YAGI per i 50 MHz
Antenne per i 50 MHz a confronto
Dopo aver costruito un trasverter per la preziosa banda dei 50
MHz, di recente concessaci dal ministero, non rimaneva che
costruire una bella antenna da mettere in cima al traliccio
sopra a quella delle decametriche. Ma che tipo di antenna
costruire ? e di che dimensioni ?
Dopo aver raccolto varii progetti da RR, Radio Handbook e
riviste non rimaneva che scegliere la migiore....si ma qual'e' la
migliore ? Qale da' il miglior rapporto dimensioni guadagno e
quale e' piu' facile da adattare al cavo coassiale ?
Poiche' suppongo che molti si stiano ancora arrovellando in
questi dubbi mi son deciso a pubblicare i risultati delle
analisi delle antenne che ho trovato in giro, analisi effettuate
al computer col programma Mini-NEC, nonche' le osservazioni che
derivano dai calcoli effettuati, con la speranza di essere
d'aiuto agli autocostruttori.
Due parole innanzitutto sullo strumento di analisi. Il
programma Nini-NEC, dove NEC sta' per "Numerical Electromagnetic
Code" e' stato scritto da K6STI (Brian Beezley) adattando al PC
un programma professionale. Questo programma, che gira appunto
su PC, meglio se dotato del coprocessore matematico, e' uno
strumento formidabile per tutti quelli che vogliono dedicarsi
alla costruzione delle proprie antenne, ad anche per chi vuole
controllare le caratteristiche dichiarate dai costruttori prima
di un acquisto.
Mini-NEC permette di analizzare qualunque tipo di antenna (o
gruppo di antenne) descrivendola nei termini dei segmenti che la
compongono tenendo conto anche dei diametri degli elementi, di
trappole, di alimentazioni multiple e di eventuali piani di
terra.
I risultati sono sia in forma numerica che grafica e
comprendono: il guadagno, il rapporto avanti indietro,
l'impedenza di alimentazione come parte reale (resistiva) e
parte immaginaria (reattanza). In grafica e' possibile disegnare
sul video i diagrammi di radiazione sia orizzontale che
verticale con la scala opportuna e poi riportare tali disegni
sulla stampante. Una piccola aggiunta fatta dallo scrivente
permette il disegno su VGA ad alta definizione con colori
diversi per i cerchi di riferimento ed il diagramma di
radiazione, nonche' la possibilita' di andare sul nuovo programma
grafico direttamente dal menu' di Mini-NEC.
Ma vediamo subito in pratica come un'antenna viene descritta per
Mini-NEC, ed a titolo di esempio vediamo un'antenna Fracarro per
la banda 1^ VHF adatta alla nostra banda dei 50 MHz.
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| 4 element Yagi Fracarro |
| free space |
| 50.157 MHz |
| 4 wires, millimeters |
| 10 0,-1500,0 0,1500,0 10 |
| 10 -795,-1655,0 -795,1655,0 10 |
| 10 755,-1375,0 755,1375,0 10 |
| 10 2005,-1315,0 2005,1315,0 10 |
| 1 source |
| 5,100,0 |
| 0 loads |
| |
--------------------------------------------------
Nel riquadro vedete il file (.ANT) che descrive l'antenna. La
prima riga è di commento e serve all'umano che legge il file.
La seconda riga dice che l'antenna e' da calcolarsi come se
fosse nello spazio libero, lontana da piani di massa. La terza
riga da' la frequenza a cui si vuole effettuare il calcolo. La
quarta riga dice che l'antenna e' composta da 4 segmenti
rettilinei, detti "wires" e le unita' usate in seguito sono i
millimetri.
Le quattro righe successive descrivono i quattro elementi
nell'ordine viene il radiatore (considerato non ripiegato), il
riflettore e i due direttori. Il primo numero (10) dice al
programma in quanti segmentini (pulses) suddividere ogni
elemento durante i calcoli: infatti il programma calcola gli
effetti mutui delle correnti in ognuno di questi segmentini;
piu' sono piccoli e piu' il calcolo e' accurato ma lungo. Le due
triplette di numeri che seguono sono le coordinate X,Y e Z degli
estremi di ogni elemento, da cui si capisce che per comodita' si
e' messo il radiatore lungo l'asse Y in X=0.
L'ultimo numero della riga da'? il diametro dell'elemento.
La nona riga dice che l'antenna e' alimentata da una sola
sorgente, e, dalla decima riga si capisce che l'alimentazione si
trova alla fine del quinto segmentino (a partire dalla
descrizione generale dell'antenna, che iniziando col radiatore,
ne individua la meta'?), la tensione e' di 100 Volt e fase Zero.
L'ultima riga ci dice che non ci sono trappole.
Ma veniamo ai risultati: il responso per questa antenna e'S:
G = 8.95 dBi Guadagno
F/B = 13.01 dB Rapporto Avanti/Indietro
Z = 48.9 + j 30.9 Ohm Impedenza
Si ricorda che l'impedenza è composta da una parte reale che S
una pura resistenza (48.9 nella fatttispecie) ed una parte
reattiva in serie che puo' essere induttiva se il segno e' + e
capacitiva se il segno è -. Quindi +j 30.9 significa:
30.9 = 2 PI f L con L l'induttanza
e, se fosse stato negativo, sarebbe stata una capacità C tale
per cui
1
30.9 = -------- [PI == PiGreco= 3,14]
2 PI f C
L'antenna in questione è in realta' alimentata a 200 Ohm e
l'adattamento viene effettuato con un dipolo ripiegato la cui
parte inferiore, piu' sottile, non arriva agli estremi. Questo
metodo permette di compensare la parte induttiva e moltiplicare
la parte resistiva quanto basta per arrivare a 200 Ohm. ( si
veda il Radio Handbook americano per i dettagli)
Il guadagno e' espresso in dBi, dB sul radiatore Isotropico
ideale, che è circa 2 dB maggiore del riferimento al dipolo.
Nella figura 1 si vede il diagramma di radiazione sul piano
orizzontale.
In complesso l'antenna e' di tutto rispetto visto anche il suo
basso costo e peso.
La seconda antenna che ho esaminato, e che sono stato anche
sul punto di costruire, deriva dal libro "Modern Antenna Design"
di Thomas Milligan (Mc Graw Hill).
------------------------------------------------------
| 6 element Yagi da Modern Antenna Design |
| free space |
| 50.150 MHz |
| 6 wires, millimeters |
| 10 0,-1467.5,0 0,1467.5,0 10 |
| 10 -1470,-1480.5,0 -1470,1480.5,0 10 |
| 10 882,-1327,0 882,1327,0 10 |
| 10 1765.5,-1321,0 1765.5,1321,0 10 |
| 10 2647,-1272.5,0 2647,1272.5,0 10 |
| 10 3530,-1223.5,0 3530,1223.5,0 10 |
| 1 source |
| 5,100,0 |
| 0 loads |
-----------------------------------------------------|
Questa antenna da'? le seguanti prestazioni:
G = 10.41 dBi
F/B = 22.01 dB
Z = 45.7 + j 29.7
Questa antenna non ha un gran guadagno per i suoi 5 metri di
boom, ma S comunque una vera antenna professionale: l'impedenza
di alimentazione S piuttosto stabile per parecchi MHz ed il
rapporto avanti indietro S di tutto rispetto. L'impedenza di
alimentazione richiede un dipolo semi-ripiegato come per la
Fracarro per poter realizzare il simmetrizzatore con uno
spezzone di cavo Lambda mezzi. In altenativa si potrebbe
compensare la parte reattiva (da calcolarsi facendo la
trasformazione da circuito equivalente serie a parallelo) con
un adeguato stub (lascio a voi il calcolo) ed attaccarsi
direttamente col cavo attraverso un simmetrizzatore a bazooka .
La fig. 2 riporta il diagramma di radiazione.
Il Radio Handbook e l' ARRL Antenna Book sono sorgenti
inestimabili di idee ed informazioni, ad anche per i 50 MHz
hanno parecchio da proporre. Una 6 elementi in fotografia ha
subito risvegliato la mia cupidigia. Eccone il file
descrittivo.
-----------------------------------------------------------
³ 6 element Yagi da Antenna Book ARRL p.227 ³
³ free space ³
³ 50.150 MHz ³
³ 6 wires, millimeters ³
³ 10 0,-1403.5,0 0,1403.5,0 10 ³
³ 10 -914,-1473.0,0 -914,1473.0,0 10 ³
³ 10 914,-1340,0 914,1340,0 10 ³
³ 10 1980,-1320.5,0 1980,1320.5,0 10 ³
³ 10 3478,-1305,0 3478,1305,0 10 ³
³ 10 5266,-1289.5,0 5266,1289.5,0 10 ³
³ 1 source ³
³ 5,100,0 ³
³ 0 loads ³
-----------------------------------------------------------
I risultati sono:
G = 11.49 dBi
F/B = 14.13
Z = 29.9 -j 10.6
Con un boom di 6.18 metri non male ! Attenzione pero': una
spazzolata in frequenza ha rivelato una brusca variazione
dell'impedenza stessa, quindi questa antenna S difficile da
adattare su una banda larga (...ma a noi che importa...tanto
abbiamo solo 12 KHz). Consiglio gli eventuali costruttori di
abbondare nei materiali.
Rimanendo in tema di antenne lunghe I2AV ha pubblicato su RR
una 7 elementi. Eccone la descrizione.
-----------------------------------------------------
³ 7 element Yagi da RR di I2AV ³
³ free space ³
³ 50.150 MHz ³
³ 7 wires, millimeters ³
³ 10 0,-1450,0 0,1450,0 10 ³
³ 10 -1000,-1550,0 -1000,1550,0 10 ³
³ 10 925,-1410,0 925,1410,0 10 ³
³ 10 1771,-1385,0 1871,1385,0 10 ³
³ 10 3173,-1360,0 3173,1360,0 10 ³
³ 10 4493,-1345,0 4493,1345,0 10 ³
³ 10 5813,-1330,0 5813,1330,0 10 ³
³ 1 source ³
³ 5,100,0 ³
³ 0 loads ³
-----------------------------------------------------
Ed ecco il responso del computer:
G = 10.73 dBi
F/B = 9.47 dB
Z = 30.4 +j 44.1
Mi sarei aspettato di piu', soprattutto dal rapporto avanti
indietro, infondo un boom di 6.8 metri S una cosa impegnativa.
La figura 4 mostra il diagramma di radiazione.
CQ Elettronica dell 8/90 ha pubblicato una 4 elementi dovuta a
IK4GLT. Eccone la descrizione:
-----------------------------------------------------------
³ 4 element Yagi di IK4GLT CQ Elettronica 8/90, L=2.165 m ³
³ free space ³
³ 50.157 MHz ³
³ 4 wires, millimeters ³
³ 10 0,-1665,0 0,1665,0 12 ³
³ 10 -885,-1500,0 -885,1500,0 12 ³
³ 10 525,-1390,0 525,1390,0 12 ³
³ 10 1190,-1280,0 1190,1280,0 12 ³
³ 1 source ³
³ 5,100,0 ³
³ 0 loads ³
-----------------------------------------------------------
I risultati sono:
G = 8.07 dBi
F/B = 23 dB
Z = 31.6 +j 109
Ottimo il rapporto avanti indietro. Strana l'impedenza.
Nell'articolo in questione e'S stato dimenticato il
simmetrizzatore (Balun) che, come tutti sanno, e' assolutamente
necessario in questi casi. La fig. 5 mostra il diagramma di
radiazione.
Last but not least l'antenna che alla fine svetta sul mio tetto.
Non e' il massimo del guadagno ma la ritengo un buon compromesso.
Il progetto si deve sempre al buon ARRL Antenna Book ed e' una 5
elementi. Eccone il file con i valori leggermente modificati
perche'S l'originale ha il guadagno massimo a 51 Mhz.
------------------------------------------------------------------
³ 5 element Yagi da ARRL Ant.Book p.226 Max corretto per 50.157 ³
³ free space ³
³ 50.157 MHz ³
³ 6 wires, millimeters ³
³ 10 0,-1429,0 0,1429,0 20 ³
³ 10 -889,-1506,0 -889,1506,0 20 ³
³ 10 889,-1362,0 889,1362,0 20 ³
³ 10 1778,-1338,0 1778,1338,0 20 ³
³ 10 2667,-1311,0 2667,1311,0 20 ³
³ 10 -889,0,0 2667,0,0 35 ³
³ 1 source ³
³ 5,100,0 ³
³ 0 loads ³
------------------------------------------------------------------
G = 9.99 dBi
F/B = 20.55 dB
Z = 18.2 +j 2.1
(Diagramma di rad. e' in fig. 6) Si noti la presenza del boom
che, peraltro, Mini-NEC non sente affatto, e del diametro degli
elementi di 20 mm che rende l'antenna robusta ed a prova di
cornacchia.
Due sono i fattori che mi hanno fatto optare per questa antenna,
(senza contare un guadagno di tutto rispetto ed un onorevole
rapporto avanti indietro). Primo il boom di 3.5 metri lo avevo
gia'?...era di una antenna per i 2 m che non ha mai visto la luce,
secondo l'impedenza con una parte induttiva insignificante che
mi ha suggerito un semplice sistema di adattamento.
L'adattamento semplice consiste nell'usare un dipolo ripiegato
con i diametri delle due parti diversi ed a distanza opportuna
in modo che l'impedenza venga moltiplicata per 3. (Vedere i
grafici di calcolo su Radio Handbook )
18.2 X 3 = 54.6 che vuol dire ROS = 1.05 !!
Il simmetrizzatore e'S poi un semplice bazooka 1:1.
Il dipolo ripiegato ha poi un piacevole effetto secondario:
Allarga la banda perche' si comporta come un elemento di
diametro maggiore. Proprio per analizzare questo effetto e per
adattarmi al boom di qualche cm piu' corto del dovuto ho rifatto
i calcoli col seguente file.
-----------------------------------------------------------------
³ 5 element Yagi da ARRL Ant.Book p.226 Max corretto per 50.157 ³
³ free space ³
³ 50.157 MHz ³
³ 6 wires, millimeters ³
³ 10 0,-1399,0 0,1399,0 50 ³
³ 10 -878,-1506,0 -878,1506,0 20 ³
³ 10 878,-1362,0 878,1362,0 20 ³
³ 10 1756,-1338,0 1756,1338,0 20 ³
³ 10 2634,-1311,0 2634,1311,0 20 ³
³ 10 -878,0,0 2634,0,0 35 ³
³ 1 source ³
³ 5,100,0 ³
³ 0 loads ³
-----------------------------------------------------------------
che ha leggermente modificato i valori precedenti:
G = 9.94 dBi
F/B = 24.4 dB
Z = 17.9 +j 3.7
Questa e' l'antenna finale. Rispettando scrupolosamente le
misure il ROS e' risultato di 1.1 a 50.157 MHz con un minimo di
1.05 a 50.250 MHz...non male vero ? giocando sulle viti che
distanziano le due parti del dipolo ripiegato si potrebbe fare
di meglio, ma sono troppo pigro per ritornare sul tetto.
Per completezza il dipolo ripiegato e' costituito da un tubo
intero da 12 mm e da uno tagliato a meta'? ed isolato su
plexiglass da 20 mm su cui si collega il cavo coassiale. La
distanza fra i centriSe' 42 mm. Il simmetrizzatore a bazooka e'S
un tubo di ottone lungo 971 mm.
Cosa si puo' concludere da questa breve analisi ? La mia idea e'S
che se si ha spazio e si vuole il massimo del guadagno l'antenna
a 6 elementi del Radio HandBook e' la migliore, a meno di non
provare una cubica di pari boom. Per un'istallazione in zona
ventosa e con spazio limitato la 5 elementi col boom di 3.5
metri sembra on ottimo compromesso. Per chi non ha voglia di
segare e trapanare alluminio la Fracarro sembra l'ideale curando
di sostituire il simmetrizzatore in ferrite con uno in cavo
Lambda/2. Chi poi possiede ampi spazi e notevoli capacita'?
costruttive puo' cimentarsi della realizzazione della seguente 16
elementi sempre dovuta a "Modern Antenna Design".
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³ 16 element Yagi da Modern Antenna design ³
³ free space ³
³ 51.00 MHz ³
³ 16 wires, millimeters ³
³ 10 0,-1375,0 0,1375,0 10 ³
³ 10 -1567,-1436.5,0 -1567,1436.5,0 10 ³
³ 10 1288,-1321,0 1288,1321,0 10 ³
³ 10 2708,-1256,0 2708,1256,0 10 ³
³ 5 4394,-1256,0 4394,1256,0 10 ³
³ 5 6080,-1256,0 6080,1256,0 10 ³
³ 5 7766,-1256,0 7766,1256,0 10 ³
³ 5 9452,-1256,0 9452,1256,0 10 ³
³ 5 11138,-1256,0 11138,1256,0 10 ³
³ 5 12824,-1256,0 12824,1256,0 10 ³
³ 5 14510,-1256,0 14510,1256,0 10 ³
³ 5 16196,-1256,0 16196,1256,0 10 ³
³ 5 17882,-1256,0 17882,1256,0 10 ³
³ 5 19568,-1256,0 19568,1256,0 10 ³
³ 5 21254,-1256,0 21254,1256,0 10 ³
³ 5 22940,-1256,0 22940,1256,0 10 ³
³ 1 source ³
³ 5,100,0 ³
³ 0 loads ³
---------------------------------------------------
Le caratteristiche sono eccellenti
G = 15.95 dBi
F/B = 23.51 dB
Z = 32.1 +j 9.8
Chi realizzera' questa antenna e' gentilmente pregato di
mandarmene la foto. Attenzione che un boom di grande diametro
puo'* richiedere un certo allungamento degli elementi.
Resto comunque QRV per analizzare altre antenne che vorrete
propormi. Mini-NEC e' di pubblico dominio e chi ne vuole una
copia pu* richiedermela inviandomi SASE + dischetti formattati.
73 de Pino I2KFX [email protected]