20/30/40m trapped EFHW (EN)

Endfed trapped dipole for (15) 20, 30 and 40m

 

Pointed out in the picture are: the feeding point (bottom right),
the 20m trap (at the top of the pole), and the 30m trap (lower left)
Caravelas Mt, SOTA ref CT/TM-012 activation, august 2024

After a lot of SOTA activations and a lot of antenna types been used, at the end I decided to design and build one which meets some points:

- Easy and quick setup,
- ATU not needed
- lift up and lowering for changing each band not being necessary

The llast condition should be being able to handle a max of 20w power output, more adecuated for the equipment used on SOTA activations.

After having tested some antenna types -long wires, random, ground plane verticals, center fed dipoles, doublets, linked dipoles, etc.- and a lot of reading around Internet, I chose a resonant endfed (EFHW) trapped dipole design. The bands should be 20, 30 & 40m (plus 15m as the 3rd armonic of 40m) as the most common bands.

Even the design of a linked dipole is quite easier than using traps, then, during the activations, you are forced to stop the operation, leave the operating position, drop the antenna down, change the links configuration and sit again, every time you want to change the band. This is specially hard when you are searching for S2S QSOs on different bands.

 The traps design is more complicated, that's true, but the effort is made only once. Then, while activating, the ease of operation will be hugh. Band changes will be "automatic" -you will not need to move or stop operating- It will also diminish the damage to the pole caused for its manipulation.

Being a endfed antenna its construction will be easier, as you will only need one trap for each band (not as on the center fed dipoles, were a trap by leg is needed)

The endfed antennas need a shorter coaxial cable than the "normal" dipoles. This will make the antenna weight lighter and the coax attenuation smaller.

Amongst all the designs I have seen and studied, I found one that caught my attention: an EFHW for 20 30 and 40m, no tuner needed. I am talking about Dan's AI6XG one (https://www.ai6xg.com/post/trapped-20-30-40-meter-efhw-antenna)

After reading it carefully, I decided to use his design, but after some slight changes. Dan's design does not use the most adequated toroids neither by material nor size. I wanted my antenna to be able to manage up to 15-20w too, so I thought the toroid sizes should be larger than Dans'. So, I will use a FT82-43 for the impedance transformer on the feeding point, and T68-6 for the traps (as the material 6 is more suitable to the trap frequencies -13.9 and 10.0 MHz (see https://toroids.info).

Talking about both the antena and transformer wire I will use 24AWG (0,4mm diam) enameled for traps and transformer, and silicon for the antenna itself.

When building the antenna, some points must be specially cared. The most critical is the resonance frequency of the traps.

There are two types of trap designs:

- You can make them resonant on a middle point between the two bands to be isolated (f.i. around 12 MHz on an antenna for 20 and 30m).

- Slightly below the LOWER frequency of the HIGHER band. That is, for an 20 & 30m antenna, the trap should be tuned at 13.9 MHz. If the antenna should be trapped at 30m -10.100 MHz, the resonance should be at 10.000 MHz.

The first design is easier, but then the lenghts of each band will be affected for the other band's lenght, making the adjustment quite harder. As we are talking about a three bands antenna, the matter will be larger!

Tuning of the traps is quite critical, and as far as the capacitor values commercially available are what they are, will we have to play with the coil sizes and turn numbers. It must be done using a well calibrated VNA or a dip-meter (if you can already find one)

Before adding or subtracting turns from the coils, you can try putting the turns closer or wider. That will change slightly the resonance of the trap. 

Be aware that after ending the coil adjustments, you should keep it fixed to avoid changes of the resonance. Glue, wax, or heat shrink tube can be used but, caution, this can change a bit the frequency. Check it before cutting the wires.

 

Trap assembly can be done in several ways: on a fiberglass circuit, on your own 3D design, a piece of plastic, or even on the air (with short ropes for strain relief). Just take into account that then the traps will suffer while mounted on the field or when you mount & dismount the pole.

Regarding the impedance transformer, even the theory says that, for an 1:49 ratio, 21 turns should be used (with a tap at turn 3 for the secondary wiring) starting with 3 or 4 turns more is recommended, and then after having adjusted the 3 wires (1 of each band) try to add or remove until you find the best SWR ratio. The secondary will be always at turn 3.

The said lengths of the wires are only approximated. As always, when working with antennas it is better starting with a larger length and cut than finding that we are short for the wanted frequency.

Contrary to we have said of a minimum SWR adjust for the Z transformer, the different lengths of each wire must be made to be resonant at the given frequencies, no matter which SWR ratio at. This should also be made using a VNA.

The setup must start with the upper bands (20m in this case with the 13.9 trap connected at the end of the wire), once this done, we will connect and adjust the 30m wire with the 10.0 MHz trap.

Wire length adjustments must be done while the wire is set at its final position (that is, angle and height). For this, we can use a longer wind wire that later we make shorter as more segments are added.

If we made the upper bands adjustments correctly, they should not be affected when adding more segments. If it is, probably the trap design is not ok, check it again.

Regarding the position of the antenna/pole on the field, please note the following:

- The impedance transformer should be, at least, at 1.5 - 2m height from the ground. Many antenna designs connect the antenna right to the rig at ground level. This could be more comfortable, but the ground losses will be larger too.

- The far end of the wire, that is, the segment of the 40m band, should be at least 4m height. Otherwise tuning the antenna for 40m could be impossible.

- The antenna could be slightly directional, on the direction of the wire, mainly on the upper bands, as the configuration is something like a sloper design. (view the picture below)  

The radiation lobe will be very wide, and the directionality low, but it must be taken into account while choosing the operation position on the field. This sometimes will mark how we will be located at the summit, depending on the tree or trigger we choose as the pole support point.

- Regarding the counterweight, we have several options:

Use the coaxial wire itself. This should be at least 1.5-2m long for the feeding point to be at 1.5m or higher. If we make it a bit longer, say 2.5-3m, it will work better on the lower bands.
If when we use this option we have CMC (RFI at the rig, CW keyer, or mic) we can put a 1:1 RF choke of 10 turns of the coaxial itself onto a FT82-43 toroid, located just on the BNC connector of the transceiver. 

We can also use a wire of 0.045 wave lengths of the lower band (40m) which should be connected at the Z transformer on the opposite end of the primary coil. It can be left on the ground below the radiating wire. 

I hope this antenna to give you as many good times as to me. Do not hesitate to contact me to solve any problem or doubt. Find my e-mail address at qrz.com

73 de Mikel EA2CW | AE2CW

20/30/40m trapped EFHW (ES)

 Dipolo con trampas alimentada en un extremo de 20, 30 y 40m

End fed trapped dipole for (15) 20, 30 and 40m 

 

En la imagen están señalados el punto de alimentación (abajo a la derecha), la trampa 
de 20m (en el punto mas alto del mástil) y la de 30m (algo mas abajo a la izquierda)
Activación del monte Caravelas ref SOTA CT/TM-012, agosto de 2024

Tras muchas activaciones SOTA y haber utilizado muchos tipos de antenas, finalmente me decidí por diseñar y construir una que cumpliera con varias condiciones: 

- que fuera fácil y rápida de montar, 

- que no hiciera falta acoplador de antena y 

- que no hubiera que estar subiéndola y bajandola para cada cambio de banda. 

Como última condición, debería soportar una potencia máxima de 20w -algo mas que QRP- adecuada a los equipos que usamos habitualmente en SOTA.

Tras experimentar con bastantes tipos de antenas (hilos largos, random, ground planes, dipolos clásicas, doublets, linkadas...) y depués de mucho leer por Internet, me decidí por una dipolo alimentada en un extremo, también conocida como endfed o EFHW (End Fed Half Wave) con trampas. 

Aunque el diseño de una dipolo "linkada" es mucho mas sencillo que usar trampas, mas tarde, durante las activaciones, te ves forzado a parar la transmisión, levantarte, bajar la antena, cambiar los "links" y volver a sentarte cada vez que quieres cambiar de banda. Esto es especialmente farragoso si andas a la caza de QSOs SOTA to SOTA (S2S). 

El diseño de una dipolo con trampas es mas complicado que el de las linkadas, es cierto, pero es un esfuerzo que se hace solo una vez. Mas tarde, simplificará enormemente la operación durante las activaciones. El cambio de banda será "automático" -no necesitas moverte ni interrumpir la transmisión- y además disminuirá el desgaste de la caña, al no tener que subirla y bajarla o recoger y desplegar los tramos para cada cambio.

El que la antena esté alimentada en el extremo (endfed) simplifica su construcción, ya que solo hace falta una trampa por banda y no dos, como sería en caso de que fuera una dipolo alimentada en el centro (una trampa por rama). 

Además las endfed conllevan el uso de un cable coaxial mucho mas corto que las dipolos "normales", lo que disminuye, por un lado, el peso de la antena y por otro la atenuación de la señal debido al coaxial. 

Entre todos los diseños que he podido consultar en Internet, y sobre todo en el reflector de SOTA, encontré uno que me llamó la atención. Era una dipolo alimentada en el extremo, con trampas y para las bandas que mas suelo utilizar: 20, 30 y 40 m, con la posibilidad añadida de usarla en la banda de 15m (3er armónico de 40m). En todas ellas sin acoplador. Me refiero al diseño de Dan AI6XG y que tenéis en su página:

https://www.ai6xg.com/post/trapped-20-30-40-meter-efhw-antenna

Después de leerlo, y teniendo en cuenta el resto de documentación consultada, me decidí a usar su diseño pero adaptándolo. Este, a mi parecer, no usa los toroides mas adecuados, ni por material ni por tamaño. Quería que mi antena pudiera soportar hasta 10/20w, por lo que los diámetros de los nucleos, tanto del transformador de impedancias como de las trampas, deberían ser mayores que los que Dan propone en su proyecto. Así, usaría un FT82-43 para el transformador de impedancias. Para las trampas, el diámetro sería de 68 y no de 50 y el material 6 y no 2, ya que este último es mas adecuado para las frecuencias de las trampas (13,900 y 10,000 MHz) (ver https://toroids.info).

En cuanto al hilo, usaría cobre esmaltado de 0,4mm de diámetro para el transformador y las trampas y del mismo diámetro con aislante de silicona para la antena.

Para su construcción, hay que tener en cuenta especialmente los siguientes aspectos:

- El punto mas crítico es el ajuste de la frecuencia de resonancia de las trampas. 

Hay dos tipos de diseños de trampas: 

- Sintonizadas en un punto intermedio de las bandas a separar (por ejemplo, alrededor de 12 MHz para una antena de 20 y 30 m), o bien

- Ligeramente por debajo de la frecuencia mas baja de la banda mas alta. Es decir, en este ejemplo, para una antena de 20 y 30m, la trampa estaria sintonizada en 13,9 MHz. Para 30m, en 10 MHz, es decir, unos 100 KHz por debajo del principio de la banda,

El primer diseño hace que la resonancia de la trampa sea menos crítica, pero luego las longitudes de los dos tramos (antes y después de la trampa) interactúan entre sí, dificultando bastante su ajuste. 

Si estamos hablando de 3 bandas -o dos trampas- la cosa se complica todavía mas.

- El ajuste de las trampas (dado que el valor de la capacidad está limitado a los valores disponibles comercialmente, salvo que queramos usar pequeños trozos de coaxial como condensador) es bastante crítico. Debe hacerse usando un VNA bien calibrado, o si todavia disponeis de alguno, de un dip-meter. 

- Antes de añadir o quitar espiras, se puede probar a juntar o separar las espiras del bobinado. Esto modificará ligeramente la frecuencia de resonancia de la trampa.

- Ojo! Después de ajustar las trampas hay que inmovilizarlas para evitar que varíe la resonancia. Se puede usar pegamento, cola, cera o funda termorretráctil, pero cuidado, esto puede hacer variar ligeramente su sintonia. Comprobadlo antes de seguir. 

- El montaje físico de las trampas se puede hacer de muchas formas: sobre una placa de circuito impreso sin cobre, sobre un diseño 3D, con una placa de montaje, un trozo de plástico, o simplemente al aire. Solo tened en cuenta que van a soportar tensiones cuando estén montadas, y rozaduras al montar y desmontar la antena. 

En cuanto al transformador de impedancias, aunque la teoría dice que debería ser una bobina de 21 espiras para una relación de 1:49, con una toma a 3 para el bobinado secundario (el que luego irá al equipo) se recomienda partir de un número de 3 o 4 espiras mas y al final, una vez ajustadas las longitudes de los hilos de cada banda, probar a quitar una o mas espiras, hasta encontrar el número de espiras del primario que dé la menor ROE posible. El secundario será siempre de 3 espiras.

La longitud indicada para los hilos de cada banda es orientativa. Como siempre que trabajamos con antenas, es mejor partir de una longitud algo mayor y cortar, que ir justos y encontrarnos con que la antena está corta para la frecuencia deseada.

En contra de lo dicho para el transformador de impedancias (ajuste a menor ROE), el de la longitud de los tramos de cada banda debe hacerse para la resonancia de cada elemento. Buscaremos que sea en las frecuencias deseadas, independientemente de la ROE que presenten. Este ajuste se debería hacer también usando un VNA o un analizador de antena. 

También como siempre, los ajustes deben comenzar de arriba hacia abajo, es decir, conectaremos primero solo el tramo de 20m y la trampa de 13,9 y ajustaremos. Una vez hecho, añadiremos el tramo de hilo de 30m y su trampa (la de 10,0 MHz) y finalmente el tramo de 40m. 

Los ajustes deben hacerse de forma que el tramo que estemos ajustando esté en la posicion (altura, angulo, etc) que tendrá luego en su configuracion definitiva. Para ello podemos usar un viento mucho mas largo que luego iremos acortando conforme vayamos añadiendo tramos.

Si hemos hecho bien el ajuste de las bandas mas altas, éste no debe verse afectado (o solo muy ligeramente) al ir añadiendo mas bandas. Si cambia, es que el diseño de las trampas no es correcto.

En cuanto a su colocación, tener en cuenta los siguientes puntos:

- El transformador de impedancias del punto de alimentacion, debe estar al menos a 1,5m de altura sobre el suelo. 

- El otro extremo de la antena, es decir, lo que sería el final del tramo de la banda de 40m, deberá estar al menos a unos 4m de altura. De otro modo será dificil ajustarlo para una ROE baja. 

La antena puede ser comportarse de forma ligeramente direccional, en el sentido del hilo, en las bandas mas altas (15, 20 y 30m) o incluso en 40m, ya que sus tramos están dispuestos como una "sloper". La dirección de maxima radiacion será desde el final del tramo de 40 hacia el punto de alimentación. Es decir, si nos ponemos operando mirando al Norte, con la antena a nuestra espalda y la otra punta mirando al Sur, la antena radiará hacia el Norte. 

 

Es verdad que el ancho del lóbulo de radiacion será muy grande (muy baja direccionalidad) pero es importante que lo tengamos en cuenta a la hora de colocar la antena para operar. Es el punto débil de las endfed... Si en una cima encontramos solo un vértice o arbol al que podemos anclar el mástil, la endfed nos "marca" donde tendremos el punto de alimentación, vamos, dónde nos tendremos que sentar.

En cuanto al contrapeso (counterpoise / contraantena) tenemos varias opciones:

- Usar el propio cable coaxial de alimentacion. Este ya tiene que tener al menos 1,5-2m de longitud para que el punto de alimentacion esté a 1,5m de altura. Si lo alargamos a 2,5-3m de largo, funcionará mejor en las bandas bajas.
Si este sistema nos da problemas de RF en el equipo (common mode currents), tendremos que usar alguna otra de las siguientes opciones.

- Poner un choque 1:1 (10 vueltas del propio coaxial sobre un toroide FT82-43) colocado justo a la entrada del coaxial al equipo, y un hilo que ejerza las funciones de contra-antena (ver siguiente párrafo)

- Poner un hilo de aproximadamente 0,045 longitudes de onda de la frecuencia mas baja (40m en este caso)r. Podemos probar con uno algo mas largo e ir recogiéndolo hasta obtener el mejor resultado. Este hilo puede colocarse elevado (mejor) o tirado por el suelo, e idealmente, paralelo a de la antena (que quedaría encima suyo.

El hilo del contrapeso va conectado en el punto de alimentación de la antena, en el extremo común de los bobinados primario y secundario, es decir, en el extremo opuesto de la bobina al de donde sale el hilo de la antena.

Espero que esta antena os de tantos buenos ratos como me ha dado a mi. Quedo a vuestra disposición para cualquier duda que se os presente. Tenéis mi dirección de correo en qrz.com

73 de Mikel EA2CW | AE2CW