Some suggestions for a theoretical deepening on the IEK Antenna ; obviously open to further considerations and contributions.

Alcuni spunti di approfondimento teorico sul funzionamento dell’ Antenna IEK ; ovviamente aperti ad ulteriori spunti di riflessione e contributi.

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1 - Waves are physical entities propagating in space and time ; in fact, in wave equations, space (x, y, z) and time (t) variables are quite interchangeable, well showing their interconnection in a space-time continuum, which was originally thought and defined just starting from the electromagnetic phenomena. That is, a change in space (say in the x variable domain), is perfectly equivalent to a change in time, by means of the the cos(wt + f) term. The same is true for the variables (x,y) plain waves and (x,y,z) space waves which characterize the e.m. field.

So we could represent the abscissae along an antenna as the space variable (x) ; could we substitute freely a space dimension (as in a classic dipole) with its equivalent time (and phase) dimension ? Obtaining also a reasonable radiation resistance for an efficient radiation, just as the former ? Could also play in it some role the Theory of Relativity, which relates space (x, y, z coordinates) and time (t coordinate) in a continuum, just by means of the speed of light ?

As ever in space-time considerations, geometry is essential, so that antenna geometry plays a very important role in antennas !

I campi elettromagnetici manifestano con grande evidenza la natura spazio-temporale dei fenomeni ; trattasi infatti di un'entità fisica, l’onda elettromagnetica, che si propaga nello spazio e nel tempo.

Nelle equazioni delle onde infatti, attraverso la fase, la variabile temporale (t) può essere indifferentemente sostituita a quella spaziale (diciamo nel dominio della variabile x) nella semplice espressione della corda vibrante, nel quale tale sostituibilità, attraverso il termine cos(wt + f) risalta con grande evidenza ; lo stesso discorso abbiamo le variabili (x, y), nel caso delle onde piane ; con (x, y, z), nel caso più generale, quello delle onde spaziali, caratterizzanti il campo elettromagnetico. Questo evidenzia bene l’interconnessione dei due aspetti nel continuo spazio-temporale, originariamente pensato e definito proprio a partire dal mondo dei fenomeni elettromagnetici, peculiare delle antenne, con cui interagiscono.

La dimensione spaziale entra in gioco attraverso l’estensione fisica (nel caso del classico dipolo Hertziano la sua dimensione lineare, cioè la sua lunghezza) ; quella temporale, nei fenomeni periodici quali le oscillazioni elettriche, interviene molto semplicemente attraverso la fase .

Si potrebbe rappresentare la variabile spaziale mediante l’ascissa (x) lungo il dipolo, dal suo centro sino alle estremità ; nel continuum spazio-temporale dei fenomeni elettromagnetici, è possibile sostituire a piacimento ed indifferentemente la dimensione spaziale (caratterizzante il dipolo classico, che richiede, per ottenere un rendimento soddisfacente, una lunghezza fisica comparabile alla lunghezza d’onda l) con quella temporale ad essa equivalente, che interviene appunto attraverso la fase (la quale pone in relazione le due grandezze), rendendone però l’ingombro trascurabile ? Ottenendo tuttavia un valore ragionevole per la resistenza di radiazione, analogamente al caso precedente ? Gioca in questo un qualche ruolo la Teoria della Relatività, che collega spazio (coordinate x, y, z) e tempo (coordinata t) in un continuum proprio per mezzo della velocità della luce ?

Come avviene sempre nelle considerazioni di natura spazio-temporale, la geometria è essenziale ; ed in questa prospettiva, non sorprende come  anche nel funzionamento di antenne di tale genere, la corretta disposizione geometrica dei componenti sembri giocare un ruolo determinante.

Vedi : equazioni di Maxwell

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2 - Vicinity fields – we can realize with no difficulties that the greatest part (say more than the 80%) is concentrated into a sphere having a diameter equal to, or a few greater of, the distance between the antenna extremities.

For a conventional dipole on the 40 mt. band, that means a volume of 4p r3/3 = 4200 mt3 abt. (3200 cubic yard). For the IEK Antenna reduces to 0.17 mt3 (6 cubic foot) only !

This proximity zone also concentrates the largest part of the losses as well as of the interferences during reception. So you can easily imagine which kind of advantage may represent its reduction to such a small extent !

An antenna with such dimensions as regards to wavelength, can be physically considered  as a spot-like  e.m. point source ; for this reason, the radiated field shape is largely determined, much more than in a conventional antenna, by the form and disposition of any mass in the nearest vicinity, obviously including the ground itself together with its electric characteristics and the antenna height over it, and the cylinders themselves. All that could explain, at last to some extent, some uncertain or contradictory test results in the determination of the radiation diagram.

See possible distortions of field in IEK Antenna test and final considerations (IEKAntenna_6.htm).

The key in theoretical study of IEK Antenna could be first the comparative analysis of vicinity and distant fields.

Campi di prossimità - si può ragionevolmente ritenere che la massima parte di essi si concentri (almeno per l’ 80%) entro una sfera di diametro pari o di poco superiore alla distanza tra le estremità del dipolo (1) , o al doppio della lunghezza del monopolo (es. radiatore verticale con annesso piano di terra) ; , o nel caso dell'Antenna IEK alla distanza tra le estremità dei cilindri. Nel caso del classico dipolo Hertziano a 1/2 onda, tagliato poniamo per una lunghezza d'onda l pari a 40 m., tale sfera presenta un raggio di m.10 ed interessa quindi un volume pari a 4p r3/3 = circa 4.200 m3 ; tale essendo appunto il volume approssimativo di spazio che, per assicurare ildd migliore rendimento all'antenna, occorrerebbe tenere per quanto possibile sgombro da materiali dissipativi. Questa nel caso dell’ Antenna IEK si riduce ad un raggio di circa 35 cm., impegnando dunque un volume di soli 0,17 m3, attorno al centro geometrico dell'antenna !

Tale zona di prossimità concentra anche la maggior parte delle perdite, come pure delle interferenze in fase di ricezione. E’ facile pertanto rendersi conto qual genere di vantaggio possa rappresentare la sua riduzione in misura così drastica !

Un’antenna di simili dimensioni rispetto alla lunghezza d’onda, può essere fisicamente considerata una sorgente puntiforme di onde e.m. ; per tale motivo la forma del campo irradiato è largamente determinata, molto più che non in un’antenna convenzionale, dalla forma e disposizione di ogni massa nelle più immediate vicinanze, ovviamente includendovi il suolo medesimo assieme alle sue caratteristiche elettriche e l’altezza dell’antenna rispetto di esso, ed gli stessi cilindri costituenti l’antenna. Tutto ciò potrebbe spiegare, almeno in parte, alcuni risultati sperimentali incerti o contradditori nella determinazione del diagramma di radiazione. Per le possibili distorsioni del campo, vedi i suggerimenti per le prove, e considerazioni finali

La chiave di volta nello studio teorico del funzionamento dell’antenna IEK potrebbe a mio avviso essere rappresentata in primis dallo studio comparativo del campo di prossimità raffrontato con quello remoto.

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Albert Einstein had such a happy fixed idea : simplicity and symmetry embedded in natural laws !

The following table shows a surprising binomial-like (a2 + b2 + 2ab) analogy in the historical milestones in antenna developments, in which the mixed term (V*I) till the last decade was represented by an empty cell.

Einstein aveva un felice “pallino” (non lui solo, in verità) : quello della semplicità e della simmetria insiti nei fenomeni e nelle regole che li governano, anche nel modo più impensato, che può anche rasentare il paradosso ; tale difatti poteva apparire agli inizi (come tuttora ad un approccio superficiale), la Teoria della Relatività, non fosse suffragata dalle osservazioni, cioè dai fatti ! (2)

La natura continua a presentarci sovente simmetrie ed analogie sorprendenti, anche per a loro intrinseca semplicità ; come un qualcosa che appare banale a posteriori, ma ci stupisce ugualmente per non averci pensato prima, tipico “uovo di colombo”. Raggruppando ad esempio quelle che storicamente sono state le pietre miliari nello sviluppo dei sistemi di antenna nelle rispettive classi fondamentali, definite convenzionalmente attraverso le caratteristiche più salienti di ciascuna classe, ed esponendole in forma “binomiale” (del tipo a2 + b2 + 2ab ) notiamo una sorprendente analogia, evidenziata nella tabella qui sotto : in questa, la classe cui appartiene l’ antenna “elettro-magnetica”, corrispondente al termine misto (V*I) nell’analogia binomiale indicata, ha rappresentato sino allo scorso decennio scorso una casella vuota !

Notiamo però la presenza di un’ulteriore casella vuota … corrisponderà questa, come quelle a suo tempo ancora da riempire nella tavola periodica del Mendelejev, ad un qualcosa possibile, che esiste ma è ancora da scoprire ?

 Tipo definizione convenzionale epoca espressione della potenza vettori principali accorgimenti costruttivi ANTENNE HERTZIANE “ELETTRICA” 1895, invenzione della Radio tensione V2 / R E, D conduttori ben isolati alle estremità ANTENNE SMALL-LOOP “MAGNETICA” anni ‘60-‘80 corrente R * I2 H, B conduttori aventi sezione considerevole ANTENNE CFA, EH, IEK, e simili “ELETTRO-MAGNETICA” > 1985 tensione e corrente V * I E L H , D L B priva di requisiti particolari ? ? ? corrente e tensione I * V E L H , D L B ?

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I personally believe that study, experimentation, and theoretical deepening really are key-terms, applied to this matter, as found in Radio Amateur Service definitions ! They not only define, but also clearly and warmly require a ham’s contribution in that directions.

Personalmente non credo di dire niente di nuovo affermando che ritengo tanto la pratica sperimentazione, quanto l’approfondimento teorico della materia trattata rientrino a pieno titolo nella seguente definizione del Servizio di Radioamatore, quale emerge dal Regolamento Internazionale delle Comunicazioni : “Servizio d’istruzione individuale, d’intercomunicazione e di studio tecnico … “. Direi anzi che la definizione citata non solo sembra rivestire a pennello la figura del Radioamatore com’è intesa in questo contesto, ma a chiare lettere e caldamente invoca un contributo dei Radioamatori in tale direzione ; ovviamente secondo le possibilità e la disponibilità di ciascuno.

Note :

(1) In teoria un campo interessa tutto lo spazio (!) con intensità via via decrescenti ; per il concetto di limite esiste una distanza R dall'antenna, maggiore di R segnata scelta grande a piacere, tale che l'intensità di campo (espressa in modulo, cioè come grandezza scalare) sia ivi inferiore ad un e scelto piccolo a piacere ; senza cioè mai annullarsi in teoria se non all'infinito, ma in pratica scendendo oltre una certa distanza, al di sotto di ogni soglia misurabile o comunque rilevabile.

Le linee di forza del campo elettrico, escono ed entrano ortogonalmente alla superficie dei conduttori, dunque se questi hanno forma cilindrica più o meno allungata, al limite filiforme nelle antenne filari, esse dovranno descrivere delle semicirconferenze nel caso del dipolo, o comunque degli archi di circonferenza nel caso sia delle antenne a V (inverted vee) , come di quelle costituite da un monopolo col piano di terra (ground plane) ; circonferenze o archi centrati comunque nel centro geometrico del sistema di conduttori , questo di norma coincide col ventre di corrente, ed è anche il punto di alimentazione prescelto ; la massima concentrazione delle cariche elettriche avendosi invece agli estremi dei conduttori, o ad una distanza pari a l/4 dal centro se questi avessero un lunghezza maggiore.

Non c'è motivo di ritenere che (in assenza di ostacoli materiali, costituiti da corpi diversi dall’aria) le linee di forza si discostino da quello individuato, che costituisce il percorso più breve tra quelli soggetti al vincolo dell'ortogonalità ai corpi conduttori, congiungente le massime concentrazioni di cariche di opposto segno.

Nell'Antenna IEK si può stabilire una ragionevole analogia facendo riferimento alle estremità opposte dei due cilindri. La regione delineata da esse sarà dunque quella massimamente interessata dal campo elettrico, possiamo dunque pensare che almeno l’ 80% di esso si concentri in una sfera di diametro pari o di poco superiore alla distanza che separa tali opposte estremità. Analogo ragionamento può ovviamente ripetersi per le correnti di spostamento, e per il campo magnetico.

Non confondasi tale spazio con la capture area, che è tutt'altra cosa, e cioè l'area dalla quale l'antenna in ricezione estrae energia, la quale essendo funzione della lunghezza d'onda l, prescinde dalla particolare antenna impiegata, ed in special modo non dipende dalle sue dimensioni geometriche.

(2) Altre analogie di questo tipo infatti ci sovvengono : il calabrone che non potrebbe, in base alle teorie note, volare (ma lui vola perché non lo sa !) ; il mondo nella concezione pre-copernicana, immobile al centro dell’universo … eppure taluni, allora come oggi, erano soliti affermare: questo non è possibile, nei testi (allora Tolomeo e Aristotele) non sta scritto …  ; così, verrebbe anche da dire : “eppur si muove”, riferito all’antenna ; cioè irradia !