Antenne Yagi accoppiate per VHF e UHF

Questo articolo è orientato principalmente alle esigenze dei radioamatori VHF che hanno bisogno di un sistema d'antenna più grande e potente per le operazioni DX terrestri e per i modi operativi speciali come EME e MS. Se siete alle prime armi e avete già acquisito un po' di esperienza in VHF/UHF, per il momento potete ottenere buoni risultati anche con due sole Yagi a 7 elementi accoppiate verticalmente.

Qual è il vantaggio di accoppiare le antenne VHF verticalmente, orizzontalmente o verticalmente e orizzontalmente in un gruppo? L'accoppiamento viene utilizzato come metodo per ottenere un maggiore guadagno dell'antenna in una direzione preferita. Lasciamo che Martin Steyer, DK7ZB, dica la sua su questa questione. Alla fine degli anni '90 ha pubblicato un articolo di facile comprensione su questo argomento [1]. Leggete la versione modificata per scoprire quali sono le possibilità di aumentare il guadagno di un sistema d'antenna tramite l'accoppiamento e quali sforzi sono necessari per farlo.

Qui potete trovare l'articolo di Martin Steyer, DK7ZB, che ci è stato gentilmente messo a disposizione dalla rivista specializzata "Funkamateur":

Fonte di riferimento:

[1] Steyer, M., DK7ZB: Sticking of VHF Yagi antennas, FUNKAMATEUR 46 (1997), H. 5, pp. 602-605

Dallo standard alle sfide

Il sistema con 16 antenne è diventata lo standard tra i radioamatori. È l'antenna direzionale più frequentemente costruita e utilizzata nella banda dei 2 metri. Le antenne a gruppi di 12, 24, 32 o addirittura 48 elementi sono raramente utilizzate. All'aumentare del numero di elementi, il rapporto tra spesa di materiale e prestazioni diventa sempre più sfavorevole e aumentano anche i problemi meccanici. Le antenne più grandi hanno un elevato carico di vento e richiedono una grande capacità di carico del palo dell'antenna, del tubo di sostegno, del telaio di supporto e del rotore. Nella realizzazione pratica sorgono le seguenti domande: Qual è la distanza corretta di posizionamento e come si collegano correttamente le singole antenne?

Il dilemma della spaziatura dei supporti

La questione della corretta distanza tra gli elementi non può essere risolta senza ulteriori precisazioni. La corretta distanza può essere determinata solo in singoli casi e per applicazioni definite. Fondamentalmente, esistono due diversi casi limite, sia per due antenne che per un grande array di antenne. Per un guadagno di accoppiamento massimo possibile di circa 3 dB, la distanza richiesta è relativamente grande. Inoltre, rispetto a una singola antenna Yagi, si formano sempre più lobi laterali e nulli nel pattern direzionale verticale. Un'ampia distanza tra gli elementi complica anche la progettazione meccanica. Sebbene una spaziatura significativamente più piccola porti a una soppressione ottimale dei lobi laterali, il guadagno massimo ottenibile si riduce a 1,5-1,8 dB. Utilizzando l'esempio di due Yagi a 7 elementi accoppiate verticalmente per la banda dei 2 m, il dilemma delle diverse distanze di stacking diventa chiaro in tre casi di studio. Le Yagi hanno ciascuna una lunghezza del boom di 3,0 m e un guadagno di 10,5 dBd.

Caso 1:

• Distanza di accoppiamento: 3,12 m
• Guadagno risultante: 13,9 dBd
• Lobi laterali: +/- 30 gradi intorno alla direzione del fascio principale
• Lobi laterali soppressi: -8 dB

Caso 2:

• Distanza di accoppiamento: 2,46 m
• Guadagno risultante: 13,5 dBd
• Attenuazione dei lobi laterali >12,5 dB

Caso 3:

• Distanza di accoppiamento 1,14 m
• Guadagno risultante: 12,0 dBd
• Attenuazione dei lobi laterali: -40 dB

Se si confrontano questi tre casi di studio, ci si chiede se valga la pena di fare tutto questo sforzo per questa differenza marginale di guadagno.

Meccanica e fisica nella costruzione delle antenne

Per motivi meccanici, si è propensi a favorire l'interconnessione verticale. Ad esempio, quattro antenne sovrapposte sono di gran lunga migliori, nella pratica, di quattro antenne in una disposizione ad H, i cui problemi meccanici possono diventare rapidamente così grandi che questa forma di costruzione non può più essere realizzata nemmeno con antenne di lunghezza pari a 1,5 ʎ. Oltre alla complicata costruzione della croce ad H, anche l'elevato momento d'inerzia può rappresentare un problema. Ecco una breve digressione nella fisica: durante il movimento rotatorio, il momento d'inerzia è legato alla coppia nello stesso modo in cui la massa è legata alla forza del movimento rotatorio lineare. Il momento d'inerzia delle superfici aumenta con la distanza della massa da portare in movimento rotatorio dal centro di rotazione o dall'asse di rotazione. Ciò significa che le antenne decentrate (anche simmetricamente) hanno un momento d'inerzia molto maggiore rispetto alle antenne sovrapposte il cui centro di gravità coincide con il centro di rotazione. All'inizio sembra complicato, ma un esempio concreto tratto dalla pratica lo rende più chiaro:

Avete mai provato a girare a mano un grande gruppo di Yagi in configurazione a H durante una attivazione portatile? Allora saprete che, a differenza di un gruppo di antenne sovrapposte, si tratta di un lavoro pesante. Con la struttura a sbalzo di un gruppo H, ci vuole molto più tempo per mettere in movimento la massa e reagire rapidamente ai cambiamenti nell'allineamento dell'antenna. Il rotore è soggetto a forze torsionali (torsione in senso longitudinale) molto più elevate durante l'accelerazione e la frenata. Di conseguenza, anche il rotore deve essere progettato "con una taglia in più". Questi sono tutti motivi a favore di una realizzazione esclusivamente verticale.

Perché il supporto verticale è la scelta migliore

• L'accoppiamento verticale determina un lobo direzionale orizzontale più ampio e un diagramma verticale più stretto.
• L'accoppiamento orizzontale determina un lobo direzionale verticale più ampio e un diagramma orizzontale più stretto.

Cavo coassiale vs. linea bifilare

Nella maggior parte dei casi, l'accoppiamento RF viene effettuato utilizzando trasformatori a quarto d'onda. In questa sede verrà discussa solo la tecnica coassiale, anche se non è necessariamente consigliabile utilizzare i cavi coassiali come linee di collegamento quando si interconnettono gruppi molto grandi con antenne lunghe. Nella loro interezza, infatti, possono raggiungere rapidamente una lunghezza di diversi metri con una corrispondente attenuazione aggiuntiva. Inoltre, i cavi a bassa attenuazione sono pesanti e aggiungono una massa considerevole. Per questi motivi, gli specialisti dei grandi sistemi EME utilizzano linee bifilari autocostruite, molto più leggere e con una minore attenuazione. Tuttavia, bisogna essere preparati a un aumento dell'ROS in condizioni di umidità e non funzionerà affatto in presenza di ghiaccio o brina.

La tecnologia della distribuzione efficiente della potenza

Gli accoppiatori coassiali, noti anche come accoppiatori da 3 dB o splitter da -3 dB, dividono equamente (50%) la potenza inviata alle due antenne mantenendo inalterata l'impedenza. Sfruttano il fatto che l'impedenza caratteristica delle linee coassiali dipende dal rapporto tra il diametro del conduttore interno e quello esterno. Anche le proprietà del dielettrico, in questo caso l'aria, svolgono un ruolo importante. In sostanza, la forma della sezione trasversale dei conduttori è arbitraria, per cui la sezione trasversale del conduttore esterno può essere quadrata anche se il conduttore interno è rotondo. Il vantaggio è che le prese a flangia coassiali possono essere facilmente avvitate, cosa che non è altrettanto facile con i conduttori con esterno rotondo. Il rapporto D/d, diametro esterno (D) e diametro interno (d), determina l'impedenza caratteristica Z del dispositivo.

Dagli accoppiatori a 4 vie industriali alle soluzioni coassiali fai da te

Gli accoppiatori a 4 vie di produzione industriale progettati per la banda dei 70 cm o dei 23 cm sono piuttosto compatti. Di norma, tuttavia, i cavi coassiali sono più utilizzati per gruppi di due o quattro nella banda dei 2 m e dei 70 cm, che si traducono in una meccanica piuttosto semplice. Anche DK7ZB preferisce gli adattamenti via cavo, almeno per i 144 MHz, a causa della lunghezza ingombrante delle costruzioni coassiali a 4 vie. Un po' di matematica e gli standard per i cavi disponibili in commercio consentono di realizzare soluzioni estremamente economiche nella costruzione fai-da-te.

Stubbing verticale di due antenne

Nel punto di collegamento deve essere presente un'impedenza di 100 Ω su ciascuna delle due linee che partono dalle antenne, in modo da creare l'impedenza di 50 Ω richiesta per il cavo coassiale irradiante quando è collegato in parallelo. A tal fine, l'impedenza caratteristica del cavo di trasformazione viene calcolata in base alla relazione $Z=\sqrt{Za*Ze}$ a 70,7 Ω.

Un'impedenza caratteristica di 70 Ω risulta quindi una scelta perfetta. Tuttavia, oggi è difficile reperire tali cavi coassiali, che non vengono più prodotti. Se si accetta un ROS leggermente superiore, pari a 1,13, è possibile utilizzare cavi da 75 Ω. La lunghezza deve essere un multiplo dispari di ʎ/4 per soddisfare la condizione di trasformazione. Occorre inoltre tenere conto del fattore di accorciamento, che varia a seconda del dielettrico. Per i cavi in polietilene solido, V = 0,667, mentre per i cavi ad alto contenuto d'aria (H500, H100, Aircom, ecc.) è più alto, di solito tra 0,78 e 0,85. È quindi necessario rispettare le specifiche del produttore. Per questi motivi, nella pratica si utilizzano cavi di lunghezza pari a 5 ʎ/4, 7 ʎ/4 o 9 ʎ/4, a seconda della distanza di stacking.

Per il cablaggio, è importante che i cavi di collegamento siano più corti possibile e che nel calcolo della lunghezza si tenga conto dei connettori (con la lunghezza di struttura esterna dei connettori eventualmente utilizzati). In ogni caso, la larghezza di banda utilizzabile supera i limiti della banda di 2 m o 70 cm, per cui il dimensionamento per il centro della banda è del tutto sufficiente.

Cablaggio preciso e meccanica accurata

Un altro punto importante merita attenzione: le antenne devono essere disposte in modo tale che tutti gli elementi radianti siano alimentati in fase. Ciò significa che le linee gamma, i conduttori interni dei cavi balun a mezz'onda e i cavi coassiali per l'alimentazione del DK7ZB devono trovarsi sullo stesso lato (e in basso) di tutte le antenne. I connettori non sono utili per la banda dei 2 m se è possibile ottenere connessioni a saldare pulite per i cavi di adattamento. Per i 70 cm, gli elementi di trasformazione dei cavi potrebbero avere perdite aggiuntive leggermente superiori, ma comunque accettabili. Per i 23 cm sono consigliati solo i connettori coassiali.

In linea di principio, i valori teorici del guadagno sono sempre superiori a quelli effettivamente raggiunti, perché i cavi, i connettori e i cavi di collegamento con giunzioni saldate comportano sempre perdite inevitabili. Occorre quindi prestare particolare attenzione a queste ultime. Per quanto riguarda la meccanica dei punti di connessione dei tubi in una giunzione ad H, è possibile evitare costi elevati costruendola da soli. Dopo l'assemblaggio finale, è necessario garantire un'ulteriore protezione dalla corrosione spruzzando più volte dello spray plastico.

Esempio estremo: antenna EME di DL7APV

Sistema di antenna composta da 128 x 11 elementi Yagi per 432 MHz. Angolo di apertura orizzontale 1,8°, verticale 3,8°, guadagno 33,6 dBd.

www.dl7apv.de

Foto: Bernd Wilde, DL7APV (†)

Yagis per le esigenze più elevate

Prima di tutto, dovete pensare a quali antenne Yagi volete usare per costruire il vostro array di antenne. Le Yagi WiMo secondo DK7ZB sono basate su una scelta tecnologica elettrica e meccanica senza compromessi e provengono dalla nostra produzione "Made in Germany". I principi di progettazione di queste Yagi sono il massimo guadagno possibile con un'elevata larghezza di banda, una buona caratteristica sui sidelobe e di Return Loss. Le Yagi sono progettate per un flusso di corrente ottimizzato. Ciò si traduce in un numero minimo di elementi necessari, perché il guadagno dell'antenna dipende dalla lunghezza dell'antenna, non dal numero di elementi!

Per evitare perdite per effetto pelle, vengono utilizzati solo elementi con un diametro di 8 mm in una lega di alluminio altamente conduttiva. Questo è un buon compromesso tra le perdite elettriche minime e il possibile carico del vento. Con elementi in acciaio, si perderebbero più di 0,5 dB di guadagno a causa della minore conduttività. Gli elementi sono fissati in modo di ottenere una stabilità a lungo termine utilizzando supporti in poliammide resistenti ai raggi UV, che non presentano variazioni dei dati elettrici anche dopo anni. Il montaggio diretto sul tubo del boom con clip di fissaggio in metallo è associato all'ossidazione nei punti di contatto e porta a una graduale variazione dei dati dell'antenna. L'elemento radiante di una Yagi di questo tipo è sempre un dipolo ripiegato con un balun in teflon, in un contenitore per dipoli resistente alle intemperie, saldata a freddo e riempita con schiuma. Il collegamento avviene tramite prese N.

La struttura leggera incontra le prestazioni elevate

Le Yagi Flexa sono state sviluppate e prodotte dall'ufficio tecnico RS in Germania per oltre 30 anni. La progettazione di queste antenne Yagi segue un approccio leggermente diverso. Il principio di ottimizzazione secondo DL6WU consente di ottenere dati eccellenti per quanto riguarda il guadagno, il diagramma, l'accoppiamento, la larghezza di banda e le basse perdite, evitando correnti di elemento estremamente elevate. Grazie all'utilizzo di elementi sottili in acciaio inox, le Yagi Flexa sono caratterizzate da un peso particolarmente ridotto. Questo a sua volta depone a favore del loro utilizzo nelle antenne phased array. Il balun è montato esternamente come bypass a mezz'onda da un cavo coassiale in teflon.

Accoppiamento di impedenza quasi privo di perdite

Per collegare due o quattro antenne identiche è possibile utilizzare un cosiddetto accoppiatore di adattamento coassiale o uno splitter di potenza (splitter -3dB). Questo trasforma l'impedenza caratteristica dai 12,5 Ω o 25 Ω delle antenne collegate in parallelo ai 50 Ω richiesti, praticamente senza perdite. Al di sopra dei 70 cm, si dovrebbero sempre utilizzare sistemi di sintonia per questo compito. Nella banda dei 2 m e dei 70 cm, è possibile lavorare anche con le linee di fase. È possibile scegliere gli accessori giusti per tutte le bande radioamatoriali (VHF, UHF, SHF) e una potenza di trasmissione massima di 2000 W da un'ampia gamma di sistemi di accoppiamento e cavi di fase già pronti.

Controllo dell'antenna per grandi gruppi di antenne

Per le attività amatoriali terrestri convenzionali, è necessario un rotore azimutale con il quale è possibile coprire 360° sul piano orizzontale. Per i modi operativi speciali come EME, MS e Aurora, è necessario un rotore di elevazione aggiuntivo per poter allineare l'antenna verticalmente fino a 90°. Soprattutto se si vuole spostare un grande gruppo di antenne, la capacità di carico e il momento di torsione e flettente di un rotore d'antenna sono criteri importanti. Non solo il rotore stesso deve essere di "grosso calibro", ma difficilmente funzionerà senza un cuscinetto reggispinta. Le forze laterali possono essere assorbite solo con un cuscinetto reggispinta aggiuntivo nel punto superiore. Ciò aumenta lo sforzo meccanico e sono necessari componenti aggiuntivi per questo cuscinetto: un tubo di sostegno o anche un traliccio più piccolo, nonché una piattaforma per il fissaggio di questo. Per ulteriori informazioni su questi aspetti, consultare la nostra "Guida ai rotori d'antenna".

Materiali di montaggio essenziali per gli array di antenne

L'elenco dei materiali di montaggio non pretende di essere esaustivo. Ecco i "piccoli oggetti" più importanti che probabilmente sono necessari per la costruzione di ogni sistema di antenne:

Morsetti a croce e piastre a croce, staffe di montaggio, cavallotti, morsetti doppi, morsetti per tubi, chiusure (contro morsetti), morsetti per tubi stativi, morsetti di rinforzo, tubi in alluminio, tubi in acciaio, tubi in PRFV, tappi per pali, supporti per pali, basi per pali e morsetti per basi per pali, semigusci e manicotti di fissaggio per tubi in PRFV, nonché supporti per elementi in plastica per tubi tondi o profili rettangolari. Molti dei prodotti metallici sono disponibili in acciaio zincato o inossidabile.

Pianificare e realizzare ora

Se i vostri piani per la costruzione di un array di antenne sono completamente sviluppati e la decisione di realizzare questo ampio progetto di costruzione di antenne è stata presa - allora lasciatevi consigliare! Il team WiMo sarà lieto di ascoltare i vostri desideri e le vostre idee. Vi auguriamo un grande successo nella costruzione della vostra antenna!

Luglio 2024, Alfred Klüß, DF2BC