A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

[IK7JWY]

Per ora pubblico qui i grafici che sono il risultato di miei smanettamenti degli ultimi giorni con AutoEZ, Excel e HFTA.
La domanda a cui darò una risposta è la seguente. Stabilito il target d'uso di una direttiva singola per la banda dei 15m, ossia collegamenti DX con USA e JA, quale è l'altezza ottimale a cui montarla, ipotizzando una installazione su traliccio piantato direttamente al suolo, suolo piatto e di caratteristiche elettriche medie (average ground) ?

Per ora , risposta in forma solo grafica , che comunque dovrebbe essere già comprensibile..

Iniziamo con l'istogramma della distribuzione percentuale statistica degli angoli sotto cui arrivano i segnali in Italia dagli USA in banda 15m (software HFTA)


Continuiamo con l'istogramma della distribuzione percentuale statistica degli angoli sotto cui arrivano i segnali in Italia dal Giappone in banda 15m (software HFTA)


Questo invece è il grafico dell'andamento dell'angolo di take-off della direttiva al variare dell'altezza dal suolo (AutoEZ ed Excel)


Questo è il grafico dell'andamento del guadagno massimo dell'antenna al variare dell'altezza dal suolo (AutoEZ)


E questo è il grafico "core" del discorso... Esso contiene la risposta alla domanda... (software AutoEZ ed Excel)


Ovviamente , il tutto è ripetibile sulle altre bande. Ho considerato i 15m per motivi personali...

[IZ5CML]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Si, tutto bello, in teoria una direttiva a 6-7m dal suolo parrebbe quasi "inutile", di fatto rispetto ad una verticale montata su terreni "normali", urbani, paga la differenza tra fare e stare a guardare su tutti i segnali indipendentemente dalla provenienza.. per "non convenire", la direttiva va messa in garage o nella scatola..

[IK7JWY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Si, tutto bello, in teoria una direttiva a 6-7m dal suolo parrebbe quasi "inutile", di fatto rispetto ad una verticale montata su terreni "normali", urbani, paga la differenza tra fare e stare a guardare su tutti i segnali indipendentemente dalla provenienza.. per "non convenire", la direttiva va messa in garage o nella scatola..

Chiaro, qui non si parla di situazioni normali ma di situazioni "ottimali" con riferimento al target, né interessano i confronti con la verticale. Cioè, la verticale non è presa neanche in considerazione.

[I4LEC]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Art,

ti avevo letto trafficare con angoli di arrivo, sentivo che qualcosa bolliva in pentola......d'accordo il periodo è quello giusto!!!

Mi hai riportato indietro nel tempo, quando da ragazzino leggevo il libro di Jim Lawson (la mia bibbia di quei tempi), alla fine di tutta la trattazione, dopo innumerevoli prove sul campo, con più antenne alle altezze più disparate, l'altezza ottimale, per la tipologia che hai descritto, risultò essere 1,5 lambda.

Tu ci sei arrivato a tavolino, avendo a disposizione strumenti e statistiche, quest'ultime non ho ancora ben capito chi le abbia rilevate, tra l'altro riviste molto al ribasso, gli angoli iintendo, anche per le bande più basse.

Quindi io dico 22/23 metri d'altezza.........

ps fallo più spesso, quello di riportarmii indietro, non mi dispiace

73, LEC

[IK7JWY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Ecco la descrizione in formato testo.

In genere, quando parliamo di antenne direttive, prendiamo in considerazione il guadagno, intendendo, consapevolmente o meno, quello massimo, cioè quello riferito al lobo principale di radiazione.
E' noto che tale lobo forma con il piano orizzontale un angolo definito dagli anglosassoni come "take-off angle". In pratica è l'angolo di inclinazione rispetto al piano orizzontale con cui l'antenna irradia nello spazio con il massimo guadagno.
E' pure noto che tale angolo è influenzato dall'altezza rispetto al suolo alla quale è installata l'antenna, diminuendo all'aumentare dell'altezza, e che gli angoli con cui arrivano i segnali DX sono generalmente bassi.
Quindi, uno potrebbe pensare che più in alto viene installata un'antenna direttiva, più basso sarà langolo di take-off e quindi meglio si comporterà l'antenna nel traffico DX.
Cio' che però, spesso, ci sfugge è che in realtà, più del guadagno massimo in senso assoluto, ci dovrebbe interessare il cosiddetto guadagno medio, inteso come valore del guadagno mediato in un prestabilito range di valori dell'angolo di radiazione. Cosa significa ?
Osserviamo la seguente immagine. Essa rappresenta il diagramma di radiazione nel piano verticale di una antenna direttiva (OWA 5 elementi) in banda 15m installata ad una altezza di 40m dal suolo (ipotizzato di caratteristiche elettriche medie).

Notiamo che il guadagno massimo, pari a circa 16 dBi , si ha per un angolo di take-off di circa 5 gradi. Perfetta per i segnali che arrivano con quell'angolo. Ma cosa succede ai segnali in arrivo con un angolo di, per esempio, 10 gradi ? Basta seguire l'andamento del diagramma per notare che in corrispondenza di 10 gradi rispetto al piano orizzontale ho un guadagno di... -6,5 dBi circa. Cioè l'antenna è in perdita !
E per i segnali che arrivano con angoli inferiori a 5 gradi ? Anche in questo caso, il guadagno scende, pur mantenendosi su valori positivi.
Uno potrebbe dire "ok, ma chi se ne importa se a 10 gradi l'antenna perde anzichè guadagnare ? A me interessano i segnali DX". Bene, a questo punto ci viene in aiuto la ricerca statistica svolta in passato nell'arco di 11 anni di un ciclo solare e i cui risultati sono contenuti negli istogrammi con la distribuzione statistica percentuale ottenibili con il software HFTA (HF Terrain Assessment). Questo software, scritto da N6BV, era contenuto nella edizione 21^ (2007) di Antenna Handbook della ARRL.
Prendiamo , per esempio, l'istogramma relativo ai segnali provenienti in Italia dagli USA in banda 15 metri:

Leggendo l'istogramma da sinistra verso destra, notiamo che un 13% circa di segnali giungono con un angolo di 1°, un 10% circa con un angolo di 2°, un 6,2% circa con un angolo di 3° e così via. In particolare, risulta un 14% circa di segnali che giungono con angoli compresi tra 9° e 11°, zona dove la nostra antenna a 40 metri da terra risulta in perdita o con guadagno assai ridotto rispetto al massimo..
Dallo stesso istogramma si ricava, inoltre, che un buon 80% dei segnali provenienti in Italia dagli USA ricadono nel range di angoli tra 1° a 14°.
Già l'uso di questo istogramma ci fa comprendere che la nostra antenna a 40 metri da terra ha un lobo principale di radiazione troppo stretto, che non riesce ad andare bene per tutto l'80% dei segnali che arrivano dagli USA ma solo per quelli che arrivano con un angolo intorno a 5°.
Se queste considerazioni possono apparire esagerate all'utilizzatore "medio" di una antenna direttiva, non lo sono affatto per chi, ad esempio, tende a massimizzare le prestazioni del proprio sistema con finalità di contest.
Ma ora uno si chiede "ok, ma come faccio allora a sapere l'altezza giusta a cui installare la direttiva , se voglio abbracciare almeno l'80% dei segnali dagli USA in 15 metri ?".
Bisogna riprendere il concetto di Guadagno medio, prima soltanto accennato.
Stabilito il range di valori dell'angolo di radiazione che ci interessa, il guadagno medio in tale range si ottiene facendo la media, appunto, dei valori del guadagno in tale intervallo.
Per trovare l'altezza che massimizza tale guadagno medio, bisognerebbe andare a calcolare il diagramma di radiazione verticale dell'antenna per ciascun valore di altezza considerata, ad esempio variabile da 1 metro a 40 metri, e poi , per ciascuno diagramma calcolato, andare a calcolare la media dei valori del guadagno nell'intervallo di angoli di radiazione considerato.
Fare questo calcolo ripetitivo a mano sarebbe da pazzi.
Ecco allora che soccorre il computer, mediante l'uso di una applicazione per Excel scritta da Dan AC6LA, "AutoEZ". Questa applicazione ha sostituito la precedente , che si chiamava "MultiNEC". Chi fosse interessato ad acquistarla, la trova qui . Richiede la presenza di EZNec.
Ho, quindi, utilizzato questa applicazione per effettuare i calcoli e ricavare i risultati, che ho poi ulteriormente elaborato con Excel per ricostruire i grafici che ho pubblicato nel primo post di questa discussione.
Qui li riporto per comodità.

Quale è il range di angoli che ci interessa ? Nel mio caso (segnali DX con USA) è l'intervallo da 1° a 14°, perché in esso ricadono, come si è visto, l'80% dei segnali.
La curva da considerare nel grafico è quindi quella di colore marrone. L'intervallo è indicato da 0,5° a 14° perché ho impostato nei calcoli di AutoEZ una risoluzione di 0,5°, anziché 1°, tanto era il computer a farli..
Notiamo l'andamento della curva. A poca altezza dal suolo, il guadagno medio è basso, ma va rapidamente aumentando all'aumentare dell'altezza da terra. La curva , però, presenta un massimo, oltre il quale il guadagno medio riprende a scendere. E' proprio l'altezza corrispondente a quel massimo quella alla quale andrebbe installata l'antenna ! Nel mio caso, circa 22 metri. Installarla più in alto non solo non fa aumentare il guadagno medio nell'intervallo di angoli considerato, ma addirittura lo fa diminuire.

Uno stesso ragionamento è stato fatto per i segnali provenienti dal Giappone. Trovate l'istogramma di HFTA nel primo post della discussione. In questo caso, con l'antenna a 22 metri si abbraccia il 100% dei segnali con il massimo guadagno medio.

Ma un'altra considerazione va fatta per capire che c'è un limite all'altezza a cui installare un'antenna direttiva.

Consideriamo il grafico che illustra l'andamento del guadagno massimo, stavolta, al variare dell'altezza da terra. Tale grafico è sfornato direttamente dall'applicazione AutoEZ.

Notiamo che a 22 metri di altezza il guadagno massimo ha già quasi raggiunto il valore massimo (circa 16 dBi) e salendo ulteriormente in quota la variazione è davvero irrisoria, con la controindicazione che diminuirebbe il guadagno medio nell'intervallo di angoli considerato !
Infine, consideriamo il grafico che illustra l'andamento dell'angolo di take-off dell'antenna al variare della sua altezza da terra. Questo me lo sono ricavato io con Excel utilizzando i risultati forniti da AutoEZ.

Anche in questo caso, a 22 metri da terra il valore di tale angolo ha praticamente raggiunto il suo valore minimo e salendo ulteriormente in quota la variazione sarebbe irrisoria, con la stessa controindicazione vista sopra.

Aggiungo, per completezza, quanto segue.
Circa gli angoli sotto cui arrivano i segnali DX, su RadioRivista di marzo 1995 fu pubblicato un articolo a firma di I4SN in cui si fornivano interessanti dati in proposito, poi ricordati da IK8JSV nel suo articolo su RadioRivista 11/1995 "Ottimizziamo il nostro sistema d'antenna". In quest'ultimo articolo, si indicava un intervallo di angoli di radiazione tra 4° e 11°, dunque più stretto rispetto a quello risultante dagli istogrammi di N6BV.
Volendo vedere cosa succede anche in questo caso, ho ricavato l'omologa curva del guadagno medio con riferimento a tale intervallo. E' quella di colore verdino, con il massimo corrispondente a circa 25 metri di quota. In questo caso si nota un deterioramento del guadagno medio, oltre il massimo, ancora più evidente.


Tutto il discorso è stato da me fatto per la banda dei 15 metri perchè in questi anni sono operativo solo su tale banda. Ma è replicabile sulle altre bande HF dove in genere si usa un'antenna direttiva (dai 10m ai 20m ).

[ringrazio IK5PVX per avermi fornito copia dell'articolo di I4SN]

[I4LEC]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

...........Soccia, spero di non aver rovinato il post!!!

73, LEC

[IK7JWY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Hi Claudio, scherzi ? Ulteriore conferma alla fondatezza dell'analisi

[IK0VVE]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Bellissima trattazione Art!
Ma ora chi glielo dice a Tonno ES5TV con il suo array di 70 metri?

[IK7JWY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Ma ora chi glielo dice a Tonno ES5TV con il suo array di 70 metri?

Nessuno, Max, perché lungo lo sviluppo verticale della sua torre, come sai, ci sono ben 4 schiere di due antenne ciascuna, a 4 altezze differenti, commutando le quali riesce a coprire tutti i vari angoli possibili, dal più basso (antenne alte) al più alto (antenne basse)

[IZ5CML]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Chiaro, qui non si parla di situazioni normali ma di situazioni "ottimali" con riferimento al target, né interessano i confronti con la verticale. Cioè, la verticale non è presa neanche in considerazione.

Ovviamente Art, la mia era una estrapolazione.. forse troppo "estra" ma a volte, ho letto e leggo che vedendo quei grafici che hai postato, dove molti dei segnali arrivano da angoli radenti, pochi gradi sopra l'orizzonte, uno pensa che la verticale, anche singola, che ovviamente ha il suo bel lobo disteso sopra lo zero, possa essere una valida solzione rispetto alla beam non molto alta che ha il suo max gain a 25° per dire.. si certo, il massimo a 25°, ma anche a 10° andrà sempre meglio della verticale, anche se esibirà meno guadagno.
Giusto questo, ma appunto è OT rispetto al 3d.

Poi una volta vorrei mi spiegassi passaggio passaggio come ottenere i grafici dei segnali in arrivo in una tederminata zona...

[IK0VVE]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Nessuno, Max, ...

Naturalmente era una battuta ad averceli di array così!

[iw1arb]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

ricordo una presentaione ... credo fatta a Modena da LEC sull'argomento...
del tipo meglio antenne corte o antenne lunghe...
meglio antenne in alto o in basso...
insomma le presentazioni tipiche di LEC

[IK7JWY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Poi una volta vorrei mi spiegassi passaggio passaggio come ottenere i grafici dei segnali in arrivo in una tederminata zona...

Più che da me, questa spiegazione sarebbe bello averla direttamente da Dean Straw N6BV. Anche stimolato dall'email di un lettore di questa discussione, sono andato a rileggermi l'articolo di I4SN (RR 3/1995), laddove viene appunto accennato al metodo usato per ricavare questi istogrammi che poi vediamo nel software HFTA.
La frase nel mio post originario

"Bene, a questo punto ci viene in aiuto la ricerca statistica svolta in passato nell'arco di 11 anni di un ciclo solare e i cui risultati sono contenuti negli istogrammi con la distribuzione statistica percentuale ottenibili con il software HFTA (HF Terrain Assessment)"

è approssimativa. In realtà, le cose pare siano andate come segue. E qui cito testualmente la parte che interessa dell'articolo di I4SN:

"Nell'Antenna Book (17 edizione) Dean Straw (N6BV) ci informa sui risultati di una ricerca condotta presso la sede di Newington della ARRL, inerenti i collegamenti con l'Europa. Il grafico di fig.2 , riferito alla gamma dei 14 MHz, è il risultato di uno studio statistico di alcuni anni di analisi dei log di alcuni "DX Contest" con i punteggi più elevati."

Domanda personale: ma in tali logs erano annotati gli angoli con cui provenivano i segnali ? E, se si, come venivano misurati tali angoli ?
Andiamo avanti con il testo dell'articolo di I4SN:

"Questi dati statistici sono stati poi confrontati con i calcoli al computer, impiegando il software IONCAP, ove sono stati immessi parametri inerenti diversi mesi dell'anno, con differenti livelli di attività solare."

Ecco, quindi come poi nel documento acrobat che accompagna il software HFTA è scritto:

"For each amateur HF band from 80 to 10 meters, this file shows the percentage of time each elevation angle is effective. These statistics were computed for all the times over the 11-year solar cycle when each band is actually open."

da cui la mia affermazione approssimativa secondo cui gli istogrammi sono il risultato di una ricerca statistica svolta in passato nell'arco di 11 anni di un ciclo solare.
Resta il desiderio di capire come materialmente siano stati a suo tempo raccolti i dati da N6BV su cui poi effettuare i calcoli statistici. Fosse un angolo azimutale, sarebbe molto semplice trovarlo, basterebbe ruotare l'antenna per trovare la direzione del massimo livello di segnale. Ma trattandosi di un angolo verticale, non mi viene nessuna idea pratica in testa.

Qualcuno si trova l'ARRL Antenna Book edizione 17 (anno 1994) ?

[IK4AUY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Art, dispongo di un certo numero di libri della ARRL nella ns libreria personale radioamatoriale, e guarda caso ho trovato l'edizione 17th della ARRL Antenna Book, di cui N6BV ne è l'editore.
La prefazione iniziale al libro recita, mia traduzione.... "in precedenza i radioamatori hanno avuto poche solide informazioni circa l'elevazione degli angoli dei segnali veramente necessari per le comunicazioni "worldwide" HF. Senza una buona informazione degli angoli di take-off, la progettazione di sistemi di antenne per il DX o per i contest è stato spesso una faccenda "put it up and see if it works". Per il capitolo sulla propagazione di questa edizione N6BV ha preparato dettagliate analisi statistiche ottenute da migliaia di "computers runs" per vari luoghi nel Nord America verso le principali locazioni DX attorno al mondo. Ora voi avete le informazioni per progettare il vostro sistema appropriatamente". Il capitolo sulla propagazione cita il modello Ioncap
che poi vi posso confermare da fonte certa ovvero che Ioncap è il "core model ripreso ed aggiornato in VOACAP infatti riporto testualmente dal sito di VOACAP che "VOACAP is an improved and corrected version of IONCAP, retaining all of the theory as put forth by John Lloyd, George Haydon, Donald Lucas and Larry Teters in the 1975-1985 time-frame with modifications which were suggested/approved by George Lane, Donald Lucas, George Haydon and A. D. Spaulding (a world authority on HF radio noise predictions).

La tabella ad esempio di pag 23-20 con i gradi di elevazione degli angoli possibili alle ascisse e % di aperture in ordinate tra W1 to Europe va nel range a 3° a 29° copre (rappresenta) il 100% delle aperture computate dal software per tutti i mesi e tutti i livelli di attività solare tra W1 ed Eu in 20 metri.

(l'antenna considerata per le simulazioni con il software citato, dice il testo a pag 23-20 chapter 23, è inverted V a 100 piedi per le freq da 3,5 a 10.5MHz con guadagno 1dBi, per il range da 10.5MHz a 20MHz 3El Yagi 100feet high con free space gain di 8dbi, da 20MHz a 30MHz yagi mono 4El a 60feet con guadagno free space 9dbi e che la definizione di banda aperta, per queste run con IONCAP, il segnale nella locazione di ricezione (RX site) deve essere superiore ad un livello di 0dBmicroV dove per un tipico ricevitore 34dBmicroV rappresenta il piu' tipico livello di 50microVolt che corrisponde ad un S9)

Se ti serve altro da tale libro fammi sapere.
Sergio, IK4AUY

[IK7JWY]

Re: A che altezza montare la direttiva ? Questione sempre attuale.. :-)

Per il capitolo sulla propagazione di questa edizione N6BV ha preparato dettagliate analisi statistiche ottenute da migliaia di "computers runs" per vari luoghi nel Nord America verso le principali locazioni DX attorno al mondo.

Grazie molte, Sergio. Ma quindi, se ho capito bene, è stato tutto un discorso di simulazioni con il computer utilizzando il software Ioncap !?
Avevo capito, evidentemente sbagliandomi, che si fossero fatte anche delle misure, di cui appunto mi incuriosivano le modalità.
A questo punto, ti scrivo via email...