domingo, 28 de junio de 2020

LU7DID "Off GRID"

En éste fin de semana transcurre en USA el legendario "Field Day" organizado por la ARRL. El mismo es una mezcla de actividad lúdica, con despliegue de capacidades técnicas, con evento de relaciones públicas donde los radioaficionados concurren a lugares públicos como parques o incluso plazas para hacer contactos con otros. El eje dominante del evento es comunicar desde la perspectiva de hacerlo en emergencia, es decir lo que se denomina en inglés "off grid" (desconectado de la grilla, eléctrica). Hay distintas categorías de participación basado en la potencia, el modo y el tipo de energía utilizado. Pero en general se trata de operaciones con energías alternativas, en particular eólica y solar. Se puede participar en el evento desde Argentina pues el mismo está abierto para paises de IARU Región 2 (Américas). 
Sin embargo lo importante es el espíritu y el impacto. El planear una configuración que pueda utilizarse en condiciones de emergencia, a menudo en condiciones de portátil o móvil, implica una cierta preparación de antenas, equipos, fuentes de energía y otros recursos de soporte tales como carpas, muebles y materiales consumibles. El evento mas allá de la diversión que pueda implicar para los participantes, un objetivo suficiente en si mismo, tiene además el beneficio que el público en general observa a los aficionados comunicando y se interesa sobre lo que hacen, ayudando a contestar la difícil pregunta sobre que hacemos y porque lo encontramos divertido. En nuestro país han circulado bocetos de iniciativas pero no han catalizado hasta ahora en un evento en concreto, lamentablemente agrego. Incluso en éste mundo raro gobernado por las precauciones por la pandemia hay espacio para poder participar en éste tipo de evento. Julian (OH8STN), un conocido cultor de la actividad "off grid" desde Finlandia reflexiona en una nota (link) que pese a las restricciones siempre se puede disfrutar del evento trabajando aunque sea desde el mismo jardín de nuestra casa. En el Hemisferio Norte es una proposición atractiva puesto que ya es verano, no lo es tanto en el Hemisferio Sur donde el invierno muestra sus dientes. 
Pero el espíritu no sabe de detalles y bien se puede intentar probar una configuración de emergencia, sin necesariamente la parte de la emergencia ni la parte del frio y la lluvia. En entradas anteriores he compartido pruebas con distintas antenas portátiles, en especial antenas de hilo (long wire, random wire y EFHW), loop magnética (una antena que tengo que seguir desarrollando) y antenas tipo whip reducidas como las que siempre he llevado en viajes. Es natural utilizar una de esas antenas en un "field day" vernáculo, aunque sea casero. Para el caso usaré la "random wire". La configuración portátil es un Yaesu FT-817 y una pequeña netbook de ensamblado local (poco menos que una tableta con teclado) con todo el software de comunicaciones cargado. Pero me concentré en modos de baja señal, en particular FT8, el que creo que es ideal para operar en condiciones portátiles, de emergencia, con antenas "precarias" y baja potencia. En realidad FT8 es un modo que solo permite contactos "estructurados", con el cual no es posible pasar el tipo de mensajes que por ahi es esperable en una emergencia. Pero si la estación comunica bien en FT8 también lo hará en JS8CALL, que es un programa de mensajería general montado sobre el protocolo de baja señal de FT8 por lo que la configuración será igualmente apropiada. Solo que hay mas estaciones en FT8 por lo que a los efectos de la prueba es mas fácil hacerla. Las antenas de hilo de éste tipo necesitan un sintonizador, para lo cual uso el kit multi-tuner de qrpguys.com el cual es ideal para operar con bajas potencias.  Los modos de baja señal requieren una base de tiempo muy precisa para funcionar bien, el límite del sistema es aproximadamente 2 segundos de tolerancia. En condiciones normales se sincroniza dentro de un margen de unos pocos milisegundos mediante el protocolo NTP conectando con uno de los varios servidores de tiempo disponibles usando la conexión de Internet. Es discutible si la conexión de Internet estaría disponible en condiciones de emergencia, incluso emergencias "de mentirita" como éstas aunque siempre se puede alimentar el router WiFi desde la energía de emergencia (deteriorando un poco el balance de energía disponible).
Se puede lograr el mismo propósito utilizando el teléfono celular como "access point"  de Internet usando la red 3G. A los efectos de la prueba sería mas que convincente, pero en una emergencia real es discutible que tan sólidamente se puede contar con la telefonía celular, en la última situación de emergencia que tuve fue el corte generalizado de energía en Argentina que duró varias horas y donde al cabo de un par de horas el servicio de telefonía celular empezó a fallar. Hay referencias que en emergencias reales, por ejemplo el terremoto 8.8 de Chile de hace algunos años, la telefonía celular desapareció en instantes. Asi que solo como cotillón de una situación donde no haya telefonía celular probé el receptor GPS/GLONASS USB, el cual aparte de servir para saber la posición, cosa relativamente poco útil de hacer continuamente si uno está operando desde el mismo lugar sin moverse, sirve para establecer una base de tiempo de alta precisión y "disciplinar" el reloj de la computadora con que esté trabajando. En el caso de la Raspberry Pi si se usara para generar RF también sirve para disciplinar el patrón de frecuencia. O sea que también probé esa configuración, la cual es otra parte de la estación portátil que opera con 5Vcc, en éste caso alimentados desde el computador.  Resta la parte mas divertida, el sistema de energía alternativo.
Dispongo de un pequeño generador de 1KVA a nafta, pero me pareció una atrocidad ponerlo en funcionamiento para ésta prueba. Asi que hice una configuración basada en energía solar. El mismo opera alrededor de una batería de gel que entrega 12V@7Ah, o sea unos 80W en una hora, mas que suficiente para operar en potencias QRP aunque sería deseable poder operar por bastante mas tiempo que ese. En la configuración que uso, con alguna oportunidad de mejora, la laptop la alimento con 220Vca para lo cual uso un inversor estático de tensión. Eso no es particularmente eficiente, cada dispositivo que se pone en la cadena de energía termina teniendo una eficiencia casi nunca mejor que el 90% (y en ocasiones bastante peor). Claramente la laptop podría ser alimentada por su batería y cargada desde una fuente de 5Vcc, la cual incidentalmente es provista por el regulador de carga del panel solar. En éste caso también saco 5Vcc para otro uso (¿linterna? ¿cargar celular?) desde un cargador común de 220Vca-5Vcc. Nuevamente, todo mejorable, posiblemente con los cables correctos se puede correr toda la configuración desde un bus de 12Vcc a la salida del regulador de carga (soportado por la batería) y con los 5Vcc provistos por éste.
El equilibrio de potencias es que el FT817 consume 0.25A (3W) mientras está con el receptor silenciado (squelch), 0.45A (6W) en recepción y 2A (24W) en transmisión a 5W de potencia de RF. En FT8 el ciclo de trabajo es aproximadamente un 50% (peor caso) o sea que la potencia media es de 15W, la laptop consume 5V@2A o sea 10W por lo tanto la estación funcionando a full consume 25W. Un panel de energía solar de 20W es capaz de entregar algo mas de 18V a algo mas de 1A iluminado en condiciones ideales, se tiene que utilizar un regulador de carga, el cual tiene cierta pérdida de potencia por lo que quedan 18W disponibles para cargar la batería o entregar a una carga. O sea que la configuración tiene un deficit neto de 7W/hora, por lo que descarga lentamente la batería al cabo de aproximadamente 11 horas. En realidad dura algo menos, primero porque la eficiencia de todas las conversiones no es 100%, segundo porque no hay 11 horas de iluminación en ésta parte del año y finalmente porque el ángulo de iluminación no siempre es perpendicular y por lo tanto la eficiencia de entrega de potencia de los paneles no es máxima durante todo el día.
La batería por si sola puede entregar 3 horas de operación en ésta configuración si está completamente cargada al comienzo. Asi que hay varias estrategias posibles. Una es operar en forma continua usando el panel como "retardador" de descarga, otra es disminuir el ciclo de trabajo; operando la mitad del tiempo, o recibiendo mas que lo que se transmite por ejemplo. Con medidas de ese tipo el panel debería bastar para operar durante el día y quedarían aún un par de horas de obscuridad o mala iluminación que pueden ser soportadas por la batería. Claramente éste balance se puede mejorar mucho, Julian insiste mucho en usar una Raspberry Pi como computador para éste tipo de configuraciones. Pero es relativo, si bien la Raspberry Pi consume solo 5W, lo que conduciría a un balance casi totalmente positivo (20W vs. 18W disponibles) con un consiguiente alargamiento de la capacidad operativa, en la práctica hay que o usar un teclado/monitor con la Raspberry Pi para operarla o hay que accederla por SSH desde otra computadora; ambas alternativas terminan gastando igual o mas que usar directamente una netbook como soporte computacional. Por supuesto que me aburrí de hacer contactos en FT8 con ésta configuración durante la tarde (panel alimentado en 90 grados por el sol en la ventana de mi shack), en 20, 30 y 40 metros. Queda para otra oportunidad probar ésta configuración también en 15 metros en otro horario con propagación mas favorable, pero seguro que no será la primera vez que ensayo ésta configuración, quizás con la excusa de mejorar las cosas que he mencionado como mejorables. 

miércoles, 17 de junio de 2020

MMana-GAL (mas lento no se puede....)

Experimentando con distintos tipos de antenas cortas para la operación portátil me entusiasmó la posibilidad de poder estudiar, en "teoría", como es el comportamiento de las distintas antenas bajo prueba al modificar los diferentes parámetros de construcción o instalación.
Comencé a usar el programa MMANA-GAL (link) creado originalmente por Makoto Mori (JE3HHT) y perfeccionado posteriormente por Alex Schewelew (DL1PBD) y Igor Gontcharenko (DL2KQ).  Este programa se basa en la aplicación de una técnica de matemáticas aplicadas llamada cálculo de elementos finitos. La técnica, conocida desde hace mucho tiempo, solo alcanzó su madurez, como muchos enfoques matemáticos basados en el cálculo iterativo en gran volumen, con la disponibilidad de recursos de computación muy económicos como los que disfrutamos hoy. La idea general es dividir el recurso físico bajo estudio, en éste caso los "hilos" de una antena, en un número muy grande de pequeños elementos (los "elementos finitos") calculando la influencia de ese elemento en todo el espacio que lo rodea e interactuando con otros elementos similares en los alrededores, si el número de elementos es suficientemente grande puede aproximarse en muy buena medida la interacción entre diferentes partes de un objeto que eléctricamente es un continuo, como lo es una antena. El concepto se extiende a otros tipos de componentes como fuentes de señal, cargas concentradas (inductores o capacitores), combinaciones LC, filtros y elementos distribuidos. El método requiere una descripción bastante profunda que excede el espacio y propósito de ésta entrada, puede leerse éste excelente paper de la UNAM (link) para una revisión de los principales conceptos. El programa MMANA-GAL no es el primero que los radioaficionados usan, lo precedió NEC2 en tal fin y con similar tecnológia, pero es muy atractivo porque es relativamente amigable de usar y la licencia gratuita es suficientemente potente como para simular la mayor parte de las antenas que podemos llegar a usar en radio con razonable exactitud. El uso del programa es mas simple que el de NEC2 como comenté, su interfaz gráfica permite trazar rápidamente los principales componentes de la antena (cables, generadores, cargas, etc.) en su ubicación en el espacio y conexionado entre si. Luego se puede ajustar con el grado de precisión que se necesite tanto con la interfaz gráfica como en las tablas de dimensiones que se van generando. El programa permite luego correr simulaciones de la antena en cuestión para distintas frecuencias, condiciones de terreno y materiales constructivos. Obteniendo el perfil de impedancias presentadas, ROE, Ganancia respecto a un dipolo, elevación y otros parámetros. Puede observarse cual es el diagrama de irradiación esperado. Un muy potente módulo de optimización permite analizar y ajustar diferentes parámetros de la antena tales como largo, valores de los acoplamientos y otros para optimizar algún resultado, por ejemplo ROE mínima. Sergio (XQ2CG) tiene un excelente canal de YouTube (link) dedicado a antenas donde proporciona un tutorial (link) sobre el uso del programa aplicado a varias antenas simples, adicionalmente explora diferentes diseños que va probando en cuanto a su comportamiento teórico. Sergio también ha creado un manual en español muy completo (link). 
Altamente recomendable. Es casi imposible aprender a usar un programa de ésta índole solo leyendo un tutorial, la secuencia de aprendizaje es hacer ejemplos simples y conocidos tales como un dipolo, una vertical de 1/4 de onda o una yagui. Para, una vez familiarizado con las funciones del programa empezar a evaluar antenas mas complicadas. MMANA-GAL viene con una librería de antenas realmente extensa, donde con un poco de suerte estará la antena que queremos evaluar y con un poco menos de suerte una parecida que modificandola sea lo que necesitamos. Así pude evaluar la antena Loop Magnética, una de las que me interesan, pues es parte de la librería que viene con el programa. Pero también hay una enorme cantidad de modelos disponibles en Internet, después de todo los diseños de antenas no son un secreto y mucha gente ha realizado evaluaciones antes que nosotros. Por ejemplo Andrew (SV1DKD) publicó un modelo para la End-Feed Half Wave (EFHW) que se puede asimilar facilmente a una long wire o una random wire (link), todo lo que pude evaluar con el modelo confirmó mi creciente certeza que es la mejor antena para condiciones portátiles, en especial si se trata de un lugar que tiene espacio libre. 
Finalmente construí un modelo desde cero para la antena Whip con carga inductiva en la base, la inductancia está construido por un modelo de printer 3D (ver foto), la inductancia tiene 30 espiras por lo que puede representar un valor máximo de 26 uHy, con un whip de 3 metros de longitud de aluminio puede sintonizar entre 40 y 15 metros con ROE por debajo de 2 mediante el recurso de hacer corto de cierto número de espiras. MMANA-GAL permite mostrar como es el ajuste pero también que clase de rendimiento se puede esperar de una antena asi, solo en 15 metros tiene una pérdida algo menor a 2 dB respecto a un dipolo (-1.5 dB). Pero en 40 metros la pérdida es de -17 dB, casi un factor de 50!, eso significa que si pongo 50W puedo esperar el mismo resultado en términos de señal que poniendo 1W en un dipolo bien cortado para la banda, contundente. 
Pero hay veces que es el precio a pagar en condiciones portátiles donde está completamente fuera de las posibilidades no ya instalar sino siquiera transportar una antena de dimensiones óptimas. En 20 metros es, quizás un buen compromiso, pues con -7 dB de pérdida respecto a un dipolo es aproximadamente una unidad S menos a igual potencia. Con modos de bajas señales o CW puede dar comunicaciones viables a nivel regional, no es poco. Otra carácteristica no siempre bien evaluada es el ángulo de partida, o mas en general, los lóbulos de irradiación. Claramente casi todas las antenas portátiles se comportan como NVIS, nombre elegante para "calienta nubes". Claramente en el caso de la antena Whip hay una mejora muy notable al ponerle radiales, y por cierto se puede jugar bastante con cual es la longitud óptima de los mismos. El módulo de optimización es realmente muy potente.
En los tiempos cuando tuve la primera exposición a "Lineas y Antenas" el Ing. Rodriguez nos enseñaba a hacer los rudimentos de éstos cálculos, a mano o a lo sumo con regla de cálculo o las primeras calculadoras programables para un puñado de puntos; en comparación éste tipo de herramienta parecen indistinguibles de la magia. René Lavand diría... "... mas lento no se puede". 


martes, 2 de junio de 2020

Propagación durante CQ WPX CW 2020

El amigo Tony (PY1AX) grabó un segmento de su participación en el concurso y en una parte del video aparezco (circa minuto 5:08), lo que fue una grata sorpresa (gracias Tony!). 
La propagación estuvo muy rara durante el concurso, hubo dos aperturas muy marcadas y breves (menos de una hora cada una) con Europa en la media tarde del Sábado y el Domingo respectivamente. No hubo run significativo con estaciones de USA con excepción de uno muy modesto el Viernes por la noche hora local. El Reverse Beacon Network (RBN) me reportaba (a mi y otras estaciones de la región) con valores muy altos de SNR y aún así la tasa se mantuvo misérrima en todo momento. Al mismo tiempo los cluster basados en reportes reales marcaban poquísima actividad entre Europa o NA y SA, por ratos largos incluso ninguna. A mi me reportaron solo un par de veces a mano aunque incontables veces me reportó el RBN. Las condiciones de propagación eran consistentes en cuanto a R/SFI con el momento en el ciclo solar que nos encontramos (pobrisimo), con quizás algo de actividad geomagnética que podría explicar el "soplido" tan molesto durante todo el concurso. Pensé incluso en algún problema en la estación pero por lo que puedo ver en el video de Tony realmente mi señal salía muy bien. No sé con que antena estaría trabajando el pero su equipo es de primera linea y tenía también dificultades para cerrar sus contactos (repetir múltiples veces el exchange) tal como me pasaba a mi. ¡Vaya uno a saber!