Antenas NVIS (y II) portables y adaptables a 60 m

Antenas portables NVIS             

Siempre he pensado que las condiciones que debería cumplir cualquier antena realmente práctica para operar activaciones en portable o que  se pretenda utilizar para comunicaciones del tipo  NVIS a corta distancia, deberían ser, por orden de prioridad, las siguientes:

1. Fácil de instalar en muy poco tiempo.
2. Buenas prestaciones de radiación NVIS.
3. Fácil de alimentar y, si es posible, sin acoplador.

La antena que en mi opinión cumple mejor todas estas condiciones, a menos que alguien me demuestre lo contrario, es la EndFed (alimentada por un extermo) para 40 metros con 21 metros de cable radiante (λ/2) y que lleva en el extremo un adaptador que transforma la alta impedancia del extremo de la antena, a la baja impedancia del cable coaxial de 50 ohmios.

La EndFed es fácil de instalar con un solo mástil en V invertida, resuena en las bandas armónicamente relacionadas y no deja de ser una antena de media onda que radia casi exactamente igual que un dipolo, si se sitúa a la altura adecuada  y es relativamente  fácil de adaptar, siempre que se utilice el adaptador adecuado.

Fácil instalación de la EndFed

Veamos diversas posibilidades de instalación en la que se demuestra la gran flexibilidad que nos permite una antena EndFed de λ/2 alimentada por un extremo, frente al dipolo de media onda alimentado en el centro, aparte de que no debemos olvidar que la EndFed es, además, una antena multibanda que resuena en todos los armónicos pares e impares y permite su alimentación por un extremo.

Figuras 1a, 1b y 1c: Instalaciones de EndFed en horizontal, slopper y V invertida.

–Horizontal: La configuración de una EndFed  de media onda horizontal (Figura 1a) exige dos mástiles de muy buena altura, lo cual complica la instalación, a menos que uno de los dos mástiles de soporte sea el techo de una casa o un árbol de buena altura. De todos modos sería la configuración que permite colocarla a una mayor altura media del radiante y la que permitiría un menor ángulo de radiación para trabajar DX, justo lo contrario de lo que buscamos para una operación NVIS.

-Slopper:  La instalación del cable de media onda inclinado o slopper (Figura 1b) es la más fácil de instalar con un solo soporte, pero el mástil principal debería ser un árbol de buena altura y resistencia, porque de lo contrario necesitará riostras para que no se nos venza el soporte al tensarla. Por otra parte, en cuanto a la radiación, la altura media del centro de la antena (máxima corriente) queda de media más baja, con lo que el diagrama de radiación será el peor para DX, aunque eso  no nos importará mucho si queremos utilizarla para NVIS (Near Vertical Incidence Sjywave o antena de radiación casi vertical).

-V invertida: La colocación en forma de V invertida (Figura 1c) con un solo mástil telescópico de soporte central es la instalación más cómoda y la que permite dejar el mástil bien arriostrado mediante las mismas cuerdas que sujetan los extremos del radiante. También es la más omnidireccional de todas las configuraciones, mucho más que la del dipolo horizontal de media onda, que no radia hacia las puntas, mientras que la V invertida, en cambio, radia de forma omnidireccional. Además  permite que la máxima corriente de la antena se encuentre en la posición más elevada, lo cual es lo mejor tanto para NVIS como para DX (teniendo en cuenta las alturas óptimas respectivas).

–Como puedas: Finalmente nos queda la instalación “como puedas” (figura 2),  de las que puedo poner como ejemplo la que  yo tengo instalada, pues es la que he utilizado para todas las pruebas con EndFeds. No es la mejor instalación respecto al diagrama de radiación, que es mejor no mirarlo, pero es la que me permite hacer cambiar la bobina central más cómodamente. por estar al alcance de la mano,  y probar más perrerías con ella.

Figura 2: EndFed para 40 m con 21 metros de cable puesta “como puedas”.

Adaptador por coaxial de cuarto de onda

Como ya había explicado en algunos artículos anteriores (ver Revista Radioaficionados de Mayo de 2015), puede realizarse también un adaptador coaxial monobanda de cuarto de onda eléctrica (resonante) para adaptar al extremo de una EndFed, con el inconveniente de que, aunque es bonito y barato, no resulta nada eficiente, porque añade muchas pérdidas, precisamente por ser resonante. Eso nos obligaría a fabricar el adaptador  con cable coaxial de muy bajas pérdidas, mucho más grueso que un RG-58. Debido  al diámetro de un RG-213 y a su falta de flexibilidad, esta opción pierde muchos enteros, porque resulta muy incómodo realizar el adaptador alta/baja impedancia mediante un cuarto de onda eléctrico de cable coaxial RG-213, aunque nos podemos permitir enrollar loa 6,60 metros necesarios como queramos, para la de  40 metros, por el peso considerable que debería colocarse en este extremo de la antena EndFed.  No digamos en bandas de frecuencias más bajas.

Por tanto,  es infinitamente mucho más recomendable utilizar un adaptador alta/baja por medio de un auto/transformador toroidal, mucho más ligero y manejable, pues solo tiene unas  pérdidas relativamente pequeñas por histéresis en el núcleo y, además, entonces la EndFed se convierte en  multibanda, pues se puede adaptar en todos los armónicos de la frecuencia fundamental, mientras que el cuarto de onda resonante es monobanda.

El adaptador de la EndFed

El adaptador que permite conectar los 50 ohmios de un cable coaxial a la alta impedancia de un extremo de la EndFed (estimada en 2500 ohmios) consiste en un transformador o autotransformador con una relación de espiras de 7:1 y una relación de impedancias de 49:1. Puede ser  tanto un transformador de dos bobinados (Figura 3b) como un autotransformador (Figura 3a), con ambos devanados realizados sobre un toroide adecuado de ferrita del tipo 43 de muy bajas pérdidas en las bandas bajas, sin que tenga ninguna ventaja especial el uso de uno u otro modo.

Figura 3a: Autotransformador 7/1	Figura 3b: Transformador 7/1

Adaptadores comerciales

Normalmente en el mercado se encuentran las dos variantes indistintamente y, entre las varias que he encontrado, merecen ser destacada por su calidad la EndFed de MyAntennas modelo EFHW-80-10 multibanda, que incluye el cable de antena, junto con una pequeña bobina, y el adaptador/transformador MEF-330-1K (Figura 4a), así como también la antena  MFJ-1984MP por su precio muy asequible y que podemos contemplar en la figuras 4b .

Figura 4a: Adaptador MEF-330-1k	Figura 4b: Adaptador MFJ-1984ME

No vale la pena comprar la antena completa EFHW-80-10 de MyAntennas que incluye el cable y una bobinita que sólo sirve para centrar la ROE en las bandas de HF más elevadas, porque no creo que trabajemos esas bandas en portable en estos años de tan baja actividad solar. Por tanto, yo recomendaría  comprar a MyAntennas solamente el adaptador MEF-330-1K sin el cable, que ya se lo pondremos nosotros,  y olvidémonos también de la bobinita de marras. Con gastos de envío y los aranceles que nos harán pagar (+ÌVA) por proceder de EE.UU. ya sale bastante  caro, pero garantizan que soporta 1 kW de pico y tiene una calidad de fabricación excelente y muy bien resuelta la ventilación para que no le entre agua y, si a pesar de todo le entrara, que se evacúe rápidamente.

La antena MFJ-1984ME (Figura 4b) destaca porque sale muchísimo más barata (casi a mitad de precio) y, además, en este precio Astro Radio incluye el cable de la antena, pero su calidad no es la misma que la de Myantennas. Para un uso portable, es más que suficiente, pero para instalaciones más permanentes, podría ser interesante pagar el precio que pide MyAntennas.

 ¿Cómo debe ser el adaptador auto/transformador?

Empecemos por considerar las características que debe cumplir un buen adaptador auto/transformador toroidal de una EndFed y que son algo elevadas:

La impedancia que aparece en la punta de una antena EndFed con una impedancia bien adaptada a 50 ohmios es la siguiente:

50 ohmios x 49 = 2500 ohmios

Pero podemos suponer que, en el peor de los casos, podemos tener en el transmisor una desadaptación de hasta una ROE = 2:1. En ese caso la impedancia sería el doble y tendríamos, 2 x 50 ohmios x 48 = 4800 ohmios

La conclusión es que normalmente nos encontraremos con una impedancia en la punta de la antena alimentada de entre 2500 y 5000 ohmios.

Soporta una tensión muy elevada

El problema más importante que debe afrontarse en el diseño del adaptador es que tendrá que soportar tensiones muy elevadas en su extremo, por lo que debe estar muy bien aislado. Veamos las cifras que se nos presentan:

√(100 W x  50 ohmios) suponen 70 V por 7/1 = 490 V eficaces que son 700 V de pico.

Eso suponiendo que estamos adaptando con ROE 1:1, lo cual es mucho suponer, pero  lo más probable es que nos mantengamos dentro del  margen 2:1 de ROE que admiten todos los trasmisores, por lo que podemos llegar a una impedancia de 100 ohmios en el transformador y por tanto a una tensión:

√(100 W x 100 ohmios= suponen 100 V por 7/1 son 700 eficaces que llegan a 990 V de pico.

Y no hablemos de potencias superiores porque se supone que estamos considerando estaciones portables y no de concurso, y no operaremos con 1 kW, en cuyo caso la tensión podría llegar a 3000 V.

Así que esas tensiones aparecen en los extremos del cable de una  EndFed y debemos tomar todas las precauciones posibles para que no salten arcos y, sobre todo, para que nadie pueda tocar los dos extremos de ese cable (ni de cualquier antena) con la mano  ni por equivocación.

Debe disipar bien el calor

El segundo problema que se plantea en un buen adaptador  es la disipación. Si vamos a operar con 100 W y las pérdidas del núcleo toroidal del auto/transformador  llegaran a ser de un 5%, nos quedaría un rendimiento aún muy satisfactorio del 95%, pero el núcleo debería disipar cerca de 5 W. Eso  no parece un problema para núcleo de un diámetro de 50 mm o más, pero puede ser un problema para potencias superiores.

Estas pérdidas nos complicarían la vida si pretendiéramos que el toroide disipara el 5% de 1 KW, puesto que eso ya serían 50 W de calor en el núcleo, lo que haría muy difícil realizar un buen adaptador EndFed que soportara la potencia de un lineal y que no se calentara excesivamente. Los de MyAntennas juntan 3 núcleos y garantizan que soporta 1 kW  de pico (no continuos).

Diagramas de radiación

Vamos a colocar cada instalación de una antena EndFed a su altura óptima para buscar la máxima radiación NVIS y comprobaremos cómo radia cada una hacia el cenit:

Fig. 5a: Dipolo h =  8 m.	Fig. 5b: Slopper entre 2 y 12 m	Fig.5c: V inv. entre 10 y 5 m

Los resultados de las tres configuraciones EndFed colocadas a una altura óptima se muestran para la media onda horizontal (Figura 5a) que en 40 metros tiene una ganancia máxima hacia el cenit de 6,18 dBi, mientras que la Slopper solo proporciona 3,69 dBi (Figura 5b) y la V invertida (Figura 5c) solo consigue 5,31 dBi a una altura de 10 metros en el centro y dejando los extremos a 5 metros de altura (ángulo de abertura de 120º).

La conclusión es que la instalación más sencilla y rentable es la configuración en V invertida con un sólo mástil de 10 metros, siempre que la realicemos con un ángulo muy  abierto, algo así como 120º, para que los extremos queden por lo menos a 5 metros de altura.

V invertida más cerrada

Puesto que ya hemos llegado a la conclusión de que la forma de V invertida es la más sencilla de instalar, vamos a comparar la diferencia entre dos Vs invertidas, una con ángulo más abierto (2 x 60º = 120º) y la otra más cerrada (2 x 45º =  90ª) y comprobaremos cuánto perdemos al cerrar más el ángulo que forman las dos ramas. Modelaremos  las  dos versiones: la primera, más abierta, con altura central de 8 m y 3 metros de altura para los extremos (Figura 6a) y la segunda, más cerrada, con alturas de 9 y 2 metros respectivamente (Figura  6b).

Figura 6a: V inv. de 40 m abierta entre 8 y 3 m	Figura 6b: V inv. de 40 m cerrada entre 9 y 2

El resultado de los diagramas de radiación demuestra que, cuanto más cerremos la V, menos ganancia obtendremos y habremos perdido casi 1 dB al cerrarla a menos de 90º, aunque la hayamos subido 1 metro más arriba (9 metros), y esto no nos ha servido prácticamente de nada, porque la media de la altura de la antena es inferior a la óptima.

Cambios de banda: Resonancias en 60 y 80 m

Es relativamente fácil cambiar de banda una antena EndFed sin cambiar su longitud, ya sea porque no nos cabe, o porque no sabemos dónde poner tanto cable (26,5 m para la banda de 60 m), de modo que  no tenemos más que añadir una bobina central (figura 7) que alargue la antena y colocarla en el lugar de la máxima corriente (el centro de la media onda), de forma que ahora resuene en una frecuencia más baja.  En el punto de máxima corriente es donde es más interesante instalar una bobina alargadora, porque es donde necesitamos menos inductancia para aumentar su longitud eléctrica equivalente.

Figura 7: Alargamos la antena de 40 con bobina para 60 m

He utilizado el programa EZNEC+ para calcular la inductancia de la bobina a insertar (Load) en el centro de la antena y he modificado el valor de la inductancia, hasta que la media onda para 40 m (21 m) me resonara ahora en 5,35 MHz  (60 m). He comprobado con EZNEC`+ que basta añadir una inductancia de 13,5 μHy para que la antena de 40 m resuene en 60 metros y se necesitan hasta 40 μHy para que resuene en 80 metros concretamente en 3,6 MHz.

Construcción de las bobinas para 60 y 80 metros

Para construir las inductancias correspondientes a estas dos bandas, he utilizado una App para mi teléfono móvil Android llamada Coil32, que me recomendó Santi García EA3GLY (gracias, Santi) y que me ha dado unos resultados bastante ajustados, aunque algo superiores a los realmente necesarios, lo cual es mejor como luego veremos.

He partido de una forma de soporte para la bobina realizada con tubo de PVC para bajantes, el de más diámetro que he podido conseguir (63 mm) y he calculado las espiras necesarias con un hilo de cobre esmaltado de 1,5 mm de diámetro.

El programa me indica que debo colocar 36 espiras de hilo de cobre esmaltado de 1,5 mm en el tubo de 63 mm, para obtener los 40 µH de inductancia necesarios para obtener la resonancia en 80 metros y solamente 15 espiras del mismo hilo de cobre de 1,5 mm  para obtener la  resonancia en 60 metros con una inductancia de 13 µH (Figuras 8a y 8b).

Figura 8a: Calculo bobina para 60 m	Figura 8b: Resultado bobina para 60 m

En la fabricación de cualquier bobina es mejor pasarse de espiras que quedarse corto, porque si nos pasamos, será muy fácil quitar espiras, mientras que si nos quedamos cortos, y nos falta inductancia, la única solución que tendremos es volver a  realizar una bobina nueva con más espiras. Algunas veces basta con juntar más las espiras, lo que aumenta la inductancia de un modo apreciable, aunque  sigue siendo un recurso  que aumenta la inductancia de un modo muy limitado.

De todos modos, el truco de apretar las espiras para aumentar la inductancia sugiere la conclusión de que siempre será mejor ajustar las espiras de la bobina, de forma que, con las espiras muy separadas, resuene en la parte alta de cualquier banda. De este modo, cuando nos convenga, podremos aumentar la inductancia, juntando más las espiras entre sí todo lo posible y llevar la antena a resonancia en la parte baja de esa misma banda.

Figura 9a: Bobina para resonar en 5,53 MHz	Figura 9b: Bobina para resonar en 80 m

En las figuras 9a y 9b se observa que he colocado mosquetones para que soporten los cables de la antena, sujetos directamente a los tubos de PVC, para independizar los esfuerzos mecánicos de los contactos eléctricos. Para estos últimos, he utilizado bananas machos y hembras que se conectan a las bobinas  y facilitan su cambio para operar en otras bandas. También este sistema de bananas machos y hembras aéreas me permite  colocar simplemente un puente en el cable para seguir trabajando los 40 metros, banda en que esta EndFed resuena naturalmente en media onda con sus 21 metros  de cable.

Para la resonancia en 60 metros, la App indicaba que necesitaría 15 espiras (figura 8a y 8b), pero he tenido que quitar un par y dejar 13 para conseguir la resonancia en 5,35 MHz  (figura 9a), mientras que me pedía 37 espiras para la banda de 80 metros y he necesitado solo 34 espiras para 3,7 MHz (figura 9b).

Figura 10: EndFed para 40 m (21 m cable) en 5,35 MHz con bobina de carga

La gráfica de la ROE que nos indica la resonancia en 60 metros con un mínimo de 1,8 aparece expuesta en la figura 10. Comprobamos que cualquier antena más corta de lo que exigiría  su resonancia en media onda, alargada eléctricamente mediante una bobina, siempre presenta una curva de respuesta mucho más aguda y estrecha, que una antena de dimensiones normales de media onda.

Banda de 30 metros

No debemos olvidar que la banda de 30 metros (10,1 MHz) es el tercer armónico aproximado de 3,5 MHz, de forma  que, si ajustamos la EndFed para que quede  sintonizada en la parte baja de los 80 metros (3,5 MHz en la figura 11b), “casualmente” también nos resonará en su tercer armónico en 10,5 MHz y nos permitirá trabajar esta banda con una ROE aceptable, con un poco de ayuda de un acoplador, en 10,1 Mhz (figura 11a).

Figura 11a: Respuesta en 30 metros	Figura 11b: Respuesta en 80 metros

Combinación de ambas bobinas

Es muy fácil realizar todas las combinaciones pata 30, 40, 60 y 80 con tan solo una sola bobina o inductancia, pues basta con colocar una toma intermedia en la bobina de 80 metros justo a 13 espiras de un extremo, lo que en la práctica supone realizarla a algo menos de la mitad de las 34 espiras, para que resuene en los 60 metros, bastando entonces un mero cambio de conexiones para cambiar de banda sin tener que cambiar la bobina.

EndFed bibanda 40+60

Se me ha ocurrido también que, igual que con el triple dipolo en paralelo, se podría intentar realizar una EndFed bibanda con dos cables de media onda, resonando en las dos bandas diferentes no relacionadas armónicamente (para 40 y 60 m), conectados al mismo adaptador alta/baja impedancia,  de forma que se puedan trabajar las dos bandas (bibanda) sin tener que hacer ningún cambio de bobina ni de antena. El resultado de la combinación lo tenéis en las ilustraciones siguientes (Figura 12a y 12b).

Fig. 12a: EndFed doble 40 y 60 m	Figura 12b: Gráfica de  ROE de EndFed doble 40 y 60 m.

Las dos resonancias en 40 y 60 metros se pueden conseguir con dos cables distintos, uno de 21 metros (resuena en 7,05 MHz) y el otro de 26,5 metros que resuena en 5,35 Mhz, y ambos conectados al mismo  transformador/adaptador EndFed. En la práctica se podrían montar como V invertida con las dos ramas de distinta longitud y la alimentación EndFed con su transformador/adaptador en la cúspide, pero hay que tener en cuenta que el centro de ambas antenas quedará a una altura inferior a la óptima.

EndFed  doble para triple banda 40+60+80 m

Si queremos una EndFed multibanda para 40 + 60 + 80 metros, lo lógico es conectar dos cables de media onda al mismo adaptador, uno de 42 metros para la media onda en 3,6 MHz y 7 Mhz y otro más de 26 metros para la media onda de 5,3 MHz, Si tenemos en cuenta que la media onda de 80 metros resuena también en 40 metros, habremos conseguido la triple resonancia y el resultado lo podemos ver en la figura 13.

Figura 13: ROE ENDFED doble 60+80 que resuena también en 40 m

¿Cuántas bobinas necesitamos para cambiar la frecuencia de una V invertida?

Respuesta correcta: solo una bobina. A que no se os había ocurrido que basta con colocar una sola bobina en el centro de un dipolo o de una V invertida (figura 14a), situada en el centro, junto al balun central 1:1, indispensable en un dipolo en V invertida y que además hace de soporte de ambas ramas. Pues se me ha ocurrido modelarlo y os aseguro que el efecto de una única bobina es exactamente el mismo  que el de dos bobinas simétricas, cada una de ellas situada en el centro de cada rama lateral (Figura 14b).

Figura 14a: V invertida con 1 sola bobina central	Figura 14b: V invertida con 2 bobinas

Con una sola bobina en el centro, de la misma inductancia que cada una de las simétricas,  conseguiremos que nuestra V invertida para 40 metros, alimentada en el centro, resuene también en las bandas de 60 y 80 metros, mediante la colocación de la bobina respectiva  para 80 u 60. Podemos instalar una polea en la parte superior de nuestro mástil telescópico para bajar el balun y colocar a su lado la bobina respectiva o un puente cuando queramos cambiar la frecuencia de trabajo.

En 80 metros costará un poco más acoplarla, porque al ser mucho más corta que una media onda y estar en V invertida, la impedancia nos baja demasiado y la ROE mínima es algo alta, pero en 60 metros aún nos quedará una ROE muy aceptable sin acoplador, con un mínimo inferior a 2:1.

Los diagrama de radiación obtenidos con una sola bobina en el centro del dipolo tendrán una ligerísima asimetría que no será apreciable en la práctica y la gráfica de resonancia será exactamente la misma, mientras que la ganancia obtenida empeora solamente en una décima de dB en cualquier dirección, tal como demuestran los modelados respectivo en EZNEC+ (Figuras 15a y 15b).

Figura 15a: Diagrama con 1 bobina central	Figura 15b: Diagrama 2 bobinas simétricas

¿Queréis saber más sobre antenas?

Os recomiendo que leáis todos los artículos publicados hasta la fecha en el EL ABC DE LAS ANTENAS, en los que os cuento todo lo que deberíais saber sobre antenas y nadie os ha contado hasta ahora.

73 Luis EA3OG