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Buongiorno a tutti,
avevo visto questa antenna al Simposium 2011 di Modena ma li per li
non mi era interessata granche', anzi non avevo nemmeno cercato di
capire cosa fosse di preciso e come funzionasse.
Le VLF non sono mai state la mia area di interesse principale;
ultimamente, pero`, mi sono imbattuto in molte discussioni
sull'antenna Miniwhip di PA0RDT (MW nel seguito) e mi sono deciso a
leggere e a capire come mai ci fosse tanto interesse dietro.
Spero che questa analisi possa interessare qualcuno...
Descrizione della MW
====================
La MW non e` un'antenna ma un sensore di campo elettrico (nel seguito
campo E). Ovvero un sistema in grado di produrre un segnale elettrico
su un carico a 50ohm in proporzione al campo E in cui si trova
immersa.
Il circuito e` ben fatto dal punto di vista della realizzazione
pratica e quindi si puo` ritenere che tutto il sistema sia realmente
un preampli ad altissima impedenza d'ingresso connesso al sensore vero
e proprio. Tutto il sistema e` alimentato tramite lo stesso cavo
coassiale che porta il segnale verso il ricevitore, la massa
del sistema e` connessa a questo cavo.
Il sensore vero e proprio e` un coppia di elettrodi uno connesso al
gate del fet all'ingresso, mentre l'altro e` costituito da tutte le
masse cui e` attaccato il source dello stesso fet fra cui il cavo
coassiale e tutto cio` che e` ad esso collegato.
Un campo E presente in prosimita` del sensore dara` luogo ad una
tensione all'ingresso del fet e quindi ad un segnale all'ingresso del
ricevitore.
Siccome le dimensioni del sensore sono molto piccole rispetto alla
lunghezza d'onda dei segnali d'interesse (centimentri contro centinaia
di metri o chilometri) si puo` considerare corretto l'uso
dell'approccio quasi-statico. Ovvero si puo` ragionare non in termini
di onde elettromagnetiche ma in termini del solo campo E associato con
quell'onda incidente. In questo modo si possono utilizzare tutte le
conoscenze relative ai campi statici che sono anche molto facili da
visualizzare.
Se la MW portasse a bordo una batteria ed uno strumento di misura
rilevabile a vista si potrebbe concludere che tutto il sistema sia un
buon misuratore di campo E, infatti "immergendo" la MW in un campo E
si otterebbe una indicazione proporzionale al campo E e senza che la
MW lo avesse perturbato aprezzabilmente.
La MW, invece ha una "appendice" molto estesa costituita dal cavo
coassiale e magari dal supporto (palo, traliccio) che la sostiene: il
cavo coassiale e` connesso alla massa del sensore, il supporto non e`
detto, comunque e` nelle vicinanze del sensore stesso.
E` noto che il campo E viene distorto dalla presenza di conduttori
nelle vicinanze visto che la superficie dei conduttori e`
equipotenziale; pertanto il segnale che si riceve non e` quello
relativo al campo elettrico presente in quel punto se li non vi fosse
nessun corpo, ma quello distorto dai corpi conduttori presenti nelle
vicinanze.
Un problema di misura
=====================
Anni fa alcuni miei colleghi con cui lavoravo allora si trovarono di
fronte ad un problema di misura nell'ambito della caratterizzazione di
un ambiente interessante per la protezionistica da campi EM [2], [3].
In breve effettuando misure sul tetto di un edificio in prossimita` di
una stazione radiobase per telfonia cellulare con uno strumento a
banda larga (da poche centinaia di kHz ad alcuni GHz) trovavano valori
molto piu` alti del previsto. E, cosa li per li ancor meno spiegabile,
questi valori aumentavano ancora quando la misura fosse fatta non al
centro di un tetto piatto dell'edificio su cui venivano condotte le
misure ma spostandosi verso il parapetto.
Dopo un'indagine a banda stretta e con antenne sia a dipolo che a
loop, venne fuori che il segnale piu` forte, dopo la sorgente
d'interesse, era quello di un TX ad onde medie di Radio RAI 1 a circa
4km che allora trasmetteva con circa 100kW.
Le trasmissioni in onda media e di frequenza inferiore producono
generalmente un campo E verticale le cui linee equipotenziali sono
parallele al terreno in assenza di ostacoli.
Essendo gli edifici (e a maggior ragione un palo metallico di piccola
sezione ma di grande altezza) molto allungati la locale distorsione
del campo E e` notevole visto che questi oggetti si comportano come
buoni conduttori alle frequenze cosi` basse e che la forma molto
allungata di questi oggetti perturbanti influenza molto di piu` il
campo E che non il campo H.
In pratica in stretta prossimita` di tali oggetti il rapporto fra
campo E e campo H non coincidera` con l'impedenza d'onda dello spazio
libero (377ohm) ma avra` un valore molto piu` elevato.
Il risultato (si veda la figura 1) e` che le linee equipotenziali del
campo E vengono distorte, "tirate su", in prossimitia` di tutti gli
oggetti che essendo connessi con la terra hanno tutta la loro
superfice esterna praticamente allo stesso potenziale del terreno.
Ricordandomi delle conclusioni a cui erano arrivati i miei colleghi e
leggendo l'articolo di I2VGO su Radiokit Elettronica [1] ho visto
subito la simulitudine.
L'ambito di funzionamento della MW
==================================
Dalla fifgura 1 si puo` comprendere l'aspetto fondamentale della MW:
il sensore funziona in una zona dove -artificialmente grazie al
sostegno e al cavo coassiale di collegamento- il campo elettrico viene
alterato.
Ovvero, come detto prima, ci si trova in una zona con forti
campi reattivi dove prevale il campo E rispetto al campo H e siccome
la MW non e` un'antenna che deve convertire _potenza_ del campo EM in
segnale rf ma un sensore che converte il campo E in segnale rf, trarra`
vantaggio a trovarsi in una zona in cui il rapporto E/H sara` maggiore
rispetto allo spazio libero.
Si puo` azzardare un paragone circuitale dicendo che mettere un palo
metallico elevato in prossimita` di questo sensore e` come attaccare
un ipotetico trasformatore che alzi l'impedenza del "circuito" da
misurare, cioe` l'impedenza dell'onda EM stessa.
Ad ulteriore giustificazione di quanto detto all'inizio di questo
paragrafo si veda la figura 2 dove e` mostrato come l'infittimento
delle linee equipotenziali in una struttura semplice (condensatore a
piatti piani paralleli e non) coincida con l'aumento del campo E.
Simulazione
===========
Questo problema si presta anche ad una semplice simulazione con uno
dei programmi che implementano il metodo dei momenti (MoM) come il
NEC2 e derivati.
Si tratta qui di impostare la simulazione con un dipolo molto corto
che, quando investito da un'onda piana, mostri una corrente che scorra
attraverso di esso. Si puo` per questo scrivere un file come:
mw-1.nec
--------
CM Analisi MiniWhip PA0RDT
CM Sensore di campo implementato come dipolo molto corto (1cm) a 10m dal terreno
CM investito da un'onda piana senza nessun supporto
CM Frequenza 1MHz
CE
GW 1 1 0 0 10 0 0 10.01 0.05
GE 1
FR 0 1 0 0 1
EX 1 1 1 0 90. 0.
RP 0 1 1 1000 0.
EN
che produce un risultato dal quale si puo` estrarre la seguente riga
mw-1.out
--------
.....
SEG TAG COORDINATES OF SEGM CENTER SEGM ------------- CURRENT (AMPS) ----
No: No: X Y Z LENGTH REAL IMAGINARY MAGN
1 1 0.0000 0.0000 0.0334 0.00003 -7.1269E-15 -9.1437E-06 9.1437E-06
.....
^^^^^^^^^^
Dove si vede che la corrente indotta e` dell'ordine di 9e-6;
tralasciamo il valore assoluto e confrontiamolo con gli altri casi
mostrati sotto:
mw-2.nec
--------
CM Analisi MiniWhip PA0RDT
CM Sensore di campo implementato come dipolo molto corto (1cm) a 10m dal terreno
CM investito da un'onda piana
CM Supporto conduttore posto 1m sotto il dipolo di prova
CM Frequenza 1MHz
CE
GW 1 1 0 0 10 0 0 10.01 0.05
GW 2 3 0 0 0 0 0 9. 0.05
GE 1
FR 0 1 0 0 1.
EX 1 1 1 0 90.
RP 0 1 1 1000 0.
EN
mw-2.out
--------
.....
SEG TAG COORDINATES OF SEGM CENTER SEGM ------------- CURRENT (AMPS) ----
No: No: X Y Z LENGTH REAL IMAGINARY MAGN
1 1 0.0000 0.0000 0.0334 0.00003 -1.3306E-09 -1.3936E-05 1.3936E-05
.....
^^^^^^^^^^
Da cui si vede che un palo sottostante il sensore a 1m di distanza
(in verticale) da esso produce un aumento della corrente indotta (e
quindi del campo E presente visto che il dipolo e` corto ed e`
sensibile a quello) di circa il 50%.
Avvicinando ancora di piu` il palo metallico al sensore si ottengono
incrementi ancora maggiori:
distanza supporto-sensore | incremento campo E
---------------------------+--------------------
1m | 52% (=3.6dB)
10cm | 846% (=19.5dB)
5cm | 1420% (=24dB)
Si prendano questi risultati in maniera qualitativa e non
quantitativa, comunque, visto che si sta utilizzando il simultaore ai
limiti della correttezza per quanto riguarda la segmentazione dei
conduttori in termini di lunghezze d'onda.
Cocnlusioni
===========
Fatto salvo che una antenna attiva puo` sempre dare dei problemi per
il valore molto minore della IP3 rispetto ad un'antenna completamente
passiva (...) bisogna riconoscere che la MW e` un'idea azzeccata.
Ma non per l'oggetto in se, quanto per le condizioni di utilizzo
suggerite dall'autore e verificate da molti.
Bibliografia
============
[1] Gianfranco Verbana (I2VGO) "La Miniwhip di PA0RDT", Radiokit
Elettronica settembre 2011 pag 14-16
[2] D. Andreuccetti, M. Bini, A. Ignesti, R. Olmi, S. Priori e
R. Vanni "Stazioni radiobase per telefonia cellulare: misure di
campo a larga banda in presenza di stazioni radio OM" Atti della
Fondazione G. Ronchi - Special Issue on XIIIth RiNEm
[3] M. Bini, A. Ignesti, R. Olmi, S. Priori, C. Riminesi e
R. Vanni "Campi EM da sorgenti a onde medie: conoscenze di base,
misure in ambiente urbano e risvolti protezionistici" Atti della
Fondazione G. Ronchi - Special Issue on XIIIth RiNEm
Lapo Pieri (IK5NAX) - Settembre 2011
avevo visto questa antenna al Simposium 2011 di Modena ma li per li
non mi era interessata granche', anzi non avevo nemmeno cercato di
capire cosa fosse di preciso e come funzionasse.
Le VLF non sono mai state la mia area di interesse principale;
ultimamente, pero`, mi sono imbattuto in molte discussioni
sull'antenna Miniwhip di PA0RDT (MW nel seguito) e mi sono deciso a
leggere e a capire come mai ci fosse tanto interesse dietro.
Spero che questa analisi possa interessare qualcuno...
Descrizione della MW
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La MW non e` un'antenna ma un sensore di campo elettrico (nel seguito
campo E). Ovvero un sistema in grado di produrre un segnale elettrico
su un carico a 50ohm in proporzione al campo E in cui si trova
immersa.
Il circuito e` ben fatto dal punto di vista della realizzazione
pratica e quindi si puo` ritenere che tutto il sistema sia realmente
un preampli ad altissima impedenza d'ingresso connesso al sensore vero
e proprio. Tutto il sistema e` alimentato tramite lo stesso cavo
coassiale che porta il segnale verso il ricevitore, la massa
del sistema e` connessa a questo cavo.
Il sensore vero e proprio e` un coppia di elettrodi uno connesso al
gate del fet all'ingresso, mentre l'altro e` costituito da tutte le
masse cui e` attaccato il source dello stesso fet fra cui il cavo
coassiale e tutto cio` che e` ad esso collegato.
Un campo E presente in prosimita` del sensore dara` luogo ad una
tensione all'ingresso del fet e quindi ad un segnale all'ingresso del
ricevitore.
Siccome le dimensioni del sensore sono molto piccole rispetto alla
lunghezza d'onda dei segnali d'interesse (centimentri contro centinaia
di metri o chilometri) si puo` considerare corretto l'uso
dell'approccio quasi-statico. Ovvero si puo` ragionare non in termini
di onde elettromagnetiche ma in termini del solo campo E associato con
quell'onda incidente. In questo modo si possono utilizzare tutte le
conoscenze relative ai campi statici che sono anche molto facili da
visualizzare.
Se la MW portasse a bordo una batteria ed uno strumento di misura
rilevabile a vista si potrebbe concludere che tutto il sistema sia un
buon misuratore di campo E, infatti "immergendo" la MW in un campo E
si otterebbe una indicazione proporzionale al campo E e senza che la
MW lo avesse perturbato aprezzabilmente.
La MW, invece ha una "appendice" molto estesa costituita dal cavo
coassiale e magari dal supporto (palo, traliccio) che la sostiene: il
cavo coassiale e` connesso alla massa del sensore, il supporto non e`
detto, comunque e` nelle vicinanze del sensore stesso.
E` noto che il campo E viene distorto dalla presenza di conduttori
nelle vicinanze visto che la superficie dei conduttori e`
equipotenziale; pertanto il segnale che si riceve non e` quello
relativo al campo elettrico presente in quel punto se li non vi fosse
nessun corpo, ma quello distorto dai corpi conduttori presenti nelle
vicinanze.
Un problema di misura
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Anni fa alcuni miei colleghi con cui lavoravo allora si trovarono di
fronte ad un problema di misura nell'ambito della caratterizzazione di
un ambiente interessante per la protezionistica da campi EM [2], [3].
In breve effettuando misure sul tetto di un edificio in prossimita` di
una stazione radiobase per telfonia cellulare con uno strumento a
banda larga (da poche centinaia di kHz ad alcuni GHz) trovavano valori
molto piu` alti del previsto. E, cosa li per li ancor meno spiegabile,
questi valori aumentavano ancora quando la misura fosse fatta non al
centro di un tetto piatto dell'edificio su cui venivano condotte le
misure ma spostandosi verso il parapetto.
Dopo un'indagine a banda stretta e con antenne sia a dipolo che a
loop, venne fuori che il segnale piu` forte, dopo la sorgente
d'interesse, era quello di un TX ad onde medie di Radio RAI 1 a circa
4km che allora trasmetteva con circa 100kW.
Le trasmissioni in onda media e di frequenza inferiore producono
generalmente un campo E verticale le cui linee equipotenziali sono
parallele al terreno in assenza di ostacoli.
Essendo gli edifici (e a maggior ragione un palo metallico di piccola
sezione ma di grande altezza) molto allungati la locale distorsione
del campo E e` notevole visto che questi oggetti si comportano come
buoni conduttori alle frequenze cosi` basse e che la forma molto
allungata di questi oggetti perturbanti influenza molto di piu` il
campo E che non il campo H.
In pratica in stretta prossimita` di tali oggetti il rapporto fra
campo E e campo H non coincidera` con l'impedenza d'onda dello spazio
libero (377ohm) ma avra` un valore molto piu` elevato.
Il risultato (si veda la figura 1) e` che le linee equipotenziali del
campo E vengono distorte, "tirate su", in prossimitia` di tutti gli
oggetti che essendo connessi con la terra hanno tutta la loro
superfice esterna praticamente allo stesso potenziale del terreno.
Ricordandomi delle conclusioni a cui erano arrivati i miei colleghi e
leggendo l'articolo di I2VGO su Radiokit Elettronica [1] ho visto
subito la simulitudine.
L'ambito di funzionamento della MW
==================================
Dalla fifgura 1 si puo` comprendere l'aspetto fondamentale della MW:
il sensore funziona in una zona dove -artificialmente grazie al
sostegno e al cavo coassiale di collegamento- il campo elettrico viene
alterato.
Ovvero, come detto prima, ci si trova in una zona con forti
campi reattivi dove prevale il campo E rispetto al campo H e siccome
la MW non e` un'antenna che deve convertire _potenza_ del campo EM in
segnale rf ma un sensore che converte il campo E in segnale rf, trarra`
vantaggio a trovarsi in una zona in cui il rapporto E/H sara` maggiore
rispetto allo spazio libero.
Si puo` azzardare un paragone circuitale dicendo che mettere un palo
metallico elevato in prossimita` di questo sensore e` come attaccare
un ipotetico trasformatore che alzi l'impedenza del "circuito" da
misurare, cioe` l'impedenza dell'onda EM stessa.
Ad ulteriore giustificazione di quanto detto all'inizio di questo
paragrafo si veda la figura 2 dove e` mostrato come l'infittimento
delle linee equipotenziali in una struttura semplice (condensatore a
piatti piani paralleli e non) coincida con l'aumento del campo E.
Simulazione
===========
Questo problema si presta anche ad una semplice simulazione con uno
dei programmi che implementano il metodo dei momenti (MoM) come il
NEC2 e derivati.
Si tratta qui di impostare la simulazione con un dipolo molto corto
che, quando investito da un'onda piana, mostri una corrente che scorra
attraverso di esso. Si puo` per questo scrivere un file come:
mw-1.nec
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CM Analisi MiniWhip PA0RDT
CM Sensore di campo implementato come dipolo molto corto (1cm) a 10m dal terreno
CM investito da un'onda piana senza nessun supporto
CM Frequenza 1MHz
CE
GW 1 1 0 0 10 0 0 10.01 0.05
GE 1
FR 0 1 0 0 1
EX 1 1 1 0 90. 0.
RP 0 1 1 1000 0.
EN
che produce un risultato dal quale si puo` estrarre la seguente riga
mw-1.out
--------
.....
SEG TAG COORDINATES OF SEGM CENTER SEGM ------------- CURRENT (AMPS) ----
No: No: X Y Z LENGTH REAL IMAGINARY MAGN
1 1 0.0000 0.0000 0.0334 0.00003 -7.1269E-15 -9.1437E-06 9.1437E-06
.....
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Dove si vede che la corrente indotta e` dell'ordine di 9e-6;
tralasciamo il valore assoluto e confrontiamolo con gli altri casi
mostrati sotto:
mw-2.nec
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CM Analisi MiniWhip PA0RDT
CM Sensore di campo implementato come dipolo molto corto (1cm) a 10m dal terreno
CM investito da un'onda piana
CM Supporto conduttore posto 1m sotto il dipolo di prova
CM Frequenza 1MHz
CE
GW 1 1 0 0 10 0 0 10.01 0.05
GW 2 3 0 0 0 0 0 9. 0.05
GE 1
FR 0 1 0 0 1.
EX 1 1 1 0 90.
RP 0 1 1 1000 0.
EN
mw-2.out
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SEG TAG COORDINATES OF SEGM CENTER SEGM ------------- CURRENT (AMPS) ----
No: No: X Y Z LENGTH REAL IMAGINARY MAGN
1 1 0.0000 0.0000 0.0334 0.00003 -1.3306E-09 -1.3936E-05 1.3936E-05
.....
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Da cui si vede che un palo sottostante il sensore a 1m di distanza
(in verticale) da esso produce un aumento della corrente indotta (e
quindi del campo E presente visto che il dipolo e` corto ed e`
sensibile a quello) di circa il 50%.
Avvicinando ancora di piu` il palo metallico al sensore si ottengono
incrementi ancora maggiori:
distanza supporto-sensore | incremento campo E
---------------------------+--------------------
1m | 52% (=3.6dB)
10cm | 846% (=19.5dB)
5cm | 1420% (=24dB)
Si prendano questi risultati in maniera qualitativa e non
quantitativa, comunque, visto che si sta utilizzando il simultaore ai
limiti della correttezza per quanto riguarda la segmentazione dei
conduttori in termini di lunghezze d'onda.
Cocnlusioni
===========
Fatto salvo che una antenna attiva puo` sempre dare dei problemi per
il valore molto minore della IP3 rispetto ad un'antenna completamente
passiva (...) bisogna riconoscere che la MW e` un'idea azzeccata.
Ma non per l'oggetto in se, quanto per le condizioni di utilizzo
suggerite dall'autore e verificate da molti.
Bibliografia
============
[1] Gianfranco Verbana (I2VGO) "La Miniwhip di PA0RDT", Radiokit
Elettronica settembre 2011 pag 14-16
[2] D. Andreuccetti, M. Bini, A. Ignesti, R. Olmi, S. Priori e
R. Vanni "Stazioni radiobase per telefonia cellulare: misure di
campo a larga banda in presenza di stazioni radio OM" Atti della
Fondazione G. Ronchi - Special Issue on XIIIth RiNEm
[3] M. Bini, A. Ignesti, R. Olmi, S. Priori, C. Riminesi e
R. Vanni "Campi EM da sorgenti a onde medie: conoscenze di base,
misure in ambiente urbano e risvolti protezionistici" Atti della
Fondazione G. Ronchi - Special Issue on XIIIth RiNEm
Lapo Pieri (IK5NAX) - Settembre 2011
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