Antenas Yagi enfasadas para VHF y UHF

Este artículo está orientado principalmente a las necesidades de los radioaficionados que necesitan una antena más grande y potente para operaciones DX terrestres y modos de operación especiales como EME y MS. Si ya tienes algo de experiencia en radio VHF, podras conseguir buenos resultados con sólo dos Yagis de 7 elementos apiladas verticalmente por el momento.

¿Cuál es la ventaja de apilar antenas VHF vertical u horizontalmente o vertical y horizontalmente en grupo? El apilamiento se utiliza como método para conseguir más ganancia de antena en una dirección preferida. Dejemos que Martin Steyer, DK7ZB, opine sobre esta cuestión. A finales de los años 90 publicó un artículo muy fácil de entender sobre este tema [1]. Lee la versión editada para saber qué posibilidades hay de aumentar la ganancia de un sistema de antenas y qué esfuerzo requiere hacerlo.

Aquí encontrará el artículo de Martin Steyer, DK7ZB, que amablemente ha puesto a nuestra disposición la revista especializada "Funkamateur":

Fuente de referencia:

[1] Steyer, M., DK7ZB: Sticking of VHF Yagi antennas, FUNKAMATEUR 46 (1997), H. 5, pp. 602-605

Del estándar a los retos

La antena de 16 elementos se ha convertido en el estándar entre los radioaficionados. Es la antena direccional más frecuentemente construida y utilizada en la banda de 2 m. Las antenas de enfasadas con 12 o 24, 32 o incluso 48 elementos se utilizan raramente. A medida que aumenta el número de elementos, la relación entre el gasto de material y el rendimiento es cada vez más desfavorable y también aumentan los problemas mecánicos. Los conjuntos de antenas de mayor tamaño están sometidos a una elevada carga de viento y plantean grandes exigencias a la capacidad de carga del mástil de la antena, el tubo vertical, el bastidor de soporte y el rotor. En la práctica surgen las siguientes preguntas ¿Cuál es la distancia de separación correcta y cómo se interconectan correctamente las distintas antenas?

El dilema de la distancia entre antenas

La cuestión de la distancia correcta no puede responderse sin más. La distancia correcta de las antenas sólo puede determinarse en casos concretos y para aplicaciones definidas. Básicamente, hay dos casos límite diferentes, ya sea para dos antenas o para un gran conjunto de antenas. Para una ganancia de máxima posible de unos 3 dB, la distancia necesaria es relativamente grande. Además, en comparación con una sola antena Yagi, se forman lóbulos laterales y nulos cada vez mayores en el diagrama direccional vertical. Una distancia grande del stub también complica el diseño mecánico. Aunque una separación significativamente menor da lugar a una supresión óptima de los lóbulos laterales, la ganancia máxima alcanzable se reduce entonces a 1,5 a 1,8 dB. Utilizando el ejemplo de dos Yagis de 7 elementos apilados verticalmente para la banda de 2 m, el dilema con las diferentes distancias de apilamiento queda claro en tres casos prácticos. Cada uno de los Yagis tiene una longitud de boom de 3,0 m y una ganancia de 10,5 dBd.

Caso 1:

• Distancia de apilado: 3,12 m
• Ganancia de la media: 13,9 dBd
• Lóbulos laterales: +/- 30 grados alrededor de la dirección del haz principal
• Lóbulos laterales suprimidos: -8 dB

Caso 2:

• Distancia de apilado: 2,46 m
• Ganancia de estancamiento: 13,5 dBd
• Atenuación de lóbulos laterales >12,5 dB

Caso 3:

• Distancia de apilado 1,14 m
• Ganancia de la media: 12,0 dBd
• Atenuación de los lóbulos laterales: -40 dB

Si se comparan estos tres casos prácticos, surge la pregunta de si merece la pena tanto esfuerzo por esta diferencia marginal de ganancia.

Mecánica y física en la construcción de antenas

Sólo por razones mecánicas, uno se inclina por la interconexión vertical. Por ejemplo, cuatro antenas superpuestas son mucho mejores en la práctica que cuatro antenas en cruz en H, cuyos problemas mecánicos pueden llegar a ser tan grandes rápidamente que este tipo de construcción ya no puede realizarse ni siquiera con longitudes de antena de 1,5 ʎ. Además del complicado diseño de la cruz en H, el elevado momento de inercia también puede ser un problema. He aquí una breve excursión a la física: durante el movimiento giratorio, el momento de inercia está relacionado con el par de la misma manera que la masa está relacionada con la fuerza del movimiento giratorio lineal. El momento de inercia superficial aumenta con la distancia de la masa que se va a poner en movimiento giratorio con respecto al centro de rotación o al eje de rotación. Esto significa que (incluso simétricamente) las antenas descentradas tienen un momento de inercia mucho mayor que las antenas apiladas verticalmente cuyo centro de gravedad coincide con el centro de rotación. A primera vista parece complicado, pero un ejemplo concreto de la práctica lo aclara:

¿Has intentado alguna vez girar a mano un gran grupo Yagi en configuración H durante un día de campo? Entonces sabrá que, a diferencia de un grupo de antenas apiladas, se trata de un trabajo intensivo. Con el diseño en voladizo de un grupo en H, se tarda mucho más en mover la masa para reaccionar rápidamente a los cambios en la alineación de la antena. El rotor está sometido a fuerzas de torsión (torsión en sentido longitudinal) mucho mayores durante la aceleración y el frenado. Por consiguiente, el rotor también debe diseñarse "un poco más grande". Todas estas son razones a favor del paso exclusivamente vertical.

Por qué el apoyo vertical es la mejor opción

• El escalonamiento vertical da como resultado un lóbulo direccional horizontal más amplio y un diagrama vertical más estrecho.
• El escalonamiento horizontal da como resultado un lóbulo direccional vertical más amplio y un diagrama horizontal más estrecho.

Cable coaxial vs. línea de dos hilos

En la mayoría de los casos, la adaptación a VHF se realiza utilizando transformadores de cuarto de onda. Aquí sólo se discutirá la técnica coaxial, aunque no es necesariamente aconsejable usar cables coaxiales como líneas de conexión cuando se interconectan grupos muy grandes con antenas largas. En su conjunto, pueden alcanzar rápidamente una longitud de varios metros con la correspondiente atenuación adicional. Además, los cables de baja atenuación son pesados y añaden una masa considerable. Por estas razones, los especialistas en grandes sistemas EME utilizan cables bifilares de construcción propia, que son considerablemente más ligeros y tienen menos atenuación. Sin embargo, hay que estar preparado para un aumento del SWR en condiciones de humedad y nada funciona igual en condiciones de hielo o escarcha.

La tecnología de la distribución eficaz de la potencia

Los adaptadores coaxiales, también conocidos como acopladores de 3 dB o divisores de -3 dB, dividen la potencia suministrada a partes iguales (50%) entre dos antenas manteniendo la impedancia. Aprovechan el hecho de que la impedancia característica de las líneas coaxiales depende de la relación entre el diámetro del conductor interior y el del exterior. Las propiedades del dieléctrico, en este caso el aire, también influyen. Básicamente, la forma de la sección transversal de los conductores es arbitraria, por lo que la sección transversal del conductor exterior puede ser cuadrada aunque el conductor interior sea redondo. La ventaja de esto es que las tomas coaxiales con brida se pueden atornillar fácilmente, lo que no es tan fácil con conductores redondos. La relación entre D/d, diámetro exterior (D) y diámetro interior (d), determina la impedancia característica Z de la disposición.

De los splitters cuádruples industriales a las soluciones coaxiales de bricolaje

Los distribuidores cuádruples de fabricación industrial diseñados para la banda de 70 cm o 23 cm son bastante compactos. Sin embargo, por regla general, los cables coaxiales se utilizan más para grupos de dos o cuatro en la banda de 2 m y 70 cm, lo que resulta en una mecánica bastante sencilla. DK7ZB también prefiere la adaptación de cables, al menos para 144 MHz, debido a la longitud poco manejable de las construcciones de tubo. Un poco de matemáticas y los estándares de cable disponibles en el mercado permiten realizar soluciones muy económicas en construcciones de bricolaje.

Acople vertical de dos antenas

En el punto de conexión debe haber una impedancia de 100 Ω en cada una de las dos líneas que salen de las antenas, de modo que al conectarlas en paralelo se cree la impedancia de 50 Ω necesaria para el cable coaxial disipador. Para ello se calcula la impedancia característica del cable de transformación según la relación $Z=\sqrt{Za*Ze}$ a 70,7 Ω

Por tanto, una impedancia característica de 70 Ω da como resultado una adaptación perfecta. Sin embargo, ahora es difícil conseguir este tipo de cables coaxiales, que ya no se fabrican. Si se acepta un SWR ligeramente superior de 1,13, es fácilmente posible utilizar cables de 75 Ω. La longitud debe ser un múltiplo impar de ʎ/4 para cumplir la condición de transformación. También hay que tener en cuenta el factor de acortamiento, que varía en función del dieléctrico. Para los cables de polietileno sólido, V = 0,667, para los cables con alto contenido de aire (H500, H100, Aircom, etc.) es más elevado, normalmente entre 0,78 y 0,85. Por lo tanto, deben respetarse las especificaciones del fabricante. Por estos motivos, en la práctica se utilizan longitudes de cable de 5 ʎ/4, 7 ʎ/4 o 9 ʎ/4, en función de la distancia de estancamiento.

Para el cableado, es importante que los cables de conexión sean lo más cortos posible y que al calcular la longitud se tenga en cuenta el apantallamiento (con la longitud de apantallamiento de los conectores que se utilicen). En cualquier caso, el ancho de banda utilizable supera los límites de la banda de 2 m o 70 cm, por lo que dimensionar para el centro de la banda es totalmente suficiente.

Cableado preciso y mecánica cuidadosa

Hay otro punto importante que merece atención: las antenas deben estar dispuestas de tal manera que todos los elementos radiantes reciban la energía en fase. Esto significa que las líneas gamma, los conductores interiores de los cables balun de media onda y los cables coaxiales para la alimentación DK7ZB deben estar en el mismo lado (y en la parte inferior) de todas las antenas. Los potes de adaptación no merecen la pena para la banda de 2 m si puede conseguir conexiones de soldadura limpias para los cables de adaptación. Para 70 cm, los elementos de transformación de cables deben tener pérdidas adicionales ligeramente superiores, pero aún aceptables. Para 23 cm sólo se recomiendan potes de adaptación coaxiales.

En principio, los valores teóricos de la ganancia son siempre superiores a los realmente alcanzados, ya que los cables, clavijas y cables de conexión con uniones soldadas implican siempre pérdidas inevitables. Por lo tanto, hay que prestarles especial atención. En cuanto a la mecánica de los puntos de conexión en los tubos de un empalme en H, puede evitar costes elevados construyéndolo usted mismo. Tras el montaje final, debe proporcionarse una protección adicional contra la corrosión rociando varias veces con spray plástico.

Ejemplo extremo: antena EME en DL7APV

Antena array formada por 128 x 11 elementos Yagis para 432 MHz. Ángulo de apertura horizontal 1,8°, vertical 3,8°, ganancia 33,6 dBd

www.dl7apv.de

Foto: Bernd Wilde, DL7APV (†)

Yagis para las más altas exigencias

Primero de todo, necesitas pensar que antenas Yagi quieres usar para construir tu array de antenas. Las WiMo Yagis según DK7ZB están basadas en tecnología eléctrica y mecánica sin compromisos y provienen de nuestra propia producción "Made in Germany". Los principios de diseño de estos Yagis son la ganancia más alta posible con un ancho de banda alto y un buen lóbulo lateral y pérdida de retorno. Los Yagis están diseñados para un perfil de corriente optimizado. El resultado es un número mínimo de elementos, ya que la ganancia de la antena depende de su longitud, no del número de elementos.

Para evitar pérdidas por efecto piel, sólo se utilizan elementos con un diámetro de 8 mm fabricados con una aleación de aluminio de alta conductividad. Este es un sste es un buen compromiso entre las pérdidas eléctricas mínimas y la posible carga del viento. Con elementos de acero, se perderían más de 0,5 dB de ganancia debido a una peor conductividad. Los elementos se fijan con estabilidad a largo plazo utilizando soportes de elementos de poliamida resistentes a los rayos UV, que no muestran ningún cambio en los datos eléctricos incluso después de años. El montaje directo en el tubo de la pluma con clips de retención metálicos está asociado a la oxidación en los puntos de contacto y provoca un cambio gradual en los datos de la antena. El elemento radiante de una Yagi de este tipo es siempre un dipolo plegado con un balun de teflón, en una caja de dipolo resistente a la intemperie, soldada en frío y espumada adicionalmente. La conexión se realiza mediante tomas N.

Construcción ligera y altas prestaciones

Las Flexa Yagis han sido desarrolladas y fabricadas por la oficina de ingeniería de RS en Alemania durante más de 30 años. El diseño del producto de estas antenas Yagi adopta un enfoque ligeramente diferente. El principio de optimización según DL6WU permite obtener excelentes datos de ganancia, diagrama, adaptación, ancho de banda y bajas pérdidas evitando corrientes de elemento extremadamente altas. Gracias al uso de elementos finos de acero inoxidable, los Flexa Yagis se caracterizan por un peso especialmente reducido. Esto, a su vez, habla en favor de su uso en antenas phased array. El balun se monta externamente como derivación de media onda de un cable coaxial de teflón.

Por supuesto, la variedad de productos en el mercado es correspondientemente grande y se ofrecen otras antenas Yagi bajo las marcas EAntenna, InnovAntennas, Yagis YU1CF y Yagis I0JXX.

Adaptación de impedancia casi sin pérdidas

Para conectar dos o cuatro antenas idénticas se puede utilizar el llamado "coaxial matching pot" o divisor de potencia (divisor de -3 dB). El pote de adaptación transforma la impedancia característica de los 12,5 Ω o 25 Ω de las antenas conectadas en paralelo a los 50 Ω necesarios prácticamente sin pérdidas. Por encima de 70 cm, siempre se deben utilizar platos de adaptación para esta tarea. En la banda de 2 m y 70 cm, también se puede trabajar con líneas de enfase. Puede elegir los accesorios adecuados para todas las bandas de radioaficionados (VHF, UHF, SHF) y una potencia de transmisión máxima de 2000 W entre una amplia gama de ollas de adaptación y cables de fase confeccionados.

Control de antenas para grandes conjuntos de antenas

Para radioaficionados terrestres convencionales, se necesita un rotor azimutal con el que se pueden cubrir 360° en el plano horizontal. Para modos de operación especiales como EME, MS y Aurora, se necesita un rotor de elevación adicional para poder alinear la antena verticalmente hasta 90°. Especialmente si se desea mover un gran conjunto de antenas, la capacidad de carga y los momentos de torsión y flexión de un rotor de antena son criterios importantes. No sólo el propio rotor tiene que ser de "mayor calibre", sino que difícilmente funcionará sin un cojinete superior. Las fuerzas laterales sólo pueden absorberse con un cojinete superior adicional. Esto aumenta el esfuerzo mecánico y se necesitan componentes adicionales para el cojinete superior: un tubo vertical o incluso un mástil de celosía más pequeño, así como una plataforma para el cojinete superior. Encontrará más información sobre estos aspectos en nuestra "Guía del rotor de antena".

Materiales de montaje esenciales para los conjuntos de antenasc

La lista de materiales de montaje no pretende ser exhaustiva. A continuación se indican los "pequeños artículos" más importantes que probablemente se necesiten para la construcción de cualquier conjunto de antenas:

Abrazaderas transversales y placas transversales, soportes de montaje, pernos en U, abrazaderas dobles, abrazaderas para tubos, pestillos (contraabrazaderas), abrazaderas para tubos verticales, abrazaderas de arriostramiento, tubos de aluminio, tubos de acero, tubos de PRFV, tapas de mástil, soportes de mástil, bases de mástil y abrazaderas para bases de mástil, semicarcasas y manguitos de sujeción para tubos de PRFV, así como soportes de elementos de plástico para tubos verticales redondos o perfiles rectangulares. Muchos de los productos metálicos están disponibles en versiones galvanizadas o de acero inoxidable.

Planificar y realizar ahora

Si tus planes para la construcción de un conjunto de antenas están completamente desarrollados y la decisión de realizar este extenso proyecto de construcción de antenas ha sido tomada - ¡entonces déjanos asesorarte! El equipo WiMo estará encantado de escuchar tus deseos e ideas. Le deseamos mucho éxito en la construcción de su antena.

Julio 2024, Alfred Klüß, DF2BC