The IEK antenna operation problem can
easily be divided into two distinct and more simple, even if mutually
interacting, as following :
a)
generate and
receive electromagnetic waves by the antenna ; that is matching in phase the
induced electric (D = e0er E) and magnetic (B = m0mr H) fields, obtaining the MAXIMUM RADIATD FIELD,
that is
max |S| , where S is the Poynting vector,
which can be defined as
S = (1/ m0 e0) D L B = c2 D L B = E L H
on the air where er = mr =1 , being 1/ m0 e0
= c2 , and c the speed
of light.
some suggestions for a theoretical deepening
b)
matching the
impedance Z=R+jX at the antenna feeding point to adapt it to the line impedance
(such as of a standard 52 ohm coax.), that is obtaining min (SWR) , MINIMUM S.W.R. in
the line operating it properly, as usual in any antenna system !
At least for fat
antennas (that is where the hcylinders / diameter ratio is low) I experimented that the maximum radiating condition corresponds
roughly to the maximum matching (min. SWR) ; may also be useful a matching
network (distinct from the pahsing network at the antenna), located for example
in a separate box on the attic, at the basis of the antenna pole. Such a device
could be manually or remotely
controlled, or automated.
Problemi
evidenziati dall' Antenna IEK
Da
un punto di vista sperimentale ed applicativo, credo che il problema possa
essere scisso in due parti distinte (sebbene interagenti) :
a) problema principale : generare e ricevere le onde
elettromagnetiche mediante l’antenna medesima, attraverso la corretta
fasatura dei campi (più in generale) di induzione elettrico (D), e magnetico
(B), dispiegando l’irradiazione ; e questo prescindendo dall’estensione fisica
dell’elemento radiante !
Quello cioè della efficiente
generazione, non pregiudicata dalle ridotte dimensioni dell’elemento
radiante nei confronti della lunghezza d’onda l, di un'onda e.m.; essenzialmente cioè,
impartire ai campi D e B generati un corretto rapporto
spazio-temporale e dimensionale tra loro. Ricordiamo a tal proposito che il
campo di induzione elettrica è rappresentato in generale da un vettore D = e0er E (che si
riduce ad e0E nel vuoto ove er = 1, e con
buona approssimazione nell’aria), mentre il campo di induzione magnetica da un
vettore B = m0mr H (che si
riduce ad m0H nel vuoto ove mr = 1, e con buona approssimazione
nell’aria ; laddove a seconda della natura dei materiali circostanti può aversi
mr
cost. < 1 nei materiali diamagnetici, mr cost. > 1 nei materiali paramagnetici e mr >> 1 funzione del valore di H nei materiali ferromagnetici, che
pertanto presentano notevoli perdite qualora si trovino in vicinanza, entro il
campo di induzione dell’antenna, massime tra i suoi componenti es. i cilindri).
La condizione ricercata è quindi quella
di
max |S|
Laddove, approssimando nel caso dell’aria er = mr = 1 mentre 1/ m0 e0 = c2
essendo
c
la velocità della luce, il campo irradiato è rappresentato dal vettore di
Poynting
S = (1/ m0 e0) D L B = c2 D L B = E L H
La
correttezza del rapporto spaziale (ortogonalità) è assicurata dalla geometria degli elementi componenti
l'antenna, la correttezza del rapporto temporale (sincronizzazione) è
data dal corretto rapporto di fase tra tensione corrente, ciò che si
ottiene con la rete di sfasamento, costituita nell’ Antenna IEK multibanda da
una semplice bobina. Il rapporto dimensionale infine è legato al rapporto D/B che nell’aria approssima quello nel
vuoto e 0 / m 0 pari a 377
Ohm nelle unità del S.I..
Per
una operatività multibanda, si
deve anzitutto assicurare la correttezza costante, su tutte le bande operative,
dei rapporti di fase ; ciò si attua mediante un induttore variabile,
sostituibile altresì con la predisposizione di opportune prese in numero
adeguato sugli avvolgimenti di fase, la cui commutazione oltre che
manualmente potrebbe attuarsi, per ragioni di praticità, a mezzo relais
o in altro modo;
ulteriori spunti di approfondimento teorico
b) problema secondario (ma di non minore importanza) : adattamento
dell’ impedenza Z=R+jX alla terminazione dell’antenna, con quella
della linea di alimentazione;
in altre parole come in
ogni sistema di antenna di qualsiasi tipo, curare l’accoppiamento
antenna-linea, al fine di minimizzare il rapporto di onde stazionarie lungo di
essa, detto ROS o SWR, o più esattamente, assieme ad esso minimizzare le
perdite complementari nella linea,
ovvero quella componente della perdita complessiva lungo la linea che origina
appunto dal disadattamento d’impedenza alle sue terminazioni, ed in particolar
modo dal lato antenna del quali l'SWR elevato non è che una conseguenza, uno
dei sintomi ; perdite per disadattamento che divengono l’autentico fattore
limitante, nel progetto e nella realizzazione di impianti di antenna, si
badi bene ancora una volta, di qualsiasi tipo.
Questo secondo problema è
perciò di natura assolutamente ordinaria ; dovendo fare, come sempre, i nostri
conti con linee reali (1) e cioè con l'obiettivo di far compiere
su linea adattata tutto il percorso tra antenna e stazione, o almeno
la maggior parte di esso, considerato come le perdite della linea, che in
ultima analisi sono quelle che ci interessa minimizzare, siano proporzionali
alla lunghezza della linea (o del tratto) disadattati, oltre che all'entità del
disadattamento. La soluzione del problema di adattare l'impedenza d'antenna a
linee coassiali standard, è in determinati casi demandato ad un accoppiamento
tramite link, in altri ad una presa sugli avvolgimenti, di modo che
verrebbero ad assumere la duplice funzione di garantire sia il
corretto rapporto di fase tra le componenti D e B (problema principale), che la
coniugazione dell'impedenza verso la linea (problema secondario ma, come si è
visto, certamente altrettanto importante) ; richiedendo quindi una messa a
punto più complessa, in quanto tesa ad ottimizzare entrambi tali parametri
simultaneamente (2).
La condizione ricercata è
quindi quella di min (SWR)
Successive esperienze mi hanno portato a constatare
come (almeno nelle antenne del tipo largo, cioè caratterizzate da un
rapporto hcilindri / diametro piccolo) le due condizioni max |S| e min (SWR)
siano molto prossime nel dominio della frequenza, per cui al verificarsi
della prima condizione, rimane assai prossimo il verificarsi anche della
seconda, e pertanto l’entità del disadattamento è in genere piccola ;
introdurrebbe peraltro un notevole errore scambiare l’ordine delle
condizioni, privilegiando la seconda sulla prima, effettuando quindi la
taratura erroneamente in base alla lettura dell’ SWR piuttosto che giustamente
in funzione diretta del campo irradiato !
Questa può essere, per inciso, la prima e più
classica causa di malfunzionamenti !
Propendo perciò
direttamente per l'impiego di una
rete di adattamento distinta dall’antenna, e quindi da quella di
sfasamento, collocata (ad esempio entro un contenitore protetto) nelle
vicinanze o alla base della stessa antenna ; disposta quindi a valle del tratto
“canonico” di alcuni metri di cavo, ove usualmente si inserisce un balun di
disaccoppiamento della linea, formato da alcune spire dello stesso cavo,
avvolto su sé stesso (detto anche Collins balun).
La regolazione della rete
di adattamento, per ragioni di praticità, potrebbe essere telecomandata dal
posto operativo (stazione), ovvero automatizzata anche con l'impiego di
microprocessore magari dotato di memorie, o entrambe le cose, con scelta tra le
funzioni di accordo automatico o manuale.
(1) Ragionando in astratto,
da un punto di vista puramente concettuale, il problema dell'adattamento
d'impedenza avrebbe in sé poca importanza, potendosi ipotizzare una linea
perfetta, teorica, di impedenza tale da adattarsi a qualunque valore reale
finito dell'impedenza d'antenna ; in grado, in quanto postulata come perfetta,
di trasferire integralmente la potenza immessavi, senza alcuna perdita,
prescindendo dalla lunghezza della linea e dall'entità del disadattamento (la
bifilare in aria ne rappresenta una certa quale approssimazione, in molti casi
soddisfacente).
(2) Tali attese ci derivano dalla lunga
tradizione di impiego dell'antenna Hertziana, la quale (quando ha dimensioni
fisiche tali da assicurare l'autorisonanza) ci fornisce nel punto di minima
impedenza (ventre di corrente), automaticamente e senza alcun altro intervento
da parte nostra, un carico Z = 52 +j0 Ohm, ovvero Z = 73 +j0 Ohm nel caso del
dipolo.