Ingeniería inversa a la antena Sirio Gain Master de 11m

 Mi amigo y vecino Luis LU1MLR siempre tuvo buenas señales cuando escuchaba europeos usando esta antena; en algún momento me comentó sobre la misma y con su ayuda encontramos algo de información en internet sobre la construcción de esta antena que comercializa la marca italiana Sirio Antenne.

Folleto de la antena original

Plano de la antena original

Luego de entender todas las partes que la conforman hice una versión portable que Luis amablemente me ayudó a ajustar una tarde en el parque cerca de casa.

Luego de construirla, ajustarla y usarla en un par de salidas SOTA, puedo decir que es un diseño muy interesante que me llevó a investigar y a preguntarme sobre el principio de funcionamiento.

Partes que la componen

Yo había hecho algo de experiencia con otras verticales de 5/8, incluso había hecho una versión portable de la típica vertical de estas medidas pero alimentada en su base. Pero esta vertical de 5/8 debía tener mejor rendimiento al no necesitar bobinas para su adaptación de impedancia.

Leyendo directamente del plano publicado en internet podemos identificar todas estos componentes, medidas y curiosidades

• Es una vertical que mide en su totalidad 5/8 onda
• No necesita planos de tierra
• Aparenta estar alimentada por uno de sus extremos pero en realidad es alimentada al centro, esto se logra idem a una antena dipolo flowerpot, usando la malla como parte radiante y un choke de RF donde la antena debe "terminar"
• Usa un choke de cable coaxial (16 espiras en una forma de 66mm)
• La mitad superior es de cable de cobre común
• LLeva un capacitor de 8.6pF en serie con la mitad superior hecho con un segmento de coaxial.
• La mitad inferior lleva un stub cerrado ubicado a 126.5cm desde el centro y que mide 72cm hecho con un coaxial Wesflex 103
• Mástil de soporte original es de fibra de vidrio
• La antena presenta un excelente ancho de banda

Un video de review de la antena original click aquí

Un video de su construcción por M0MSN click aquí

Principio de funcionamiento

Entendiendo como funcionan sus partes podemos hacer una version para otras bandas! Luego de estudiarla mucho y de investigar y modelarla en Mmana-Gal llegué a estas conclusiones:

La medida de 5/8 es la mejor aproximación para una antena que alimentada en su centro obtengamos una impedancia de 200+j480 

Esta parte reactiva inductiva justifica el capacitor serie que anula la misma y asi obtenemos una impedancia real de 200 Ohms.... perfectamente reactivos, podriamos usar un BALUN de 4:1 para convertir esa impedancia en 50 Ohms y eso es exactamente lo que hace el stub cerrado.

El stub de linea de transmisión cerrado (shunt stub) en este caso está adaptando esos 200 Ohms a 50 ohms; maravilloso no?

Para no poner toda la matemática involucrada en el calculo de estos shunt stubs cerrados, les dejo un PDF que lo explica muy bien usando el ábaco de Smith (click aquí)

Diseño para 28.400

Luis me pidió hacer una versión centrada en la banda de 10m y estas serian las medidas sacadas de la simulación usando MMana-Gal. 

5/8 de onda para esta frecuencia es: 6.598m

La antena optimizada para 200 Ohms mide 6.68m, si se hubiese hecho con 8cm menos igualmente la adaptacion es casi perfecta.

La carga reactiva capacitiva optimizada se obtiene con un capacitor serie de 11.63pF

Por suerte MMana-Gal tiene una calculadora de Stubs y desde ahi podemos obtener la informacion para adaptar la impedancia que necesitamos:

Cálculo de shunt stub

Aquí se puede observar que configuramos esta calculadora para que nos adapte una carga de 200 Ohms sin parte reactiva, con un cable coaxial que tiene un factor de velocidad de 0.67 para la frecuencia de 28.400 a una impedancia de 50 Ohms.

Esta adaptación de linea ofrece dos opciones para obtener el mismo resultado, nosotros usaremos la de L1 mas pequeño y la del stub cerrado (L2S) mas pequeño; es decir, los datos de "Var 1"

Importante tener en cuenta que para el calculo de la medida del stub si usamos el factor de velocidad pero para el largo de la antena no; esto se debe a que la parte exterior de la malla del cable esta actuando como un simple conductor mas, es decir, aprovechamos en nuestro beneficio las corrientes de modo común que son tan poco queridas en otras situaciones.

Diagrama de radiación 3D

El secreto para una buena ganancia y bajo ángulo de disparo es montar la antena lo mas alto que se pueda; a 1m del suelo la antena no presenta casi ningún beneficio.

El ancho de banda es notable!

La medida desde la parte mas alta de la antena hasta el choke balun es de 6.68m, determinando así un segmento superior de solo conductor de cobre de 3.34m hasta el capacitor y desde el capacitor 3.34m hasta el choke. La distancia desde el capacitor hasta la conexión de stub es de 124.6cm y el largo del stub es de 66.2cm usando un cable RG58 foam. 

Algo importante también es que el choke presente una alta impedancia aprox superior a 3 KOhms para la frecuencia de diseño, en este caso de del tipo "Ugly BALUN" pero puede ser construido con toroides de ferrite perfectamente. Para usarlo en la banda de 10m mantenemos las 16 espiras sobre una forma de 66mm,

El total de cable RG58 que usaremos es de aprox 8m, donde aprox 7m son para la antena (incluido el choke) y 1m para el stub, recomiendo comprar 10m y así tener un resto de aprox 2m para usar la antena portable o bien acomodar con ese resto el conector a la instalación. 

Espero que les guste la experiencia de construir y disfrutar al aire una antena Sirio Gain Master!

Gracias Luis por el desafío!

73 de LU1MAW

Hentenna VS Moxon

 En esta comparación hecha con el software MMANA-GAL vamos a tomar como punto de referencia que la altura máxima de las antenas será la misma en todos los casos. También el suelo usado no será el mejor, simulando así el uso de las antenas en zona de montaña ya que en mis actividades de radio suelo disfrutar de SOTA. 

Para ambas antenas se recomienda usar un choke BALUN para evitar las corrientes de modo común ya que se trata en ambos casos de antenas balanceadas.

Antenas a comparar:

• Hentenna
• Moxon en posición vertical
• Moxon en posición horizontal

Factores en común para el análisis

• Frecuencia: 28.200 MHz
• Altura de la parte mas elevada de la antena: 6m
• Conductividad del suelo: 5mS/m
• Constante dieléctrica del suelo: 10
• Ángulos de elevación analizados 5 y 10° (ángulos de DX)

Hentenna

Esta es una antena con un lóbulo de radiación muy propicio para DX por lo que es una excelente opción para la banda de 10m. No hay que dejarse engañar por su forma, es una antena con polarización "horizontal".

Las dimensiones generales de esta antena para la banda de 10m son de 1.74m de ancho por 5.24m de alto lo que nos deja una separación del suelo de solamente 0.76m

• Impedancia: 68+2j; roe: 1.1:1
• Ganancia máxima: 7.35 dBi a 28° de elevación
• Ganancia en 5° = -2.8 dBi
• Ganancia en 10° = 2.6 dBi

Moxon Vertical

Esta es una excelente opción de poco tamaño para ser una antena direccional de 2 elementos de polarización vertical basada en una yagi con sus dos elementos de irradiante y reflector con las puntas dobladas y con las puntas enfrentadas entre si. La disposición vertical hace que sea constructivamente mas sencilla que su versión horizontal como así también menos resistencia al viento al tener el conjunto de poste+antena un centro de gravedad mas bajo.

En este caso las dimensiones de la Moxon son de 3.81m de alto por 1.45m de ancho y por su altura, al ponerla en un poste de 6m de alto tenemos un despeje del suelo de 2.19m

Moxon Vertical

• Impedancia: 47-4.5j; roe: 1.11:1
• Ganancia máxima: 4.92 dBi a 16.2° de elevación
• Ganancia en 5° = 0.3 dBi
• Ganancia en 10° = 3.9 dBi

Moxon Horizontal

Esta es tal vez sea la versión mas conocida y mas construida para un QTH fijo ya que tiene muy buenas prestaciones para su reducido tamaño. Las dimensiones son iguales a la anterior pero ahora en disposición horizontal

• Impedancia: 53-7.4j; roe: 1.17:1
• Ganancia máxima: 11.06 dBi a 23.6° de elevación
• Ganancia en 5° = 2 dBi
• Ganancia en 10° = 7.3 dBi

Lóbulos de radiación Hentenna vs Moxon

En la comparación entre las tres antenas podemos ver que si bien hay una diferencia en la ganancia máxima entre la hentenna y la moxon vertical, no hay tanta diferencia para los ángulos bajos; podemos decir que estas dos antenas tendrían un rendimiento muy similar. La moxon en disposición horizontal es la mejor opción de las 3 ya que al estar alejada 6m del suelo tiene esta gran ventaja y termina obteniendo una muy buena ganancia

Que pasa si ponemos la base de la hentenna a 6m?

Observamos que la hentenna baja muy satisfactoriamente el ángulo de máxima radiación siendo superior a la moxon horizontal en los ángulos bajos. Otra interesante situación se plantea con la bi-direccionalidad de la hentenna donde podríamos tener algún DX sorpresa. 

Conclusión

Ambas son buenas antenas para DX para armar de manera portable. Desde luego que no son la opción mas rápida para armar, pero seguramente será interesante operarlas desde un SOTA de poca altura o de fácil acceso un día con poco viento ya que al tratarse de antenas de cuadro no son amigables con esta climatología.

Para montar en un poste de 8 o 10m donde usaríamos solamente los 6m mas robustos la simulación dice que la Moxon en polarización horizontal es la mejor de las opciones. Una recomendación es montar estas antenas en lo posible donde el terreno comienza a convertirse en ladera, haciendo que el efecto del suelo sea menor en el campo cercano mejorando así el lóbulo de campo lejano.

La hentenna mejora sustancialmente su ángulo de disparo con la altura, por lo que se deduce que hay que montarla lo mas alejada del suelo posible.

Les dejo este video donde intentaba ajustar una hentenna sin mucho éxito desde una cumbre (luego pude ajustarla pero no tengo video!)