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ANTENA TURNSTILE para 2 metros | Radioaficion Ham Radio

ANTENA TURNSTILE para 2 metros

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LA ANTENA TURNSTILE por Ti5LX

para 2 metros

http://www.revistaqso.com/flame4.jpg

Emprendo este análisis no solo para entender cómo funciona esta antena, sino para definir los detalles constructivos que finalmente solucionen mi problema

Se trata de dos dipolos orientados de forma tal que forman una cruz, ambos a la misma altura, pero uno alimentado 90 grados fuera de fase respecto al otro.

Inicialmente creo que es necesario explicar qué es esto de alimentar los dipolos con un desfase de 90 grados. Pues bien, recuerde que lo que sale de la antena es una onda electromagnética. Este tipo de ondas se componen de dos campos, uno magnético y otro eléctrico.  La posición del campo eléctrico define la polarización de la onda, así se habla de polarización horizontal, vertical y circular. Un dipolo que se coloca horizontal emite una onda polarizada horizontalmente. Si la posición es vertical, la onda tiene polarización vertical. En el caso de la antena Turnstile, como hay dos dipolos, si se alimentas con un desfase de 90 grados, el resultado en términos de la polarización, es que el campo eléctrico gira conforme se propaga por el espacio, a lo cual se conoce como polarización circular.


Porqué un desfase de 90 grados

El desfase de 90 grados puede entenderse, pensando que una longitud de onda tiene 360 grados, es decir que media longitud de onda son 180 grados y un cuarto de onda son 90 grados. Entonces, a un dipolo se le alimenta directamente la potencia, pero al otro se lo hace a través de una sección de línea de 90 grados (un cuarto de longitud de onda),  como los elementos están en posición cruzada formando un ángulo de 90 grados, se produce una suma de potencias instantáneas que dan como resultado una onda polarizada circularmente saliendo de la antena.


Vamos ver este concepto un poco más despacio. Si dos dipolos se colocan separados un cuarto de longitud de onda (90 grados), pero se alimentan en fase, valga decir, la potencia llega al dipolo y se divide en dos, por ejemplo a través de un conector  tipo T, y se dirige a cada dipolo con igual longitud de cable. Entonces, tal como se muestra en la figura 1, la onda conforme se propaga en el espacio tendrá una variación circular en la posición del campo eléctrico, polarización circular.

En la figura 1, note cómo el pico de amplitud del campo eléctrico, al avanzar la onda por el espacio, está en un primer momento horizontal, punto “1”. Luego va cambiando hacia abajo “2” y, así sucesivamente hasta llegar a la posición  “4”. Esto se repite conforme la onda avanza. Si se fijan bien, el comportamiento del campo eléctrico al ir girando, describe un movimiento circular, como un tornillo abriéndose paso por el espacio. Es a eso a lo que se llama polarización circular. El efecto se genera por la configuración de los dipolos al estar separados un cuarto de longitud de onda.

LA ANTENA TURNSTILE
Figura 1. Dos dipolos separados 90 grados y alimentados en fase

Si colocamos los dos dipolos en la misma posición, pero los alimentamos desfasados 90 grados, es decir, uno directo y el otro a través de una sección de un cuarto de onda, entonces, tal como lo muestra la figura 2, el efecto es exactamente el mismo que en el caso de la figura 1. Se produce un desfase, pero ahora por medios eléctricos.  Ello se produce porque la onda tiene que viajar un cuarto de onda más de cable para llegar al segundo dipolo.
LA ANTENA TURNSTILE
Figura 2. Dipolos en el mismo nivel, pero alimentados con 90 grados de desfase


Las antenas con polarización circular son capaces de recibir tanto señales polarizadas verticalmente, como señales polarizadas verticalmente, y desde luego señales polarizadas circularmente.

Los satélites emplean antenas de polarización circular, por lo que para el trabajo de esta modalidad es especialmente recomendado el uso de antenas con la misma polarización.

La impedancia de la antena

Si se emplea para hacer la simulación de la natena el programa 4NEC2, a 146 MHz se observa una impedancia en cada dipolo de aproximadamente 73 a 74 ohmios. En este caso se ha asumido para el análisis, una  tierra real  ubicada a una altura de 4 metros bajo la antena, lo que igual significa que la antena está a 4 metros sobre el suelo.

Si conectamos a una de las antenas una sección de línea de 75 ohmios de un cuarto de longitud de onda (90 grados), se opera una transformación de impedancia que es igual a

Zout = (Zo)2/Zin

Donde:
Zout es la impedancia de salida que se vería a la salida de la línea
Zo es la impedancia de la línea
Zin es la impedancia de la antena

Sustituyendo los valores se observará que:

Zout = (75)2/74 =  76 ohmios

Al conectar en paralelo la salida de la sección de cuarto de onda (76 ohmios) con la otra antena (74 ohmios), se obtendrá una impedancia resultante de:

Zresultante = ( (76*74) / (76+74) ) = 37,49 Ohmios

Así, en este punto se obtiene una VSWR de:

VSWR = 50 / 37,49 = 1,33

Con esta relación de estacionarias el equipo puede operar, pero no satisface mis expectativas de acople.

Esto me lleva a una vieja discusión, cuál debe ser la relación de ondas estacionarias aceptable? Que me propongo abordar en otro artículo, pero que por lo pronto diré que desde mi punto de vista esperaría como máximo una VSWR de  1,1. Sin que este número se tome como un absoluto, sino como una opinión, que puede ser discutible y modificable,

Por lo pronto diremos que hay una fórmula que conviene recordar, que relaciona la potencia directa que sale del transmisor, con la potencia que se refleja de la antena hacia el transmisor, cuando hay ondas estacionarias (VSWR), es la siguiente:

Pref = ( (VSWR – 1) / (VSWR + 1) )2 * PotDirecta

Donde:
Pref es la Potencia Reflejada desde la antena cuando hay ondas estacionarias
VSWR es la relación de ondas estacionarias que se tienen en la antena
PotDirecta es la Potencia del Transmisor

Así si se tiene una potencia de 100 watts (PotDirecta) y se acepta una VSWR de 1,33 entonces habrá una potencia reflejada desde la antena al transmisor de:

Pref = ( (1,33 – 1) / (1,33 + 1) ) 2 * 100 =  2,01 watts

Por ello puede afirmarse que con una relación de ondas estacionarias (VSWR) de 1,33 se devolverá hacia el transmisor un 2% de la potencia emitida por el transmisor.

A manera de resumen diré que, de lo discutido hasta aquí se puede inferir que si se construye la antena con esta configuración, no podríamos esperar una VSWR menor a 1,33.

Una solución adicional sería instar otra sección adaptadora tal como lo muestra la figura 3. Note que si a continuación de las antenas se inserta una sección un cuarto de longitud de onda, de 43,29 ohmios, la impedancia de salida sería de 50 ohmios.

Esto se puede justificar sustituyendo valores en la ecuación citada anteriormente:

Zout = (43,29)2/ 37,49 =  50 ohmios

Esta solución daría como resultado una VSWR de 1.

LA ANTENA TURNSTILE

Figura 3. Turnstile acoplada

La dificultad ahora consiste en que la sección acopladora se debe construir, pues no existe este valor en forma comercial.

La fórmula de diseño de la línea coaxial establece que la impedancia Zo de la línea es:

Zo = 138 ( D/d )

Donde:
D es diámetro interno del conductor externo (El Shield) en mm
d es el diámetro externo del conductor interno en mm

Si D es 25,4 mm y d es 12,35 mm se obtiene que Zo es 43,29 ohmios.
Esto se cumple cuando se construye la sección acopladora de ¼ de onda, empleando un tubo de aluminio cuyo diámetro interno sea 1 pulgada (25,4 mm) y, si se tornea una barrita de aluminio para que su diámetro externo sea 12,35  mm. El tubo interno se mantiene en su lugar introduciendo en él unos separadores plásticos espaciados cada 20º mm.

Construir una línea coaxial rígida, de una determinada impedancia no es algo extraño,  solo debe recordarse que lo que interesa es el diámetro interno del tubo que forma la tierra (el Shield) y el diámetro externo del que forma el conductor central del coaxial.

Alimentando la antena


No obstante lo discutido hasta aquí, una revisión rápida por la red arroja que la práctica usual para alimentar esta antena es conectar el coaxial de 50 ohmios que viene del transmisor directamente en una de las dos antenas, para que como ya se discutió, la otra quede desfasada 90 grados mediante la línea de un cuarto de onda. Ya se demostró que ello implicará que no se podrá obtener una VSWR menor a 1,33.

Vamos a implementar esa forma de conectar la antena a la línea de transmisión, en vista de que a los efectos de nuestro proyecto, lo que se busca es disponer de una antena aceptable y cómoda para la cacería de la zorra.

El patrón de irradiación

El análisis en 4NEC2 muestra un patrón de irradiación omnidireccional, véase figura 4.


LA ANTENA TURNSTILE
Figura 4. Sólido de irradiación de la antena Turnstile

La figura 5 muestra el patrón vertical de irradiación, nótese que se producen picos máximos a 7, 25, 40 y 65 grados, y un mínimo hacia arriba. Esto en función de nuestro interés omidireccional es excelente, pero además para el trabajo satelital puede asumirse que teniendo la antena en forma vertical es bastante efectiva por la forma que tiene.

LA ANTENA TURNSTILE
Figura 5. Patrón vertical de irradiación de la antena  Turnstile



Construcción

La implementación parte de las fórmulas del dipolo de media onda, se emplea como frecuencia de cálculo 146 MHz, así la longitud total de cada antena, ya restado el 5% por el efecto de punta, sería:

Longitud total = 142,5 / Frecuencia (Mhz)

Longitud total = 142.5 / 146 = 97,6 cm

Empleamos para la construcción de los dipolos tubo de ½ pulgada, la figura 6 muestra el detalle inicial. Nótese que solamente se conecta el coaxial de alimentación RG8 a una de las antenas, para ajustar la resonancia cortando sus extremos en secciones de 1 cm a la vez, buscando el mínimo de VSWR:


LA ANTENA TURNSTILE
Figura 6. Detalle inicial de la antena Turnstile

Se emplea como soporte dos tubos PVC ( de 3 y 4 pulgadas ) tal como se indica en la figura.

Se ajusta uno de los dipolos y posteriormente se traslada el coaxial al otro dipolo para ajustarlo también. Luego del ajuste los dipolos quedan de 95 cm.

El ajuste se hace buscando el mínimo de VSWR. A efectos ilustrativos mostramos en la figura 7, nuestra estación de trabajo, en este caso en jardín de nuestra casa.


Una vez ajustados ambos dipolos al mínimo de VSWR, necesitamos agregar la sección acopladora de ¼ de onda de 75 ohmios, para lo cual emplearemos una sección de cable RG59/U marca “Remee”, ¿porqué esta marca? Porque de casualidad lo tenía, puede usarse cualquiera realmente.

Ahora nos enfrentamos a otro problema, calcular un cuarto de longitud de onda en el cable RG59/U.
A 146 MHz, la longitud de onda es de:

Longitud de onda = 300 / F (Mhz) = 300 / 146 = 2.05 metros

De manera que un cuarto de longitud de onda es:

¼ Longitud = Longitud de onda / 4 = 2.05 / 4 = 0.51 metros = 51 cm

Pero estas fórmulas son para el cálculo de la longitud de onda en el aire. En el cable la onda viaja más lento, así que recorre una distancia menor por segundo. Como es sabido, la relación entre la velocidad que tiene la onda en el aire respecto de la que tiene en el cable, se llama “factor de velocidad” (FV) y por consiguiente; para trasladar la ecuación que corresponde al aire a un determinado cable, simplemente se multiplica el resultado que da para el aire, por el factor de velocidad.

Por ejemplo, si el factor de velocidad de nuestro cable es 0,66, entonces un cuarto de onda en el cable sería:

¼ onda en el cable = ¼ Longitud * FV = 51 * 0,66 = 34 cm

Esto implica que la sección de acople de ¼ de onda debe ser de 34 cm de longitud y no de 51 cm.

Hay que dejar claro que el factor de velocidad no es una constante de marca a marca, para un tipo de cable determinado. Inclusive dentro de una misma marca pueden existir diferentes tipos de RG59, por ejemplo, cada uno de ellos con diferente factor de velocidad.

Si se adquiere un cable de buena calidad y se tiene acceso a la información del fabricante, puede emplearse el factor de velocidad proporcionado, y problema solucionado. No obstante en nuestro caso, si bien sabemos la marca, no podemos identificar  el tipo de cable y “Remee”, que es el que tenemos a mano,  hace varias clases de RG59/U, todos con diferentes factores de velocidad.

Por estas razones, debemos determinar experimentalmente el factor de velocidad. Lo haremos de la siguiente forma, conectaremos una bobina y un condensador en paralelo (Circuito Tanque), haciéndolos resonar a 146 MHz. La sintonía la ajustamos con ayuda de un Grid Dip Meter. Emplearemos uno de construcción casera por supuesto y, del cual en su momento publicaremos un artículo para que lo puedan ustedes construir también.

Usamos un condensador variable ARCO642 que tiene un rango de ajuste de 10 a 80 pF y lo pondremos en paralelo con una bobina de 40 nH. Con el Dip Meter acoplado y ajustado a 146 MHz, véase figura 8, ajustamos el condensador ARCO642 hasta que se produzca el “DIP” en el medidor, lo que nos indica que el tanque está ajustado a 146 MHz.
Una vez que tenemos certeza de que el tanque está resonando a 146 MHz, abrimos una de las conexiones de la bobina e insertamos una sección de cable RG59/U, tal como lo muestra la figura 9.

LA ANTENA TURNSTILE
Figura 9. Sección de cable RG 59/U conectado al tanque

La sección descubierta del cable la hemos dejado en 2 cm. El otro extremo del cable se deja sin conectar, lo que se conoce en electrónica como condición de “circuito abierto” o “abierto”.

Seguidamente se empieza a cortar poco a poco el cable coaxial RG59/U en el extremo “abierto”, véase figura 10,  hasta que el Dip Meter indique nuevamente la condición de resonancia a 146 MHz.


ANTENA TURNSTILE funcionamiento y construccion
Figura 10. Forma de ajustar la sintonía del circuito tanque en el lado “abierto”

Cuando el Dip Meter indique resonancia a 146 MHz, la sección de cable RG59/U será exactamente de ¼ de longitud de onda en el cable, y estará listo para ser usado en la antena. La figura 11 muestra la sección de ¼ de longitud de onda ajustada. Luego de descubrir en el lado “abierto” una distancia de 1 cm para las conexiones.

ANTENA TURNSTILE funcionamiento y construccion
Figura 11. Sección de ¼ de longitud de onda terminada, acoplada al circuito tanque

Pelar o descubrir 1 cm al lado abierto no afecta la sintonía del circuito tanque.

Hay que señalar aquí que, esta antena NO LLEVA un circuito tanque, el condensador y la bobina se emplearon únicamente para cortar la sección de RG59/U a ¼ de longitud de onda, porque desconocíamos el factor de velocidad del cable. Si usted emplea un cable RG59/U de marca y el vendedor le proporciona confiablemente el factor de velocidad, simplemente tiene que multiplicar ¼ de onda en el aire por éste y usar ese valor en el cable.

En nuestro caso, la sección final de ¼ de onda nos quedó de 34 cm, UPS!!, ello implica tal como lo analizamos arriba, que nuestro misterioso cable RG59/U realmente es de un factor de velocidad de 0,66.

Para quien está en este momento pensando porqué insertar una sección de ¼ de onda en el circuito tanque no  alteró la sintonía, diremos que hay que recordar que cuando el cable es de ¼ de longitud de onda y tiene uno de sus extremos abiertos, en el otro extremo se ve un circuito cerrado, valga decir un corto circuito. Hemos empleado esa propiedad de las secciones de ¼ de longitud de onda para determinar cuál es exactamente un ¼ de onda en el cable. Será la longitud en la que no se altere la sintonía del tanque, porque cuando eso ocurra, al estar el otro extremo abierto, se comportará como un corto circuito y la patita del condensador estará en términos eléctricos conectada al condensador, desapareciendo el cable coaxial, que a esa frecuencia se comporta como un corto circuito, es decir como un alambre.

Ahora solo hay que conectar la sección de línea RG59/U a lo dipolos, véase figura 12, recuérdese que en cada extremo se conecta un dipolo, y el coaxial RG58 o RG8 que va al transmisor se conecta a uno de ellos (de los dipolos), a cualquiera de los dos.

ANTENA TURNSTILE funcionamiento y construccion
Figura 12. Conexión de la sección de ¼ de onda en los dipolos
ANTENA TURNSTILE funcionamiento y construccion
Figura 14. Antena terminada

Se instaló un gancho en la parte superior de las tapas PVC para poder colgar la antena de un árbol, para efectos de la competencia de la caza de la zorra. Véase figura 15.


ANTENA TURNSTILE funcionamiento y construccion

Figura 15. Antena terminada y colgada al atardecer
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