos 12 dB en un terreno medio y el diagrama de radiación se eleva. El resultado es incluso peor en terrenos más áridos. La impedancia de la antena en su punto de alimentación cambia, siendo necesario rediseñar la longitud de la antena, usar una red de adaptación o usar un acoplador.
- Si se utiliza un único radial o contraantena de longitud adecuada, las corrientes regresarán a la antena en gran medidad a través del mismo y puede llegar a conseguirse una ROE dentro de límites. La eficiencia de radiación se multiplica por tres respecto al caso anterior y la ganancia mejora en 6 dB. La antena es directiva, con el máximo de radiación en el sentido impuesto por la contraantena.
- Para conseguir que el diagrama de radiación sea omnidireccional, ha de utilizarse un número de radiales par con disposiciones completamente simétricas. Conforme mayor sea el número de radiales, mayores serán la eficiencia de radiación y la ganancia del monopolo. A partir de 128, añadir más radiales no supondrá apenas ninguna diferencia. Este resultado concuerda con el indicado en el ARRL Antenna Book.
- The real ground makes the currents flowing out of the antenna to return though a medium of low electric conductivity. The radiation efficiency of the monopole changes to only 5%, the antenna gain is 12 dB worse and the radiation pattern rises, over an average ground. The results are even worse over dry soil. The impedance of the antenna at its feeding point changes, making necessary to design again the antenna length, or to use a matching network or antenna coupler.
- If an unique radial or counterpoise of adequated length is used, the currents will return to the antenna mostly through this radial/counterpoise and an SWR within limits can be achieved. The radiation efficiency is three times bigger than in the previous case and the antenna gain is 6 dB better. The antena is directive, having its radiation maximum in the azimuth angle imposed by the radial/counterpoise.
- In order to achieve an omnidirectional radiation pattern, an even number of radials must be used, in a completely simmetrical layout. The higher the number of radials, the bigger the radiation efficiency and antenna gain. Using more than 128 radials will not make further difference. This result coincides with the presented at the ARRL Antenna Book.
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