Antenna
Slim-JIM per andar per mari

Introduzione

L’idea di sviluppare una semplice antenna per il sistema AIS nacque da una chiacchierata con un amico appassionato di vela. Con la sua imbarcazione era solito girare per il Mediterraneo e la sua maggiore preoccupazione era quella di evitare collisioni con altre imbarcazioni. Per questo, doveva affidarsi al suo binocolo, alla vista e naturalmente, all’attenzione ed esperienza di marinaio navigato. Se questo era, pur con una certa fatica accettabile di giorno e col bel tempo, molto meno affrontabile lo era nelle traversate notturne e nel mezzo delle burrasche. Ecco allora l’idea di dotare la sua imbarcazione di un sistema di rilevamento AIS ed io, causa il mio amore per la radio, propormi di slancio e passione a sviluppare l’antenna.

Il sistema AIS

Prima di entrare nel dettaglio dell’antenna che ho immaginato, realizzato e provato, alcune parole sul sistema di identificazione automatica (in inglese: Automatic Identification System). L’AIS è un sistema automatico di tracciamento utilizzato in ambito navale in ausilio ai sistemi radar, allo scopo di identificare in modo precoce il rischio di collisioni fra le unità in navigazione. Con la dovuta licenza, possiamo dire che è “parente” dell’ADS-B per uso aeronautico e dell’APRS amatoriale.

Lo scopo primario del sistema è fornire una serie di informazioni sulle navi presenti nelle vicinanze quali ad esempio:

• Posizione dell’imbarcazione

• Velocità

• Rotta

• Destinazione

• Stato (navigazione a motore, all’ormeggio, ecc.)

• Numero identificativo MMSI

• Call sign

• Nome dell’imbarcazione

Queste informazioni possono essere visualizzate semplicemente su uno schermo, ovvero essere usate dal sistema di pilotaggio per correggere la rotta o dare un allarme in caso di possibile collisione. Inoltre, i dati trasmessi consentono alle autorità marittime di monitorare e gestire i movimenti delle navi.

Il sistema AIS impiega per ridondanza i canali 87B (161,975 MHz) e 88B (162,025 MHz) della banda destinata alle trasmissioni radio fra mezzi navali.

I dati vengono trasmessi periodicamente alla velocità di 9600 bit/sec utilizzando degli algoritmi che consentono di evitare la collisione fra le trasmissioni delle varie unità. La frequenza con cui vengono aggiornate le informazioni è variabile e dipende dall'attività dell'unità: può andare da una trasmissione ogni 3 minuti per i mezzi all'ancora o ormeggiati, fino a una ripetizione ogni 2 secondi per unità in manovra o in rapido movimento.

Proprio per garantire robustezza al sistema, vengono impiegati due canali radio al posto della singola frequenza: il sistema prevede la risoluzione automatica dei conflitti tra sé e le altre stazioni, così come l’integrità delle comunicazioni è mantenuta anche in situazioni di sovraccarico.

Date le caratteristiche delle frequenze radio utilizzate e della ridotta potenza di trasmissione, il segnale copre con certezza una distanza relativamente ridotta, dipendente dall'altezza delle antenne, che in genere si attesta attorno alle 20 miglia nautiche (36km circa).

L’antenna

Visto l’uso nautico, caratterizzato cioè da un piano di massa di dubbia definizione, da venti prolungati, dalla necessità di un lobo sostanzialmente omnidirezionale, ho valutato come una buona scelta, la configurazione “Slim-JIM”.

La Slim-JIM è un'antenna omnidirezionale polarizzata verticalmente ideata da FredJudd, G2BCX e nel seguito del testo scopriremo l’origine del suo nome. Presenta un notevole "guadagno" per via del lobo di radiazione direzionato quasi parallelamente al terreno. Questa caratteristica la rende spesso vantaggiosa rispetto a strutture di ingombro simile, quali la 5/8 λ anche per altri impieghi terrestri ed amatoriali.

Può essere costruita facilmente per quasi qualsiasi frequenza, generalmente compresa fra i 30MHz e 1GHz! Al di sotto della banda dei 10 metri diventa molto alta, così come nelle microonde la sua costruzione meccanica diventa difficoltosa a causa delle minime dimensioni.

Grazie al suo design sottile (Slim, appunto), può offrire poca resistenza al vento e questo ben s'addice alla nostra applicazione. È alimentata direttamente con un cavo coassiale 50 Ohm e il punto di alimentazione utilizza uno stub come la “sorella” J Pole.

Come anticipato, la Slim-Jim, simile alla forse più famosa J-pole, è in realtà un dipolo a mezz’onda, ed in particolare, un dipolo ripiegato alimentato ad un estremo. Per adattare l’elevata impedenza (comune a tutte le strutture a lambda/2 alimentate ad un estremo) ed adattarla ai 50Ω del cavo coassiale, ecco entrare in gioco la sezione a quarto d’onda (la parte bassa dell’antenna) anche detta “J Integrated Matching (JIM)” che permette di selezionare l'impedenza esatta di alimentazione desiderata.

La realizzazione pratica

Il passaggio dalla teoria alla pratica è semplice, veloce, economico.

Come supporto ho impiegato una sezione da 2m di tubo in polipropilene (PP) per impianti idraulici (tipicamente acque di scarico) caratterizzata dal ​​ costo contenuto ed ottima resistenza agli agenti atmosferici. La parte elettrica (la “Slim”), è realizzata con della piattina TV da 300Ohm di impedenza fissata al tubo con un poco di nastro per poterne modificare la lunghezza ed il punto di alimentazione durante la taratura finale. La scelta della piattina TV è vantaggiosa in quanto economica, di buona qualità, garantisce la geometria parallela dei conduttori senza introdurre altri elementi, è leggera, così come risulta molto semplice durante la sperimentazione modificarne la lunghezza o il punto di alimentazione.

A questo punto occorre definire le lunghezze delle varie sezioni. Per questo ho combinato teoria (calcolo e simulazione) con la pratica (prove sul prototipo), fino ad ottenere un buon risultato, consistente e riproducibile. Occorre comunque tenere sempre presente che le dimensioni ottimali possono risentire di corpi circostanti l’antenna, del tipo di supporto impiegato e delle caratteristiche reali della piattina impiegata.

Questo premesso, vediamo il miglior compromesso ottenuto, dove: