Antena Cuadrifilar

Diseño y construcción de una antena cuadrifilar helicoidal

La antena cuadrifilar helicoidal (QFH) consta de dos anillos que para obtener una polarización circular, es preciso que las corrientes en ambos estén desfazadas 90 grados.

Existe la posibilidad - como en la antena turnstile - de utilizar un desfazador realizado con un trozo de cable coaxial.

La solución usada mas frecuentemente para la QFH es de la utilizar anillos de tamaños diferentes. Un anillo levemente largo reacciona inductivamente, mientras que uno mas corto es capacitivo. Aunque asi las corrientes en ambos anillos son reactivas, al conectarlos en paralelo, el punto de alimentación, en la parte superior, tendra una impedancia resistiva, cerca de 50 Ohm.

Es una antena sencilla de construir y  ofrece resultados excelentes. En contraste con la turnstile (dos dipolos cruzados con plano de tierra) tiene una circularidad casi perfecta en todo su area de recepción.

En su versión original tiene una relación diametro/altura de 0.44, pero haciandola algo mas alta y angosta, se logra una mejor directividad para satalites cercanos al horizonte. En la literatura aparecen versiones de diferentes formas - hasta en un extremo, donde la antena es muy alta y angosta.

El único problema para la alimentación, es que, como es el caso en muchas antenas, la conexión debe ser simetrica para ello se puede recurrir a:
  • Transformador.  Balun en la parte superior de la antena, para mantener los 50 Ohm.
  • Inductancia. Formando una bobina con el cable, cerca del punto de conexión, lo que genera una inductancia que no permite avanzar a las corrientes externas en el cable.
  • Balun infinito. Pasando el cable por dentro de uno de los tubos de la QFH, hasta abajo, forma un 'balun infinito', que cortocircuita corrientes exteriores.
  • Preamplificador  de antena en la parte superior con entrada simatrica, solamente para recepción...
Finalmente, si utilizaramos simplemente dos anillos perpendiculares, sin la 'torsión' tan caracteristica de la QFH, tendriamos problemas para mantener la circularidad de la antena - cambiaria de circular arriba, a lineal en los horizontes. La torsión genera el diagrama de radiación hemisférica que nos permite de recibir señales de horizonta a horizonte.

Simulación de varias configuraciones.
Descripción W/H=0.32 W/H=0.38 W/H=0.44 W/H=0.50 W/H=0.44inv
Geometria (Eje-X)
Geometria (3D)

En la página Web http://www.jcoppens.com/ant/qfh/calc.php podemos encontar una aplicación de cálculo de las dimensiones de una antena QFH. Los datos que ofrecen son los siguientes:

Frecuencia de diseño MHz
Cantidad de vueltas 0.25 0.5 0.75 1.0
Largo de una vuelta 1 largos de onda
Radio del doblado mm
Diámetro del conductor mm (valor óptimo: 19.3 mm)
Relación diámetro/altura


Los resultados

Largo de onda 2057.6 mm
Largo de onda compensado 2203.7 mm
Corrección por doblado 6.4 mm

Cuadro grande

Largo total
2261 mm
Separación vertical
839.5 mm
Largo total compensado
2286.7 mm
Separación vertical compensada
809.5 mm
Altura antena H1 690.6 mm
Diámetro interno Di1 296.8 mm
Separador horizontal D1 303.8 mm
Separador horz. compensado Dc1 273.8 mm

Cuadro chico

Largo total
2148.6 mm
Caño vertical
798.2 mm
Largo total compensado
2174.3 mm
Caño vertical compensado
768.2 mm
Altura antena H2 656.6 mm
Diámetro interno Di2 281.9 mm
Separador horizontal D2 288.9 mm
Separador horz. compensado Dc2 258.9 mm

Generar una plantilla de perforación

Para generar una plantilla de perforación en formato PDF, ingrese los siguientes datos:

Diámetro caño soporte vertical: mm
Diámetro caños soporte horizontal: mm
Para ver gráficamente al método de construcción que corresponde a las plantillas, visiten esta página con imágenes.

Leyenda

Esta calculadora genera muchos datos! Hace falta un poco de atención en la interpretación para no confundirse...

Las medidas mencionadas abajo significan lo siguiente:

Frequencia de diseño
Evidente?
Cantidad de vueltas
Cuantos vueltas se torció la antena? (Normalmente (0.5 vueltas, ó 180 grados)
Largo de una vuelta
Hay varias implementaciones de esta antena:normalmente es de 1 largo de onda, pero también se puede construir con 1 1/2 y 2 largos de onda.
Radio de la curva
Ya que no es facil de doblar las esquinas perfectamente a 90 grados si utilizamos caño o coaxil, este valor (medido del centro de doblado hasta el centro del caño o coaxil) permite ajustar (compensar) las otras medidas.
Diámetro del conductor
diámetro exterior del caño utilizado, o de la malla del coaxil.
Relación diámetro/altura
Relación entre el diámetro y la altura del cuadro. Frecuentemente 0.44, pero al disminuirlo, puede lograr mejor recepción en el horizonte (digamos 0.30 a 0.40).
Largo de onda
Largo de onda calculada de la frecuencia.
Largo de onda (compensada)
Largo de onda calculada de la frecuencia. El valor compensado refleja el efecto del diámetro del conductor.
Corrección por doblado
Valor de la corrección por doblado.
Largo total del lazo
Largo total del conductor.
Largo total del lazo, compensado
Largo total (compensado)
Circumferencia total del conductor del cuadro (largo del coaxil). El valor compensado indica el efecto del doblado, y la necesidad de aumentar el tamaño del cuadro levemente.
Separación vertical (compensado)
Largo de uno de los conductores verticales. El valor compensado indica el tamaño del caño sin los 'codos'.
Separador horz. (compensado)
El tamaño de la parte horizontal. Nuevamente el valor compensado resta el espacio ocupado por los codos.
Altura antena
Altura del cuadro (ya torcida!).
Diámetro interno
El diámetro del cylindro a usar para la confección de la helicoide.

Estas imágenes fueron generados con el programa POV-ray. No corresponden al diseño calculado, solo a un diseño similar
Una 'perspectiva' ortogonal de la antena.

... y otra, vista del otro lado.

Vista frontal, mirando al conector BNC (opciona).

Vista lateral.

Otra vista lateral, rotada unos 40 grados.

Una vista un tanto extraña, desde arriba. Observe la diferencia de tamaño entre los dos lazos.
 
Una vez obtenida la plantilla PDF, podemos proceder al montaje de la antena del modo siguiente:

1.-


Pegar la plantilla sobre el soporte vertical, a la distancia correcta.
2.-
Perforar con una mecha de unos 2.5 a 3mm, justo dentro del círculo, desde ambos lados del soporte.









3.-
Quitar el trozo central, limar (con lima redonda) y ajustar el diámetro a los soportes horizontales.









4.-
Introducir los dos soportes horizontales centrales. Hay que tener en cuenta la dirección de las perforaciones para pasar los coaxiles. Las perforaciones se hacen a 90 grados, para que pase el coaxil en la dirección correcta.







5.-
De igual manera prepara el agujero para el conector BNC. Primero perforar con mecha correcta para los tornillos a usar, los cuatro agujeros de montaje.

Luego perforar a medida del conector BNC y






6.-
Lima el tubo con una lima plana para lograr una superficie plana y un buen asiento para el conector.









7.-
Así se prepara el conector BNC con las conexiones para masa.










8.-
Prepara el soporte 2 para las conexiones al cuadro exterior. No es preciso que las perforaciones sean pasantes.









9.- Prepara el coaxial para las conexiones al cuadro exterior.


10.-
  Quita el aislante exterior por unos 4 centímetros.










11.-
Sin cortar la malla, quitar también el aislante interior.










12.-
  Retorcer la malla exterior con el conductor central (vivo). Luego doblarlos, cerca del final del aislante, a 90 grados, para facilitar el paso por las perforaciones.








13.-
Así quedan conectados ambas puntas preparadas, al cuadro superior.










Conexión al cable de alimentación.

Balunes inductivos


La QFH de ON7EQ con balun inductivo
Una solución sencilla para eliminar las corrientes externas en el cable de alimentación es simplemente bobinarlo algunas veces (5-6) alrededor del caño de soporte central (si es de plástico!). La inductancia creada no dejará pasar la corriente exterior.

El diámetro tendría que ser lo mas reducido posible, para evitar irradiación de la inductancia misma. El número exacto de vueltas no es muy crítico, y depende del diámetro del bobinado.

La bobina se tiene que ubicar lo mas cerca prácticamente factible al punto de alimentación de la antena.

Balun infinito

Balun infinito Recibí muchas preguntas sobre el balun infinito... Básicamente es simplemente pasar el cable de alimentación por dentro de uno los laterales de la antena (parte de los anillos). Si la antena está construida con coaxiles, se puede utilizar uno de los coaxiles mismos.

Queremos mantener la misma impedancia del punto de alimentación, asi que el cable que utilizamos deberá ser de la misma impedancia característica que la bajada y que la antena. Si usaramos un cable diferente, tendríamos un transformador de impedancias!

Parte del principio de funcionamiento del balun infinito, es que la malla (conductor exterior) tendría que estar conectado (abajo) con el centro del anillo. Prácticamente, no he notado mucha diferencia.



FUENTE: John Coppens ON6JC/LW3HAZ http://www.qsl.net/on6jc/ant/qfh/fotos1.html
http://jcoppens.com/ant/qfh/adapt.php

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