Acoplador para antena de ARO

Acoplador de antenas de ARO y media onda

La antena de ARO es una antena muy compacta con un rendimiento discutible. Resulta muy interesante para estos casos en los que montar una antena de otro tipo es directamente inviable o muy complicado. Especialmente en salidas a un apartamento donde no sea posible tirar un hilo o sacar una monopolo por la ventana... pero disponiendo de un mínimo de espacio se puede poner un aro muy discreto.

Estas antenas son pequeñas respecto de la longitud de onda así que no son prácticas en las bandas de 30m y por debajo. La contrapartida en estas bandas es la antena de media onda que no requiere una buena toma de tierra y solo hay que elevar el extremo opuesto al punto de alimentación. No deja de ser un poco engorro pero es bastante viable.
Dese el punto de vista de acoplamiento, nada tiene que ver cómo se adapta una antena de media onda y la antena de ARO, ¿o sí?.

La forma más común de adaptar la antena de ARO es mediante una espira de tal forma que se constituye un transformador de relación 1:10 o mayor. Esta relación de transformación se consigue haciendo una espira de 1/5 de diámetro y colocándola en una plano no paralelo con el de la antena de tal forma que ajustando el índice de acoplamiento K acabamos de optimizar la relación de transformación. Hay muchos ejemplos de esta antena con este método de ajuste, pero el que haya hecho pruebas habrá observado que si la espira del primario se deforma la ROE cambia considerablemente y esto se debe a que cambia el índice de acoplamiento K. Es decir, se necesita una buena construcción mecánica y esto para una salida al campo no es fácil.

Por otro lado la antena de media onda se adapta en alta impedancia y por tanto se necesita de un transformador sintonizado con núcleo de alto Q o bobinado al aire y el correspondiente condensador variable. A priori parece que son dos antenas incompatibles entre sí como para compartir el ATU. Pues no es así, el ATU que vamos a ver es un adaptador poco usado pero en realidad es de lo más antiguo.

El adaptador de antena o ATU

La condición de sintonía de una antena de ARO es que su longitud total sea menor a un cuarto de longitud de onda de la frecuencia más alta a utilizar, (2*PI*R < 72/F). Al ser una antena inductiva, se puede obligar a que resuene en una frecuencia, por debajo de la autoresonancia, mediante un condensador en paralelo. Estas antenas se ven normalmente con una espira de adaptación. Para eliminar esta espira de adaptación usaremos un condensador de acoplamiento de bajo valor. 

La pregunta ahora es ¿cuanto más corta la antena de 0,25 longitudes de onda?¿habrá alguna fórmula...?. La respuesta es, depende. Depende de la capacidad mínima de nuestro condensador de sintonía que sumada a la capacidad residual de la propia antena, permita sintonizar la banda que nos interesa. Y sí, para esto si hay cálculos que permitan seleccionar el tamaño del aro. Pero también es posible por el método práctico. Poner una espira de 0,24 longitudes de onda y a mínima capacidad del condensador variable, vemos en qué frecuencia resuena la antena. Vamos acortando la espira hasta conseguir la resonancia en la banda más alta que nos interese. El inconveniente de este adaptador frente a la espira es que la capacidad mínima que vamos a tener es la del condensador de sintonía más el de acoplamiento. Así que este ATU siempre va  a necesitar una antena de ARO ligeramente más pequeña que el acoplamiento por espira.

Figura 1

El circuito de la figura 1 consta de un condensador variable tándem de dos secciones idénticas, C2, para sintonía. Los hay tipo polivaricon de 2x200pF y 2x400pF. Un segundo condensador, C1, permite ajustar el acoplamiento para conseguir adaptar 50 ohmios a la alta impedancia de la antena. Si la antena de ARO se comporta como una bobina y tiene una alta impedancia, tenemos una solución para antena de media onda que también es de alta impedancia. Reemplazamos el aro por una bobina y conectamos la antena de media onda en el punto de alimentación C1/C2 y listo.

Para QRP de menos de 5W se puede usar condensadores tipo polivaricon, pero a más potencia hay que usar condensadores de aislamiento de aire con placas suficientemente separadas. Con 5W es fácil llegar a 500Vpp entre los extremos de la antena. Justo el límite que da el polivaricon.

Construcción 

El acoplador se ha hecho en una caja de plástico impresa con impresora 3D, equipada con reductores mecánicos también impresos. El resultado es un ATU muy compacto y fácil de transportar dado lo ligero y pequeño que resulta.

Fig 2

Las conexiones interiores se han hecho con tiras de latón cortadas y dobladas según interesa en cada caso. Dos tornillos conectan con la antena, mediante tuercas tipo palomilla. Un tercer tornillo se usa para conectar una toma de tierra.

Fig 3

El contacto de masa del BNC pasa entre los dos condensadores variables, debajo de la chapa que se ve y conecta con el tornillo central. A esta tira se conecta la masa del condensador variable de la izquierda que es C2.
Una de las secciones de C2 se conecta a un tornillo, lado izquierdo, la otra sección se conecta al otro tornillo y al condensador C1 que tiene sus dos secciones en serie y de éste al contacto central del BNC. Nótese que C2 es de 4 secciones, dos de 200pF y dos de 30pF. Se han puesto dos a dos en paralelo.

Los condensadores están montados en un chasis aislante de PLA sobre el que se montan los piñones que forman la reductora 2:1 de cada CV.

Fig 4

Cada CV incluye un fiel (amarillo) para saber el grado de giro de cada uno de ellos. 

Pruebas

La antena es un aro de cable coaxial RG213 que mantiene la forma de circunferencia de 1,2m de diámetro, mediante un soporte de 7 puntos de fijación. Se ha probado a una altura del suelo de 75cm, la parte más baja.

Fig 5

Con un medidor de ROE y un TRX se han probado las diversas bandas en las que sintoniza el dispositivo. 10,12MHz, 14,250 MHz, 18,1MHz, 21,25MHz. En todas consigue una ROE mejor que 1,2:1. Las bandas de 17m y 15m se ven afectadas por la proximidad de la mano a la hora de ajustar. Al separarla varía un poco la sintonía. Aunque todo sea plástico y aislante, hay un efecto capacitivo con el cuerpo del operador que afecta.

Añadiendo un condensador fijo de 56pF se ha sintonizado en 40m. C1 está a máxima capacidad y aún así la ROE es menor de 1,2:1. El ancho de banda para ROE 1,5:1 es de 20KHz y en la banda de 15m el ancho de banda para ROE 1,5:1 es de unos 35..40KHz.

Este tipo de antenas está muy estudiado, aunque no hay unas conclusiones 100% unánimes. Los hay que afirman que la antena rinde poco, debido a su reducido tamaño, los hay que tras muchas pruebas comparativas afirman que rinde más de lo especulado. A nivel profesional, una empresa especializada en antenas tácticas hizo una antena de aro vehicular que tras años de pruebas de enlace NVIS concluyó que la antena rinde aceptablemente para este tipo de enlaces aunque no conozco los resultados de sus pruebas.

Fig 6

AA5TB tiene una hoja de cálculo que compila, para unas dimensiones y forma de la antena dadas, su comportamiento teórico en la banda de HF, hasta la frecuencia máxima utilizable, para un caso dado.

En el caso que nos ocupa, para una circunferencia de cable coaxial de doble malla, diámetro del cable 7mm y 1,2m de diámetro del ARO. Esta antena rinde, teóricamente, -10dB a 7MHZ, -5,5dB a 10MHz, -2,5 a 14MHz, -1,2 a 18MHz y -0,7 a 21MHz.

Acoplador para antena "endfeed"

Con ayuda de una bobina se puede usar este acoplador con una antena endfeed de media onda. Para ello necesitamos una bobina auxiliar de alto Q, cuanto mayor Q más energía pasa a la antena. Para la prueba se ha usado una bobina de espiras separadas hecha con hilo de cobre esmaltado de 1,5mm de diámetro. El Q de esta bobina es tan alto que no me ha sido posible medirlo con el VNA. Así pues, la impedancia entre bornes de la bobina es mucho más alta que la presentada por la antena que vamos a conectar, por tanto la energía que se transfiere a la antena es máxima.
 

La conexión de tierra del acoplador se lleva a una toma o contrantena. Es un error muy común pensar que una antena endfeed no necesita toma de tierra. El cable de alimentación hace de contrantena si el ATU no se conecta a tierra y por tanto la sintonía varía al acercarnos o alejarnos del ATU o del cable de alimentación. Si el cable es muy largo y está tirado por el suelo, el acoplamiento capacitivo a tierra puede ser suficiente, pero una "mala" toma de tierra es mejor que ninguna.

Fig 7

La bobina auxiliar se conecta entre los dos tornillos extremos, conexiones de C2. En uno de ellos, la conexión C1/C2, se conecta el hilo de antena y en el tornillo central hacemos la conexión a tierra.

La bobina de la imagen adjunta está diseñada para montarla centrada en una caña de pescar de tal forma que se puede montar una antena vertical con el ATU en la base.

Dependiendo de las bandas a trabajar hay que hacer una bobina de un tamaño u otro. También se puede usar un toroide rojo para bandas de 80..40m y amarillo para el resto. Los tipo T50 van bien para potencias bajas, pero mejor usar T68 o mayor.

La bobina usada en las pruebas tiene 10,5 espiras espaciadas 5mm en un soporte de 52mm de diámetro. El valor de autoinducción es de 4,77uH y un Q teórico de 957 con frecuencia de autoresonancia de 34mHz.

Comparativa ancho de banda ARO y endfeed 

Antena de ARO.

fig 8.

Para una ROE mejor que 1,5:1 el ancho de banda en la banda de 17m es un poco menos que los 100KHz que tiene la banda.

La antena endfeed cubre perfectamente toda la banda de 17m sintonizada al centro de ésta. Los marcadores son los mismos en ambos gráficos.
Como se muestra, el ATU se puede usar tanto con antenas de ARO como endfeed ayudados por una bobina auxiliar.

Fig 9

 

Acrónimos

ATU (Antenna Tuner Unit) Acoplador de Antena 

endfeed: alimentación por un extremos de una antena dipolo de media onda. Esta antena se conoce como antena zeppelin.