ESTUDIO PARAMETRICO DE MEDIA ONDA ALIMENTADA POR UN EXTREMO EFHW
Eduardo Alonso, EA3GHS
Joan Morros, EA3FXF
7/ABRIL/2013
20/ABRIL/2013
Se desea una antena para la banda de 17 metros, montada sobre una canya de pescar y con un circuito de adaptacion sin ajustes. Esta antena se desea utilizar junto al transceptor PELEGRINO en operaciones portatiles, donde sea facil y rapido montar y desmontar la estacion de radio.
Otra posible aplicacion es una antena urbana,
- montada en un balcon,
- o entre un balcon y un arbol o casa cercana.
La alimentacion por un extremo es muy atractiva pues es impractico hacerlo con un pesado coaxial por el centro.
Este trabajo nos va a permitir entender como alimentar una antena por su punto de alta impedancia y como esto altera el circuito de salida de un transceptor.
Adicionalmente nos permite experimentar con circuitos balanceados-no balanceados cuya comprension y consecuencias a nivel circuital no estan bien comprendidas por los autores en el momento de realizar estas experiencias.
Para realizar este estudio se ha implementado en MATLAB/OCTAVE un bucle que
- varia o varios parametros de la antena
- genera un fichero de definicion de antena dinamicamente
- llama al motor de NEC para calcular la impedancia y patron de radiacion
- recoge Z en el punto de alimentacion
- recoge ganancia de la antena hacia el horizonte (PHI=90)
y finalmente realiza un grafico de Z,G verus parametro variado.
Este procedimiento es mas productivo que trabajar de forma interactiva con MMANA o 4NEC2.
INTRODUCCION
A partir de los estudios y observaciones de campo de AA5TB y W8JI, se intenta reproducir sus resultados para confirmar la validez de
- las herramientas,
- el modelo y
- el procedimiento de diseño
utilizados en este estudio.
Una vez reproducidos los resultados, se propone una antena basada en el mismo principio ajustada a nuestros propositos y se verifica sus prestaciones mas significativas con simulaciones y medidas.
En la primera parte de este estudio, se realiza un estudio parametrico variando por separado
- la longitud total del hilo
- el radio del hilo
- el punto de alimentacion
Sobre una antena se pueden realizar dos estudios separados
- comportamiento como circuito electrico:
* determinacion de la corriente (y tension) en cada punto del hilo conductor
* variacion de esta corriente en funcion de la frecuencia
- caracteristicas como radiador de energia electromagnetica
* calculado a partir de la corriente en cada punto de la antena
En el estudio parametrico realizado, solo se considera como un circuito electrico, ignorando inicialmente las caracteristicas de radiacion. El objetivo buscado es determinar las condiciones en las cuales la antena es resonante.
El programa de simulacion de antenas utilizado es NEC2, basado en el Metodo de los Momentos, adecuado para simular antenas de hilo. En la simulaciones no se considera la cubierta de plastico que rodea al hilo (dielectrico).
GENERALIDADES SOBRE RESONANCIA
(REVISAR EL SIGUIENTE PARAGRAFO)
Una antena END-FEED como la propuesta llevada a resonancia tiene unas propiedades que la hacen interesante:
- el punto de alimentacion presenta una impedancia Z sin parte reactiva (X=0)
- no requiere conexion a tierra ni radiales
- la linea de transmision que la alimenta (si es corta electricamente o no resonante) no se comporta como parte de la antena, por tanto
* no circulan corrientes elevadas y por tanto no radia
* como no radia, tampoco recibe y no introduce ruidos de fuentes cercanas
* el equipo de radio y el operador cuando lo toca no forman parte circuito de antena
Si una antena no es resonante, se puede llevar a resonancia, de la forma mas simple, con un circuito L serie C shunt, C serie L shunt o LC shunt. El patron de radiacion no varia al realizar esta adaptacion.
GENERALIDADES SOBRE ANTENAS DE HILO
Todas las antenas de hilo son parecidas, pero no son iguales. Cada una tiene unas propiedades que la hacen interesante segun la aplicacion deseada o el entorno donde se utiliza. Los diagramas de radiacion, ademas, pueden cambiar significativamente. Podemos diferenciar las familias de antenas (lista no exahustiva)
Antenas sin toma de tierra
- Dipolo alimentado en el centro
- Dipolo alimentado fuera del centro OFCD
- Zeepeling (alimentada por un extremo)
- J-Pole, variante de la Zeepeling, incluye circuito adaptador impedancias.
- W3EDP, variante de la Zeepeling, pero con linea de transmision abierta
- Alimentada por un extremo
- Antena de aro
Antenas con tomas de tierra
- Window, variante de la OFCD alimentada con una linea de transmision abierta
- Marconi, en forma de T o L inverida
- Vertical de lambda/4 con toma de tierra
- Hilo largo (long>lambda/4) con toma de tierra
- Hilo de longitud indeterminada (random wire)
La toma de tierra genera una antena espejo imaginaria que dobla el tamanyo fisico de la antena. Esto ha de ser considerado a la hora de buscar la condicion de resonancia.
La toma de tierra se consigue con la conexion directa a tierra o mediante unos radiales que producen un acoplo (capacitivo?) de baja impedancia con la tierra.
Todas estas antenas, colocadas sobre un plano de tierra, aumentan su ganancia 3dB debido a que las ondas se reflejan en el suelo y alcanzan la antena doblando la potencia recibida.
Si la antena se monta en un tejado, la toma de tierra queda mal definida, y el puede comportarse como un mal radiador, modificando el patron de radiacion y reduciendo la ganancia.
BARRIDO EN LONGITUD
Empezamos. Suponemos una antena dipolo de una lambda, con alimentacion en el centro, trabajando en las siguientes condiciones
- espacio libre (sin plano de tierra)
- alimentacion en el centro
- radio del hilo, 0.5mm
- frecuencia de trabajo, 18.118kHz
- longitud electrica, XXX metros
LONG es la longitud total de la antena. Se realiza un barrido de longitud entre 15 y 17 metros y se busca donde la reactancia se hace cero. Si LONG=15.7m, en el punto de alimentacion la impedancia es Z=R+jX=5400+j0 ohm. Es decir, la parte reactiva de la impedancia se ha cancelado, X es cero ohm y la impedancia es resistiva solo, Z=R=5400 ohm.
La longitud de cada brazo es 7.85m, y esa es precisamente la longitud correspondiente a media longitud de onda.
BARRIDO EN FRECUENCIA CON UNA ANTENA DE UNA LAMBDA
La antena de una lambda es resonante en la frecuencia doble y triple
LONGITUD FISICA vs LONGITUD ELECTRICA
discusion
analizar tambien esta relacion para la banda de 6 metros!
BARRIDO DEL DIAMETRO DEL HILO
La parte resistiva de la impedancia en el punto de alimentacion depende de las perdidas ohmicas producidas por el grosor del hilo.
Suponemos un dipolo de longitud LONG=15.7m trabajando en las mismas condiciones que en el punto anterior.
- espacio libre (sin plano de tierra)
- longitud, 15.7m
- alimentacion en el centro
- frecuencia de trabajo, 18.118kHz
Se observa como el diametro del hilo afecta tambien a la reactancia. Se mantiene el grosor de 1mm (radio=0.5mm) en las siguientes simulaciones
BARRIDO EN LONGITUD DE UN BRAZO
Regresamos a nuestro dipolo de una lambda (15.7m=7.85m+7.85m)
- espacio libre (sin plano de tierra)
- longitud del primer brazo, 7.85m
- alimentacion entre los dos brazos
- longitud del segundo brazo variable
- frecuencia de trabajo, 18.118kHz
Manteniendo la longitud de un brazo a 7.85 (lamda/2), variamos la longitud del otro brazo entre 0 y 7.85m (0..lambda/2) buscando si ocurre alguna resonancia adicional.
Se observa una resonancia (X=0,R=5400ohm) cuando los dos brazos son iguales (0.5lambda), que es el resultado obtenido al principio de la discusion.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Pero tambien ocurre un hecho inesperado (magico), hay un segunda punto de resonancia. La reactancia se hace cero (Z=2300+j0ohm), cuando un brazo es 0.5lambda y el otro brazo es 0.05lambda.
Este efecto es el que queremos aprovechar para tener toda la antena sobre el soporte, resonando y sin necesidad de toma de tierra o radiales.
Y una tercera observacion, un brazo de lambda/4 (0.25*lambda) no lleva a resonancia la antena de END-FEED. Un brazo de lambda/4 no se comporta como transformador de impedancias que convertiria el circuito abierto del extremo del hilo (Z infinita), en un cortocircuito (Z=0) en el punto de alimentacion. Ojo por tanto al reproducir montajes que aparecen en la literatura. En una antena como la descrita, este efecto no se produce.
El resultado de esta simulacion es importante, ya sea al montar una antena END-FEED horizontal o vertical, se obtiene resonancia sin toma de tierra, o plano de tierra.
EFECTO DEL SUELO SOBRE EL PUNTO DE RESONANCIA
Al montar una antena END-FEED en posicion vertical sobre el suelo, aparece una antena imagen, aumentando la longitud de la antena. El patron de radiacion tambien se ve afectado.
Supongamos la siguiente configuracion
- END-FEED en posicion vertical
- Sobre un plano de tierra perfectamente conductor
- longitud del brazo cercano al suelo 0.052lamdas=0.81m
- alimentacion entre los dos brazos
- longitud del segundo brazo, 7.85m
- frecuencia de trabajo, 18.118kHz
y variamos la altura de la antena (distancia entre el plano de tierra y el primer conductor).
Se observa como se mueve el punto de resonancia.
A partir de una altura de dos metros, el plano de tierra afecta
poco a la Z de la antena.
Si colocamos la antena alejada del plano de tierra 5 cm (una distancia practica), la siguiente grafica muestra que alargando el brazo corto a 0.065lambdas, la antena se lleva al punto de resonancia de nuevo.
RESPUESTA EN FRECUENCIA
Supongamos la siguiente configuracion
- END-FEED en posicion vertical
- Sobre un plano de tierra perfectamente conductor
- longitud del brazo cercano al suelo 0.065lamdas=
- alimentacion entre los dos brazos
- longitud del segundo brazo, 7.85m
Veamos ahora
- el ancho de banda
- resonancias segunda y tercera
Se observa una interesante resonancia en 50MHz.
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* REVISAR SI LO SIGUIENTE ES VERDAD
un dipolo alimentado en el centro esta balanceado.
por ambos conductores circula la misma corriente.
si se alimenta con una linea de transmision paralela
tambien circula la misma corriente por ambos conductores
si alimentamos el dipolo con una linea de transmsion coaxial,
rompemos la simetria
?ES VERDAD?
la antena endfeed como su nombre indica se alimenta por un extremo.
Pero en el punto de alimentacion, ambas corrientes son iguales
y podria considerarse balanceada.
ojo entonces al alimentarla con una LT coaxial. no romper el balance
?ES VERDAD?
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los parametros y ver como baila la SWR
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