Negli ultimi due anni ho sviluppato un radiatore confrontabile con un dipolo e un array end-fire ad un solo elemento attivo di prestazioni interessanti, non solo per la larghezza di banda in senso classico ma anche per il mantenimento delle prestazioni su un ampio intervallo di frequenze; così come per una elevata tolleranza alle imperfezioni realizzative
Tutto è nato nel tentativo di realizzare una semplice antenna per la banda dei 23cm che fosse facile da alimentare con il classico balun 1:4 realizzato tramite una linea in lambda/2. L'idea di base era un loop di perimetro di circa 1 lambda e il tentativo per abbassare l'impedenza a 200ohm è stato quello di avvicinargli un altro loop, concentrico, sperando di avere lo stesso effetto del primo direttore delle yagi ma mantenendo un diagramma di radiazione simile ad un loop ad onda intera, simile a quello di un dipolo. In effetti oltre a questo sono venute fuori delle caratteristiche interessanti: la prima cosa che mi ha colpito è stato l'intervallo estremamente ampio di frequenze per le quali l'impedenza si manteneva quasi puramente reale e quindi sono andato avanti...
Il primo progetto (del 29/01/2017) è stato dettato
più dal desiderio di studio che non da una realizzazione
pratica.
La geometria era stata il risultato di una serie di modifiche un po'
"a tentoni" con l'alimentazione su un lato e una asimmetria necessaria
a far tornare le cose ma i risultati riportati nelle figure
seguenti parlavano da soli.
Il dubbio maggiore era se le simulazioni stessero dicendo il vero: stavo utilizzando il nec2 in una condizione nota per poter avere dei problemi, ovvero i conduttori piegati a 90°. Pertanto dopo un po' di giorni di simulazioni il risultato è stata una riduzione delle asimmetrie meccaniche che, però, non dava ancora dei diagrammi di radiazione soddisfacenti pur mantenendo le altre prestazioni confrontabili alla precedente.
Dopo altro studio il risultato è stato una struttura simmetrica in tutto e il progetto (denominato yoctenna_1250MHz-1 del 09/07/2017) è riportato di seguito insieme ad una foto dell'antenna realizzata.
Le sue prestazioni -rilevate in laboratorio e non in una camera
anecoica- hanno fatto ben sperare che una realizzazione
piè accurata desse un buon accordo con le simulazioni.
Per confronto di seguito è riportato il comportamento in
frequenza di una ground-plane di riferimento tagliata sulla
stessa frequenza
La realizzazione di questo prototipo di laboratorio è stata
particolarmente difficile (soprattutto a causa delle connessioni fra
loop esterno e interno ai vertici) e si è mostrato il problema
della costruzione meccanica di qualcosa di stabile e utilizzabile nelle
installazioni pratiche.
Da notare che in questa prima realizzazione è stato
abbandonato il proposito di avere l'alimentazione direttamente sul
loop e il doppio anello è diventato una sorta di elemento
parassita del dipolo che è rimasto l'elemento
alimentato. Ciò nonostante le caratteristiche di impedenza e di
radiazione sono rimaste quelle trovate nei primissimi progetti.
Contemporaneamente a questa attività è stata fatta una revisione di materiale relativo ad antenne che potevano essere simili a questi tentativi; inoltre sono stati presi in considerazione tutti gli articoli pubblicati su Dubus relativi ad antenne direttive per impieghi spaziali, quindi con un diagramma di radiazione particolarmente pulito per rendersi conto dello stato dell'arte e delle idee circolate negli ultimi dieci anni circa.
Il primo progetto di questo radiatore è riportato nelle figure precedenti: il modello con le schede GW del nec2 (vedi oltre) ha 8 punti principali, stavo lavorando in directory temporanee e non sapevo come chiamare questo studio. Per una serie di associazioni mentali di quei giorni mi ricordai che yocto è il prefisso che vale 1E-24 e deriva da "octo", per otto. Da cui il nome "yoctenna" e quindi "yefa" che sta per Yoctenna End Fire Array.
Andando avanti nella progettazione è sorto il problema dell'utilizzo diretto delle schede del nec2 con una geometria così complessa: il singolo elemento composto di otto GW si presenta come:
GW 1 11 +0.045 +0 +0.045 -0.045 +0 +0.045 +0.0011
GW 2 11 -0.045 +0 +0.045 -0.045 +0 -0.045 +0.0011
GW 3 11 -0.045 +0 -0.045 +0.045 +0 -0.045 +0.0011
GW 4 11 +0.045 +0 -0.045 +0.045 +0 +0.045 +0.0011
GW 5 11 +0.043 +0 +0.043 +0 +0 +0.031 +0.0011
GW 6 11 +0 +0 +0.031 -0.043 +0 +0.043 +0.0011
GW 7 11 -0.043 +0 +0.043 -0.031 +0 +0 +0.0011
GW 8 11 -0.031 +0 +0 -0.043 +0 -0.043 +0.0011
GW 9 11 -0.043 +0 -0.043 +0 +0 -0.031 +0.0011
GW 10 11 +0 +0 -0.031 +0.043 +0 -0.043 +0.0011
GW 11 11 +0.043 +0 -0.043 +0.031 +0 +0 +0.0011
GW 12 11 +0.031 +0 +0 +0.043 +0 +0.043 +0.0011
GW 13 1 +0.045 +0 +0.045 +0.043 +0 +0.043 +0.0011
GW 14 1 -0.045 +0 +0.045 -0.043 +0 +0.043 +0.0011
GW 15 1 -0.045 +0 -0.045 -0.043 +0 -0.043 +0.0011
GW 16 1 +0.045 +0 -0.045 +0.043 +0 -0.043 +0.0011
E alterare la dimensione di uno dei due loop di pochi millimetri per
vedere l'effetto in una nuova simulazione può richiedere
divrso tempo e condurre a sviste.
Pertanto, sia per velocizzare la procedura di studio, ma soprattutto
per concentrarsi sulla comprensione dei fenomeni è stato
realizzato un pre-processore al nec2 che accetta un file che
descriva delle macro-strutture e le converta in un file .nec.
Questo preprocessore è stato chiamato nec2g (generatore di
file per nec2) e accetta dei file in formato .n2s, inventato per
l'occasione, che si presenta così per la yoctenna_1250MHz-1:
[comments]
basic yoctenna (nisl+dipole)
[tags]
v0.1
[etc]
ek 0
z0 200
f0 1250e6
view_tetha 30.
view_phi 45.
view_zoom 2.
[structure]
nisl 0. 0.0 0. 1.1e-3 0.090 0.086 0.062 yyyy 0 11
dipole 0. -0.003 0. ax 1.1e-3 0.093 1 50 11
[excitation]
src 1 1. 0.
freq 950e6 1750e6 20
[pattern]
standard
Fondamentali sono le parole chiave nel campo [structure] (il resto
è abbastanza intuitivo): dipole è un singolo dipolo in
questo caso posizionato nel punto x=0.0, y=-0.003 e z=0.0 (tutto
espresso in metri) e disposto lungo l'asse x ("ax") di diametro
1.1mm (non è il raggio come nel nec2, molto controintuitivo
per i tecnici...), avente lunghezza 0.093m e alimentazione al 50%
della sua estensione dalla sorgente 1 (vedi campo [excitation]),
infine la sua segmentazione è in 11 parti.
Per quanto riguarda il doppio loop che è la base dell'idea di
yoctenna viene usata la parola chiave "nisl": nested interconnectable
square loop per la quale valgono gli stessi campi per la posizione e
il diametro del filo, dopo seguono il lato dei due loop e per terza
dimensione la distanza fra i quattro punti a meta` lato del loop
interno (caratteristica questa non utilizzata in seguito per
difficolta realizzative). Le quattro "yyyy" significano che i quattro
vertici sono interconnessi; gli ultimi due campi stanno a significare
che il loop non è alimentato ("0") e che ciascun lato verra`
suddiviso in 11 segmenti.
(È possibile ruotare tutti gli elementi su ciascun asse di
un angolo dato.)
In questo modo studio, progettazione e messa a punto risultano molto
più semplici, rapidi e comprensibili.
Rigaurdo al simulatore -avendo avuto sempre come linea guida quella di
utilizzare solo sw libero (nel senso della gnu/gpl o equivalneti)-
l'unica scelta possibile è il nec2; in particolare è
stata utilizzata la versione nec2c di 5B4AZ.
Anche per la visualizzazione dei dati in uscita il nec2 è
piuttosto difficoltoso e i visualizzatori come l'xnecview non sono
sufficienti per tutti gli scopi.
Pertanto è stato realizzato anche un post-processore
chiamato nec2op orientato soprattutto ad antenne direttive e per
impieghi spaziali; riferirsi al repository per la relativa
documentazione.
Queste utilità per il nec2 sono rilasciate sotto licenza
gnu/gpl v3 o successive e sono reperibili
su
gitlab.com/radioteknos/nec2g e
gitlab.com/radioteknos/nec2op o richiedendole direttamente
all'autore. Sono scritte in python e quindi si prestano ad essere
eseguite su una molteplicità di sistemi operativi.
L'attività di sviluppo di questa antenna ha richiesto molte prove ed effettuarle nella banda dei 23cm avrebbe avuto il vantaggio di poter considerare come sostanzialmente anecoico un locale abbastanza ampio; però l'attrezzatura (e l'esperienza) era meglio disponible per frequenze più basse e quindi tutta la progettazione si è concentrata sulla banda dei 70cm e infine su quella dei 2m.
Quindi per andare oltre l'esperienza della yoctenna_1250MHz-1 il passaggio è stato verso un'antenna simile ma per le frequenze della banda dei 70cm. Nel frattempo era stata acquisita una certa familiarità con la struttura, il suo comportamento in base alle dimensioni e una certa conoscenza della distribuzione delle correnti sui varî elementi grazie anche alle capacità di visualizzazione dell'xnecview.
La simulazione di questa nuova antenna, descritta dal seguente file n2s:
[comments]
basic yoctenna (nisl+dipole) for 432MHz using 10x2mm Al (eq. dia 6.23mm)
[tags]
v1.0
[etc]
ek 0
z0 200
f0 430e6
view_tetha 30.
view_phi 45.
view_zoom 2.
[structure]
nisl 0. 0.0 0. 6.23e-3 0.250 0.220 0.220 nnnn 0 11
dipole 0. -0.012 0. ax 6.23e-3 0.245 1 50 11
[excitation]
src 1 1. 0.
freq 350e6 550e6 20
[pattern]
standard
mostra dei risultati sorprendenti dopo la post-processazione con il nec2op:
# freq Zre Zim SWR RL Gtmax (tetha, phi) Q MQM Tant GT ( 0^) Tant GT ( 30^)
350000000 53.34 41.21 3.92 -4.53 4.76 90 270 ## ## 230.9 -18.87 218.3 -18.63
360000000 98.60 60.08 2.26 -8.25 4.43 90 270 2.0 14.0 226.1 -19.11 214.1 -18.88
370000000 141.19 59.21 1.64 -12.36 4.27 90 270 0.8 2.4 221.8 -19.19 210.1 -18.95
380000000 172.33 45.40 1.33 -16.97 4.17 90 270 1.6 3.0 217.8 -19.21 206.5 -18.98
390000000 190.36 28.04 1.16 -22.41 4.12 90 270 1.6 2.2 214.2 -19.19 203.2 -18.96
400000000 198.89 13.17 1.07 -29.60 4.08 90 270 1.3 1.4 210.9 -19.16 200.1 -18.93
410000000 202.25 2.73 1.02 -41.12 4.06 90 270 0.8 0.9 207.8 -19.12 197.3 -18.89
420000000 203.50 -3.59 1.03 -38.11 4.05 90 270 0.5 0.5 205.0 -19.07 194.7 -18.84
430000000 204.35 -6.78 1.04 -34.02 4.04 90 270 0.2 0.2 202.4 -19.02 192.2 -18.80
440000000 205.64 -7.81 1.05 -32.49 4.05 90 270 0.0 0.0 200.0 -18.96 190.0 -18.74
450000000 207.71 -7.48 1.05 -31.58 4.06 90 270 0.1 0.1 197.8 -18.90 187.9 -18.68
460000000 210.67 -6.40 1.06 -30.37 4.07 90 270 0.2 0.2 195.8 -18.85 185.9 -18.62
470000000 214.51 -5.01 1.08 -28.63 4.09 90 270 0.2 0.2 193.9 -18.79 184.1 -18.56
480000000 219.14 -3.62 1.10 -26.66 4.11 90 270 0.1 0.2 192.1 -18.73 182.4 -18.50
490000000 224.46 -2.50 1.12 -24.74 4.13 90 270 0.1 0.1 190.5 -18.67 180.8 -18.44
500000000 230.36 -1.82 1.15 -23.02 4.16 90 270 0.0 0.1 189.0 -18.60 179.3 -18.38
510000000 236.69 -1.73 1.18 -21.50 4.19 90 270 0.0 0.0 187.6 -18.54 177.9 -18.31
520000000 243.33 -2.33 1.22 -20.19 4.22 90 270 0.1 0.2 186.2 -18.48 176.5 -18.25
530000000 250.13 -3.69 1.25 -19.04 4.25 90 270 0.2 0.3 185.0 -18.42 175.3 -18.19
540000000 256.94 -5.85 1.29 -18.04 4.29 90 270 ## ## 183.9 -18.36 174.1 -18.12
Accettando un Return Loss di -17dB (SWR &le 1.3:1) l'antenna può essere utilizzata da 380MHz fino ad oltre 540MHz con prestazioni quasi costanti. Nei grafici sottostanti si vede il comportamento della parte immaginaria dell'impedenza che ha un flesso di estensione in frequenza notevole e la parte reale che resta intorno ai 200ohm per un'estensione simile!
E questa può essere una validazione del modello e
dell'idea sia qualitativa che quantitativa. Si tenga conto anche
che la prova è stata fatta in una stanza di circa
12m2 aperta da un solo lato e con la yoctenna posta
su un cavalletto di legno a circa 1.2m di altezza dal
pavimento. Il RL inferiore a -20dB risente molto della posizione,
sopra i -20dB non cambia mantenendosi approssimativamente nel
centro della stanza.
Appena possibile verranno effettuate delle prove in una camera
anecoica, sebbene non ci sia da aspettarsi grandi differenze.
Una piccola nota riguardo alla realizzazione: invece di utilizzare i classici tubi o tondini a sezione circolare è stata preferita una piattina di alluminio 10x2mm facile da lavorare soprattutto dovendo realizzare degli anelli quadrati. Il nec2 considera soltanto fili di sezione circolare, per questo sono stati sfruttati i diamtri equivalenti come riportato nell'articolo di K3WQ (vedi bibliografia) che hanno dato una grande accuratezza di risultati in tutte le verifiche fra simulazioni e realizzazioni.
A questo punto della sperimentazione è stato chiaro che il
radiatore così fatto presentava delle caratteristiche
innovative e magari degli impieghi interessanti.
Ma la curiosità maggiore era, comunque, quella riguardo alla
possibilità di utilizzarlo in un array end-fire ad un solo
elemento pilotato, qualcosa di simule ad una yagi,
concettualmente. E quindi lo sviluppo della yoctenna è stato
interrotto in favore di quello della yefa: yoctenna end fire array.
Un'ultima nota prima di passare alla yefa, però.
Se realizzare un'antenna con prestazioni spinte può essere
impegnativo, alimentarla lo è sicuramente di più.
La yoctenna, ricordo, è nata (per sbaglio?) volendo
ottenere un'antenna semplice e che avesse una impedenza di
200ohm così da poterla alimentare con un semplice balun
in lambda/2.
Ma ora quel balun non avrebbe più la necessaria larghezza
di banda.
Quindi uno dei problemi che si è messo nel mezzo nella
realizzazione della yoctenna prima e della yefa poi, è
stato proprio quello di trovare un modo di realizzare un balun a
larga banda.
Lo spunto è venuto da una tesi (riportata in appendice)
che rispolverava un metodo che poi non è difficile trovare
su varî testi: il Krauss "Antennas" è fra questi
(sempre in appendice).
Nella tesi di Vinayagamoorthy, però, si utilizza un
sistema di rastremazione del balun realizzato su circuito
stampato rendendo necessarie delle piste di pochi decimi di
millimetro: inadeguate a portare potenze anche irrisorie.
Pertanto è stato realizzato un balun a larga banda
tridimensionale che ha portato via molto tempo e che non merita
di essere descritto qui; sarà oggetto di una ulteriore
pubblicazione sebbene gli ultimi sviluppi della yefa portino ad
abbandonare questa soluzione in favore di altre più
pratiche, semplici da realizzare ed efficienti, oltre che
più eleganti, si veda oltre.
La yoctenna descritta sopra non esiste più: ne erano stati realizzati due esemplari per la caratterizzazione con il metodo della doppia antenna. Sempre in laboratorio e non in una camera anecoica i risultati di questa misura sono stati entro ± 1dB da quanto atteso.
I due elementi costituenti questa yoctenna sono stati subito sfruttati per costruire una yefa a tre elementi: modificando il dipolo e sfruttando i due nisl (vedi la descrizione nel paragrafo dedicato al nec2g) sono stati realizzati l'elemento attivo e il riflettore. Per il primo direttore i tentativi iniziali di utilizzare un altro nisl sono stati infruttuosi: i risultati delle simulazioni erano pessimi; ancora non avevo compreso quali dovessero essere dimensioni e posizioni di questo nuovo tipo di elementi.
Quando si voglia progettare una yagi è naturale partire
dai progetti ben noti sviluppati da tanti che si sono cimentati
nell'opera nelle ultime decadi: farei un torto a qualcun se
tentassi di citarne solo quella parte che mi viene in mente.
Il problema è che quei progetti, quelle regole di
rastremazione delle lunghezze dei dipoli delle yagi e della
distribuzione delle posizioni lungo il boom non hanno dato
(fin'ora) i notevoli risultati riscontrati nelle yagi.
Pertanto la prima yefa è nata con un doppio dipolo come primo direttore, ecco il progetto, le simulazioni e i risultati ottenuti con quella che ha preso il nome di yefa432M3e-4.
[comments]
3 elements yefa for 432MHz
[tags]
v0.2
[etc]
ek 0
z0 150
f0 430e6
view_tetha 30.
view_phi 45.
view_zoom 2.
[structure]
# re
nisl 0.0 0.035 0.0 6.23e-3 0.250 0.220 0.220 nnnn 0 11
#de
dipole 0.0 +0.255 0.0 ax 6.23e-3 0.275 1 50 11
nisl 0.0 0.23 0.0 6.23e-3 0.250 0.220 0.220 nnnn 0 11
#d1
dipole 0.0 +0.360 -0.050 ax 6.23e-3 0.220 0 0 11
dipole 0.0 +0.360 +0.050 ax 6.23e-3 0.220 0 0 11
[excitation]
src 1 1. 0.
freq 350e6 550e6 20
[pattern]
standard
Anche per questo progetto è stato utilizzato un balun a larga banda come quello accennato sopra e che -oltre che da balun- si è comportato egregiamente da adattatore di impedenza rendendo ancora migliore e più ampio il campo delle frequenze sulle quali questa antenna si comporta in maniera soddisfacente. Qui l'impdenza caratteristica dell'antenna è di 150ohm e l'adattamento migliore di 17dB come RL si ha fra circa 400MHz e 480MHz: ovviamente c'è stata una riduzione di banda ma sia il guadagno che la pulizia quanto a lobi secondari (e se si vuole alla temperatura di antenna benché abbia poco senso parlarne per un'antenna di dimensioni così modeste) sono pressoché costanti su tutta la banda.
# freq Zre Zim SWR RL Gtmax (tetha, phi) Q MQM Tant GT ( 0^) Tant GT ( 30^)
350000000 15.70 -5.54 9.57 -1.82 7.44 90 90 ## ## 238.9 -16.34 180.2 -15.12
360000000 74.31 15.99 2.05 -9.27 8.13 90 90 0.9 5.0 233.1 -15.55 140.9 -13.36
370000000 93.23 -0.82 1.61 -12.64 8.35 90 90 1.6 4.6 227.9 -15.23 119.1 -12.41
380000000 98.56 1.00 1.52 -13.68 8.38 90 90 0.8 1.9 223.3 -15.11 108.2 -11.96
390000000 108.56 7.29 1.39 -15.77 8.33 90 90 0.9 1.9 219.1 -15.08 103.0 -11.80
400000000 121.42 10.97 1.25 -18.96 8.27 90 90 0.3 0.5 215.4 -15.06 100.4 -11.75
410000000 133.79 10.21 1.14 -23.42 8.21 90 90 0.4 0.5 212.1 -15.06 99.1 -11.75
420000000 142.69 5.81 1.07 -29.92 8.17 90 90 0.7 0.8 209.1 -15.03 98.4 -11.76
430000000 146.49 0.12 1.02 -38.53 8.15 90 90 0.7 0.8 206.5 -15.00 97.9 -11.76
440000000 145.31 -4.20 1.04 -33.42 8.14 90 90 0.4 0.4 204.1 -14.96 97.6 -11.75
450000000 140.52 -5.23 1.08 -28.57 8.16 90 90 0.2 0.2 201.9 -14.89 97.3 -11.72
460000000 133.92 -2.16 1.12 -24.86 8.19 90 90 0.9 1.1 200.0 -14.82 97.2 -11.69
470000000 127.04 5.04 1.19 -21.43 8.24 90 90 1.7 2.4 198.2 -14.73 97.5 -11.65
480000000 120.98 16.01 1.28 -18.27 8.28 90 90 2.6 4.3 196.7 -14.66 98.2 -11.64
490000000 116.51 30.33 1.41 -15.47 8.32 90 90 3.4 7.2 195.2 -14.58 99.5 -11.66
500000000 114.20 47.68 1.57 -13.07 8.34 90 90 4.3 11.7 193.9 -14.53 101.9 -11.74
510000000 114.60 67.87 1.78 -11.05 8.32 90 90 5.0 18.7 192.6 -14.53 105.6 -11.91
520000000 118.40 90.78 2.03 -9.39 8.25 90 90 5.6 29.4 191.3 -14.57 110.8 -12.20
530000000 126.58 116.28 2.31 -8.06 8.10 90 90 5.9 44.1 190.0 -14.69 117.9 -12.62
540000000 140.53 143.98 2.60 -7.03 7.85 90 90 ## ## 188.5 -14.90 126.8 -13.18
La yefa posizionata fuori di finestra è stata utilizzata per una veloce prova in aria come antenna di uplink sul trasponder lineare di uno dei satelliti XW-2* con ottimi risultati, per quanto poco possa valere questa prova.
Dopo questa antenna ne sono state progettate varie altre di dimensioni maggiori nel tentativo di poterle confrontare con altre di lunghezza simile a quelle presentate nella tabella mantenuta da VE7BQH ; la loro realizzazione ha però presentato molti problemi ed è stata abbandonata in favore di antenne più piccole come descritto nel paragrafo seguente.
Visto che da troppi anni la mia stazione di IK5NAX era ridotta ad un parco antenne composto da una J-Pole per i 2m e 70cm e poc'altro per utilizzo in portatile, lo studio delle yefa è stato addomesticato alla rimessa in funzione della stazione per i satelliti VHF/UHF nonché per altre attività nelle stesse bande. Pertanto -dopo il ripristino di tutto il sistema di rotore e altre opere edili annesse- lo studio è stato rivolto ad antenne lunghe circa 1m per le bande dei 2m e 70cm con lo scopo di verificare idee elettriche e meccaniche in vista di realizzazioni più impegnative.
Per i 70cm, dopo molti calcoli, prove e simulazioni, il progetto
più adatto ad essere realizzato affidabilmente e in grado
di verificare molti aspetti radioelettrici e meccanici è
apparso quello di una yefa concettualmente simile alla
precedentemente mostrata yefa432M3e-4 ma con 5 elementi per una
lunghezza totale di 700m: 1 lambda esatto.
Si tratta ancora di un'antenna con un dipolo come elemento
alimentato e un nisl come parassita del dipolo, completano la
struttura un riflettore e tre direttori, come mostrato dai file
relativi che seguono.
[comments]
5 elements yefa for 432MHz
[tags]
v0.1
[etc]
ek 0
z0 100
f0 430e6
view_tetha 0.
view_phi 90.
view_zoom 2.
[structure]
# re
nisl 0.0 0.000 0.0 6.23e-3 0.260 0.230 0.230 nnnn 0 11
#de
nisl 0.0 0.200 0.0 6.23e-3 0.260 0.230 0.230 nnnn 0 11
dipole 0.0 0.235 0.0 ax 6.23e-3 0.287 1 50 11
#d1
nisl 0.0 0.280 0.0 6.23e-3 0.160 0.130 0.130 nnnn 0 11
#d2
nisl 0.0 0.520 0.0 6.23e-3 0.160 0.130 0.130 nnnn 0 11
#d3
nisl 0.0 0.700 0.0 6.23e-3 0.160 0.130 0.130 nnnn 0 11
[excitation]
src 1 1. 0.
freq 380e6 480e6 10
[pattern]
standard
I risultati delle simulazioni, riportati di seguito, mostrano
inevitabilmente che delle prestazioni accettabili sono ottenibili
su una banda sempre più stretta all'aumentare della
lunghezza dell'antenna ma che il F/B, la Tant e più
in generale la "pulizia" dei lobi si ha su un intervallo di
frequenze sempre maggiore di quello ottenibile con una yagi.
# freq Zre Zim SWR RL Gtmax (tetha, phi) Q MQM Tant GT ( 0^) Tant GT ( 30^)
380000000 65.56 -6.52 1.54 -13.49 9.42 90 90 ## ## 225.7 -14.12 95.3 -10.37
390000000 79.51 1.52 1.26 -18.83 9.47 90 90 1.2 2.0 221.9 -13.99 92.5 -10.19
400000000 92.78 3.36 1.09 -27.68 9.56 90 90 0.1 0.1 218.5 -13.83 90.4 -10.00
410000000 101.18 0.44 1.01 -44.06 9.70 90 90 0.7 0.7 215.6 -13.64 88.5 -9.77
420000000 102.94 -2.94 1.04 -33.76 9.90 90 90 0.4 0.4 213.1 -13.39 86.6 -9.47
430000000 100.13 -3.11 1.03 -36.17 10.17 90 90 0.3 0.4 211.1 -13.07 84.4 -9.10
440000000 96.28 0.04 1.04 -34.44 10.51 90 90 0.6 0.7 209.4 -12.70 82.2 -8.64
450000000 92.33 2.24 1.09 -27.63 10.95 90 90 0.2 0.2 208.2 -12.24 79.5 -8.06
460000000 77.44 -1.52 1.29 -17.90 11.54 90 90 2.6 4.6 207.3 -11.63 76.2 -7.28
470000000 33.70 16.64 3.06 -5.89 12.38 90 90 ## ## 206.3 -10.76 74.7 -6.35
Dall'analisi della struttura si vede -ed eseguendo molte simulazioni questo è ancor più evidente- come le dimensioni dei singoli elementi non siano affatto critiche tanto che in questo progetto i cinque nisl sono due di una dimensione e tre di un'altra.
Le misure su un'antenna più estesa della precedente e senza voler utilizzare una camera anecoica sono state piuttosto approssimative e non merita che vengano riproposte qui (anche perché prima dell'installazione mi sono scordato di fare delle foto...): qualitativamente hanno mostrato lo stesso buon accordo con le simulazioni della precendente yefa per i 432MHz mostrata sopra.
Per i 2m è stata realizzata un'antenna ancora più
modesta: lunga solo 0.5 lambda però, così come la
yefa432M5e-1 è stata progettata per dare il massimo delle
prestazioni fra 432MHz e 435MHz ma poter dare dei risultati
accettabili anche nella banda 400-402MHz (radiosonde, ad
esempio), quella per i 2m è stata pensata con l'idea di
poterla utilizzare anche nella banda dei satelliti meteo intorno
ai 137MHz.
Ma in definitiva quest'antenna aveva due scopi principali:
Segue la presentazione del progetto e dei risultati delle simulazioni.
[comments]
same as yefa144M3e-3 but with insulated wire (d=1.76, D=3.5mm
er=3.3, so d=1.65 and L=100nH/m)
[tags]
v0.3a
[etc]
ek 0
z0 100
f0 145e6
view_tetha 0.
view_phi 90.
view_zoom 2.
[structure]
# re
cfnrl 0.0 -0.650 0.0 insu 2e-3 3.2 1e-3 2.20 1.0 2.40 1.0 0.015 0 15
# de
cfnrl 0.0 0.0 0.0 insu 2e-3 3.2 1e-3 2.02 1.0 2.30 1.05 0.015 1 15
# d1
cfnrl 0.0 0.340 0.0 insu 2e-3 3.2 1e-3 1.90 1.0 2.40 1.0 0.015 0 15
[excitation]
src 1 1. 0.
freq 135e6 155e6 10
[pattern]
standard
Una ulteriore complicazione di questa antenna riguarda la realizzazione con filo da impianti elettrici isolato: senza entrare nei particolari, visto che il nec2 non prevede la modellazione di dielettrici è stata applicata una semplice correzione sfruttando il caricamento dei fili con componenti R, L, C previsto dal nec2 e una variazione del diametro; i risultati sono in ottimo accordo con le misure.
Come si pu&o notare dal listato precedente in questa antenna non c'è più un dipolo alimentato ed un nisl a fungere da parassita ma un nuovo elemento chiamato cfnrl (center feed nested rhombic loop) che ha integrato un balun (auto-balun o balun naturale). In pratica, come si può osservare dalla prima foto riportata sotto, la calza del cavo coassiale inizia nella posizione più in basso del loop interno e prosegue fino al vertice più in alto; qui il cavo coassiale termina e l'altra metà del loop è costituita da filo comune. Quindi l'alimentazione del loop avviene in corrispondenza del vertice superiore: per simmetria il vertice inferiore sarà a potenziale nullo e il cavo coassiale potrà "uscire" da quel punto. In effetti il cavo coassiale è suddiviso in due pezzi: dal vertice in alto partono 410mm di RG59 (75ohm) che realizzano un adattotore di impedenza fra i 100ohm dell'antenna e i 50ohm del sistema e del sottostante RG58. In questo modo è stato realizzato un sistema che fa da balun, adattotore di impedenza e parte di elemento. Devo ancora rimettere in ordine il materiale relativo a questa progettazione e quanto prima fornirò maggiori particolari: è uno degli aspetti sui quali sto attualmente studiando.
# freq Zre Zim SWR RL Gtmax (tetha, phi) Q MQM Tant GT ( 0^) Tant GT ( 30^)
135000000 65.39 -68.66 2.50 -7.34 6.25 90 90 ## ## 744.6 -22.47 613.8 -21.63
137000000 73.05 -45.49 1.84 -10.59 6.73 90 90 10.3 41.6 723.3 -21.86 552.7 -20.69
139000000 84.92 -24.99 1.37 -16.11 7.03 90 90 7.1 14.1 702.8 -21.44 505.6 -20.01
141000000 98.47 -11.07 1.12 -25.00 7.22 90 90 3.7 4.7 683.8 -21.13 470.7 -19.51
143000000 107.61 -5.01 1.09 -27.15 7.41 90 90 1.6 1.9 666.8 -20.83 444.4 -19.07
145000000 106.11 -1.96 1.06 -30.14 7.63 90 90 2.1 2.4 652.4 -20.51 423.5 -18.64
147000000 93.88 6.77 1.10 -26.55 7.91 90 90 5.7 7.0 640.2 -20.15 406.1 -18.18
149000000 76.92 26.42 1.49 -14.15 8.24 90 90 12.2 29.2 630.3 -19.76 392.7 -17.70
151000000 61.36 56.80 2.34 -7.92 8.55 90 90 20.9 163.1 621.4 -19.38 387.5 -17.33
153000000 50.63 95.59 4.04 -4.39 8.67 90 90 ## ## 610.9 -19.19 399.0 -17.34
Inutile dire che in questo caso più che mai le misure sono state difficilissime e potenzialmente affette da errori notevoli; nonostante questo nell'ultima immagine compare un misura di RL dignitosa, effettuata con l'antenna subito fuori dalla terrazza con il puntamento verso il terreno che dista circa 10m. Si nota soltanto uno spostamento della frequenza di qualche MHz verso il basso dovuto, molto probabilmente, al fatto che i fili sono difficoltosi da mettere in tensione (soprattutto con un supporto di pvc così leggero) e quindi devono esser stati tagliati leggermente pi&u lunghi.
Nonostante un'analisi teorica non sia stata fatta (le mie nozioni di elettromagnetismo applicato sono un po' arrugginite...) pare di capire almeno questo:
Oltre a provare queste idee sulla banda dei 23cm i prossimi passi su questo lavoro vorrebbero essere:
Ho sviluppato quest'antenna in estrema solitudine soprattutto perché non credevo a quanto vedevo via via e volevo avere delle prove tangibili. Da qualche giorno la stazione per i satelliti in VHF e UHF è nuovamente operativa dopo oltre 10 anni di inattività con le due yefa descritte nel paragrafo precedenti e che si vedono nella foto di apertura di questa pagina.
A questo punto mi sento di proporla come una strada innovativa
per la realizzazione di antenne direttive e sarò grato a
chiunque mi voglia inviare commenti, critiche, suggerimenti e
magari riscontri avendo provato a riprodurre questi progetti.
Dal canto mio mi dedicherò a prove in aria e verifiche
strumentali di quanto realizzatio fin'ora in modo da ampliare le
conoscenze su questa idea e capire se possa essere veramente
interessante dal punto di vista tecnologico.
Ho scritto questa pagina molto velocemente e quindi è probabile che vi siano errori, sviste, leggerezze e mancanze: vogliatemeli segnalare e chiedetemi le spiegazioni e le informazioni mancanti o non chiare.
Tutto il materiale contenuto in questo scritto, l'idea e i progetti
qui esposti con il nome di yoctenna e yefa, così come i loro
stessi nomi sono rilasciati secondo i termini della CERN Open
Hardware License o sotto la GNU/GPL license v3 o successive, a
seconda della rilevanza del materiale.
L'autore e`:
Lapo Pieri
via delle Ortensie, 22
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T. 055 706881 - 329 2599801