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".