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.

         --------------------------------------------------
         | 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".

            ---------------------------------------------------
            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
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        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]