Dipolo NVIS 40/80m - ARI Vittorio Veneto

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Dipolo NVIS 40/80m (7.040-3.580 MHz)
by I3RKE
Antenna campale costituita da un dipolo rigido caricato sintonizzabile sulle due gamme dei 40 m ed 80 m, le più favorevoli per sfruttare la propagazione NVIS (Near Vertical Incidence System) durante il giorno (40 m) e la notte (80 m). Le ridotte dimensioni facilitano il suo trasporto anche su normali autovetture (previo smontaggio degli stili). Necessita di un singolo palo di sostegno centrale di dimensioni contenute (max 4 m).  L'altezza bassa rispetto a terra viene qui sfruttata proprio per deformare il lobo ed ottenere il massimo dell’ irradiazione a 90° sull'orizzonte.
Progetto pubblicato su Radio Rivista del Dicembre 2015
PREMESSA
Presso la sezione ARI di Vittorio Veneto è attivo un gruppo RE che si propone di sperimentare collegamenti in modo digitale a corto raggio (30-80 km) per lo scambio di messaggi scritti. Recentemente mi sono aggregato a questo gruppo e mi è stato chiesto di realizzare un’antenna adatta allo scopo. Le specifiche tecniche che sono state definite sono:
  • Antenna campale leggera  che possa essere dispiegata facilmente ed in tempi  brevi.
  • Funzionamento sulle due gamme 40 m ed 80 m, le più favorevoli per sfruttare la propagazione NVIS (Near Vertical Incidence System) durante il giorno (40 m) e di notte (80 m).
  • Dimensioni ridotte e tali da poterla trasportare con un vettura normale.
  • Supportata da un solo palo centrale telescopico di dimensioni contenute (max 4 m).
La scelta, quasi obbligata, è caduta su un dipolo caricato montato ad un’altezza bassa rispetto terra, tale da deformare il lobo ed ottenere il massimo dell’irradiazione a 90°.  
Avevo da tempo acquistato una licenza EZNEC ed ho considerato che questa fosse una buona opportunità per testarne il funzionamento e verificare l’attendibilità del modello matematico con un riscontro mediante misure su un prototipo.
SIMULAZIONE Dipolo 40 m
Impostazione dati dipolo 40 m, si noti che ho stimato un’impedenza dell’antenna di 12,5 Ohm pensando di utilizzare un trasformatore/simmetrizzatore/balun 4:1. Per questo motivo ho previsto un’impedenza caratteristica alternativa, per il calcolo dell’SWR, di 50/4 = 12,5 Ohm:

Schema e diagramma di irradiazione del dipolo per i 40 m:
 
Dimensioni radiatore del dipolo 40m. Si noti l’altezza da terra ipotizzata a 3m:

Bobine di carico per raccorciare l’antenna. Si noti che le bobine sono state posizionate leggermente staccate dal punto di alimentazione per diminuire la corrente che circola su di esse. Sul modello sono posizionate ad una distanza pari al 15% della lunghezza totale del semidipolo:

Diagramma SWR del dipolo 40 m posizionato ad un'altezza di 3 m da terra:


SIMULAZIONE Dipolo 80 m
Impostazione dati dipolo 80 m:

Schema e diagramma di irradiazione del dipolo per gli 80 m:
 
Dimensioni del radiatore dipolo 80 m, si noti l’altezza da terra ipotizzata a 3 m:
Bobine di carico per raccorciare l’antenna in 80 m:

Diagramma SWR del dipolo per gli 80 m posizionato ad altezza di 3 m da terra:


COSTRUZIONE
Le dimensioni riportate nei disegni sono quelle di partenza, prima di iniziare il procedimento di taratura.
Vista complessiva:

Vista di un braccio (l'altro è simmetrico)

Dettagli della bobina:

Materiale necessario:
  • 1 tubo in fibra di vetro Ø: 40mm, sp: 3mm, L: 500mm (boom centrale)
  • 2 tubi in PVC (tipo per scarichi idraulici) Ø 100mm, sp 3mm, L=600mm (supporti bobine di carico)
  • 2 tubi in alluminio Ø 14mm, sp 1,5mm
  • 2 tubi in alluminio Ø 10mm, sp 1,5mm
  • 2 tubi in alluminio Ø 6mm, sp 1,0mm
  • 25m di filo di rame smaltato Ø 2mm (per bobine di carico e raccordi con balun ed elementi in alluminio)
  • 2 fascette stringi tubo in acciaio inox per tubo Ø 14mm
  • 2 fascette stringi tubo in acciaio inox per tubo Ø 10mm
  • 10 viti M5x20mm con relativi dadi e rondelle
  • 4 connettori a banana 4mm maschio
  • 4 connettori a banana 4mm femmina
  • Vari spezzoni di filo da impianti elettrici per connessioni dei ponticelli selezione di banda e per connessione dell’antenna al simmetrizzatore 4:1
  • 1 simmetrizzatore (balun) 4:1  
  • 1 scatola stagna in zama per contenere in balun.
  • 1 connettore coassiale SO 239

ASSEMBLAGGIO
  • Forare il boom e i tubi di supporto delle bobine come indicato nei disegni.
  • Tagliare uno spezzone di filo smaltato Ø 2mm di lunghezza L=12,06 m e saldare sulle due estremità due connettori ad occhiello.
  • Fissare le viti M5x10 sui fori e bloccarle con dado e rondella.
  • Collegare sulla vite più interna (lato balun) un capo del filo L=12,06 m predisposto come sopra, avvolgere le 32 spire in modo che il passo spire risulti di 3mm circa e collegare il secondo capo alla vite fissata a 115 mm da quella di partenza.
  • Raccordare  con  uno  spezzone di filo il capo più interno della bobina con la vite fissata sul lato connessione del balun.
  • Saldare un capo del ponticello 40/80 m sulla 12° spira contata a partire dalla parte più interna della bobina (lato balun). Un altro capo andrà collegato sulla parte finale della bobina (lato degli stili in alluminio). Sui due capi liberi dei ponticelli andranno saldati i connettori (rispettivamente maschio e femmina) a banana.
  • Praticare due fori sullo stilo in alluminio Ø 14mm e fissarlo al tubo in PVC Ø 100 mm a mezzo delle due viti in ottone predisposte.
  • Fissare i due tubi esterni in alluminio con le fascette stringi tubo alla misura iniziale indicata nei disegni.
  • Fissare il boom in fibra di vetro ai due tubi in PVC.
  • Fissare il balun sulla parte superiore del mast a mezzo della clip in plastica.
  • Raccordare le uscite del balun con il filo smaltato Ø 2 mm.
Per le operazioni di cui sopra fare anche riferimento alle foto che seguono.  Ripetere le medesime operazioni per il secondo supporto della bobina.
La bobina di carico si può considerare come la serie di una bobina di circa 12 spire con un’ induttanza di 17,6 uH (per la risonanza in 40 m) ed una bobina di circa 20 spire che porta l’ induttanza totale delle due bobine in serie ad un valore complessivo di 81 uH, per la risonanza in 80m.
La bobina è posizionata ad una distanza dal punto centrale di alimentazione di circa il 15% della lunghezza del semidipolo. Questa è una scelta progettuale che ha l’obiettivo di posizionare la bobina fuori dal ventre di corrente e minimizzare così le perdite. Secondo il modello matematico utilizzato nel simulatore EZNEC la posizione della bobina influenza anche l’impedenza dell’antenna alla frequenza di risonanza e quindi influenza anche la scelta del trasformatore di impedenza (BALUN) 4:1.
Antenna completa montata su palo telescopico:
Anche altri fattori influenzano l’impedenza del dipolo, per l’analisi dei quali si rimanda alla letteratura tecnica specifica e che esulano comunque dagli scopi di questo scritto.
Le suddette sono scelte fatte sulla base del modello matematico del simulatore e dei rilievi pratici sul prototipo con l’uso dell’analizzatore vettoriale di reti.  Il simulatore EZNEC indica per questo tipo d’antenna, posta a 3 m da terra e in 40m, un’impedenza teorica Z=(11+J0) Ohm che ha comportato la scelta di un BALUN 4:1 necessario per portare l’impedenza dell’antenna più vicina possibile a Z=(50+J0) Ohm.
Scelta che è stata confermata con buona approssimazione dai rilievi sul prototipo come si può vedere dal grafico allegato all’ultima pagina. Faccio notare che l’impedenza finale dell’antenna è molto influenzata dalle proprietà del terreno che, nel mio caso, sono quelle di un terreno in cemento. Nel caso di un terreno molto ricco come in aperta campagna (S/m=0,03 e Costante Dielettrica=20), le perdite di terra sono molto basse e quindi ci si potrebbe trovare con un'impedenza dell’antenna più bassa (Z=5 Ohm) e tale da comportare in condizioni limite l’uso di un Balun 9:1.
Queste mie righe sono solo il report di un percorso che ha portato ad un risultato documentato. Altre strade sono sicuramente percorribili e soluzioni differenti fattibili. Ovviamente le varianti sono lasciate alle conoscenze ed alla sperimentazione individuale di altri.
Boom in fibra di vetro e crociera:

Balun e raccordo con bobine di carico. Sono visibili le viti in ottone che fissano il tubo Ø 100 m sul boom in fibra di vetro Ø 40 mm e che fungono anche da supporto per il filo di raccordo balun bobine:
Bobina di carico con raccordo agli stili in alluminio, che sono supportati e fissati al tubo Ø 100 mm con viti M4x10 mm. Per il funzionamento in 80 m il ponticello sarà aperto (disconnettere i connettori a banana M/F 4 mm), mentre per i 40 m il ponticello dovrà essere chiuso:
 

BALUN 4:1 (o in alternativa 9:1)
E’ realizzato su cilindretti di ferrite Ø 7,5 mm, L=21,5 mm  impasto 43 con la tecnica del primario fatto di un tubetto di rame od ottone cortocircuitato su un lato con un piastrino in PCB ed aperto sul lato bassa impedenza che si connette all’antenna. Il secondario è realizzato con un trefolo di filo argentato isolato in Teflon avvolto con 2 spire sul binoculare passando all’interno del tubetto. I capi di questo secondario sono connessi sul lato alta impedenza, cioè al connettore SO 239. Nel caso ci si trovi a dover adottare un balun 9:1 si realizzarà il secondario con 3 spire. Io ho utilizzato un balun commerciale 9:1 al quale ho tolto una spira sul secondario.
Balun in ferrite 4:1 montato nel contenitore in zama e completo di supporto per il fissaggio al mast verticale:
   

TARATURA
Si comincia dai 40 m, cortocircuitando la parte di bobina di 20 spire e si posiziona l’antenna ad un’altezza di 3 m su una superficie di cemento, asfalto o ghiaino (il tipo di superficie influenza la frequenza e l’impedenza di risonanza). Con l’uso dell’analizzatore di reti si porta in risonanza l’antenna variando la lunghezza degli elementi di alluminio. Alla frequenza di risonanza il modulo della componente reattiva IXI dell’impedenza deve essere prossimo o uguale a zero e la fase prossima a 90° passando da circa 130° a circa 45° in modo repentino. La componente attiva R dovrebbe essere il più possibile vicina a 50 Ohm.
Si passa poi agli 80 m, aprendo il ponticello di cortocircuito. Si porta in risonanza, questa volta agendo solo sul passo spire della sola parte di bobina relativa agli 80 m e cioè le 20 spire finali. E’ sicuramente superfluo, ma ricordo che se si vuole spostare verso le frequenze più alte la risonanza, bisogna accorciare la lunghezza degli stili in alluminio e viceversa per uno spostamento verso le frequenze più basse; oppure aumentare l’impedenza della bobina per lo spostamento verso le frequenze più basse e viceversa diminuire l’impedenza per spostare la frequenza di risonanza verso l’alto. Aumentando il passo spire si allunga la bobina cioè si diminuisce l’impedenza e viceversa riducendo il passo spire.
Return Loss misurato su antenna tarata per i 40 m (per gli 80 m il diagramma è analogo):


OSSERVAZIONI e NOTE
Il tipo di superficie sotto l’antenna e l’altezza da terra influenzano in maniera più o meno marcata, oltre che l’impedenza dell’antenna come notato sopra, anche la risonanza.  In particolare, con la superficie completamente bagnata e durante una pioggia intensa ho notato in 40 m uno spostamento fino a -250 KHz della frequenza di risonanza, una variazione contenuta (3-5 Ohm) della resistenza ed una più marcata della IXI. Sempre sui 40 m, aumentando l’altezza da terra da 3 a 4 m, l’impedenza varia di qualche Ohm e la risonanza di +15 KHz a parità di superficie. Dopo una pioggia ho asciugato con un essiccatore ad aria la bobina che era umida, ma ciò non ha comportato una risalita della frequenza di risonanza, che sembra influenzata quasi esclusivamente dall’umidità della superficie sottostante.

Codice RF-800-4-43
Codice RS 364-2180
Un grazie agli amici IK3HTH Michele, IW3HNP Luca, IZ3YJO Donato che hanno contribuito a vario titolo con prove, disegni e idee alla realizzazione finale.   
Leonardo Gardin
I3RKE/AC2OG
gardin.leo@gmail.com



Ultimo aggiornamento 31 Dicembre 2017
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