ANTENNA VERTICALE Folded Monopole per i 40mt

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1 ANTENNA VERTICALE Folded Monopole per i 40mt Mod. FMA40 di Domenico Di Simone IK6BMU info@ik6bmu.it DSD MEDIA

2 COPYRIGHT 2014 DSD Media Domenico Di Simone IK6BMU Montesilvano (PE) Property of DSD Media First Year of Publication, 2014 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced in any form or by any means, without permission in writing from the Author. Rev october Pagina 2

3 Parlare ancora di antenne verticali potrebbe sembrare ripetitivo e inutile vista tutta la documentazione disponibile sia cartacea che elettronica, ma questo progetto nacque con l idea di ottimizzare il funzionamento della mia antenna Marconi per 40mt ¼ λ installata a terra nel giardino. Avere un antenna verticale efficiente non è affatto facile, le prime difficoltà sono di natura meccanica e nascono già dovendo innalzare e controventare un palo alto 10 metri, per poi passare alla stesura dei radiali per ridurre le perdite nel terreno, ma non è finita perché un antenna così fatta presenterà un impedenza intorno ai 35 Ω che dovranno essere adattati ai canonici 50 Ω. Efficienza di un antenna verticale Una situazione tipo, è costituita dai tre elementi base: trasmettitore > linea di trasmissione > antenna Dalla letteratura classica si legge che il massimo trasferimento di energia tra generatore e carico si ha quando tutte le impedenze sono uguali. Nel caso di adattamento perfetto cioè quando l antenna è in risonanza, la linea e l'antenna vengono viste dal trasmettitore come se fossero una semplice resistenza (carico fittizio) che assorbe tutta la potenza fornita, ma basta che 1 delle 3 impedenze sia diversa, nel caso più comune l antenna, che si avrà un parziale disadattamento dovuto ad un impedenza complessa, che produrrà uno sfasamento tra corrente e tensione, provocano una parziale riflessione del segnale, che in parte verrà reirradiato, in parte verrà dissipato lungo la linea, e in parte verrà reintrodotto e/o riflesso nel trasmettitore. Quindi pare di capire che basta verificare che le 3 impedenze siano uguali, cioè 50 Ω senza componenti reattive per avere il massimo trasferimento di energia, questo però non significa massima efficienza, ma sta solo ad indicare che il carico assorbe tutta la potenza fornita, ma non dice dove e in che modo questa potenza verrà irradiata. L impedenza totale di un antenna verticale nel suo punto di alimentazione quando è in risonanza, risulta essere la somma di 3 valori che sono: 1. Resistenza di radiazione tipica 2. Resistenza del metallo con cui è costruita 3. Resistenza di terra RT. Pagina 3

4 Foldedd Monopole Antenna per 40 mt. La 1. come detto in precedenza è intorno a 35 Ω, la 2. normalmente vale frazioni di Ω e quindi può essere trascurata, mentre la 3. RT è la resistenza misurata tra il morsetto negativo dell antenna e il terreno. Quest ultima può variare da qualche millesimo di Ω, caso ottimo, a qualche decina di Ω, caso pessimo, ed è la maggior responsabile dell efficienza perché si viene a trovare in seriee alla corrente totale che scorre nell antenna ma senza produrre irradiazione e quindi più è alto il suo valore e più bassa risulterà l efficienza. Un esempio pratico La mia antennaa montata in giardino è alta 10 metri e risuona in banda 40 metri, alla base ho 4 radiali lunghi anch essi 10 metri e disposti a raggiera e appoggiati sul terreno. Se sommo la resistenza di radiazione di 35 Ω e la resistenza di Figura 1 Antenna Marconi terra 15 Ω ottengo una resistenza totale di 50 Ω ed un ROS di 1:1 sembrerebbe perfetto, ma l efficienza del sistema no ed è calcolabile facendo il rapporto tra la resistenza di terra e la resistenza di radiazione nominale cioè: 100-(15/35*100)=58% Come si vede solo il 58% della potenza fornita al carico verrà irradiata, in pratica significa che se trasmetto con 10W, solamente 5,8W ne verranno irradiati e 4,2W verranno dispersi come perdite nel terreno. La soluzione, naturalmente sta nel ridurre il più possibile la resistenza di terra, perché con una resistenza di terra di zero Ω si ha il massimo della efficienza, ma questo in pratica non è sempre fattibile perché significa installare un centinaio di radiali interrati lunghi pocoo meno di ½ λ. Un sistema alternativo è quello di rendere la resistenza di terra meno importante risollevando in qualche modo la resistenza di radiazione dell antenna a 50 Ω. Una soluzione semplice è quella di allungare lo stilo radiante del 15% in modo da innalzare la resistenza di radiazione a 50 Ω, in questo caso però l antenna avrà una componente induttiva che può essere annullata inserendo alla base dell antenna un condensatore variabile. Pagina 4

5 Foldedd Monopole Antenna per 40 mt. Il rendimento, in questo caso, sale a: 100-(15/50*100)=70% Anche in questo caso 7 W vengono irradiati e 3 W vengono dispersi, tale valore poterebbe sembrare irrisorio a tali potenze ma, se la potenza viene incrementata a 500W le perdite saliranno a ben 150W. Un altra soluzione è quella di usare un gamma-match per alimentare l antenna andando a trovare il punto, lungo lo stilo radiante, che presenta una resistenza di radiazione di 50Ω. Però esiste un'altra soluzione. Come già detto una verticale ¼ λ ha una resistenza di radiazione di 35 Ω, ma se si cambia tipologia di antenna sostituendola con una avente una resistenza di radiazione ben più alta il peso della resistenza di terra diminuisce e l efficienza aumenta lasciando i 4 radiali esistenti, cioè con la RT sempre a 15Ω. Se l altezza massima rimane a 10 metri, un antenna che presenta una impedenza più alta è la FMA o Folded Monopole Antenna anche chiamata Folded Unipole Antenna che altro non è che un dipolo ripiegato del tipo molto usato in VHF, tagliato a metà e messo verticale a terra. La sua impedenza naturalmente è la metà del dipoloo ripiegato cioè 150 Ω quindi il rendimento totale dell antenna è 100-(15/150*100)=90% ottenibile solo con un numero considerevole di radiali. Volendosi spingere oltre, variando in modo opportuno il diametro dei 2 fili costituenti l antenna è possibile variarne l impedenza ulteriormente verso l alto, aumentando ulteriormente l efficienza. Questa è appunto la strada scelta negli anni 60 da molte emittenti Broadcast in Onde Medie e Corte, che semplicemente installando 3 fili paralleli al traliccio trasmittente ottenevano un incremento dell efficienza, inoltre avendo una maggiore larghezza di banda permetteva di trasmettere 2 segnali diversi di 2 emittenti usando filtrii duplexer più economici. Le prime nozioni apparse in stampa erano contenute nel libro Radio Antenna Engineering di E. A. Laport nel 1952, ma fu J. Mullaney il principale pioniere che negli anni 60 ha pubblicato diversi libri al riguardo. Pagina 5

6 Foldedd Monopole Antenna per 40 mt. I principi fondamentali non sono cambiati moltoo da allora, ma l'esperienza ha fornito diversi miglioramentii così come alcuni punti deboli. Ma ritornandoo al settore radioamatoriale posso dire che i maggiori vantaggi rispetto alla Marconi sono una maggiore larghezza di banda e una riduzione del rumore di fondo dovuta principalmentee al fatto di essere un antenna chiusa e cortocircuitata con un elemento connesso direttamente a terra, purtroppo presenta una leggera componente induttiva che deve essere compensata con 2 capacità C1 e C2 che ne adattano anche l impedenza ai 50 Ω canonici. Simulazione Come per le precedenti realizzazioni mi sono divertito a simulare le caratteristiche elettriche col programma Mmana Gal ottenendo risultati che non sono molto diversi da quelli teorici. Giocando poi con le dimensioni ho trovato una lunghezza dove la componentee reattiva si annulla a scapito di una piccola riduzione della resistenza di radiazione come visibile nell immagine sottostante. Il primo diagramma rappresenta le curve della resistenza di radiazione in blu e della reattanza in rosso, la resistenza di radiazione a 7,1 MHz si è abbassata a 138 Ohm mentre la reattanza è praticamente 0 Ohm. Nel diagramma successivo si vede la curva del ROS che a 7,1 MHz è di poco superiore a 1,1:1 Pagina 6

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8 Foldedd Monopole Antenna per 40 mt. Nell immagine sottostante è possibile vedere la curva del diagramma di radiazione sul piano verticale dove il massimo guadagno corrisponde ad un angolo di elevazione di circa 26 Realizzazione pratica Quella che vado a descrivere in effetti è la revisione 3, versione modificata e migliorata di 2 precedenti prototipi costruiti partendo da 2 canne da pesca di 10 metri tenute a 300 mm di distanza da un supporto in policarbonato compatto di 400x400 mm mentre il filo di rame scorreva al loro esterno, le prime prove sono state fatte senza i condensatori di adattamento e usando al loro posto un Un-Un balun con rapporto 4:1 ottenendo un ROS di circa 1,3:1 su tutta la banda dei 200 KHz quindi più che buono almeno per le prime prove durate circa un anno e mezzo durante il quale ho conseguito il fatidico DXCC 40mt. Successivamente analizzando in dettaglio il funzionamento dell antenna mi sono reso conto che nella particolare condizione che i 2 fili costituenti l antenna siano dello stesso diametro, anche le correnti che vi scorrono al loro interno sono uguali e in fase e quindi la loro distanza non è influente sull impedenza complessiva ma soltanto sulla larghezza di banda poiché la distanza tra i fili va solo ad approssimare un tubo avente il diametro pari appunto alla loro distanza. Questo significa che è possibile utilizzare una sola canna da pesca mettendo i 2 fili molto vicini ottenendo per contro una riduzione della banda passante che non può a questo punto essere che un vantaggio visto il livello dei segnali in AM immediatamente sopra la frequenza di 7,2 MHz. Nelle foto che seguono è possibile vedere il risultato finale, anche in questo caso, per motivi pratici, ho preferito utilizzare un balun 4: :1 (un-un) da dove partono i 2 fili celesti che per il primo tratto di 2,5mt hanno una sezione di 4mmm 2, per il secondo tratto di 5mt una sezione di 2,5mm 2 e l ultimo tratto con una sezione di 1,5 mm 2. Pagina 8

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14 Seguono le misure strumentali effettuate con l analizzatore di antenne AA-54 della RigExpert nel range di frequenza che va da 6,7 a 7,5 MHz. Nel primo grafico sottostante è possibile vedere la curva dell impedenza in blu sovrapposta alla curva della resistenza di radiazione in rosso e la curva della reattanza in verde. Qui sotto la curva del ros sempre da 6,7 a 7,5 MHz. Riferimenti: John D. Kraus Antennas 1 edizione 1950 John Mullaney The folded unipole antenna Broadcast engineering 1986 John Mullaney Update on the folder unipole Mullaney Engineering Inc Pagina 14