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 (X_L) y la reactancia de la bobina (X_C), 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 (X_L=X_C), 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".

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.

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.

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.

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.

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