Antenne per onde corte
L'antenna è l'elemento più importante per la buona riuscita di un collegamento radio. Quindi, è d'obbligo scegliere l'antenna giusta per ogni applicazione.
In generale, un filo di lunghezza qualunque può funzionare come antenna: è comunque importante avere un buon piano di massa come riferimento, oppure un contrappeso elettrico o usare un'antenna bilanciata.
Altra cosa importante è l'altezza dal suolo e la posizione rispetto ad ostacoli, come pareti, alberi o strutture metalliche. Vedete a questo proposito i post sulla propagazione in questo blog.
Le antenne filari sono le più facili ed economiche da costruire: i materiali usati sono spesso cavo isolato per impianti elettrici e scatole di derivazione, nonchè supporti realizzati recuperando oggetti di uso comune.
Sono antenne che, per la loro semplicità, ingombro minimo e peso ridotto, sono ampiamente impiegate in operazioni in portatile.
Il balun
Le antenne qui descritte hanno la caratteristica di essere di tipo bilanciato, o comunque di considerare parte attiva anche la linea di trasmissione.
Per poter funzionare correttamente, questi tipi di antenne devono raccordarsi almeno ad una linea bilanciata, tipo le piattine bifilari da 200 o 300 Ω.
In questo tipo di linea, i campi elettromagnetici emessi dalle correnti di andata e ritorno si annullano reciprocamente, evitando di irradiare nello spazio circostante.
Questo succede anche con un disadattamento dell'impedenza tra linea ed antenna.
Se con queste antenne si usa un cavo coassiale, cioè una linea sbilanciata, tutto può funzionare correttamente a patto che ci sia un perfetto adattamento di impedenza tra linea ed antenna. Ma, se come avviene nella pratica vi è un disadattamento di impedenza, il campo elettromagnetico emesso dalla corrente di ritorno non potrà controbilanciare quello della corrente di andata, irradiandosi all'esterno.
Il cavo si comporterà quindi da antenna, irradiando specialmente all'interno della casa, in modo particolare nella sala radio.
Per eliminare questo effetto, si usa il balun. Il nome deriva da Balanced-Unbalanced: è in genere un circuito magnetico che, sfruttando il modo particolare di far circolare la corrente RF, permette il collegamento di un circuito bilanciato (dipolo) ad uno sbilanciato (linea coassiale e trasmettitore), bloccando così la parte di campo elettromagnetico emessa dalla calza del cavo coassiale.
Si può anche sfruttare la caratteristica di "isolamento" dei balun nei confronti delle correnti di modo comune presenti esternamente sulla calza delle linee coassiali, realizzando così un choke (detto anche se impropriamente, ma comunemente usato, choke-balun).
Viene realizzato avvolgendo due circuiti magnetici su un nucleo, di solito toroidale. Gli avvolgimenti fanno in modo che il flusso prodotto dalla corrente di ritorno (di modo comune) si annulli nel nucleo, lasciando passare solo la corrente a radiofrequenza (differenziali).
Questo tipo di balun è generalmente a larga banda e non fa trasformazione di impedenza; la banda passante dipende dal tipo di materiale componente il nucleo (ferrite, non ossidi di ferro), dal tipo di cavo e dall'isolante usato per gli avvolgimenti. Cavo che può essere anche di tipo coassiale.
Un altro tipo di balun viene realizzato con componenti passivi: due reti di sfasamento a +90° e -90° che congiungono la parte bilanciata in un unico punto sbilanciato rispetto a massa:Essendo composto da elementi reattivi, lavora in una ristretta banda di frequenze ed è dimensionato in base all'impedenza di ingresso ed uscita.
Viene impiegato soprattutto dalle VHF in su, dove le ferriti iniziano a far sentire i loro limiti con le perdite.
Se il balun viene realizzato come un trasformatore, in base al rapporto spire si ottiene un rapporto tra le impedenze di antenna e linea. Questo diventa utile per trasformare l'impedenza elevata di particolari antenne, come il dipolo ripiegato, a quella standard di 50 Ω. Se il rapporto spire è di 1:1, allora assume la forma di balun in tensione.
Se gli avvolgimenti non sono di tipo bilanciato, ovvero si ha una semplice trasformazione di impedenza con riferimento a massa, sia all'ingresso che all'uscita, si ottiene allora un trasformatore Unbalanced-Unbalanced (un-un).
Il dipolo semplice
La più classica delle antenne è il dipolo semplice. E' formato da due conduttori lunghi un quarto di lunghezza d'onda, tenendo poi conto del fattore di velocità dei cavi, che può essere da 0.66 a 0.9, a seconda del conduttore usato.
La linea di alimentazione è presa alla metà, usando un cavo coassiale collegato con il centrale ad un braccio e la calza all'altro.
Il guadagno del dipolo semplice, rispetto al radiatore isotropico, è di 2.15 dB, l'impedenza è di 72 Ω.
I due bracci sono tenuti assieme meccanicamente da un supporto isolante. Come linea di discesa va benissimo un cavo da 75 Ω, tipo quello normalmente usato per le discese televisive.
Importante è isolare dagli agenti atmosferici i collegamenti elettrici esposti all'esterno con vernice e nastro isolante, quest'ultimo magari del tipo auto-amalgamante.
In questo tipo di antenne risonanti, la corrente sarà massima al centro (morsetto di antenna) e minima agli estremi; di conseguenza, la tensione sarà minima al centro e massima alle estremità. Collegare quindi queste estremità a dei tiranti con degli ottimi isolatori ceramici o in teflon: devono sopportare elevate tensioni a radiofrequenza e reggere agli agenti atmosferici.
Il dipolo semplice è un'antenna di tipo bilanciato, quindi per funzionare non ha bisogno di un piano di massa ma va impiegato il balun.
La Long Wire
Un filo di lunghezza qualunque. E' questa l'antenna più semplice da realizzare. Più lungo è il filo, migliore potrà essere la resa. Sempre a patto di usare, con queste antenne, un adeguato piano di massa.
Ciò che interessa a noi, è l'impedenza presentata alla linea. Giocando con un'ampia banda di frequenze, l'impedenza varia da pochi ohm a decine di migliaia di ohm, che potrebbero non essere adattati facilmente alla radio.
Ci sono due modi di utilizzare queste antenne. Se analizziamo l'andamento dell'impedenza Z0 in funzione della frequenza f, otterremo dei minimi e dei massimi.
Le End Feed Half Wave Antenna sono lunghe 1/2 λ; presentano quindi ai morsetti una elevata impedenza. Si può ridurre questo valore con un trasformatore un-un 9:1 fino a 49:1 ed oltre, seguito da un choke-balun per arrestare le correnti di modo comune. Se sono calcolate per la frequenza più bassa, ad esempio 3.5 MHz, si possono utilizzare anche a 7, 14 e 28 MHz. Il match è ottenuto con una rete LC parallelo.
Le Random Wire Antenna invece utilizzano le zone ad impedenza più bassa, che cadono attorno a 200 Ω. Entro un certo limite, con un trasformatore 4:1 seguito da un choke-balun, si riescono ad accordare più o meno tutte le bande. Il match è ottenuto con una rete LC ad L o a pi-greco.
La lunghezza non è propriamente casuale, va cercata quella che riesce a realizzare un compromesso tra bande di frequenza e valori attorno a 200 Ω. L'uso del choke-balun è sempre obbligatorio, assieme ad una buona messa a terra o un ground plane.
La "V invertita"
La "V invertita" (Inverted V antenna) è in pratica un dipolo semplice con i rami che scendono verso terra, formando tra di loro un angolo di 90...120 °.
La lunghezza dei rami, oltre ad essere raccorciata dal fattore di velocità, risulterà ultreriormente più corta a causa della inclinazione dei due semidipoli.
Essendo l'angolo dei due rami inferiore a 180 °, l'impedenza ai morsetti sarà inferiore a 72 Ω, raggiungendo circa i 50 Ω con un angolo di 120 °.
Per ragioni di sicurezza, oltre a limitare l'effetto del suolo, tenere le estremità ad almeno tre metri di altezza: come in tutti i dipoli avremo in questi punti il massimo della tensione a radiofrequenza.
La "L Rovesciata"
Per la costruzione di una "L rovesciata" (Inverted L antenna) è sufficiente disporre di un cavo elettrico in PVC, da 4 mm², lungo un pò di più di un quarto d'onda e teso tra due sostegni.
Il lato orizzontale viene ancorato tra due camini o ai pali di sostegno, tramite degli isolatori, oppure con degli spezzoni di corda di nylon, che assicurano un buon isolamento.
La discesa è la seconda parte dell'antenna ed è realizzata con lo stesso cavo, steso verticalmente. Va terminata presso il connettore per antenna esterna della radio, curando soprattutto una buona messa a terra.
Essendo un'antenna tipicamente induttiva, va collegata alla radio con un condensatore variabile per cancellare la reattanza positiva. Il valore dipende dalle dimensioni dell'antenna e varia da 100 a 1000 pF.
Per ottenere buoni risultati, è bene che queste antenne siano sistemate nel luogo più alto dell'edificio, lontano da ostacoli naturali e da oggetti metallici.
La Windom
L'antenna che richiede meno lavoro e che presenta il migliore rapporto costo-prestazione per i nostri scopi è l'antenna Windom, che consiste in un dipolo teso orizzontalmente dal quale la discesa viene derivata fuori centro, realizzando così due bracci lunghi rispettivamente un terzo e due terzi della lunghezza totale.
In origine, la discesa era un singolo conduttore collegato alla parte orizzontale. In questo modo, però, il conduttore faceva parte dell'antenna, insomma irradiava, con grossi problemi di "RF in the shack". Può andar bene se si usa soltanto in ricezione.
Attualmente, questo tipo di antenna collega la discesa o ad una linea bilanciata a 300 Ω, oppure ad un trasformatore di impedenza ed ad un balun, spostando il punto di alimentazione.
Questa antenna ha la massima resa per i segnali che giungono ortogonali alla direzione del conduttore ed ha il massimo rendimento in corrispondenza della sua frequenza di risonanza, calcolata come per i dipoli semplici.
Quindi, se ci interessano i 20 metri (centro banda a circa 14250 kHz per la fonia), la lunghezza totale del filo teso sarà di 145.000:14250 = 10,175 metri e la discesa sarà collegata ad un terzo, cioè a 3,392 metri da una estremità.
L'antenna Windom, se sufficientemente lunga, puo essere poi usata anche per lavorare su altre gamme di frequenza, lavorando in armonica.
73 de Andy IV3ONZ
Link utili e bibliografia:
- "ARRL Antenna Book", 21st Edition
- Constantine A Balanis, "Antenna Theory Analysis and Design" 2nd Ed., © 1982-1997 John Wiley & Sons
