MIDIENDO TRAMPAS PARA ANTENAS
(MEASURING ANTENNA TRAPS)
Por Sergio Zuniga,
CE2CG
La Serena, Chile
febrero 2012
Los circuitos resonantes
tienen un comportamiento totalmente diferente respecto a la impedancia y
reactancia, ya sea que este circuito sea en serie o en paralelo. Abajo se muestra un buen esquema de un circuito
resonante condensador - bobina (LC) en serie y en paralelo (sacado de
internet):
En el caso de un circuito en
paralelo, la impedancia total del circuito es la diferencia entre la reactancia
del condensador (XL) y la reactancia de la bobina (XC),
es decir . En cambio en el caso
del circuito en serie, la impedancia total del circuito es el siguiente ratio:
. Para una explicación
detallada del origen de estas fórmulas, véase páginas 4.39 y 4.40 del ARRL
Handbook 2009.
Sabemos que cuando las
reactancias tienen el mismo valor numérico (XL=XC), un
circuito en serie o en paralelo se dice que es resonante. De las dos
formulas anteriores se deduce que en la frecuencia de resonancia, el circuito
en serie tendrá reactancia=0, y el circuito en paralelo tendrá reactancia
infinita.
Esto puede ser visualizado con los siguientes dos gráficos:
Reactancia
de un circuito en serie alrededor de la frec. de resonancia. La
frecuencia de resonancia tiene valor 1.0 en el eje horizontal. En
el eje vertical aparece la reactancia. |
Reactancia
de un circuito en paralelo alrededor de la frec. de resonancia. Los
circuitos resonantes en paralelo son llamados "trampas de antenas". |
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Entonces, los circuitos
resonantes en paralelo
(gráfico de la derecha) tienen por característica que:
a) en la frecuencia de resonancia, la impedancia (resistencia) es
teóricamente infinitamente alta (en el gráfico de la derecha, a medida que nos
acercamos a 1,0 en el eje horizontal, la reactancia aumenta a infinito,
positivo o negativo), y
b) en frecuencias fuera de la resonancia la impedancia es normalmente baja.
El hecho de que en la frecuencia
de resonancia la impedancia de la trampa (resistencia) sea infinita, implica
que la trampa 'corta' la antena en dos partes (ya no hay continuidad). Esto, ya
que una trampa con resistencia infinita significa que la trampa impide
completamente el paso de la corriente entre dos segmentos de antena. Recordemos
que por ejemplo el teflón y el PVC tienen muy alta resistencia, de modo que son
usados como aisladores para cortar el paso de la corriente.
Nótese que el gráfico de
arriba a la derecha muestra que sobre la frecuencia de resonancia las trampas
arrojan una carga capacitiva, y que debajo de la resonancia arrojan una carga
inductiva.
Veamos esto con un ejemplo:
Supongamos que tenemos un dipolo de media onda de cable cortado para la banda
de 40 metros, de modo que cada brazo del dipolo mide alrededor de 10 metros de
largo. Obviamente este dipolo no resuena en la banda de 20 metros. Supongamos
que tenemos dos trampas, cada una resonando en la banda de 20 metros, digamos
en 14.200khz. Ahora intercalamos cada trampa en cada brazo del dipolo a una
distancia de 1/4 de longitud de onda del centro del dipolo (es decir cada
trampa a unos 5 metros del centro). Entonces, si la antena recibe
radiofrecuencia (en transmisión o en recepción) en la frecuencia de 14.200khz,
como sabemos que las trampas en esa frecuencia "cortan" la antena,
entonces solo trabajará el segmento del dipolo desde el centro hasta donde se
ubican las trampas, de modo que las trampas "crean" un dipolo de 20
metros. Si la antena recibe ahora radiofrecuencia en 7.100khz, las trampas
tendrán una muy baja resistencia en esa frecuencia (recordemos que están
resonando en 14.200khz), y entonces dejarán pasar la radiofrecuencia, para que
trabaje el dipolo completo. En todas las otras frecuencias la trampa es sólo un
cable de conexión. Esto resume el principio de operación de las trampas.
En el ARRL_Handbook_2009
página 22.10 se explica que para construir una antena con una trampa (es decir
resonando en dos frecuencias) se debe primero cortar el dipolo para la
frecuencia más alta (en nuestro ejemplo,
en la banda de 20 metros) y conectar las trampas previamente sintonizadas para
20 metros al final del dipolo. Después simplemente hay que agregar alambre hasta
lograr que la antena completa (de punta a punta) mida media onda en la banda de
40 metros. Pero como la inductancia de cada trampa reduce el largo físico
necesario para la resonancia en 40 metros, la antena final será algo más corta
que un simple dipolo de media onda. Es decir, que al intercalar las trampas en
el dipolo anterior, cambiará la frecuencia de resonancia, debiéndose acortar
las puntas para que quede efectivamente resonando en 40. Es decir, las trampas
afectan el largo de los dipolos. Nótese que el objetivo fundamental de los
dipolos con trampas no es acortar las antenas, sino que lograr en un mismo
dipolo varias resonancias.
ANTENAS DE DIPOLO CON
TRAMPAS
Las trampas se pueden
construir con bobinas de coaxial, o con bobinas dentro de tubos de metal (como
condensadores). Mosley inventó
las trampas encapsuladas en tubos de metal, y también se le atribuye inventar
la Tri-Band Beam usando una sola "Trap Master". Actualmente este sistema
es el más común en las antenas multibandas tipo Yagi de HF. Carl Mosley (W0FQY,
1902-1986) se convirtió en radioaficionado en 1918, pero la fábrica la comenzó
muy modestamente en los años 40.
También existe alguna
polémica respecto a las trampas. Partidarios y detractores, como es usual en
los temas de antenas entre radioaficionados. En Mosley señalan que no se debe
hacer caso de las teorías de que las trampas tienen pérdidas significativas
("Don't be fooled by these "lossy" trap theories"). Algunas
de las críticas (en mi opinión exageradas) a las trampas en general, son las
siguientes:
- Las trampas operan con alto voltaje, y si el ambiente es húmedo, habrá
propensión a hacer un arco y autodestruirse.
- Las bobinas cambian su valor con la temperatura, cambiando la frecuencia
de funcionamiento de la antena.
- Para trabajar eficientemente una trampa debe tener un alto Q. Pero un
alto Q tendrá un ancho de banda estrecho para la antena.
- Las trampas tienen pérdidas importantes, es decir le roban la potencia
del transmisor.
Existe alguna documentación
de que las bobinas con coaxial son menos eficientes que las encapsuladas.
Dicho esto, pasemos a revisar
las dos principales alternativas existentes de trampas para antenas:
a) Trampas de fábrica para
antenas direccionales y verticales:
En las antenas de fábrica,
las trampas en antenas yagis de HF son las más comunes. Generalmente son del
tipo que se muestra a continuación:
En este caso se aprovecha el
espacio y se ponen dos trampas casi juntas ("trap master"). En la
fotografía se trata de una antena yagi tri-banda para 10, 15 y 20 metros. El
boom (centro) está a la izquierda de estas trampas. Si se envía una señal desde
el equipo de radio en la banda de 10 metros, entonces la antena se acorta hasta
la trampa de 10 metros. Si se envía una señal en 15 metros, la trampa de 10
metros deja pasar esa señal, y la antena es cortada conde se encuentra la
trampa de 15 metros. Finalmente, si se envía una señal en 20 metros, ambas
trampas dejan pasar esta señal, y se utiliza la antena completa hasta la punta
del irradiante en el extremo derecho.
Se pueden comprar trampas de
fábrica en www.unadilla.com. Sería
ideal que los fabricantes de antenas vendieran las trampas por separado, pero
lamentablemente, hasta donde tengo conocimiento, no lo hacen.
b) Trampas hechas de cable
coaxial
La construcción de trampas
hechas con coaxial están muy bien documentas. El diagrama que sigue abajo
muestra el corte típico de una de estas trampas. El número de vueltas del
coaxial sobre un tubo de PVC de distintos diámetros determina la frecuencia de
resonancia de la trampa (y también su Q).
Existe un software gratuito
(por Tony Field, VE6YP) que permite calcular trampas de coaxial. Se llama
"Coaxial Trap Design", y se puede bajar el archivo CoaxTrap.zip desde
esta página: http://hamradio.lakki.iki.fi/new/Software/Radio%20control/radio_control_and_logging/coaxtrap.zip
Las fotos de abajo muestran a
la izquierda una trampa artesanal, y a la derecha se muestra una parte de su
interior.
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En Chile hay experiencias con
dipolos con trampas de este tipo. Destacan la siguiente antena Gustavo
Velásquez, CE4WJK, que es tribanda: 80, 40 y 20 metros:
Gustavo me comenta que esta
antena la usó un tiempo en terreno, y que anda muy bien en recepción y transmisión.
Sin embargo, el alambre central del coaxial del la trampa (de RG58) con el
movimiento suele cortarse, y también encontró que rayaba mucho (provocaba
interferencias). En mi opinión ambos problemas pueden resolverse mejorando el
sistema de tensión de las trampas, y asegurándose que estas resuenen
efectivamente en la frecuencia que deben hacerlo. Gracias a Gustavo por
compartir esta antena, y por sus comentarios.
También, destaca la antena bibanda
80-40 metros de Rodrigo Barbe (CE3VTK) cuyo diagrama se muestra abajo. Esta
antena es comercializada por Rodrigo, de modo que se le pueden hacer pedidos
directamente a él (rodrigobarbe@yahoo.es).
Un último punto antes de
seguir, es recordar que en los dipolos es muy válida la regla del cuarto de
onda. Es decir, si se trata de una antena de 40 metros, ésta se debería
levantar como mínimo a 10 metros de altura. Esto implica que pruebas de
recepción-transmisión con dipolos a 2 o 5 metros de altura, siempre arrojarán
resultados deficientes.
MEDICIÓN DE TRAMPAS
En un artículo anterior (ver aquí), mostramos
como medir la resonancia de un circuito en serie, usando el analizador
MFJ-259B. Ahora nos centramos en medir resonancia de circuitos en paralelo,
es decir de 'trampas'. Medir una trampa permite verificar la frecuencia de
resonancia de la misma, lo que obviamente es clave al momento de construir una
antena con trampas. Es interesante notar que si usamos la misma bobina y el
mismo condensador conectados en serie o en paralelo, en ambos casos la
frecuencia de resonancia debe ser bastante parecida.
A diferencia de la forma en
que se mide la resonancia de un circuito en serie (buscando minimizar la
impedancia, sin importar la ROE), en el caso del circuito en paralelo usamos un
"dip meter", en mi caso el "MFJ-66 Dip Meter Adapter". Entonces
se introduce el dip-meter dentro de la bobina de la trampa. En este caso se usa el medidor de ROE (SWR meter) del
MFJ, el que captura cuanta señal de RF es absorbida por el circuito. Entonces
la ROE disminuye levemente cuando se logra la resonancia, y aumenta al
alejarnos de esta frecuencia. La ROE puede no caer dramáticamente, sino que la aguja
del ROE puede fluctuar solo un poco, de modo que se debe estar muy atento.
Mientras mayor sea el Q del circuito, mayor será el efecto en el medidor de
ROE.
La foto de abajo muestra el
dip-meter-adapter de MFJ conectado al analizador de antenas. A la derecha se
muestra que en el punto de resonancia de la trampa la ROE es muy baja, de 1:1.2
solamente. Entonces esta es la frecuencia de resonancia.
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Las siguientes dos fotos
muestran que sólo algunos khz arriba o abajo, la ROE aumenta fuertemente. Esto
es un indicador de eficiencia de la trampa.
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He grabado un video muy corto
que muestra como he hecho las mediciones. Lo pueden ver aquí.
CONSTRUYENDO UN
ADAPTADOR PARA EL DIP-METER
Si tengo el analizador de
antenas y no tengo el adaptador Dip-Meter, no es problema ya que se puede
construir uno.
Para HF se recomienda hacer
una bobina con unas 10 vueltas de alambre, con un diámetro de más de media
pulgada pero menos de dos pulgadas. El diámetro y vueltas en la bobina
determina la calidad del acoplamiento a la trampa, es decir el grado de
respuesta que medirá el analizador de antenas, pero no afectará la frecuencia
de resonancia observada. Para las bandas de VHF el adaptador debe ser mucho más
pequeño.
En mi caso lo hice más rápido
y simple (por probar): enrollé dos alambres de 20cm y soldé cada punta a un
conector RCA. Los resultados fueron satisfactorios, como muestra la siguiente
foto, ya que se detecta la frecuencia de resonancia, aunque la ROE logra bajar,
pero no demasiado. La ventaja de este adaptador es que me permitirá medir
trampas por su exterior, sin tener que abrirlas para introducir el adaptador de
fábrica, en el caso de que estas se encuentren selladas.
También grabé un video con
esta experiencia. Lo
pueden ver aquí.
Eso es todo (por ahora)...
Saludos cordiales desde el Cerro Grande de La Serena - Chile.
Sergio Zuniga – CE2CG
Febrero de 2012.