DIPOLO 11 METROS, CON BALUN COAXIAL 4:1

ANTENAS DIPOLOS PLEGADOS Y WINDOM, PARA UHF Y VHF (EN HF BANDAS 10, CB11 Y 15 METROS), AMBAS CALCULADAS CON 1/2λ -10% Y ACOPLADA HACÌA LA LÌNEA DE TRANSMISIÒN, MEDIANTE BALUN COAXIAL DE 171º
(EXCLUSIVAMENTE PARA SISTEMAS DE 50 Ω)

Por Ing. Ramón Miranda, YY5RM ( ramon.miranda811@hotmail.com )

Saludos Colegas, Las longitudes de resonancias en la mayoría de antenas Dipolos (y sus variantes), se calculan restando aproximadamente -5% de la media longitud de onda (1/2 λ – 5%), este estándar establecido desde los inicios de la radio, determina excelente equilibrio de impedancia y parámetros ideales para sistemas de 75 Ω, pero en la actualidad, la mayoría de equipos transceptores, requieren  antenas cuyas impedancias aproximen los 50 Ω.

Con fines demostrativos de parte del contenido teórico del archivo “Longitud del Cable coaxial y Nodos.pdf” y aprovechando las bondades que nos ofrecen el uso de longitudes específicas en cables coaxiales, en el presente artículo se describen estudios satisfactorios, realizados al reducir desde 8% hasta 10% las longitudes resonantes en antenas Dipolos Plegados o alimentadas fuera del centro (OCF), para UHF, VHF o HF de corta λ y acopladas hacia la línea de transmisión mediante balun coaxial de longitud reducida en 171°, el cual además de balancear y realizar el acople de impedancias exclusivamente para sistemas de 50 Ω, en este caso se adiciona un efecto que cancela la reactancia capacitiva causada por la longitud reducida de la antena, para así lograr un diseño que determine impedancia puramente resistiva en gran parte de su ancho de banda, cualidades que la hacen única entre las antenas diseñadas hasta la fecha (antena de auto-cancelación de reactancias).

Respecto a los recursos usados en el presente en el presente artículo:

• Los análisis virtuales de antenas se realizaron mediante el programa MMANA-Gal_Basic v 3.0.0.31 (1999 – 2011), desarrollado por el radioaficionado japonés Makoto Mori (JE3HHT) y completado por Alex Schewelew (DL1PBD) e Igor Gontcharenko (DL2KQ).
• Los análisis virtuales en la línea coaxial se realizaron mediante el programa Smith V4.0, diseñado por el Profesor Friz Dellsperger. Bern University of Applied Sciences Switzerland.  1995 - 2016.
• Las mediciones de campo se realizaron mediante instrumento analizador de ROE e impedancias de RF MFJ-259B (enlace para mayor información: https://www.w8ji.com/mfj-259b_calibration.htm ).

  CONTENIDO DEL ARTÍCULO

·        Notas preliminares

·     Comportamiento de la Antena Dipolo plegado de longitud estándar, acoplada hacia la línea de transmisión mediante balun coaxial de 1/2 λ.

·        Resultados al experimentar con longitudes reducidas, λ - 10%

·        Cálculos y respuestas.

·        Balun coaxial de longitud reducida (171°).

·        Técnicas para la implementar con alambres, en HF de corta λ.

·        Desventajas de la antena.

·       Anexos.

Respuestas de la Antena Dipolo Plegado YY5RM CB 11 metros, probada en polarización horizontal, diversas frecuencias y ensayos con Dipolo OCF YY5RM.

Ejemplos de longitudes para frecuencias VHF y UHF de mayores usos.

Ejemplo en WIFI 2.4 GHz.

Ejemplos en UHF.

·       Comentarios finales.

NOTAS PRELIMINARES

1.   En caso de requerir conocimientos relacionados  con el contenido del presente artículo, se sugiere previa lectura de los archivos “Longitud del Cable Coaxial y Nodos.pdf” y “Desplazamiento de la Frecuencia de Resonancia.pdf”.

2.  Nota teórica adicionada: Una antena Dipolo de 1/2 λ, puede tener múltiples frecuencias de resonancias a lo largo del espectro, incluyendo sus frecuencias armónicas y frecuencias vecinas, ejemplo: La gráfica siguiente muestra lecturas de impedancia compleja en un elemento Driven de una antena Yagi VHF 2 metros, calculada para transmitir en 145 MHz, donde se aprecian múltiples frecuencias de resonancias. (donde la componente reactiva toma valores de jX = 0.00 Ω).

1.      La impedancia en una antena Dipolo de 1/2 λ, tiende a estabilizar sobre 2 λ de altura sobre el terreno.  En bandas HF, esta altura genealmente no supera 1/2 λ (ejemplo: Una torre o tubo mástil de 10 metros de altura, representa 1/4 λ en banda HF 40 metros), haciendo posible que mediante pequeñas variaciones en dicha altura, sea posible alterar significativamente la impedancia del Dipolo. Mientras que en bandas VHF y UHF, la altura de antena generalmente supera 3 λ (en VHF 2 metros, los mismos 10 metros de altura, representa aproximadamente 5 λ), lo cual hace necesario usar otros métodos para modificar su impedancia. 

3   Las simulaciones virtuales se realizaron mediante el programa MMANA-GAL_Basic y las lecturas de campo se realizaron mediante instrumento analizador de antenas MFJ-259B (resulta normal apreciar ligeras diferencias de respuestas, entre ambas formas de analizar)

COMPORTAMIENTO DE LA ANTENA DIPOLO PLEGADO DE LONGITUD ESTÁNDAR, ACOPLADA HACIA LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN MEDIANTE BALUN COAXIAL DE 1/2 λ.

A pesar que el propósito de esta antena, es corregir desequilibrios de impedancias "preferiblemente en VHF y UHF", para cuantificar con mayor precisión en longitudes y demás resultados, inicialmente las pruebas se realizaron en una antena Dipolo Plegado para HF de corta λ, polarizado horizontalmente, con 5.23 metros de longitud, 0.9 metros de separación del pliegue, construida con alambre de cobre (1.5 milímetros), montada aproximadamente a 5.5 metros de altura (1/2 λ) y acoplada hacía la línea de transmisión de 50 Ω mediante un balun coaxial de relación 4:1 (de 1/2 λ = 180° eléctricos ), la cual determinó 1.5 de ROE en la frecuencia del canal 20 (27.205 MHz) de CB 11 metros. La imagen YY5RM-DP02, muestra la geometría del Dipolo Plegado.

ANTENA DIPOLO PLEGADO ESTÁNDAR, PARA FRECUENCIAS CB 11 METROS

La imagen YY5RM-DP01 muestra el análisis virtual de esta antena Dipolo Plegado, como elemento independiente del sistema y respecto a una línea de transmisión de 300 Ω:

La imagen YY5RM-DP03 muestra el comportamiento de la impedancia compleja en un rango de frecuencias de 8 MHz. La imagen YY5RM-DP04 muestra el ancho de banda y ROE en un rango de 4 MHz.

La interferencia de ondas en los terminales de un balun coaxial estándar de 180° (longitud eléctrica), duplica la amplitud de onda del voltaje RF (N = 2), lo cual determina una relación de conversión de impedancias de 4:1 (N²: 2² = 4), es decir, de 300 Ω ↔ 75 Ω. Pero en este caso la línea coaxial es de 50 Ω y de longitud resonante para 27.205 MHz, por consiguiente el desequilibrio de impedancias es 1.5 ROE. La imagen siguiente muestra la lectura de campo, donde la diferencia entre R (ohm) = 281,9 Ω de la imagen YY5RM-DP01 y R = 75 Ω del analizador (300 Ω / 4 = 75 Ω ⁞⁞ 281,9 Ω / 4 = 70.47 Ω), se debe a que cualquier mínima variación para esta altura, afectará significativamente la impedancia (demostrado en la gráfica YY5RM-DP11, página 11). 

Mediante el analizador de antenas, se verifica el espectro de frecuencias vecinas a la de resonancia y dentro del mismo espectro, se observaron tres valles con anchos de bandas diferentes, los cuales representan tres frecuencias de resonancias distintas y a las que en el presente artículo se han denominado con los nombres: Resonancia baja (58 Ω), resonancia media (75 Ω) y resonancia alta (89 Ω). 

Resonancia Media: Cancela componentes reactivas en 27.202 MHz, representando la frecuencia para la cual se calculó la antena y balun coaxial, con 1.5 ROE en sistemas de 50 Ω (en sistemas de 75 Ω determinaría a 1.0 ROE).

Resonancia Baja: Para este rango de frecuencias menores a la original, la antena representa un acortamiento en la longitud -5% menor, con respecto a la frecuencia (25.486 MHz) y un equilibrio de impedancias notablemente mejor para sistemas de 50 Ω (58 Ω / 50 Ω = 1.16 R.O.E.). Adicionalmente presenta un valle equivalente a 4 veces superior que el ancho del valle de la resonancia media.

Resonancia Alta: (83 Ω) En este rango de frecuencia mayores que la original, representó un ligero alargamiento equivalente a 0.51 λ, con reducido ancho de valle y 1.7 ROE (no analizado y sin posibles usos).

RESULTADOS AL EXPERIMENTAR CON LONGITUDES REDUCIDAS, λ – 10%

ANTENA DIPOLO PLEGADO YY5RM, DE REACTANCIA AUTO-CANCELABLE, PARA SISTEMAS DE 50 OHMIOS (MAYOR ANCHO DE BANDA)

Inicialmente se redujo en 5% la longitud de antena Dipolo Plegado CB 11 metros, la imagen YY5RM-DP05 muestra la nueva geometría de la antena.

Debido a que en esta nueva geometría de antena, su impedancia compleja presentará reactancia capacitiva (jX de signo negativo), para "introducir un efecto de auto-cancelación" de la misma, resulta necesario adicionar reactancia inductiva (jX de signo positivo), lo cual es posible reduciendo la longitud del balun coaxial (para este caso, reducido en la misma proporción = 5% menor = 171º)

Al analizar este nuevo sistema de antena mediante el instrumento, desde el extremo que conecta al transmisor se observa que la frecuencia de resonancia se desplazó hasta 27.795 MHz con impedancia compleja de 60 +j0.0 Ω y 1.1 ROE.  Adicionalmente se pudo comprobar la ausencia de reactancias en un amplio espectro de frecuencias, lo cual constituye un nuevo ancho de banda notablemente mejorado, de excelente factor de calidad y una recepción de impecable relación señal/ruido.  Condiciones nunca antes vistas en antenas individuales diseñadas hasta la fecha.

Para comprobar este comportamiento, seguidamente se analizó virtualmente la respuesta de la antena reducida en -5%, como elemento independiente del sistema, con resultados satisfactorios.

La imagen YY5RM-DP07 muestra dicho comportamiento en un espectro de frecuencias de 8 MHz, en la cual se aprecia resonancia  aproximadamente en 28.482 MHz (+j0.0954 Ω) y no en 27.795 MHz como muestra el analizador de antenas MFJ256B. La ROE se analiza en un espectro de 4 MHz (imagen YY5RM-DP-08):

Luego, analizando el comportamiento virtual de la antena en 27.795 MHz (imagen YY5RM-DP06), se aprecia la presencia de reactancia capacitiva (–j79.67 Ω) en su impedancia compleja, lo cual certifica que no hay resonancia en 27.795 MHz, se demuestra que la antena es pequeña para dicha frecuencia y que en el sistema existen otros factores que conjugan dicha reactancia.

Para explicar el fenómeno y lograr que el sistema sea resonante en 27.795 MHz, resulta necesario combinar dos métodos para cancelar reactancia capacitiva en la impedancia compleja de la antena: ① Recortar la longitud del balun coaxial y ② desplazando la frecuencia del transmisor:

① Al modificar -5% la longitud del balun coaxial estándar de 180°, afectará ligeramente la relación de transformación de impedancias hasta 3.85:1, pero mientras exista ROE (1.4 ROE en este caso), el desfase de 171° eléctricos producirá un incremento de reactancia inductiva (aproximadamente +j40.98 Ω en este caso), lo cual hará posible cancelar reactancia capacitiva y simultáneamente desplazar la resonancia del sistema, hacia frecuencias menores (aproximadamente 28.129 MHz, analizado más adelante).

② Para cancelar en totalidad la reactancia capacitiva de la antena en 27.795 MHz (-j79.67 Ω), adicionalmente se debe desplazar la frecuencia del transmisor hasta lograr el +j38.69 Ω faltante.

Analizando el comportamiento de la impedancia compleja de esta antena en el espectro de frecuencias, una variación de reactancia de +j38.69 Ω en ZL, corresponde a un desplazamiento de frecuencia equivalente a 0.353 MHz [(79.67 Ω en 27.795 MHz) – (40.98 Ω en 28.129 MHz)], es decir, para cancelar totalmente la reactancia capacitiva del sistema, será necesario desplazar la frecuencia del transmisor hasta: 28.129 MHz – 0.353 MHz = 27.776 MHz.

Nota:  La diferencia entre la lectura de campo (27.795 MHz) y los análisis virtuales (27.776 MHz), en este caso corresponden principalmente a las variaciones de longitudes eléctricas en el balun coaxial y línea de transmisión. Para un cable coaxial con 0.82 de VP y el rango de frecuencias analizadas (28.482 MHz ↔ 27.205 MHz), por cada 1/2 λ hay un diferencial de 20.27 centímetros en longitud física, lo cual hace variar el ángulo del coeficiente de reflexión, desplazando la frecuencia de resonancia vista desde Zi, modifica la relación de conversión de impedancias en el balun y su efecto cancelador de reactancias.  Finalmente se establecen los cálculos en centímetros y en pulgadas:

 

 

CÁLCULOS SUGERIDOS

La longitud física e impedancia compleja de las antenas Dipolos YY5RM pudieran ser afectadas por la altura de montaje de dichas antenas, por la polarización vertical u horizontal, diámetro y tipo del material conductor con los que se construye la antena, separación del pliegue, objetos cercanos, etc., indiferentemente de estos factores, para lograr una reactancia capacitiva que ronde entre –j50.0 Ω y –j90.0Ω, es necesario variar la longitud total del Dipolo YY5RM entre λ -8% y λ -10%. (la constante en la fórmula pudiera variar desde 13700 hasta 13500).

Cálculos para resultados de longitudes en centímetros (ingresar la frecuencia en MHz).

·         Longitud máxima total de Dipolos YY5RM (desde ambos extremos): 13700 / frecuencia

·         Longitud mínima total de Dipolos YY5RM (desde ambos extremos): 13500 / frecuencia

·         Longitud de cada brazo (Dipolo Plegado YY5RM): Longitud total / 2

·         Longitud del brazo derecho (Dipolo OCF YY5RM): Longitud total / 1,5

·         Longitud del brazo izquierdo (Dipolo OCF YY5RM): Longitud total / 3

·         Separación del pliegue (no crítico): 245 / Frecuencia

·         Longitud del balun (cable coaxial de VP = 0.82): 11685 / frecuencia

·         Longitud del balun (cable coaxial de VP = 0.70): 9975 / frecuencia

·         Longitud del balun (cable coaxial de VP = 0.66): 9405 / frecuencia

 

Cálculos para resultados de longitudes en pulgadas (ingresar la frecuencia en MHz).

·         Longitud máxima total del Dipolo (desde ambos extremos): 5393,7 / frecuencia

·         Longitud mínima total del Dipolo (desde ambos extremos): 5314,96 / frecuencia

·         Longitud de cada brazo (Dipolo Plegado YY5RM): Longitud total / 2

·         Longitud del brazo derecho (Dipolo OCF YY5RM): Longitud total / 1,5

·         Longitud del brazo izquierdo (Dipolo OCF YY5RM): Longitud total / 3

·         Separación del pliegue (no crítico): 96,39 / frecuencia

·         Longitud del balun (cable coaxial de VP = 0.82): 4600,39 / frecuencia

·         Longitud del balun (cable coaxial de VP = 0.70): 3927,16 / frecuencia

·         Longitud del balun (cable coaxial de VP = 0.66): 3702,75 / frecuencia

Enlace para descargar hoja Microsoft Excel 2010, para calcular antena Dipolo Plegado YY5RM Lambda -10% y  su respectivo balun de 171°, solo para sistemas de 50 ohmios:
https://mega.nz/#!CjJHhQqK!ZEqE52sA2wUoM8HVHHq-zNTvez_VfKck2NZ5jeYfwaI

Esta es la imagen del programa para calcular antenas Dipolos Plegados YY5RM. Solo se ingresa al frecuencia en MHz. Los resultados en centímetros y en pulgadas

Enlace para descargar hoja Microsoft Excel 2010 para calcular antena Dipolo Plegado estándar (lambda -5%) y su respectivo balun coaxial de 180°, para sistemas de 75 ohmios (solo se ingresa la frecuencia en MHz.  Los resultados en centímetros y en pulgadas):
https://mega.nz/#!TuY1kKoS!aDVF9RB065Ye79TPQQGHIUtdItmNlYai6eOfXN6GpYM

La gráfica siguiente muestra el ancho de banda de la antena Dipolo Plegado CB 11 metros y Dipolo OCF YY5RM, vistos mediante instrumento medidor de ROE (analógico), con aproximadamente 20 vatios RF:

La tabla siguiente muestra el verdadero comportamiento de la impedancia compleja de la antena Dipolo Plegado YY5RM CB 11 metros, visto mediante un instrumento analizador de antenas MFJ259B, con 20 mili Watts de potencia RF:

Se grafican los datos de la tabla anterior (color rojo = componente resistiva. color azul = componente reactiva). Nota: El instrumento no discrimina la polaridad de las reactancias. En las pruebas se determinó que por encima de 25.5 MHz el jX es positivo y por debajo de dicha frecuencia el jX  es negativo.

A diferencia de la respuesta de ZL en antenas tradicionales, donde la frecuencia de resonancia es posible exclusivamente en un punto del ancho de banda, en esta antena Dipolo Plegado YY5RM existe un ancho de banda resonante (más de 1 MHz en este caso). Nota: En este caso, para lograr el perfecto equilibrio de impedancias (trasladar el ancho de banda hacia el centro de la Carta de Smith), basta con modificar la altura de la antena, con respecto al suelo.

Normalmente las antenas tradicionales presentan respuesta de ZL en forma de espiral. A continuación se muestra la respuesta de ZL en el Dipolo Plegado YY5RM CB 11 metros:

Comparación de la componente resistiva de la impedancia compleja, para los dos tipos de antenas Dipolos Plegados (tamaño 1/2λ -5% ó estándar y tamaño 1/2λ -10%), al variar la altura respecto al suelo.

En VHF y UHF, cuando se usa línea de transmisión (cable coaxial), el Dipolo Plegado YY5RM resulta ideal como antena, incluso se sugiere como elemento alimentador de antenas parabólicas. La imagen siguiente demuestra el porque, aunque para comprender su significado, se sugiere la lectura del artículo "Longitud del Cable coaxial y Nodos": http://yy5rm.blogspot.com/2011/11/longitud-del-cable-coaxial-y-nodos.htm

APILAR DIPOLOS YY5RM EN ANTENAS DE ARREGLOS COLINEALES

TÉCNICAS PARA IMPLEMENTAR CON ALAMBRES, EN HF DE CORTA λ

Dipolo Plegado YY5RM probado en CB 11 metros, al estilo slooper (inclinada):

DESVENTAJAS DE LA ANTENA

1.   

Mucho peso en frecuencias HF, a causa del pliegue, separadores y balun coaxial, por consiguiente requiere buen tensionado si se construye con alambres conductores.  

2.  El balun coaxial es de longitud sintonizada, por lo tanto responde excelentemente en su primera frecuencia armónica, pero con ligeros desplazamientos de frecuencias en sus armónicas superiores.

3.      Difícil de construir.

4.     En caso del Dipolo OCF YY5RM, requiere “choke de RF”, para suprimir una ligera irradiación en la línea coaxial.

5.     Determina baja impedancia al usar como elemento excitado de antenas Yagis.

.

ANEXOS

PATRÓN DE RADIACIÓN DE LA ANTENA DIPOLO PLEGADO HORIZONTAL, PARA 10, CB 11 Y 12 METROS, 1/2 λ -10%, A 5.5 METROS DE ALTURA

GEOMETRÍA DEL DIPOLO PLEGADO VERTICAL, 10, CB 11 Y 12 METROS, 1/2 λ -10%, A 5.5 METROS DE ALTURA






PARA CONCLUIR

La información proporcionada en el presente artículo se basa en ensayos prácticos, complementados con teoría existente desde inicios de la radio y conocimientos propios del autor.   En caso de aportes técnicos relacionados con el tema, favor ponerse en contacto vía correo: ramon.miranda811@hotmail.com , o ramon.miranda811@gmail.com

Los artículos e imágenes que he publicado, "son de libre uso", eventualmente son actualizados y su última versión siempre estará disponible para descargar desde www.qrz.com (YY5RM en el buscador), o directamente desde el enlace https://www.qrz.com/db/YY5RM 

Ramón Miranda (YY5RM).
Instructor de electrónica en el Radio Club Venezolano.

27/08/2019.

Enlaces para descargar el archivo

 (Actualizado el 22-02-2020):
https://mega.nz/#!37QAjKBR!q8-Efn_kD1F9bdeXInaTvTtw3h4EBIwK3t7Eknw-4C0

(23-02-2020):
https://www.dropbox.com/s/xk1aus3ac0hk09l/DIPOLO%20PLEGADO%20Y%20WINDOM%20%CE%BB-10%25.pdf?dl=0

(23-02-2020):
https://documentcloud.adobe.com/link/review?uri=urn:aaid:scds:US:72782bfd-6014-42aa-a591-f5f326c69a5d

English vesion
Link:
https://files.acrobat.com/a/preview/0b283876-2f27-4907-9775-c7ff415e8fcd

Enlaces y artículos relacionados ( existentes en el presente Blog ):

Longitud del Cable Coaxial y Nodos:
https://www.blogger.com/blogger.g?blogID=6845562877973505975#editor/target=post;postID=6974568701129291312;onPublishedMenu=allposts;onClosedMenu=allposts;postNum=11;src=postname

Desplazamiento de la Frecuencia de Resonancia ( 04-12-2019 ):

https://files.acrobat.com/a/preview/5e87e12b-7e77-407d-b7a9-6a0afd6c5364
( English versión, data 10-22-2018 ): https://files.acrobat.com/a/preview/7021823f-839c-4122-bdb7-c41eede5891d

Enlaces y archivos similares:

Antena Doble Bazooka para CB 11 metros ( 27MHz )
( 19-04-2018 ) https://files.acrobat.com/a/preview/cdd77d33-e4e4-4781-9679-856c2872b407

Estos enlaces están disponibles y actualizados en www.qrz.com/db/YY5RM

OTRAS IMÁGENES DEL ARCHIVO

DIPOLO PLEGADO DEL ARCHIVO INICIAL

DIPOLO PLEGADO YY5RM USADA EN WIFI 2.4GHz