Proyecto de Antena para Onda Larga
ANTENA VERTICAL PARA ONDA LARGA
por Eduardo Alonso, EA3GHS y Joan Morros, EA3FXF
http://usuarios.tripod.es/ea3ghs/vlf
ea3fxf@lleida.org
Ensayos: 4 de Julio del 2002
Texto: 12 de Enero del 2003 (pendiente de revision)
Se detalla a continuación el procedimiento de diseño y posterior
medición de las características de una antena para la banda
de onda larga. Los ensayos se han realizado en la banda de los 2200m
(137KHz), aunque son repetibles para otras bandas, como 73KHz, 500KHz
o 1830KHz. Se recomienda la lectura previa de los textos de ON7YD y LU6xxx,
ideas generales
- El segmento vertical H es el que radia. (10..30m)
- Como la longitd de onda es muy superior a la longitud de la antena,
LAMBDA > 10 H entones la antena tiene un comportamiento capacitativo
(212pF).
- La capacidad CRAD es típicamente 6pF/m entre el elemento radiante
y la contraantena (suelo, radiales, ..).
- Para anular la reactancia capacitiva de la antena CRAD y llevarla
a resonancia, colocar una inductancia en serie LSIN (8000uH).
- Para disminuir el valor y el tamaño fisico de la inductancia
de sintonia, es posible añadir un sombrero capacitivo CSOM en la
parte superior de la antena. Esta capacidad se suma a CRAD, formando CANT.
- Las placas del condensador CSOM son los tramos horizontales de la
antena y la contraantena. Típicamente 5 pF/m.
- Finalmente, hacer coincidir la resistencia de salida del transmisor
(50ohm) con impedancia únicamente resistiva de la antena (15ohm..100ohm)
.
- La parte resistiva de la antena se divide en dos:
- Resistencia de pérdidas RG. Depende de las características
ambientales. Para reducir este valor, aumentar número de radiales,
abonar el suelo (las sales aumentan la conductividad del suelo), operar
en dias poco humedos..
- Resistencia de radiacion. RRAD: La potencia disipada en esta resistencia
es la que se radia. Suele ser de 100 a 1000 veces mas pequeña que
RG. Por este motivo el rendimiento es tan bajo.
modelo eléctrico
De la instalación de antena, se deduce el siguiente esquema electrico:
- VS,RS: Tensión e impedancia de salida del transmisor. En
nuestro caso, un amplificador de audio de 4ohms seguido de un filtro pasobajos
50ohms de impedancia de salida (Joan, EA3FXF insiste en unificar la impedancia
de todos los elementos que componen la estación).
- LSIN, RBOB,QBOB: inductancia de la bobina de sintonia y resistencia
del hilo de cobre. ¡Ojo! Valor medido en AC 137KHz. No coincide con
el valor medido en continua DC (tester). Ambos parametros están relacionados
por la Q de la bobina. Valores típicos son 100..300.
- CANT,RRAD,RG,QSIS: Aparentemente la antena deja en circuito abierto
la salida del transmisor. Pero no es así. Las partes metálicas
conectadas al vivo, forman una capacidad con los elementos del entorno,
cerrando asi el circuito.. La antena son tres elementos en serie: una capacidad
y dos resistencias, la de perdidas (0.01 ohm) y la de radiacion (60 ohm).
diseño de la antena
La idea básica es: elevar un hilo de la mayor seccion posible, a
la mayor altura, libre de obstaculos cercanos. Del punto mas elevado, y manteniendo
la altura, colocar uno o mas hilos conductores para formar el sombrero capacitativo.
La resistencia de radiación aumenta con el cuadrado de la altura.
De aqui la importancia de tener un elemento radiante de altura considerable.
RRAD = 0.082 * (H^2)
[unidades en metros y microhenrios]
Es necesario estimar la capacidad de la antena para construir la bobina
de sintonia. El valor exacto no tiene importancia, ya que se sintonizara el
conjunto variando el valor de la bobina.
CANT = H * 6 pF/m + L * 5 pF/m
A partir de este valor, estimamos la inductancia necesaria para llevar
a sintonia la antena:
LBOB = 1 / (( 2 * PI * f )^2) * CANT)
En nuestro caso
RRAD = 13.59 mOhm
CANT = 8m * 6pF/m + 15m * 5pF/m = 123 pF
LBOB = 1 / ( 2*3.1415*137000)^2 * CANT) = 8000 uH
diseño de la bobina de sintonia
La idea básica es: Arrollar el máximo numero de espiras sobre
un tubo de PVC del máximo diametro posible.
L = 0.001 * n^2 * D^2 / ( L+0.45 * D)
Q = 7.5 * D * PHI * RAIZ(f)
n, numero de vueltas
Nos interesa una gran Q para tener un ancho de banda estrecho y atenuar
las señales de estaciones cercanas que podrian saturar el amplificador
de recepción. La señal potente de la DCF39 aparece en toda
la banda de aficionado. (?Es asi de origen o es culpa de nuestro preamplificador?).
Un elevado Q tambien atenua el ruido atmosferico/industrial fuera de la
banda de interes. La tensión en bornes de la antena, se multiplica
por el Q, lo que representa una ganancia extra (afirmación pendiente
de confirmación, en las antenas LOOP es cierto, si la impedancia de
entrada del receptor es muy elevada, entrada por tensión).
Para obtener una Q elevada, utilizar un gran diametro. Si la longitud de
la bobina es grande respecto al diametro, la Q tambien aumenta. Si las espiras
estan arrolladas juntas entonces PHI = 0.65. Para otras geometrias consultar
la grafica de diseño. Otra forma de elevar Q es disminuir la resistencia
de hilo, cosa facil si se utiliza cable superconductor enfriado con nitrogeno
líquido.
L = 0.001 * 280^2 * 200^2 / ( 350+0.45*200) = 8026
[unidades en milimetros y microhenrios]
caracterización de la bobina
Es necesario conocer la inductancia total de la bobina y la inductancia
en sus tomas medias. Es necesario un generador de radiofrecuencia y un osciloscopio.
- Colocar un condensador de capacidad conocida en paralelo con la bobina
- Con el generador de radiofrecuencia (o audiofrecuencia), hacer un
barrido de entre 100KHz hasta 200 KHz buscando el pico de sintonia.
- Anotar la frecuencia de resonancia, y deducir la inductancia con
la siguiente relación.
L = 1 / ( C * ( 2 * PI * f )^2 )
- Repetir el procedimiento para todas las tomas intermedias de la bobina
de sintonia.
- Repetir el procedimiento de medición sin conectar la capacidad.
Buscar el punto de resonancia. A partir de la L conocida, deducir la capacidad
parásita de la bobina.
- no ensayado: Parece que si dibujamos la curva de autoresonancia,
podemos deducir la Q de la bobina solo.
caracterización de la antena
El siguiente circuito permite llevar a resonancia el conjunto antena/bobina
de sintonia.
La corriente se hace máxima justo en el punto de máxima resonancia.
Utilizando un simple miliamperimetro con un par de vueltas arrolladas a la
salida del aplificador y un diodo rectificador, permiten detectar este punto
de máxima intensidad. El ajuste es extremadamente crítico,
y variable segun las condiciones ambientales.
Para determinar el Q del sistema de antena, hacer un barrido de frecuencia
y tomar nota de los valores del instrumento de medida. Dibujarlo en papel
logaritmico y marcar los puntos de - 3dB. Deducir el ancho de banda. Luego
Q = fresonancia / B
De esta Q puede estimarse la parte resistiva de la antena, ya que
R = 2 PI f L / Q
pero se propone un mecanismo de medida diferente.
El punto de resonancia no garantiza que toda la potencia del emisor se transfiera
a la antena. Esto solo ocurrira si ambas impedancias (resistivas) coinciden.
El siguiente circuito, un puente de Weatstone, permite medir la resistencia
de antena (RG). La idea es usar una resistencia variable hasta hacer
coincidir la tensión en el punto intermedio de ambas ramas. En ese
momento la tensión diferencial sera cero y la aguja debera marcar
ese mínimo. El valor ohmico del potenciometro coincidira con el de
la resistencia.
