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Mi nueva antena HF Multibanda para superar restricciones

Por: XE1UD Miguel

Como varios de ustedes saben, las características de mi casa hacen casi imposible la operación en las bandas HF debido a varios factores:

  1. Fraccionamiento con prohibicion del comité de vecinos para la instalación de casi cualquier tipo de antenas “visibles
  2. Espacio físico sumamente reducido y además cerrado por varios lados debido a los edificios y casas circundantes
  3. Costo reducido, pues aunque soy radioaficionado de corazón, prefiero dedicar recursos a otros fines más elevados (…tengo hijos …)
  4. Facilidad de construcción, pues aunque tengo habilidades mecánicas y eléctricas suficientes, la mayor parte del trabajo lo hare solo y ya no soy tan joven como para ir escalando torres por la vida….
  5. Y para terminar, tengo cerca instalaciones industriales generadoras de altos niveles de ruido urbano (transformadoras de alta tensión, motores, soldadores, y quien sabe que más monerías)

Que les parece, así ? O más difícil… (Pero parece que no soy el único)

Esto me ha orillado a desfilar por varios diseños de antenas cortas, horizontales y verticales, de alambre y rígidas, disimuladas y ocultas y/o de características que si bien funcionan para cubrir alguna de las restricciones, sacrifican características de ruido, eficiencia, ancho de banda o potencia. Si a esto le agregamos el hecho de que requiero trabajar varias bandas y en cada una de esas bandas necesito poder trabajar los segmentos de modos digitales sin perder la capacidad de trabajar en fonía (no necesariamente con alta potencia, pero cuando menos con cobertura nacional o regional), la cosa se complica.

Necesito de una sola antena MULTIBANDA simple (no puedo instalar un jardín de alambres y tubos), con ancho de banda suficiente para operar digitales y fonía, y que a pesar de su relativo tamaño reducido cuente con la suficiente ganancia pero con aislamiento al ruido ambiental urbano.

En general todos los sistemas de transmisión implican una relación de factores de compromiso, y no se puede tener todo en la vida…. O sí?

Mi antena IDEAL me parecía un sueño imposible o una invención de James Bond (007), sin embargo tras experimentar con varios tipos de antenas por mucho tiempo (algunas definitivamente fuera de lo “normal”), y basándome en mis muchos experimentos prácticos (… y muchas horas de lectura técnica) llegue a la conclusión de que si combinaba cuidadosamente algunas de las mejores características deseadas y eliminando por obvias algunas opciones, pude ir seleccionando algunos grupos de antenas que si cumplían con algunas de mis expectativas..

De entrada, y por sencilla, la opción más obvia fue construir una antena tipo FAN (también conocida como bigotes de gato), calculada para optimizar y utilizar por resonancia algunas de las bandas requeridas, pero al final el diseño funcional excedió las medidas máximas del techo de mi edificio (10×20 mts) debido a la existencia de equipos de aire acondicionado que no fueron considerados en el plan original, sino hasta que la antena ya estaba terminada y lista para instalarse.

Incluyendo mi balún 4:1 de núcleo de aire fabricado tambien para la ocasión)

Además, el hecho de colocar tantos brazos juntos y a baja altura limitaba el ancho de banda disponible y la carga de resistencia al aire era demasiada para esta zona (recuerdan el dicho de lo que el viento le hizo a Juárez?).

Algunos otros diseños probados (Como la Isotrón*) eran adecuados pero para una sola banda, lo cual implicaba hacer muchas antenas y esa opción no es viable.


Mi antena Isotrón de 40 Mt.*

No estaba dispuesto a sacrificar demasiado la eficiencia en busca de reducir el tamaño de las antenas por lo que me convencí (después de varias pruebas) que no era practico (en mi caso) el uso de cargas inductivas (bobinas) para ajustar el tamaño de las antenas sacrificando ancho de banda y eficiencia, pues de que sirve tener una antena corta si no funciona bien como tal? (Soy enemigo de los amplificadores…)

Resultado…usar mis trampas inductivas… descartadas

Bueno, pues después de analizar cada una de las múltiples opciones conocidas (y otras no tanto…), reduje mis opciones a solo algunas ‘familias’ de antenas

Como requiero usar varias bandas de forma eficiente minimizando el uso del tuner, mi primer buen hallazgo fue una antena multibanda hecha con cable plano de 300 Ohms, el problema es que este material es casi imposible de obtener actualmente y solo se consigue por pedido especial lo que hace más caro el caldo que las albóndigas. Además requiere línea de transmisión de 75 Ohms (impráctico y de alta perdida) y el uso de antena tuner de amplio espectro para poder usar todas las bandas….

Conclusión… descartada.

Buscando un poco más encontré una antena de doble banda con mayor eficiencia que un dipolo normal llamada “Morgain” (de More-Gain o Mas Ganancia en Ingles) que usan mucho en España, altamente recomendada y de dimensiones cortas usando el efecto de resonancia en espiral, el problema es que el diseño original es para 80 y 40, pero hice los números y pude calcularla para que trabaje en 40 y 20 (…y otras) con dimensiones aún más cortas, con medidas de construcción no criticas según la gráfica que muestro a continuación…

(Hice un archivo Excel que sirve para calcular esta antena para varias bandas y que pondré a disposición a través de nuestra página www.crecj.org )

Esta antena me cubre 40 y 20 mts, pero no resuena en 15 debido a que de hecho ya está resonando armónicamente para 40 mts a través de su interacción espiral, es de buen ancho de banda y las distancias entre elementos no son críticas y con bajo nivel de ruido en un diseño compacto, por lo que usare esta como base de mi propio diseño iniciando con las bandas de 40 y 20 mts.

La siguiente banda que necesito es 30 mts para usar con Winlink y otros modos digitales ya que esta banda por sus características es especial, trabaja de día y de noche; y definitivamente para los que hacemos digitales es una banda básica y para eso me fui por el diseño de la clásica “Bazooka” ya que permite trabajar y ajustarse en V invertida a bajas alturas (yo estaré a solo 3 mts sobre el nivel del techo de un edificio de 2 pisos por cuestiones de camuflaje para mis vecinos).

Características:

No requiere balún, alimentándose directamente con cable coaxial de 50 ohm. Es eficiente en un 98% con lecturas nominales de ROE inferiores a 2:1 en toda la banda de trabajo. Puesto que no acumula cargas estáticas supone una reducción de ruido con respecto a otras antenas verticales (y dipolos). Y se puede montar en «V» invertida para resultados óptimos, formando un ángulo entre 90 y 120 grados, con polarización vertical y bajo ángulo de radiación, ideal para DX.

Tamaño similar a un dipolo clásico de media onda. Pero mejora notablemente la recepción con respecto al dipolo (esencial para digitales).

Impedancia de aprox. 50 Ohms.

Gran ancho de banda. >3:1 sobre un dipolo. En toda la banda de operación.

No irradia armónicos evitando problemas de Interferencia y resonancia no deseada.

Con cable coaxial RG58U puede soportar potencias altas + de 200 W PEP

Hice mi tabla Excel para calcular una frecuencia central de 10.140 Mhz ya que los nodos Winlink que me interesan trabajan cerca de esa frecuencia y como es una banda estrecha, puedo trabajar otros modos digitales sin ajustes de SWR. (Por ejemplo: JS8Call en 10.130 Mhz, etc).

(También esta tabla para calcular en otras bandas estará disponible a través de la página www.crecj.org)

Ya tengo 40, 30 y 20 mts, ahora necesito otra antena para 10 y 15 mts, como esas bandas son de frecuencias altas el problema no es el tamaño, sino poder hacer un solo kit para las dos bandas, así que mi selección fue un dipolo doble banda utilizando trampas resonantes LC (Alta “Q”) hechas con cable coaxial que trabajan como switches ABIERTOS EN SERIE para frecuencias superiores a las del diseño, bloqueando eléctricamente los segmentos externos de cada brazo del dipolo

Y ADEMAS conectada al resto de la antena usando el diseño original de la antena FAN (bigotes de gato)…

Por eso, mi razón principal por la que todos los diseños seleccionados fueron basados sobre la teoría DIPOLO es que pueda alimentar todas las bandas con UN SOLO CABLE sin necesidad de utilizar switches y cables coaxiales adicionales. Sin que la operación entre las diferentes bandas se vea afectada, y se puedan operar de forma independiente.

(Además hay otro aspecto mecánico de la instalación que analizare más adelante).

Como información adicional, a continuación se muestran algunos ejemplos de antenas dipolo con trampas LC:

Usando mi tabla original de la antena FAN, calcule la banda de 10 metros (La más alta) y sobre este cálculo agregue un par de trampas LC separando los tramos adicionales de cable radiante que me harán resonar el dipolo en la banda en 15 metros como se muestra en la siguiente imagen …

La construcción de las trampas LC es muy simple como se muestra:

El problema es la calibración lo más exacta posible, ya que el concepto teórico básico es que a frecuencias MENORES la trampa deja pasar la RF a los brazos externos del dipolo, mientras que a frecuencias MAYORES se comportan como interruptores ABIERTOS bloqueando el paso de nuestra transmisión sobre la línea conductora (este concepto es el que usa mi antena vertical Hustler BTV-5).

Otra particularidad de estas trampas LC es que los brazos externos de las siguientes banda(s) deben ser MAS CORTOS que en un dipolo normal, porque a frecuencias MENORES la trampa deja “pasar” la RF pero también la bobina coaxial ahora se comporta como una bobina inductora en serie haciendo que el resto del alambre radiante resuene a una longitud física MENOR. (Como las bobinas de carga de las antenas cortas verticales o móviles).

Por un lado esto me beneficia ya que pude hacer la antena más corta, pero recordemos el tema de las inductancias y sus relativas perdidas de eficiencia.

Como estas bandas no son prioritarias para mí, puedo vivir con 0.6 dB de perdida aproximada para la banda de 15 mts ya que en 10 mts la antena se comporta como un dipolo “normal”, sin ganancia pero tampoco sin perdidas.

Para hacer la calibración es necesario contar con un analizador para verificar la frecuencia exacta de resonancia (Y CORTE)…

Este equipo me fue facilitado por Felipe Betancourt y Mario Arriola, amigos y radio experimentadores locales… Gracias por su donación
Ah… solo era préstamo?… discúlpenme!
Pero para compensar le fabrique un accesorio adicional para la maleta del 007 como le llamamos a este equipo que ya uso más yo que el dueño.
*Ver notas más adelante…

En caso de no contar con un analizador, se puede hacer este proceso con un radio HF usando la MINIMA potencia y algún elemento detector de RF en el extremo acoplándolos por medio de una bobina detectora como en este ejemplo.

Como para ambos casos se requiere detectar la señal resonante y para eso se requiere un dispositivo accesorio como este (el cual no tengo)

Tuve que fabricarme este dispositivo casero de alta tecnología con sobrantes de mis experimentos, pero que pasa a formar parte de la maleta MFJ del agente 007

Existen en Internet varios métodos de calibración y diseño de este tipo de trampas LC, por ejemplo: http://degood.org/coaxtrap/ y https://k7mem.com/Ant_Trap_Antenna.html que tiene incorporada una herramienta interactiva para el cálculo de las bobinas coaxiales y que me resulto de mucha utilidad en la fabricación de mis propias trampas

(Hice un juego de trampas para cada banda que uso, aunque en mi antena finalmente solo utilizaré solo las de 10 Mt.)


Trampas LC para 29.000 MHz ya calibradas y selladas

Trampas para 30, 20 y 15 Mt. en proceso (ya selladas con cemento PVC)

(Ahora entiendo porque a estos experimentos les llaman Ugly baluns, y en este caso Ugly Traps)

En esta etapa ya cuento con las bandas de 40 y 20 “Morgain elíptica”, 30 mts con “Bazooka” coaxial y 10 y 15 con “Dipolo con trampas LC”

Ahora viene la parte de la integración como una sola antena multibanda usando un solo punto de alimentación de RF y un solo cable como línea de transmisión.

Si recuerdan, uno de los factores restrictivos de mi antena es la capacidad de soportar fuertes vientos con una mínima resistencia mecánica al aire, y que en el caso de la antena bigotes de gato clásica es deficiente y requiere múltiples tirantes o retenidas para poderse mantener vertical y estable?

Pues se me ocurrió que si coloco las antenas estratégicamente “distribuidas” y ancladas en forma de “X” sobre el techo de mi edificio, y conectadas con un soporte UNICO de conexión eléctrica y mecánica resistente, las mismas antenas sirven tanto como elementos radiantes y como retenidas del conjunto completo, evitando usar tirantes de alambre que pudieran afectar tanto la SWR como los patrones de radiación, y además respetando la regla básica de la “bigotes de gato” que dice que las bandas más largas siempre van arriba de las bandas más cortas sirviendo como soporte mecánico de ellas, y con las características eléctricas de las antenas que seleccione, reduzco las posibles interacciones entre ellas, con un mínimo de distorsión en los patrones de radiación ya que recordemos que las dipolos básicamente se comportan como antenas omnidireccionales (bueno… en la práctica si son ligeramente direccionales en dirección perpendicular de los brazos del dipolo, pero usemos estas características a mi favor).

Me explico…

Si coloco en la punta del mástil (tubo de PVC de pared gruesa cedula 40 de 1 ¼” y 3 mts de alto, y reforzado con otro tubo del mismo material pero de menor diámetro insertado en su interior, obtengo un mástil central mecánicamente fuerte y eléctricamente invisible para el conjunto de antenas, en las puntas utilizo tubos iguales de PVC pero de la mitad de altura para que los extremos queden aprox. a 1.5 mts del techo sobre las esquinas del edificio en diagonal (10 x 20 mts) y con esto mis problemas de espacio y estabilidad mecánica quedan resueltos y me proporcionan el ángulo deseado para que los dipolos queden instalados como Vs invertidas facilitando el ajuste de SWR.

Trampas para 30, 20 y 15 Mt. en proceso (ya selladas con cemento PVC)

Este mástil es liviano y eléctricamente neutro por lo que es más seguro que usar tubería metálica (además de ser mas económico) y como todas las antenas están hechas de RG58U, cable plano de TV a 300 ohm y alambre forrado AWG 16 el peso total del conjunto es bastante ligero y adecuado hasta para potencias de 200 W PEP aprox.

En la diagonal orientada NE-SW coloco la antena Bazooka para 30 mts sobre la diagonal más larga del techo y la ligera direccionalidad se ajusta a las estaciones en dirección SE-NW (la alineación continental Americana) y la antena doble banda “Morgain” de 20 y 40 mts colgada de la Bazooka, aprovechando los separadores de PVC delgado (1/4”) utilizados en su construcción.

(Y todo el conjunto sostenido por restos de cableado de fibra óptica utilizado por proveedores de Internet y que se pueden encontrar tirados por casi todos lados en la calle, este cableado es eléctricamente neutro, de alta resistencia a la elongación por estiramiento, muy delgado… y gratis!, lo que lo hace ideal para usarlo como soporte principal del conjunto).

En la diagonal SE-NW coloco la antena “dipolo con trampas LC” de 10 y 15 mts para que funcione como tirante mecánico de ajuste del dipolo principal y ocupando el espacio diagonal más corto del techo. Obteniendo lóbulos de radiación ligeramente orientados hacia Europa y el Pacifico (aunque vuelvo a recordar que los dipolos son básicamente omnidireccionales) lo cual me permitirá con suerte hacer QSO;s hacia USA y Canadá, como a México y Sudamérica en fonía.

Todas las antenas básicas utilizadas aquí teóricamente NO REQUIEREN acoplamiento de impedancia, pero como en mi caso estoy trabajando diferentes sistemas de radiación y aunque son simétricos preferí incorporar un balún 1:1 con núcleo de aire para evitar posibles desacoplamientos debido a la conexión tipo FAN o a las ligeras diferencias de calibración en los brazos de los dipolos (sobre todo en la banda de 15 mts que es eléctricamente sensible a las frecuencias de resonancia de las trampas) y evitar en lo posible el uso de antena tuner en todas las bandas.

Este balún 1:1 está fijado sobre un tramo de PVC de pared gruesa de 1 ¼” y aprox. 40 cm de largo que tiene varias funciones:

  • Permite poner y quitar rápidamente todas las antenas para mantenimiento o reubicación sin necesidad de desmontar el mástil central
  • Provee un punto de soporte mecánico en “X” para los brazos de todos los elementos usando tornillos largos de lado a lado y usando tuercas mariposa para cambiar los brazos de forma individual en caso de ser requerido
  • Permite que la tensión de las antenas NO se aplique directamente al balún evitando posibles danos a la línea de transmisión
  • (recuerden que las antenas funcionan como radiantes y retenidas al mismo tiempo)
  • Por la razón anterior, provee un punto de soporte mecánico al balún de forma independiente al conjunto de antenas, por lo que puede ser remplazado SIN desarmar los brazos del conjunto

Ajuste y armado de la antena:

La parte fundamental de cualquier antena es su acoplamiento correcto y resonancia en cada banda de operación y como cualquier otra antena debe ser CALIBRADA correctamente, pero debido a lo específico de este diseño debemos seguir el siguiente plan…

  1. ANTES de instalar la antena en el techo realizar una primera calibración a nivel de piso en una área despejada y amplia usando esta secuencia:
    1. Armar completamente la antena de forma temporal como si fuera a estar en el techo con sus mástiles incluidos (aquí no es relevante la orientación)
    2. Calibrar la banda de 10 mts haciendo pruebas arriba y debajo de la frecuencia de “corte” de las trampas LC procurando que ambos brazos queden lo más simétricos posibles ya que debido a las trampas pudiera ser necesario un ajuste en la longitud de cada brazos (ajustar un brazo a la vez de forma alternada y en recorridos cortos hasta alcanzar mínima ROE en la frecuencia de diseño
    3. Una vez calibrada la banda de 10 mts, calibrar ahora la banda de 15 mts ajustando las puntas de alambre externas del segmento de 15 mts y aquí si deben quedar simétricas las medidas de esas puntas de alambre
    4. Una vez calibrada la banda de 15 mts, ajustar los jumpers de ajuste de la sección de 20 mts de la antena “Morgain” (simétricamente)
    5. Cuando la banda de 20 mts haya quedado calibrada, ajustar los jumpers de la sección de 40 mts de la antena “Morgain” también de forma simétrica
    6. Cuando ambas bandas 20 y 40 hayan quedado listas, hacer medidas sobre la frecuencia de diseño de la antena “Bazooka” de 30 mts. Y alargar o recortar simétricamente las puntas del dipolo
    7. Con este paso hemos terminado la calibración inicial del conjunto de antenas y podemos desmontar y comenzar la instalación en el techo ya que las variaciones de SWR serán mínimas, pero la eficiencia general de la antena aumentara drásticamente al armarse sobre el techo del edificio
  2. DESPUES de la calibración en piso, instalar en el techo el conjunto de antenas y para finalizar, realizar una 2a verificación de SWR en cada una de las bandas para verificar que no hayan diferencias mayores a las medidas tomadas en la instalación de piso y hacer nuestras primeras pruebas al aire en su ubicación final.

Espero que este documento les haya dado ideas sobre la operación de antenas cuando se tienen factores de restricción y la forma como yo he podido superarlas.

Comprender la teoría de antenas y la forma como operan conceptualmente los sistemas hará que nuestra instalación de HF sea eficiente y satisfactoria sin necesidad de usar amplificadores y/o abusar continuamente del tuner (cualquier alambre es potencialmente una antena), pero sobretodo que logremos hacer muchos buenos contactos con radioaficionados de todas partes, y recuerden que…

un comunicado siempre es de dos vías” y la capacidad de ser escuchados siempre está sujeta a nuestra capacidad de escuchar primero.

(De nada nos sirve un elefante trompudo SIN orejas)

73’s de Miguel Darío XE1UD

Mario

Amante de la radio.

2 comentarios

  1. Hola amigo quiero saber con el tiempo como esta funcionando su antena. me parece una muy buena alternativa para espacios reducidos. si tienes una fotografía del trabajo terminado seria genial poder verlo.

    Un abrazo a la distancia

  2. Saludos Alvaro, recien este fin de semana pude realizar la calibracion para 40 y 20 por lo que ya esta listo todo para subirla al techo en cuanto haya algun tiempo disponible y con mucho gusto les comparto fotos y los resultados, lo que si te puedo decir es que en 30 mts quedo muy bien

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