Antenne a dipolo multibanda con trappole(per 10, 40, 80 metri e loro armoniche)
di IZ1TQI Aldo "de Roderigo" - RCT #030
La
trattazione del presente elaborato è principalmente astratta, in quanto
lo scopo è quello di fornire degli strumenti teorici più che
presentare una realizzazione pratica, per la quale, invece, vi invito a
visitare, su questo sito web nella pagina dedicata alle Autocostruzioni, i pregevoli lavori di costruzione di IZ1NER, Alberto - RCT #011.
Spesso
lo spazio, come il tempo, è tiranno e solo a pochi privilegiati
consente la realizzazione di più dipoli interi sulle gamme HF, penso
soprattutto ai 160, 80 e 40 metri.
Agli altri meno fortunati non
rimane che scendere a qualche compromesso, certamente lo scotto da
pagare c'è, e consiste nella perdita di una certa percentuale di
efficienza; uno di questi compromessi consiste nella
realizzazione di dipoli multigamma, che consentono di servirsi di un
unico dipolo per più gamme di frequenza.
L'artificio consiste nell'uso delle cosiddette trappole:
circuiti costituiti da induttanza e capacità, che, nel caso la
configurazione sia parallela, bloccano la frequenza di risonanza,
cortocircuitando (facendo passare) tutte le altre, mentre, nel caso di
configurazione seriale, cortocircuitano (fanno passare) la frequenza di
risonanza, e bloccando tutte le altre.
Se pertanto realizzeremo un
dipolo per una certa frequenza e ai suoi estremi porremo una trappola
accordata sulla quella stessa frequenza, potremo prolungare ciascun
braccio affinchè la somma dei due tratti di antenna e la trappola
risuonino su di una frequenza più bassa.
Ma come calcolare le singole lunghezze e la trappola?
Osserviamo la figura 1: il tratto " A" di ciascun braccio (1/4 della lunghezza d'onda) deve risuonare sul centro-banda tra 28 e 29,700 MHz ( 10 metri ), pertanto il centro-banda sarà:
(28 + 29,700) : 2 = 28,850 MHz
La lunghezza elettrica (in metri) di un braccio sarà data dalla solita formula 300 nel vuoto, f è espresso in MHz,
4 * fma poichè l'onda elettromagnetica viaggerà più
lentamente nel filo conduttore dell'antenna dovremo correggere la
formula con un fattore di accorciamento di circa 0,95:pertanto scriveremo 300 * 0,95, ottenendo la lunghezza fisica.
Allora ragionando in λ/4 diremo che:
λ/4 = 72 e i bracci del primo tratto di dipolo dovranno ammontare a 2,495 m, insomma 2,50 m.
f
Se l'altra gamma su cui accordare il dipolo sarà quella dei 40 m, centro banda 7,100 MHz, allora ci serviremo della formula seguente
λ/4 = 72 * 0,83 quindi
f
λ/4 = 72 * 0,83, λ/4 = 8,41 m ( tratto C )
7,1
Perciò dovremmo aggiungere 5,91 m ( tratto B ) ai 2,50 m che abbiamo già calcolato.
Volendo estendere un tale dipolo anche per gli 80 metri, cioè dai 3,500 MHz ai 3,800 MHz calcoleremo
λ/4 = 72 * 0,83 , λ/4 = 16,37 m.
3,650
che,
defalcati dei precedenti 8,41, fanno (16,37-8,41) 7,96
m da aggiungere ad ogni braccio dell'antenna, per una lunghezza totale
di 16,40 x 2, ossia 33 m circa.
N.B.: l'ulteriore accorciamento a 0,83 è dovuto alla trappola che funzionerà anche un po' da bobina di carico.
E'
vero che per precisione si dovrebbe anche considerare la lunghezza
della trappola, però a seguito della sua esigua lunghezza si finisce
quasi sempre per trascurarla.
Ora si tratta di calcolare le trappole. Partendo dalla conosciutissima formula:
f = 1 ossia L = 1 e volendo L in µH e C in pF:
2π * √ LC 4π ² * f ² * C
L = 25300 .
f ² * C
Va da sè che, nel caso ci interessasse il valore di C in pF,
C = 25300 .
f ² * L
A questo punto si presenta il primo problema qualitativo: il condensatore C, per una buona riuscita, dev'essere anti induttivo e con almeno 1000 VL.
Poichè, trovare in commercio un tale componente, sarà ben arduo dovrete costruirvelo e per questo ci sono almeno due modi:
a)
Lo potete ricavare da un foglio di vetronite, ramata sulle due facce.
Sapendo che la capacità è direttamente proporzionale alla superficie
delle armature e inversamente proporzionale alla loro distanza, potremo scrivere:
C = ε * S , in cui "ε" è la costante dielettrica della vetronite, "S" la superficie in mmq delle armature e "d" la distanza in mm.
d
A questo punto mi domanderete: "... e quanto vale "ε" ?". A dirvi il vero non lo so, ma lo possiamo, con buona approssimazione, calcolare sperimentalmente, misurando con un capacimetro a quanto ammonta la capacità del foglio di
vetronite a nostra disposizione, calcolandone poi la superficie delle
facce e misurandone, con un calibro, lo spessore, allora:
ε = C * d
S
Ora potremo conoscere la superficie adatta alle nostre necessità:
S = C * d , eventuali correzioni le apporteremo limando i lati del condensatore così ottenuto.
ε
La forma dovrà essere sagomata in modo da essere alloggiata entro il supporto plastico della trappola.
b) Un
altro metodo consiste nell'uso di spezzoncini di cavo coassiale
disposti in parallelo: tutte le calze saldate assieme e tutti i fili
coassiali saldati assieme.Per conoscere la capacità per ogni centimetro, basterà misurare la capacità di un metro esatto di cavo.Esempio: tagliamo tre spezzoncini di cavo coassiale di sei centimetri,
accorciamo la calza metallica di un centimetro e la guaina di uno e
mezzo per ogni estremo ed eliminiamo
mezzo centimetro di isolante in modo da denudare il filo coassiale.
Colleghiamo assieme tutti i fili interni e poi tutte le calze, otterremo
così un condensatore di 12 pF, se avremo riscontrata la capacità di 1 pF per centimetro. N.B.: il tratto utile, per il calcolo della capacità, è quello che rimane ricoperto dalla calza.
Adesso è il turno delle bobine con i supporti, i diametri, il numero delle spire, il diametro del filo e la spaziatura.
Per
i supporti è ormai uso consolidato servirsi dei tubi idraulici
plastici, meglio quelli in plastica arancione, perchè robusta e, se
opportunamente forata agli estremi, è in grado di fungere da ancoraggio
per il filo d'antenna e sopportarne la trazione.
Tutto senza problemi?
E no! Dovremo prima appurare che tale supporto non assorba la RF; per
questo ci serviremo del forno a micro-onde entro il quale deporremo,
per un minuto o due, un piccolo tratto di tubo plastico, esponendolo
alla "cottura". Se estraendolo, lo troveremo freddo o appena tiepido è
buon segno, se invece scotterà o si sarà deformato, scartiamolo, perchè
per potenze superiori a 100-150 W in antenna rischieremo, alla lunga,
di cuocere il supporto delle trappole.
Ora è la volta del numero di spire, allo scopo vediamo un paio di formule ugulmente valide:
la prima è:
1010 * L *( lu + 0,45)
N² =
d N = √N² ; L in µH, lu (lunghezza) in mm, d (diametro) in mm.
d
La seconda formula prevederebbe le misure lineari espresse in pollicied ed è la seguente:
L = N² * 0,2 * d² * 1
(3d + 9 lu) 25,4
Il
numero 25,4 altro non è che la riduzione da pollici in mm:
poichè mm = ( pollici * 25,4),
pollici
= mm , pertanto moltiplicheremo la precedente equazione
25,4
per 1 e potremo esprimerci in mm, anzicchè in pollici.
25,4
da questa, risolvendo rispetto a N² :
N² = L * (3d + 9 lu) * 25,4 N = √N² ; L in µH, lu (lunghezza) in mm, d (diametro) in mm.
0,2 * d²
Adesso calcoliamo la trappola da applicare al dipolo di figura 1:
la
frequenza di centro banda era 28,850 MHz, stabileremo ora
arbitrariamente il valore del condensatore tra 20 e 40 pF, a seconda
del fattore di merito e quindi della curva di risonanza e della banda
passante che voglioamo ottenere (N.B.: maggiore l'induttanza più
stretta la banda passante, minore l'induttanza più larga la banda
passante).
Scegliendo 20 pF
L = 25300 L = 25300 L = 1,51 µH, (10 metri)
28,850 ² *
20
16645,45
L = 25300 L = 25300 L = 25,09 µH, (40 metri)
7,1 ² * 20 1008,2
se avessimo scelto C = 40 pF
L = 25300 L = 25300 L = 0,756 µH, (10metri)
832,32 *
40
33292,8
L = 25300 L = 25300 L = 12,54 µH, (40 metri)
7,1 ² * 40 2016,4
Riguardo il diametro dei supporti saremo legati
secondo quanto si trova in commercio, cioè tra i 30 e i 60 mm., mentre
il diametro del filo dovrà essere almeno di 1,5 mm. Per la lunghezza
della bobina dovremo regolarci attraverso un primo calcolo grossolano
del numero delle spire sulla lunghezza di una ventina di mm.
Tutta
la teoria e le formule, finora enunciate, sono approssimate, anche se,
ragionevolmente approssimate; dovremo poi sperimentalmente verificare
la frequenza di risonanza della nostra trappola con un grid-dip, oppure
con l'ausilio di questo piccolo apparecchietto che compare in figura 3 e di un frequenzimetro.
Da un progetto di Nuova Elettronica anno 1979
Mi
sono servito per tanti anni di questo progetto per realizzare circuiti
L/C di ogni genere, di sintonia dai 3 ai 144 Mhz, medie
frequenze e filtri da 10,7-5,5-6,5-2 MHz, con successo tale, che,
una volta montati, è stato necessario solo qualche ritocco al nucleo
delle bobine. Uniche avvertenze sono: la prima di tenere i terminali
d'ingresso quanto più corti possibili, se collegati a morsetti esterni;
la seconda di misurare la capacità parassita d'ingresso (con un
capacimetro collegato ai terminali ad apparecchio acceso, di norma 5-10
pF) e tenerne conto durante le misurazioni.
Il
dispositivo è abbastanza semplice, una volta realizzato collegheremo
qualsiasi bobina a RF sull'ingresso ed esso oscillerà in base al
circuito L/C applicato; all'uscita collegheremo un frequenzimetro ed il
gioco è fatto: leggeremo direttamente la frequenza precisa d'accordo.
Eventuali ritocchi saranno perfezionati con ros-metro in sede di
taratura dell'antenna, in base alle capacità parassite introdotte dal
terreno e dagli oggetti circostanti.
In figura 3 bis è
indicata la disposizione dei piedini dei transistor e fet impiegati,
visti dal lato piedini. Il fet BF245 può avere due disposizioni
diverse: se i piedini sono allineati, la disposizione è quella di
sinistra nella figura, se il piedino centrale è arretrato e/o piegato a
elle, allora la disposizione è quella di destra.
Esiste un secondo
metodo per costruire le trappole ed averle già pronte, comprese di
condensatore: è quello di usare il cavo coassiale avvolto a spirale,
sfruttando la capacità parassita che si viene a creare tra il
conduttore coassiale e la calza metallica. Il tutto andrà fatto per
tentativi in modo da contemperare il numero delle spire con la capacità
necessaria. Tenete conto che la capacità di un cavo coassiale come
l'RG.58, il più usato per flessibilità e maneggevolezza, si aggira
attorno ai 100 pF/metro. I collegamenti vanno fatti come in figura 5, la calza va al primo tratto d'antenna, il filo coassiale al prolungamento.
La figura 4
propone una tavola che fornisce i dati costruttivi di una trappola per
le bande principali HF; il cavo da usare è l'RG.58, il diametro del
supporto è di 40mm.
figura
4
Per completare l'elaborato vedremo di calcolare, con entrambe le formule, anche il numero delle spire per l'antenna mostrata in figura
1, considerando un diametro di supporto di 40 mm, una lunghezza di
bobina di 20 mm, un'induttanza da 1,51 µH e una capacità di 20 pF per i 10 metri e un'induttanza di 6,29 µH per i 40 metri.
1010 * 1,51 * ( 20 + 045)
N² = 40 , N² = 1525 * 0,95 , N = √ 36,22, N = 6,0 spire (10 metri)
40
40
1010 * 25,9 * ( 20 + 045)
N² = 40 , N² = 26159 * 0,95 , N = √ 621,27, N = 24,9 spire (40 metri)
40
40
N² = 1,51 * (120 + 180 ) * 25,4 , N² = 11506,2 , N = √ 35,9568, N = 5,99 spire (10 metri)
0,2 *
1600
320
N² = 25,9 * (120 + 180 ) * 25,4 , N² = 197358 , N = √ 616,74, N = 24,83 spire (40 metri)
0,2
*
1600
320
Ho mantenuto volutamente anche i
decimali superflui e come potete constatare i due modi di calcolo coincidono
con eccellente approssimazione. Le sei spire andranno distribuite su di una
lunghezza di 20 mm, se il filo è da 2 mm spaziare 1 mm, per le altre 25 potrete
usare filo da 1mm o meglio usare filo da 2mm smaltato e ricalcolare la
lunghezza di 50mm, anzichè 20 mm.
Le armoniche su cui, teoricamente, funzionerebbe l'antenna sono quelle
dispari, perciò i 3,65 MHz generano: i 10,95 MHz (30 metri) in 3° armonica, i
18,25 MHz (16 m) in 5°, i 25,55 (12 m) in 7°; invece i 7,1 MHz generano: i 21,3
(14 m) in 3° armonica, i 49,7 MHz (6 m) in 7° armonica; mentre i 28,85 MHz in
5° armonica generano 144,25 MHz ( 2 metri ). Tuttavia, con rendimento
accettabile, lavora meglio la 3° armonica.
Il rendimento andrà diminuendo verso le onde più lunghe e le armoniche 5° e 7°
superiori, tuttavia coloro che riescono ad installarlo sono già tra i più
fortunati anche se le trappole costituiscono una notevole perdita di efficienza. Altro non vi saprei narrare, vi resta solamente da provare.
Odi profanum vulgus et arceo (Orazio)
Buon lavoro a tutti!
IZ1TQI Aldo "de Roderigo" - RCT #030rode.rigo@yahoo.it
elaborato il 2/8/2010 - pubblicato il 15/8/2010
