Utilizzare le trappole per consentire il funzionamento multibanda delle antenne a dipolo

In un'era di dispositivi wireless compatti e mobili che operano nello spettro dei gigahertz, l'antenna a dipolo a filo lungo, pur importante dal punto di vista storico, potrebbe sembrare anacronistica, ma non è così. Date le sue numerose virtù, è tuttora ampiamente utilizzata dai militari, dai servizi di emergenza, dalle emittenti e dai radioamatori per i collegamenti punto-punto a livello mondiale e per la radiodiffusione ad ampio raggio.

Tra le virtù vi sono flessibilità, facilità di installazione, distribuzione dell'irradiazione regolabile, bassa visibilità per gli altri e dimensioni ridotte di imballaggio/trasporto. L'antenna a dipolo viene utilizzata principalmente a frequenze inferiori a 30 MHz (lunghezza d'onda di 10 metri) in quella che storicamente era designata come banda ad alta frequenza (HF) che va da 3 a 30 MHz, nonché a frequenze inferiori/lunghezze d'onda maggiori. Come ulteriore vantaggio, con l'aggiunta di semplici circuiti LC risonanti chiamati trappole in entrambi i bracci del dipolo, una singola antenna può servire contemporaneamente più bande.

Questo blog offrirà una breve panoramica sull'antenna a filo lungo (dipolo), illustrerà alcune considerazioni teoriche rispetto al mondo reale e spiegherà come le trappole possono estendere la loro utilità per funzionare come antenna multibanda. Alcune di queste considerazioni si applicano ad altre configurazioni di dipolo, come il noto dipolo ripiegato, ma anche in questo caso ci sono importanti differenze.

Perché utilizzare un'antenna a dipolo a filo lungo?

Dato che molte delle antenne odierne sono corte (nella maggior parte dei casi un metro o meno) o quasi invisibili, come il risonatore a chip o l'antenna planare a F invertita (PIFA) all'interno di uno smartphone, quella a dipolo a filo lungo può sembrare un oggetto d'antiquariato o una curiosità. Tuttavia, le equazioni di Maxwell e la teoria delle onde mostrano che un radiatore/ricevitore a dipolo efficace deve avere una dimensione primaria pari alla metà della lunghezza d'onda interessata. Questa classica antenna a dipolo è priva di messa a terra e presenta un carico bilanciato e simmetrico all'amplificatore di potenza del trasmettitore e all'amplificatore front-end del ricevitore (Figura 1). L'impedenza nominale di un dipolo ideale è di 73 Ω, ma spesso vengono indicati 75 Ω; la differenza è trascurabile. Se l'antenna è collegata alla linea di alimentazione comune da 50 Ω, è sufficiente un modesto adattamento di impedenza tra la linea di alimentazione e l'antenna.

Figura 1: La classica antenna a dipolo di base ha due bracci di un quarto di lunghezza d'onda e si presenta come un carico resistivo bilanciato da 73 Ω alla sua frequenza operativa risonante. (Immagine per gentile concessione di MicrowaveTools)

Se per il dipolo si utilizza un filo sottile, la larghezza di banda sarà in genere pari a circa il 5% della frequenza centrale. Un filo più spesso aumenterà la larghezza di banda fino al 20%, ma avrà ripercussioni su altri attributi delle prestazioni. Se il collegamento al trasmettitore o al ricevitore avviene tramite un circuito collegato a terra e utilizza un cavo coassiale come linea di alimentazione, potrebbe essere richiesto un trasformatore balun. Tuttavia, in molti casi è possibile utilizzare direttamente anche un cavo coassiale, a condizione di abbinare adeguatamente le impedenze.

Data la semplicità della sua progettazione, è facile capire l'attrattiva dell'antenna a dipolo a filo lungo. Servono soltanto due fili di uguale lunghezza e un modo per fissarli ad alberi, edifici, cartelli o qualsiasi cosa si trovi a portata di mano. Di solito l'antenna non è collegata direttamente a questi supporti, ma vengono utilizzati fili e isolatori come "distanziatori" di fissaggio (Figura 2).

Figura 2: Il dipolo è solitamente collegato ai suoi supporti tramite isolatori (bianchi) e fili di lunghezza tale da consentire di mantenere la lunghezza dei bracci del dipolo indipendentemente dalla distanza tra i supporti. (Immagine per gentile concessione di Physics Forums)

In pratica, è probabile che per ottenere prestazioni ottimali si dovrà regolare la lunghezza effettiva dell'antenna per tener conto del fatto che il filo ha uno spessore finito e altre deviazioni rispetto alla teoria, ma in genere questa regolazione è inferiore al 5%. Anche senza regolazioni, le prestazioni sono di solito abbastanza buone e il rapporto di onda stazionaria in tensione (ROS in tensione) inferiore a 1,5:1, un valore generalmente accettabile.

Nei casi in cui si verifichi uno spostamento o una non corrispondenza significativi dell'impedenza dell'antenna, il ROS in tensione aumenterà a un livello inaccettabile e le prestazioni ne risentiranno. In questi casi, per compensare e mettere in atto una transizione si utilizza un sintonizzatore d'antenna regolabile nella linea di alimentazione.

Il guadagno teorico del dipolo è di circa 2 dBi (dB rispetto all'antenna isotropica). La sua distribuzione dell'irradiazione è semplice e spesso ha una forma toroidale (Figura 3).

Figura 3: Distribuzione dell'irradiazione del dipolo visto dall'alto sul piano verticale (A) e di lato sul piano orizzontale, in cui assomiglia a un toro (B). (Immagine per gentile concessione di Science Direct)

L'utente può regolare l'orientamento dell'antenna per indirizzare la massima energia del trasmettitore/sensibilità del ricevitore verso il transceiver radio previsto, che spesso si trova a migliaia di chilometri di distanza. Esistono molti casi documentati di comunicazioni riuscite a queste distanze utilizzando un dipolo da 20 e 40 m con una potenza di trasmissione ben al di sotto di un watt e in condizioni di propagazione atmosferica idonee, perché ha un'efficienza e una distribuzione dell'irradiazione molto buone.

Il funzionamento multibanda estende la versatilità

In molte situazioni di comunicazione HF del mondo reale, è necessario cercare di stabilire un contatto su più bande contemporaneamente o cambiare banda in orari diversi, poiché la connettività dipende da molte variabili come le macchie solari, il rumore atmosferico, l'operatività diurna rispetto a quella notturna e condizioni di propagazione che variano continuamente. Pertanto, un'antenna a dipolo a banda singola potrebbe risultare insufficiente.

La soluzione più ovvia è quella di installare più antenne a dipolo, una per ogni banda/lunghezza d'onda interessata. Tuttavia, ciò comporta difficoltà pratiche di cablaggio, aggrovigliamento, gestione e commutazione tra più linee di alimentazione. In alcuni casi, si potrebbe utilizzare uno sdoppiatore/combinatore RF per collegare una singola linea di alimentazione a due antenne, ma questo causa perdite e nuovi problemi di adattamento di impedenza.

Fortunatamente, esiste una soluzione migliore che, come il dipolo, è stata utilizzata fin dagli albori del wireless: la "trappola". (Non è chiaro quando questo termine sia stato introdotto per la prima volta né da chi; la parola non è usata nel brevetto USA 2.229.865 del 1941 che presenta la tecnica). Una trappola è una semplice combinazione induttore-condensatore (LC) collegata in parallelo e autorisonante tra due bande interessate.

Viene inserita in ciascun braccio del dipolo per fare in modo che l'antenna abbia due lunghezze elettriche ma una sola lunghezza fisica. A frequenze inferiori alla frequenza di risonanza, la reattanza della trappola sarà induttiva; al di sopra della frequenza di risonanza, sarà capacitiva. Le trappole fungono da interruttore, tagliando elettricamente il resto dell'antenna alla frequenza di progetto della trappola. Al di sotto della frequenza di risonanza dell'antenna fungono da bobina di carico.

Un modello elettrico semplificato della trappola mostra l'induttore e il condensatore fisici e una piccola resistenza parassita (R_P) (Figura 4).

Figura 4: La trappola è un semplice circuito LC risonante con una resistenza indesiderata ma inevitabile che può essere configurata in serie (a) o come un circuito RLC parallelo (b). (Immagine per gentile concessione di AntenTop)

Le trappole possono essere notoriamente soggette ad alte perdite, il che rappresenta un problema sia per la modalità di trasmissione che di ricezione. Tuttavia, una trappola adeguatamente progettata e messa a punto imporrà una perdita modesta, nell'ordine di 1 dB, di solito accettabile in cambio della comodità che offre.

Scegliere i valori dei componenti della trappola

Dal punto di vista matematico, esiste un numero infinito di accoppiamenti di LC che danno luogo alla frequenza di risonanza desiderata. Tuttavia, molti di questi accoppiamenti richiedono un induttore estremamente piccolo (o grande) abbinato rispettivamente a un condensatore estremamente grande (o piccolo). Questo accoppiamento sarebbe soggetto a troppi problemi di parassitismo e di dimensioni fisiche, oltre ad avere un fattore Q (fattore di qualità) troppo stretto o ampio per la banda interessata.

Per fortuna, è disponibile un'ampia letteratura sul dimensionamento delle trappole, basata sulla teoria, sull'applicazione e sull'esperienza pratica sul campo. Ad esempio, una trappola che utilizza un induttore da 5,55 µH accoppiato a un condensatore da 100 pF è un buon punto di partenza per un dipolo da 80/40 m (Figura 5).

Figura 5: I valori dei componenti indicati e le dimensioni lineari del dipolo (in piedi) sono un buon punto di partenza per un dipolo multibanda da 80/40 m. (Immagine per gentile concessione di QSL Net)

La scelta dei componenti delle trappole non si limita a determinare i valori di L e C idonei, poiché vi sono questioni molto pratiche di gestione della potenza e di robustezza. Per le antenne di sola ricezione, quasi qualsiasi induttore o condensatore può gestire la piccolissima quantità di potenza ricevuta, che è nell'ordine dei milliwatt e spesso inferiore. Tuttavia, i trasmettitori spesso forniscono livelli di potenza nell'ordine delle decine, centinaia e anche più di watt, quindi i componenti della trappola devono essere dimensionati per quei livelli di potenza.

Le trappole sono anche esposte alle intemperie. Anche se alcune antenne a dipolo sono collocate in ambienti favorevoli, come una soffitta o un fienile in legno, la maggior parte di esse è installata all'esterno e quindi deve far fronte a pioggia, vento, temperature estreme, condensa e altro ancora. Pertanto, la trappola e il suo collegamento devono essere completamente sigillati, avere una sorta di sistema di drenaggio e sfiato oppure devono essere costruiti con materiali resistenti alle condizioni atmosferiche. Anche se i collegamenti rimangono intatti, eventuali penetrazioni di acqua o corrosione possono influenzare i valori dei componenti e spostare di conseguenza la frequenza di risonanza.

La costruzione della trappola richiede in genere l'incapsulamento dei suoi componenti sigillandoli in una custodia di plastica, l'utilizzo della tropicalizzazione o di una sorta di struttura a vista resistente alle condizioni atmosferiche (Figura 6). Spesso come nucleo di un induttore avvolto viene utilizzato un tubo in PVC a basso costo. In altri casi, come involucro viene utilizzato un tubo in PVC con cappucci terminali a tenuta e fori di accesso a tenuta stagna.

Figura 6: Questa trappola per 80/40 m fatta in casa utilizza un induttore avvolto a mano attorno a un tubo in PVC come supporto del nucleo. (Immagine per gentile concessione di www.vk4adc.com)

C'è un altro problema pratico di cui tener conto: la messa a punto e la rifinitura dei componenti della trappola. Sebbene il calcolo dei valori dei componenti sia un primo passo necessario, questi valori ideali spesso non sono abbastanza vicini a causa delle correnti parassite, del diametro dei fili e delle imperfezioni dell'avvolgimento induttore, per citare solo alcuni fattori del mondo reale.

Per questo motivo, la maggior parte delle trappole fatte in casa e molte di quelle presenti in commercio consentono all'utente di apportare alcune regolazioni ai valori di L e C sul campo per ottenere le prestazioni desiderate, cosa che di solito viene fatta con un misuratore di ROS in tensione. Questa messa a punto può essere un processo frustrante e iterativo, specie nel caso di implementazioni fai-da-te. Anche in questo caso, esistono molti siti Web con suggerimenti pratici per semplificare il processo.

L'uso delle trappole non si limita all'utilizzo di un dipolo a filo lungo su due bande. Con una serie di trappole, è possibile costruire antenne a dipolo su tre o addirittura quattro bande. Tuttavia, ciò richiede ulteriori regolazioni e alcuni compromessi in termini di prestazioni e distribuzione dell'irradiazione dell'antenna, di guadagno, larghezza di banda e di altri parametri.

Non limitate a semplici dipoli

Anche se le trappole di solito sono associate a dipoli a filo lungo di base, non sono limitate a questo tipo di antenna. Ad esempio, un'antenna Yagi-Udi multibanda, direzionale e ad alto guadagno (spesso chiamata semplicemente "Yagi") è realizzata con una serie di elementi dipolo attivi e passivi. Questa forma di Yagi utilizza trappole negli elementi direttori, di azionamento attivo e riflettori, così da poter funzionare su più bande (Figura 7).

Figura 7: Le trappole possono essere utilizzate sia per il funzionamento a tre bande su dipoli di base sia su antenne multibanda più complesse, come questo progetto di Yagi da 20/15/10 m. Da sinistra a destra sono mostrati gli elementi direttore, condotto e riflettore dell'antenna, ciascuno con due trappole su ciascun braccio. (Immagine per gentile concessione di OnAllBands)

È possibile costruire il proprio dipolo e molti utenti occasionali lo fanno. Ma sono disponibili anche come unità commerciali standard, ad esempio KGI825 di PulseLarsen Antennas. Questo dipolo di base a un quarto di lunghezza d'onda con un guadagno di 2 dB è progettato per funzionare da 806 a 896 MHz, con centro a 851 MHz (Figura 8).

Figura 8: KGI825 è un'antenna a dipolo a un quarto di lunghezza d'onda con un guadagno di 2 dB e una frequenza centrale di 851 MHz. (Immagine per gentile concessione di PulseLarsen Antennas)

L'antenna KGI825 può gestire fino a 60 watt di potenza di trasmissione e offre un comodo montaggio a magnete all'interno di una finestra tra 3,5 e 4 mm di spessore. Ha in dotazione un cavo coassiale RG-58/U di 4,25 m a cui l'utente aggiunge il connettore desiderato.

Conclusione

L'umile, modesta e poco tecnologica antenna a dipolo a filo lungo serve il mondo wireless da oltre un secolo. Continua a farlo grazie alla sua semplicità, adattabilità, portabilità ed efficacia. Utilizzando trappole passive, la sua capacità di funzionamento può essere estesa a due o più bande nella parte ad alta frequenza dello spettro delle onde elettromagnetiche.

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Riferimenti esterni

• H.K. Morgan, U.S. Patent 2,229,865, "Radio Antenna System"
• MicrowaveTools, "Dipole Antenna"
• Science Direct, "Antenna Fundamentals: Radiation Pattern"
• On All Bands, "Antenna Traps -A Way to Cope With Limited Space"
• QSL Net, "Tuned Circuits and Traps"
• AntenTop, "Modeling Trap Antennas"
• AntenTop, "Multirange Trap Antennas"
• Web di VK4ADC, "Low Cost Antenna Traps"
• SOTABeams, "Using Antenna Traps"