8: Antenas omnidireccionales para satélites
Se analizan las antenas omnidireccionales de polarización circular más adecuadas para satélites y sus diagramas de radiación.
Antenas omnidireccionales de polarización circular
Siempre se ha propuesto como antenas muy adecuadas para satélites la EggBeater o batidora de huevos, la cuadrifiliar helicoidal (QFH) y la Lindenblad. En la figura 1a, 1b y 1c mostramos cada una de las antenas con su respectivos diagramas de radiación.
Pero antes de analizarlas más a fondo, tenemos que examinar unas antenas más sencillas que aún pueden darnos alguna sorpresa agradable:
Dipolos cruzados y Turnstile
Empecemos pues con la antena básica de polarización circular, que consiste en dos simples dipolos cruzados a 90º y alimentados con un desfasador de coaxial también de 90º (λ/4 x Fv) que es el que proporciona la polarización circular (figura 2a). Una variante es la antena llamada Turnstile que tiene una mejora que consiste en añadirle dos reflectores cruzados debajo para reforzar aún más la ganancia vertical hacia el cenit (figura 2b).
Veamos también sus prestaciones con sus diagramas de radiación en las figuras 2a y 2b, teniendo en cuenta que siempre situamos estas antenas a 3 metros de un suelo de conductividad muy pobre, como acostumbra a ser la parte superior de un edificio o del tejado de una casa.
Los dos dipolos cruzados disparan bien hacia el cenit con una ganancia de hasta 5,5 dBc y, si añadimos los dos reflectores cruzados debajo, hasta alcanzamos los 7 dBc. Pero estas dos antenas NO permiten aprovechar bien toda la duración de un pase, pues recordemos que los LEO se quedan casi siempre por debajo de los 60º (en el 90% de sus órbitas). Esta desventaja aumenta si le añadimos dos reflectores debajo (Turnstile) porque aumentar la ganancia hacia el cenit, pero así aún empeora más la ganancia en ángulos bajos para los satélites por debajo de 40º. A mi juicio, está claro que estas dos antenas no se adaptan bien a nuestras necesidades para aprovechar bien todo el pase de un satélite LEO.
Egg-Beater
La famosa batidora de huevos sería la siguiente en nuestra lista de antenas omnidireccionales con polarización circular, pues consiste en dos aros cruzados con una longitud de 1λ completa cada uno, también alimentados con un desfasador de 90º entre los dos para proporcionarles la polarización circular.
También planteemos dos variantes: los 2 aros solos (figura 3a) con desfasador a 90º sin reflectores y la que lleva además dos o más reflectores debajo (figura 3b), de un modo similar a la Turnstile.
El diagrama de la Eggbeater sin reflector (figura 6b) nos muestra una cierta ganancia de +4,15 dBic a 7,5º de elevación que se mantiene por encima de 0 dBic en el cenit, aunque con un par de huecos muy pronunciados por el efecto suelo, pero se mantiene bastante bien todavía hasta los 60º de elevación. No está mal, pero da poca ganancia hacia ángulos bajos.
De todos modos representa una pequeña mejora respecto a los dos dipolos cruzados con desfasador de la figuras 2a y 2b.En cuanto le ponemos los reflectores, la ganancia se dispara hacia el cenit como en la Turnstile y se acerca a 0 dBic en ángulos por debajo de 35º (figura 2b), por lo que parece muy poco adecuada para nuestro objetivo de disponer de una antena que trabaje bien durante el mayor tiempo posible de cada pase de satélite. No parece ser muy recomendable esta antena omnidireccional para operar el mayor tiempo posible en los LEO.
El desfasador de 90º de λ/4
Los dos círculos de 1 λ que constituyen la antena Eggbeater tienen cada uno una impedancia de alrededor de 100 ohmios, pero como siempre nosotros deseamos alimentarla con un cable de 50 Ω. Debemos unir los dos círculos con un desfasador de una longitud de un cuarto de onda eléctrica (λ/4 x Fv) para obtener la polarización circular, pero necesitamos que el cable del desfasador tenga 100 ohmios de impedancia característica , igual que la de un solo círculo, para que traslade esta impedancia hasta el otro círculo y, en paralelo con su alimentación, la impedancia se sitúe alrededor de 50 Ω, tal como se muestra en la figura 4. Este tramo de 100 Ω se realiza con dos secciones idénticas de la misma longitud de 50 Ω conectadas en serie, es decir, solo las mallas unidas entre sí y los dos centrales conectados a los bornes de cada circulo y también al coaxial en uno de ellos.
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| Figura 4: Desfasador y adaptación de impedancias |
Lindenblad
No consigo entender bien cómo funciona esta antena, de la que dicen que proporciona polarización circular, porque de la versión original (figura 5a) aseguran que está formada por cuadro dipolos plegados inclinados a 30º y colocados en forma de cuadrado, con todas las bajadas unidas entre sí en paralelo.
Cuando realizo el modelo (si es que lo modelo bien), me sale un diagrama de radiación horrible y extrañamente asimétrico (figura 5a). No me explico que no lleve incorporada algún desfasador para conseguir la polarización circular. Si no lleva desfasadores, ¿de dónde sale la polarización circular? ¿De la inclinación? Lo dudo.
Para obtener una polarización circular, en mi opinión hay que introducir de algún modo un desfasador. He realizado mi propio modelo introduciendo un desfasador de 90º (λ/4 x Fv) entre cada par de antenas encaradas y el otro par perpendicular a ellas. Además, también me parece más lógico invertir la polaridad de las conexiones entre las dos antenas opuestas e invertir la conexión para desfasarlas 180º (figura 5b). Con estas dos modificaciones, el diagrama de radiación que consigo es más aceptable en cuanto a la polarización circular (figura 5b) y al menos ya es más simétrico y con mucha mejor distribución hacia los ángulos de radiación que nos interesan por debajo de 60º, y con un hueco pronunciado hacia el cenit que alcanza los -15 dB, y una cifra superior a la deseada.
Misteriosamente en la versión con todas las cuatro antenas conectadas en paralelo, y de la que todos los diseños que he encontrado en Internet sostienen que es la auténtica, aparece una asimetría que da grima (figura 5a) y en ella la omnidireccionalidad brilla por su ausencia, mientras que en mi versión con desfasadores añadidos es muchísimo más simétrica y omnidireccional, aunque con algo menos de ganancia a 10º de elevación, pero bastante aceptable (figura 5b). Otro defecto de esta antena es que es más complicada de realizar mecánicamente, porque necesitaremos cuatro soportes horizontales, uno para cada dipolo plegado, problema que no teníamos en las anteriores.
De la Egbeater a la bicuadro y a la QFH o cuadrifiliar
Hemos visto que para una cobertura más uniforme del pase, nos conviene más la Eggbeater sin reflectores, pero no se nos podría ocurrir que, en vez de círculos perfectos y bonitos, la batidora de huevo la podríamos hacer también con cuadrados e incluso con rectángulos, formando una antena que podríamos llamar “bicuadro” (figura 6).
Pero también podemos conseguir la polarización circular por otros medios que no sea el clásico desfasador de λ/4.Alguien tuvo la ocurrencia de realizarla por medios físicos, nada más y nada menos que girando y retorciendo 180º la mitad superior de la antena tal como se intenta indicar en la figura 7, pasando a convertirse en la antena QFH o cuadrifiliar (figuras 8a y 8b), forzando el giro de la onda radiada con un giro físico de 180º, igual al que se produce en cualquier antena helicoidal de polarización circular.
La QFH o cuadrifiliar helicoidal
La QFH (Quadrifiliar Helicoide) es, por tanto, una antenas con dos cuadros retorcidos helicoidalmente, la cual, a primera vista, parece muy compleja por la visión de los 4 cables curvados que la forman, pero si te los miras cuidadosamente, tal como hemos demostrado, no son más que dos recuadros de una longitud de onda completa, pero retorcidos 180º para obtener la polarización circular de un modo físico (figuras 8a y 8b), tal como se hace en todas las antenas helicoidales.
Los dos rectángulos retorcidos 180º ahora se conectan en paralelo porque ya no necesitamos el cable desfasador, porque el giro lo conseguimos físicamente, de modo que las impedancias de los dos cuadros de unos 100 Ω conectadas en paralelo se adaptan muy bien a los 50 Ωdel coaxial.
Cada recuadro tiene una longitud de onda (1λ) completa (como en las Eggbeater), pero se me ocurrió aumentar la longitud de cada rectángulo retorcido, para conseguir una mayor ganancia hacia el horizonte, de modo que se produjera un efecto parecido al que se consigue con las colineales, las cuales refuerzan su radiación hacia el horizonte cuanto más las alargamos, tal como ya hemos visto anteriormente.
Recuadros de 2λ
Al aumentar la longitud de los tramos verticales radiantes de una antena colineal, mejoramos su ganancia hacia el horizonte, aunque manteniendo la polarización circular. He probado con longitudes de 2λ por recuadro y la idea parece dar buen resultado (ver figura 8b) con una antena de 432), del mismo modo que con la mayor longitud aumenta la ganancia de las colineales, pero ahora con una antena que tiene polarización circular, que es lo que pretendíamos. Con la QFH de 1λ (figura8a) nos pasa algo muy parecido que con la Eggbeater: le falta ganancia hacia ángulos bajos y tira muy bien hacia el cenit (figura 8b).
Como se ve en la foto de la figura 8b, no es necesario que los lados de los recuadros radiantes sean curvos para conseguir la polarización helicoidal. La antena para 436 MH de 2 x 2λ (figura 8b) me la construyó Agustín, EA3AOG, y es algo más estrecha y alargada para conseguir más ganancia hacia el horizonte. El resultado es que proporciona 7,2 dBic entre 5 y 10º y la ganancia se mantiene positiva hasta 60º. Los huecos que se forman en el diagrama de radiación son debidos al efecto de la reflexión en el suelo, pero en la práctica seguro que no serán tan profundos si el suelo es muy mal conductor, como suele ser lo habitual en nuestras edificaciones.
En la figura 8b se observa que la antena QFH de EA3AOG dispone de un eje vertical de soporte con tubo de PVC con tres planos de tubitos perpendiculares y cruzados a 90º por los que se pasan los cables de los dos recuadros soportados por los tubitos traveseros de PVC también, los cuales se distinguen muy bien, pues están hechos con cable eléctrico de 2,5 mm2 de sección, uno de ellos recubierto de plástico amarillo y el otro con cable de plástico azul. Los dos cuadros están conectados en paralelo en la base y por la parte superior se cruzan sin contacto entre ellos. Resulta relativamente fácil de construir sin que eso suponga quitarle méritos a Agustín, al que le agradezco mucho su gran trabajo con ella.
La QFH es mi ganadora favorita
Nuestra primera experiencia con una QFH fue el contacto con el astronauta Mark van der Heyden en la Estación Espacial Internacional desde la UPC de Castelldefels en el año2015. Realmente hicimos el contacto con una antena Yagi de 144 de 3 metros de viga de soporte y 11 elementos y con un ICOM IC-910, pero la antena QFH de respaldo de 144 con 2 rectángulos retorcidos de 2 x 1λ, construida por Josep María Gaya, EA3FUZ, conectada a otro IC-910, de respaldo, estuvo recibiendo a la estación espacial a fondo de escala durante todo el pase, Esto es lógico si recordamos que la ISS transmite con un Kenwood de 20 W, una señal casi exactamente igual que el IC-910 conectado a la Yagi de 144 controlada por el ordenador. Fue impactante ver constantemente la aguja del Smeter en el fondo de la escala del IC-910 de respaldo con la QFH. Así que la esta antena la considero la ganadora en esta competición entre antenas omnidireccionales para satélites.
Montaje para dos bandas
La ventaja de las antenas con eje central de soporte como la Eggbeater (figura 9) y la QFH (figura 10) es que es muy fácil montar las dos antenas para VHF y UHF en un solo tubo vertical de soporte, y no te ves obligado a colocar las dos antenas en un soporte transversal, bien separadas para disminuir las interacciones entre ellas. Eso simplifica mucho la instalación y permite operar con éxito en satélites LEO en FT4 y probablemente también en SSB y CW, aunque para conseguir algo positivo en estas dos últimas modalidades será mejor que lo que nos ahorremos en rotores y directivas lo invirtamos en preamplificadores y amplificadores lineales.
Las ganancias de las antenas omnidireccionales, que pueden ser perfectas para FT4, pueden resultar demasiado justitas para operar en SSB, pero serán siempre un gran problema para operar en un canal de FM, porque en los repetidores monocanales impera la ley del más fuerte (las directivas), debido al efecto captura de la FM que solo repite al que llega más fuerte.
Pero no debemos descartar que se consiga algún contacto con ellas en FM en algún momento de tranquilidad en el repetidor de la ISS. La otra noche toda Europa estaba durmiendo y sólo estábamos activas dos estaciones: EA7JHK, Ángel, y un servidor, operando solitos en el repetidor de la ISS y hubiéramos podido contarnos toda nuestra vida durante el tiempo de 11 minutos que duró el pase. Así que no perdáis la esperanza y no dejéis de probarlo.
