Progressi nello sviluppo della yefa: polarizzazione circolare e realizzazione meccanicamente più robusta. Le caratteristiche della yefa sono state mantenute ed è stata ottenuta la polarizzazione circolare con una singola alimentazione; la realizzazaione meccanica più robusta si presta ad antenne più lunghe.
Nel 2018 ho pubblicato i primi risultati sullo sviluppo delle yoctenna e yefa e su Dubus 4/2019 è apparso un articolo più accurato. La conclusione di quelle pubblicazioni indicava che mi sarei dedicato a ulteriori sviluppi in varie direzioni: sebbene la costruzione di un'antenna più lunga sia stato posticipata ho raggiunto due obbiettivi principali. Qui descriverò un modo di ottenere la polarizzazione circolare in una yefa molto corta e come costruirla in maniera meccanicamente robusta. Attualmente sto lavorando anche a una comprensione più profonda dei radiatori ad onda intera e del fenomeno "yocto" ma scriverò di questo nel (spero prossimo) futuro.
I libri di testo danno almeno tre modi di ottenere emissioni a polarizzazione circolare:
usando dipoli incrociati
con eliche assiali
usando circolatori
Le eliche sono incompatibili con gli array end-fire, i dipoli incrociati presentano alcuni problemi e i circolarizzatori sono proposti nei libri di testo spesso come curiosità: non ne ho mai visto uno per frequenze sotto il GHz.
L'altra domanda che mi sono posto è stata se una perfetta polarizzazione circolare sia veramente necessaria per l'usuale traffico via satellite o se una polarizzazione leggermente ellittica potesse essere sufficiente. Considerando che molte stazioni (amatoriali e professionali) usano la polarizzazione lineare anche con satelliti-non-sicuramente-stabilizzati, ottenendo -20...-30dB di attenuazione quando la polarizzazione è completamente in quadratura, la perdita di pochi dB dovuti ad una polarizzazione non perfettamente circolare potrebbe essere accettabile per utilizzare completamente un passaggio considerando un piccolo margine sul link-budget.
Studiare è il primo passo per trovare nuove soluzioni e anche rileggere la documentazione in proprio possesso aiuta.
Su un vecchio numero (4/91) di VHF Communications un interesante articolo a firma di DL8ZX intitolato Magnetically coupled Yagi antennas - ovelooked by Amateurs mi ha dato un'idea di come alimentare yagi e yefa. Sfortunatamente non sono stato in grado di simulare i risulati dichiarati dall'autore ma provare questo tipo di alimentazione mi ha dato l'opportunità di trovare un nuovo modo di progettare le yefa.
In pochissime parole l'idea presentata da DL8ZX era quella di usare un loop rettangolare con il lato corto parallelo ai dipoli e quello lungo parallelo al boom per eccitare "magneticamente" la yagi. Questo loop si estende dal DE fino al D1, approssimativamente. E secondo l'autore questa configurazione veniva impiegata nelle antenne a larga banda per la ricezione TV con buone prestazioni.
Ho provato qualcosa di simile e quello che ho ottenuto è riportato nella figura [1]; dimentichiamoci per un attimo il loop senza alimentazione, quello verticale. Questo modo di alimentare la yefa da grossomodo gli stessi risultati ottenuti con i dipoli o altre strutture che ho investigato. Il progetto riporatato nella figura [1] ha, comunque, alcune differenze e miglioramenti rispetto alla vecchia yefa a tre elementi che ho descritto altrove.
Dopo diverse antenne che ho solo simulate sono giunto ad un
progetto che merita la realizzazione: deriva dalla tre
elementi yefa432M3e-4
presentata in
yoctenna e yefa ma con diverse differenze in aggiunta a
quella di questo nuovo sistema di alimentazione.
I due dipoli che formano il D1 nella yefa432M3e-4
sono stati rimpiazzati da un nisl e il RE è stato fatto
con una strana geometria un po' difficile da costruire ma che
comporta un miglior rapporto F/R; questa era la forma delle
primissime yoctenna che avevo provato nel 2018.
L'idea ovvia, a questo punto, era di aggiungere un secondo loop di alimentazione ruotato di 90 gradi lungo il boom e di alimentarlo in quadratura di fase: il classico modo di ottenere la polarizzazione circolare. Meccanicamente può funzionare: i due loop non interferiscono, realizzazione pulita come una coppia di dipoli nelle crossed-yagi.
D'accordo, può funzionare ma... cosa succede se il secondo (chiamiamolo "quello verticale") loop non venga direttamente alimentato ma ricavi della potenza accoppiandosi con il primo (e questo sarà "quello orizzontale")? Due lati dei loop di alimentazione sono paralleli lungo il boom e quindi si accoppiano: regolando le distanze fra i due loop e le dimensioni di quello verticale ho trovato come sia possibile ottenere la giusta corrente che ci fluisce e nella giusta fase! Questo accade in una banda di frequenze limitata rispetto a quella nella quale una yefa equivalente presnta un RL≤-17dB ma anche ai margini della banda di quest'ultima il rapporto fra i due assi della polarizzazione rimane decente.
Il resto della yefa con i suoi elementi a loop supporta la polarizzazione circolare perfettamente e quindi una yefa a polarizzazione circolare (o ellittica) ha solo una piccola complicazione realizzativa.
Con queste considerazioni in mente e le prime prove effettuate non è stato così difficile ottenere buoni risultati con poche decine di simulazioni: quella che segue è la descrizione della struttura.
[comments]
3 elements yefa for 432MHz with loop feed and cp
[tags]
v0.11
[params]
# TODO
[etc]
ek 0
z0 200
f0 430e6
view_tetha 30.
view_phi 45.
view_zoom 2.
[structure]
# re
nisl 0.0 0.000 0.0 3.12e-3 0.240 0.210 0.150 nnnn 0 11
#de
nisl 0.0 0.230 0.0 3.12e-3 0.240 0.200 0.200 nnnn 0 11
looprect -0.000 +0.180 +0.070 rx 90.0 3.12e-3 120e-3 250e-3 1 50 15
looprect +0.060 +0.180 -0.000 rx 90.0 ry 90.0 3.12e-3 120e-3 240e-3 0 0 15
#d1
nisl 0.0 0.350 0.0 3.12e-3 0.160 0.130 0.130 nnnn 0 11
[excitation]
src 1 1. 0.
freq 370e6 470e6 10
# Al wire (all made by 10x2mm)
LD 5 0 0 0 3.5e7 0.0 0.0
[pattern]
standardE questi sono i risultati delle simulazioni utilizzando una reggetta di alluminio di 10x2mm di sezione, sebbene questo non porti a differenze sostanziali rispetto ad un conduttore perfetto. La resistività dell'alluminio non è stata usata nel calcolo di Tant e G/T.
Il termine AXIAL nella seguente tabella è il
rapporto (in dB) fra gli assi della polarizzazione ellittica
(la nuova versione del nec2op, vedi sotto, indica
con LIN quando questo valore va sotto i -20dB).
# freq Zre Zim SWR RL Gtmax (tetha, phi) Q MQM AXIAL Tant GT ( 60^)
370000000 172.67 40.09 1.30 -17.76 6.79 90 90 ## ## -17.14 151.9 -15.02
380000000 145.59 -26.56 1.42 -15.16 7.17 90 90 2.2 4.8 -10.79 116.8 -13.50
390000000 137.34 2.43 1.46 -14.62 7.42 90 90 3.6 8.2 -9.09 85.2 -11.89
400000000 159.24 29.43 1.32 -17.11 7.55 90 90 2.2 4.1 -6.99 61.7 -10.35
410000000 190.25 37.34 1.22 -20.14 7.61 90 90 0.2 0.2 -4.26 47.8 -9.18
420000000 212.77 30.60 1.17 -21.93 7.68 90 90 0.8 1.1 -2.00 41.1 -8.46
430000000 223.55 19.78 1.16 -22.79 7.78 90 90 1.0 1.3 -0.49 38.7 -8.09
440000000 224.67 10.23 1.13 -24.03 7.94 90 90 0.7 1.0 -0.61 39.3 -8.01
450000000 220.64 4.28 1.11 -26.00 8.19 90 90 1.3 1.6 -1.35 44.0 -8.24
460000000 205.94 -14.18 1.08 -28.44 8.28 90 90 ## ## -4.66 54.0 -9.04
Uno dei problemi della prima yefa era il balun, molto complesso da costrurire. È un progetto raffinato ma, oltre ad essere difficile da costrurire è anche difficile da integrare con l'antenna e renderlo a tenuta stagna.
Per queste prove ho deciso di usare un classico balun a λ/2 realizzato con cavi coassiali. Così facendo si perde la capacità di una regolazione fine dell'adattamento di impedenza e ogni non-idealità nell'antenna e nel balun peggiorano il RL. Comunque è stato ottenuto un return loss soddisfacente.
Questa non è la soluzione finale per questa parte e non merita di essere spiegata più nel dettaglio.
Nella prima yefa il boom era fatto da un tubo di PVC per scarichi che si sta già dimostrando invecchiato e indebolito dopo un anno sul tetto, come ci si poteva aspettare. Questa yefa ha il boom metallic e quindi si è reso necessario anche un diverso metodo di connessione degli elementi.
Come mostrato nelle figure [2] e [3] i due anelli quadrati di ciascun elemento sono stretti insieme da tre quadrelli di PVC; questi quadrelli sono uniti al boom utilizzando due viti M3. In futuro il PVC sarà sostituito con un materiale plastico migliore, probabilmente PP. Le due viti (con l'asse parallelo al boom) stringono insieme il quadrello principale (quello più lungo) con gli altri due. Per maggior robustezza questi quadrelli hanno delle fessure così che le reggette entrino 2mm all'interno del quadrello: il supporto non si indebolisce e il bloccaggio avviene non solo per la pressione fatta dalle viti. Il miglior modo di realizzare queste fessure consiste nel fresarli ma anche una accurata lavorazione con la lima può dare buoni risultati. Per il RE i tagli non sono perpendicolare e richiedono qualche attenzione in più.
La ben nota correzione per gli effetti del boom della quale si deve tener conto nelle yagi appare ininfluente qui perché la reggetta che costituisce gli elementi è molto distante dal boom. Dalle prove fatte sulle prime yefa non ci sono variazioni apprezzabili quando una separazione di 2-3 volte la dimensione trasversa del boom sia presente.
Non annoierò con disegni meccanici precisi, le figure [3], [4] e [2] danno una ragionevole idea di come costruire l'antenna. I risultati sono visibili nelle foto delle figure [3]. Viti ed altri particolari sono stati omessi; questa realizzazione è più complicata rispetto ad una yagi standard ma non difficile. Tutto può essere fatto con una modesta attrezzatura: gli unici pezzi che richiedono maggior sforzo sono i tagli nei quadrelli usati da supporto, come detto sopra. Questo progetto (e tutto quanto si basi sul concetto di yoctenna) non è molto sensibile alle misure, le tolleranze possono essere abbastanza alte, un millimetro non è un problema.
Gli elementi possono essere realizzati piegando la reggetta su una morsa da banco, è necessario un trapano e una buona abilità nel segnare fori, punti di piegatura e dimensioni, nient'altro.
La connessione del cavo coasssiale all'elemento di alimentazione è stata fatta con un piccolo circuito stampato ma questo può portare a capacità parassite ed altre non idealità che possono compromettere tutto il progetto, bisogna farci attenzione: una capacità parassita di 0.5pF a 435MHz vuol dire circa -j700Ω in parallelo ai 200Ω dell'impedenza dell'antenna: quindi fare attenzione!
Questa realizzazione di prova ha risolto diversi probblemi ma ne restano aperti altri. Le larghezze del fascio a -3dB sui piani E ed H sono approssimativamente uguali, la polarizzazione circolare è stata ottenuta e con un'alimentazione semplice e la larghezza di banda resta ed è facile da costruire.
Ma:
con questo balun non c'è un corto per la continua; usando una linea rastremata come nella prima yefa si risolverebbe questo problema a spese di una grande complessità
non è possibile avere una polarizzazione lineare e anche circolare semplicemente rimuovendo il loop verticale o aprendolo: l'antenna deve essere modificata in diverse dimensioni
questo è solo il nucleo centrale di una antenna lunga; è la parte "lunga" quella che dà la direttività e i bassi lobi secondari e che deve essere investigata e provata
la comprensione teorica di come quest'antenna funziona manca ancora di solide basi
Per tutti questi problemi irrisolti c'è bisogno di più idee!
Quest'antenna è stata progettata e costruita per verificare diversi aspetti, come sottolineato fin'ora, e le prove sul tetto sono state molto limitate. Una volta stimato che il guadagno non fosse così diffrente da quanto atteso, il RL fosse in buon accordo (si veda la figura seguente) con quanto simulato e la polarizzazione sia stata verificata non ci ho speso altro tempo. L'antenna è stata sul tetto per due settimana; ho ascoltato diversi beacon di satelliti con un livello molto costante durante l'intero passaggio, senza fluttuazioni. Ci ho fatto pochi qso dove 3-4dB in meno di guadagno si sono fatti sentire. Ora è tempo di costruire una yefa a polarizzazione circolare più lunga!
![[fig:meas20200226]yefa432M3e11 measurements (2020-02-260 in a
semi-outdoor location; spikes are due to interfeering
signal present at testing site](yefa432M3e11_meas_rl-20200226.png)
![[fig:meas20200226]yefa432M3e11 measurements
(2020-02-260 in a semi-outdoor location; spikes are due to
interfeering signal present at testing site](yefa432M3e11_meas_s11-20200226.png "fig:")
Nella prima versione del nec2g c'era un errore
stupido fra raggio e diametro: aggiornatelo dal
repo.
Anche il nec2op è stato aggiornato con i dati
sulla polarizzazione circolare e altre cose minori, disponibile
qui .
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