giovedì 8 dicembre 2011

La Maxiwhip rivelata - Nona puntata

La prima,seconda,terza, quarta ,quinta , sesta ,settima ed ottava puntata si trovano ai seguenti indirizzi: 



Prima di procedere ad un po' di riassunto generale  , qualche precisazione e qualche spunto per andare oltre, volevo dire che tra le "n" varianti possibili della configurazione Maxiwhip , possiamo annoverare anche quelle Marconiane a T ed L come da figure seguenti .

Nella configurazione a T la altezza efficace della antenna risultera' uguale , ma aumentera' la capacita' della antenna e quindi si abbassera' la frequenza di taglio inferiore ed assieme tutte le risonanze ed antirisonanze .
La polarizzazione della antenna sara' sempre verticale .

 Nella configurazione a L la altezza efficace della antenna risultera' uguale , ma aumentera' 
( anche se in maniera minore della configurazione a T ) la capacita' della antenna e quindi si abbassera' la frequenza di taglio inferiore ed assieme tutte le risonanze ed antirisonanze .
La polarizzazione della antenna sara' obliqua ( slant ) a 45 ° captando quindi in ugual misura parte della componente orizzontale e parte delle componente verticale .
I risultati saranno simili a quelli della configurazione della ottava puntata , e qui di seguito riportata ,  ma con una capacita' maggiore .
Per contro si avra' una complicazione meccanica costruttiva ( non riportata nel disegno ) maggiore .


                          RIASSUNTO GENERALE E QUALCHE MAGGIORE DETTAGLIO

Abbiamo scoperto che : 

1) La "silenziosita'" della antenna deriva dal fatto che la Maxiwhip come antenna e' "autoconsistente " e cioe' : le correnti della antenna tendono a chiudersi  preferibilmente sugli elementi attivi stessa della antenna e non su altro .
Questo e' reso possibile dalla configurazione , ma soprattutto dall' uso di un vero Balun di tensione e non di corrente .
2) Per estendere in funzionamento della antenna alle frequenze basse ( tanto per capirci almeno 100 kHz ,  a scapito come vedremo delle frequenze medie ed alte ) e' necessario adottare un alto rapporto di trasformazione . Nella versione finale 1:36 .
3) Nel caso in cui questo non fosse necessario , e' possibile impiegare altri rapporti di trasformazione per spostare diversamente l'area di funzionamento ottimale .
E 'quello che vedremo maggiormente in dettaglio di seguito .

                                                 IMPEDENZA DI UN DIPOLO

Nelle precedenti puntate abbiamo descritto qualitativamente il variare della impedenza di un dipolo o meglio di un monopolo al variare della frequenza .
Ora introdurremmo dei grafici tipici relativi ad un dipolo . Gli stessi grafici possono qualitativamente essere usati nel caso di un monopolo, dividendo i valori in prima brutale approssimazione per due .
I grafici sono tratti dalla serie dei " R&D White Paper " della BBC  , in questo caso dal WHP132 .
Sono divisi in resistenza di radiazione e parte reattiva della impedenza  :  Za=Ra+jXa


Come descritto qualitativamente nelle altre puntate, si puo' notare la prima parte , a frequenza basse , dove la resistenza di radiazione e' bassissima e la impedenza della antenna e' praticamente una capacita' . Quando questa capacita' si annulla si ha la prima risonanza serie  ( L/WL = 0,5= WL/2  per un dipolo ; L/WL = 0,25 = WL/4 per un monopolo ) .
Le resistenza di radiazione del monopolo sara' di circa 35 Ohm . 
Salendo di frequenza , la parte reattiva della antenna diventa induttiva sempre maggiore , per poi ridiscendere ed annullarsi alla prima antirisonanza parallelo CIRCA a ( L/WL = 1= WL  per un dipolo ; L/WL = 0,5 = WL/2 per un monopolo ), con valori tipici della resistenza di radiazione intorno al migliaio di Ohm .
Salendo ancora di frequenza  la parte reattiva della antenna diventera' di nuovo capacitiva per poi ridiscendere a zero alla seconda risonanza serie  ( L/WL = 1,5= WL3/2  per un dipolo ; L/WL = 0,75 = WL3/4 per un monopolo ) .
Le resistenza di radiazione del monopolo sara' circa 70 Ohm .
E cosi' via in maniera periodica . 
Importantissimo notare che sia le oscillazioni della Resistenza di Radiazione che della parte reattiva della impedenza della antenna , dipendono dal parametro L/d e sono tanto minori , quanto minore e' questo valore.
Il che vuol dire che a parita' di lunghezza L , tanto maggiore e' il diametro d dei componenti della antenna , tanto minori saranno le oscillazioni dei valori e quindi la costanza dell' impedenza .

                                  POSSIBILI MIGLIORAMENTI O VARIAZIONI

Quanto sopra illustrato suggerisce alcune possibilita' :

1) Aumentare il diametro della parte verticale della Maxiwhip ad esempio con una struttura di fili montata sulla canna da pesca , come illustrato nelle figura seguente .

Una struttira composta da quattro fili e' adeguata e , come dimostrato dai diagrammi , diminuisce le fluttuazioni della impedenza dell' antenna al variare della frequenza

2) Inserire in parallelo o a "ventaglio" un secondo tratto verticale o piu' tratti in modo da colmare le antirisonanze parallelo con delle risonanze serie .

3) Nel caso in cui non fosse basilare il funzionamento molto al di sotto della prima risonanza serie ( tratto di impedenza capacitiva predominante ) il rendimento della antenna puo' essere migliorato cercando di avvicinarsi il piu' possibile all' adattamento del sistema .
E' la strada che si usa per le antenne di ricetrasmissione a larga banda che ultimamente vanno piuttosto di moda con una miriade di nomi diversi .
Si tratta di impiegare un balun con impedenza caratteristica vicina alla media dei valori del diagramma .
Nella tabelle di seguito sono riportati i valori alla risonanza ed antirisonanza con una serie di approssimazioni anche brutali ( che sono poi quelle presentate nelle prime puntate ) , ma che possono rendere l'idea della resistenza di radiazioni  per un filo verticale di 10m al variare della frequenza .

Fo (Mhz)  Ca ( pF) Ra (Ohm)
3,5 100 5
7 0 35
14 0 1600
21 0 70
28 0 1000
Un valore di 450 Ohm e quindi un balun con rapporto 1:9 e' quello che puo' rappresentare un valore medio .
Il tutto confermato dall simulazioni effettuate con Multinec ma che esulano dallo scopo di queste poche note . In generale la simulazione fornisce degli adattamenti con ROS da ottimo fino ad un massimo di 6 .
Le misure pratiche presso il mio QTH con misure che escludono il miglioramento di adattamento dovuto a perdite di un cavo coassiale , confermano le simulazioni,  a parte il fatto che la migliore media viene raggiunta con un balun con rapporto 1:6 a causa della reali perdite ambientali ( cio' che c'e' intorno alla antenna ed in particolare nel mio caso il traliccio e molti alberi ) che nella simulazione ovviamente non esistono .
Valori migliori possono solo essere ottenuti con l'attenuazione del cavo di trasmissione , oppure possono essere segno che ci sono altre perdite in gioco nell' ambiente vicino all'antenna , nel il balun o nel  il sistema di radiali .
Come detto , reali miglioramenti possono essere ottenuti aumentando in vario modo il diametro della parte verticale .
Per le ragioni piu' volte esposte , si consiglia l'uso di un balun di tensione anziche ' di corrente per migliorare la silenziosita' in ricezione . 
In trasmissione non sono rilevabili miglioramenti se non per un minore accoppiamento con le masse .
Una antenna cosi' costruita e' adatta alla rice-trasmissione sulla bande decametrice ( ad eccezione dei 160 m e con alcune difficolta' talora sugli 80 m ) con l'ausilio di un accordatore .

La domanda che sporgera' spontanea ora sara' sicuramente : posso usare la Maxiwhip con il balun 1:36 Minicircuits anche in trasmissione ? 
La risposta e' data da due fattori : 
1) La massima potenza sopportabile dal balun . La Minicircuits specifica 250 mW massimi . Probabilmente viene tenuto conto della distorsione di intermodulazione dovuta al nucleo che tende a saturare . E' probabile quindi che , con un po' di generazione di armoniche , tollerabili in un QRP , si possa andare almeno fino a 0.5 W .
2) Il massimo disadattamento possibile sul trasmettitore senza accordatore .
Come ho detto , nella Maxiwip in configurazione massima estensione percentuale possibile della banda di ascolto , che e' quella sopra richiamata , si usa un balun con alto rapporto di trasformazione per aumentare la banda passante inferiore . Il Balun ha un rapporto di trasformazione di 1:36 il che vuol dire che con 50 Ohm di carico si ha una impedenza all'antenna 1800 Ohm . Guardando la tabella dei valori di resistenza di radiazione al variare della frequenza od i grafici e' facile capire che l'adattamento si avra' non in risonanza serie , ma in antirisonanza parallelo , il che vuol dire attorno ai 14 ed ai 28 MHz , ma non certo a 21 Mhz ....
Miglioramenti nella trasmissione dsi possono ottenere con le tecniche suggerite in questa puntata .

                                                           CONCLUSIONI

Come vedete , ridendo e scherzando , solo per dare una vaga idea e con approssimazioni sovente brutali di cui chiedo scusa ai piu' esperti che capendo che la spiegazione doveva essere accessibile anche a "neofiti" spero che non mi metteranno in croce , sono state scritte pagine e pagine , ed abbiamo solo "scalfito" il problema .
Per andare oltre c'e' la matematica profonda , la modellizzazione tramite software , le misure strumentali .
Tutte cose al di la' delle scopo di queste note .
Avrei potuto fare lo snob citando valanghe di sacri testi e quant'altro .
So benissimo che anche solo queste descizioni intuitive potranno fare venire il mal di testa al 99 % di voi .
Credetemi , non sono capace di spiegarmi in modo piu' semplice . 
Al di sotto di certi livelli e' impossibile andare , a meno di non raccontare "fiabe"e quindi scadere nel ridicolo .
Per chi volesse andare un po' piu' in la nella comprensione generale delle antenne pero' un libro lo vorrei consigliare e Vi spiego perche' .
Al di la delle doverose leggi matematiche che e' impossibile non impiegare , e' stato scritto da un Radioamatore , mancato purtroppo alcuni anni fa : John Kraus W8JK , inventore di numerose antenne tra le quali la antenna ad Elica ed il famoso " Closely-Spaced End-Fire (W8JK) Array " che se non sbaglio viene poi proposto con diversi nomi di cui forse il piu' famoso e' "Lazy H" .

Il Libro e' : "Antennas  for All Applications" di J.Kraus e R.Marhefka - McGraw-Hill .

Lo suggerisco perche' dopo ogni spiegazione e tipo di antenna viene proposto un semplice esercizio pratico relativo che chiarisce ,con dovizia di disegni e di schemi , piu' di ogni spiegazione teorica .

Per il resto , giunti a questo punto , dopo un lungo e difficoltoso cammino , anche se tramite una serie di scorciatoie , non posso che augurarVi : 

"buona sperimentazione , buoni ascolti e buona trasmissione e soprattutto buon divertimento !"




2 commenti:

stef ha detto...

Ciao Claudio,
davvero una trattazione interessante e fuori dai classici schemi. Grazie per la Maxiwhip e per le ampie spiegazioni sul suo funzionamento.

73 de PR - iz1mll

Fiorenzo Repetto ha detto...

Grazie Claudio, sei stato un "GRANDE" con questa tua creatura, complimenti per le ottime spiegazioni con dettagli che non si trovano in nessun manuale.73

Fiorenzo

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