Diseño y construcción de una antena cuadrifilar helicoidal

Conceptos básicos.Polarización circularLas ondas electromagnéticas están compuestas por campos eléctricos y campos magnéticos, ambos campos son perpendiculares entre si y también los son a la dirección de propagación.

Fig. 1 Onda electromagnética y sus dos componentes, campo eléctrico E y campo magnético B.K representa la dirección de propagación de la onda y λ representa una longitud de onda. En una onda electromagnética polarizada las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano del tiempo, son perpendiculares a las oscilaciones del campo magnético, y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Para el estudio de la polarización de las ondas electromagnéticas se trabaja con los campos eléctricos; debido a que el vector de campo magnético puede obtenerse a partir del vector de campo eléctrico, pues es perpendicular y proporcional a él. Ahora para el estudio de la polarización los campos eléctricos se descomponen en sus componentes vectoriales perpendiculares, como se muestra en la figura siguiente, donde:

y=sin (∝ )

x=cos (∝)

Donde :∝=angulo deelevacion del vector decampo electrico

Fig. 2 Campo eléctrico y sus componentes.

Como se ve en la Fig. 1, el campo eléctrico va variando su amplitud con respecto a tiempo, cada punto del campo eléctrico se puede descomponer en sus dos componentes (Fig.2). Estas componentes son perpendiculares a la dirección de propagación. Ambas componentes van variando sus amplitudes en el tiempo y la suma de ambas va trazando una figura geométrica. Esta figura será la que definirá el tipo de polarización que tiene el campo. Si dicha figura es una recta, la polarización se denomina lineal; si es un círculo, la polarización es circular; y si es una elipse, la polarización es elíptica. En la siguiente figura se ve el campo eléctrico (azul) y sus dos componentes (rojo y verde) y el tipo de polarización que tiene (púrpura).

Fig. 3 Tipos de polarización

La polarización lineal se produce cuando ambas componentes están en fase (con un ángulo de desfase nulo, cuando ambas componentes alcanzan sus máximos y mínimos simultáneamente) o en contrafase (con un ángulo de desfase de 180º o cuando cada una de las componentes alcanza sus máximos a la vez que la otra alcanza sus mínimos). La relación entre las amplitudes de ambas componentes determina la dirección de la oscilación, que es la dirección de la polarización lineal.

La polarización circular muestra que las dos componentes ortogonales tienen exactamente la misma amplitud y están desfasadas exactamente 90°. En este caso, una componente se anula cuando la otra componente alcanza su amplitud máxima o mínima. Se pueden dar dos tipos de casos en esta polarización, esto depende de si la componente X esta adelantada o retrasada 90°, esta relación define el tipo de giro del campo eléctrico (horario o anti horario).

La polarización elíptica corresponde a cualquier otro caso diferente a los anteriores, es decir, las dos componentes tienen distintas amplitudes y el ángulo de desfase entre ellas es diferente a 0° y a 180° (no están en fase ni en contrafase).

Antena cuadrifilar helicoidal (QFH).

La antena QFH consiste de dos anillos. Para obtener polarización circular, es preciso que las corrientes en ambos estén desfasadas por 90 grados. Aunque existe la posibilidad (popular con la antena turnstile) de utilizar un desfazador formado con un trozo de cable, la solución usada más frecuentemente para la QFH es de utilizar anillos de tamaños diferentes. Un anillo levemente largo reacciona inductivamente, mientras que uno más corto es capacitivo.

Aunque así las corrientes en ambos anillos son reactivos, al conectarlos en paralelo, el punto de alimentación, en la parte superior, tendrá una impedancia resistiva, cerca de 50 Ohm.

El único problema remanente para la alimentación, es que, como es el caso en muchas antenas, la conexión debe ser simétrica. Quiere decir que conectar un cable coaxial no es óptimo aunque correspondería la impedancia, la radiación en la parte exterior del cable causaría una distorsión en el diagrama de radiación de la antena.

Algunas de las soluciones:

Transformador Podríamos instalar un transformador balun en la parte superior de la antena, pero balunes

simples generalmente también transforman la impedancia y queremos mantener 50 Ohm.

Fig. 4 Antena cuadrifilar helicoidal.

Inductancia Formando una bobina con el cable, cerca del punto de conexión, genera una inductancia que no permite avanzar a las corrientes externas en el cable.

Balun infinito Pasando el cable por dentro de uno de los tubos de la QFH, hasta abajo, forma un 'balun infinito', que cortocircuita corrientes exteriores.

Preamplificador Otra solución elegante es instalar un preamplificador de antena en la parte superior de la antena, con entrada simétrica. Esta solución funciona solamente para recepción.

Diseño de la antena cuadrifilar helicoidal.

Para el diseño y posterior construcción de la parte radiante de la antena (las espiras), el material que se ha elegido es cable coaxial RG-58, porque este nos ofrece flexibilidad. Un problema que aparece en la construcción de la antena es la alimentación, ya que la antena tiene que ser simétrica. El uso del cable coaxial no tiene problemas de simetría, por los siguientes motivos:

La impedancia no varía, ya que se conecta la antena a otro cable coaxial igual. Las corrientes externas se eliminan; porque las conexiones que se hacen entre una y

otra espira, de la antena, hace que esta tenga un Balun infinito adherente.

Para antenas hechas con otros materiales, cobre o aluminio por ejemplo, se tiene que pensar en hacerla simétrica de alguna manera, como por ejemplo usar un Balun infinito, transformador de impedancias o una inductancia.

Calculadora para construcción de una antena cuadrifilar helicoidal.

Esta calculadora fue creada por John Coppens la cual es recomendada por RLT-SDR.com para realizar los cálculos de manera sencilla y de este modo poder recibir los datos del satélite la dirección es la siguiente:

http://jcoppens.com/ant/qfh/calc.php

Una vez ingresamos al link se puede observar la calculadora en donde se deben de ingresar los datos para el cálculo de la antena.

Fig. 5 Ingreso de datos en calculadora.

A continuación se explica los datos que la calculadora requiere:

Frecuencia de diseño: es la frecuencia a la que la antena trabajara y esta se encuentra en el rango de 137 a 138 MHz, ya que los satélites de órbita polar baja NOAA transmiten en ese rango y ese sería el motivo por el que se escoge una frecuencia intermedia.

Cantidad de vueltas: ese valor se refiere a la torsión que tendrá la espira, el valor de torsión más óptimo para esta antena es de media circunferencia.

Largo de vuelta: este valor se refiere a la longitud total de la espira. En el estudio teórico de esta antena, la página recomienda que la longitud de las espiras sería de una longitud de onda.

Radio del doblado: como se ve en la estructura de la antena, al final de cada brazo se dobla el cable (Fig. 6), de forma que queda como un arco de circunferencia. El radio de doblado se toma en cuenta en esta calculadora, porque influye en la altura de la antena. Si aumenta el radio de doblado, la altura de la antena disminuirá; ya que, la longitud de la espira tiene que ser constante e igual a una longitud de onda.Para esta antena escogemos un valor de 15mm. Este valor está en el orden de los milímetros (mm) porque los radios de doblado son siempre pequeños.

Fig. 6 Ilustración del radio de doblado.

Diámetro del conductor: esta antena puede estar construida con diferentes conductores, pero en este caso se ha decidido usar un cable RG-58 el cual tiene un diámetro total de 6mm (además de brindarnos una impedancia de 50 ohm, lo cual según el creador de la página es un valor aceptable que le dará más exactitud a nuestra antena).

Relación diámetro/altura: este valor se obtiene en base a simulaciones lo cual se comprueba que la mejor relación altura/diámetro era la 70/30 (según experiencia del creador de la página y personas ligadas a dicho proyecto); para este caso seria 30/70 porque la calculadora usa la relación inversa. El valor 30/70 será igual a 0.429 pero se aproxima a 0.44.

Los resultados usando la calculadora se presentan a continuación:

Fig. 7 medidas para la espira grande.

Fig. 8 Medidas para espira pequeña.

A continuación se explica el significado de cada dato calculado.

Largo de onda (compensada): Largo de onda se refiere a la longitud en milímetros (mm) de una longitud de onda. El valor compensado aparece porque se toma en cuenta el efecto del diámetro del conductor.

Corrección por doblado: Valor de la corrección por doblado.

Largo total del lazo (compensado): Largo total de la espira. El valor compensado indica el efecto del doblado, y la necesidad de aumentar el tamaño de la espira levemente.

Separación vertical: Largo de la espira.

Separación vertical compensada: Este valor como en el largo de onda compensado aparece por el efecto del diámetro del conductor. Este valor no toma en cuenta el doblado en cada brazo.

Separador horizontal: Ancho de la espira.

Separador horizontal compensado: Este valor viene a ser la longitud del tubo horizontal. Este valor no toma en cuenta el doblado en cada brazo.

La calculadora nos permite crear una plantilla para ser colocada en él tuvo PVC para realizar los agujeros de manera precisa, en nuestro caso se usara un tuvo vertical con un diámetro de 4 cm y unos tubos para soporte horizontal de 1.5 cm.

Fig. 9 Creación de la plantilla para elaborar los agujeros.

Fig. 10 Plantilla generada para la elaboración de agujeros.

En la figura anterior se muestra la plantilla con los agujeros, esta debe de ser colocada sobre el PVC y para elaborarlos de manera más precisa; ya con los datos obtenidos solo resta construir la antena y realizar las pruebas pertinentes para comprobar su funcionamiento.