Prima puntata, gli antefatti.
Le antenne collineari in polarizzazione verticale sono strane bestie. In teoria tutto è chiarissimo, in pratica, come ha già scritto qualcun altro, sono mal di testa assicurati. Mi risolvo a pubblicare questo primo contributo, diciamo un’anteprima, perché l’amara realtà è che non ho ancora in mano una procedura verificata e replicabile che porti alla costruzione di un’antenna completa, compresa di rete di adattamento di impedenza, radome e supporto di montaggio. Le antenne che nel tempo ho costruito danno risultati troppo altalenanti per essere consigliate ad altri.
Vediamo un breve riassunto degli aspetti teorici, riferiti per semplicità ad un array di 4 elementi.
Questo è il diagramma di irradiazione di 4 dipoli a mezz’onda alimentati separatamente e spaziati fra di loro di circa un 80% di lunghezza d’onda. Il risultato è magnifico. Purtroppo si tratta di una configurazione che può essere alla portata solamente di installazioni professionali e costose, come quelle delle radio FM. Necessita, infatti, di una rete di alimentazione che garantisca uguale fase e uguale corrente su tutti gli elementi.
Cosa ci insegna, comunque, questa configurazione? Prima di tutto che i dipoli devono irradiare in fase fra di loro. Poi, ma questo è secondario, che il guadagno dipende anche dalla spaziatura fra i singoli elementi. Se sono troppo vicini, il guadagno non sarà ottimale.
Perché due o più dipoli in configurazione collineare possano irradiare in fase essi devono essere collegati fra di loro da una linea lunga esattamente 180° elettrici e questa linea non deve irradiare. Inoltre questa linea deve garantire una ragionevole spaziatura fra gli elementi sovrapposti.
L’approccio storico è questo. I tratti orizzontali sfasano di 180° e irradiano poco, peraltro in polarizzazione inversa rispetto all’antenna base.
Tuttavia un’antenna come questa presenterebbe problemi costruttivi infiniti. Come la si tiene in posizione? Come la si protegge dalle intemperie?
In pratica i modi accettabili per realizzare un tratto di sfasamento che non irradi restano due.
Il più noto in ambito amatoriale è quello della CO-CO, la collineare coassiale. Si utilizza un cavo coassiale opportunamente tagliato a misure elettriche definite e si invertono massa e centrale del coassiale ad ogni giunzione. In questo modo irradieranno solo le sezioni nelle quali il segnale percorre la calza, mentre nelle sezioni in cui il segnale percorre il conduttore interno la radiofrequenza sarà confinata all’interno del cavo a causa della schermatura prodotta dalla calza.
Il metodo più usato in antenne professionali è tuttavia quello delle sezioni ad elica, chiamiamole pure bobine per nostra sanità mentale. Ora fra un dipolo e il successivo vengono interposte bobine che sfasano nella misura richiesta ma che non irradiano, o almeno irradiano il meno possibile.
Si tratta in pratica di questo.
La base dell’antenna può essere indifferentemente una GP o uno sleeve dipole mezz’onda. Un esempio commerciale di questo approccio sono le Sirio GP.868.
Il risultato in teoria è molto buono ma … ci sono i suoi ma. Bisogna essere precisi nella misura delle bobine, bisogna essere certi che le bobine introducano uno sfasamento di 180°. Bisogna anche ottenere delle bobine che separino i dipoli almeno di qualche centimetro, diciamo fra 5cm e 8cm a 868 mhz, altrimenti il guadagno calerebbe troppo.
E qui arriviamo al nocciolo della questione che mi ha convinto a pubblicare questa prima parte di quello che spero diventerà un contributo completo sulle collineari con sfasamento a bobina.
Dopo infiniti sbattimenti con bobine di varie dimensioni ho deciso che bisognava adottare una soluzione pragmatica e ripetibile per la misura delle bobine.
Con il VNA posso vedere la fase dell’antenna base.
Si tratta in questo caso di una classica GP che ho inserito nel radome che in seguito intendo usare.
Come si può notare, guarda caso, tutti i marker che giacciono sull’asse di risonanza hanno fase ragionevolmente vicina a 0°, oppure a 180° che per come funziona il nanoVNA è la stessa cosa. I marker si trovano nel punto di inversione della fase.
Guarda caso? A ben considerare la cosa non è per niente un caso. Se un’antenna è risonante significa che, a prescindere dalla parte resistiva dell’impedenza, la parte reattiva sarà zero e anche la fase sarà 0. Perchè le resistenze pure, sul piano di Gauss, stanno sull’asse delle ascisse.
Da Wikipedia
“In analisi complessa, il piano complesso (chiamato anche piano di Argand-Gauss) è una rappresentazione bidimensionale dell’insieme dei numeri complessi. Può essere pensato come un piano cartesiano modificato, con la parte reale rappresentata sull’asse delle ascisse, detto per questo asse reale, e la parte immaginaria rappresentata sull’asse delle ordinate, detto quindi asse immaginario.”
Quindi, partendo dall’antenna base e aggiungendo la bobina dobbiamo fare un +180° e tornare alla stessa fase in valori assoluti. Diamo per scontato che siamo in grado di riconoscere uno sfasamento di 180° da uno sfasamento di 360°, almeno usando il NEC come supporto orientativo per il calcolo della bobina.
Peraltro lavorare con la fase usando il nanoVNA sembra dannatamente difficile, perché nella zona di inversione della fase i numeri cambiano troppo rapidamente per essere utilizzabili.
Allora, empiricamente, la strada più corta potrebbe consistere nel preparare una base, diciamo una GP, in perfetta risonanza e poi saldarci sopra la bobina. Si noti che in questo caso il diametro della bobina è stato scelto in modo di adattarsi al radome. La bobina è diametro 16mm e, come vedrete, conterà circa 4 spire spaziate da circa 12 mm. E’ un compromesso, in realtà un diametro ottimizzato dovrebbe essere minore e il numero di spire maggiore, e maggiore anche la dimensione verticale della bobina. Ma bisogna che l’antenna stia ragionevolmente ferma dentro al radome.
Adesso si può trimmare la bobina, sempre al’interno del radome, fino a quando non ritroviamo la risonanza. Trimmare? Insomma, cominciate con almeno una spira in più e tagliate via un pezzettino alla volta. Basta controllare dove il tracciato intercetta la linea orizzontale nel diagramma di Smith. L’impedenza sarà, almeno nella prima sezione collineare, molto bassa, ma di questo al momento non dobbiamo preoccuparci, perchè l’impedenza crescerà, anche troppo, aggiungendo i segmenti successivi.
E’ vero quello che sto dicendo? E’ sufficiente cercare la risonanza? Spero che qualche buon laureato in fisica lo possa confermare ma io sono portato a credere che sia vero.
Sopra la bobina saldiamo il prossimo dipolo e trimmiamo a risonanza. Dentro il radome e a risonanza, non a 50 ohms. Del ROS ci occuperemo dopo. E, per estremo scrupolo, sia chiaro che le foto sono state fatte senza il radome, altrimenti cosa si vedeva? Ma le misure sono state fatte con il radome montato.
Eventualmente ripetere, per il numero delle sezioni collineari richieste … Alla fine, se aggiungiamo 3 o più sezioni, avremo un sistema risonante con impedenza piuttosto alta, dipende dal numero degli elementi ma comunque sopra 100+j0. Quindi dovremo pensare ad una rete di adattamento, che in questo caso consiste classicamente in un segmento di coassiale ¼ onda a 75 o anche a 100 ohms. Cercherò di essere meno evasivo nelle prossime puntate.
In coda, avendo io un po’ di dubbi sul fatto che parecchi possano confondere il concetto di risonanza con il ROS, voglio aggiungere due parole appunto sulla risonanza.
Un sistema è risonante quando la sua impedenza complessa si esprime con R+-j0, cioè quando esiste una parte resistiva che assumerà dei valori a priori indefiniti ma la parte reattiva sarà zero.
Per capirci, un dipolo a mezz’onda, risonante, avrà un’impedenza diciamo di 72+j0 ohms. Un loop quadrato a onda intera, risonante, sarà sui 130 ohms. Nessuna delle due antenne avrà ros 1.0 a 50 ohms, ma ambedue sono a buon diritto risonanti. Il corollario di questa affermazione è che non è buona cosa andare a spataccare con un’antenna che di suo ha una certa resistenza al punto di risonanza per cercare di forzarle la mano e convincerla che 50 ohms sono la cosa buona e giusta. Non funziona in quel modo, quello è il modo per trasformare una buona antenna in un carico fittizio. La cosa giusta da fare è, invece, inserire fra antenna e radio una rete di adattamento che lasci in pace l’antenna e che trasformi l’impedenza in modo di far contenta la radio.
Adesso sarebbe molto bello potervi dire che l’antenna che avete visto nelle foto è stata testata sul campo e funziona dannatamente bene. Purtroppo questo, al momento, non è il caso. Infatti, proprio mentre stavo lavorando a questo contributo, sono stati clamorosamente spenti i due router di San Marino, e in particolare T79B, che io usavo per testare le antenne direttamente dal balcone di casa.
Quindi concludo con l’auspicio che qualcuno possa replicare questa antenna, non è poi un progetto così complesso, e testarla. Questo aiuterebbe anche me.
Amen. Paolo
mario