LA ANTENA CUADRANGULAR CUBICA 5 Bandas Por.- EA5TX

En mi primer artículo publicado en nuestra revista (Octubre 88) se exponía toda la problemática que surgió debido a la no consonancia de los puntos de resonancia con relación a las medidas que exponen la mayoría de los libros especializados. Ahora queremos dar mayor ampliación y detalles de cómo calcular, montar, ensamblar esta mejorada «QUAD» para cinco bandas 20, 17, 15, 12y 10m.

Las medidas que seguimos utilizando son las mismas que empleamos en nuestra primera construcción, aunque ahora, al tener más bandas, existen unas pequeñas influencias en los puntos de mínimo ROE, cosa inapreciable y que no afecta al rendimiento de la antena.

La incorporación de fibra de vidrio en sustitución de las cañas de bambú le ha dado a todo el conjunto menos peso, mayor resistencia al viento y más facilidad de montaje.

El nuevo ‘BOOM’ diseñado por EA-5-EHM. Paco, ha facilitado aún más el ensamblaje de todo el conjunto. pudiendo éste a la vez ser desmontado y montado con mayor facilidad, además de tener la posibilidad de disponer de esta «Quad» para utilización en concursos, expediciones, etc., con rapidez de montaje.

Como comprobaréis se ha especificado todo muy minuciosamente. además, de aumentar la cantidad de dibujos y fotografías, a fin de que no pueda existir ninguna complicación en su construcción todos podáis saborear el magnífico resultado con tan bajo coste.

FORMULAS

Se utilizan las del libro más especializado en estos temas, <ALL ABOUT CUBICAL QUAD» de W6SAI y W2LX; únicamente a los resultados de las mismas se les aplicará un coeficiente de «ERROR» para que el resultado sea el deseado por nosotros; de no hacerlo os ocurrirá lo sucedido en mi primer montaje y que se

expuso en octubre de 1988.

Lado (L) elemento/lazo excitado.

L exc. 250/Mhz = (pies)

Lado (L) elemento/lazo reflector.

L ref. 258/Mhz = (pies)

Distancia de separación excitado a reflector.

S. 118/Mhz = (pies)

(1 pie equivale a 0’3055 m.). Veamos pues un ejemplo práctico del cálculo para la banda de 14 Mhz.:

L exc.250/14’15 = 17’66 pies X 0’3055 = 5’395 m.

L ref.258/14’15 = 18’23 pies X 0’3055 = 5’569 m.

S exc-ref.118/14’15 = 8’33 pies X 0’3055 = 2’547 m.

Perímetro total lazo excitado: 5’395 X 4= 21 ‘58 m.
Perímetro total lazo reflector: 5’569 X 4=22’27 m.
Aplicación del coeficiente de «Error»:

Perímetro excitado: 21 ‘58 X 0’9488= 20’47 m.
Perímetro reflector: 22’27 X 0’9488= 21 ‘13 m.
Lado excitado correcto: 20’47 :4= 5’l18 m.
Lado reflector correcto: 21 ‘13 : 4=5‘283 m.

La separación Excitado-Reflector vendrá determinada prácticamente por la inclinación (grados) de la fibra, pues os recuerdo que nuestra construcción será piramidal, con lo cual cada banda tiene su separación adecuada, a fin de obtenerse mayor ganancia y una impedancia aproximada a los 75 ohmios (Figura 12).

Finalizadas todas las operaciones (banda de 14Mhz.), sacaremos en claro los siguientes datos: (cálculos realizados sobre 14’l5 Mhz.).

ELEMENTO EXCITADO

Perímetro= 20’47 m.

Lado= 5’ll m.

Arist./Vert.= 3’72 m.

ELEMENTO REFLECTOR

Perimetro= 21’13 m.

Lado =5’28 m.

Arist./Vert.= 3’84 m.

Nota: El centímetro más o menos que hay de diferencia entre este ejemplo y la tabla figura 14, se debe al empleo de más decimales en las operaciones matemáticas. Las otras bandas se calcularán de igual forma al ejemplo anterior.

SISTEMA DE CONSTRUCCIÓN

Y MATERIALES

a) Forma Piramidal: Se denomina así porque la figura geométrica que se nos forma es la de dos pirámides unidas por sus vértices y los lazos que configuran cada una de las bandas están (excitado y reflector) a una distancia proporcional a la ganancia y a la impedancia, diferente ésta para cada una de las bandas. (Figura 10).

b) Las crucetas se construirán de hierro angular (8 trozos de 73 cm de longitud) de 20 X 20 mm y 3 mm de grosor (Figura 1). Para su correcta construcción se seguirá el siguiente proceso:

1° Buscaremos a alguien que domine la soldadura eléctrica o electrógena (taller cerrajero, amigo, o nosotros).

2° Dibujaremos en un lugar bien plano un cuadrado perfecto, de un metro de lado, marcando a la perfección todos sus vértices, diagonales y el centro del mismo (Figura 2).

3° Colocaremos en el centro del cuadrado una pieza (tubo, madera, cartón) para que nos eleve el mismo a 18cm del suelo, donde apoyaremos cada uno de los cuatro brazos ángulo que formarán una de las dos pirámides; estos ángulos se cortarán de forma que al apoyarlos en la pieza de elevación central, no se monten unos encima de otros, cortándolos adrede con ciertas inclinaciones y su abertura que esté mirando hacia arriba. (Figuras 1, 2 y 3). Los extremos contrarios se apoyarán en los cuatro vértices del cuadrado.

4° Soldaremos ahora la primera pirámide, punteando ligeramente la unión de los ángulos, verificando en todo momento la inmovilidad de los brazos en los vértices del cuadrado; sino ha habido deformaciones o dilataciones en este primer momento, procederemos aterminarlasoldaduradeformabiencompacta. Si ha salido perfectamente, sobre ésta y, utilizándola como molde- matriz, situaremos los otros cuatro trozos de angularpararealizar la misma operación. Terminando este proceso nos aparecerán dos pirámides idénticas.

BOOM; este elemento de unión cntre las dos pirámides estará formado por dos trozos de tubo de fontanería (de una y cuarto o de una y media pulgada de diámetro) de 27 cm de longitud cada uno; en una parte se les hará rosca convencional de fontanería y en la otra su corte será liso (Figura 4).

Se situarán las pirámides en un lugar bien plano y los tubos mencionados con anterioridad serán soldados perpendicularmente a cada una de ellas (vértice pirámide) reforzando a conciencia brazos y tubos (Figura 5).

Conjuntamente con los tubos habremos adquirido una «T» de unión fontanería (Figura 6) de igual medida que los dos trozos de

tubo (una y cuarto o una y media pulgada de diámetro). Enroscaremos ahora a la mencionada T las dos pirámides, apretando moderadamente las mismas y haciendo coincidir los brazos de

una con la otra; la rosca que quedará libre en la T (centro) nos servirá para el anclaje del mástil sujección conjunto antena-boom (Figura 5 y 6).

Todo el conjunto formado por pirámides-boom se situará apoyado en el suelo, para verificar exactamente las distancias que

separan los extremos brazos del elemento excitado a sus idénticos en el reflector; si dichas distancias no tienen errores superiores ados centímetros, podremos considerarlo útil. De lo contrario habrá que analizaro rectificarlos diversos problemas que hayamos podido tener para conseguir la exactitud de las medidas (Figura

7).

FIBRA DE VIDRIO.
Este material desconocido hasta la fecha, conseguido gracias al esfuerzo económico de nuestros bolsillos (tuvimos que hacer un pedido mínimo por encargo de 1.000 m.), deberá tener las medidas siguientes: Diámetro exterior 24 mm, interior 20 mm y longitud 4 m, en forma de tubo. (Pueden utilizarse otros materiales, madera, caña, etc.).

ANILLAS SUJECCION LAZOS.
Serán construidas de hilo desnudo de cobre de aproximadamente 23 mm cuadrados de sección, su agujero central como máximo 3 ó 4 mm de diámetro; a ambos lados, dos rabillos de 15 ó20 cm de longitud (Figura 8) que servirá para su sujección a la fibra.

CABLECILLO LAZOS-CUADROS.
Se utilizará cablecillo convencional de cobre con forro bien flexible de plástico, de sección no superior a 13 mm cuadrados (vengo empleando de 1 mm cuadrado, con resultados muy satisfactorios, con siete años montado y aún no se ha roto). Para la construcción de las 5 bandas necesitaremos unos 200 m.

PIEZAS AISLANTES.
Son las de unión del elementos excitado a coaxial; sus dimensiones: 40 X 20 X 3 mm, con dos orificios centrados en dicha pieza (diámetro, 3 mm) a los cuales se les amarrará los dos extremos del lazo excitado y, finalmente, el cable coaxial soldado a los mismos (Figura 10).

CABLE COAXIAL.
Venimos utilizando con muy buenos resultados el empleado vulgarmente en TV de 75 ohmios de impedancia, aunque también es efectivo el RG-58. Utilizar RG-8 o RG-2l 3 lo consideraremos totalmente erróneo. Como podéis fijaros, no se emplea ningún tipo de balum; no lo consideramos necesario pues en su día ya se experimeató en la práctica su comportamiento y eficacia, viendo, en nuestro caso particular, lo innecesario de su empleo.

Resumiendo, pues, empleamos bajadas independientes para cada banda y esta alimentación ataca directamente al lazo-elemento excitado.

ENSAMBLAJE

Con todos estos elementos, situados en el lugar elegido para su construcción (bien el definitivo o provisional hasta efectuar todas

las pruebas necesarias para posteriormente trasladar el conjunto al lugar destinado) y disponieado de un espacio libre de obstáculos de aproximadamente 25 m cuadrados, situaremos en primer lugar la cruceta apoyada en una de sus pirámides, la que quedará hacia arriba se destinará al elemento reflector; tomaremos cuatro tubos de fibra (caña, madera, etc.) cortándolos a 3’90 m de longitud, cerrando con tapones de corcho los extremos superiores de la fibra y sus inferiores (son los que quedarán apoyados a los ángulos de la cruceta) para que el agua, humedad, etc., no se introduzca en su interior. Posteriormente iremos amarrando los

tubos a lo largo de los ángulos que forman las pirámides, utilizando al menos tres amarras (cuerda, nylon, abrazaderas,

etc.), fijándonos en que las barras queden perfectamente rectas y bien sujetas a los angulares de hierro (Figura 8, foto 1). Tomaremos ahora una buena cinta métrica y con la ayuda de alguien iremos marcando minunciosamente los puntos donde se fijarán posteriormente las anillas (ARISTA-VERTICE), amarrando las mismas ala fibra, todas en la misma línea y cementando y pintando dichas ataduras para evitar su posible movimiento o rotura (Figura 8).

Pasado un tiempo prudencial, secado de pintura o pegamento, cortaremos los cablecillos que componen las bandas del reflector, dejando a ambos lados del mismo unos 15 cm más de la longitud necesaria (suponiendo que vayamos a cortar la correspondiente a la banda de 14 MHz, de 21’12 m de longitud, marcaríamos ésta en el cablecillo por medio de un rotulador y dejaríamos 15cm a los dos extremos, midiendo su longitud total 21’42 m, Figura 11). Terminada esta operación iremos pasando el canecillo por el interior de sus correspondientes anillas, uniendo las marcas efectuadas con anterioridad de forma provisional (nudo) en el centro de cualquier lado, variando si fuese necesario el cablecillo en el interior de las anillas, para conseguir que los lados del cuadrado y los tubos queden perfectamente equilibrados (Foto 2). Seguidamente efectuaremos la misma operación en la banda de 18 MHz (corte cablecillo e introducción del mismo) haciendo coincidir sus marcas; si no coinciden (pues al querer unir las mismas se destensa en exceso la anteriormente colocada), se amarrará de forma que ambas queden uniformemente tensas (si sobraran o faltaran unos 4 ó 5 cm se puede considerar como aceptable, de lo contrario habría que verificar dónde está el error).

Se seguirá el mismo proceso en las bandas de 21, 24 y 28 MHz. A continuación, suponiendo que todos los lazos estén relativamente tensos, se colocarán en los extremos de los tubos de fibra unos pequeños contrapesos (de O’S kg.) a fin de que toda ladel mismo) haciendo coincidir sus marcas; si no coinciden (pues al querer unir las mismas se destensa en exceso la anteriormente colocada), se amarrará de forma que ambas queden uniformemente tensas (si sobraran o faltaran unos 4 ó 5 cm se puede considerar como aceptable, de lo contrario habría que verificar dónde está el error).

Se seguirá el mismo proceso en las bandas de 21, 24 y 28 MHz. A continuación, suponiendo que todos los lazos estén relativamente tensos, se colocarán en los extremos de los tubos de fibra unos pequeños contrapesos (de O’5 kg.) a fin de que toda la piramidal del elemento reflector, apartándolo a un lugar que no nos moleste (Foto 1).

A continuación, situaremos la pirámide que en un principio se apoyaba en el suelo, mirando hacia arriba y la T de fontanería sujeta al terreno-suelo, para proceder a la realización del proceso elemento excitado.

Tomaremos los cuatro tubos restantes, cortándolos a 3’30 m., taponando sus extremos, amarrándolos a los angulares pirámide, midiendo las distancias de fijación de las anillas, sujetando éstas y cementando dichas ataduras. Cortaremos los correspondientes cablecillos (midiendo 15 cm más por ambos lados de la longitud necesaria) comenzando por 14 MHz, introduciéndolos por el interior de sus respectivas anillas y amarrando sus marcas a un aislador (Figura 10 parte inferior) centrándolo exactamente en la mitad del lado inferior del cuadro que forma el lazo 14 MHz de forma provisional, verificando la linealidad de los tubos y la exactitud de sus lados.

Seguidamente introduciremos la correspondiente a 18 MHz, uniendo de forma provisional los extremos del cablecillo al aislador, tensando el mismo sin producir destensamiento del anterior. Posteriormente, 21, 24 y 28 MHz. Finalizada la operación, volveremos a colocar los contrapesos de 0’5 kg en los extremos de los tubos, para que toda la estructura adquiera una buena rigidez.

Soldaremos a continuación los extremos de los cablecillos a la pieza aislante, procurando que todo quede en perfecto equilibrio y procediendo de forma inversa 28, 24, 21, 18 y terminando en 14 MHz; masillando, sellando, etc., las uniones anillas a cablecillo.

Transcurrido un tiempo prudencial (una hora) quitaremos los contrapesos, enroscando entonces un tubo de fontanería de (una y cuarto o una y media pulgada de diámetro) aproximadamente 5 m de longitud, a la T de fontanería; tomando las debidas precauciones y con la ayuda de algún amigo, subiremos de forma basculante el conjunto (parte boom-ele. excitado) hasta conseguir su verticalidad. Procediendo a darle un giro de 180 grados y volviendo a bajar el conjunto, hasta que casi se apoye en el suelo (habrá que diseñar un punto intermedio de apoyo al mástil, para que el elemento excitado no toque directamente en el suelo). Al ejecutar esta maniobra, durante el periodo de subida y giro a la fibra de vidrio se nos doblará un poco, adquiriendo el conjunto un efecto raro; no debemos de preocuparnos, pues posteriormente se conseguirá corregir todos estos defectos inesperados (Figura 9). Tomaremos ahora la pirámide apartada con anterioridad y que lo forman los elementos reflectores, enroscando la misma a la T, apretando todo el conjunto con llaves «grifa» e imposibilitando la movilidad de excitado y reflector. A continuación se colocarán unos hilos aislantes (nylon, hilo de pesca, etc.) dobles o triples para asegurar que jamás pueda romperse, uniendo los extremos de los dos cuadros. A medida que los hilos irán tensándose progresivamente todo el conjunto excitado-reflector alcanzará una fisonomía rectilínea, quiero decir con ello que la cúbica apoyada en el suelo aparecerá a nuestra vista como si fuese un dibujo (Foto 2). En estos momentos deberemos ultimar los detalles finales de nuestra estructura, pues comprobaremos: rectitud de lados y tubos, respecto a excitado y reflector, debe mostrarse ante nuestros ojos con total perfección (ver fotografías).

La distancia práctica que habrá entre excitado y reflector no es excesivamente crítica, puede comprender unos valores aproximados a los de la figura 11, en el apartado «Distancias reales entre Excitado a Reflector» con una tolerancia máxima del 10% (más o menos).

Seguidamente levantaremos de forma basculante toda la cuadrangular, fijando el mástil en el suelo o en cualquier punto

(Figura 10, foto 4).
Finalmente con la ayuda de una escalera, tomaremos los cinco cables coaxiales de longitudes determinadas por el lugar de montaje, marcando minunciosamente cada uno para su respectiva banda, a fin de evitar confusiones, soldando los mismos a sus correspondientes extremos cuadros (pieza aislante) y llevándolos de dos formas: observemos la figura 10, la primera solución será llevar los diferentes coaxiales horizontales desde la pieza aislante al mástil (Foto 4) sin que el coaxial estire y deforme excesivamente el cuadro-lazo y la otra posibilidad es que todos suban a través de los aisladores centrales a la búsqueda del boom; luego formando un mazo conjuntamente hacia abajo por el mástil. En nuestro caso los coaxiales medían 30 m y eran del tipo normal empleado en televisión.

PRUEBAS

Con la ayuda de un buen medidor de ROE. (fiable) y un transceptor iremos comprobando sin prisas y banda por banda las diferentes gráficas que nos van apareciendo (Figura 13). Como veréis, todo no sale a la perfección, pues la resonancia en 28 MHz difiere un poco del cálculo que efectuemos, y en 2l MHz la curva de resonancia no llega a la relación 1:1. Ni que decir tiene que todo es susceptible de mejorar, aunque aveces conviene analizar, si merece la pena complicarnos en dicha mejora.

La variación de los puntos de resonancia depende únicamente de la longitud de los lazos-cuadros; a mayor longitud, más baja frecuencia en la resonancia y a menor, más alta frecuencia. Las comprobaciones se hacen a poca altura, por lo tanto y en este tipo de antenas la misma sólo nos afectará a su ganancia, pero apenas influirá en su resonancia: por supuesto, a mayor altura el ROE. bajará ligeramente, aunque su ganancia aumentará en una proporción bastante considerable.

RESULTADOS

Nuestra antena fue experimentada a lo largo de vados fines de semana, con la intervención de varios colegas y comparando siempre sus resultados con el clásico dipolo, con lo cual quiero significar que el resultado medio que os mostramos en la figura 14 se basa en hechos prácticos y no lo que acostumbramos a observar en libros especializados, en los cuales los decibelios de ganancia parece que están muy exagerados (Figura 14).

Después de estos casi dos meses de trabajos, análisis, comprobaciones, etc., nos reunimos algunos colegas que intervinimos en las mismas y sacamos las siguientes conclusiones:

Ganancia (analizando resultados) aprox. 6 db.

Frente/Espalda 18db.

Imped. inés apropiada de aliment 70/75 ohmios.

Peso total cúbica sin mástil de sujección 16 Kg.

Valor total incluyendo coaxiales 24.000.-Ptas.

Todo este complejo artículo resulta sumamente complicado explicarlo con detalle, en la práctica y tan sólo con la ayuda de mi madre (fiel colaboradora de mis proyectos) no cuesta realizarlo más de 20 horas.

Finalmente deciros que los resultados prácticos son muy buenos, de lo contrario así nos luciría el pelo cuando tomamos parte en los Concursos Nacionales de Telegrafía, puesto que la clave delmismo radica en hacer una buena puntuación en 20, 15 y 10 m. Quiero puntualizar que nunca he utilizado amplificador lineal... En cambio la mayoría de los del pelotón de cabeza silo hacen, si no.... otro gallo nos cantaría. Agradezco la estimable colaboración de los colegas que siguen ayudándome en todas estas experiencias. Y a vosotros animaros a que con pocas inversiones podáis codearos en las bandas con poderosas instalaciones.

DOCUMENTACION: “All About Cubical Quad’ y la propia experiencia.

Articulo publicado por EA5TX en la revista de URE de Enero de 1992

Tras pasar las medidas originales por el optimizador una primera vez, se observa la mejora. Los graficos superiores, pertenecientes a la antena original, en forma de tartas, se afilan en las versiones optimizadas, (graficos inferiores), mostrando una mayor ganancia y relacion frente/espalda.

Este es el resultado despues de la optimizacion:

Banda.....ROE.....Dbi.....F/B.....Ohm/X
10m.........1.28.....13.30...20.11.....40/+4
12m.........1.21.....13.01...17.61.....45/+7
15m.........1.16.....12.98...16.38.....44/+4
17m.........1.13.....13.03...24.32.....51/+6
20m.........1.80.....12.58...22.11.....89/+5

Como antes dije, con un simple retoque la antena queda lista. En todas las bandas el ROE no llega ni a 1:1.3 excepto en 40 metros que se va a 1.80 por que la impedancia sube a casi 90 Ohm. Se puede adaptar con una linea de cuarto de onda con cable de 75 Ohm, o dejar como esta ya que no representa ningun problema.
La ganancia en todos los casos ronda los 13dbi (a 20 metros de altura) y la relacion frente espalda esta en mas de 16db en el peor de los casos, subiendo hasta casi los 25db en 17 metros.

Creo que no estan mal estas cifras pensando en que es una antena de solo dos elementos y disponemos de 5 bandas. El peso de la antena es muy reducido, por lo que sepuede girar con un rotor sencillo. Asi mismo el coste tambien es bajo, yo incluso las he visto hechas con cañas de pescar (de oferta).

Las medidas originales de esta antena son;

Excitado 10m; 10.20m, Reflector 10m; 10.52m, separacion 10m; 1.46m
Excitado 12m; 11.60m, Reflector 40m; 11.96m, separacion 12m; 1.58m
Excitado 15m; 13.72m, Reflector 15m; 14.12m, separacion 15m; 1.78m
Excitado 17m; 16.00m, Reflector 17m; 16.52m, separacion 17m; 2.00m
Excitado 20m; 20.48m, Reflector 20m; 21.12m, separacion 20m; 2.46m

Las medidas de esta antena optimizada son;