Antena

Una antena móvil de longitud extendida de alta eficiencia

¿Qué operador amateur que utiliza el móvil no se ha incluido en la lista de una antena más grande y mejor? Bueno, yo también, y este es el resultado ...

Mucho más alta que la antena promedio móvil de radioaficionado, esta antena de rama de árbol alcanza un máximo de 17 pies, 10 pulgadas sobre la carretera.

La antena tiene 3,42 metros o 11 pies y 2 pulgadas de largo desde la parte superior del resorte de montaje hasta la punta.

En esta imagen, la bobina de carga de 40 metros está en su lugar.

Una vista posterior de la antena muestra la antena con la correa de derivación en su lugar.

Esta correa se utiliza para la operación en las bandas de 10, 12 y 15 metros.

La bobina de carga de 40 metros instalada en la antena.

Sí, tengo que detener el vehículo y salir y cambiar las bobinas de carga al cambiar de banda.

La antena original fue diseñada como una antena moderadamente corta para la banda de 10 metros.

Originalmente quería una antena que no golpeara todo lo que estaba encima mientras manejaba, ya que iba a instalarse en una camioneta. Se me ocurrió una antena que se extendía solo 1.65 metros o aproximadamente 5 pies y 4 pulgadas por encima de la parte superior del vehículo. Tenía una eficiencia calculada del 42% en comparación con un dipolo de media onda. Esperaba poder instalar una serie de diferentes bobinas de carga para poder operar en las otras bandas de HF. Sin embargo, los cálculos indicaron que las antenas eran simplemente demasiado cortas para funcionar bien a medida que se reducía la frecuencia. Se necesitaba algo mejor.

La evolución del diseño de la antena

Mi primer pensamiento fue aumentar la longitud de la antena debajo de la bobina de carga. Mi razonamiento fue que, dado que esa parte de la antena transporta la corriente de RF más alta, al agregar más longitud, la eficiencia de radiación de la antena aumentaría más que si se agregara la misma longitud a la antena por encima de la bobina. Desafortunadamente, dado que la antena está montada en la parte superior de una furgoneta que es un vehículo bastante alto, colocaría la bobina a una altura peligrosa con respecto a las ramas de los árboles y similares. Dado que las bobinas de carga iban a ser bastante pesadas debido a su construcción robusta, la colocación de una bobina pesada en lo alto de un soporte flexible no parecía una buena idea. Decidí investigar lo que haría aumentar la longitud de la parte superior de la antena a la eficiencia de la radiación.

Rápidamente se hizo evidente que se podían obtener muy buenos resultados al aumentar la longitud del látigo superior. Al final resultó que, esto se debió a dos factores. Primero, la antena estaba cargada en el centro, y en segundo lugar, el aumento de la longitud del látigo superior redujo en gran medida las pérdidas de la bobina debido al menor número de giros requeridos. Esto también significaba que podía usar un cable más grande para las bobinas, lo que reducía aún más las pérdidas. ¡Era casi como conseguir algo por nada!

Como una vez tuve un látigo estándar de longitud CB más el montaje magnético y el resorte de base instalados en la camioneta, sabía que era viable una altura total de 3 metros, a pesar de que alcanzó una gran cantidad de obstrucciones en la parte superior. Corrí los cálculos para determinar cómo funcionaría. Los resultados fueron muy alentadores, y rápidamente me dispuse a construir la antena. Todavía tenía el látigo CB, y pensé que simplemente podría cortar el extremo superior para obtener la longitud total de 3 metros para la antena completa.

Mientras colocaba todas las partes en el suelo para ver cómo encajaban, miré el látigo CB y me di cuenta de que solo tendría que cortar unas 17 pulgadas. Eso parecía un desperdicio, y realmente odiaba cortar esa pequeña cantidad de una antena perfectamente buena.

Solo por diversión, decidí repetir los cálculos para ver qué pasaría con la ganancia si dejara las 17 pulgadas adicionales en la antena. Me sorprendió descubrir que la eficiencia de la antena aumentó entre 19 y 31 por ciento, dependiendo de la frecuencia. La compensación, por supuesto, fue que sabía que la antena iba a golpear muchos más objetos por encima que si recortara las 17 pulgadas. Como prueba, armé la antena en toda su longitud y conduje con ella durante algunas semanas para determinar qué tan problemático sería. Decidí que podría vivir con él, como un precio necesario para la mayor potencia de la señal.

Esta tabla muestra los resultados de los cálculos. Observe el gran salto en ganancia entre la antena corta original y la antena de 3 metros. Cuanto más tiempo es mejor!<G>

Eficiencia de radiación calculada de la antena móvil de carga central frente a la antena dipolo de 1/2 onda

Detalles de construcción

Pude hacer uso del diseño básico de la antena y la mayoría de las partes cuando se construyó la antena final. Te mostraré en las siguientes imágenes cómo lo hice. Esta es una antena muy fácil de construir, y puede hacerlo con algunas herramientas y piezas simples de las mejoras para el hogar o ferreterías locales.

Cuando hice la bobina de 10 metros para la primera antena de 1.65 metros, usé un tubo de cobre de 1/4 "OD para la bobina. Inserté los extremos de la bobina en una longitud corta de tubo de cobre de 3/8" OD y luego la aplasté Los extremos del tubo. Luego perforé un orificio de 1/4 "de diámetro a través de los extremos aplanados para que pudieran ser unidos a los postes de la antena. Esta bobina debería haber tenido una vuelta más en ella. De esa manera, las vueltas se habrían espaciado un poco más. Esto habría reducido un poco las pérdidas de la bobina. Sin embargo, la pérdida calculada de potencia no fue suficiente para preocuparse, por lo que nunca me molesté en hacer una nueva bobina para la antena.

¿Ves esa longitud de plástico transparente entre los extremos de la bobina? Cuando use una bobina autosoportada como esta, DEBE usar una abrazadera aislante como la tira de plástico que se muestra aquí o el aislante blanco entre las dos secciones de la antena se romperá cuando golpee una rama de árbol grande con la antena.

Esta es una imagen de primer plano de uno de los extremos de la bobina de carga.

Puede ver el tubo de la bobina dentro del tubo de cobre aplanado más grande. El tubo más grande agregó resistencia estructural a los extremos de la bobina y proporcionó un área más grande para perforar los orificios de los pernos de montaje a través de los extremos de la bobina.

¡Una gran antena necesita una montura magnética seria!

Compré este soporte magnético para mi antena móvil hace años a través de Internet, no recuerdo dónde lo obtuve, pero se mantiene en el techo como un percebe en el casco de un barco. Puede doblar la antena hasta que toque el techo de la camioneta y el soporte magnético se quede en su sitio. Requiere dos manos y una palanca corta para aflojarla.

¿Ves todo ese óxido en la barra horizontal? Eso es de una desconexión rápida de acero barato que usé durante varios años. Finalmente se oxidó hasta el punto de que hizo contacto intermitente y decidí deshacerme de él. Hasta ahora, no he encontrado nada lo suficientemente fuerte como para reemplazarlo. He roto dos desconexiones rápidas de latón bastante pesadas hasta ahora. Así que, por ahora, simplemente ato la antena al techo de la camioneta o la destornillo cuando tengo que ir a un garaje bajo. No hace falta decir que estoy a favor de los aparcamientos exteriores.

Esta foto fue tomada antes de instalar la desconexión rápida. Muestra el extremo inferior de la sección inferior de la antena. Las secciones del mástil de la antena están construidas con un tubo de cobre de pared dura, de 1/2 "de diámetro. Un tapón de latón con un orificio roscado de 3/8" x 24 se presionó en el extremo del tubo de cobre y se soldó en su lugar. Para mantener el tapón en su lugar durante el proceso de soldadura, hice varias ranuras alrededor del exterior del tubo de cobre como se ve aquí. Tuve cuidado de no enrollarlos demasiado y debilitar la tubería.

Se perfora un pequeño "orificio de drenaje" a través de la pared de la tubería justo encima del extremo superior del tapón de latón que se soldó en la tubería. El orificio permite que el agua salga de la antena y no se siente dentro y corroe el perno de montaje. El agua ENTRARÁ en la antena (no se puede evitar), por lo que es mejor que tome provisiones para permitir que el agua se drene.

Para sujetar la antena al resorte base, utilicé una longitud de varilla de acero roscada cortada de un perno de acero inoxidable. Después de asegurarme de que la varilla roscada tenía la longitud correcta y que todo encajaba correctamente, quité el perno de montaje de la base de la antena y el resorte de la base y usé compuesto de bloqueo de roscas (OK, utilicé Super Glue, si debe saberlo). ) para retener el tornillo en la base de la antena. De esa manera no extraviaría el tornillo cuando tuve que quitar la antena del resorte base.

El aislador central y los soportes de bobina.

La sección inferior de la antena es un tubo de cobre de 1/2 "de diámetro de unos 60 cm (24 pulgadas) de largo que se extiende hacia arriba hasta el soporte de la bobina inferior.

El soporte en sí está hecho de una conexión de 1/2 "sudor" T ", un tubo de cobre de 2" de longitud de 1/2 "y una tapa de sudor de 1/2".

Los pernos que sostienen la bobina en su lugar son pernos de acero inoxidable de 1/4 "de diámetro x 1-1 / 2" de largo. Se perfora un orificio de 1/4 "a través del centro de cada tapa de tubería antes de soldarlo en su lugar, y los pernos se mantienen temporalmente en su lugar apretando suavemente la tuerca visible en esta imagen.

El aislante central de plástico es un acoplador de PVC roscado hembra-hembra de 1/2 ".

Cada extremo de las secciones de antena que se enroscan en este acoplador tiene adaptadores de cobre que van desde una tubería de cobre de 1/2 "OD a una tubería de hierro de 1/2". Estos accesorios tienen una rosca macho, por lo que se enroscarán en el acoplador de plástico que luego se convierte en el aislante central de la antena.

Utilizando plomería soldadura dura (no soldadura de radio de núcleo de colofonia) y el flujo de limpieza adecuado, los componentes de cobre se sueldan juntos.

A continuación, el interior de las secciones de cobre se lava a fondo con agua limpia para eliminar cualquier residuo de fundente de soldadura y luego se coloca al sol u otro lugar cálido para que se seque.

Cuando todo está seco, las tuercas de los pernos de montaje de la bobina están firmemente apretadas y las secciones pueden atornillarse en el aislador central.

Los postes de soporte de la bobina se muestran con la correa de derivación de 10 - 12 - 15 metros en su lugar.

Tenga en cuenta que con esta correa de derivación en su lugar, la tira de refuerzo de plástico no es necesaria. Esto se debe a que la correa de derivación está hecha de una longitud de stock de cobre plateado pesado.

El soporte superior para la bobina de carga se fabrica de la misma manera que el soporte inferior.

Para sostener el látigo superior, se suelda un tubo de cobre de 2 "de largo y 1/2" de OD en la conexión en "T". Otro tapón de latón roscado hembra se inserta en el extremo superior de la sección de tubo de 2 "de largo y se suelda en su lugar.

¡Oye! ¿Qué hace ese conjunto extra de accesorios de tubería y por qué están allí? (¡Sigue leyendo por la respuesta!)

Una foto (muy) cerca de esos accesorios de tubería adicionales.

Siempre tuve problemas para que la bobina de carga de la antena se alineara "solo" en el soporte. Cuando atornilla la antena en el soporte, nunca se sabe hacia dónde apuntará la bobina de carga cuando el tornillo de montaje esté apretado. Con las bobinas de carga montadas coaxial, esto no es un problema, pero esta antena tiene la bobina de carga montada descentrada desde el mástil. Se deben tomar medidas para ajustar la posición de la bobina. ¿Cómo?

Bueno, la bobina de carga siempre debe "arrastrar" el mástil de la antena; es decir, la bobina debe estar directamente detrás del mástil de la antena cuando el vehículo está en movimiento. La razón es bastante obvia: ¡después de golpear la primera gran rama de un árbol que cuelga bajo! Si la bobina se encuentra frente al mástil de la antena, la bobina puede engancharse en la rama del árbol y al instante se convierte en parte de la basura local en la carretera. Cuando la bobina se monta detrás del mástil, el mástil simplemente se desliza sin causar daño debajo de la rama del árbol, la bobina no recibe un golpe y todo está bien.

Para lograr esta alineación sin recurrir al uso de cuñas, varios espesores de arandelas y todo otro tipo de chicanery, decidí que tenía que tener una forma de poder girar la bobina alrededor del mástil de alguna manera. Ya que todo estaba soldado, se me ocurrió la idea de usar un par de accesorios de acoplamiento roscados que simplemente podía torcer para obtener la alineación correcta. Taladre y pasé un par de agujeros a través del accesorio exterior (hembra) para poder usar un par de tornillos de acero inoxidable para bloquear los accesorios en su lugar después de que se completó el ajuste.

La bobina de carga de 40 metros en su lugar en la antena.

Observe la tuerca de acero inoxidable en la parte inferior de la bobina. Este nit, y otro en la parte superior de la bobina sostiene la bobina en la antena. Cambiar bobinas es fácil. Simplemente quite las tuercas en la parte superior e inferior de la bobina, cambie las bobinas y reemplace las tuercas. Apriete firmemente, pero no excesivamente, y el plástico de PVC actúa como una tuerca de seguridad para mantener la bobina en su lugar. Aún así, es una buena idea llevar algunas tuercas de repuesto en el vehículo en caso de que suelte una mientras cambia las bobinas.

El conjunto completo de bobinas para la antena.

De izquierda a derecha -

Fila superior: forma de bobina hecha de tubería de PVC de 40 "con OD de 2"; bobina de 10 metros autoportante antigua hecha de tubería de cobre de 1/4 "; espaciador de soporte de plástico, utilizado con bobinas autoportantes; Anillo de derivación de cobre, usado para sintonizar bobinas de carga.

Fila inferior: bobinas de carga para 160 metros, 75 metros, 40 metros, 20 metros y 17 metros.

Las bobinas de 160 y 75 metros se enrollan con un cable aislado con nilón # 14 AWG; todo el resto de las bobinas están enrolladas con alambre aislado # 10 AWG THHN. Tenga en cuenta que no se utilizan terminales en las bobinas; los extremos de los cables simplemente se envuelven alrededor de los pernos de montaje. Cuando la bobina está unida a la antena, los cables se presionan contra los montajes de la bobina de cobre para hacer que la conexión eléctrica se forme mediante la bobina cuando aprieta las tuercas de 1/4 "desde el interior de la bobina.

Construcción General de Bobina

La forma de la bobina está hecha de una longitud de tubo de PVC de 2 "de diámetro exterior. Corté cada forma de la bobina aproximadamente 3/4" más en cada extremo que la separación entre los pernos de montaje. NOTA: Asegúrese de que cada forma de bobina encaje fácilmente sobre los pernos de montaje antes de enrollar el cable o tendrá problemas para cambiar las bobinas.

Después de enrollar el cable en cada bobina, se utilizó una aplicación de adhesivo epoxi (J-B Kwik) para mantener los giros de la bobina en su lugar. Se aplicó una capa de pintura en aerosol negra para darle apariencia y hacer que la bobina de plástico blanco sea menos notable. NOTA: Aplique el epoxi DESPUÉS de que haya ajustado la bobina a la resonancia.

Si simplemente enrolla el alambre sobre las formas de la bobina directamente, esto hará que la bobina "salte hacia atrás" y se afloje en la forma cuando suelte el cable después de enrollarlo. Hice varios giros adicionales en cada bobina al enrollarlo en el formulario, luego quité el rollo de la bobina y luego lo apreté alrededor de una forma ligeramente más pequeña (en realidad, un aerosol de repelente de insectos). Bobina de menor diámetro y la atornilló suavemente sobre la forma de la bobina, donde permaneció lo suficientemente apretada como para permanecer en su lugar correctamente.

La bobina de 75 metros.

Los cálculos indicaron que necesitaría usar el cable AWG # 22 para obtener suficientes giros en la bobina en el espacio que tenía disponible. Las pérdidas habrían sido bastante altas, si hubiera usado ese cable de tamaño pequeño. Entonces, esta bobina está enrollada con cable # 14 AWG. Como el uso de un cable más grande no permitiría tantas vueltas en la misma longitud, podría usar una forma de mayor diámetro (demasiada resistencia al viento y un "atractivo del ojo" negativo) o una forma más larga, continuando las vueltas adicionales debajo del perno de montaje inferior (resistencia al viento y mayores pérdidas de RF). Se necesitaba algo mejor.

Al recordar mi experiencia de bobinado de transformador de fuente de alimentación de conmutación, decidí intentar enrollar la bobina de carga de la antena de la misma manera, es decir, completar la primera capa del bobinado de la manera habitual, luego "saltar" el extremo de bobinado hacia arriba el inicio de la primera capa y luego continuar la segunda capa del devanado hacia el final de la primera capa del devanado. Esto se refiere a veces como una bobina "Z".

Puede ver el perno pintado de negro a la derecha de la foto que sostiene el final de la primera capa del devanado. Desde ese tornillo, el cable que comienza la segunda capa "salta" hacia la izquierda de la segunda capa del devanado. El extremo de la segunda capa se lleva a uno de los orificios de los pernos de montaje. Puedes ver el epoxi que sostiene los devanados en su lugar.

La bobina de 160 metros

Estacada de la misma manera que la bobina de 75 metros, la bobina de 160 metros requirió solo el 60% del número de vueltas que se necesitarían si los devanados estuvieran en una sola capa. La compensación es que hay varias resonancias parásitas del sistema de antena que usa esta bobina, pero ninguna de ellas causa problemas con el funcionamiento normal. Dado que en esta bobina se usa menos cable del que se usaría en una bobina de una sola capa, las pérdidas de cobre son menores, pero las pérdidas dieléctricas son ligeramente mayores debido a los bobinados superpuestos. Sin embargo, el uso del método de devanado en "Z" minimiza las pérdidas dieléctricas tanto como sea posible. La pérdida de Rac medida de esta bobina es menor que la bobina calculada originalmente con un cable # 22 AWG.

Anillo de ajuste en su lugar dentro de la bobina de 40 metros

Al final resultó que no necesitaba usarlo, pero descubrí que podía insertar un anillo de cobre en corto dentro de la bobina y ajustar la sintonización de la antena más o menos una vuelta o más en cada bobina. También intenté usar varios tipos de barras de ajuste de ferrita y hierro, pero descubrí que el anillo de cobre producía menos pérdida adicional en la bobina que el núcleo de ferrita. Cuando el anillo se coloca paralelo a los giros de la bobina, actúa como un cortocircuito y reduce la inductancia de la bobina. El anillo encaja en su lugar por fricción, y después de ajustarlo, puede estar unido permanentemente con algo de epoxi. Luego se pueden hacer ajustes menores adicionales doblando el anillo ligeramente.

DATOS ADICIONALES DE LA BOBINA DE CARGA

( Estos datos de la bobina de carga fueron agregados)

Desde que este artículo se publicó en línea, he recibido algunas preguntas sobre la construcción exacta de las bobinas de carga. Aunque es posible que un observador cuidadoso mire las fotos publicadas en esta página y deduzca la construcción de las bobinas, probablemente sea una buena idea para mí publicar una descripción más completa de la construcción de las bobinas para que el lector pueda más. fácilmente construirlos.

En el cuadro a continuación, todas las bobinas están enrolladas en tramos de tubería de PVC blanco de la Lista 40. La longitud real de extremo a extremo de los devanados de la bobina se muestra en la tabla. Debido al grosor del aislamiento en el cable THHN, el diámetro real de la bobina terminada estará cerca de 2.5 pulgadas. Los valores de inductancia son los que medí en mis bobinas de carga completadas.

Tenga en cuenta que las bobinas de 160 y 75 metros tienen bobinas superpuestas. Esto se puede evitar utilizando un cable de menor diámetro o una forma de bobina de mayor longitud. Dependiendo de dónde coloque la capa superior de alambre en la primera capa (cerca de un extremo o cerca del centro de la primera capa de alambre), la inductancia de la bobina variará un poco, y es posible que deba ajustar el número de vueltas en la bobina. La sintonización en las bandas de frecuencia más bajas será más crítica, por lo que debe esperar realizar una sintonización según sea necesario.

Tenga en cuenta que estas bobinas exactas NO pueden funcionar para usted en su situación particular. Factores como la longitud del látigo, la altura sobre el suelo, el tamaño del vehículo, etc., requerirán sintonizar la antena, ya sea ajustando el número de giros en las bobinas o ajustando ligeramente la longitud del látigo superior de la antena. En mi caso, "lo suficientemente cerca" fue lo suficientemente bueno, porque planeaba usar un sintonizador de antena en mi estación móvil. En cualquier caso, las dimensiones indicadas en la tabla anterior deberían permitirle "estar en el parque de pelota", por así decirlo.

Sintonizando la antena

Una antena vertical cargada en el centro no presentará una carga resistiva pura en la base de la antena. Por lo general, se agrega una red coincidente en la parte inferior de la antena para cancelar la reactancia y transformar la resistencia del punto de alimentación inferior a 50 ohmios en algo cercano a 50 ohmios. Dado que esta antena fue diseñada para operar en varias bandas de HF, una única red de coincidencia no es práctica. En su lugar, opté por conectar la antena a través de un cable coaxial de baja pérdida a un sintonizador automático de antena (ATU) dentro del vehículo, al alcance del operador y fuera del clima.

Para hacer el mejor uso de la antena con esta configuración, las bobinas de carga de la antena deben ajustarse a la resonancia en el extremo superior de cada banda. La antena luego se verá eléctricamente "corta" al sintonizador, que luego podrá sintonizar la antena a la frecuencia de operación deseada. Si la bobina de carga en la antena está sintonizada a una frecuencia por debajo de la parte superior de la banda, entonces la operación por encima de esa frecuencia crítica hará que la antena se vea eléctricamente "larga" a la RF. La bobina de carga comenzará a actuar como un estrangulador y reducirá efectivamente la longitud de la antena, causando una severa pérdida de ganancia.

Notas finales:

El látigo superior representa una capacidad (medida) de 17.5 pF. Este valor cambia en aproximadamente 0.75 pF cuando el mástil se mueve +/- 60 grados desde la vertical en cualquier dirección.

La sintonización de la antena permanece bastante constante a medida que el látigo se balancea, por lo que no es necesaria la compensación de la flexión de la antena mientras se conduce, al menos no en este vehículo.

73, Ralph W5JGV