Antena colineal coaxial para ADS-B: teoría, medidas y construcción paso a paso

Con un receptor SDR de unos cuantos cientos de pesos y una Raspberry Pi puedes ver en un mapa, en tiempo real, los aviones que pasan sobre tu ciudad. Lo que más cambia el resultado no es el receptor: es la antena. Y una de las mejores que puedes hacer en casa es la colineal coaxial, que solo necesita cable coaxial, un tubo de PVC, un conector y paciencia para medir.

En este artículo te explico cómo funciona, cuánta ganancia puedes esperar de verdad, cómo calcular las medidas y cómo armarla. Parto del trabajo de Dusan Balara, que pasó más de un año probando antenas para ADS-B y concluyó que esta era la única hecha en casa que superaba a la original de su receptor. A su trabajo le sumo el análisis teórico de L. B. Cebik, W4RNL, y la experiencia de otros radioaficionados que la han construido.

Qué es ADS-B y por qué 1090 MHz

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance–Broadcast) es el sistema con el que los aviones anuncian por radio, varias veces por segundo, quiénes son, dónde están según su GPS, a qué altura van, su rumbo y su velocidad. Lo transmite el transpondedor Modo S del avión en 1090 MHz, con mensajes digitales de 112 bits a 1 megabit por segundo. Nadie tiene que interrogarlo: el avión lo difunde solo, y cualquiera con un receptor puede escucharlo.

Para la antena, lo importante es esto:

• La polarización es vertical. Las antenas de los transpondedores son monopolos verticales en el fuselaje, así que la antena de tierra también va vertical.
• Es línea de vista. A 1090 MHz la señal no rebota en la ionosfera: solo llega a donde hay visibilidad directa. Un avión a 35 000 pies puede oírse, en teoría, hasta a unos 440 km, pero los cerros, los edificios y la sensibilidad del receptor recortan esa cifra.
• Los aviones lejanos llegan casi horizontales y débiles. Son los difíciles. Una buena antena para ADS-B concentra su sensibilidad cerca del horizonte, y eso es justo lo que hace una colineal.

Cómo funciona una colineal coaxial

Un dipolo de media onda es la antena básica: radia bien hacia los lados y nada hacia sus puntas. Si quieres más ganancia hacia el horizonte, pones varios dipolos uno encima de otro, en fase, de modo que sus señales se sumen a los lados y se cancelen hacia arriba y hacia abajo. Eso es un arreglo colineal.

El problema es la fase. Si tomas un alambre largo, de varias medias ondas, la corriente cambia de sentido en cada media onda: un tramo empuja hacia arriba y el siguiente hacia abajo. Las señales se cancelan y el patrón se rompe en lóbulos inclinados, con muy poca señal hacia el horizonte. Para que todas las medias ondas trabajen juntas hay que invertir la fase al final de cada una.

Aquí está la idea genial, que se remonta a patentes de los años treinta y que Harold A. Wheeler describió a mediados de los cincuenta: usar cable coaxial. Al final de un tramo de coaxial de media onda (eléctrica), la corriente del vivo y la de la malla tienen la misma magnitud y fase opuesta. Si en la unión con el siguiente tramo cruzas los conductores, el vivo con la malla y la malla con el vivo, la fase se invierte justo donde hace falta. Cada tramo radia por la parte de afuera de su malla, y todos lo hacen en el mismo sentido.

El factor de velocidad: por qué los tramos son más cortos

Dentro de un cable coaxial, la señal viaja más despacio que en el aire. La relación entre las dos velocidades es el factor de velocidad (VF, velocity factor), y depende del dieléctrico: alrededor de 0.66 en cables de polietileno sólido, como el RG-58 o el RG-213, y de 0.78 a 0.87 en cables de espuma, como el RG-6 de televisión.

Como cada tramo tiene que medir media onda dentro del cable, su largo físico es la media onda en el aire multiplicada por el VF. Por eso una colineal coaxial es entre 15 y 40 % más corta que una de alambre con la misma cantidad de secciones, y por eso conocer bien el VF de tu cable es lo más importante de todo el proyecto.

Cuánta ganancia esperar (y por qué no es milagrosa)

La colineal coaxial tiene fama de «antena milagro». Cebik la analizó con modelos NEC en «Is COCO Your Cup of Tea?» y llegó a una conclusión muy sensata: es un arreglo colineal como cualquier otro. Su ganancia depende de su largo total, como la de todos los colineales, y no hace nada mágico. Sus ventajas son otras: se alimenta por la base, sus secciones quedan bien balanceadas y se construye con materiales baratos.

Sus números, en espacio libre y con cable de VF 0.82, alimentada por la base: 5.7 dBi con 4 secciones y 8.9 dBi con 9 secciones. Un modelo sencillo, con secciones en fase de corriente senoidal, reproduce esos valores casi exactos; con él están hechas las gráficas de esta sección.

Más secciones dan más ganancia hacia el horizonte, pero el haz se hace más delgado. Eso no es malo para ADS-B: los aviones cercanos llegan desde arriba, pero con una señal tan fuerte que se oyen igual; los lejanos llegan casi horizontales, y ahí es donde hace falta la ganancia.

Por qué más de 8 a 12 secciones casi no mejora

En teoría, cada vez que duplicas las secciones ganas cerca de 3 dB. En la práctica, Balara probó antenas de 8, 12, 16 y hasta 32 secciones y encontró que más de 12 ya no cambiaba nada notable; otros constructores en los foros de FlightAware reportan lo mismo a partir de 6 u 8. Hay dos razones:

• La corriente se debilita hacia arriba. Cada sección radia parte de la energía y además hay pérdidas en el cable, así que las secciones de arriba reciben menos corriente que las de abajo. Si quieres ir a fondo en cómo se reparte la corriente, el trabajo de Judasz y Balsley en el IEEE (1989) presenta modelos teóricos y experimentales de esta antena.
• El VF nunca es perfecto. Un pequeño error de fase en cada unión se va acumulando, y en una antena larga las secciones de arriba ya no quedan del todo en fase con las de abajo.

Por eso el número recomendado es 8 secciones: cabe en un tubo de 1 m, da alrededor de 8 dBi en teoría y es el punto donde cada sección extra ya aporta poco.

Las medidas

La longitud de onda a 1090 MHz es:

λ = 300 / 1090 = 0.275 m = 275 mm

y cada sección mide media onda multiplicada por el factor de velocidad:

L = 137.5 mm × VF

Con un cable de VF 0.82, cada sección mide 112.8 mm; con VF 0.85, 116.9 mm. Lo que se mide es la parte que conserva la malla, de corte a corte. Del vivo, deja libre de 1 a 2 cm de cada lado para hacer las uniones.

Mide el VF de tu cable

Un error de 0.01 en el VF son 1.4 mm por sección, y en 8 secciones ya son más de 1 cm acumulado. Por eso:

• Usa un cable con hoja de datos y toma el VF de ahí. Evita el cable sin marca: su VF puede ser cualquiera.
• Mejor todavía, mídelo. Con un analizador de antenas o un NanoVNA puedes hacerlo en minutos (te explico cómo en la guía del DeepVNA 101): un tramo de cable abierto en la punta tiene su primera resonancia cuando mide un cuarto de onda eléctrico. Mides la frecuencia de esa resonancia y el largo físico del tramo, y despejas el VF.
• Cebik encontró en sus modelos algo que conviene tener en mente: casi todo en la antena se mantiene igual con pequeños cambios de VF, menos la impedancia en la base, que cambia mucho con solo 0.01 de diferencia. Medir bien es la diferencia entre una antena que funciona a la primera y una que no.

Materiales

• Cable coaxial con malla de cobre, para poder soldar. El RG-6 de televisión de buena calidad (75 Ω, espuma) es barato y funciona muy bien; también sirven cables de 50 Ω de espuma, como el LMR-240. Evita los de malla de aluminio, que no se sueldan.
• Un conector: F si usas cable de TV, SMA para conectarte directo a la mayoría de los receptores SDR.
• Tubo de PVC de 12 a 20 mm de diámetro y un poco más largo que la antena, con tapón para la punta.
• Cinta aislante, pegamento de PVC o silicón para sellar.
• Opcional: una resistencia de 47 a 75 Ω para la punta (más abajo te explico para qué) y, si tu bajada será larga, un preamplificador con filtro para 1090 MHz.

La construcción paso a paso

1. Mide el VF de tu cable, como te expliqué arriba, y calcula el largo de cada sección.
2. Corta los tramos. Para 8 secciones necesitas 8 tramos. A cada uno quítale la malla y el dieléctrico en los extremos, de modo que quede la parte con malla exactamente del largo calculado y sobresalgan de 1 a 2 cm de vivo por lado. Usa vernier: la precisión es lo que hace que esta antena funcione.
3. Une los tramos cruzando los conductores. El vivo de un tramo se mete en el dieléctrico del siguiente, pegado a su malla, hasta hacer buen contacto con ella; y el vivo del siguiente entra en el primero de la misma forma. Pon un pedacito de cinta aislante entre las dos caras cortadas, para que las mallas no se toquen entre sí. Si tu cable lo permite, suelda los contactos: las uniones solo a presión se aflojan con el tiempo y el viento.
4. Revisa con el óhmetro en cada unión. Hay muchas maneras de hacer un corto sin darte cuenta, y encontrarlo con la antena terminada es casi imposible. Si pones una resistencia en la punta (paso 5), arma desde arriba y comprueba que entre vivo y malla del extremo libre lees el valor de la resistencia, sin cortos.
5. Remata los extremos. Abajo, el primer tramo va al conector de forma normal: vivo al vivo y malla a la malla. Arriba, el último tramo puede quedar abierto, llevar una resistencia entre vivo y malla, o terminar en un alambre de un cuarto de onda (unos 65 mm), que funciona como media sección extra.
6. Mete la antena al tubo de PVC, fija el conector con cinta y pegamento, y sella la punta con el tapón. El agua dentro del tubo arruina la antena con el tiempo.

¿Abierta, con resistencia o con un cuarto de onda arriba?

Las tres funcionan. Balara empezó usando resistencias de 75 o 50 Ω en la punta y encontró que acercaban la ROE a 1:1. Después de un año de pruebas concluyó que no son necesarias para recibir bien, pero que son útiles por dos razones: te permiten revisar la continuidad de toda la antena con un óhmetro desde el conector, y descargan la electricidad estática que se induce en ella.

La explicación más probable de esa ROE tan buena es que la resistencia absorbe una parte de la señal: el acoplamiento mejora a costa de un poco de eficiencia. Al recibir, y más con un preamplificador, esa pérdida casi no se nota.

La impedancia: ¿75 o 50 Ω?

La mayoría de los receptores SDR tienen entrada de 50 Ω (los dongles RTL-SDR, que nacieron para TV, son nominalmente de 75 Ω), y el cable de TV es de 75 Ω. ¿Importa mezclar?

Menos de lo que parece. Conectar algo de 75 Ω a una entrada de 50 Ω da una ROE de 1.5:1, y al recibir eso cuesta solo 0.18 dB. Lo que sí cuesta son desacoplamientos grandes: con una ROE de 3:1 pierdes 1.25 dB; con 6:1, más de 3 dB.

Balara lo comprobó en el campo, con el mismo receptor y en el mismo lugar, durante periodos de muchas horas: comparó una antena toda de 50 Ω (12 secciones de cable de baja pérdida, bajada y preamplificador de 50 Ω) con otra de cable de TV de 75 Ω conectada a la entrada de 50 Ω del receptor. Lo que encontró:

• Sin preamplificador, la de 50 Ω cubrió notablemente más. Ojo: en esa prueba también cambiaban los cables, y algunos tramos eran de RG-174, que pierde mucho a 1090 MHz; no todo se debe a la impedancia.
• Con preamplificador junto a la antena, las dos coberturas fueron muy parecidas: las dos llegaban al límite de lo que permitía el lugar.
• Su conclusión: el mejor resultado lo da un sistema todo de 50 Ω con un preamplificador especial para ADS-B (filtro y amplificador de bajo ruido para 1090 MHz) pegado a la antena.

Cebik añade un dato teórico: en la base, la colineal coaxial tiene una impedancia alta, de cientos de ohms, que además cambia mucho con el VF. En la práctica, las antenas bien construidas funcionan muy bien para recibir. Pero eso explica por qué dos antenas que parecen iguales dan resultados distintos, y por qué vale la pena medirlas con un NanoVNA si tienes uno.

El cable de bajada y el preamplificador

A 1090 MHz el cable pierde mucho más de lo que estamos acostumbrados en VHF. En 10 m de RG-58 se pierden unos 7 dB: llega solo la quinta parte de la señal. Con RG-6 de TV o LMR-240 se pierden alrededor de 2 a 2.5 dB, y con LMR-400 alrededor de 1.4 dB.

Dos reglas sencillas:

• Usa el tramo más corto posible y el mejor cable que puedas. El RG-174 delgado, el de muchos adaptadores, solo en tramos de centímetros.
• Si la bajada es larga, pon el preamplificador junto a la antena, no junto al receptor. Así la señal se amplifica antes de perder en el cable, y lo que se pierde después ya no afecta la sensibilidad. Hay preamplificadores con filtro para 1090 MHz que se alimentan por el mismo coaxial (bias-tee); el filtro además evita que las señales fuertes de celulares y TV saturen el receptor.

Protección contra estática y rayos

Una antena en alto junta estática con el viento, y las tormentas inducen voltajes en todo lo que está afuera. Balara usa varias barreras sencillas entre la antena y el receptor:

• El tubo de PVC, que aísla la antena de quien la toca y del agua.
• Un stub de protección de λ/4: un tramo de coaxial de un cuarto de onda en cortocircuito en la punta, conectado a la línea con una «T». A 1090 MHz un cuarto de onda en corto se comporta como un circuito abierto y la señal pasa como si no estuviera; a frecuencias bajas y en corriente directa es un corto que descarga la estática. Con VF 0.82 mide unos 56 mm.
• El preamplificador en el mástil, que en una mala tarde es el que se sacrifica: es mucho más barato de reponer que el receptor.

La configuración final que recomendó Balara, después de un año de pruebas, fue: antena, stub, preamplificador y otro stub afuera, en el mástil; y adentro, el receptor. Con ella su estación trabajó durante tormentas sin daños.

Ninguna de estas barreras protege de un rayo directo. Aterriza el mástil como lo indican las normas eléctricas, y si viene una tormenta fuerte, desconecta.

La instalación

• Vertical, porque así viene la señal de los aviones.
• Lo más alto y despejado que puedas. La altura ayuda poco en el alcance máximo, que lo pone la altitud del avión, pero quitarle obstáculos alrededor ayuda muchísimo, sobre todo hacia el horizonte.
• Lejos de objetos metálicos. Balara recomienda un mástil no conductor. Si el mástil es metálico, que la antena completa quede por encima de él.
• Cuida que la bajada no radie. Muchos diseños omiten algo para cortar la corriente que regresa por la parte de afuera de la malla del cable de bajada, y esa corriente inclina el patrón. Unos núcleos de ferrita de tipo broche en el cable, justo debajo de la antena, son una solución sencilla. Si tienes cómo medir, prueba con y sin ellos.
• En la Ciudad de México, los cerros que rodean el valle limitan el horizonte en varias direcciones. Una antena en una azotea alta y despejada se nota mucho más que cualquier detalle de la antena.

Cómo saber si funciona

El software más usado hoy para recibir ADS-B en una Raspberry Pi es readsb, con el mapa tar1090 y las estadísticas de graphs1090, de wiedehopf. graphs1090 muestra el alcance máximo, la cantidad de mensajes por segundo y la intensidad de la señal: son la mejor herramienta para comparar antenas.

Así se ve un receptor funcionando: el de mi estación, en la Ciudad de México, con una Raspberry Pi 3 B+, un receptor RTL-SDR y readsb, está abierto para que lo veas:

• El mapa en vivo (tar1090): los aviones que estoy recibiendo en este momento, con su trayectoria, altitud y velocidad, y el contorno del alcance de las últimas 24 horas. La ubicación del receptor aparece aproximada, a propósito.
• Las estadísticas (graphs1090): alcance máximo, mensajes por segundo, aviones a la vista, intensidad de la señal y ruido, por hora, día, semana y más. Es la referencia con la que voy a comparar las antenas que pruebe.

Para comparar dos antenas de forma justa:

• Déjalas al menos 24 horas cada una, en el mismo lugar y con el mismo receptor, porque el tráfico aéreo cambia mucho a lo largo del día.
• Compara el mapa de cobertura (el contorno de alcance de tar1090 o un diagrama polar como los de Balara), los mensajes por segundo y cuántos aviones lejanos ves de forma continua, sin cortes.
• Si tienes un NanoVNA, mide la ROE de la antena entre 1050 y 1130 MHz: así sabes si la resonancia quedó en 1090 o si tu VF estaba un poco movido.

Lo bueno y lo que hay que saber

Lo bueno: es una antena barata, sencilla de construir y muy eficaz para ADS-B. Concentra la ganancia cerca del horizonte, donde están los aviones lejanos; es delgada, ligera y resiste bien el viento dentro de su tubo.

Lo que hay que saber:

• No es una antena milagro: su ganancia es la de un colineal de su largo, ni más ni menos.
• La precisión lo es todo. Un error de un par de milímetros por sección, o un VF equivocado, se nota.
• Más de 8 a 12 secciones casi no mejora; 8 secciones en un tubo de 1 m es el mejor punto de partida.
• La bajada larga y un cable malo pueden arruinar una buena antena: el preamplificador va junto a ella.
• Revisa cada unión con el óhmetro mientras armas.

Investigar, preguntar, experimentar

Esta antena es perfecta para aprender haciendo. Construye una de 8 secciones con el VF de la hoja de datos de tu cable, déjala un día recibiendo y guarda las gráficas. Luego mide el VF de verdad, haz otra, y compara. Y pon una antena de plano de tierra como referencia: es la más fácil de construir y te dice cuánto ganaste de verdad. Prueba la punta abierta y con resistencia, con y sin ferritas en la bajada, con y sin preamplificador. Cada cambio te va a enseñar algo sobre cómo funcionan las antenas, y tus resultados pueden ayudar a otros.

Yo también voy a hacer mis pruebas y a compartir los resultados aquí. Si construyes una, cuéntame cómo te fue: qué cable usaste, cuántas secciones y qué alcance lograste. Escríbeme a [email protected].

73 y DX de XE1E
Enrique

Fuentes

• Dusan Balara: Coaxial Collinear Antenna for ADS-B Receiver, con sus pruebas de configuraciones, stubs de protección y la comparación entre antenas de 50 Ω y desacopladas.
• L. B. Cebik, W4RNL: «Is COCO Your Cup of Tea?», análisis con modelos NEC de la colineal coaxial.
• H. A. Wheeler, «A Vertical Antenna Made of Transposed Sections of Coaxial Cable», IRE Convention Record, 1956.
• T. J. Judasz y B. B. Balsley, «Improved Theoretical and Experimental Models for the Coaxial Collinear Antenna», IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 37, núm. 3, 1989.
• Thomas Spielauer: A simple colinear coaxial 1090 MHz antenna for ADS-B, una construcción de 8 secciones con cable de 75 Ω.
• Foro de FlightAware: Coco (Coaxial Collinear) Antenna – Tips & Tricks, experiencias de constructores sobre el VF, la precisión y el número de secciones.
• readsb, tar1090 y graphs1090, de wiedehopf.
• FAA: Automatic Dependent Surveillance–Broadcast (ADS-B).

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