Simulación de un Yagi de 5 elementos y 2 m con NEC2

¿Por qué simular antes de cortar?

Cortar tubos de aluminio para un Yagi es barato. Cortarlo mal, descubrir que la ganancia está 1,5 dB por debajo de lo que esperabas y, después, reconstruirlo todo, es caro y molesto. En el caso de trabajar con señales débiles a 144 MHz, ya sea mediante EME (rebote entre la Tierra, la Luna y la Luna) o mediante dispersión troposférica, un error de 1 dB en la ganancia no es cuestión de redondeo académico. Cuando se trata de una pérdida de ruta EME de alrededor de 252 dB, cada dB es importante. Lo sientes en el ruido de fondo.

El NEC2 (Código Electromagnético Numérico) ha sido el simulador de antena por cable de referencia durante unos 40 años. Resuelve la ecuación integral del método de momentos (MoM) para la distribución de la corriente en estructuras de cables, y muestra en segundos los patrones de campo lejano, la ganancia, la relación de adelante hacia atrás y la impedancia del punto de alimentación. La herramienta Antenna Sim coloca NEC2 directamente en tu navegador, sin necesidad de instalar Linux, compilar Fortran antiguo, nada de eso.

El diseño: Yagi de 5 elementos a 145 MHz

¿Por qué 5 elementos en lugar de 3? Un Yagi de 3 elementos a 2 metros suele ofrecer una ganancia de entre 7,5 y 8 dBd con una relación entre la parte delantera y la trasera de entre 20 y 22 dB. Eso está bien para trabajar con SSB locales, pero no es suficiente para EME, donde se necesitan todos los dB que se puedan extraer de un solo boom. La relación entre la parte frontal y la posterior también es importante, ya que el ruido del suelo procedente del lóbulo posterior eleva directamente la temperatura del sistema y eso reduce la capacidad de escuchar señales débiles.

Un diseño de 5 elementos bien optimizado alcanza una ganancia de aproximadamente 10 dBd con un F/B de 26 a 28 dB. Esto supone una mejora significativa de más de 2 dB con respecto a la versión de 3 elementos, lo que equivale a más del doble de la potencia de transmisión al recibir. Para una sola estación Yagi, esa diferencia es enorme.

Entradas de simulación

Esto es lo que estamos introduciendo en NEC2 para el modelo inicial:

Las longitudes de los elementos siguen el patrón típico de Yagi: el reflector es más largo, el elemento impulsado es un poco más corto y los directores disminuyen progresivamente de longitud a medida que avanzas. El diámetro de 12 mm corresponde al tamaño habitual de un tubo de aluminio: fácil de conseguir, lo suficientemente rígido como para soportar 2,3 metros de brazo y lo suficientemente grueso como para que no tengas que preocuparte por la carga del viento.

Para la simulación en terreno real, agregamos parámetros del terreno que modelan el suelo típico:

Estos parámetros del suelo representan el suelo promedio, no el peor de los casos ni el mejor de los casos. Si se encuentra en un suelo arenoso cerca de la costa, su conductividad podría ser menor. Si estás sobre tierra batida, es posible que sea más alta. Sin embargo, 0,005 S/m es un punto medio razonable para la mayoría de las ubicaciones.

Resultados de espacio libre

Poner primero la antena en el espacio libre nos da una línea de base limpia sin ningún efecto sobre el terreno que estropea los números. NEC2 devuelve:

Esa impedancia del punto de alimentación de 47 + j3 Ω es esencialmente perfecta para una alimentación coaxial directa de 50 Ω: no se necesita una red adecuada ni hay pérdidas de balun de las que preocuparse. El dipolo plegado transforma de forma natural la baja resistencia a la radiación de un elemento propulsado por parásitos hasta alcanzar el rango de impedancia coaxial. Esta es una de las principales razones por las que utilizamos dipolos plegados en Yagis en lugar de dipolos simples.

La ganancia de espacio libre sigue la fórmula aproximada para la ganancia de Yagi en función de la longitud del boom:

Con $L_\text{boom} = 2.3\,\text{m}$ y $\lambda = 2.07\,\text{m}$ a 145 MHz, se obtiene $G \approx 10 \log_{10}(8.56) \approx 9.3\,\text{dBd}$. Esa es una estimación aproximada. El resultado del NEC2 de 10,1 dBd refleja una optimización más precisa del espaciado y la longitud de los elementos; la fórmula no tiene en cuenta los ajustes precisos que se pueden realizar con el espaciado entre directores.

Los números de ancho de haz indican qué tan indulgente es la antena con respecto a la precisión de puntería. Un ancho de haz en el plano E de 38° significa que tienes una inclinación de aproximadamente ±19° antes de bajar 3 dB. En el caso de los trabajos electromagnéticos en los que estás rastreando la Luna, es un proceso ajustado pero manejable con un rotador decente. De todos modos, la mayoría de los operadores terminan aumentando el pico de la señal manualmente.

El terreno real contra el espacio libre: la sorpresa

Ahora aquí es donde se pone interesante. Cambie la simulación a tierra real con σ = 0.005 S/m, εr = 13 y la antena a 6 m de altura (aproximadamente 2.9λ), y la imagen cambiará drásticamente:

La reflexión del suelo añade aproximadamente 3 dB de ganancia en ángulos de elevación bajos, exactamente lo que necesitan las rutas de troposdispersión y EME. La Luna suele tener una elevación de entre 5 y 30° cuando es accesible desde latitudes medias, por lo que el ángulo de ganancia máxima de 12° se encuentra justo en el punto óptimo. Esta ganancia de terreno es esencialmente gratuita; la obtienes simplemente colocando la antena a la altura correcta sobre el suelo. Es el mismo efecto que produce múltiples lóbulos en un plano vertical cuando modelas cualquier antena horizontal sobre un suelo real.

La reducción del F/B en el caso real se debe a que las reflexiones del suelo del lóbulo posterior rellenan parcialmente el nulo. Se pierden alrededor de 7 dB de frente a atrás en comparación con el espacio libre, pero los 19,8 dB siguen siendo más que aceptables para la mayoría de las aplicaciones. La impedancia del punto de alimentación cambia ligeramente (se obtienen unos pocos ohmios de reactancia), pero el VSWR sigue siendo inferior a 1.15:1, lo cual es insignificante.

Para los operadores de EME, esto significa que la ganancia efectiva del sistema es de 13,4 dBd a una elevación de 12°, no de 10,1 dBd en el espacio libre. Esa diferencia de 3,3 dB cambia radicalmente los cálculos del margen de enlace. La mayoría de las personas olvidan tener esto en cuenta cuando planifican una estación EME y luego se preguntan por qué sus cálculos no coinciden con la realidad. Usa la calculadora de presupuesto RF Link con un EIRP basado en la ganancia máxima real para calcular el presupuesto total de rutas EME; de lo contrario, estás dejando el rendimiento sobre la mesa.

Comparación de 3-El con 5-El a esta altura

Al utilizar la versión de 3 elementos con la misma configuración NEC2 (brazo de 1,0 m, el mismo diámetro del elemento de 12 mm) podemos hacer una comparación directa:

El elemento de 5 elementos gana con 2,5 dB de ganancia de ruta real y 6 dB de relación de adelante hacia atrás. En el caso de una sola emisora Yagi que intente utilizar una EME, los 5 elementos son la opción menos sensata. La mayoría de los operadores de EME experimentados utilizan cuatro o más unidades para obtener otros 6 dB de ganancia de la matriz, pero incluso un solo Yagi de 5 elementos te permitirá escuchar tus propios ecos de la Luna con un preamplificador decente y un cable coaxial de bajo ruido.

Esos 1,3 metros adicionales de longitud de pluma son un pequeño precio a pagar por 2,5 dB. Mecánicamente, ambas antenas tienen una carga de viento similar: el peso de la pluma aumenta, pero el número de elementos solo aumenta en dos. Si puedes montar un elemento de 3, puedes montar uno de 5 elementos.

Practical Build toma nota de las superficies de simulación

El aislamiento de elemento a brazo es importante. NEC2 modela los elementos como cables continuos que flotan en el espacio. Si se montan elementos de aluminio directamente sobre un brazo de aluminio conductor, se acorta el punto medio del elemento con respecto al brazo y se desafina completamente el conjunto. Perderás ganancia, la impedancia del punto de alimentación cambiará y el patrón se distorsionará. Aísle cada elemento del brazo con bloques de plástico o utilice un tubo de fibra de vidrio no conductor para el brazo; la simulación asume lo último. La mayoría de los constructores utilizan fibra de vidrio porque es más simple y resistente a la intemperie que un montón de herrajes aislantes. Espacio libre entre los elementos accionados. El dipolo plegado necesita aproximadamente 15 mm de espacio libre alrededor del espacio de alimentación. Si lo abarrotas con piezas metálicas de montaje o dejas que el blindaje coaxial toque el elemento demasiado cerca del punto de alimentación, cambiarás la impedancia. El modelo NEC2 utiliza una aproximación de cable delgado, y los efectos del diámetro de los elementos en el mundo real se controlan mediante la relación entre el diámetro del segmento y el diámetro. Mantén la relación entre la longitud y el diámetro de los segmentos por encima de 4:1 en tu modelo; la herramienta de simulación te avisará si infringe esta regla, pero vale la pena comprobarlo manualmente. Weatherproofing the feedpoint. The simulation gives you 47 Ω at the feed under ideal conditions. In practice, even 5–10 mm of moisture ingress at the feedpoint can add 2–5 Ω of resistive loss. That's invisible in the simulation but very visible in F/B degradation over a winter. Water in the coax connector or around the folded dipole feedpoint will kill your performance. Seal it properly with self-amalgamating tape and heat shrink, or use a proper weatherproof enclosure. This is one of those things most people skip and then regret later when they're trying to figure out why the antenna doesn't perform as well as it did in September. La pluma se hunde y el elemento se cae. Una pluma de 2,3 metros se hunde por su propio peso y por el peso de los elementos, especialmente si utilizas aluminio. La simulación presupone que los elementos son perfectamente rectos y están perfectamente alineados. En realidad, unos pocos milímetros de holgura o caída de los elementos no reducirán tu rendimiento, pero entre 10 y 20 mm empezarán a cambiar el patrón y a reducir la ganancia. Usa una pluma lo suficientemente rígida o añade una viga de celosía para mantener todo recto.

Simula primero, corta después. La herramienta Antenna Sim muestra el resultado completo del NEC2 (ganancia, patrón, impedancia y gráfico de elevación) en menos de un minuto. Es mucho más barato que una pluma mal cortada o un conjunto de elementos que no resuenan donde pensabas que lo harían. Puedes modificar la longitud de los elementos, ajustar el espaciado y ver los efectos inmediatamente. Una vez que tenga un diseño que alcance sus objetivos de ganancia e impedancia en la simulación, podrá cortar metal.

Simula tu Yagi con NEC2