PRECISION DEL ANALIZADOR DE ANTENAS MFJ-259

Accuracy of the MFJ Antenna Analyzer, MFJ-259B

por Sergio Zuniga, CE2CG

La Serena, Chile

09 de mayo de 2013

 

 

         Quienes experimentan con antenas, balunes, trampas, etc., y poseen un analizador de antenas, por ejemplo el modelo MFJ-259B, creo que alguna vez les surgió la duda acerca de la precisión del instrumento, debido a la aparición de resultados 'extraños', tal como me ha ocurrido a mí. Sabemos que este tipo de analizadores no son demasiado precisos, de modo que en cualquier prueba que hagamos estará la posibilidad de que el instrumento esté descalibrado, o que simplemente el instrumento no tiene la precisión que desearíamos.

 

         A continuación ilustro paso a paso un procedimiento para "analizar un analizador de antenas". Explico los fundamentos de la prueba y los resultados que se debería obtener. Las diferencias entre los resultados teóricos y las mediciones reales son un indicador del estado de nuestro analizador. La técnica, implementada por Wilfred Caron y Greg Ordy (W8WWV) es básicamente la siguiente:

·       Paso 1: Seleccionar una sección de cable coaxial. Por ejemplo, 5.21 metros de cable RG-213 que tiene una velocidad de 0.66. Esto implica que el cable tiene 360 grados eléctricos (una onda) en 37.98 MHz (299.80/5.21*0.66).

·       Paso 2: Poner en el final del cable una resistencia de 25 ohmios (25 + j 0 Ohms). Supongamos que la carga real mide 25,2 ohmios.

·       Paso 3: Obtener los valores teóricos a través de fórmulas, de ROE, resistencia (R), reactancia (X) en la entrada del cable, para diferentes frecuencias.

·       Paso 4: Obtener los valores de mediciones reales de ROE, resistencia y reactancia en la entrada del cable para diferentes frecuencias.

·       Paso 5: Comparar los resultados teóricos con los realmente obtenidos. Si el analizador anda bien, la diferencia entre lo real y lo teórico debe ser pequeña.

 

         Es importante notar que debido a que la resistencia usada es de solo 25 Ohms, en realidad no se trata de una verdadera 'prueba de fuego', ya que los valores de impedancias, resistencia y reactancias que se generan son más bien modestos.

 

 

Valores Teóricos

 

         Para obtener los valores teóricos de R, X, Z y ROE para diferentes frecuencias, puede consultarse una calculadora de líneas de transmisión. Está el camino simple-aproximado, y el complicado-más exacto.

 

a) El camino simple es olvidamos de las pérdida de la línea. En este caso la ROE debe ser siempre 2.0, en cualquier frecuencia (puesto que la línea es de 50 ohms resistivos). Para encontrar los valores teóricos de ROE, resistencia y reactancia, utilizo la siguiente calculadora:

http://www.sergiozuniga.cl/02/calculadoras/CE2CG%20Impedancia%20linea.html

         Aquí necesitamos ingresar lo siguiente: Resistencia de la Antena = 25.2 ohms (el valor de la resistencia). Reactancia de la Antena = 0 ohms (ya que la resistencia no presenta reactancia). Largo de la Línea (grados)=debemos hacer el cálculo siguiente: f(Mhz)/37.98*360. Por ejemplo, para la frecuencia de 7Mhz, el largo eléctrico de la línea es de 7/37.98*360=66.35 grados. Resistencia de la Línea=50 ohms. Con esto obtenemos los resultados teóricos de resistencia (R), reactancia (X), impedancia (Z) y ROE para diferentes frecuencias en un rango de 2 a 29Mhz.

 

         El siguiente gráfico muestra los resultados teóricos-sin pérdida. Cuando la reactancia es negativa, se dice que es reactancia capacitiva, y cuando es positiva se dice que es inductiva. Puede notarse que la reactancia X resultante en esta prueba es bastante modesta, no superando los 40 ohms. La resistencia en cambio prácticamente llega a los 100 Ohms. Esto confirma el hecho de que se trata de una prueba que no exige demasiado del instrumento.  Lo otro que debe notarse es que R es siempre positiva, y que X oscila simétricamente entre valores tanto negativos como positivos. Al hacer las mediciones a un cable real, nuestras mediciones deben reportar curvas similares a esta.

 

 

         La combinación entre R y X permite calcular la impedancia compleja, Z, que viene dada por: |Z| = \sqrt{Z Z^*} = \sqrt{R^2 + X^2}. También puede calcularse el ángulo o fase correspondiente a dicha impedancia, como \theta = \arctan{\left(\frac{X}{R}\right)}. El siguiente gráfico muestra los valores teóricos-sin pérdida de la impedancia (Z) y de la fase, en grados. Puede apreciarse que la impedancia fluctúa en un rango de entre 25 ohms y 100 ohms. Por otro, que lado la fase de la impedancia fluctúa en un rango entre 37° y -37° (aquí hay que guiarse por la escala del eje de la derecha del gráfico). Ambas curvas son suaves y bien comportadas. La ROE no se muestra, ya que es siempre igual a 2,0 para cualquier frecuencia.

 

 

b) El otro camino es tomar en cuenta las pérdidas del coaxial, las que hacen disminuir la ROE. A mayor largo del cable o a frecuencia más alta, mayor es la pérdida del cable. Las fórmulas en este caso son un poco más complicadas, pero hay varios programas que obtienen los resultados. Por ejemplo el Lowband Software de ON4UN, y TLA Software (viene con el ARRL Antenna Book), aunque ambos usan diferentes enfoques para ingresar los datos.

La pérdida de este coaxial RG-213 por 100 metros es de 0.605 dB en 1 Mhz, y de 1.944 dB en 10 Mhz (por 100 pies es 0.2 dB y 0.6 dB respectivamente). Greg Ordy (W8WWV), encontró que los dos programas (Lowband y TLA) entregan resultados casi idénticos. Al comparar los resultados de dichos programas con los del caso sin-pérdidas graficado anteriormente, nuevamente los resultados son prácticamente iguales. Las curvas se superponen de un modo casi exacto, tal como se muestra en el gráfico que sigue. Entonces podemos concluir a este respecto que bien puede omitirse el factor de pérdidas en nuestro caso.

 

 

 

Valores Empíricos

 

         Ahora viene la etapa de hacer las mediciones con el analizador de antenas, a un cable real, con una resistencia real. Greg Ordy (W8WWV) utilizó tres analizadores de antenas: MFJ-269, CIA-HF y el RF-1. Los resultados que obtuvo con los tres instrumentos fueron prácticamente los mismos, de modo que me quedaré sólo con los del MFJ-269, los que voy a comparar con mis propias mediciones, pero usando mi MFJ-259B.

 

         En mi caso, también usé 5,2 metros, pero de cable coaxial RG58AU, y 4 resistencias de 100 ohms en paralelo, para llegar a unos 25 ohms, de modo que la prueba sea lo más parecida posible a lo realizado por W8WWV. A pesar de esto, hay que tener en mente que existirán algunas diferencias en el largo, en el tipo de coaxial y en la resistencia. En mi caso reporto adicionalmente las mediciones de Impedancia (Z) y fase, algo que W8WWV no hizo.

 

         El siguiente gráfico muestra los resultados obtenidos para R y X por W8WWV en comparación a los que yo obtuve. En primer lugar, la forma de R es bastante parecida en ambas mediciones, con sólo una diferencia de nivel. Esto me parece que es perfectamente aceptable, ya que puede deberse a alguna diferencia en el largo del cable y a una variación en las resistencia usadas. Sin embargo, existe una amplia diferencia en las mediciones de la reactancia. De hecho, el MFJ-259B no es capaz de distinguir si la reactancia es positiva o negativa, y esto se aprecia claramente en el gráfico, ya que aproximadamente entre 8Mhz y 19Mhz sabemos que X es negativa, pero se obtuvo mediciones positivas. Además, MFJ-259B muestra un mayor error en medir X en el rango de frecuencia entre 5Mhz y 13Mhz. La curva de reactancia no se comporta tan suavemente como debería.

 

 

 

         Veamos lo que ocurre con las demás mediciones. Con ambos instrumentos se aprecian mediciones de ROE menores o iguales a 2,0. Esto se explica en parte a la existencia de las pérdidas de la línea, que como hemos dicho, hace que la ROE se reduzca. En todo caso los resultados parecen razonables.

 

 

         El siguiente gráfico compara la fase teórica (en rojo en el gráfico) con la fase medida en el MFJ-259B. Nótese que en ninguna de las mediciones la fase resultó ser distinta de cero (en azul en el gráfico), lo que muestra un claro error en el instrumento. Para analizar este último punto con más detalle, he repetido el experimento, pero usando una resistencia de sólo 20 ohms. En este caso, efectivamente se obtuvo fases distintas de cero (en verde en el gráfico), pero con valores muy por debajo de los teóricos. Además, no entregó una lectura cuando la fase fue negativa. La fase tampoco entrega lecturas de valores intermedios, entre 0 y 10 grados.

 

 

         Una explicación de los errores se encuentra en la documentación existente, la que indica que existen errores importantes de medición en este tipo de instrumentos cuando las reactancias son inferiores a 10 o 20 Ohms.

 

 

Conclusiones

 

         Esta experiencia muestra que si Ud. quiere evaluar su analizador de antenas de una manera aproximada, entonces basta un segmento de coaxial, una resistencia, y darse el trabajo de realizar mediciones reales y compararlas con las teóricas.

 

         A partir de lo realizado aquí, podemos concluir que un analizador de antenas como el MFJ-259B hace un buen trabajo cuando mide resistencias reales (R), pero que hace un trabajo bastante deficiente cuando mide reactancias (X), especialmente cuando estas son inferiores a 20 Ohms. También, que entre 5Mhz y 13Mhz las mediciones de reactancia fueron especialmente deficientes. Probablemente en el rango 5 a 13 MHz afectó de forma particularmente fuerte alguna imprecisión del cable (hay resonancias moleculares del PVC y el forro exterior del coaxial es PVC).

 

         Podemos decir también que la medición del ROE en el MFJ-259B es bastante decente, sin embargo en lo que se refiere a la medición de la fase, mejor no considerarla. Además, si se quiere analizar antenas móviles, especialmente de HF, probablemente este no es el analizador que Ud. necesita. Las antenas móviles tienen impedancias bajas, con reactancias más bien pequeñas (capacitivas). Justamente el MFJ-259B presentó errores importantes para medir reactancias menores de 30 Ohms, especialmente en la banda de 7Mhz (40 metros), por lo que si se trata de diseñar adaptadores de impedancias para este tipo de antenas, o realizar ajustes finos, creo que el MFJ-259B no será de mucha ayuda.

 

         Algunas consideraciones finales y valiosas, las que debo a Manfred (XQ6FOD):

a) En las pruebas anteriores se hizo el supuesto que el cable coaxial tiene una impedancia de 50+0j ohm, pero eso en la práctica no siempre es así. Los cables coaxiales reales, y sobre todos los delgados como el RG-58, a veces difieren bastante. Hay cables coaxiales que dicen ser de 50 ohm nominales, y sin embargo presentan componentes resistivas de 47 hasta 62 ohm, y además una considerable reactancia, lo que distorsiona las mediciones. Para reducir el costo, los cables chinos tienden a "redondear" el diámetro del conductor central hacia abajo, pero la malla sigue con el diámetro correcto, aunque más delgada y con menos pelos. Esto da una impedancia más alta que la correcta. Aparentemente la impedancia real del RG-58 es significativamente superior a 50 Ohm. A pesar de esto, los errores del MFJ-259B son mayores que los errores del peor cable.

 

b) En vez de usar coaxial de características inseguras y resistencias con terminales de alambre con reactancia parásita, se debería utilizar patrones más confiables. Es decir combinaciones en serie de resistencias, bobinas y condensadores, de buena precisión, armados de tal forma que minimicen la reactancia parasita. Por ejemplo, usar elementos de montaje superficial, armados en plaquitas que actúen como tapón del conector coaxial. Eso da impedancias patrón utilizables hasta en VHF antes de que las reactancias parásitas se hagan notar. Las resistencias de 1% de tolerancia son fáciles de encontrar. Para los condensadores existen de 5% muy baratos, de 3% baratos y los de 1% que son más caros. Para las bobinas, es más difícil encontrarlas con tolerancias mas chicas que 5% en formato SMD.

 

c) El MFJ-259B hay que usarlo con mucho cuidado, teniendo claro sus limitaciones. Es muy útil, pero obviamente solo dentro del rango en que da resultados medianamente verdaderos. El MJF-259B no es un instrumento de alta precisión. Uno mucho más preciso podría ser de marcas como Hewlett Packard o su sucesora, o Rohde & Schwarz, entre varias otras, pero su costo va de diez mil dólares para arriba.

 

 

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Saludos, desde el Cerro Grande de La Serena

Sergio, CE2CG