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ANTENNA VERTICALE PER HF NON ACCORDATA tipo: livello:
Come modificare una 5/8 in 27 come verticale HF multibanda.
 
 



 Per tenerci occupati durante l'estate,

a seguito dell'articolo sulla modifica

dell'accordatore, convertiamo

alle HF anche l'antenna!

Antenna verticale HF non accordata

 

 

In origine era una Mosley Devant Special, ovvero una 5/8 in 27,  vediamo come utilizzarla per altre gamme.

Si tratta di un’antenna fabbricata dalla americana Mosley nel 1977. Il discorso è applicabile a qualsiasi antenna che sia composta da uno stilo verticale, il più lungo possibile.

Elettricamente si tratta di una 5/8  per la gamma CB, dunque è utilizzabile così com’è sia in 27 sia in 10 metri, accorciandola leggermente.

L’antenna si presenta come uno stilo di 6 metri circa con un piccolo cappello capacitivo, tre radiali lunghi 2.50 m circa e un accordo formato da due semispire alla base dello stilo, che è quindi isolato dal palo di supporto. 

Qualsiasi antenna di cui sia possibile recuperare il solo stilo, bobine, adattatori di impedenza o qualsiasi altra cosa posta alla base andrà rimossa conservando il solo stilo verticale, e (a scelta) gli eventuali radiali.

 

Qualcosa di più, verticale multibanda

 

Da alcuni anni sono in vendita, da parte di più produttori, antenne che richiedono l’uso di un accordatore: sono sostanzialmente degli stili isolati dal supporto la cui lunghezza varia da 6 a 8 metri provvisti di piccoli radiali. Per la nostra modifica questa sembra l’idea giusta.

Antenne di questo tipo sono in vendita a prezzi variabili tra 100 e 400 euro, secondo la marca.

Un’antenna più lunga della frequenza di risonanza avrà un’impedenza di tipo induttivo, mentre un’antenna troppo corta diventerà capacitiva. Tutti sappiamo bene che le antenne corte vengono elettricamente allungate con una bobina di carico che contrasta fino a annullare la parte capacitiva dell’impedenza dell’antenna.

L’alta impedenza dello stilo non accordato è difficile da valutare, del resto non posso misurarlo, potrebbe essere compresa da 100 a 800 ohm, in seguito vedremo una simulazione; tanti per un accordatore, ma ancora di più per la discesa coassiale a 50 ohm,  poi questo dovrebbe essere montato nelle immediate vicinanze dell’antenna ed essere dotato di telecomando. Non va bene, ma i signori che vendono questo tipo di antenne come hanno risolto il problema? Non lo hanno risolto, si sono limitati a spaccarlo in due problemi più piccoli. Hanno abbassato l’impedenza dell’antenna ricorrendo a un balun 4:1 montato direttamente sotto lo stilo che costituisce l’antenna e che la porta l’impedenza a valori ragionevolmente compresi da 25 a 200 ohm. Richiede ugualmente l’uso di un accordatore in stazione prima del ricetrasmettitore.

Un accordatore manuale, anche autocostruito dovrebbe essere in grado di accettare impedenze, la cui parte reattiva dovrebbe essere più bassa possibile, comprese tra 20  e 600 ohm.

L’idea è geniale, e mi è stata suggerita da una realizzazione per l’uso in portatile di Angelo IK1QLD.

In questo caso è necessario che l’antenna si mantenga quanto più possibile su valori di impedenza alti, dunque che lavori lontano da ¼ d'onda e multipli dispari, uno stilo da quasi 6 metri (come il nostro) è più lungo di ¼ d'onda in 20 metri e, fino a 37 MHz, non arriva a ¾ d'onda. Utilizzando gli elementi non usati dei tre radiali originali possiamo aumentare la lunghezza dello stilo fino a 7 metri dove siamo ancora sopra il ¼ d'onda in 20 metri e i ¾ cadono a 32 MHz, sempre fuori gamma.

Dalla figura vediamo l’andamento della tensione, della corrente e dell’impedenza in una antenna lunga fino a un’onda intera. I punti a bassa impedenza sono localizzati vicino al quarto  e ai ¾ d'onda, dunque è assolutamente necessario che la lunghezza del nostro stilo sia lontana da questi punti, oppure che questi non cadano in gamme che ci interessano.

Uno stilo di 8 metri ha il ¼ d'onda a 9 Mhz abbondanti, ma i ¾ l cadono in piena gamma CB: significa che abbiamo superato il punto di risonanza. In figura siamo passati dal terzo al quarto quadrato in basso a destra.

Sempre in figura non dobbiamo dimenticarci che l’impedenza di una antenna è rappresentata da un valore complesso, formato quindi da una parte reale, di tipo resistivo e da una parte immaginaria di tipo reattivo che può essere induttiva o capacitiva; il grafico riportato non è in scala e l’impedenza è riportata in valore assoluto, del resto deve solo fornire un esempio “illustrato” di cosa potrebbe succedere lungo lo stilo dell’antenna. Non sono considerati nessuno dei fattori esterni che influenzano il funzionamento dell’antenna, oggetti metallici, alberi o edifici nelle vicinanze, la distanza da terra ecc.

Per le bande per cui sarebbe possibile realizzare una antenna di questo tipo ho calcolato la lunghezza elettrica di ¼  e dei ¾ d'onda, già accorciati del 3%, come se dovessi calcolare lo stilo di una GP. La lunghezza dell’antenna deve dunque essere compresa tra i ¾ d'onda della frequenza più alta e il ¼ d'onda di quella più bassa. Ipotizzando un’antenna che possa essere utilizzabile tra i 10 e i 20 metri sceglieremo un’antenna lunga da 5.16 m a 7.3 m, avendo cura di scegliere una misura lontana da questi due valori estremi che rappresentano due frequenze di risonanza. Dunque la lunghezza originale del nostro stilo potrebbe essere adatto per le prime prove. Successivamente è possibile allungarlo fino a circa 8 metri per cercare il possibile utilizzo anche in 40 metri, sapendo però che potremmo perdere i 10 metri dove siamo vicini a uno dei punti di risonanza.

Sulla Mosley è possibile allungare lo stilo semplicemente spostando il foro che fissa l’elemento piccolo a quello di diametro maggiore, per tre delle quattro giunte che sono necessarie a formare lo stilo è possibile spostare il foro di fissaggio e guadagnare fino a 20 cm in lunghezza per ogni giunta; dall’ultima giunta è possibile guadagnare solo 5 cm. Per ottenere lunghezze maggiori di 660 cm è necessario ricorrere a pezzi di tubo ricavati dagli ex_radiali (i diametri sono uguali) per effettuare delle giunte e raggiungere la lunghezza richiesta. Per com’è costruita l’antenna non sembra prudente superare gli 8 metri di lunghezza dello stilo. È in ogni modo sempre prudente utilizzare un sistema di tiranti in filo di nylon per sostenerlo.

I modelli commerciali utilizzano 5 o 6 radialini da 50 cm, personalmente ritengo più efficace l’uso di un buon numero di radiali tarati a ¼ d'onda ; l’ultima colonna a destra della tabella riporta la lunghezza degli eventuali radiali tarati (calcolati accorciando il quarto d'onda del 5%) costituiti da normale trecciola da impianti elettrici, da disporsi in maggior numero possibile per ogni banda di utilizzo.

 

Frequenza (Mhz)

¼ d'onda (metri)

¾ d'onda (metri)

Radiali ¼ d'onda (metri)

50.200

1.450

4.350

1.420

29.900

2.430

7.300

2.380

28.000

2.600

7.800

2.540

24.900

2.920

8.765

2.860

21.100

3.450

10.350

3.380

18.100

4.020

12.060

3.940

14.200

5.160

15.480

5.050

10.100

7.200

21.600

7.050

7.100

10.250

30.750

10.040

3.600

20.200

60.600

19.790

1.800

40.400

121.200

39.580

Tabella 1 – frequenze e lunghezza del ¼ e ¾ l già accorciati del 3% e radiali già accorciati del 5%

 

 

 

 

La simulazione

QUI le tabelle citate, in formato word

 

È una parola di moda. Si tratta di capire, almeno in via teorica, cosa può accadere in uno stilo che abbiamo deciso non essere risonante. Non avendo nulla di meglio ho cercato un vecchio programma dos, che funziona bene anche in finestra dos di windows, si tratta di mn.exe. Versione amatoriale realizzata nel 1988 da Brian Beezley, K6STI del più serio  mininec. È un software che effettua l’analisi di una antenna partendo da alcune premesse e un file ascii che descrive geometricamente l’antenna.

Le premesse utilizzate nella simulazione sono:

diametro dello stilo 20 mm (.02 m) lungo da 6 a 8 metri con step di 20 centimetri, montato su un piano di terra ideale (il nostro piano di terra non sarà ovviamente ideale). La frequenza è stata cambiata partendo dai 40 fino ai 10 metri, WARC comprese, per un totale di sette simulazioni per ognuna delle 11 misure dello stilo.

Il risultato della simulazione è un valore di impedenza espresso in forma complessa, con una parte reale o resistiva e una parte immaginaria o reattiva. In Tabella  sono riportati i valori calcolati espressi in valore assoluto, o in modulo. Ad esempio il valore di 184 ohm riferito allo stilo da 6.60 m in banda 20 metri è ottenuto partendo dal risultato fornito dal programma 102 +j153 ohm estraendo la radice quadrata della somma dei quadrati dei due valori. Esattamente come se volessimo calcolare l’ipotenusa di un triangolo rettangolo avente per lati i due valori che formano il numero complesso ricorrendo al teorema di Pitagora.

Freq.(MHz)

Lunghezza dello stilo, in metri, da 6 a 8 m a passi di 20 cm

 

6.00

6.20

6.40

6.60

6.80

7.00

7.20

7.40

7.60

7.80

8.00

7.100

217

204

193

11–j 181 (181)

170

159

149

139

128

178

108

10.100

76

64

38

28-j34 (44)

37

35

38

47

56

69

84

14.100

110

132

157

102+j153 (184)

213

244

279

318

362

410

466

18.100

377

442

518

503+j334 (604)

697

788

861

895

883

833

763

21.100

756

824

839

710-j376 (803)

689

654

578

511

451

400

355

24.900

577

501

435

146-j349 (378)

330

287

249

215

184

154

126

28.100

320

275

236

64-j192 (199)

166

135

106

80

58

51

64

Tabella 2 – Impedenza teorica in funzione della frequenza e della lunghezza dello stilo

 

 

Come prova ho simulato uno stilo da ¼ d'onda in 20 metri (5.16 m), il risultato è stato molto vicino ai 35 ohm teorici, con la parte reattiva estremamente bassa.

In Tabella  ho riportato in rosso i valori in cui la parte reattiva è da 5 a 20 volte maggiore della parte resistiva, in giallo quando è fino al doppio, in verde quando i due valori sono numericamente paragonabili e in nero quando la parte reale è decisamente più alta di quella immaginaria ed è la zona dove l’uso dovrebbe essere più vantaggioso.

I risultati migliori si ottengono infatti quando la parte immaginaria è minima, ovvero quando l’impedenza dell’antenna è prevalentemente resistiva.

Da questi valori dobbiamo scegliere la lunghezza dello stilo in cui la banda che riveste per noi maggior interesse ha impedenze comprese tra 150 e 300 ohm. Il balun provvederà a dividerla per quattro e renderla sopportabile al ricetrasmettitore che potrebbe non richiedere l’uso di un accordatore. Le impedenze teoriche più vantaggiose per l’uso previsto sono riportate in tabella in neretto.

Tutto questo in teoria, ma in pratica? In nostro problema é, come sempre, il piano di terra che abbiamo ipotizzato essere ideale. Quello che più si avvicina a un piano di terra ideale é una sistema di almeno 8 radiali tarati a ¼ d'onda (- il 5%, secondo l’ultima colonna della prima tabella ) nella gamma in uso. Montare 5 serie di 8 radiali non é ragionevole, dunque ci limiteremo a montare quanti più radiali possibile per ogni gamma di utilizzo, tutti collegati insieme alla massa dell’antenna. Montando “solo” tre radiali per le 5 gamme previste siamo a 15 pezzi di filo da disporre a raggiera sotto lo stilo, ancora tanti. Ognuno di noi adotterà la soluzione migliore secondo le proprie possibilità logistiche. Stiamo realizzando una antenna che é comunque un compromesso, in 10, 12 e 15 metri sarà possibile disporre tre o quattro radiali per gamma, in 17 e 20 metri cercheremo di tirarne due o tre.

In 30 metri l’impedenza é molto bassa perché siamo vicini al ¼ d'onda, il balun abbasserà ancora l’impedenza fino a portarla a valori compresi tra 10 e 20 ohm. In 40 metri la componente reattiva é da 10 a 20 volte più alta di quella resistiva, la cosa dovrebbe rendere inutilizzabile l’antenna su questa banda… tuttavia si può provare.

La discesa di cavo coassiale a 50 ohm é collegata a un carico con una non trascurabile componente reattiva la cui impedenza può variare fino a 200 - 300 ohm. Con un disadattamento pari al doppio (o alla metà) dell’impedenza caratteristica avremo un rapporto di onde stazionarie sulla linea pari a 2:1: alto, ma ancora accettabile.

La presenza di radiali risonanti potrebbe non annullare del tutto il rischio che la discesa irradi radiofrequenza, per questo può essere una buona soluzione inserire sul cavo della discesa alcune ferriti, piccoli toroidi infilati nel cavo prima di saldare il PL oppure quelle che sono impiegate dei cavi di alimentazione. Un buon sistema può essere una matassa, ben infascettata, di 16 – 18 cm di diametro avvolta con 6 – 7 metri di cavo coassiale della discesa. Questo dovrebbe fermare quella parte di RF che tenta di scorrere all’esterno della calza del cavo coassiale, anziché al suo interno e che finirebbe nuovamente in stazione.

 

Il balun 4:1

 

Il balun è un trasformatore di impedenza, in questo caso non è necessario rendere bilanciata l’alimentazione non bilanciata fornita dal cavo coassiale perché antenna e cavo sono entrambi non bilanciati.

In commercio esistono numerosi modelli di balun adatti all’uso con questa antenna.

Balun 4:1 e toroidi Amidon

 

Toroide

Numero di spire bifilari

Potenza massima (W)

T80-2

25

60

T106-2

16

100

T130-2

18

150

T157-2

16

250

T200-2

17

400

T400-2

14

1000

 

Tabella 3 - ricavata da uno scritto di N1HFX, da cui si determina spire e potenza di un balun 4:1 costruito su un toroide di colore  rosso della americana Amidon

 

 

La trasformazione di impedenza si realizza come in un autotrasformatore, una parte dell’avvolgimento è comune al primario e al secondario.

Il supporto è un toroide Amidon rosso (1 – 30 MHz T200-2) oppure giallo (2 – 50 MHz T200-6) da 2 pollici, su cui sono avvolte alcune spire, il numero non è importante (l’antenna handbook riporta da dieci a venti spire), per non sbagliare ne ho utilizzate diciannove, non per calcolo, ma per necessità... sul toroide T200-2 è possibile avvolgere al massimo 19 spire di piattina per altoparlanti. In caso di necessità sarà sempre più facile togliere delle spire piuttosto che aggiungerle.

Per realizzare il balun su questo toroide è necessario un metro e mezzo di piattina per altoparlanti.

Gli avvolgimenti sono realizzati in coppia, utilizzando due fili di colore diverso e avvolgendoli tenendoli vicini tra loro, oppure utilizzando una piattina di filo. Realizzati gli avvolgimenti avremo due fili di inizio e due di fine avvolgimento. Chiamiamo A e B l’inizio e A’ e B’ la fine. Colleghiamo tra loro la fine del primo avvolgimento con l’inizio del secondo (A’ con B) e questo va collegato al centrale del connettore a PL della discesa. L’inizio del primo avvolgimento (A) va collegato allo stilo dell’antenna mentre il collegamento superstite (la fine del secondo avvolgimento B’) è collegato alla calza del cavo coassiale e alla massa dell’antenna, radiali, palo ecc.

Il balun così realizzato va protetto dalla pioggia fissandolo in un piccolo contenitore in plastica stagno da cui esce il connettore SO239 per la discesa e i due collegamenti a massa e allo stilo. Nella foto 3 è visibile il balun collegato allo stilo senza alcuna protezione, è la versione utilizzata per le prove e un esempio del collegamento elettrico. È inteso che il balun deve assolutamente essere protetto dalle intemperie.

Da alcune documentazioni, sempre sull’antenna handbook risulta che il balun potrebbe essere realizzato anche con comuni bacchette di ferrite, realizzando gli avvolgimenti in modo analogo e utilizzando 20 spire ogni avvolgimento, sono scettico, ma vale la pena provare.

Supporti recuperati da alimentatori EX_PC non sono adatti, a meno di verificarne il funzionamento sulle frequenze che ci interessano.

In stazione è molto probabilmente richiesto l’uso di un accordatore di antenna, anche manuale.

Il balun così realizzato è in grado di sopportare 400W, se ci accontentiamo di 100 – 150W è possibile utilizzare nuclei Amidon T106-2 o T130-2, sempre di colore rosso, su cui avvolgeremo rispettivamente 16 o 18 spire. Per QRP è possibile utilizzare un toroide T80-2 su cui avvolgeremo 25 spire di piattina ovviamente più piccola, ottenendo una potenza massima di 60W. Nell'ultima tabella vediamo le spire necessarie con toroidi di dimensioni diverse.

 

Test sul campo

 

Nulla di più vero. Il test è stato portato a termine in un tiepido pomeriggio di dicembre accanto al parcheggio del parco  dietro il cimitero...

Il venerdì precedente alla prova ho preparato un supporto formato da un tubo del diametro di circa 60 mm, lungo 30 cm a cui è stata saldata una punta in ferro di 50 cm circa. Questo, piantato in terra, ha sostenuto l’antenna durante il test.

Lo stilo è stato allungato, spostando i fori che fissano gli elementi, di 65 cm portando la sua lunghezza a 6.60 m. La tabella riferita alla simulazione riporta questa situazione nella quarta colonna, dove sono riportati anche i valori di impedenza in forma complessa.

L’antenna è stata montata su “terra reale” ovvero piantando in un prato lo spillone; il sistema di radiali era formato da quattro radiali per i 10 metri, tre per i 15 e due soli per i 20 metri. Pochi metri di cavo coassiale uniscono l’antenna al ricetrasmettitore (un Kenwood TS480 dotato di accordatore interno) passando per un datato wattmetro Welz. L’alimentazione è stata prelevata dalla batteria di bordo. L’antenna è stata montata in meno di 10 minuti.

Nelle foto non era facile vedere l’antenna, dunque sono state rifatte mettendo il cima allo stilo un cappellino con visiera.

Il TS480 ha accordato senza problemi in 10, 12, 15, 17, 20 e 30 metri, in poco più di un’ora di test sono stati ascoltate stazioni europee e un paio di statunitensi.

Il rapporto di onde stazionarie, senza accordatore, è sempre stato compreso tra 2:1 e3:1, valori che l’accordatore interno del TS480 ha portato a valori più accettabili. Il manuale del TS480 riporta che l’accordatore interno è in grado di accettare impedenze comprese tra 16.5 e 150 ohm. Solo in 40 metri non è stato possibile concludere l’accordo, anche se erano presenti molti segnali di ottimo livello.

In 6 metri è stato ricevuto il beacon  a 50.019 (JN34WR, 10W in 5/8) con un buon segnale, anche se è molto vicino (circa 50 Km), il rumore era però insolitamente basso, segno che, come previsto, l’antenna è decisamente troppo lunga per questa banda. Del resto la simulazione eseguita utilizzando lo stilo da 6.60 (quello del test) per la banda dei 6 metri ha dato una impedenza  di 94 –j266 ohm, pari a 282 ohm. Come vediamo la parte reattiva è molto più alta della parte resistiva.

 

Dove reperire il materiale

 Lo scopo principale è di riciclare la veccia antenna in 27, dunque è scontato che questa sia in nostro possesso.. e che non costi nulla!!

Il toroide necessario alla costruzione del balun è reperibile anche presso la Esco di Todi (www.esco.it). Il prezzo varia da 1 euro per il più piccolo T80-2 fino a 14 euro per il T300-2. Esemplari di toroide ancora più piccoli potrebbero ugualmente essere utilizzati limitando la sezione del filo che costituisce gli avvolgimenti e la potenza utilizzata, fermo restando il tipo di miscela necessario, in pratica il colore del toroide, Amidon rosso o giallo.

Il filo per avvolgere il balun e per i radiali è reperibile presso qualsiasi fornitore di materiale elettrico, contenitore e minuterie non hanno sicuramente problemi di reperibilità.

 

 L'antenna proposta è una versione delle innumerevoli "canne da pesca", tutte figlie delle antenne  Ribakov.

Fanno parte della numerosa famiglia delle antenne non risonanti, quali logwire & parenti.

Una prima stesura di questo testo ha visto la luce su uno degli ultimi numeri di Elettronica Flash, a mio hume (sbagliato...)





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il 19/07/2012 ore 14:36
ultima modifica del 24/07/2012 ore 08:27
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