Di I0NPN Luigi Lodovichetti (ndr il Signor “Shark”)
Essendo l’argomento antenne vastissimo, con il presente articolo intendo restringere il campo alle VHF ed in particolare all’elemento radiante per le antenne direttive. Come al solito per chi è esperto quanto segue potrà saltarlo ma potrebbe tornare utile conoscerlo per altri. Prima di entrare nel merito, ma solo per partire con il piede giusto, ritengo opportuno evidenziare che nell’impostazione di un progetto di un’antenna direttiva bisogna scegliere tra due strade principali: una è quella di impiegare un dipolo già accordato sulla frequenza voluta ma fisso, ovvero senza le parti tarabili, quale è il dipolo ripiegato, poi in funzione di questo aggiungere gli elementi. L’altra è il contrario, ovvero impostare gli elementi su un dipolo già sintonizzato in linea di massima, come può esserlo ad esempio il Gamma Match, e poi rifinire il tutto per la risonanza.
La seconda è più laboriosa per le maggiori variabili. Ad ogni modo, qualunque sia la scelta ed essendo arcinota l’esistenza dei vari tipi di dipoli con i loro pregi e difetti, in questo sintetico articolo mi limiterò alla forma sul ripiegato con particolare riferimento al balun a 1/2 onda che, tra i tanti, preferisco per i motivi appresso descritti. Su questo tipo di dipolo, così come per il suo balun, quasi sempre vengono date le misure per realizzarlo in base alla frequenza ma purtroppo molto raramente viene spiegata la parte che ritengo più importante, ovvero il principio sul funzionamento del balun. Ciò premesso entriamo adesso, sempre sinteticamente, nel cuore dell’argomento partendo dal più semplice dei dipoli come lo è il tipo aperto lungo 1/2 onda al quale va collegato il cavo coassiale. E’ facile da costruire e praticamente senza nessuna taratura se non di portarlo in risonanza variando la lunghezza delle estremità. Dalla fig. 1 si vede che è composto da due conduttori fatti con del filo rigido, o meglio ancora con tubetti in alluminio, ottone od altro, posti orizzontali, ma vale anche se posti verticalmente.
Dovranno avere una lunghezza complessiva di mezz’onda e l’alimentazione al centro mediante un cavo coassiale. In questo caso le correnti sono nella stessa direzione e la sua impedenza caratteristica nello spazio libero è di circa 72 Ω. Anche se il cavo avesse la stessa impedenza sorge il problema che essendo il dipolo bilanciato, ovvero simmetrico, mentre il cavo è invece per sua conformazione asimmetrico, non è quindi l’ideale per collegarli direttamente. Di conseguenza se non si usano particolari accorgimenti per separare le correnti che scorrono sul cavo da quelle del dipolo, cioè per una corretta circolazione della corrente tra configurazioni bilanciate e sbilanciate, il cavo potrà formare parte attiva del dipolo stesso variandone la lunghezza. Peggio ancora se il cavo è addirittura con un’impedenza diversa. Per brevità tralascio ora questi problemi e passo direttamente alla versione del dipolo ripiegato con il balun a mezz’onda.
Come si vede nella fig. 2 al classico dipolo a 1/2 λ (A – B), viene ora aggiunta un’altra 1/2 λ (B – C) e si arriva a onda intera. Il tratto aggiunto è però con fase opposta e quindi la corrente è al contrario. In pratica abbiamo una 3/4 λ che potrebbe essere alimentata con il cavo coassiale, però come ho già descritto sul n. 6-2022 di Radio Kit, c’è il problema della fase opposta, ed è per questo che si passa alla 5/8 λ. Riprendendo il discorso, Se adesso il tratto B – C lo curviamo verso sinistra mantenendo una piccola distanza in modo da diventare parallelo al tratto A – B, vediamo che la fase al punto C è uguale alla A e quindi collegabili come si vede nella fig. 3. Il risultato è che le correnti sono nella stessa direzione.
In pratica, il tratto B – C deve avere lo stesso diametro, e poi unendo l‘estremità di entrambi. Alcune versioni vengono fatte con sezioni dei tubi diversi e ciò per ottenere particolari impedenze, ma al momento già ci bastano il problema tra il simmetrico e l’asimmetrico e l’adattabilità tra i 300 Ω assunti dal dipolo ripiegato ed i 75 Ω del cavo coassiale. Questi 300 Ω avvengono perché la corrente viene suddivisa in due parti portando così l’impedenza nel punto di alimentazione ad un valore 4 volte più alto. Uno di questi conduttori è aperto al centro per collegarci il cavo di alimentazione, mentre il centro dell’altro viene posto a massa. Va altresì aggiunto che esiste anche una differenza sul rendimento tra il dipolo semplice della fig. 1 e quello della fig. 3, ovviamente a parità di alimentazione e orientamento, perché il dipolo ripiegato presenta un maggior guadagno arrivando ad un + 1,64 dB per il semplice motivo che si viene a creare un diagramma d’irradiazione più stretto, più concentrato. In più ha una maggiore larghezza di banda e quindi anche una minore criticità nella lunghezza. Altro particolare è che con il dipolo ripiegato non si verificano certi accoppiamenti tra il cavo di alimentazione ed il mast o boom metallico che ho notato con gli altri sistemi, particolarmente con il Gamma Match anche lui non del tutto esente dal problema della corrente lungo il cavo come sopra già detto. Dopo aver descritto sommariamente i due tipi di dipoli, e, particolarmente, come nasce la forma del dipolo ripiegato, si passa adesso al balun che non è una parola in dialetto milanese ma semplicemente significa bilanciato-sbilanciato (balanced to unbalanced) ed ha lo scopo di assolvere la doppia funzione d’adattamento delle impedenze e, allo stesso tempo, di simmetrizzatore senza però turbare il funzionamento del dipolo. Vediamo ora come riesce a farlo tramite le fig. 4 e 5.
Se proviamo a partire dal centro dell’elemento, cioè dal punto ove c’è la massa, i semibracci del dipolo ripiegato si presentano come se fossero due resistenze da 150 Ω perché la corrente viene suddivisa a metà. Conseguentemente l’impedenza sale ai 300 Ω rimanendo simmetrico, bilanciato, rispetto alla massa. Questo però, come già visto, non ci va ancora bene per avere un’alimentazione diretta con un cavo coassiale ma che, al limite, si potrebbe fare con la classica linea bifilare a 300 Ω. Se ora poniamo le due resistenze da 150 Ω in parallelo allora scendiamo ai 75 Ω risolvendo così il problema dell’impedenza dai 300 ai 75 Ω. Quindi un primo passo lo abbiamo fatto ed ora ci rimane l’altro, ovvero quello riguardante la simmetria-asimmetria. Ed ecco che a questo punto il discorso si fa più interessante. Infatti, se partiamo dal punto centrale dove c’è la massa, nel punto A di fig. 4 abbiamo un segnale di una certa fase, ma nel punto B la troviamo opposta di 180 gradi avendo percorso 1/2 onda. Siccome come è noto fasi opposte si annullano, adesso si deve trovare il modo per sfasarlo di altri 180 gradi affinché il segnale del punto B diventi uguale a quello del punto A. Ciò avviene mediante uno spezzone di cavo coassiale lungo mezz’onda la cui massa è unita alla massa del centro dipolo, mentre le due estremità del centrale vengono collegate tra A e B come nella fig. 5. In questo modo, essendo lo spezzone lungo 1/2 onda, considerando il suo fattore di velocità, si ha uno sfasamento di 180°. A prima vista potrebbe apparire come un “cortocircuito” che annullerebbe il segnale, ma siccome non stiamo lavorando in corrente continua non è così, anzi tutt’altro! Ebbene vediamo cosa succede con questo spezzone di cavo: abbiamo detto che le fasi sui punti A e B sono sfasate di 180° tra di loro e quindi non collegabili direttamente. Adesso tramite il balun che è lungo mezz’onda, sempre considerando il suo fattore velocità, alla sua fine la fase del punto B la ritroviamo nuovamente invertita di altri 180 gradi e quindi tornata simile al punto A.
Negli esempi vengono citati 300 Ω per il dipolo e l’alimentazione con cavo a 75 Ω nonostante sia più usato il 50 Ω. Va però tenuto presente che i 300 Ω sono per un dipolo nello spazio libero, ma quando viene a trovarsi insieme ad altri elementi di un’antenna, questi spesso modificano l’impedenza dei 300 Ω facendola scendere a 200 Ω e poi con l’azione del balun che la divide per 4 si arriva ai 50 Ω. Nel caso delle VHF come ad esempio su 145 MHz, è arcinoto che la lunghezza del balun a mezz’onda con il fattore velocità è di 68,2 cm se si usa per esempio un RG8 o simili. Per l’esattezza il balun potrebbe essere realizzato anche con più mezze lunghezze d’onda ma ovviamente è meglio la minore per minimizzare l’ingombro e l’attenuazione seppur modesta. Ad ogni modo l’impedenza del cavo usato per il balun è praticamente indipendente da quella del dipolo e del cavo di discesa, ma ciò che invece è importante è mettere bene a massa il centrale del dipolo con la calza del balun.
Dopo questa succinta descrizione ritengo possa tornare utile fornire qualche indicazione pratica su come realizzare il dipolo. Nella fig. 6 mostro un esempio per la banda dei 145 MHz. Basta prendere 2 metri di tubo tondo d’alluminio da 10×1 mm, oppure due pezzi da un metro che va altrettanto bene. Poi serve un pezzo tondo d’alluminio da 10 cm del 12×1 mm per la giunzione nella parte centrale che, oltre da raccordo, serve anche per rinforzarla essendo attraversata dal foro da 4 mm per la vite di fissaggio al boom. Consiglio di realizzarlo come nella fig. 6 con due sezioni già curvate che si possono fare mediante un curvatubi oppure intorno ad un tubo con un diametro adeguato. A volte le ho fatte curvandole sull’asta di un appendiabiti! Se le si fanno un poco più lunghe e nel punto della giunzione ci si inserisce una vite per la battuta, allora non solo sarà facile portarli alla lunghezza totale, ma si avranno i due bracci simmetrici e, se si vogliono le estremità schiacciate per collegarci il cavo di discesa ed il balun, saranno pure complanari. Poi, con due rivetti o viti autofilettanti si serra il tutto controllando sempre la complanarità. Per quanto riguarda la schiacciatura uso un apposito attrezzo sotto l’azione di una pressa per renderle più robuste e rifinite, ma seppur meno estetica si può fare anche dentro una morsa.
Per fornire alcuni esempi su come sono stati realizzati mostro con le foto 1 e 2 il dipolo sulla serie delle antenne Shark VHF e UHF che, per garantire la massima protezione dagli agenti atmosferici, cosa della massima importanza come più avanti si vedrà, tutte le parti del balun sono state inglobate in una resina speciale per la RF dalla quale fuoriescono solo le due viti per ancorarci le estremità del dipolo. In questo modo, oltre alla protezione, resta facile l’eventuale sostituzione del solo balun o del solo dipolo se ve ne fosse bisogno. Il connettore coassiale è di tipo “N” realizzato in ottone e poi cromato ed ha l’isolamento in Teflon. L’inner è in bronzo fosforoso per la doverosa elasticità ed anche dorato per l’ottimo contatto, mentre il corpo è fatto appositamente più lungo del normale per favorire l’avvitamento del connettore maschio e ricoprirlo poi con il nastro agglomerante che solitamente è un’operazione poco agevole per il limitato spazio. A conclusione di questa prima parte sul dipolo ripiegato, aggiungo che gli altri tipi di radiatori, come gli Hairpin, delta, ecc. seppur più semplici ed economici, oltre a richiedere un balun esterno aggiuntivo esistono i problemi sulla protezione dalla pioggia.
Dopo aver mostrato l’esempio su un prodotto commerciale, passiamo al tipo facilmente realizzabile da chiunque come appare nelle foto 3, 4, 5. In questo caso viene fatto con tubetto d’alluminio da 6 mm anziché il 10 mm perché più facile da curvare senza perdere in consistenza date le dimensioni e le estremità non servono schiacciate. La parte centrale sul tratto superiore del dipolo è in barra quadra d’alluminio da 10 x 10 x 40 mm, forata passante da 6 mm ed al centro da 4 mm, per la vite della massa. Invece per quella inferiore è anch’essa da 10x10x40 e forata passante da 6 mm, ma in materiale isolante del tipo PVC, Nylon o Teflon.
Il contenitore è la scatola per impianti elettrici senza fori da 120 x 100 x 90 mm la quale andrà forata per i passacavi nei punti più opportuni. Il balun trova così alloggiamento all’interno se viene fatto con il cavo RG58 o l’RG142 in Teflon. Il connettore che uso è il tipo da pannello UG680/U con il serraggio a dado ma pure con la flangia quadrata va bene. L’importante è l’unione della sua massa con il centro del dipolo tramite una striscia metallica. Infine, esternamente, un canalino a U in alluminio evita le rotazioni del dipolo sul boom che provocherebbe un non perfetto parallelismo con gli elementi, particolarmente con il primo direttore che è il più vicino e quindi il più sensibile. Tutto il materiale è reperibile presso i negozi di tipo Brico.
Adesso, se abbiamo fatto il dipolo ed il balun, rimane la prova finale per verificare se effettivamente divide per 4, ovvero dai 200 Ω ai 50 Ω sulla nostra frequenza stabilita. Ciò non è difficile se lo stacchiamo dal dipolo e poi colleghiamo al suo posto un resistore con terminali cortissimi ed antinduttivo da 220 Ω e 1 W a carbone perché quelle di potenza inferiore non sempre sono antiinduttive. A questo punto si fa la verifica con un VNA o con un analizzatore di spettro e tracking. Chi non ha tali strumenti, può usare un TX a bassa potenza ed un Ros-metro.
Spero di essere stato in qualche modo utile. I0NPN Luigi
