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Máximo Martín
QTH Locator IN53ui
EA1DDO@HoTMaiL.com

Antena Helicoidal

Antena con Polarización Circular para la banda de 800/900 MHz

Introdución

Como muchos saben, desde hace años trabajo en el sector de la telefonía móvil.
Hace unos meses, mi compañero Deven, tenía un problema, pues habían puesto unas antenas dentro de la torre de una iglesia, dirigiendo el haz por la ventana. pero esa ventana tiene una malla metálica.
Las frecuencias de las bandas altas, 1800 y 2100 MHz, pasan sin muchos problemas, pues la longitud de onda es menor que los espacios de la malla metálica.
Pero las bandas bajas, 800 y 900 MHz no pasaban. Al otro lado de la ventana el servicio era pésimo.

Cuando el compañero me lo comentó, yo me acordé de un detalle y le dije de hacer la prueba con polaridad circular.
Esas antenas de polaridad circular funcionan muy bien en túneles y otras situaciones especiales.
La sorpresa fue que, aunque en el pasado se pusieron varias, al parecer ahora esas antenas no estaban disponibles.

Yo me quedé pensando... una antena helicoidal no son difíciles de hacer...
Enseguida recordé el experimento con helicoidales del amigo Jose EA3HMJ, y decidí fabricar una para regalarsela a mi compañero.
De esa manera él, o cualquiera del equipo, podría hacer pruebas con polarización circular.

Diseño

La antena helicoidal la diseñó John D. Kraus W8JK, y publicó las fórmulas para crearlas.
Básicamente las antenas helicoidales trabajan en varios modos; normal, axial (beam mode) o conico.
Cuando la longitud de una vuelta ronda una lambda, y cuando la separación de una vuelta a la siguiente ronda los 0.2 lambda, la antena pasa a funcionar en modo axial, que es el que nos interesa.
También hay que tener en cuenta el diámetro del conductor, que debe estar entre 0.006 y 0.050 lambda, y el plano de tierra de entre 0.8 y 1.1 lambda.

Yo decidí hacer la antena de 10 vueltas, para que no fuera muy grande. Con diez vueltas ofrece unos 15dBd de ganancia, y unos 35 grados de apertura de lóbulo frontal.

También hice una simulación de la antena en 4NEC2.

Antena Helicoidal - Helix       Antena Helicoidal - Helix

En el documento Excel de abajo hay una calculadora para cualquier frecuencia, así como gráficas e información del stripline.

Excel para Cálculo de Antenas Helicoidales, Máximo - EA1DDO

Éstas antenas presentan unos 137 OHm de impedancia en la frecuencia de diseño.
Para transformar los 137 OHm a los 50 OHm necesarios se suele usar un cuarto de onda de 83 OHm.
Un stripline de 1/4 lambda de 83 OHm hará el trabajo perfectamente, y mecánicamente se adapta muy bien al diseño. De hecho, se aprovecha el primer 1/4 lambda del radiador para usarlo como stripline.
En mi caso usé una chapita de cobre de 0.5mm de espesor y 12mm de largo. Manteniéndola a una distancia de unos 7mm del plano de tierra transformará la impedancia tal como resultó en los cálculos previos.

En las siguientes dos fotos se ve el stripline de 1/4 en preparación, y ya soldado en su sitio.

Antena Helicoidal - Helix       Antena Helicoidal - Helix

En las siguientes dos fotos estaba en el proceso del diseño mecanico. Al no tener ningún modelo que copiar, todo lo hice de nuevo, sobre la marcha.
Todas las piezas son de uso casero, a la venta en ferreterías. Solamente el plano de tierra, un disco de aluminio redondo, lo pedí por internet, cortado con láser.
El radiante lo hice con tubo de cobre de 4.5mm comprado en internet, para circuito de frenos de algunos coches.

Antena Helicoidal - Helix       Antena Helicoidal - Helix

El hueco para el conector DIN 7/16 lo hicieron con corte láser, del mismo diámetro que el conector, para mantener los 50 OHm.

Una vez encajada toda la mecánica, y soldado el radiante, la coloqué en un soporte en mi jardín para analizar y ajustar con ayuda del VNA.

Un simple retoque de la separación del stripline al plano de tierra, permite ajustar la ROE.
El ancho de banda es bastante grande. En la gráfica se ve desde 700 hasta 950 MHz con ROE debajo de 1:1.3
Las pérdidas de retorno rondan los -20 dB.

Antena Helicoidal - Helix       Antena Helicoidal - Helix

Para proteger la antena de la intenperie, le busqué un tubo de ABS de suficiente diámetro y metí la antena en el interior, luego le hice un sistema de anclaje sellado con unos tornillos y silicona.
En la siguiente foto se ve a mi asombrado compañero Deven cuando le entregué la antena.