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 = e₀e_r E) and magnetic (B = m₀m_r 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 e_r = m_r =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 h_cylinders / 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 = e₀e_r E (che si riduce ad e₀E nel vuoto ove e_r = 1, e con buona approssimazione nell’aria), mentre il campo di induzione magnetica da un vettore B = m₀m_r H (che si riduce ad m₀H nel vuoto ove m_r = 1, e con buona approssimazione nell’aria ; laddove a seconda della natura dei materiali circostanti può aversi

m_r cost. < 1 nei materiali diamagnetici, m_r cost. > 1 nei materiali paramagnetici e m_r >> 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 e_r = m_r = 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 h_cilindri / 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.

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