Sistema 4SQ para 80M por EC2DX

El ciclo solar se viene abajo y con ello la mejora de condiciones de las bandas bajas, con más tiempo disponible después de la clasificación para el WRTC 2018 y de haber experimentado con verticales enfasadas, dipolos, loops y otro tipo de antenas anteriormente para esta banda, era el momento de dar un pasito más y aventurarnos en un nuevo proyecto. El objetivo era mejorar el sistema radiante de la banda de 80m, por debajo de los 7Mhz es complicado colocar antenas direccionales en polarización horizontal y conseguir ángulos bajos que favorezcan las comunicaciones a larga distancia; la altura necesaria y el coste que ello supone, tanto de montaje, como de mantenimiento, hacen que muchas veces no sea viable su instalación.  Hacía tiempo me rondaba por la cabeza el montaje de un “four square” (4 lados) para esta banda y había llegado el momento de dar el paso.

El concepto de “four  square” o “4SQ”, en castellano “4 lados” define muy bien la geometría de la antena, consta de 4 radiantes verticales exactamente iguales y separados ¼ de onda entre ellos,  en nuestro caso, al ser para la banda de 80m, la distancia entre los radiantes será de aproximadamente 20,5m, lo extraemos de la siguiente fórmula:  300.000/3.650 =  82.191m / 4 = 20,54m por cada lado, a estos 400m2 del cuadrado formado por estos radiantes verticales deberemos calcular el espacio requerido para el sistema de radiales que detallaremos más adelante, por lo que podemos ver, el espacio necesario es considerable. En un inicio, este sistema de antenas dispone de 4 direcciones seleccionable cada 90º, navegando por internet, localicé un artículo de K3LC muy interesante sobre como dotar de 8 direcciones al sistema, no difería mucho sobre el de 4 direcciones y decidí ponerme en contacto con Mikael SM2WMV (SJ2W) que ya disponía de PCBs para 4SQs de 4 direcciones. Casualidades de la vida, ya estaba trabajando en el sistema de 8 direcciones y en un par de meses recibí la placa PCB para montar los componentes de la parte de RF y una pequeña placa para el control que no es más que un conmutador rotativo con una lógica de diodos, dependiendo de la combinación de diodos, excita unos u otros relés de la placa de RF. 

El four square consta de los siguientes elementos que iremos explicando detalladamente:

4 elementos radiantes

Sistema de radiales

Líneas de enfase

Acoplador hibrido para el control de fases

Mando de control

Carga ficticia

 

Elementos radiantes

Son propiamente las antenas de nuestro sistema, fabricaremos las 4 exactamente iguales, mismos materiales, mismos diámetros, misma longitud….nos evitará problemas de desadaptación entre ellas y conseguiremos una distribución homogénea de nuestra señal amén de facilitarnos el ajuste final. Teniendo en cuenta que la longitud de los radiantes será de unos 21m aproximadamente, podremos fabricarlas completamente en aluminio o bien fusionar aluminio con alguno de los mástiles de fibra de vidrio disponibles en el comercio del sector, en mi caso, me decanté por utilizar 11m de tubo de aluminio suplementado con los citados mástiles de fibra de vidrio de una conocida casa alemana. El mástil de fibra de vidrio no es conductor, desde el final del tubo de aluminio, colocaremos un hilo conductor a lo largo del mástil de fibra de vidrio hasta su final. Si no queremos o no podemos utilizar radiantes de 20m de longitud, podremos utilizar elementos acortados pero perderemos ancho de banda y algún db, en cualquier caso, la opción es viable.

 

Sistema de radiales

La parte más importante de una vertical de ¼ de onda colocada en el suelo; es la parte que le falta a la antena. Hay que tener en cuenta que una vertical de ¼ de onda, no es más que la mitad de un dipolo colocado en vertical, por lo que tendremos que colocar la otra mitad, en nuestro caso extendida por el suelo, en un barco, la otra mitad sería el agua, que simularía perfectamente la otra mitad del dipolo, en nuestro caso, debemos mejorar la conductividad de la tierra. Existen varias opciones, podemos utilizar un solo radial elevado y sintonizado por cada elemento, este radial ira en la diagonal opuesta al centro de cada radiante hacia el exterior y a una altura aproximada de 3m, este sistema me pareció mecánicamente más complicado y  tendremos alta tensión en el radial por lo que quedó descartado y me decanté por los radiales sobre o enterrados en el suelo. En este caso, no hará falta que los radiales sean sintonizados pero tendremos que cubrir la mayor parte de superficie posible, el objetivo será conseguir un suelo lo más conductivo posible a fin de reducir las pérdidas al mínimo.  Dependerá de nuestro presupuesto, como muchas otras veces…. una opción muy cómoda es la de utilizar mallas electro soldadas, utilicé una combinación de mallas electro soldadas y radiales a base de hilo de aluminio provenientes de cercados eléctricos para ganado; un dato importante a tener en cuenta son las uniones entre el aluminio y otros materiales como el cobre o el acero inoxidable, protegerlas bien de la intemperie para evitar en lo posible la electrólisis.

 

 Líneas de enfase

Serán las encargadas de llevar la señal correctamente a cada radiante manteniendo la fase, magnitud e impedancia. El coaxial a utilizar será de 75ohm y dieléctrico de foam, con un factor de velocidad de 0,80 o aproximado. Si utilizáramos coaxial con dieléctrico de teflón o similar y factor de velocidad de 0,66 las líneas quedarán cortas y no llegarán desde cada radiante al acoplador hibrido. La longitud eléctrica de estos coaxiales la determinaremos mediante el uso de un analizador de antenas, miniVNA o similar, no podremos fiarnos de cortar los cables “a metro”, necesitamos la longitud eléctrica exacta y para ello buscaremos la resonancia (X=0) en 3.650Mhz. Si queremos rizar el rizo y exprimir hasta el último dB del sistema, los ajustaremos a 3750 y lo dejaremos preparado para añadir un latiguillo y colocarlo en caso de hacer CW en 3525 por ejemplo. En el punto de alimentación de la antena, colocaremos algún tipo de choque para evitar el retorno de RF por el propio coaxial, en mi caso utilicé 30 anillos de ferrita CST19/11/12-3S4 insertados en cada línea de enfase. (FOTO 11)

 

 

Acoplador híbrido

No entraré en detalle sobre el funcionamiento del sistema de control de fases para no hacer pesado el artículo aunque es una de las partes  más delicadas del proyecto. Aquí es donde se alojarán los componentes que con las conmutaciones precisas, generarán los desfases correctos a cada radiante para que nuestro sistema sea direccional en 8 direcciones. Realmente el acoplador hibrido  consta de 2 toroides iguales, un par de condensadores iguales y unos cuantos relés que con la lógica correcta hacen que se cree la magia. Con la placa PCB suministrada por Mikael (SJ2W), lo único que tenemos que hacer es bobinar un par de toroides y conseguir un par de condensadores del valor adecuado. Aquí tenemos el esquema  del acoplador hibrido de SJ2W y la tabla con los valores para diferentes bandas.  

 

FRECUENCIA	INDUCTANCIA	CAPACIDAD
1.850Mhz	4.30uH	860pF
3.650Mhz	2.18uH	436pF
7.050Mhz	1.13uH	225pF

 

 

Carga ficticia

Es donde se derivará la potencia que por desajustes no sea radiada por nuestro sistema de verticales. En principio, si el sistema está bien instalado, no debería de haber más de un 5-10% de la potencia emitida.

 

Montaje y ajuste de los radiantes

Tal y como hemos comentado en la descripción de los radiantes, opté por la opción de fusionar tubo de aluminio y mástil de fibra de vidrio, ¿Por qué esta decisión? ¿Cómo hacemos esta unión?

Aunque el coste de un radiante completamente construido en aluminio es algo más económico que la fusión entre aluminio y fibra, su mayor peso y el tener que arriostrarlo con tres planos de tirantes en lugar de dos son una desventaja, es una opción personal y a veces determinada por el tipo de instalación y/o climatología del lugar. El izado de un radiante de aluminio para una sola persona puede llegar a ser complicado y más si hace algo de viento, en cambio, si los últimos 11m del radiante son de fibra de vidrio, se facilita esta tarea  y se evita tener que arriostrarlo, por lo menos, ha sido mi caso con los  7 años que lleva instalada la actual vertical. La parte de aluminio consta de dos tubos de aluminio telescópicos de 6m, 65/61mm para la parte inferior y otro de 60/55mm para la superior, en este último tubo es donde insertaremos el mástil de fibra de vidrio y lo pegaremos con algún componente epoxy que encontraremos fácilmente en cualquier establecimiento de bricolaje. Practicaremos un taladro en la parte final del tubo de aluminio y atornillaremos el hilo conductor que sujetaremos al mástil de fibra de vidrio mediante  cinta aislante o pequeñas bridas. Una vez tengamos los cuatro radiantes construidos, los colocaremos aislados del suelo de la mejor forma dentro de nuestras posibilidades, en mi caso, utilizo una bisagra casera para facilitar su instalación, desmontaje o ajuste (FOTO 1 Y 2). Según los manuales de equipos comerciales, deberíamos ajustar los radiantes 100Khz por debajo de la frecuencia objetivo, esto es, si queremos que el conjunto funcione en 3750, deberemos de ajustar uno a uno y por separado todos los radiantes a la frecuencia de 3650, esto es por la interacción entre los propios radiantes y porque dependiendo del sistema de radiales que dispongamos, habrá diferencia de resonancia entre ellas aunque sean idénticas, después de realizar el montaje completo la resonancia del conjunto quedó en 3735 cumpliendo así las indicaciones de los manuales comerciales.

 

 

 

Instalación sistema de radiales

Me ceñiré al sistema de radiales extendido por el suelo que es el utilizado en este proyecto. Como es de prever, una de las partes fundamentales del funcionamiento de cualquier vertical de ¼ de onda es el plano de tierra o sistema de radiales. A fin de evitar pérdidas producidas por el plano de tierra, debemos construir un sistema de radiales eficaz. ¿Pero, cuantos radiales colocamos? ¿Cuándo sabremos si es suficiente? La teoría y las diferentes tablas publicadas recomiendan un mínimo de 32 y hasta un máximo orientativo de unos 130, dependerá del suelo que tengamos bajo el radiante, no tiene nada que ver instalar una vertical sobre un buen suelo fértil como puede ser un prado que hacerlo sobre una placa de piedras o roca…. Hay una forma “sencilla” y bastante real de “medir” esas pérdidas para valorar si debemos colocar más o menos radiales. Sabemos que la resistencia de una antena de ¼ de onda con suelo perfecto es de unos 36ohm, esa será la cifra que debemos leer en nuestro analizador una vez tengamos la antena en resonancia. Si hemos colocado 25 radiales, y vemos que aunque la antena está en resonancia, la R es de 46ohm…..será indicativo de tener unas pérdidas por valor de 8 a 10ohm y será necesario añadir más radiales, las pérdidas se generan cerca del punto de alimentación,  siempre es mejor añadir muchos radiales cortos que pocos largos. Si tenemos alguna estructura metálica cerca, el dato de los 36ohm no será del todo fiable ya que falseará la medida pero nos servirá como indicador, si seguimos añadiendo radiales y vemos que la medida de la resistencia no varía, indica que no estamos generando ninguna mejoría palpable o bien que la mejora es insignificante.

En este proyecto he utilizado un sistema hibrido entre 200m de mallas electro soldadas y 6km de hilo de   aluminio a modo de radiales, la resistencia medida es de unos 40ohm, lo que significa unas pérdidas de unos 4ohm, no es excesivo teniendo en cuenta que el terreno no ayuda mucho, todo es mejorable. (FOTOS 3, 4 Y 5)

 

 

 

 

 

 

 

Montaje y ajuste del acoplador hibrido

Puede que sea un montaje algo más delicado que un conmutador remoto, un six pack o un stack match. Si no conseguimos los desfases correctos, no conseguiremos los resultados deseados y todo el proyecto será un fracaso. Comenzaremos por bobinar los toroides, el tamaño de los toroides dependerá de la potencia que estos deban soportar, personalmente recomiendo el uso de toroides T225-2 o T300-2. Para cerciorarnos del valor correcto de la inductancia y los condensadores, importantísimos para lograr los desfases correctos, nos ayudaremos de algún instrumento de medida, en los portales de internet  encontraremos infinidad de ellos a un precio muy asequible, unos 10€. La placa de control es muy sencilla, simplemente con colocar los componentes como marca la serigrafía de la misma, la tendremos terminada en poco tiempo. Una vez tengamos los componentes montados en ambas placas y con la ayuda de un osciloscopio de 2 o 4 canales y un generador de señales (cualquier analizador de antenas), comprobaremos que el funcionamiento de ambas sea correcto, procederemos dela siguiente manera:

• Terminar todas las salidas de las antenas y de la carga ficticia con resistencias de 100ohm.
• Conectar cada uno de los 4 canales del osciloscopio a cada antena
• Conectar el analizador de antenas a la entrada de la placa
• Interconectar la placa de control con la placa de los componentes
• Colocar una resistencia de 50ohm en el puerto de la carga ficticia. Con una de 1W es más que suficiente para las pruebas.

Una vez tengamos todo conectado, generaremos una señal utilizando en analizador o el generador en 3.650Mhz y visualizaremos los desfases generados por la placa en cada canal del osciloscopio, siguiendo el esquema de la placa, podremos corroborar que todo funciona como corresponde. Si utilizamos analizador, podremos ver lectura de ROE que deberá ser en torno a 1.1. Ahora ya podemos desoldar las resistencias, instalar la placa en una chapa de aluminio y colocar los conectores que utilicemos habitualmente para poder conectar las líneas de en fase

El segundo paso será añadir las líneas de enfase a cada salida de la placa, volveremos a soldar las resistencias al final de cada línea de en fase pero esta vez serán de unos 39ohm simulando cada radiante, colocaremos las sondas del osciloscopio en paralelo con estas resistencias y volveremos a comprobar que los desfases generados por la placa son los que deben de ser en cada uno de los radiantes (FOTO 6). Si todo es correcto, podemos dar por terminado el montaje del acoplador hibrido y las líneas de en fase. (FOTOS 7, 8 Y 9)

 

 

 

 

 

 

En la foto 10 podemos ver el montaje de las 4 verticales y hacernos una idea del terreno necesario para su instalación.

 

 

CONCLUSIONES

La primera vez que se utilizó el 4SQ fue en el pasado CQWW SSB 2017, utilizando una vertical de ¼ de onda y 100 radiales como patrón, lo primero que impresiona es el fuerte rechazo que presentan apuntando en dirección opuesta a la señal, podemos hacer desaparecer una señal de 9 o 9+5db (25/30db)dependiendo del momento y origen de la señal, con ello también la disminución del ruido de banda y en muchas ocasiones prescindir de las antenas de recepción instaladas para el concurso (beverages de 110 y 180m), el F/S no es tan acusado y presenta un rechazo de unos 10/15db, la ganancia sobre la vertical es de unas 2 unidades S.