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Mi búsqueda de una antena HF portátil me llevó a conocer detalles sobre el dipolo vertical. Más específicamente,…
…Dipolo vertical asimétrico HATed…
…o AHVD para abreviar. Este nombre honra a LB Cebik, quien acuñó la frase, pero a quien le añadí la palabra "Vertical" para aplicarla a mis objetivos. Esta publicación documenta el inicio de una trayectoria que comenzó mientras investigaba una antena portátil de alta frecuencia (20-10 m) para el Día de Campo de 2013, así como su funcionamiento portátil en faros, playas, campamentos, etc.
Continúa con datos reales de mi prototipo de diseño construido con componentes de DX Engineering más un soporte de altavoz fácilmente disponible.
Termina con algunas pruebas reales en Field Day, mi patio y la isla Hatteras.
Tenga en cuenta que no soy el diseñador del concepto del AHVD. Como verá a continuación, el diseño del AHVD existe desde al menos 1997. Diseñé una variante del AHVD para pruebas. Si desea construir uno ahora mismo, omita esta publicación y continúe con " Construir el AHVD" . Si le interesa la historia del diseño de antenas (¡y a quién no!), siga leyendo.
Entremos en detalles examinando primero…
Dipolos verticales con sombrero simétrico
Dipolos verticales con sombrero simétrico
La mejor manera de empezar a explicar los dipolos simétricos con sombrero es examinar las ofertas comerciales actuales. TransWorld Antennas [1] fabrica una unidad portátil. Visite el sitio web para ver fotos nítidas.
Los artículos de LB Cebik proporcionan algunas de las primeras referencias que pude encontrar de conceptos de diseño de dipolos con sombrero tanto simétricos como asimétricos [2][3][4][5].
Son de lectura imprescindible.
Un ejemplo de un dipolo simétrico con sombrero existe en una patente de 1980 [12] llamada “ Antena dipolo portátil con carga final ”.
Busque en las referencias más ejemplos del dipolo con sombrero simétrico [13][14][15].
Dipolo asimétrico con sombrero
Dipolo asimétrico con sombrero
Cebik finalmente pasa de dipolos con sombrero simétricos a dipolos con sombrero asimétricos en su artículo " Planos en el Espacio "[6]. La definición es, obviamente, cualquier dipolo con sombrero que no esté físicamente equilibrado. Una de sus interesantes conclusiones es que el monopolo de cuarto de onda con radiales de cuarto de onda es una forma de dipolo con sombrero… un dipolo con sombrero asimétrico. Aquí están los ejemplos de Cebik…
Figura 1 – Ejemplos de dipolos asimétricos con sombrero
Las figuras 1A, 1B y 1C muestran varios conceptos de diseño de estructuras resonantes con diferentes ubicaciones de puntos de alimentación y dimensiones de sombrero. Las figuras 1B y 1D son prácticamente idénticas, con la mayor diferencia: una está invertida. Cebik señala que, en el espacio libre, la ubicación del sombrero es prácticamente irrelevante [6]. La figura 2D es una realización del siguiente concepto de diseño…
¡Los radiales de 1/4 de onda son los radios de un sombrero capacitivo!
¡Los radiales de 1/4 de onda son los radios de un sombrero capacitivo!
En 1997, Cebik introdujo el concepto de diseño de la buena y antigua antena monopolo de cuarto de onda con radiales, una forma de dipolo con sombrero [4][6] cuyos puntos clave se muestran en la Figura 2.
Figura 2 – Alimentación de la vertical cepillada
El alimentador estándar de la Figura 2 es el monopolo tradicional de 1/4 de onda con radiales de 1/4 de onda. Según Cebik, este es simplemente un dipolo de media onda con una mitad en forma de sombrero y al revés. Cabe destacar que el punto de alimentación se encuentra en la intersección de las dos mitades, donde generalmente creemos que debería estar. Los libros sobre antenas nos enseñan que la impedancia del punto de alimentación es de aproximadamente 20-40 ohmios en esta configuración, dependiendo de la altura sobre el suelo, y se cierra en 20-23 ohmios a medida que nos alejamos del suelo [18].
Queremos 50 ohmios, ¿verdad? Los diseñadores de antenas saben que inclinar los radiales hacia abajo ayuda a reducir el punto de alimentación a 50 ohmios [20]. Cebik sugiere otra solución en su comentario…
Desde la perspectiva del modelado en espacio libre, la vertical planificada es simplemente un dipolo con sombrero. Con una impedancia de punto de alimentación de entre 20 y 23 ohmios en resonancia, el dipolo con sombrero no presenta la mejor adaptación al cable coaxial de 50 ohmios. Sin embargo, este problema se resuelve fácilmente si recordamos que un dipolo puede alimentarse prácticamente en cualquier punto de su longitud. Al alejarse considerablemente el punto de alimentación del centro, puede ser necesario un ligero ajuste para resonar la antena. En nuestro dipolo con sombrero, esto puede hacerse tanto en el elemento principal como en los radiales [4].
Por lo tanto…
La alimentación descentrada de la Figura 2 es exactamente la misma antena monopolo de 1/4 de onda, pero con el punto de alimentación en un punto diferente. Cebik sugiere que no importa dónde se alimente una antena resonante, siempre que se controle la impedancia que presenta al sistema de alimentación. De hecho, podemos alimentar un dipolo si podemos manejar una impedancia de un par de miles de ohmios, como lo hacen muy bien las antenas LNR EndFedz . En este caso particular, al desplazar ligeramente el punto de alimentación, la impedancia se acerca mucho más a los 50 ohmios.
Cebik continúa…
Como no podemos alimentar fácilmente los 4 radiales (o 8, 16, 32, etc.) al mismo tiempo, podemos simplemente alargar el elemento principal y encoger los radiales hasta que el punto deseado aparezca en la “base de la vertical [4]”.
De este modo…
El alimentador base de 3/8 WL de la Figura 2 utiliza la antena monopolar de 1/4 de onda y, en lugar de mover el punto de alimentación a lo largo del elemento vertical, ajusta las longitudes vertical y radial. Si observa los diagramas central y derecho de la Figura 2 con atención, verá que ambos logran el mismo resultado: alcanzar la tensión ideal de 50 ohmios. Sin embargo, es evidente que el alimentador base es mucho más fácil de fabricar y de preparar correctamente una línea de alimentación.
El número de 2007 del ARRL Antenna Book también cubre este tema…
La altura de la vertical no tiene que ser exactamente [1/4 de longitud de onda]. Se pueden utilizar otras longitudes y se puede hacer resonar la antena ajustando la longitud de los radiales [18].
…y más tarde…
Observe también que un pequeño aumento de altura eleva la [Resistencia del punto de alimentación] a 51 [ohmios]. Este truco de aumentar ligeramente la altura para reducir el tamaño del sistema de tierra elevado y aumentar la resistencia de entrada puede ser muy útil [18].
El desarrollador de antenas Richard Austin dice en la descripción de su patente (4.937.558) cómo alimentar un dipolo de media onda tradicional…
Se sabe que la impedancia de un dipolo alimentado en su centro es de aproximadamente 70 ohmios y que, además, a medida que el punto de alimentación se aleja del centro, la impedancia del dipolo aumenta. Gracias a estos fenómenos, es posible adaptar la impedancia de la antena a cualquier impedancia de la línea de alimentación, de acuerdo con la letra y el espíritu de la presente invención [21].
En el caso del dipolo con sombrero, la impedancia comienza alrededor de 20-30 ohmios, lo que nos permite llevarla “hasta 50 ohmios” con la alimentación desplazada.
Christman dijo lo siguiente durante sus experimentos de 1988, comparando radiales enterrados con radiales elevados e investigando combinaciones hipotéticas de monopolos y radiales de 1/4 de onda y 1/8 de onda…
Sorprendentemente, el mejor rendimiento de este grupo es un monopolo de 1/4 de longitud de onda con cuatro radiales de 1/8 de longitud de onda. Esta configuración proporciona mayor intensidad de señal que las otras variantes y, además, tiene una impedancia de entrada cercana a los 50 ohmios [27].
La antena C-Pole [17] y la antena de tendedero utilizan una técnica de ajuste de impedancia similar que apareció ya en 1940 [19].
Los usuarios de banda baja conocen la alimentación asimétrica
Los usuarios de banda baja conocen la alimentación asimétrica
Los usuarios de banda baja prestan mucha atención a sus antenas en la búsqueda constante de una mayor eficiencia. El dipolo vertical asimétrico con sombrero no escapó a su búsqueda. En la 4.ª edición del DXing de Banda Baja de ON4UN, Weiss comenta lo siguiente sobre el dipolo vertical asimétrico…
Utilizando este concepto, podemos prever un radiador vertical de 3/8 de onda para su uso junto con, por ejemplo, radiales de 1/8 de onda de longitud. En la figura 9-35 se muestra un radiador vertical de 3,75 MHz diseñado según estos principios. La combinación de un radiador de 3/8 de onda de longitud y radiales de 1/8 de onda de longitud no requiere una bobina para sintonizar la antena. La longitud del radiador mostrada para un elemento de cable de 2 mm de diámetro es de 26,9 metros. Con cuatro radiales de 10 metros de longitud, la impedancia de alimentación es exactamente de 52 ohmios, una excelente combinación para una línea de alimentación de 50 ohmios [25].
La eficiencia siempre es una prioridad para quienes utilizan bandas bajas. Para lograr este objetivo, evitan concentrar la corriente y el voltaje en áreas más pequeñas mediante bobinas y condensadores [25]. El AHVD no tiene bobinas ni capacitancia concentrada. Una ventaja adicional es la capacidad de lograr una buena adaptación a la línea de transmisión de 50 ohmios mediante una geometría de cable adecuada.
Un Balun (también conocido como Feedline Choke) es esencial
Un Balun (también conocido como Feedline Choke) es esencial
Los radiales de 1/4 de onda ayudan a reducir, aunque no a eliminar por completo, la tendencia de la antena a acoplar energía a la línea de alimentación y a la estructura de soporte [4][20][22]; esto se conoce históricamente como el Efecto de Antena [20]. Es posible reducir el Efecto de Antena utilizando una alimentación descentrada donde los radiales son más largos que el elemento vertical [20]. Sin embargo, el Efecto de Antena se agrava notablemente cuando los radiales se acortan solo un pequeño porcentaje [20]. Por lo tanto, la topología de antena propuesta agrava considerablemente las corrientes en la línea de alimentación y el mástil. Esto conlleva dos requisitos:
La línea de alimentación de la antena requiere un balun de estrangulamiento 1:1 “bueno” en el punto de alimentación de la antena.
Tanto el radiador vertical como los radiales horizontales deberán estar aislados de RF de la estructura de soporte.
Sombreros, número de radios y capacitancia
Sombreros, número de radios y capacitancia
Los aficionados al diseño de antenas comprenderán que cuanto mayor sea el área capacitiva conductora del sombrero, más pequeño debe ser este. Cebik también observó esto [4][6]. Mis simulaciones concuerdan.
Para los dos siguientes gráficos, diseñé un dipolo asimétrico de 15 m con un solo elemento vertical y radiales horizontales (también conocidos como "radios"). El punto de alimentación se encuentra justo por encima del punto donde se unen los radiales y el vertical. Varié el número de radios de un mínimo de 2 a 9 [8][9][10][24]. Cada vez que realizaba este cambio, optimizaba las longitudes de los radiales y el vertical para lograr una coincidencia exacta de 50 ohmios. Lo hice tanto en espacio libre como en una configuración donde los radiales se encuentran a aproximadamente 1,2 metros sobre el suelo.
La Figura 3 muestra los resultados del espacio libre en rojo y el caso sobre el suelo en verde. El eje Y indica las longitudes de los radios verticales (desde la altura radial hasta la parte superior) y de los radios (desde el centro hasta la punta) en pulgadas. En todos los casos, se alcanza una impedancia de alimentación de 50 ohmios.
Figura 3 – Comparación de la longitud de los elementos frente a la cantidad de radios radiales
En igualdad de condiciones, observamos una tendencia general: un mayor número de radiales resulta en una longitud de radio radial más corta. La longitud del elemento vertical se mantiene estable independientemente del número de radiales.
Esto nos indica que una mayor área de capacitancia con más radiales acorta efectivamente la longitud radial. Esto es la carga de sombrero en acción.
También podemos observar que el suelo sí afecta el conjunto de la antena. Algunos debates sobre si dos radiales son suficientes [8][16] sugieren que tener solo dos radiales causará un mayor acoplamiento a tierra. El gráfico anterior sugiere que el efecto del acoplamiento a tierra es consistente con 2, 3, 4 o más radios radiales.
Otra forma de visualizar esta información es dividir la longitud del elemento vertical entre la longitud del radio radial y representar gráficamente la relación resultante. La Figura 4 hace precisamente esto…
Figura 4 – Relación de longitud del elemento vs. número de radios radiales
Tenga en cuenta que el ejemplo de 4 radiales sobre el suelo tiene una relación de altura sobre longitud de radio de aproximadamente tres, que coincide estrechamente con el ejemplo de banda baja anterior de 3/8 de altura de ola sobre 1/8 de longitud de radio de onda.
Esto revela que podemos construir una antena con radios radiales más cortos si usamos más. Que lo queramos o no depende de la complejidad del ensamblaje mecánico que queramos tolerar.
…pero…
Dos radiales son suficientes
Dos radiales son suficientes
Mientras exista simetría de los radiales horizontales respecto al eje vertical, el patrón (en el campo lejano) es consistente o al menos muy similar en todas las direcciones. Cebik menciona que esta es su discusión sobre la Antena L…
“Podríamos haber utilizado cualquier número de patas del plano de tierra mayor que 1, siempre que formen una disposición simétrica para asegurar la cancelación de la radiación polarizada horizontalmente” [26].
Laport también sugiere utilizar tan solo 2 radiales [24].
Christman también destaca el éxito del modelado de 2 radiales y dice…
Para determinar el impacto en la efectividad del sistema al reducir el sistema de antena tridimensional a bidimensional, modelé sistemas de antena monopolo de radio elevado con solo dos radiales. Los resultados se muestran en las Tablas 6 y 7. El monopolo de 1/4 de longitud de onda con dos radiales de 1/4 de longitud de onda parece ser el mejor de este grupo, y de hecho es superior al mejor de los sistemas de "medias pintas" de cuatro radiales descritos previamente [. . .] [27].
Por último, el libro ARRL Antenna sugiere…
Una conexión a tierra elevada puede adoptar diversas formas. Se muestra una serie de cables dispuestos con simetría radial alrededor de la base de la antena[. . .]. Normalmente se utilizan cuatro radiales, pero se pueden usar desde dos hasta ocho [18].
Obviamente se pueden utilizar más de 8 siempre que exista simetría, pero sólo dos radiales horizontales proporcionan esta simetría eléctrica a un nivel perfectamente aceptable para el uso ordinario.
Carga estática
Carga estática
Si implementamos los requisitos anteriores y aislamos eléctricamente los elementos, obtenemos una estructura capaz de acumular carga estática . Las resistencias de purga de alto valor, de unos 10 MOhm, entre la vertical y la horizontal serán útiles. Algunos podrían considerar beneficioso proporcionar una ruta similar a la tierra en su operación portátil. La solución final probablemente resida en el diseño del conjunto de alimentación/balun.
Eficiencia de radiación AHVD (o falta de ella)
Eficiencia de radiación AHVD (o falta de ella)
Nada puede cambiar el hecho de que este diseño de antena es un gran abrazo en la práctica. Si bien la antena en sí es tan eficiente como puede serlo sin trampas, bobinas, etc., lo cierto es que cualquier antena es tan buena como las características del suelo circundante. Tomando 20 m como ejemplo, las simulaciones revelan los siguientes puntos esclarecedores…
El AHVD de 20 m, en diversas condiciones típicas del suelo y con un rango de alturas portátiles prácticas, ofrece una eficiencia de radiación de entre el 19 % y el 29 %.
El AHVD de 20 m sobre agua salada eleva la eficiencia de la radiación a más del 80 %. Mejor.
Vivimos en un mundo con pérdidas. Con esta realidad bien presente, podemos apreciar las siguientes revelaciones sobre la ganancia de la antena.
Ganancia de AHVD = ¡CERO! 🙁
Ganancia de AHVD = ¡CERO! 🙁
Hay que tener en cuenta que este diseño no promete una ganancia increíble. Cualquier diseño de antena radial elevada reduce las pérdidas en la propia antena, lo cual es muy positivo. Sin embargo, aún existen pérdidas de tierra en las proximidades de la antena. Las siguientes simulaciones muestran las diferencias entre un enfoque horizontal y uno vertical.
La Figura 5 compara un dipolo vertical asimétrico de dos radios (AHVD) de 20 m con una base de 3,5 pies sobre el terreno (AGL) con un dipolo en V invertida de 20 m con un pico de 20 pies sobre el terreno (AGL).
Figura 5 – Dipolo vertical vs. V invertida sobre terreno promedio a 20 m
Podemos ver:
Las simulaciones sugieren que la antena vertical, cuando está sobre el suelo promedio, tiene una ganancia de 0 dBi aproximadamente.
Con polaridad vertical, el ángulo de despegue es menor que el de la antena horizontal.
La pérdida de tierra de campo lejano es evidente para ambas antenas, pero especialmente para la vertical.
Walt Fair lo resume bien en su página web sobre dipolos verticales [23].
Nota también:
La ganancia del AHVD es uniforme de lado y en línea con solo dos radiales simétricos, lo que confirma la sugerencia de Laport de utilizar tan solo 2 radiales, sintonizados naturalmente o con inductancia en serie, en un contrapeso elevado [24].
¡Ganancia AHVD = MÁS! 🙂
¡Ganancia AHVD = MÁS! 🙂
Junto al océano
Mi objetivo específico para esta antena es usarla junto al océano, donde la polarización vertical produce ángulos de despegue impresionantemente bajos y varios dB más de ganancia.
Figure 6 – Vertical Dipole vs. Inverted V over Sea Water at 20m
La polarización vertical ofrece una ventaja para las comunicaciones costeras de bajo ángulo. Observe que la antena en V invertida tiene un pequeño componente de polarización vertical en los extremos. Esto se evidencia al comparar los gráficos en línea y en el costado. Si utiliza una antena en V invertida en la playa, oriente el dipolo perpendicularmente a la línea de flotación para aprovechar esta pequeña ventaja.
Arreglos Yagi.
Otra posibilidad obvia es organizar dos o más de estos dipolos asimétricos con sombrero en arreglos Yagi-Uda. Las combinaciones son prácticamente ilimitadas, pero con la ayuda de la simulación, se pueden crear muchas "recetas" para un arreglo parásito. La Figura 7 muestra la promesa de un arreglo de 3 elementos "similar a NBS" utilizando tres dipolos verticales en el reflector, controlador y director parásitos clásicos, logrados únicamente con ajustes en la longitud de los elementos.
Figura 7 – Comparación del arreglo Yagi dipolo vertical con el arreglo vertical independiente y el arreglo en V invertida.
El arreglo vertical de tres elementos en azul añade más de 4 dB sobre una sola vertical, y lo hace en ángulos de elevación que favorecen el DX. Este diseño también produce una buena relación de frente a fondo. El gráfico de azimut, que no se muestra aquí, muestra un ancho de haz muy amplio, típico de un haz vertical. Añadir más elementos alcanza rápidamente un punto de rendimiento decreciente. La cuestión es que el cielo es el límite. Se puede obtener un buen patrón de haz sin torres ni mástiles utilizando varias antenas AHVD con las dimensiones adecuadas.
Antenas dipolo asimétricas comerciales con sombrero
Antenas dipolo asimétricas comerciales con sombrero
Schiller adopta las ideas de diseño anteriores en su línea de antenas Bravo [11] y la comercializa. Utiliza la carga de bobina [24] en el punto de alimentación de su diseño de dos radios [24][26] para acortar la longitud de los elementos y lograr un conjunto elegante y portátil.
Si busca experimentar de inmediato con el diseño de dipolo vertical asimétrico con sombrero, la serie de antenas Bravo es la única opción comercial disponible al momento de escribir esta publicación. Se centra en la portabilidad y la facilidad de empaquetado, y gracias al uso de bobinas de inductancia en serie, ofrece una antena más pequeña.
Conclusión
Conclusión
Schiller y su línea de productos Bravo están reavivando el interés en el concepto de dipolo vertical asimétrico con sombrero. Lo anterior pretende ser una reintroducción de un diseño que data de al menos 1997, con las discusiones de Cebik utilizando técnicas de la Segunda Guerra Mundial.
Prototipo
Prototipo
Es hora de construir algo y probarlo. La próxima publicación de esta serie se centrará en mi prototipo, construido con materiales de DX Engineering y un soporte de altavoz reutilizado para el trípode.
Referencias
Referencias
Antenas TWA – Ejemplo de dipolos simétricos con sombrero – http://www.twantennas.com/
Cebik, LB “ Notas sobre dipolos verticales con sombrero para 10 metros ”, Antennas Tales and Technicals (Antennex.com 2002)
Cebik, LB “ Dipolos acortados y capacidad de las Yagis ”, Antennas Tales and Technicals (Antennex.com 1997,2006)
Cebik, LB “ Una perspectiva de modelado de planos de tierra: Diferencias regionales ”, Antennas Tales and Technicals (Antennex.com 1997)
Cebik, LB “ Un triángulo para el operador vertical de baja estatura ”, Antennas Tales and Technicals (Antennex.com 2008 o antes)
Cebik, LB “ Una perspectiva de modelado sobre planos 'terrestres': Planos en el espacio ”, Antennas Tales and Technicals (Antennex.com 1997)
Cebik, LB “ Modelado y comprensión de haces pequeños: Parte 8, Capacidad de sombreros y Yagis ”, Antennas Tales and Technicals (Antennex.com 1997)
http://www.eham.net/ehamforum/smf/index.php?topic=41186.0;wap2
http://www.procom.dk/products/mobile-antennas/144-175-mhz2/antennas-for-motor-bikes/mca-1-z
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Antena portátil Schiller, serie TH Bravo , Antenas de Próxima Generación (N6BT.com 2013)
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