Antena multibanda para 80, 40, 20 y 10 metros, tipo EFHW.

La necesidad de implementar una antena de fácil instalación (aspecto crítico a considerar en zona urbana, con un patio no lo suficientemente grande como para una antena «bigote de gato» capaz de operar en 10/20/40 y 80 metros, y también habiendo desechado la idea de comprar alguna de las costosas e ineficientes antenas comerciales para espacios reducidos) decidí probar una antena de media onda alimentada en un extremo, tal como lo hice hace un par de años atrás con la antena EFHW para 40, 20 y 10 metros QRP, acomodando el trazado del hilo a la forma del patio. Si bien no espero que sea muy eficiente, debido al uso de un transformador adaptador de impedancias con muy elevada relación de transformación sobre ferrita de considerables pérdidas en HF (aunque he leído versiones optimistas que hablan de un 85% de eficiencia o más en las bandas entre los 80 y 10 metros), al menos es una opción que permite salir en HF a costo razonable y con resultados aceptables. No me preocupa demasiado la eficiencia, pero si me interesa que tolere los 100Wpep de mi transceptor multibanda y que la R.O.E. se mantenga a niveles razonables.

Antes de continuar, un poco de teoría de funcionamiento de la antena de media onda alimentada en un extremo (o End Fed Half Wave EFHW). Si ya leíste el artículo de mi antena QRP 40/20/10 metros, te sugiero saltes esta parte de la publicación de modo de ir directamente a la implementación de esta nueva versión.

Un poco de teoría… ¿En qué consiste la antena EFHW (Antena Multibanda de Media Onda Alimentada en un Extremo)?

Es un dipolo de media onda, pero en vez de conectarse la línea de bajada en el centro, se conecta en un extremo (ver Fig. 2). La gran gracia de esta antena es que podemos utilizar el mismo hilo radiante para varias bandas de frecuencias armónicas, puesto que un hilo conductor de media onda a la frecuencia F, resonará en onda completa completa a 2*F, y en 3/2 de onda a 3*F, y así sucesivamente, siendo el punto de alimentación (en un extremo) de impedancia muy elevada en todas estas frecuencias. Por ello, podemos construir antenas multibanda utilizando un único hilo radiante, lo que hace más fácil su instalación. Además, tiene menor impacto estético en zonas urbanas que la clásica «bigote de gato» o los dipolos rígidos multibanda, y lo simple de su instalación la hace ideal como antena portable (por ejemplo, para ocupar en salidas a acampar).

Al alimentarse en un extremo, como se mencionó anteriormente, la impedancia en el punto de alimentación es altísima (de 2000 a 3000 Ohmios, dependiendo del entorno y características del hilo radiante), y por lo mismo requiere un adaptador de impedancias si se quiere conectar a la línea de 50 Ohmios. Típicamente, se usa un transformador de banda ancha con núcleo de ferrita toroidal o binocular, como veremos más adelante.

Figura 2: comparación entre dipolo de media onda alimentado en el centro, y dipolo alimentado en un extremo. En amarillo, forma aproximada de distribución de la corriente. Notar que es máxima en el centro, lo que explica el hecho que también la impedancia es mínima; mientras que el el extremo la corriente es mínima (y máximo el voltaje), definiendo una alta impedancia.

Si se tiene una alta impedancia en el punto de alimentación, observaremos que la tensión de RF durante TX se eleva a varios kV si utilizamos potencia considerable, lo que hace críticas las características constructivas del módulo adaptador de impedancia. Por otro lado, habitualmente se ocupa el recubrimiento exterior (malla) del cable coaxial de bajada de antena como contrapeso (o contra-antena), lo que hace que este se comporte como parte del sistema radiante y por lo mismo se generan corrientes en modo común que eventualmente pueden afectar el rendimiento de la antena y la captación de ruido. Estas corrientes de modo común se pueden reducir drásticamente mediante el uso de un filtro de modo común (o balún de corriente, o choque de RF), el que debe ser instalado previo al ingreso de la línea coaxial al cuarto de radio. Así evitaremos meter RF en nuestros equipos cuando estemos en TX, y a la vez reduciremos la captación de ruido por parte de la línea coaxial en RX.

Teóricamente, la razón de transformación de impedancias que proporciona mejores resultados es 64:1, donde en el lado de baja impedancia tenemos la línea de 50 Ohmios y en el lado de alta se coloca el hilo radiante de longitud eléctrica equivalente a media longitud de onda de la señal radiada (o recibida) o sus múltiplos. Con esta razón de transformación tenemos mayor independencia de la R.O.E. (SWR) respecto del largo de la contra-antena (o contrapeso de la antena), siempre y cuando este sea superior al 10% de la longitud de onda de la frecuencia operación (ver sitio de AA5TB). Por lo mismo, si se trata de antenas multibanda, podemos escoger una longitud de contra-antena entre el 10% y 50% de la correspondiente a la frecuencia más baja de operación (en nuestro caso, banda de 80 metros).

En este artículo ocuparemos la relación de transformación 49:1, puesto que según varios autores presenta mejor desempeño (menor R.O.E. y eficiencia). Probablemente, la explicación esté en que, en la práctica, la impedancia del hilo radiante de media onda no es tan elevada (debido a que el hilo no es infinitamente delgado y usualmente se encuentra a baja altura respecto del piso) y con adaptadores de impedancia con relación de transformación menores esperaremos menores pérdidas. Esto último puesto que tendremos menor reactancia parásita serie por flujos magnéticos de fuga.

Construyamos nuestra antena EFHW para 80/40/20 y 10 metros. Aspectos generales.

El diseño para las bandas de 80, 40, 20 y 10 metros es el mostrado en la Fig. 3:

Figura 3: esquema eléctrico de una antena EFHW de 4 bandas. N = 2 y M = 14, sobre 2 núcleos toroidales de ferrita FT240-43 apilados. El capacitor está conformado por 4 capacitores mica-plata de 430 pF 1 kV conectados en serie.

En 80 metros, el hilo se comporta como un brazo de media longitud de onda, recortado gracias a la presencia del inductor L, en nuestro caso de 110 uH. De este modo, logramos acortar el largo total de la antena, o sea D1 + D2 es menor que media longitud de onda en 80 metros, lo que a su vez reduce el ancho de banda y rendimiento en 80 metros, pero hace posible su instalación en espacios reducidos. Esta técnica es utilizada por Steve Nichols G0KYA (http://g0kya.blogspot.com/).

Para las bandas de 40, 20 y 10 metros, el inductor L se comporta como un choque de RF, es decir, como una impedancia tan elevada que prácticamente no permite el paso de corriente de RF hacia el tramo final de la antena (D2). De este modo, para 40, 20 y 10 metros el largo total de la antena es D1, donde en el caso de 40 metros corresponde a media longitud de onda, mientras que en 20 metros a una longitud de onda completa,  y para 10 metros es una longitud de onda y media. Como vimos anteriormente, en todas estas bandas la impedancia en el punto de alimentación (extremo del conductor) es muy elevada, considerando que se utiliza como contra-antena una conexión a tierra y/o la malla exterior del cable coaxial (la que recordemos debe tener una longitud igual o mayor al 10% o 20% de la longitud de onda más larga a la cual operará la antena).

El Adaptador de Impedancias 49:1

El adaptador de impedancias consiste en un transformador de tipo toroidal, con relación de vueltas entre primario y secundario de 2:14. Se utilizan 2 toroides FT-240-43 (de Fair-Rite, http://toroids.info/FT240-43.php) apilados, pegados entre sí por pegamento extra fuerte (la gotita, como se conoce en Chile), reforzado por tiras plásticas. Los devanados se hacen de alambre de cobre esmaltado 14 AWG, estando el primario (de 2 vueltas) trenzado sobre el secundario. Por otro lado, el secundario cruza al otro lado del toroide en la vuelta número 8, para completar luego las 14 vueltas. Lo ideal es que el espacio entre el alambre conductor y núcleo toroidal sea lo más pequeño posible, para así reducir flujos magnéticos de fuga, lo que no es tarea fácil por el grosor del alambre. No se debe utilizar alambres muy delgados, ya que por efecto pelicular en alta frecuencia incrementan demasiado su resistencia y, por ende, las pérdidas. Tampoco se debe cubrir el núcleo toroidal con cinta aislante si se quiere ocupar la antena con potencias importantes (unos 50 W o más), puesto que necesitamos que el núcleo sea capaz de disipar la potencia perdida en forma de calor. Es crítico que no sobrepase la temperatura de Curie (unos 130°C para el material tipo 43) pues, de suceder aquello, el material ferromagnético cambia sus propiedades magnéticas en forma permanente.

Para el capacitor de 100 pF, utilicé 4 condensadores mica-plata (ideales para altas frecuencias) de 430 pF conectados en serie, cada uno capaz de soportar una tensión de 1 kV. El montaje lo hice en una caja plástica estanca, de estas para derivaciones eléctricas sobrepuestas. En Chile, recomiendo las cajas marca SAIME serie 2000 (este modelo es el producto SAIME 2011, IP 55). Las utilizo a menudo en mis proyectos.

En las figuras siguientes podemos ver detalles constructivos:

Figura N: vista general del adaptador de impedancias 49:1, implementado con 2 núcleos toroidales FT-240-43.
Figura N+1: detalle de los devanados del transformador.

Ahora vienen las pruebas del adaptador de impedancias (medición de R.O.E. ante carga resistiva pura de 2450 Ohmios y medición de eficiencia), la construcción de la bobina de carga de 110 uH e instalación del hilo radiante para pruebas reales. Habrá que esperar un poco para ello.

En la medida que vaya avanzando con este proyecto, iré actualizando el texto de esta publicación.

Un adaptador de impedancias de mayor eficiencia…

Un radioaficionado llamado Steve Ellington N4LQ promueve el uso de estas antenas en su canal de Youtube, y ha descrito un transformador que utiliza 3 núcleos toroidales tipo FT-240-52. Dice que es más eficiente y tolera niveles altos de potencia (300W pep o más). Si bien aborda de buena forma la parte práctica, no he visto información técnica sólida donde hable respecto de la eficiencia de este tipo de antenas, y como salen un poco caros los toroides FT-240-52 (unos USD 100 los 3 toroides puestos en Chile), no tengo intención de adquirirlos para evaluar este diseño. Ahora bien, si alguien me los regala, por el gusto de la experimentación, lo construiría.

Muchos saludos desde el Maule, Chile.

Emerson

Antena multibanda para HF, bandas de 40, 20 y 11/10 metros.

(HF End Fed Half Wave multiband antenna, for 40, 20 and 11/10 meter band).

Buscando una alternativa fácil de instalar, simple y menos aparatosa para implementar una antena multibanda capaz de operar en las bandas de 40, 20 y 11/10 metros, llegué a la famosa antena de media onda alimentada en un extremo. A través de E-bay adquirí una versión comercializada por Par Electronics, la EF-10/20/40 MKII, con la que comprobé efectividad y bajo ruido de este tipo de antenas cuando operan en forma horizontal.

Si deseas conocer en detalle esta antena, te recomiendo visitar el excelente sitio web de Steve Yates AA5TB (www.AA5TB.com). Por mi parte, haré sólo una breve descripción teórica, pues me enfocaré en la construcción de esta EFHW para 10/11, 20 y 40 metros, y en mostrar los resultados obtenidos. Los detalles constructivos están basados en el artículo publicado por PA3HHO (https://pa3hho.wordpress.com/end-fed-antennes/multiany-band-end-fed-english/). Mi idea es reproducir este trabajo y contar mi experiencia. En caso de surgir alguna mejora posible, también la comentaré.

¿En qué consiste la antena EFHW (Antena Multibanda de Media Onda Alimentada en un Extremo)?

Es un dipolo de media onda, pero en vez de conectarse la línea de bajada en el centro, se conecta en un extremo (ver Fig. 1). A mi parecer, la gran gracia de esta antena es que podemos utilizar el mismo hilo radiante para varias bandas de frecuencias armónicas, puesto que un hilo conductor de media onda a la frecuencia F, resonará en onda completa completa a 2*F, y en 3/2 de onda a 3*F, y así sucesivamente, siendo el punto de alimentación (en un extremo) siempre de impedancia muy elevada. Por ello, podemos construir antenas mutibanda utilizando un único hilo radiante, lo que hace más facil su instalación y uso como antena portable (por ejemplo, en salidas a acampar).

Al alimentarse en un extremo, como se mencionó anteriormente, la impedancia en el punto de alimentación es altísima (de 2000 a 3000 Ohmios), y por lo mismo requiere un adaptador de impedancias si se quiere conectar a la línea de 50 Ohmios. Típicamente, se usa un transformador de banda ancha con núcleo de ferrita toroidal o binocular, como veremos más adelante.

Fig.1. Comparación entre dipolo de media onda alimentado en el centro, y dipolo alimentado en un extremo. En amarillo, forma aproximada de distribución de la corriente. Notar que es máxima en el centro, lo que explica el hecho que también la impedancia es mínima; mientras que el el extremo la corriente es mínima (y máximo el voltaje), definiendo una alta impedancia.

Si se tiene una alta impedancia en el punto de alimentación, observaremos que la tensión de RF durante TX se eleva a varios kV si utilizamos potencia considerable, lo que hace críticas las características constructivas del módulo adaptador de impedancia. Por otro lado, habitualmente se ocupa el recubrimiento exterior (malla) del cable coaxial de bajada de antena como contrapeso (o contra-antena), lo que hace que este se comporte como parte del sistema radiante y por lo mismo se generan corrientes en modo común que eventualmente pueden afectar el rendimiento de la antena y la captación de ruido. Estas corrientes de modo común se pueden reducir drásticamente mediante el uso de un filtro de modo común (o balún de corriente, o choque de RF), el que debe ser instalado previo al ingreso de la línea coaxial al cuarto de radio. Así evitaremos meter RF en nuestros equipos cuando estemos en TX, y a la vez reduciremos la captación de ruido por parte de la línea coaxial en RX.

Para la adaptación de impedancias, la razón de transformación más utilizada es 1:8, donde en el lado de baja impedancia tenemos la línea de 50 Ohmios y en el lado de alta se coloca el hilo radiante de longitud eléctrica equivalente a media longitud de onda de la señal radiada (o recibida). Con esta razón de transformación tenemos mayor independencia de la R.O.E. (SWR) respecto del largo de la contra-antena (o contrapeso de la antena), siempre y cuando este sea superior al 10% de la longitud de onda de operación de la antena (ver sitio de AA5TB). Por lo mismo, si se trata de antenas multibanda, podemos escoger una longitud de contra-antena entre el 10% y 50% de la correspondiente a la frecuencia más baja de operación (en nuestro caso, banda de 40 metros).

Construyamos nuestra EFHW.

El diseño para las bandas de 40, 20 y 10 metros es el mostrado en la siguiente figura:

Fig.2. Esquema eléctrico de una antena EFHW de 3 bandas. N = 2 y M = 16, sobre núcleo toroidal de ferrita FT140-43. C = 150 pF/ 500V cerámico. Se utiliza el cable coaxial de bajada como contra-antena.

En 40 metros, el hilo se comporta como un brazo de media longitud de onda, recortado gracias a la presencia del inductor L, en nuestro caso de 34 uH. De este modo, logramos acortar el largo total de la antena, o sea D1 + D2 es menor que media longitud de onda en 40 metros, lo que a su vez reduce el ancho de banda y rendimiento en 40 metros.

Para las bandas de 20 y 10 metros, el inductor L se comporta como un choque de RF, es decir, como una impedancia tan elevada que prácticamente no permite el paso de corriente de RF hacia el tramo final de la antena (D2). De este modo, para 20 y 10 metros el largo total de la antena es D1, donde en el caso de 20 metros corresponde a media longitud de onda, mientras que en 10 metros a una longitud de onda completa, donde ambas maximizan su impedancia en el extremo. 

Fig. 3 Antena EFHW para las bandas de 40, 20 y 10/11 metros.
Fig. 4 Adaptador de impedancias antena EFHW para 40, 20 y 10 metros.

El transformador se ha hecho en base al toroide FT140-43 (Ver http://toroids.info/FT140-43.php), formado por 2 espiras bifilares + 14 espiras, con hilo de cobre esmaltado tipo 18 AWG. El secundario lo he enrollado en partes opuestas del toroide, con el objetivo de reducir capacitancias parásitas entre ambos extremos del bobinado. El toroide está recubierto de cinta dieléctrica para proteger la aislación del hilo que conforma el adaptador de impedancias, lo que no significa un problema pues en QRP no tendremos calentamiento del núcleo toroidal.

Para acortar la longitud de la antena de 40 metros, y también para aislar el último tramo de la antena (D2) en la operación de las bandas de 20 y 10 metros, se utiliza un inductor de L = 34 uH. Consiste en 65 vueltas de hilo 18 AWG sobre una tubo de PVC de 1 pulgada de diámetro.

Con el objetivo de obtener una satisfactoria operación del adaptador de impedancias en la banda de 10 metros, he colocado un capacitor de 150 pF en paralelo con el lado de baja impedancia del transformador (probando desde 50pF hasta 200pF, es el que mejor resultado ha dado). Debe soportar por lo menos 500V, como es en este caso, lo que es suficiente para operar equipos con potencias QRP (5W P.E.P o inferior), pues cuando se eleva la R.O.E. esta tensión puede llegar a máximos bastante elevados.

Luego de varias pruebas, las longitudes óptimas para D1 y D2 son:

D1 = 10.1 [m]

D2 = 1.6 [m]

Ajustadas a mi instalación en particular. Dependiendo del valor exacto de la inductancia, de la disposición del hilo radiante (horizontal, vertical o «v» invertida), del entorno (influencia de estructuras conductoras cercanas), tipo de suelo, trazado de la línea de bajada y postura de balún para filtrar corrientes en modo común, estas longitudes pueden variar.  

Ensayos preliminares me han mostrado resultados interesantes… QSOs en la banda de 40 metros a más de 500 km de distancia, y en 10 metros a más de 2.000 km!, con sólo 5 W p.e.p. Una maravilla. Es ideal para salidas a terreno, pues su instalación es muy sencilla. Faltaría medir su eficiencia, especialmente el efecto del transformador toroidal, pero independiente de eso, lo fácil de su construcción, instalación, operación multibanda y experiencia de uso la hacen una opción interesante.

ACTUALIZACIÓN 06/10/2020: llegaron mis núcleos toroidales FT240-43!! pronto un nuevo artículo referente a esta antena…

Aunque… por el momento, un adelanto en la Fig. 5:

Fig.5 Construcción de un nuevo adaptador de impedancias, basado en el núcleo toroidal de ferrita FT240-43.

Luego de revisar experiencia práctica de entusiastas experimentadores, he considerado en este nuevo diseño el uso de 2 núcleos toroidales apilados de tipo FT240-43. Según algunos autores, la eficiencia de este transformador es superior al 80% en toda la banda de HF, cuando se le utiliza con una relación de transformación de 49:1, un capacitor de 100 pF en paralelo con la entrada y una carga resistiva pura de 2450 Ohmios. Mi idea es probar este diseño de adaptador de impedancias para utilizar esta antena con más potencia  (los 100 Wpep que entrega mi FT-450D) y extender el uso a la banda de 80 metros.

Más información en este link (antena multibanda para 80/40/20/10 metros).