Tecnica

Cos'é un dipolo

Come si calcola un dipolo: la maggior parte dei testi riporta la seguente formula 142,5/Frequenza in MHz= lunghezza totale in metri. Da cosa proviene il numero 142,5? si parte dalla velocità delle onde radio, pari circa alla velocità della luce 300.000 Km/s, da cui si detrae una percentuale media ipotetica del 5% dovuta al rallentamento dovuto al transito nel conduttore (filo in rame o altro) che compone il dipolo, per cui 300.000-5% = 285.000 Km/s. La frequenza é considerata in Hz, quindi (prendiamo la banda dei 20 m.) 14.250 Hz, per semplificare si divide tutto per mille. Abbiamo così 285/14,25=20,00 m. questa è la lunghezza. Il dipolo di base è di 1/2 d'onda quindi (285/2 = 142,5. Siamo ora pronti a calcolare il dipolo: 142,5/14,25=10 m. totali . Sarà composto di due "bracci" da 1/4 d'onda (5m.)  -----------------o----------------- , la R (resistenza di radiazione) teorica sarà di  72 Ohm.
Naturalmente il calcolo è solo teorico perché non tiene conto di tante variabili che principalmente sono: altezza dal suolo e sua composizione, diametro del conduttore (trascurandone per ora la sua composizione). La sua radiazione nello spazio libero è questa.

Un approfondimento dei seguenti argomenti é necessario:
Onda Stazionaria
R.O.S. (o V.S.W.R.) = Rapporto Onde Stazionarie 
R = Resistenza Radiazione 
jX = Reattanza
D.R. = Diagramma di Radiazione 
F.R. = Frequenza Risonanza
dBi = decibel isotropico (ant. isotropica: non è possibile realizzarla fisicamente, si tratta solo di un modello matematico, dato che ha le dimensioni di un punto ed emette in modo identico in tutte le direzioni. Serve come riferimento per la misura del guadagno delle antenne.)
dBd = decibel dipolo (dBd = 2.14 dBi guadagno del dipolo sull'antenna isotropica)

Ora prendiamo la nostra antenna, lunga 10 m. teoricamente risuonante a 14,250 MHz fatta con un filo di rame finissimo da 0,2 mm di diametro, e sempre per ipotesi la mettiamo in uno "spazio libero" .... nel vuoto astrale. La testiamo ed avremo un ros a 75 ohm pari a 1:1,93 (R=83,91 jX=-52,18), controlliamo la risonanza e vedremo che non è a 14,250 ma a 14,655 MHz. A questa frequenza avrà un ros 1:1,2 (a 75 ohm con R=90,00 e jX=0,61), una larghezza di banda entro 1:1,5 di circa 470 KHz.
Proviamo ora ad aumentare la sezione del conduttore di 10 volte portandolo a 2 mm, la frequenza di risonanza è ora di 14,550 MHz ros di 1:1,02 la larghezza di banda a 1:1,5 circa 620KHz. Aumentiamo ancora la sezione del conduttore portandola  a 20 mm. (che si usi conduttore pieno o tubo non cambia interessa la "pelle" del conduttore), ora la risonanza sarà a 14,345 Mhz con un ros di 1:1,04 larghezza di banda 885 KHz. Aumentiamo ancora la sezione a 40 mm....... eccoci arrivati! Risonanza 14,250 (come da calcolo teorico) ros 1:1,04 (R=72,02 jX=-0,16) larghezza di banda 1015 KHz.
Da questa piccola prova ci accorgiamo che il "142,5" utilizzato come calcolo funziona solo se il diametro del conduttore è circa 1/500 della lunghezza d'onda in metri:
- che a diametri inferiori la frequenza di risonanza è più alta rispetto all'ipotesi,
- che la larghezza di banda aumenta in proporzione alla sezione del conduttore.
Proviamoci di nuovo con un conduttore in rame da 4 mm. di diametro (non mmq.), il 142,5 non era adatto che parametro usare? utilizzando i dati di cui sopra, dovremo allungare il conduttore del 2% circa rispetto al calcolo di base, per cui 10,00+2%(di10,00) = 10,20 metri. Anzi esattamente 10,18 m. dove la risonanza sarà esattamente 14,250 MHz, ros 1:1,03 (a 75 ohm) ed una larghezza di banda di 660 KHz. Ora ricalcoliamo l'antenna per risuonare a 14,175 (centro gamma esatto dei 20 metri) partiamo da 142,5+1,8% (conseguente al diametro del conduttore) = 145/14,175= 10,23. Con tale misura si avrà 1,03 di ros 75 ohm) ed una larghezza di banda di 660 KHz entro 1:1,5 di ros.
Bene, bene, bene, siamo capaci di calcolare un dipolo  ma ora  torniamo sulla terra ed a tutti i problemi relativi all'installazione delle antenne, e dopo aver collegato una cavo coassiale da 75 ohm e relativo generatore di R.F. poniamo la nostra antenna da 10.18 m., così ben calcolata, a 20 m. (circa 1 lunghezza d'onda) dal suolo e testiamola. Accidenti risuona più in alto a 14,270 MHz. Ora la portiamo ancora più in basso a 10 m. risuona ancora più in alto a 14,375. Ora a 5 m., dovrebbe ancora salire ed invece no, passa di colpo a  13,850 MHz.
Sotto i 5 m. (1/4 d'onda) succede che la R. cala drasticamente fino a raggiungere i 25 ohm a 2,5 metri da terra.
Da quì la necessità di tarare un dipolo nella posizione in cui sarà definitivamente installato.
Ma allora come si deve procedere? Per prima cosa bisogna considerare l'esatta posizione dove sarà installato il dipolo, la sua frequenza di risonanza, la larghezza di banda richiesta, la composizione del terreno ma sopratutto cosa desideriamo fare con questa antenna ovvero se ci accontentiamo di collegamenti a breve/media distanza o a medio/lunga o se possibile entrambe le opportunità.

Primo scenario: Frequenza operativa 80 metri, larghezza di banda la massima possibile col minimo ros , terreno vegetale con umidità media, altezza da terra 12 metri. 145/3,650= 39,72 m./2= 19,86 per "braccio", a causa di arrotondamenti e del calcolo che prevede l'installazionme in uno spazio "libero", la frequenza di risonanza sarà di 3,600 con un diametro del conduttore di 4 mm. Accorciamo un pò fino ad ottenere la risonanza a 3,650 per totali 39,12 m..
Ci troveremo con un R più bassa di 72 ohm teorici (la R diminuisce con l'avvicinarsi al suolo), circa 41 ohm buoni per alimentare il dipolo con cavo da 50ohm, avremo un ros di 1:1,2 a 3,650 MHz ma con ros alto 1:4 agli estremi della banda, un diagramma di radiazione con il massimo verso lo zenith(90°) +7.65 dBi (2,15dBi sull'isotropico +5,5 dBi per il Ground Gain), ancora decente a 40° con +5 dBi. Ottima per la chiaccherata con stazioni a breve distanza, buona per collegamenti a media distanza (area europea), pessima per le lunghe distanze. Inoltre la larghezza di banda utile a max 1:2 di ros è di soli 120 KHz. Niente cw, niente zona DX se non con accordatore e relative perdite. Vedi diagramma di radiazione.
A 20 m. da terra le cose migliorano di poco, l'impedenza ritorna a valori vicini a 72 ohm e la larghezza di banda a ros 1:2 diventa 240 KHz, l'angolo di radiazione rimane massimo a 90° ma tende a schiacciarsi. ma l'incremento d'altezza non ripaga dei risultati.
Vedi diagramma di radiazione.
Per avere delle buone performance sulla lunga distanza l'antenna dovrebbe essere ad almeno 1/2 onda dal suolo, circa 40 metri, dove l'antenna ha un guadagno di  7,5 dBi a 30° d'elevazione, ancora 5 dBi a 15° ma verso l'alto una forte attenuazione (gain -0,5 dBi a 60°) un ottima antenna per i DX,  da tararsi per il minimo ros a 3,750/3,790, pessima per la chiaccherata serale. N.B. Bidirezionale con dei bei vuoti sui fianchi di -10 dBi.
Vedi diagramma di radiazione.
Non avendosi la possibilità di porre un dipolo orizzontale a tale altezza e volendo fare ugualmente dei collegamenti a lunga distanza, anche in condizioni di propagazione non eccellente, bisognerà orientarsi su un differente tipo d'antenna.


Secondo scenario: Frequenza operativa 10 metri, larghezza di banda la massima possibile col minimo ros , terreno vegetale con umidità media, altezza da terra 10 metri. 145/28,500= 5,08m./2= 2,54 m. per "braccio" (calcolo sempre nel'ormai famoso "spazio libero". Avremo una frequenza di risonanza di 28,650, ros 1:1,03 (a 75 ohm) pari a 1:1,53 (a 50 ohm). Ritocchiamo l'antenna allungandola un pò fino alla risonanza a 28,500MHz  avremo un ros 1:1,04 (a 75 ohm) una larghezza di banda  molto ampia, oltre 1500KHz entro ros 1:1,5. Alimentata con cavo da 50 ohm avrà un ros di 1:1,54 ancora assolutamente accettabili ed una banda utile a 1:2 di ros di  oltre 1400KHz da 27,800 a 29,250MHz. La massima radiazione avrà un elevazione di 15° ed un guadagno nella bidirezione favorevole di 7,36dBi (2,15dBi sull'isotropico +5,21 dBi per il Ground Gain), l'attenuazione sui fianchi (nella direzione in cui il dipolo è legato) sara elevata circa 18dB. Vedi diagramma di radiazione a forma di cappello con un interessante secondo lobo a media elevazione utile per collegamenti in caso di "E sporadico" in ambito europeo.

Come si tara un dipolo: individuando il punto di minimo ros, se questo è più in alto (di frequenza) rispetto a quello voluto l'antenna è corta e va allungata, poco alla volta e di misura uguale ai due estremi, fino a raggiungere il miglior risultato. Viceversa se risuona più in basso va accorciata.Va tenuto presente che per variare la frequenza di risonanza di 100 KHz è necessario variare la misura (per ogni braccio) circa di:
10 m.    1,0cm.         40m.    14,00cm
15 m.    1,5cm.         80m.    43,00cm.
20 m.    4,0cm.       160m   220,00cm.
Dalla tabella si evince che la larghezza di banda, entro un ros contenuto, diminuisce con l'aumentare della lunghezza d'onda, diventando sempre meno influente il diametro del conduttore.

Se siete arrivati fino a quì vuol dire che siete motivati. E' stato pesante? Reggete ancora un po?
 
Vediamo ora l'influenza dell'altezza dal suolo sul diagramma di radiazione di un dipolo.
Generalmente si può dire che un dipolo più è installato in alto più ha un angolo di radiazione basso, sul piano verticale, quindi è più adatto a coprire maggiori distanze. Ciò risulta abbastanza facile per frequenze alte ma molto meno per le basse.
Ecco come irradia un dipolo polarizzato orizzontale, secondo la frequenza ad una data altezza dal suolo (escludendo la composizione del terreno):
- Dipolo 50 MHz a 2/5/10/20 metri dal suolo.
- Dipolo 28 MHz a 2/5/10/20 metri dal suolo.
- Dipolo 14 MHz a 2/5/10/20 metri dal suolo.

Per ora chiudiamo quì, ma il discorso sarebbe ancora lungo. Spero di non avervi annoiato troppo, grazie per l'attenzione.

73 de  Antonio IS0EBO

****** il seguente articolo è ancora in fase di edit, l' autore non me ne vorrà se i link ai diagrammi non sono ancora operativi :-) . *********