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Antenas de ARO: aclarando conceptos | Radioaficion Ham Radio

Antenas de ARO: aclarando conceptos

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Actualmente, no me puedo permitir grandes cosas por razón de espacio, aunque ha decir verdad y después de la experiencia, he de considerar: Que este tipo de antenas, se adaptan perfectamente a espacios reducidos y además son antenas silenciosas en el sentido, que captan poco ruido o sea, que estaríamos hablando de una antena agradecida y desconocida hasta cierto punto.

Dicho esto y antes de entrar en detalles, me gustaría hacer algún comentario más sobre algunos conceptos que no tenia demasiado claros en lo que respecta, a la diferencia real que existe entre las Antenas Convencionales de naturaleza electromagnética y las Antenas de Aro, que también se las conoce popularmente, como Antenas Magnéticas.

ANTENAS CONVENCIONALES

El comportamiento eléctrico, de la mayoría de antenas que se vienen utilizando, tanto para transmisión como para recepción, obedece a dos principios importantes:

El primero, es la relación que existe entre la longitud de onda y la magnitud física de la antena lo cual, hace que dicha antena, se comporte como un circuito resonante abierto, con su inductancia, su capacidad y su resistencia distribuidas, todo ello en concordancia con la frecuencia correspondiente de trabajo.

El segundo, obedece al principio físico de los efectos; cuando circula una corriente variable de RF por el conductor o antena, se generan campos eléctricos y magnéticos dispersos que se propagan de manera simultánea, se entiende en la función transmisión (Tx).

En recepción (Rx), el principio es el mismo pero en sentido inverso, son los campos eléctrico y magnético que se automantienen y se propagan por el espacio, los que generan la señal de RF al ser captados por la antena en cuestión.

De aquí viene, la naturaleza electromagnética de estas antenas y que se les ha llamado convencionales, con la única intención de poderlas diferenciar temporalmente. Ver Figura N°1.


antena convencional o electromagnetica

ANTENAS DE ARO

El comportamiento de una Antena de Aro, es más bien de naturaleza magnética por el hecho de que partimos de una espira o aro como elemento radiante o de captación, ver a continuación.

La magnitud física o perímetro de dicho aro, no guarda relación con la longitud de onda si no más bien lo contrario, se recomienda que dicha circunferencia esté entre 0,125 y 0,250 de la longitud de onda con lo cual, dicha antena se comporta como un circuito resonante cerrado, con la Inductancia, la resistencia distribuida de la espira o aro y la capacidad del condensador variable que forma parte del circuito L C, ambos en sintonía con la frecuencia correspondiente.

En cuanto a la dispersión o difusión de los campos eléctrico y magnético en transmisión ocurre lo siguiente, el campo eléctrico aunque no de manera absoluta, queda confinado entre las armaduras o placas del condensador variable asociado y desde el punto de vista de la dispersión, este campo, se puede considerar despreciable. En lo que concierne al campo magnético, es el que se genera en la propia espira o aro al paso de la corriente variable de RF y su representación, podría ser como líneas de inducción magnética concéntricas con respecto al conductor o aro las cuales, se dispersan y propagan por el espacio.

En recepción y de manera recíproca, la espira o aro captará el máximo de señal, en función de la superficie de dicho aro, la orientación del mismo con respecto a las líneas de inducción del campo magnético que se propaga y la sintonía o concordancia LC, con respecto a la frecuencia de trabajo. Ver Figura N°2.


antena de aro

VENTAJAS DE LAS ANTENAS DE ARO

A continuación se resumen, algunas de las ventajas de una antena de aro, al compararla con otras antenas de naturaleza electromagnética en general:

1: No requiere radiales ni bobinas sintonizadas.

2: Ofrece un óptimo rendimiento con mínimo espacio.

3: Sintonización continua dentro de la banda.

4: Es sintonizable a distancia mediante motor/reductor de precisión.

5: Relación de ondas estacionarias (ROE), óptima en cada punto de la banda sintonizada.

6: No se precisa sintonizador alguno entre el equipo y la antena.

7: Funciona con cualquier transceptor ya sea a válvulas o transistorizado.

8: Utilizable tanto para DX como para comunicaciones a media y corta distancia, según se utilice con polarización vertical u horizontal.

9: Ausencia de pérdidas en caso de utilizar una etapa final a transistores.

10: Aún siendo de mucho menor tamaño que un dipolo de media onda, la diferencia en la ganancia teórica, sobre esta última ubicada en el espacio libre es de solo -0,4 dB, mientras que cuando el dipolo está situado próximo a tierra horizontalmente, la antena de aro le aventaja proporcionando mejores controles de señal, razón por lo cual, está indicada para uso móvil, caravanas y concursos.

11: Debido a su diagrama de radiación en forma de 8 en posición vertical, esta antena es directiva particularidad muy importante, pues permite eliminar cualquier interferencia molesta en recepción.

12: La componente magnética, halla muchos menos obstáculos que la eléctrica para atravesar los tabiques y estructuras por lo que es más apropiada para ser usada en un desván, buhardilla o balcón.

13: Permite ser colocada cerca del suelo en posición vertical con un mínimo de pérdidas, ya que las líneas de fuerza magnéticas, fluyen paralelamente al suelo conductor y estas apenas son afectadas.

14: El uso de una sola espira de alto factor de calidad "Q", sintonizable con monomando, evita toda pérdida de transformación.

15: Al tener un factor de calidad muy alto, con un Q del orden de 400, la sintonía es muy estrecha en la frecuencia sintonizada, lo que proporciona una preselección de 30 dB o más, que evita en gran manera la posibilidad de modulación cruzada o IMD en la etapa previa de recepción. En la banda de 40 Metros, permite una recepción muy nítida al atardecer.

16: En transmisión, los armónicos y las frecuencias espúreas, quedan atenuadas y la posibilidad de crear interferencias es mucho menor.

17: Al tratarse de un sistema eléctricamente simétrico, no requiere contrapeso alguno ni contamina suelos o paredes con corrientes interferentes como las antes ya mencionadas.

18: Permite el ser conectada directamente a tierra por el centro del aro, con lo que se consigue, una buena protección contra las descargas atmosféricas.

19: Del mismo modo que una antena eléctrica vertical, puede reflejar su imagen virtual en el suelo conductor, proporcionando así, un bajo ángulo de radiación que favorece el DX, también se consigue el mismo efecto con la antena de aro para radiar con ángulo bajo, con la ventaja sobre aquella, de no verse afectada por las pérdidas de absorción en la tierra.

ANTENAS DE ARO, CONSIDERACIONES PRELIMINARES

Para conseguir la máxima eficiencia en una Antena de Aro, deberán tenerse en cuenta algunas consideraciones importantes:

Es aconsejable como ya se ha indicado anteriormente, que el dimensionado del aro de dicha antena, corresponda a una circunferencia que esté entre 0,125 y 0,250 de la longitud de onda, con el fin, de mantener la naturaleza magnética de la antena. En caso de que el aro fuera mayor de 0,250 de dicha longitud de onda, perdería su condición magnética para convertirse en una antena del tipo electromagnético Quad o Delta.

El dimensionado del Aro, puede ser menor de 0,125 de la longitud de onda, pero en este caso, el ancho de banda se hace muy estrecho, la sintonía se vuelve crítica y también la eficiencia de la antena se hace menor.

El rango de funcionamiento o sintonía de las Antenas de Aro, es recomendable que sea restringido a una relación de 1:2, de manera que las bandas de HF, queden repartidas en tres grupos de frecuencias: De 3,5 a 7 MHz, de 7 a 14 MHz y de 14 a 28 MHz, por ejemplo. La ampliación del rango de sintonía, conlleva una pérdida importante de eficiencia de la antena. También puede optarse, por la versión monobanda de dicha antena, teniendo en cuenta, el dimensionado del aro y la capacidad asociada.

De manera general, dicha Antena de Aro y en cualquier banda que trabaje, deberá presentar una baja resistencia ohmica en RF, a fin de minimizar las pérdidas y mejorar el rendimiento en Tx al máximo posible.

Su característica de alto Q, hará que este tipo de antena, trabaje con un ancho de banda más bien estrecho lo cual, hace necesario un sistema de sintonía por capacidad variable que sea acorde y también preciso

Aun con bajas potencias de RF en Tx, se hace presente una alta tensión de RF entre las armaduras o placas del condensador variable de sintonía, este detalle, puede condicionar la viabilidad de esta antena al trabajar con potencias altas (100 W).

Para conseguir una buena adaptación de la Antena de Aro con el transceptor, el método más utilizado es por acoplamiento inductivo, mediante una espira blindada electrostáticamente tipo jaula de Faraday, confeccionada con cable de la misma línea coaxial de 50 Ohms (RG8 o RG213).

Otras cuestiones importantes, de aplicación y de orden constructivo, son: Que en el caso de que dicha antena, tenga que ser instalada en el exterior a título permanente, deberá cuidarse la protección antihumedad en lo que respecta al sistema de sintonía; si se opta por una versión portable o interior, se puede omitir esta consideración. En cuanto a la construcción del aro, añadir que este puede ser rígido autosoportado o bien, flexible y con el correspondiente soporte auxiliar aislante, en este trabajo que hoy se presenta, hemos adoptado la segunda solución de aro flexible.

DESCRIPCION CONSTRUCTIVA DE UNA ANTENA DE ARO

Las antenas de aro que comúnmente se vienen utilizando en las bandas de HF, comprenden las siguientes partes o elementos:

  • Aro o espira resonante.
  • Condensador variable de sintonía.
  • Acoplamiento inductivo del aro.
  • Accionamiento a distancia de la sintonía o telemando.

ARO O ESPIRA RESONANTE

El aro o espira resonante, es el elemento básico de esta antena, el aro puede estar constituido por un conductor eléctrico ya sea rígido o flexible, en ambos casos, deberá presentar una buena conductividad eléctrica para evitar pérdidas importantes al fluir la corriente de RF. Cave destacar, el efecto pelicular de la RF al circular por la superficie del conductor o antena de manera genérica. Por lo tanto, si nos decidimos por la solución de utilizar un conductor rígido como aro de sintonía, el más recomendable, seria el tubo de cobre de una sola pieza en toda su longitud, evitando las soldaduras las cuales, no dejan de ser puntos débiles cuando se trata de conseguir una conductividad óptima y solidez mecánica. El diámetro del tubo de cobre más indicado en términos prácticos, puede ser el de la medida normalizada de 22 m/m de diámetro, del tipo recocido y que se comercializa en rollos.

Si el aro lo hacemos partiendo de conductor flexible, cual es nuestro caso, nos permitirá el disponer de una Antena de Aro que será más fácil de construir al llevar a término la experiencia y también, la hará más manejable en plan portable. Como conductor del aro, utilicé cable coaxial RG214 de doble malla plateada, aproveché un trozo de cable que tenia de 3,60 Metros de longitud y con el cual, pude montar un aro de 1,15 Metros de diámetro, Antena de Aro versión (A). Ello me permitió, experimentar en las bandas centrales de HF (40, 30 y 20 Metros). La forma circular del aro, venia dada por una cruz hecha con listones de madera que le hacían de soporte y el cable coaxial, quedaba sujetado sobre los extremos con abrazaderas de nylon y tornillos. El dimensionado del aro, quedó bastante reducido una vez montado y esto, siempre se agradece. Es evidente que como conductor, empleé solamente la malla exterior del cable coaxial RG214 y a cuyos extremos, soldé unas abrazaderas de cobre con taladros de sujeción y cables soldados hacia el condensador variable de sintonía. Para detalles de todo lo explicado, ver Figura N°3, Antena de Aro versión (A).


antena de aro

CONDENSADOR VARIABLE DE SINTONIA

El condensador variable de sintonía, es también, un elemento muy importante de la antena de aro por el hecho, de formar parte activa de un circuito LC con un alto Q. La tensión entre placas de dicho condensador, cuando este se encuentra en sintonía o resonancia con el aro, guarda relación con la potencia en Tx, con unos 100W de salida en antena, pueden hacerse presentes algunos miles de Volts en los extremos del aro y las placas del condensador asociado.

Ante esta situación, se recomienda utilizar un condensador de dos secciones y que pueda trabajar tipo "Mariposa" con lo cual, las dos secciones quedan en serie y se reparte la tensión de RF y también, se minimizan las pérdidas por contacto de fricción del rotor o de las placas móviles del condensador. Todo esto está muy bien, si se dispone del condensador variable adecuado o si uno es capaz de construírselo, pero en mi caso particular y al inicio de las pruebas, no era así y tuve que solucionar el problema con un condensador de dos secciones 410+410 pF tipo receptor antiguo, esta solución, me funcionó bien en Rx y en Tx QRP pero cuando sobrepasaba los 10W de potencia, se producían arcos de RF entre placas del condensador, aun estando las dos secciones en serie.

Más adelante, conseguí un condensador de surplus de 101 pF/4500V lo cual, me permitió hacer pruebas con potencias de 100W en la banda de 40 Metros y fueron satisfactorias. Esto confirma lo dicho con anterioridad. Ver Figuras N°4 y N°5.

antena de aro

Figura N°4.S¡ntonia del Aro (QRP TX y RX):Mediante un condensador variable de 410+410 pF en serie,se puede cubrir bien la banda de 40 Metros,Antena de aro versión (A).Véase,el motor reductor de 14Vcc y acoplados mecánicamente en el mismo eje de salida,el separador aislante,el desmultiplicador 6:1 y el condensador variable conectado a los extremos del aro,todo ello montado en una placa de Policarbonato de 6 m/m.

sintonia antena de aro

Figura N°5. Sintonia del Aro (100W TX y RX):Con un condensador variable de 101 pF/4,5 Kv,se cubre la banda de 40Metros antena de aro versión (B),para la versión (A) fué necesario,añadir un condensador de 40 pF/5 Kv.También se puede apreciar,el mismo motor reductor,el separador aislante que en este caso se hace imprescindible,el desmultiplicador 6:1,1a conexión sobre el aro resonante versión (A) y la placa soporte de Policarbonato de 6 m/m.

Otra solución que se puede adoptar, es la de utilizar un condensador variable de sintonía del tipo "Trombón" de dos secciones conectadas en serie. Dicho condensador, está constituido por dos conjuntos de un par de tubos de cobre concéntricos uno dentro del otro y separados por otro tubo intermediario de material aislante de buena calidad (Teflón) el cual, hace de dieléctrico; este condensador, es accionado por un espárrago o tornillo micrométrico longitudinalmente y se varia la capacidad o sintonía del circuito LC. Este sistema es muy ingenioso, pues permite trabajar con el aro bien balanceado y aumentar la potencia Tx de salida en función, del tipo de material utilizado y también, del dimensionado o separación entre tubos o armaduras del condensador. La solución más efectiva, seria el poder utilizar un condensador variable de vacío, dada su tensión de trabajo (7500V) pero, su carestía puede ser prohibitiva.

ACOPLAMIENTO INDUCTIVO DEL ARO

El acoplamiento entre el aro y el transceptor, consiste en un bucle o espira apantallada la cual, queda acoplada inductivamente con el aro de sintonía. El diámetro recomendable de dicho bucle, debe corresponder en principio, a 1/5 parte del diámetro del aro; posteriormente, ensayé con otras medidas de diámetro. El apantallar el bucle de acoplamiento, no tiene otra razón cual es, la no captación de señales de campo eléctrico interferentes de carácter más bien local en Rx, digamos que este bucle, sigue la misma filosofía de la naturaleza magnética de la antena.

La confección del bucle de acoplamiento, se hace con el mismo cable coaxial o línea de 50 Ohms RG8 o RG213. La espira en cuestión y en la parte superior central, tiene abierta la malla con una separación de un centímetro y en la base de la espira, el final de la malla y conductor interno, son conectados conjuntamente, con la malla del lado de entrada del bucle o punto común de masa; esta particularidad, hace que el acoplamiento sea magnético y la malla interrumpida actúe de blindaje o jaula de Faraday. Véase la Figura N°6.

acoplamiento entre antena de aro y el transceptor,

Figura N°6. Acoplamiento Inductivo del Aro, tal y como se puede ver,consiste en un bucle que se ha confeccionado con el mismo cable coaxial de la línea de 50 Ohms (RG8 0 RG213) que va del Transceptor hacia la antena de aro.El dibujo indica en detalle la manera de confeccionarlo,en cuanto a las medidas,constan en el listado de características del Bucle de Acoplamiento Inductivo L2.

ACCIONAMIENTO A DISTANCIA DE LA SINTONIA O TELEMANDO

Otra cuestión de carácter operativo, es el sistema de mando a distancia para la sintonía del aro en correspondencia con la frecuencia de trabajo; esta función se consigue, mediante un motor reductor pequeño, con un par de arranque suficiente para accionar el giro del rotor del condensador variable y la velocidad del motor, deberá ser regulable manualmente. Es deseable que la velocidad mínima resultante, sea de 1 rpm para tener una sintonía más cómoda.

El eje de salida del motor reductor, está acoplado mecánicamente al condensador variable mediante un separador de material aislante a la RF. Este último detalle, no será necesario si se va a utilizar un condensador variable de doble sección o "Mariposa".

Todo el grupo de condensador variable de sintonía y motor reductor de accionamiento, van montados en una placa de Policarbonato mediante tornillos roscados en la propia placa, con ello se consigue, un aislamiento eléctrico y solidez mecánica aceptables. Ver Figuras N°4 y N°5.

El motor que será del tipo asíncrono con escobillas tensión de 3 a 14 V cc, se alimenta con una fuente estabilizada de 12 V cc del tipo remoto la cual, comprende además, un mando inversor de la tensión, del tipo palanca y con punto muerto central, este permite accionar e invertir el giro del motor de forma manual y a distancia, también se dispone de un potenciómetro para regular a voluntad la velocidad de salida del motor reductor entre 1 a 6 rpm. Dicho telemando, queda ubicado en una caja de aluminio. Véase Figura N° 7, accionamiento a distancia de la sintonía.

antena de aro Accionamiento a Distancia de la Sintonía

Figura N°7. Accionamiento a Distancia de la Sintonía o Telemando:Este es un sistema operativo muy simplifícado,que solo permite el accionamiento a distancia,quedando repartido,entre la antena de aro,con la parte de accionamiento y el control remoto,que consiste en una fuente de 12Vcc,un mando inversor de tres posiciones y un mando regulador de la velocidad o potenciómetro.Los dos choques de RF CH, son para evitar el ruido de chisporroteo del motor al sintonizar en RX.

Articulo Original de:

Joan Borniquel Ignacio, EA3-EIS, 09-03-98. Sant Cugat del Vallés (Barcelona) ea3eis_hotmail.com

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