Radiali sollevati ed isolati dalla “terra”. la migliore soluzione per una antenna verticale HF
due interessanti documenti scritti da Rudy N6LF
“An Experimental Look at Ground Systems for HF Verticals”
“A Closer Look at Vertical Antennas With Elevated Ground Systems”
— aggiornamento progetto —
… e accettabili compromessi …….
ovvero : la verticale a modo mio ……
un collega mi ha chiesto di aiutarlo a realizzare una verticale in banda 80 metri, con possibilità a comando di utilizzo in 160 ed eventualmente anche in 40.
Parametri di progetto: spazio ridotto, impatto visivo ed ambientale accettabili, buona efficienza
andiamo con ordine
[progetto]
la teoria di funzionamento e progettazione di una verticale è chiara e ampiamente diffusa seppur con diverse interpretazioni. Nel nostro caso per ragioni anche meccaniche, uno stilo di circa 20 metri (1/4L) è impraticabile, quindi….
Per esperienze precedenti si è scelto di non installare un sistema di tiranti. Nonostante i forti venti presenzi in zona non si sono verificati particolari problemi….. salvo la normale “dinamica” meccanica……
[adattamento] quanto riguarda l’adattamento, la scelta di effettuarlo alla base è la via più semplice e aperta ad interventi evolutivi
Si può costruire un induttanza fissa con prese multiple commutabili oppure utilizzare un induttore variabile motorizzato e controllato a distanza. Ho scelto di utilizzare due induttanze variabili in serie che consentono un migliore affinamento del sistema radiante. L’intero sistema di adattamento è contenuto in una scatola stagna posizionata alla base dell’antenna.
è a tutti gli effetti un classico L-Match. Se realizzato con materiali idonei permette di ottenere la massima efficienza pur essendo circuitale te molto semplice.
Potrebbe essere sostituito da una induttanza a prese multiple ma qui c’è il vantaggio di poter posizionare le prese in qualsiasi punto ed il bypass della sezione non utilizzata minimizza le perdite
[configurazione 80m]
Come detto lo stilo di base deve risuonare ed essere utilizzabile in banda 80 metri. La differenza dimensionale tra 1/4L e la lunghezza effettiva del radiatore è minima, quindi con un semplice induttore (variabile nel caso specifico) in serie impostato a poco più di 5uH si è ottenuto il perfetto adattamento, con minimo al confine tra CW e SSB ma comunque utilizzabile senza difficoltà fino ai limiti della banda assegnata. I primi test di funzionamento hanno dato risultati molto positivi ed incoraggianti. Sono seguiti testi di tenuta in keydown a 100 e 500w e infine a 1Kw che non hanno evidenziato difficoltà di sorta. L’induttanza variabile è un surplus (ricambio NOS) di stazione HF navale di alta potenza di produzione nazionale.
[configurazione 160m]
Siamo prossimi ad 1/10L quindi serve un rinforzo el circuito di adattamento.
La configurazione più semplice per l’uso anche in 160 è l’inserimento, a monte di quello per gli 80m, di una seconda induttanza variabile, di valore adeguato e con la funzione di portare in risonanza lo stilo in banda ed adattarlo al meglio, da inserire sul circuito quando necessario. Per l’induttanza si è scelta la versione XL di quella utilizzata in 80. Stessa provenienza e stesso costruttore, dimensioni e valori elettrici decisamente più importanti. Sommando poco più di 38 uH a quelli già in uso per gli 80 si è ottenuto un adattamento ottimale in banda 160M. C’è un lieve disadattamento eventualmente compensabile, con l’ATU incorporato nell’RTX che non influisce su rendimento generale. Sono seguiti test di funzionalità e “tenuta” come per gli 80M
[selezione banda]
La selezione della banda è stata la scelta più complessa e dispendiosa (in tempo)
varie le possibili soluzioni
Scartata quella manuale, la configurazione a doppio relè pur se realizzabile introduce troppi elementi di “rischio” soprattutto in caso di uso intensivo (contest)
Analizzando il lavoro di altri sperimentatori, in particolare di Phil (AD5X) ho scelto un approccio più diretto e semplice
La commutazione “fisica” è realizzata con un relay sottovuoto NOS surplus di provenienza ex URSS facilmente reperibile online o sui mercatini a prezzi modici.
la denominazione occidentale è V2V-1V (originale B2B-1B) ed ha le seguenti caratteristiche
| *Tensione di lavoro a 30 MHz: max. 4 kV *Tensione di lavoro a 3 MHz: max. 5.5 kV *Corrente a 30 MHz: max. 15 A *Corrente a 3 MHz: max. 35 A *Frequenza max: 30 MHz *Tensione bobina: variabile da 10 a 30v in base al caso tipica 24v *Tensione rilascio bobina : da 1 V *Tempo di commutazione tipico: 35 ms *Capacità in chiusura: 2.2 pF *Resistenza di contatto: 0.015 Ω *Resistenza bobina: 180 – 200 Ω *Isolamento bobina: 500 V / 500 MΩ *Temperatura di lavoro: -60 – +100 °C *Vita operativa stimata: 100,000 commutazioni |
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Per valutarne meglio le dimensioni : i due morsetti ai lati del bulbo in vetro sono M8!
scheda tecnica (in originale) V2V-1V
In uscita è presente un choke RF di tipo W2DU realizzato con RG-142 in teflon e 70 perline in ferrite Ferroxcube TN10/6/4-3E25, ognuna delle quali ha un Al 2250 e un Ui 5500 (decisamente superiori alle altre soluzioni disponibili sul mercato). Un secondo choke è presente all’ingresso in stazione; non è necessario ma è sempre meglio essere prudenti. E in ogni caso, come per ogni sistema di antenna, è sempre meglio tenere sotto controllo le CMC il più vicino possibile al punto di alimentazione. Il choke dovrebbe essere preferibilmente ottimizzato per la banda o le bande in uso, scegliendo opportunamente la miscela di ferrite più adatta. Inutile ricordare che i cosiddetti “ugly balun” ottenuti avvolgendo il coassiale a in aria a spirale e i toroidi a colori brillanti (polveri di ferro) sono totalmente inutili in bande basse, e marginali in quelle alte
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[telecomando]
Per i il comando a distanza ho scelto un normale telecomando a 2 canali (4 commutazioni) per cancelli in UHF con portata ben superiore a quella necessaria. La commutazione si effettua direttamente dalla stazione con il piccolo comando tascabile. Non esiste un feedback ottico sulla banda in uso ma è sufficiente osservare (o ascoltare) il livello del segnale per capirlo. Sono disponibili altre sezioni che rendono possible l’inserimento di una ulteriore sezione di adattamento in 40M.
Sia il relè che il telecomando sono alimentati a 24 v. Il circuito prevede un alimentatore switching sigillato di tipo industriale ed un semplice filtro sulla CC con varistore, induttanza ed un paio di condensatori, oltre all’onnipresente diodo sulla bobina del relè.
circuito di adattamento (in fase di assemblaggio)
[radiali]
La soluzione dei radiali al terreno è una scelta obbligata per l’impossibilità fisica di installare radiali sollevati. Con soli 4 o 8 radiali sollevati da terra si sarebbe potuta realizzare una ottima GP con angolo di radiazione basso e polarizzazione perfettamente verticale.
Si è sfruttato tutto il terreno disponibile stendendo oltre 300 metri di filo inox da 1mm in maniera il più possibile uniforme. I radiali non sono risonanti e di lunghezza variabile in base alla conformazione del terreno. Convergono a gruppi di 10 in un anello di rame che funge da “bus” di collegamento e sono stati ricoperti da un sottile strato di terra poi seminato. Non è una perfetta raggiera a 360 gradi ma svolge egregiamente il suo compito. In corso prove per verificare se installare ulteriori radiali sopra il terreno
[evoluzione]
è un progetto in continua evoluzione e i futuri punti di intervento saranno
[misure]
— prossimamente —
[verifiche sul campo]
le prime verifiche sul campo in configurazione definitiva. I risultati in 80M sono decisamente soddisfacenti, con copertura globale, anche in ricezione dove solitamente il rumore prevarica il segnale. In 160 ovviamente esistono dei limiti sia in TX che in RX ma non è difficile in CW attraversare gli oceani…….
Nonostante l’assenza di tiranti la resistenza al forte vento montano è rimarchevole e senza particolari conseguenze.Grazie anche alla relativa elasticità degli stauff…….
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ricalcolata 05/2020 (versione 80M)
su una impedenza di 22 ohm (da portare poi a 50 tramite UN-UN realizzato su una coppia di Ft240-43)
con poco più di 4uH di induttanza alla base
per i 160M sono necessari in totale circa 60uH
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grazie a Phil AD5X per l’ispirazione e le idee
e come sempre a L. B. Cebik, W4RNL (SK) per i “sacri” testi che ci ha tramandato
—- in aggiornamento ——
Il perenne dilemma in fase di progetto e installazione di antenne verticali HF , sia full che accorciate, è la realizzazione di un adeguato piano di terra o massa che dir si voglia…. (detto anche il secondo braccio dell’antenna)
Anche perché, si tratta in ogni caso della classica antenna 1/4 con piano di massa detta ance ground plane antenna ……. termine in disuso ……
Sia che si tratti di decine di radiali risonanti o non risonai distesi al suolo sia che si tratti di pochi elementi risonanti opportunamente sollevati da terra, non sempre lo spazio disponibile è adeguato o utilizzabile liberamente
Il classico esempio per una verticale bande basse mono o multibanda: un minimo di due radiali risonanti e sollevati dal terreno per ogni banda (160/80/40) disposti a 180 gradi tra loro.
Ancora più complesso stendere radiali sul terreno risonanti o no.. lo schema classico prevede un radiale ogni 3 gradi quindi per una corretta disposizione ne servono 120 disposti sui 360 gradi …… una gran massa di rame
Puo essere d’aiuto disporre di una superficie metallica, magari in rame, da sfruttare quale piano principale di terra subito sotto l’antenna……. ma anche questa situazione è decisamente rara
che fare?
esistono soluzioni di ripiego : singolo radiale lineare o parzialmente ripiegato, serie di paline di terra, radiali disposti a caso sul terreno i base alla disponibilità di spazio, configurazione mista sollevati e al terreno (non consigliabile ma se non c’è di meglio ) …….
In realtà esiste una soluzione pratica ed intelligente ma soltanto monomania, a meno di non intaccarne la “pulizia” e l’efficienza
parliamo di FCP (Contrappeso Ripiegato) secondo il progetto di K2AV in 160
In pratica si tratta di installare un singolo contrappeso di lunghezza opportuna, ripiegato due volte in base allo schema che riporto sotto e accoppiato al radiatore e alla discesa tramite un trasformatore di adattamento con avvolgimento bifilare
—- in aggiornamento ——
http://www.balundesigns.com/content/FCP%20Design.pdf
Sono decisamente lontani i tempi in cui per poter effettuare attività HF all’aperto era necessario andare alla ricerca di alberi con cui affrontare una battaglia a colpi di corde, pesi e rinvii.
I più fortunati disponevano di pali telescopici in alluminio provenienti dal mercato del surplus… sicuramente autoportanti ma anche mostruosamente pesanti ed ingombranti.
La diffusione dei pali telescopici in vetroresina (volgarmente definiti “canne da pesca” ) ha sicuramente permesso una maggiore flessibilità operativa ma……. come fissare la cosiddetta canna al suolo?
Facciamo subito una distinzione… da una parte le canne da pesca in vetroresina vere e proprie con una altezza massima di circa 8 metri e con qualche escursione verso i 10.
Le canne in carbonio indipendentemente dalla misura sono ottime quale supporto centrale per dipoli a V invertita. Il peso ridotto e la minore flessibilità rispetto alla vetroresina hanno la meglio per questa applicazione. Da evitare in ogni caso le alte potenze. Causa una particolare conduttività del materiale non vanno MAI usate per verticali e GP. Con alte potenze c’è il rischio di vederle letteralmente andare in cenere!
Dall’altra parte quelle create ad uso radiantistico (Spiderbeam/DX-WIRE) che raggiungono i 26 metri passando per 15 e 18.
Differenza? spessore dei materiali, capacità di resistenza alla compressione, diametro dei cimini e ovviamente della base. Senza dimenticare il costo……
La scelta è in funzione dell’applicazione e del tipo di antenna da sostenere. Un conto è una semplice GP o una EFHW o al limite un dipolo leggero. Diverso è il caso di un dipolo QRO per gli 80m o una spiderbeam o una yagi molto leggera. Inoltre va distinto tra installazione fissa e temporanea.
Canne da pesca (fino a 7/8 metri):Normalmente la cima non è sfruttabile causa estrema flessibilità e piccolo diametri. Dal secondo elemento in poi è possibile fissare un dipolo leggero (max 40M) a V invertita oppure una EFHW di pari misura e pari configurazione. In alternativa sono ottime per GP e verticali fino ai 20M(se 7M) o 30M(se da 8M).
La linea di confine è rappresentata dai 10M (IZ1POD) . A partire da questa misura entrano in gioco spessori maggiori e cimini che spesso superano i 5mm. Dai 10 metri in su possono essere tranquillamente usate per dipoli a V invertita da 40M e oltre realizzati con filo da circa 1.5mmq oppure per verticali e GP per 30, 40 e perchè no, anche per le bande basse se altezza ed investimento sono adeguati. Fino ai 15 metri i prezzi sono accettabili, oltre l’aumento è esponenziale.
La paura più diffusa è quella del “telescoping” ovvero nella chiusura delle sezioni per effetto del vento o del peso. C’è chi suggerisce l’uso di fascette in plastica rinforzate da anelli in gomma chi invece usa fascette in acciaio rivestite di guaina termoretraibile. E’ una soluzione pratica per installazioni fisse. Per l’uso temporaneo e fino ai 15 metri di altezza, l’esperienza mi insegna che usando dipoli, efhw e verticali, sarebbe possibile rinforzare le giunzioni con nastro adesivo telato o meglio “americano” ma è meglio procedere come segue:
In ogni caso evitare di sovraccaricare la struttura con il peso del cavo coassiale!. Utilizzare cavi da 5mm spiralandoli lungo il palo per equilibrare il carico. In portatile preferibile rg174
Un problema sempre presente è quello del fissaggio al terreno. Le piastre sottoruota sono la soluzione ideale operando nei pressi di un veicolo.
E’ possibile sfruttare palizzate e recinzioni fissando il tutto con cinghie autobloccanti o al limite fascette in plastica
Ma…… se non ci sono nè alberi nè strutture?
Esistono in commercio a prezzi irrisori supporti da terreno nati per ombrelloni e stendibiancheria a “ombrello”. Da un lato presentano una vite che va semplicemente inserita nel terreno fino al blocco per poi inserire il palo nell’apposito colletto. Sono disponibili in vari diametri e materiali (plastica e acciaio zincato) . Sono ottimi per i pali più pesanti (fino a 18 metri)
Per le canne leggere è meglio rimanere in ambito pesca sportiva. Personalmente uso un picchetto da canna che, in presenza di terreno adeguato è perfetto a mantenere la verticalità, aiutato da una fascetta riposizionabile. In foto una canna da 7 metri, acquistata in una nota catena di articoli sportivi, che sostiene un dipolo linked 4 bande (17,20,30,40). Il picchetto è stato collaudato con canne da 10 metri e ha richiesto un paio di controventi per maggior sicurezza
niente di meglio di una classica GP per viaggiare leggeri.
ideale per i 20m in montagna richiedendo un unico supporto leggero da circa 6/7 m. con i due radiali facilmente posizionabili. Si ottiene una antenna risonante su tutta la banda, con la massima efficienza e un basso lobo di radiazione ideale per il DX. Anche con meno di 10w non mancheranno le possibilità di attraversare gli oceani, specialmente in CW.
alla base ho posizionato un choke realizzato avvolgendo 11 spire di RG-316 su un FT140-77, ottimo fino a 100/150w. Il tutto è montato su di un supporto in plexiglass. Tra le possibili configurazioni ho deciso per quella a due radiali, la più gestibile.
Ho utilizzato per la prima volta il filo ad alta visibilità da 0.3mmq di Sotabeams (C). gran bel prodotto, isolato fino a 1KV e grazie alla particolare lavorazione della guaina è sempre possibile districarlo senza difficoltà.
Come misura iniziale sono partito dalla classica 5.15 metri per tutti e tre gli elementi e con l’ausilio dell’analizzatore ho portato l’antenna in risonanza lavorando sia sul radiatore che sui radiali. Questi ultimi danno il miglior valore di impedenza e quindi di adattamento se posizionati a 45 gradi rispetto al centro (a 90 gradi tra di loro). Piccole variazioni possono essere necessarie in particolari condizioni di terreno o di ostacoli nelle vicinanze.
Con il centrale posizionato ad almeno 2m dal suolo, i radiali possono anche essere disposti orizzontalmente per ottenere la massima efficacia di radiazione, ma questa configurazione è dipendente dalle condizioni del terreno e di eventuali ostacoli nelle vicinanze.
Ogni radiale è terminato con un isolatore autocostruito che con un tratto di corda è fissato al terreno usando chiodo o picchetto. La lunghezza della corda è quella che consente di ottenere l’angolo di 90 gradi tra i radiali in funzione dell’altezza da terra, facilmente misurabile usando un semplice foglio di carta.
Tipicamente con una canna in VTR da 7 metri si fissa il radiatore alla canna per tutta la sua lunghezza, il centrale rimane a circa 1.5/1.8 metri da terra e i radiali vanno al terreno opportunamente spaziati.
La versione per i 40 metri richiede un supporto da almeno 15 metri. In alternativa, disponendo di una canna da 11/12 (o al limite 10) metri è necessario sollevarla dal suolo di almeno 1.5/2 metri utilizzando un supporto non conduttivo e disporre i radiali orizzontalmente ad una altezza compresa tra 1.5 e 2 metri dal suolo (più alti sono meglio è).
Per la misura di taglio si parte da 10.2 metri per tutti e tre gli elementi e si porta in risonanza lavorando sia sul centrale che sui radiali. Lavorando sull’angolo di questi ultimi si ottiene l’impedenza ottimale
Per concludere è anche possibile realizzarne una versione bibanda “linked” ( o tribanda con i 30m) posizionando opportunamente i ponticelli sia sul radiatore che sui radiali
una semplice soluzione per adattare stili veicolari monobanda (MFJ e simili) all’uso in stazione base (grazie a PD7MAA per l’idea)
lo stilo deve essere fissato su di un supporto isolante. in pratica deve essere isolata dalla terra/massa locale
solitamente alla base c’è un adattatore da 3/8″ a SO239 (pl femmina)
tramite un connettore a T collegare da un lato la discesa verso l’RTX dall’altro un tratto di cavo coassiale lungo 1/4 d’onda alla frequenza in uso moltiplicato per il fattore di velocità (tipicamente 0.66 se rg58/8/213)
il lato libero del “radiale” deve avere il conduttore centrate cortocircuitato con lo schermo. La lunghezza è calcolata dalla formula
L= 300000/F
l4=L/4
lr=l4*.066
in pratica ad esempio per 80 metri sottobanda cw centrata a 3538 khz
300000/3538 = 84,785
84,785/4 = 21,196
21,196*.66=13,99 metri -> lunghezza del radiale.
il radiale deve essere disposto in orizzontale e sollevato da terra di almeno 1.5 metri. alla stessa altezza deve essere fissata la base dell’antenna. E’ possibile anche utilizzare un secondo radiale ma il cablaggio si complica. Naturalmente la misura indicata è una base di partenza può essere utili accorciarlo per adattare meglio l’antenna
il risultato della misura la dice tutta. la banda passante è quella tipica di questi stili per 2:1 di swr, quindi perfettamente utilizzabile anche senza accordatore.
Come si può vedere, per limiti fisici e per un probabile accoppiamento con il supporto o con l’ambiente circostante, l’impedenza minima, pur se sotto controllo, è lontana, ma non troppo, dagli ideali 50ohm.
Che fare?
due soluzioni … la prima la più semplice un colpetto di accordatore …. ma così è troppo facile
per la seconda dobbiamo chiedere un consiglio al buon Phillip H. Smith o meglio alla sua “carta”. In passato erano necessari parecchi passaggi e calcoli per arrivare ad una soluzione di adattamento basata sulla carta, a meno di non possedere sofisticati ( e costosi) network analyzers. Esistono per fortuna soluzioni software free o basso costo che ci consentono di superare il problema
nel nostro caso…. l’analisi alla base indica una impedenza di 70.4 ohms di impedenza con una parte X pari a 14.9 johms pari a poco meno di 1.5 di swr
utilizzando una cella lc di compensazione (configurazione low pass, con capacità in parallelo lato antenna), sim smith effettua tutti calcoli per noi
con 555pf (arrotondati al valore più prossimo) e 1.55uH si ottiene magicamente
oltre al perfetto adattamento di impedenza si nota come la “finestra” di usabilità con swr=2 si estende a 100khz e basandoci su swr=3 si raggiungono i 200khz
un bel risultato niente male
attenzione! è sempre bene sovradimensionare i componenti dell cella LC. Condensatori ad alta tensione (possibilmente adatti all’uso in RF) e induttanze in aria di diametro adeguato realizzate in rame smaltato o argentato da almeno 1mm. Nel caso specifico un condensatore da 320pf e uno da 230pf. L’induttanza ha un valore di poco superiore (e intero) rispetto a quello richiesto ma “modificandola” fisicamente si arriva ad un risultato ottimale
il prototipo in fase di ottimizzazione
in alternativa, è possibile effettuare un classico adattamento serie con coassiale a 75 ohm
con l’aiuto dell’applicazione SMC (Series Matching Calculator) evitiamo i relativi calcoli.
esempio, a 3.53 mhz con 6.748 metri di rg58 (o 213) sotto l’antenna in serie a 4.624 metri di RG59 (o 11) subito dopo, otteniamo il corretto adattamento a 50 ohm
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esempio 30 e 40 m (1 radiale risonante per banda)
Quando le differenze rispetto al’ottimale sono minime (è il caso delle versioni 30 e 40m), si può inserire il classico hairpin. 10/12 spire di filo di almeno 4mmq su di un supporto in aria da 8/10 cm di diametro tra lo stilo e la massa (radiale) variando la spaziatura tra le spire o al limite eliminandone una o due si arriva ad un adattamento ottimale… oppure volendo procedere con modalitaà scientifica…..
in alternativa … come detto sopra…….
Operando qrp si può scegliere l’RG-174 come conduttore per il radiale.
L’unica regolazione è la sintonia/adattamento dello stilo utilizzando la barretta di taratura incorporata.
Mi raccomando, la base dell’antenna deve essere isolata dal supporto e non a massa!
Ultimo esperimento…….. utilizzare un unico supporto per due stili e 2 radiali
Provato con 30+40 metri (stessi radiali come sopra) ed ecco il risultato
perfettamente utilizzabile senza accordatore
meglio di così……
risultati? K,VU,JA,R0 in CW……. alla caccia di VK e ZL
soluzione alternativa: utilizzare sempre un supporto isolato per lo stilo e collegare quanti più possibili radiali non risonanti sollevati dal terreno di alcuni cm.
Idealmente da posizionare sui 360 gradi (fino a 120) e ovviamente riducendo lo spazio utilizzato in funzione di quello disponibile. Piuttosto che distribuirli a caso sui 360 gradi, meglio concentrarli verso direzioni specifiche in una configurazione triangolare. I risultati non mancheranno
per migliorare ulteriormente l’efficienza e soprattutto la resistenza di radiazione è consigliabile inserire un cappello capacitivo posizionato il più in alto possibile e lontano dalla bobina alla base.
ho inserito una barra con innesti filettati alle estremità lunga circa 40cm e sulla parte superiore ho fissato un disco realizzato con lamiera grigliata di poco più di 30cm di diametro.
Lo stilo vero e proprio parte dal disco e naturalmente risulta molto più coperto che nella versione “nuda”, sia per la presenza della prolunga che del cappello capacitivo
e questo è il risultato senza rete di adattamento
per ulteriori informazioni ed un utile foglio di calcolo
http://www.qsl.net/aa3rl/tlcalc1.html
