Un filo a caso per antenna.. ma ben accordato!

Un filo teso fra due supporti comodi e una messa a terra rappresentano da sempre una delle forme più elementari ed economiche di antenna, almeno per le per le bande più basse. Raramente però la lunghezza e altezza disponibili cooperano a far si che l’impedenza vista dal ricetrasmettitore sia quella desiderata, prossima ai 50Ohm.

I metodi per accordare un radiatore del genere sono molteplici: vediamo in questo esempio ed applicazione un metodo semplice e funzionale per risolvere il problema.

L’antenna

Nella mia nuova casa, sfruttando alcuni supporti e camini sui tetti, ho avuto modo di installare un cavo circa orizzontale lungo 38m e ad una altezza di circa 7m da terra. Il tutto realizzato senza né calcoli né ottimizzazioni, ma con la filosofia che: quello che ci sta, si monta. Ad una estremità il cavo scende a terra, dove ho un picchetto di messa a terra realizzando di fatto una struttura a L coricata. Quello è il mio punto di alimentazione dell’antenna, là dove misurarne l’impedenza e convertirla ai 50 Ohm desiderati, per poterci poi collegare il coassiale fino allo shack.

Con un VNA (il miniVNA nel mio caso) ho misurato l’andamento dell’impedenza ai terminali prima

Figura 1: Andamento di modulo e fare del return loss dell'antenna, misurato ai suoi morsetti. File: "VNA-raw.jpg"

indicati nel campo di frequenze compreso fra 0,1 e 10MHz, campo al cui interno ricadono le bande amatoriali dei 160, 80 e 40m, in cui desideravo provare di far funzionare l’aereo.

Ecco sopra il risultato che evidenzia un picco di buon adattamento attorno a 1300kHz: ottimo forse per le onde medie ma non per i nostri scopi. Nelle bande assegnate al servizio radioamatoriale l’antenna appare invece molto disadattata, come prevedibile.

Per riportare i valori misurati ai fatidici 50Ohm servirà una rete di adattamento, magari semplice e con poche variazioni fra una banda e l’altra.

Confidando nell’esperienza ed in un pizzico di fortuna è possibile ipotizzare che una semplice rete LC possa risolvere il problema.

Proviamo quindi a calcolarla per le due bande più basse e mettere tutto in una tabella:

dove:

Band: banda radioamatoriale

Frequency: frequenza di misura espressa in Hz

Return loss dB: modulo dell’adattamento

Return loss phase: fase dell’impedenza

RS: parte reale (resistenza) equivalente dell’antenna

Xs: parte immaginaria (reattanza capacitiva o induttiva) dell’antenna

|Z|: modulo dell’impedenza

L[uH] è il valore di induttanza serie per ottenere l’adattamento con una rete LC

C [pF] è il valore di capacità parallelo per ottenere l’adattamento con una rete LC

Vp @100W è il valore di picco della tensione ai capi dell’antenna quando il trasmettitore eroga 100W (valore tipico degli apparati radioamatoriali).

Il calcolo dei valori di L e C sopra indicati può essere eseguito con vari metodi, spaziando fra quelli grafici e quelli analitici più complessi. Io ho trovato molto comodo e preciso il tool on line della Analog Device (il cui link è riportato in bibliografia) di cui sotto riporto una scherma

Figura 2: Schermata del calcolatore on line per l'adattamento di impedenza File: Calculator.PNG

ta tipica.

Studiando un poco i valori ottenuti, si vede come sia possibile adattare in 80 e 160m il filo con solo due valori di induttanza e altrettanti di capacità, impiegando il seguente schema:

Figura 3: Schema elettrico del tuner e suo comando File: schematuner.jpg

L’induttanza serie è divisa in due parti, con la seconda da 1,2μH cortocircuitabile dal contatto del relè RL1. C1 e C2 sono le capacità in parallelo all’antenna e la seconda è inseribile nel circuito tramite il contatto di RL2.

Quando si intende operare in 160m, RL2 sarà attivo e si avrà quindi come induttanza serie la somma di L1 e L2 (10,5 + 1,2 = 11,7μH) e come capacità parallelo la somma di C1 e C2 (100 + 680 = 780pF).

Quanto invece si intende operare in 80m, il RL2 sarà disattivato e quindi C2 escluso, mentre RL1 metterà in corto circuito L2. In tal modo avremo 10,5μH serie e 100pF in parallelo.

Per poter vedere magari anche da lontano quali relè sono attivi, in parallelo alla bobina di ognuno ho posto un diodo led di diverso colore. Una breve nota sul comando dei relé, che devono essere comandati in modo opposto (quando uno è attivo, l’altro non deve esserlo e viceversa), fatto che apparentemente obbliga ad usare due fili distinti per il loro comando. Con un piccolo “trucco” è possibile invece impiegare una sola linea (oltre al ritorno usando la calza del cavo coassiale che collega l’accordatore con la radio). Per far questo basta fare in modo che la tensione continua con cui si alimenta la linea di comando dei relè ne raggiunga solo uno alla volta. Il “trucco” sta nel porre in serie ad ogni relè un diodo (D1 e D2 nello schema) in verso opposto l’uno rispetto all’altro. Quando alimenteremo tramite il “band selector” la linea con tensione positiva attiveremo solo RL1 e quindi potremo operare sugli 80m. Viceversa, invertendo la polarità otterremo l’alimentazione solo di RL2 e quindi l’accordo in 160m.

Dal progetto alla pratica costruttiva

Anzitutto è necessario procurarsi o realizzare i componenti necessari. Per le capacità suggerisco di usare componenti commerciali per radiofrequenza e tensioni elevate, specie se si intende operare con più dei 100W usati come esempio sopra nel calcolo della tensione ai capi dell’antenna. Le induttanze è più facile costruirsele in proprio,

Figura 4: Bobina avvolta sopra un tubo in PVC da idraulica da 40mm di diametro File: bobina.jpg

magari avvolgendo del cavo per impianti elettrici su un supporto in PVC, tipo tubo da acqua per intenderci, avendo memoria di realizzare una presa per L2.

Figura 5: Vista interna del contenitore plastico, con evidenza della bobina, dei due relé e dei condensatori File: box.jog

Come relè, ho preferito impiegare un modello sotto vuoto di produzione sovietica: la qualità di questi componenti è in genere più che buona, il prezzo non eccessivo e l’affidabilità elevata.

Il tutto può essere cablato dentro ad una scatola in plastica stagna posta in prossimità del punto di alimentazione dell’antenna. Visti gli elevati valori di tensione che può raggiungere l’uscita, può essere raccomandabile sia impedire che persone o animali possano venirvi in contatto quando si trasmette, sia porre dei segnali di avviso.

And now.. all together on the field!

Terminata la costruzione non ci rimane che installare il t

Figura 6: Vista dell'accordatore nella posizione definitiva nel punto di alimentazione dell'antenna File:box1.jpg

utto e verificarne il funzionamento.

Figura 7: Sessione di misura col miniVNA (la scatoletta blu sulla sinistra) e il PC alla base dell'antenna File: misure.JPG

La scatola coi componenti è fissata vicino a terra alla base della “L” della long wire e in prossimità della relativa messa a terra, realizzata col consueto picchetto. Se si abita in zone nevose, è opportuno ove anche non necessario impedire che abbondanti precipitazioni possano “seppellire” il tutto, portando magari al cortocircuito le connessioni, in particolare quella verso l’antenna.

Quando tutto è pronto e ben fissato si può passare al collaudo finale nelle due bande di frequenza.

Nella mia installazione ho ottenuto i seguenti risultati:

Andamento dell’adattamento in banda 80m File: match80.jpg	Andamento dell’adattamento in banda 160m File: match160,jpg

I risultati mi paiono incoraggianti e idonei a permettere un ragionevole traffico nelle bande indicate, considerando anche la semplicità della soluzione adottata. Questo detto, non mi resta che augurare ad ognuno buoni collegamenti e sperimentazioni sulle bande più basse, magari prendendo proprio spunto da questa storia.

Bibliografia

https://www.analog.com/en/design-center/interactive-design-tools/rf-impedance-matching-calculator.html#