Tweet
Sintesi
In questo articolo viene descritto il progetto, la realizzazione e la verifica sul campo di una antenna monobanda del tipo OWA (Optimized Wideband Antenna) a 6 elementi per i 14 Mhz.
Premesse
Il settore di interesse verso cui da tempo rivolgiamo in maniere più assidua le nostre attenzioni ed energie in campo radioamatoriale é quello del contesting. Esso può non piacere a tutti, probabilmente perché a molti sfugge uno degli aspetti più pregnanti di questo tipo di attività , ossia quello tecnico. Ben prima di ogni gara, infatti, va studiato nei particolari il proprio setup, dalle radio alle antenne. E a proposito di antenne, non é mai superfluo evidenziare che il contributo che esse danno al guadagno complessivo del sistema , sia in trasmissione che in ricezione, e in definitiva al raggiungimento di buoni risultati é determinante.
Queste considerazioni ci hanno spinto ad intraprendere l'iniziativa di realizzare una antenna monobanda per i 14 Mhz del tipo OWA a 6 elementi.
Vediamo di spiegare prima di tutto perché per la banda dei 14 Mhz.
Quella dei 20m é una banda che in molte gare di contesting può fare la differenza in termini di collegamenti e moltiplicatori accumulati, quindi alla fine di punteggio totalizzato. Questo perché é in pratica la banda mediamente più frequentata , sia in periodi di bassa attività solare , come il periodo che pare ci stiamo lasciando alle spalle, sia in periodi di alta attività solare.
Sulla banda dei 20m c'é sempre qualcosa da fare, in qualsiasi momento della giornata, tranne che in occasione di chiusure notturne invernali nei periodi di più bassa attività solare.
Volendo fare un passo per volta , é quindi, determinante , nel campo del contesting , iniziare ad attrezzarsi come si conviene , a livello di sistema di antenna, sulla banda dei 20m.
Cenni sulle OWA
Diamo ora qualche cenno sulle OWA. Ciò ci consentirà di comprendere anche perché la nostra scelta é caduta proprio su tale tipo di antenne e non su altri.
Chiariamo subito che l'antenna realizzata non é per niente una novità in campo radioamatoriale. Questo tipo di antenne deriva sostanzialmente dalle Yagi-Uda. Sono, cioé normali antenne costituite da un array di vari elementi , di cui uno attivo (radiatore) e gli altri parassiti (riflettore e direttori) , tra loro paralleli e mutuamente distanziati. La particolarità delle OWA risiede nel fatto che mentre le Yagi-Uda tradizionali a molti elementi richiedono un qualche sistema di adattamento di impedenza per essere alimentate con il cavo coassiale a 50 Ohm, nel caso delle OWA, invece, l'alimentazione avviene direttamente con il cavo coassiale a 50 Ohm e il ROS si mantiene basso in un range di frequenze più ampio. Non a caso, spesso si legge di Yagi-Uda tradizionali “tagliate” per la parte “fonia” della banda dei 10m e di altre invece tagliate per la parte “telegrafia”.
Con una OWA, a parità di numero di elementi coinvolti e di lunghezza complessiva del boom, si avranno prestazioni analoghe ma senza alcun problema di adattamento di impedenza sull'intera banda, nel nostro caso quella dei 20m.
Ciò viene ottenuto, essenzialmente, ravvicinando il primo direttore al radiatore, ad una distanza tra 0,050 e 0,060 lambda, così da aumentare l'impedenza dell'antenna nel punto di alimentazione, e nell'ottimizzare posizione e dimensione di tutti gli elementi per raggiungere le prestazioni richieste.
Vista “dall'esterno”, a parità di lunghezza di boom, un'antenna OWA a 6 elementi é assimilabile ad una Yagi-Uda a 5 elementi, però con i vantaggi visti sopra (alimentazione diretta con il cavo coassiale a 50 Ohm senza alcun sistema di adattamento di impedenza sull'intera banda dei 20m).
Studio del progetto
Avendo deciso la realizzazione di una OWA 6 elementi per i 20m, abbiamo effettuato una ricerca nella bibliografia disponibile, anche in Rete, indirizzando subito la nostra attenzione sul progetto di Nathan A. Miller NW3Z. Antenne simili sono installate presso le stazioni da contests di K3CR , WP3R, K3LR, pur se con qualche variante, e sono il frutto di analisi al computer con uso di software di modellazione basato sul NEC4 e di ottimizzazione NEC-OPT.
Alcune note , scritte direttamente da Nathan Miller su questo progetto di antenne, furono presentate ad una edizione di Hamvention di Dayton , qualcosa si trova sul web all'indirizzo riportato in bibliografia.
Le misure rinvenibili in quelle note, tuttavia, sono in unità anglosassoni. Sembra un problema di poco conto, in realtà i profilati tubolari in lega di alluminio reperibili da noi non sono classificati commercialmente in pollici ma in mm. Passando quindi dalle misure indicate da NW3Z (pollici) a quelle effettivamente disponibili in commercio da noi (mm) vengono fuori discrepanze non proprio minime che comunque non si possono approssimare senza andare a variare inevitabilmente la successione dei diametri prevista dal progettista.
Per ovviare a questo ostacolo, si é reso necessario effettuare il re-tapering dei sei elementi costituenti l'antenna. Il tapering, come é noto, é una tecnica di assottigliamento o rastremazione dell'elemento man mano che ci si sposta verso le estremità, così da adattarne la sezione al diagramma della caratteristiche della sollecitazione predominante (flessione). Questo si traduce in un elemento più leggero, pur se adeguatamente resistente. La variazione del diametro lungo lo sviluppo lineare dell'elemento, però, incide inevitabilmente anche sul comportamento radioelettrico dell'antenna. Pertanto, se si varia la successione di diametri e si vuole che le prestazioni attese siano le stesse occorre fare il re-tapering dell'antenna. Di tale procedura si é occupato in prima persona Carlo IZ7CDB. Non si tratta di un procedimento particolarmente laborioso ma dato che non siamo a conoscenza di software aventi questa funzione specifica si é deciso di utilizzare un procedimento se vogliamo empirico ma molto efficace nella sua semplicità e praticità e che richiede un passaggio intermedio rappresentato dall’utilizzo del famoso Yagi Optimizer di K6STI Brian Beezley.
Una peculiarità di questo software é quella di far uso di vari algoritmi di calcolo che, una volta inserita la struttura dell’antenna, consentono di visualizzare per ogni singolo elemento l’equivalente “untapering lenght” dello stesso, cioé esiste la possibilità di considerare ogni elemento con il proprio tapering caratteristico come un elemento composto da un unico tubo di lunghezza ideale equivalente.
Abbiamo quindi inserito le lunghezze proposte da NW3Z, abbiamo determinato l’”untapering lenght” secondo l’algoritmo denominato in YO “modified-W2PV algorithm” e poi, inserendo la struttura degli elementi da noi previsti ne abbiamo modificato manualmente la lunghezza delle sezioni esterne di diametro minore per ottenere le stesse untapering lenght proprie degli elementi progettati dall’autore.
La bontà del procedimento é stata confermata dal fatto che reinserendo in Eznec e 4NEC2 gli elementi così ottenuti abbiamo generato patterns e curve di SWR lungo l’intera banda passante praticamente sovrapponibili agli originali.
Si riportano qui, per brevità, i diagrammi ottenuti con 4NEC2.
Fig.1 diagramma di radiazione nel piano orizzontale – calcolato con 4NEC2 – H=30m above roof
Fig.2 diagramma di radiazione nel piano verticale – calcolato con 4NEC2 – H=30m above roof
Fig.3 solido di radiazione – calcolato con 4NEC2 – H=30m above roof
Fig.4 curva del ROS e coefficiente di riflessione – calcolate con 4NEC2 – H=30m above roof
Fig.5 curva del guadagno – calcolata con 4NEC2 – H=30m above roof
Confronto al computer con una Yagi ARRL-Antenna Handbook
Su ogni versione del testo Antenna Handbook, edito da ARRL, sono riportate le misure ormai collaudate di antenne Yagi tradizionali per le varie bande, generalmente frutto di ottimizzazione eseguita al computer con l'uso del software YO (Yagi Optimizer di K6STI). Abbiamo voluto, così, confrontare il progetto della nostra OWA 6 elementi con la Yagi ARRL 5 elementi , stessa lunghezza di boom (circa 48 piedi = 14,5 metri) e stessa altezza dal suolo (30 metri dalla copertura del capannone).
Pubblichiamo di seguito i grafici ottenuti per le due antenne.
Fig.6 confronto tra le curve del guadagno (4NEC2 – H=30m above roof)
Fig.7 confronto tra le curve del front/back (4NEC2 – H=30m above roof)
Fig.8 confronto tra le curve del front/rear (4NEC2 – H=30m above roof)
Fig.9 confronto tra le curve di R, X, Z e fase (4NEC2 – H=30m above roof)
Fig.10 confronto tra le curve del ROS ( 4NEC2 – H=30m above roof)
Come si può notare dal confronto tra i grafici, la OWA, pur mantenendo almeno le stesse prestazioni, in termini di rapporto front/back, front/rear e guadagno, della Yagi 5 elementi ARRL Antenna Handbook, presenta una impedenza tale, su un ampio range di frequenze, da non richiedere alcun sistema di adattamento di impedenza.
Questo confronto ci consente di ribadire che , in generale, a parità di lunghezza del boom, una antenna OWA 6 elementi presenta prestazioni radiative pressoché identiche, pur se leggermente superiori, a quelle di una Yagi tradizionale 5 elementi.
Anche l'ampiezza a -3dB del lobo principale di radiazione sul piano orizzontale , nel caso della OWA è risultato pari a 53 gradi circa, contro i 56 gradi della Yagi ARRL Antenna Handbook.
Da notare a questo proposito che la differenza dell'ampiezza del lobo d'irradiazione in free space sul piano orizzontale fra questa 6el. e una comune 3 el. é di circa 10dB complessivi e comunque nel punto in cui il fascio della 3el. é a -3b, la 6el. conserva un vantaggio di 1,08 db come da allegato pattern.
Fig.11 confronto tra il diagramma orizzontale di radiazione della OWA 6 el, e di una comune 3 el.
In ogni caso, il grosso vantaggio di questo tipo di antenne é rappresentato dal fatto di poterle alimentare direttamente con il cavo coassiale a 50 Ohm, evitando quindi tutte le complicazioni di un sistema di adattamento di impedenza.
Aspetti meccanici
Oltre all'aspetto radioelettrico, trattandosi di una antenna di dimensioni non certo modeste e che, quindi, può porre seri problemi di natura meccanica, abbiamo voluto verificare la resistenza degli elementi e del boom all'azione del vento e del peso proprio. A questo fine é stato redatto un file Excel con cui si é proceduto alla verifica di resistenza suddetta. Tale file consente di inserire la successione di diametri e lunghezze delle varie sezioni di elemento considerato , nonché della velocità del vento prevista e sulla base del tipo di lega di alluminio considerata fornisce immediatamente la verifica di resistenza.
Fig.12 videata del foglio elettronico realizzato per la verifica di resistenza degli elementi
(attenzione , le misure visibili non sono quelle effettive)
In definitiva, gli elementi sono stati realizzati con tubolati tondi in lega di alluminio 6060-T6, secondo una successione di diametri dal centro verso le estremità da 30mm a 12mm. Per il boom, invece, è stato adottato un tubolare a sezione quadrata 80x80x3mm.
Realizzazione pratica del progetto
Una volta definito il progetto , si è proceduto alla redazione della lista materiali occorrenti e dello schema di montaggio, tutto realizzato sempre in Excel, così da avere in ogni momento davanti il quadro completo della situazione. Per i tubolari in lega di alluminio e le viterie si è fatto ricorso al servizio di fornitura e taglio recentemente introdotto da Pro.Sis.Tel. di Monopoli (I7PHH). Nel nostro caso, abbiamo potuto usufruire della disponibilità di Gianni I7PHH e della sua officina per tutto quanto ci serviva per la realizzazione dell'antenna. In particolare, sono stati da noi tagliati presso l'officina Pro.Sis.Tel tutte le sezioni costituenti i sei elementi dell'antenna (in lega di alluminio 6060-T6), come pure presso l'officina sono state realizzate le sei piastre di giunzione tra elementi e boom e le giunzioni tra le varie sezioni del boom. In particolare, per il radiatore, essendo alimentato direttamente con il cavo coassiale, quindi risultando tagliato in due parti uguali nella sua metà , si é realizzata una piastra di adeguate dimensioni al fine di garantire la perfetta solidità meccanica tra le due parti del radiatore, pur restando queste elettricamente tra loro isolate.
Per tenere insieme le sezioni di ciascun elemento telescopico dell'antenna abbiamo adottato il sistema ormai da molto tempo collaudato del perno passante con dado e con testa annegata nella sezione di diametro maggiore. Questo sistema garantisce un perfetto contatto elettrico tra le sezioni dell'elemento senza giochi e vibrazioni una volta in aria oltre ad una estrema facilità di smontaggio, quando ciò servisse.
Man mano che il progetto prendeva corpo, la nostra ansia di vederlo tutto intero cresceva e quando alla fine ci siamo ritrovata l'antenna completamente assemblata a terra ci é venuto spontaneo meravigliarci esclamando: “ma é un appartamento di 160 mq !”
Fig.13 antenna assemblata in terrazza
In effetti, é un colpo d'occhio vederla tutta intera, viste le dimensioni che sono circa 11 metri di apertura alare media per 15 m circa di lunghezza di boom !
Peso complessivo , compreso il boom, pari a circa 60 kg.
Verifica sul campo
Una volta completato il lavoro di assemblaggio dell'antenna é arrivato il momento di issarla , pur se , per le prime prove, non alla sua altezza definitiva, sul supporto previsto. Poiché alla Pro.Sis.Tel. fanno le cose seriamente, il supporto previsto é stato un bel traliccio telescopico motorizzato, di produzione propria ovviamente, alto 36 metri quando é completamente eretto e circa 12 metri quando é a riposo. Il traliccio é tra l'altro dotato di cestello , anch'esso motorizzato, con cui l'operatore puç salire comodamente fino alla sommità dei primi 12 metri.
Fig.14 particolari del traliccio telescopico motorizzato
Fig.15 antenna pronta per essere portata sul mast
Prima di spostare l'antenna sul cestello per portarla a 12 metri di altezza dal suolo, abbiamo predisposto il necessario per effettuare le misure con un analizzatore di antenna. L'analizzatore in questione é l'AIM4170, prodotto da W5BIG e venduto da Array Solutions. Una delle caratteristiche interessanti che lo distinguono é la possibilità di utilizzarlo in remoto attraverso una connessione bluetooth con il proprio PC. In altre parole, avendo un notebook con antenna bluetooth e dotandosi di un adattatore RS232-bluetooth, é possibile effettuare le misure con questo analizzatore di antenna direttamente connesso, senza alcun cavo coassiale, al radiatore dell'antenna , restando comodamente seduti alla base del traliccio con il proprio notebook sulle gambe.
E' pur vero che si potrebbe fare a meno di questa possibilità, ripiegando alla tradizionale connessione con il cavo coassiale, adottando una lunghezza fisica del cavo pari a multipli di mezze lunghezze d'onda elettriche alla frequenza di lavoro. In tal caso, infatti, l'impedenza misurata in stazione sarebbe quella presente al punto di alimentazione sull'antenna, come se la linea coassiale non ci fosse, ma... questo solo alla frequenza di lavoro. In definitiva, nel nostro caso, si é adottato il sistema di misura in remoto via bluetooth.
Fig.16 analizzatore di antenna AIM4170 connesso direttamente al radiatore e gestito via bluetooth da remoto con un notebook
L'allestimento dell'analizzatore d'antenna per renderlo idoneo a questa tecnica di misura é descritto nel video che potete vedere su youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=tJjIigXU2D8
Fissato l'analizzatore d'antenna direttamente sul boom della nostra OWA e connesso al radiatore con un cortissimo ponticello in RG58, abbiamo così provveduto a portare il tutto a 12 metri di altezza dal suolo. Durante il sollevamento, sul notebook posto alla base del traliccio si teneva sotto controllo in tempo reale la curva di risposta in frequenza dell'antenna, che veniva rapidamente aggiornata. All'inizio sembrava che l'antenna risuonasse troppo in basso, cioé che fosse troppo lunga, ma abbiamo capito subito che era l'effetto capacitivo del suolo che ancora si faceva sentire. Man mano che l'antenna saliva, infatti, la prima impressione ha lasciato il posto all'euforia quando ad un certo punto abbiamo visto il risultato grafico sul notebook con l'antenna a 12 m dal suolo.
Non solo il valore del ROS era quello previsto, ma l'andamento della curva del ROS era praticamente la fotocopia di quella prevista da uno dei diversi software di modellazione che avevamo utilizzato in fase progettuale.
Fig.17 curve del ROS e del return loss rilevate con l'analizzatore di antenna AIM4170
Notare l'assoluta sovrapponibilità con le curve teoriche calcolate con 4NEC2
Ulteriori rassicurazioni sulla piena riuscita del progetto ci sono derivate dalla ripetizione delle misure con l'antenna alla sua altezza definitiva, cioé 36 m dal suolo (30m dalla copertura del capannone). Anche queste misure hanno confermato in pieno le previsioni progettuali.
Fig.18 antenna all'altezza definitiva di 30m above roof
Naturalmente non poteva mancare la vera prova sul campo cioé l'uso dell'antenna in una vera e propria attività in aria con la radio. Abbiamo così colto l'occasione del contest ARRL International DX , tornata CW, che si é tenuto a febbraio scorso. Come é noto, in questa gara si collegano solo stazioni degli USA (tranne Hawaii e Alaska) e del Canada. L'occasione era quindi ghiotta anche per trarre indicazioni sul funzionamento dell'antenna agli angoli di radiazione bassi, per i quali in particolare é stata portata a 36 m dal suolo (30m dalla terrazza).
La prova ha avuto luogo il solo giorno del sabato ed é terminata quando la banda era ancora aperta e dunque, se si fosse continuato, il risultato sarebbe stato ancora più eclatante. Ma quello che é stato riscontrato , pur restando nell'ambito delle considerazioni, visto che non si é fatto un vero e proprio confronto a parità di ogni altra condizione tra due antenne diverse, suggerisce un parere assolutamente favorevole sulle prestazioni dell'antenna realizzata.
Durante l'uso é emerso in tutta la sua evidenza l'ottimo rapporto front/back dell'antenna. Spesso , infatti, si é volutamente ruotata l'antenna dalla parte opposta rispetto agli USA per stimarne il rapporto F/B e la radio sembrava ammutolire. In molte occasioni, inoltre, non si é avuto alcun problema a passare per primi su pile-ups anche furiosi e con soli 100 W di potenza in trasmissione, segno che l'antenna fa il suo ottimo lavoro anche sul piano del guadagno.
Abbiamo voluto, infine, fare una prova un po' più obiettiva, finalizzata alla ricostruzione in loco del diagramma di radiazione dell'antenna nel piano orizzontale.
Per far questo abbiamo utilizzato il software PolarPlot di G4HFQ. Tale software consente di tracciare su un piano polare l'intensità del segnale emesso da una stazione “beacon” ubicata ad una certa distanza e ricevuto dalla radio a cui é connessa l'antenna in prova. Ruotando l'antenna di 360 gradi mentre il beacon emette un segnale di potenza costante, il software restituisce, quindi, il diagramma di radiazione sul piano orizzontale dell'antenna. Naturalmente, il ricevitore a cui é collegata l'antenna in prova dovrà pure essere connesso al computer su cui é in esecuzione il software PolarPlot. In particolare, la connessione é quella tra l'uscita audio del ricevitore e l'ingresso audio della scheda audio del computer. In sostanza, il diagramma di radiazione viene tracciato sulla base del segnale audio proveniente dal ricevitore a cui é collegata l'antenna in prova.
Per evitare trattamenti strani del segnale audio in uscita dal rcevitore, viene disattivato l'AGC del ricevitore che, quindi, deve consentire tale disattivazione.
Va, inoltre, tarato il segnale trasmesso dalla stazione beacon in maniera tale che sia quando l'antenna gli é puntata addosso, sia quando é puntata dalla parte opposta, l'ampiezza del segnale ricada nel range dinamico del ricevitore.
Abbiamo, in definitiva, piazzato la stazione beacon a circa 4 km dalla postazione presso cui é ubicata l'antenna in prova e abbiamo emesso un segnale di ampiezza costante con le suddette caratteristiche.
Il risultato ottenuto con PolarPlot é quello visibile nelle due seguenti immagini.
Fig.19 diagramma di radiazione nel piano orizzontale (scala lineare)
(antenna all'altezza definitiva di 30m above roof)
Fig.20 diagramma di radiazione nel piano orizzontale (scala logaritmica)
(antenna all'altezza definitiva di 30m above roof)
Come si vede dai diagrammi, il front/back misurato é risultato di circa 30 dB.
Vi é da precisare che per avere il diagramma di radiazione nel piano orizzontale in corrispondenza del lobo principale di radiazione (che all'altezza di 36m dal suolo é intorno ai 10 gradi) occorrerebbe ubicare la stazione beacon ad una distanza e ad una altezza dal suolo tali che la congiungente tra l'antenna della stazione beacon e l'antenna in prova formi appunto un angolo di 10 gradi rispetto all'orizzontale. Ciò in pratica richiederebbe l'uso di attrezzature particolari che probabilmente non sarebbero alla fine giustificate.
Pur con queste limitazioni, tuttavia, dalla prova suddetta abbiamo potuto trarre utili indicazioni sulle reali prestazioni radiative dell'antenna da noi realizzata.
Conclusioni
La realizzazione di questa antenna é stata per noi una grande soddisfazione. Ci ha consentito di mettere alla prova le nostre conoscenze e l'attendibilità dei diversi software di modellazione antenne basati sul NEC e sue varianti. Abbiamo potuto lavorare insieme più di qualche fine settimana per la sua materiale creazione, utilizzando un'officina di tutto rispetto quale é quella della Pro.Sis.Tel. Soprattutto, abbiamo ora una signora antenna , per dimensioni e prestazioni, con cui intendiamo divertirci nei prossimi mesi compatibilmente con gli impegni familiari e di lavoro di ciascuno di noi.
Restiamo a disposizione per ulteriori chiarimenti sul forum Hamradioweb.
73 de I7PHH, IZ7CDB & IK7JWY
Bibliografia-Web
Note di W4RNL sulle OWA: http://www.antentop.org/w4rnl.001/owa.html
Note di NW3Z sulle OWA : https://www.naic.edu/~angel/kp4ao/ham/owa.html Attenzione: in queste note sono riportate le misure in pollici dell'antenna oggetto di questa recensione, ma con un errore sulla spaziatura del secondo direttore. La misura esatta non é 226,70 ma 266,70 pollici.
Tutorials in flash sul MMANA-GAL : http://www.hamradioweb.org/forums/forumdisplay.php?f=24
per il download di 4NEC2: https://www.qsl.net/4nec2/
per il download di PolarPlot: http://www.g4hfq.co.uk/
per chiarimenti e contatti con gli autori: http://www.hamradioweb.org/forums
Copyright 2010 - ogni riproduzione del testo e/o delle immagini contenute in questa recensione è vietata se non dopo espressa autorizzazione degli autori.