ELEMENTO DRIVEN CON
ADAPTADOR GANMA-MATCHING PARA ANTENAS VHF Y UHF
Saludos Colegas, en esta
oportunidad les presento ideas para construir la antena más popular y usada
como elemento irradiante en la mayoría de diseños de antenas para UHF, VHF y HF
de corta λ
(λ
= longitud de onda), el cual lleva por nombre “Driven
Element“, básicamente consiste en un tubo conductor de 1/2 λ
firmemente soportado desde el centro del mismo y acoplado hacia la línea coaxial
mediante de un dispositivo capacitivo denominado “adaptador ganma-matching“.
El presente artículo se describen ideas
para la construcción casera,
resumidas situaciones poco conocidas sobre posibles respuestas (ancho de banda y factor de calidad) y ejemplos de implementación básica en arreglos de antenas.
Iniciando con el ancho de banda, se muestra una típica respuesta de ROE (Relación de Ondas Estacionarias):
De continuar analizando respuestas de ROE a lo largo del
espectro de frecuencias vecinas, se obtiene la primera situación poco mencionada y que es normal en dipolos de 1/2 λ para VHF y UHF:
Continuando con el factor de Calidad (Q = relación existente
entre componente resistiva y reactiva) es importante recordar que siempre que
haya resonancia se cancelan las componentes reactivas (XC – XL = 0 Ω),
haciendo que la impedancia quede puramente resistiva, siendo ésta la componente
que realmente absorbe casi toda la potencia del transmisor.
Si se analiza la impedancias para el mismo espectro
anterior, es posible observar variaciones cíclicas y múltiples frecuencias de
resonancias (línea
de color rojo en cero Ω). Igualmente se observa el comportamiento semiplano de la componente
resistiva (color
azul = aproximado en 50 Ω)
del ancho de banda útil para el cual se calculó el Driven Element (usando 1/2 λ -5%), con resonancia en
145.5 MHz.
Dentro de un
mismo ancho de banda, es normal que antes del correcto ajuste del
ganma-matching, existan variaciones cíclicas de la ROE, ejemplo:
Por motivos
diversos, existen variantes para calcular la longitud resonante del Elemento
Driven (impedancia resultante al adicionar otros elementos en el arreglo o
antena, áreas y diámetros, geometría y ubicación del adaptador ganma-matching,
etc.), pero con los datos y gráficas anteriores, se puede concluir que el Driven Element por diferente que se calcule,
siempre existirá posibilidad de resonancia y optimización, a esto se adiciona
el ajuste del adaptador ganma-matchig y la acción transformadora de impedancias
del cable coaxial.
Igual que en antenas Dipolos estándar, el volumen que ocupan los lóbulos en el patrón de radiación, se favorecen horizontalmente en función del incremento de la altura sobre el suelo. En la imagen siguiente se muestran diagramas de radiación a 3, 9 , 18 y 32 metros de altura sobre el suelo (simulación realizada mediante el programa MMANAGAL Basic).
ADAPTADOR
GANMA-MATCHING
Consiste en un capacitor ajustable compuesto de dos elementos
conductores cilíndricos y concéntricos, separados entre sí mediante un material
dieléctrico (no conductor de corriente) o aislante. Su longitud principalmente depende del
material dieléctrico, seguido de áreas, diámetros, separación al tubo Driven y
entre elementos conductores del mismo ganma-matching. No es crítica o de poca relevancia la
exactitud, es posible emplear materiales disponibles o reciclados y los
resultados continuarán excelentes (si desea en la WEB se ubican dimensiones
específicas).
Para mayor ancho de banda y menores problemas con agua de lluvias,
es preferible usar dieléctrico de aire (aprovecha la mayor longitud = 25% de la longitud del Driven, lo que es
equivalente a 1/8 λ) y fijar el conector
para línea coaxial en un costado del tubo soporte (boom).
Ejemplo de conector fijado en el boom:
TUBO DRIVEN
Mayor diámetro del tubo Driven determina mayor ancho de banda de la antena y éste debería ser superior al diámetro del
adaptador ganma-matching (no necesariamente). Con tubo Driven de longitud 1/2 λ
-5% (1/2 λ -5% = 142.5 dividido entre la frecuencia en MHz, el resultado
será en metros) y ganma-matching de
1/8λ (35.62 / frecuencia) con aislante de aire, para sistemas de 50 Ω típicamente la antena no requiere ajuste.
Para construcción de antenas Yagis
eventualmente sugieren calcular la longitud del tubo Driven con 1/2λ – 4.5% (144.6 / frecuencia ) y
ajustar en el ganma-matching. La
fotografía siguiente muestra la exactitud de respuesta en primera lectura
tomada de un Driven Element recién construido, sin previos ajustes y calculado con
1/2 λ -5% para FM comercial 100.6 MHz (X = 4 Ω Indica que la longitud actual del
Driven es ligeramente superior de la longitud resonante. X debería ser 0 Ω, para este caso con poca
importancia, debido a que en la prueba se empleó cable coaxial RG58/U de
longitud aleatoria y eléctricamente larga).
IMÁGENES EXPLICATIVAS:
El elemento Driven se corta a una longitud fija, en las dos últimas
fotografías se muestra método de ajuste telescópico, situación solo necesaria
para cubrir amplio rango de frecuencias, como por ejemplo, constantes pruebas
de transmisores en todo el rango comercial FM (desde 88 MHz, hasta 108 MHz),
para este caso específico el adaptador ganma-matching si requiere ajustes,
aunque es posible dejarlo ajustarlo la frecuencia central (aproximadamente 98 MHz).
También es posible adicionar
tornillos prisioneros para fijar y mejorar el contacto eléctrico entre tubos y
ambos extremos de la abrazadera (Driven y ganma-matching), para esto es
importante sellar posibles entradas de agua de lluvia.
IMPLEMENTACIONES
TÍPICAS CON DRIVEN ELEMENT
Otra característica importante
del Driven Element es permitir adicionar
elementos iguales o similares, separados entre sí a distancias específicas
para mejorar directividad o aumentar
ganancia. Existen diversos tipos y
combinaciones de arreglos de antenas, a continuación citaré lo necesariamente
básico para implementarlos en sistemas típicamente usados por Radioaficionados
y emisoras comerciales.
La popular antena
Yagi
Consiste en un arreglo donde solo
se alimenta el Driven Element, por inducción el resto de los elementos (reflector y directores) acomodados de forma paralela igualmente irradian, concentrando
la mayor energía en una sola dirección.
Las longitudes, posición y
cantidad de elementos determinan las características de las antenas Yagis, en VHF y UHF básicamente se pueden calcular
según la figura “A” siguiente, para luego optimizar al gusto o según
necesidades empleando software de simulación (MMANA-GAL o similar).
En el enlace siguiente se describe mayores detalles relacionados con el diseño, cálculos y construcción casera de antenas yagis de diversos números de elementos:
Para construir
la mayoría de arreglos de antenas, es necesario conocer algunos
términos básicos, tales como el área de
captura (o de apertura) de
cada elemento y tipo de alimentación
(coaxial manifold).
En Dipolos de 1/2 λ la
apertura es de forma elíptica y mide aproximadamente 3/4 λ x 1/4 λ (fuente: VHF handbook for Radio Amateurs, por Herbert S. Brier y William I. Orr).
θh y θe representan las anchuras de
haz de potencia media en los planos eléctricos y magnéticos respectivamente. El plano eléctrico θe
se genera en el mismo plano que el elemento radiador (Dipolo o Driven
Element), mientras que el plano
magnético θh
se genera perpendicularmente. La apertura física es el área frontal del
sistema de antena y puede ser menor o mayor que la apertura efectiva.
La máxima
apertura se determina mediante el correcto distanciamiento entre los elementos
que conforman el arreglo, tal es el ejemplo de 2 antenas Yagis conectadas en Staking, donde las aperturas sólo se
tocan (evitar el solapamiento).
Respecto de la alimentación, en palabras sencillas
consiste en determinar con exactitud las longitudes eléctricas en cada
derivación o tramos divisores de potencia del manifold que conecta hacía la
línea transmisión (en λ), iniciando desde los extremos que conectan hacia
cada Dipolo o elemento excitado del arreglo de antena (E1 hasta E8 de la
imagen siguiente), en función de la impedancia compleja resultante y el grado
de las fases en dichos puntos de derivación (T1 hasta T7 de la imagen).
Se sugiere que
las longitudes de dichos tramos de que conforman el “coaxial manifold”, preferiblemente deben ser de longitudes
resonantes, tanto en nodos o vientres de tensión (múltiplos de 1/4 λ), en
función de la desadaptación entre las impedancias de cada elemento excitado (ZL), respecto a las impedancias características de las líneas a las
cuales se conectan (Zo). Se muestran las tablas de
conversiones de impedancias para Zo de 50 Ω y 75 Ω,
más 4 ejemplos:
① Típicamente las antenas Yagis construidas
con Driven Elements determinan impedancias inferiores a la del cable coaxial. Para
estos casos, al ajustar 2 antenas Yagis en ZLx = 25
+j0.0 Ω y 2.0 ROE cada una, al conectarlas en Staking según las tablas
anteriores es conveniente construir el manifold con cable coaxial de Zox = 50 Ω, donde en cada múltiplo impar
de 1/4 λ la conversión de impedancias es Zi = 100 +j0.0 Ω,
lo cual determina 1.0 ROE en el punto de conexión hacia la línea de transmisión
(de Zo = 50 Ω)
que conecta hasta el transmisor.
② Las antenas Yagis construidas con
Dipolos Plegados determinan impedancias que típicamente duplican las del cable
coaxial. Para estos casos, si 2 antenas Yagis determinan ZLx = 100
+j0.0 Ω con 2.0 ROE cada una, al conectarlas en Staking según las tablas
anteriores es conveniente construir el manifold con cable coaxial de Zox = 50 Ω, donde en cada múltiplo par de
1/4 λ no existe conversión de impedancias (se ven los mismos Zix = 100 +j0.0 Ω), lo cual determina 1.0 ROE en el punto de conexión hacia la línea de
transmisión (de Zo = 50 Ω)
que conecta hasta el transmisor.
③ Para 2 antenas Yagis ajustadas en ZLx = 50
+j0.0 Ω cada una, al conectarlas en Staking según las tablas anteriores es
conveniente construir
el manifold con cable coaxial de Zox = 75 Ω, donde según la tabla
anterior en cada múltiplo par de 1/4 λ la conversión de
impedancias es Zix
= 112.5 +j0.0 Ω, lo cual determina 1.125 ROE en el punto de
conexión hacia la línea de transmisión (de Zo = 50 Ω)
que conecta hasta el transmisor.
④ Se requiere calcular las longitudes
múltiplos impares de 1/4 λ, para una
frecuencia de 99.7 MHz y cable coaxial con aislante de espuma de teflón (VP =
0.82).
Cálculo: 1/4 λ = 75 / 99.7 x 0.82 = 0.616 metros.
·
0.616 x 1 = 0.616 m.
·
0.692 x 3 = 1.85 m.
·
0.692 x 5 = 3.08 m, etc.
Cálculo para el ejemplo 2 (de 1/2 λ) = 150 / 99.7 x 0.82 = 1.233 metros.
En Arreglos Colineales se acomodan
linealmente números pares de Driven Elements de 1/2 λ cada uno, polarizados vertical u
horizontalmente y preferiblemente distanciados aproximadamente a 3/4 λ desde el centro de cada elemento. Cálculos de separación:
· Sugerido en bibliografía = 0.75 λ = 213.75 dividido entre la frecuencia (en MHz).
·
Sugerido por expertos y simuladores = 0.97λ = 213.75 / frecuencia (en MHz).
La ganancia
total del arreglo incrementa al adicionar pares de elementos, correctamente
distanciado (fuente: VHF handbook for Radio Amateurs, por Herbert S. Brier y William I. Orr).
El patrón de radiación mejora considerablemente, en la medida que se incrementa el número de elementos del arraglo colineal. Se muestran respuestas para 1 elemento (6.63 dBi), 2 elementos (9.13 dBi) y 4 elementos (11.72 dBi), donde cada análisis se realiza a 15 metros de altura sobre el suelo y en el espacio libre ( análisis realizado mediante el programa MMANAGAL Basic ).
En este otro ejemplo se calcula la misma antena de arreglo colineal de 4 elementos para FM comercial 97.7 MHz y a 15 metros de altura, pero con una separación entre elementos equivalente a 0.98 λ. Se aprecia el incremento de ganancia (12.67 dBi), en comparación con los 11.72 dBi del arreglo colineal que tiene 3/4 λ de separación entre elementos.
Cálculos para antena de arreglo colineal, con tubos driven de aluminio, hasta 3/4" de diámetro:
* Longitud de elementos diven: 144.889 / frecuencia (144.889 / 97.7 = 1.483 metros).
* Separación entre elementos: 296.82 / frecuencia (296.82 / 97.7 = 3.038 metros).
Los efectos de circulación de corrientes en el entorno del arreglo colineal, causan deformaciones en el patrón de radiación, longitudes de resonancias, alteración de impedancias, etc. En el ejemplo siguiente se simula la misma antena anterior, pero distanciada a 1/2 λ del tubo de fijación de los 4 elementos.
Antena de arreglo colineal VHF 2 metros, de 2 ó 4 elementos
Los Arreglos Broadside acomodan los Driven Elements de forma paralela,
alimentados en fase y separación equivalente a 5/8 λ entre cada elemento. Cálculo de 5/8 λ = 178.12 dividido entre la
frecuencia, en MHz (fuente: VHF handbook for Radio Amateurs, por Herbert S. Brier y William I. Orr).
Para los Arreglos End-Fire se
requiere adicionar desfase de 90° en la alimentación por cada elemento
BIBLIOGRAFÍA
CONSULTADA
· VHF
HANDBOOK FOR RADIO AMATEURS by Herbert S. Brier (W9EGQ) and William I. Orr (W6SAI).
·
Manual de Instrucciones
Analizador de ROE para HF / VHF MFJ-259B.
PARA
CULMINAR
Ramón Miranda ( YY5RM ).
Instructor de electrónica en el Radio Club Venezolano
Igualmente disponibles para descargar desde
www.qrz.com/db/YY5RM
Espero sea de utilidad.
QRV.
Saludos desde Carora Lara YV3ASA 3YX530
ResponderEliminarEstá muy bueno felicidades, me podrían decir como calculo la distancia entre las antenas?
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