HOLA SALIM. ESTE ARTÍCULO ESTÁ INTERESANTE.
BOB. HK1AA.
Antenas enfasadas
Julio Isa, EA3AIR
La antena Yagi, o más técnicamente antena de elementos parásitos, es el montaje
que permite una mayor ganancia de antena en función del volumen ocupado. No vamos
a entrar aquí en la discusión de sus virtudes, que son sobradamente conocidas, ni
en si son mejores los elementos lineales, o los cuadros o en delta. Sea cual sea
su forma, el descubrimiento de Yagi ha hecho que ese tipo de antena sea la más
utilizada, con amplia diferencia, de cuantas se emplean para conseguir ganancia y
directividad.
Limitaciones de una Yagi
La antena Yagi de muchos elementos tiene dos limitaciones fundamentales: por un
lado la limitación mecánica de la viga central que soporta a todos los elementos,
y por otro las limitaciones de diseño.
A medida que añadimos elementos parásitos nos encontramos con que la viga de
soporte debe ser cada vez más larga. Cuanto más larga es una viga, mayor tiene
que ser su sección para soportar los mayores esfuerzos que debe aguantar. En
teoría no hay problema con los materiales actuales para construir vigas de
longitudes enormes, todos hemos visto las maravillas de ingeniería que suponen
las grandes obras públicas, pero esas técnicas no pueden aplicarse a la
construcción de antenas. La máxima sección que puede tener la viga de una antena
Yagi viene limitada por la longitud de onda a que funcione la antena. La parte de
elemento parásito en contacto con la viga debe ser menor de un 2 de la longitud
de onda (λ), ya que si es mayor se compromete el funcionamiento del sistema. En
144 MHz esto supone que la viga debe ser de menos de 4 cm y en frecuencias
superiores mucho menor.
Se puede recurrir a varios trucos mecánicos para reducir los esfuerzos sobre la
viga, tales como los abarcones o los tensores, pero esos artilugios sólo actúan
en un plano, el vertical. La propia disposición de los elementos parásitos impide
la colocación de tensores o abarcones que limiten los esfuerzos en sentido
horizontal. En presencia de fuertes vientos una Yagi muy larga se curvaría
demasiado, pudiendo llegar a romperse.
Con estas limitaciones, y sin emplear materiales como el titanio o similares,
el limite de longitud de una Yagi en 144 MHz debe estar sobre los 12 m,
utilizando los mejores aluminios y una buena mecánica.
El problema de cálculo de los elementos de una antena se complica a medida que
añadimos más y más elementos. Cuando tenemos más de 10, las relaciones entre
ellos y de todos con el elemento excitado se vuelven muy complejas. Además,
cuando ya se tienen muchos elementos en una antena es necesario añadir bastantes
más para que la ganancia aumente apreciablemente.
En la figura 1 tenemos una gráfica de la ganancia teórica de una Yagi en
función de la longitud de la viga expresada en longitudes de onda. Se hace así
porque en las antenas Yagi largas el número de elementos es de unos 5 por
longitud de onda de largo. El hecho de que una antena de 3 λ de largo tenga 14,
15 o 16 elementos sólo modifica el resultado final en una pequeña fracción de
decibelio, siempre que el cálculo realizado para construirla sea adecuado. Cuando
la antena es muy larga, los elementos más alejados podemos decir que están muy
débilmente acoplados al elemento excitado, y parece que su eficacia disminuya.
La conclusión es bastante lógica: una vez se tiene una Yagi con suficiente
ganancia y cuyas dimensiones resulten manejables es inútil seguir añadiendo
elementos, vale más tomar varias iguales y apilarlas (o ponerlas en fase, o hacer
una formación, que en castellano sería más correcto).
Distancia de separación
Cuando tratamos de poner antenas una al lado de la otra la primera pregunta es
siempre ¿a qué distancia una de la otra?
Si las colocamos demasiado juntas sus respectivos elementos interaccionarán
entre si, disminuyendo el rendimiento de cada antena y disminuirá la superficie
del frente de onda que queremos captar, por lo que su ganancia final disminuye.
Si las colocamos demasiado separadas estaremos utilizando una gran estructura de
soporte sin ningún beneficio. Por tanto, lo lógico es utilizar la estructura más
pequeña que permita obtener la máxima ganancia del apilamiento.
El problema de la separación tiene dos vertientes:
Máxima ganancia. En la figura 2 tenemos una antena encima de otra, a las
que llega un frente de onda electromagnético que queremos recibir. Cada antena
tiene un lóbulo de radiación determinado (lo suele dar el fabricante y si no hay
que calcularlo haciendo mediciones). Si los dos lóbulos no se solapan, como
ocurre en la figura 2A, cada antena extrae energía de dos superficies
distintas del frente de onda por lo que el total será el doble (o sea 3 dB más)
que una sola. Si aumentamos la separación no ganamos nada, ya que no aumentamos
la superficie del frente de onda captado por las antenas (éstas no reciben fuera
de su lóbulo de radiación).
Si ahora juntamos las dos antenas, ocurre lo que vemos en la figura 2B: las
dos superficies captadas se solapan. Como la energía por unidad de superficie del
frente de onda es fija el resultado es una menor superficie de captación y por
tanto menos ganancia total.
Para calcular esas superficies se utilizan una fórmulas empíricas. Siempre he
utilizado las que publicó William I. Orr, W6SAI, en su libro Beam Antenna
Handbook.
Las fórmulas del cálculo parten de la apertura efectiva de la antena que viene
dada por la fórmula
A=0,13G
en la que A es la apertura en λ² y G es ganancia de la antena sobre dipolo (en
veces, no en logaritmos o decibelios).
A partir de esta fórmula se puede calcular la altura y anchura de esa apertura
efectiva. Para antenas cuya apertura efectiva sea sensiblemente circular, y casi
todas las antenas Yagi largas lo son ya que sus ángulos de radiación vertical y
horizontal suelen ser muy parecidos, la fórmula que nos da el diámetro de ese
círculo es
D = 2 · raíz cuadrada de ( A/π )
siendo D el diámetro del círculo en k.
Si aplicamos las fórmulas a nuestras típicas antenas de unos 16 elementos, a
las que suponemos unos 13 dB sobre un dipolo (20 veces) tendríamos
A = 0,13 x 20 = 2,6 12
y por tanto D = 1,8 λ.
Expresado en metros para antenas de 144 MHz tendríamos 3,6 m de separación, que
es la que siempre se da como mínima para ese tipo de antenas. Para no entrar en
plagio no sigo copiando las fórmulas de W6SAI, pero recomiendo su lectura, ya que
además de la separación permiten calcular la ganancia efectiva de la antena en
base a sus diagramas de radiación. Además, si los ángulos vertical y horizontal
del lóbulo de radiación son muy diferentes no sirve la fórmula que he dicho antes
y hay que usar otras.
Supresión de lóbulos laterales. Hasta ahora sólo hemos hablado de los lóbulos
principales y de optimizar la ganancia del lóbulo principal del apilamiento
resultante. Sin embargo, la mayoría de antenas tienen lóbulos secundarios y no es
seguro lo que va a pasar con ellos cuando se apilan varias antenas. Pueden
aumentar, disminuir o aparecer lóbulos nuevos donde antes no había.
A los lóbulos laterales no solemos darles importancia, ya que en la mayoría de
antenas suelen estar muchos decibelios por debajo del lóbulo principal. Sin
embargo, al hacer un apilamiento puede ocurrir que esos lóbulos laterales sólo
queden 10 dB por debajo del principal. Para hacer rebote lunar, o en zonas donde
el ruido ambiental sea considerable, esos lóbulos laterales pueden ser un engorro
ya que captarán ruido de direcciones no deseadas con muy poca atenuación.
La supresión de lóbulos laterales sólo puede hacerse por tanteo.
Afortunadamente basta modificar unos pocos centímetros (en 144 MHz) la separación
entre antenas para obtener resultados bastante espectaculares. Normalmente cuando
un fabricante da unas dimensiones óptimas para realizar un apilamiento con sus
antenas es de suponer que ha tenido en cuenta todos los factores incluido el de
los lóbulos laterales. De todas formas es un buen campo para la experimentación,
y no es raro oír entre los especialistas enconadas discusiones sobre el resultado
de sus experiencias respectivas.
Puesta en fase
Hay una gran cantidad de métodos para poner en fase una formación de antenas,
especialmente cuando hay muchas antenas. Entre radioaficionados lo más normal es
que todas las antenas sean equivalentes ya que es el sistema que presenta menos
dificultades de diseño.
Cuando se hace un arnés de puesta en fase que haga funcionar a todas las
antenas por igual se deben cumplir tres condiciones:
-
La longitud de conexión entre el punto común de la formación y cualquiera de
las antenas debe ser exactamente la misma.
-
El número de derivaciones que hay entre el punto común y la antena debe ser
igual para todas las antenas. El sistema más sencillo de hacer derivaciones es
que cada rama de la derivación se lleve la misma parte de la energía que las
otras; si en una de las derivaciones hubiera conectadas más antenas que en las
otras ya no podríamos decir que todas las antenas son equivalentes, las que estén
conectadas a esa derivación recibirán menos energía que las otras.
-
Los dipolos deben estar conectados de forma que vistas todas las antenas desde
un sitio fijo (por ejemplo, por detrás), la rama derecha de todos los elementos
excitados esté conectada al mismo conductor del arnés de alimentación y el lado
izquierdo al otro. Cuando se utilizan cables coaxiales, el problema se reduce a
conectar el central a un lado (siempre el mismo) de todos los elementos excitados
y la malla al otro lado de todos los elementos excitados. Con líneas de hilos
paralelos hay que prestar especial cuidado a este punto, ya que es muy fácil
equivocarse. Si se comete un error en este punto las antenas que queden
invertidas estarán en contrafase respecto a las demás y se perderán un montón de
decibelios. Si el error es simétrico respecto a la estructura de la formación, el
resultado será un nulo precisamente en la dirección en que queremos que dé la
máxima ganancia, ya que la radiación en esa dirección se anula totalmente.
Tipo de arnés
En todos los libros aparecen los típicos adaptadores para dos y cuatro antenas
basados en las propiedades de la línea de transformación de cuarto de onda. En HF
y en 50 MHz, donde las pérdidas de los cables coaxiales son muy pequeñas, el
asunto no tiene mayor importancia; pero en 144 MHz y superiores no es una
solución idónea. Un transformador de cuarto de onda funciona con una ROE más o
menos eevada, según la transformación que realice. En VHF y superiores, los
cables coaxiales normales tienen pérdidas apreciables incluso para longitudes
cortas. Si además el cable trabaja con una ROE apreciable, esas pérdidas se verán
incrementadas. Otro problema asociado a las líneas de transformación de λ/4 es
que hay que cortarlas con mucha precisión a una longitud determinada.y en VHF ese
es un problema relativo, pero en UHF y superiores unos pocos milímetros pueden
hacer que el transformador no funcione adecuadamente.
El sistema ideal con cables coaxiales es utilizar un adaptador para dos o
cuatro antenas de las que se venden comercialmente. Entre esos adaptadores y las
antenas hay que poner longitudes iguales de cable de la misma impedancia que las
antenas. Por tanto, los cables coaxiales trabajan sin ROE, lo que minimiza las
pérdidas. Los adaptadores son en realidad lineas de cuarto de onda realizadas con
tubos de cobre y dieléctrico de aire de la impedancia adecuada para efectuar la
transformación. Sus pérdidas y su longitud son mínimas (el dieléctrico de aire es
el que menos pérdidas tiene) por lo que, aunque trabaje con ROE, no introducirá
pérdidas apreciables en el sistema.
Su funcionamiento es sencillísimo. Supongamos que vamos a enfasar dos antenas
de 50 Ω (figura 3). Como el coaxial de conexión también tiene 50 Ω no realiza
transformación alguna, por tanto el adaptador «ve» dos resistencias de 50 Ω en
paralelo, o sea 25 Ω. Al otro extremo tendremos la bajada hacia la emisora, que
suponemos también es de 50 Ω. Por tanto, raíz (50x25) = 35 Ω. Necesitamos una
línea de cuarto de onda de 35 Ω, pero como el adaptador está hecho con tubos
basta elegir la relación de diámetros adecuada para conseguir esa impedancia
«extraña».
En el caso de cuatro antenas caben dos posibilidades. La primera consiste en
colocar todas las antenas en palelo (12,5 Ω) y elevar esa impedancia a 50 Ω
mediante una línea de 25 Ω. Sin embargo, esas impedancias tan bajas no son
convenientes, ya que baja impedancia implica alta corriente, por lo que las
pérdidas resistivas pueden empezar a ser un problema. Es mejor realizar un
adaptador que adapte las antenas "dos a dos" pasando los 25 Ω del caso de dos
antenas a 100 Ω mediante una línea de 50 Ω El conector central de la figura 4
«verá» dos resistencias de 100 Ω en paralelo, o sea 50 Ω.
Para formaciones más grandes hay que hacer el acoplamiento por grupos de dos o
cuatro y luego juntar los diversos grupos.
Es evidente que la utilización de cables coaxiales es muy práctica y queda
siempre muy bien sujeto todo, ya que no hay problema para afirmarlo con cinta
adhesiva a los diversos elementos de la estructura. Sin embargo no hay que
olvidar que la línea de hilos paralelos sigue siendo el método más económico de
obtener una conexión de bajísimas pérdidas; precisamente por sus bajas pérdidas
puede trabajar con casi cualquier valor de ROE y puede adaptarse a cualquier
impedancia por medio de lo que se denomina adaptador universal, que no es más que
un trozo de la misma línea de hilos paralelos cortocircuitada en su extremo de
forma que todo el sistema sea resonante (figura 5). El único problema que
tiene es que es simétrica, por lo que para conectar un cable coaxial habrá que
utilizar un simetrizador.
Probablemente, lo mejor sea utilizar un balun de 1 /2 onda hecho con el mismo
cable coaxial que la bajada. Ese tipo de balun realiza una transformación de
impedañcias de 1:4, por lo que con cable de 50 Ω habrá que buscar un punto de 200
Ω en el adaptador universal. Esto se hace moviendo arriba y abajo el punto
de conexión.
Para hacer una línea de hilos paralelos se puede utilizar alambre de cobre
esmaltado de 1,5 a 2 mm de diámetro y realizar unos espaciadores a base de
plancha de teflón de 1 m de grueso cortada en rectángulos de 3x1 cm y perforadas
con dos agujeros separados 2 cm. Para que la línea quede bien, lo mejor es
taladrar todos los separadores a la vez; una vez cortados se apilan y se hace la
perforación todos a la vez con la broca adecuada (figura 6). Los separadores
se montan uno cada 25 o 30 cm, y la broca empleada para perforarlos debe ter tal
que el hilo pase con cierta dificultad y los separadores se aguanten solos en su
lugar. Si esto no es posible< y los separadores quedan flojos, un poco de
pegamento hará que los hilos se vuelvan rugosos y los separadores queden fijos en
su lugar.
Este artículo se publicó en el número 55, Julio 1988, de CQ Radio Amateur
B O B H K 1 A A
From: Jham Salim <hk1nk.dx@...>
Reply-To: dxcolombia@...dTo:
dxcolombia@...
Subject: Re: [dxcolombia] Mal enfase??
Date: Tue, 14 Feb
2006 14:08:54 -0500
Apreciado Jose:
segun el tema de enfasamiento...
Es indispensable cortar cada lado del arnes (fabricado con RG-11) a una medida
resonante en la frecuencia de trabajao, o basta solo con que los dos brazos (o
lados) sean iguales en dimension?
Gracias!
Salim.
Hk1nk
El día 8/02/06, José Robaina - YV5TX - 4M5R <yv5tx.aim@...> iscribió:
Colega Jhan...
Por lo que creo, lo mas seguro es que el arnés no esté trabajando bien y te
suba la ROE en relación con las antenas individualmente.
Aqui en Caracas hemos estado trabajando con unas antenas verticales paea 80m
enfasadas. Se logró ajustar cada antena con un ROE no mayor a 1.3. La primera
caja enfasadora obtenida desde USA generaba una ROE mayor a 2.5, con lo que
hablamos con el fabricante y el mismo nos envió (sin costo adicional) otra caja,
con la cual se logró obtener una ROE no mayor a 1.7
Las antenas están instaladas en la estación de Concursos 4M5DX, propiedad de
Alexis Deniz YV5SSB
Puedes visitar nuestro sitio web: http://4m5dx.org para que puedas ver la
información
Te recomiendo revisar todas las conexiones nuevamente y también el arnés
enfasador.
Un saludo desde Caracas - Venezuela
José Manuel Robaina YV5TX - 4M5R
----- Original Message -----
Sent: Tuesday, February 07, 2006 3:18 PM
Subject: [dxcolombia] Mal enfase??
Apreciados amigos del foro,
El pasado fin de semana, nos propusimos iniciar el levantamiento de las
antenas para iniciar las pruebas de EME 'o RL, cada una de las antenas fue
ajustada con un gamma match, lográndose una ROE no mayor a 1.2 en el peor de los
casos. Estos ajustes fueron elaborados y verificados, una vez se coloco el
enfasador (elaborado con cable RG-11 y siguiendo los parámetros para el mismo) me
he encontrado que las antenas quedaron con un nivel de ROE mayor a 1.8, las
preguntas con base a lo anterior:
Hay que ajustar nuevamente los gamma de cada una de las antenas con el
enfasador puesto?
Habrá quedado algún problema con el arnés?
Recibo sugerencias, todo con la finalidad de que lo ultimo sea bajar las
antenas!!, tremendo camello que costo subirlas e instalar el sistema de rotación.
Agradeciendo la colaboración de antemano:
HK1NK
JHAM SALIM GECHEM.
PD. Agradezco información de colegas que dispongan de estaciones con
direccionales horizontales dispuestas con el fin de cuadrar pruebas a nivel de
propagación Tropo.
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Re: Mal enfase??
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