Tutorial in lingua italiana. Terza puntata.
Recentemente ho acquistato su Amazon una nuova antenna e ne ho anche pubblicato la recensione.
Le misure fatte con il nanoVNA hanno rivelato che questa antenna, o almeno l’esemplare in mio possesso, sembra essere caratterizzata da un’impedenza un po’ più bassa dei canonici 50 Ohm. Infatti a 869 MHz ho misurato, direttamente al bocchettone N dell’antenna
30.5 -j0 Ohms
Il che è, a dire il vero, piuttosto strano. Ma, spoiler, tornate a leggere il contributo sulla costruzione della collineare derivata da questa antenna perché ho fatto poi misure differenti.
Ho deciso comunque di tenere l’antenna per trasformarla in una collineare.
Userò questo progetto come traccia per illustrare alcune funzionalità avanzate di Eznec. Quindi preparatevi per qualche significativo mal di testa. Cominciamo.
Per prima cosa impostiamo su Eznec un dipolo verticale con le misure rilevate dall’antenna reale. Sarà quindi un radiatore lungo in totale 160mm per un diametro di 10mm.
Un veloce controllo ci dice che per un radiatore come questo Eznec prevede
impedenza uguale a 87.11 +J14.64
Non assomiglia per niente a quanto misurato con il nanoVNA. Come si spiega questa cosa?
Ebbene, si spiega in due modi, il primo dei quali del tutto plausibile, il secondo invece piuttosto insidioso, tricky si direbbe in Inglese.
Primo punto, l’antenna reale sta dentro ad un radome. I radome hanno la sgradevole caratteristica di rallentare la velocità di propagazione dell’onda e dunque incrementare la lunghezza elettrica dell’elemento. La conseguenza è l’abbassamento della frequenza di risonanza. Infatti Eznec con questi dati prevede un residuo di reattanza induttiva indicandoci che il radiatore va accorciato.
Andiamo a cercare la risonanza del nostro radiatore, ho trattato questa procedura per esteso nella seconda puntata del tutorial.
Con una lunghezza totale di 153.3 mm il radiatore è risonante e l’impedenza è quella prevista per un dipolo 1/2 onda, attorno ai 75 OHm.
Il ROS è 1.506 tenetelo bene in mente.
Questo tuttavia ci lascia con in mano la patata bollente della misurazione fatta con il nanoVNA, che ha letto invece 30.5 OHm.
Ora, se guardiamo alla foto dell’antenna smontata, si nota il tubicino più sottile che entra nell’elemento inferiore dello sleeve dipole. Questo tubicino altro non è che un cavo coassiale di cui in realtà non conosciamo per certo impedenza caratteristica e velocity factor. Per misurarle dovremmo rompere l’antenna, quindi azzardiamo l’ipotesi che l’impedenza caratteristica sia 50 OHm. In realtà per la simulazione con Eznec il velocity factor non ci è strettamente necessario, ma parliamo un momento anche di questo.
Cosa è il velocity factor di una linea di trasmissione, nel nostro caso dunque di un cavo coassiale? E’ il rapporto fra la lunghezza elettrica e la lunghezza fisica, e dipende in larga parte dal materiale che isola la calza dal connettore centrale. E’ noto per esempio che il velocity factor del coax RG-213 è 66% mentre quello di un cavo con isolamento in foam sarà poco meno dell’80%.
Il nostro tubicino di raccordo è lungo 180mm. Facciamo 190mm con la parte pertinente al connettore N. Sarebbe interessante se la sua lunghezza elettrica non fosse tanto distante da 3/4 lambda. Ho parlato dei trasformatori di impedenza lambda/4 nella seconda puntata del tutorial.
A 869 MHz abbiamo una lunghezza d’onda elettrica di 345mm, quindi 3/4 lambda sono 259mm. Se prendiamo alla lettera questi numeri possiamo calcolare 190/259 == 0.733 che come speed factor per un cavo rigido isolato in polietilene non è neppure troppo improbabile. Ma, come premesso, in realtà non ci servono dei numeri a questo livello di accuratezza, quindi fine dell’excursus.
Vediamo cosa ci dice Eznec se proviamo a interporre una linea di trasmissione con impedenza caratteristica di 50 OHm per 270° elettrici. Andiamo su Trans Lines e inseriamo questi dati.
V1 è un wire virtuale e ci servirà per attestare la source. Insomma, riassumendo
Adesso abbiamo 33.2 Ohm che non sono davvero distanti da quanto letto con il nanoVNA. Considerando che i dati della linea di trasmissione sono per forza di cose approssimativi, e considerando che non possiamo realmente simulare il radome, direi che non è un cattivo risultato.
Considerazione a latere, il ROS segna 1.506 che è esattamente lo stesso valore che avevamo prima, a confermare la regola aurea che afferma che interporre una lunghezza di linea con impedenza caratteristica uguale a quella del trasmettitore potrà forse cambiare l’impedenza letta ma non cambia il ROS.
Per completare il ragionamento sulle linee di trasmissione, vi allego la tabella delle impedenze previste da Eznec per lunghezze elettriche della linea comprese fra 180 e 370 gradi.
- 180° impedenza 75 -j00 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 190° impedenza 72 -j10 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 200° impedenza 65 -j17 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 210° impedenza 57 -j20 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 220° impedenza 49 -j20 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 230° impedenza 43 -j18 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 240° impedenza 38 -j14 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 250° impedenza 35 -j09 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 260° impedenza 34 -j05 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 270° impedenza 33 -j00 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 280° impedenza 34 -j04 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 290° impedenza 36 +j09 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 300° impedenza 38 +j14 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 310° impedenza 43 +j18 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 320° impedenza 49 +j20 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 330° impedenza 57 +j21 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 340° impedenza 65 +j18 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 350° impedenza 73 +j10 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 360° impedenza 75 +j00 SWR (50 ohm system) = 1,506
- 370° impedenza 72 -j10 SWR (50 ohm system) = 1,506
Notate l’alternanza delle reattanze capacitive e induttive.
Questo significa, in buona sostanza, che aggiungendo un pigtail o comunque uno spezzone di cavo al nostro sistema è certo che il nanoVNA leggerà lo stesso valore di ROS ma è altrettanto certo che leggerà un diverso valore di impedenza. Perchè l’impedenza nativa reale del radiatore è quella di un dipolo, attorno ai 75 Ohm, ma noi non ci possiamo attaccare direttamente ai capi del dipolo, sono nascosti all’interno dello sleeve, abbiamo bisogno di una linea, e questa linea ci porterà a leggere una differente impedenza a meno che non sia lunga esattamente un numero pari di 1/4 lambda elettrici.
Seconda parte.
Bene, adesso che abbiamo un modello apparentemente affidabile dell’antenna di base, andiamo ad aggiungere gli elementi successivi, per modellare la collineare, iniziando dalla bobina di sfasamento.
Ricordiamo infatti che gli elementi radiatori in configurazione collineare devono essere sfasati di 180° elettrici per ottenere il voluto guadagno. I dettagli li potete trovare leggendo i due contributi sulle collineari già pubblicati.
Andiamo su Wires – Create – Helix e proviamo a inserire questi dati.
Ho usato un filo di rame da 2mm avvolto su un supporto da 10mm, quindi il diametro della bobina è 11mm. Poi ho spaziato le spire per ottenere un’altezza totale di circa 80mm. Biffate Extend ends e nell’ultima riga inserite la quota Z che nel nostro caso sono 153.3 mm.
Premetto che questa parte della simulazione sarà utile per avere un’idea di massima della bobina, che andrà però rifinita misurando con il nanoVNA a radome inserito. Mi spiace ma non è realmente possibile arrivare a valori certi con Eznec viste le variabili in gioco nell’avvolgimento reale della bobina e la presenza del radome.
Diamo invio e purtroppo compare l’indicazione di un grave errore nella impostazione del modello.
Questo errore è dovuto alla spropositata differenza fra il diametro del dipolo, 10mm, e il diametro del filo usato per la bobina. Per venirne a capo ricalcoliamo il dipolo base come se fosse costruito anche esso con conduttore da 2mm. Abbiamo già visto che il modello è affidabile e ricalcolarlo per 2mm non ci cambierà la vita.
Quindi diametro 2mm e lunghezza totale 161 mm. Sbarazziamoci anche, per il momento, del trasformatore lambda/4, perchè questo ci creerebbe una inversione delle reattanze rendendo meno intuitivo l’approccio per gradi alla definizione delle spire della bobina.
Quindi Trans Lines e
inseriamo 180° rendendo la linea di trasmissione un trasformatore piatto. Una linea lunga un numero pari di 1/4 lambda elettrici farà comparire in uscita esattamente la stessa impedenza presente in entrata. Questo è fondamentale quando è necessario fare delle misure ma non si può accedere realmente al punto di misura.
Ora torniamo alla nostra bobina, ricordandoci di modificare la quota Z con il nuovo valore di 161.
Diamo invio e stavolta la bobina viene creata senza errori.
L’impedenza è
induttiva quindi la bobina è lunga. Per inciso se avessimo lasciato attiva la linea di trasmissione 3/4 lambda avremmo avuto viceversa reattanza capacitiva, cosa che probabilmente avrebbe creato qualche grattacapo.
Non vi voglio far morire matti, quindi vi do subito il valore corretto della bobina, che è di 7,65 spire. Naturalmente io l’ho trovato per tentativi. E’ fondamentale arrivare a una bobina che non ci lasci residui di reattanza perché questo ci garantisce un reale sfasamento di 180°.
Quindi facciamo Undo create helix e riproviamo con 7,65 spire
Adesso va bene. Andiamo ad aggiungere il radiatore 1/2 lambda in testa alla bobina.
Mettiamo subito 11 segmenti oppure sul warning facciamo Auto Seg Conservative chiedendo a Eznec di calcolarsi da solo il numero di segmenti opportuno.
Src Dat mostra che siamo corti
Per farla breve, mettiamo la quota Z dell’ultimo wire a 421 mm.
Adesso è il momento di riattivare la linea di trasmissione 3/4 lambda
Controlliamo l’impedenza
Siamo tornati a 30 OHm ma, come già ho cercato di spiegare, questa lettura, se confermata dal nanoVNA, dipende dalla presenza di una linea di trasmissione della quale non ci possiamo fisicamente sbarazzare. La nostra collineare avrà comunque un ROS stimato di circa 1.65
Non resta che esaminare il diagramma di radiazione previsto da Eznec per questa antenna.
Bene, per ora basta, cercherò di pubblicare quanto prima il resoconto della effettiva costruzione della collineare.
Anzi, eccolo già pronto
Buon divertimento.
Paolo