Consigli pratici per la misurazione dell’impedenza delle antenne con il nanoVNA. Il fenomeno dell’inversione della reattanza.
Come è ben spiegato in questo
video di IW2FND, in particolare dal minuto 10:10 in avanti, la posizione migliore per calibrare e connettere il nanoVNA all’antenna da testare sarebbe il cosiddetto GAP. Semplificando un po’ le cose1, si tratta quasi sempre della posizione in cui sull’antenna si innesta la linea di trasmissione. Tuttavia, nel mondo reale, troppo spesso l’unica scelta che abbiamo è quella di misurare a valle di una qualche lunghezza di cavo coassiale.
Mi spiego con qualche esempio.
Qualche giorno fa mi si è rotta una di queste antennine.
Come si può vedere all’interno dello sleeve corre un coassiale che altro non è se non una linea di trasmissione.
Linea di cui non conosciamo realmente le caratteristiche a meno che non si vada a demolire l’antenna e a misurare la lunghezza elettrica del cavetto2.
Anche questa tipologia di antenne contiene al suo interno una linea di trasmissione
Si tratta del tubicino in ottone di piccolo diametro che si va ad infilare all’interno dello sleeve.
Che dire di una yagi o di qualche altro genere di antenna direttiva?
Anche in questo caso non sarebbe veramente immaginabile connettere il nanoVNA direttamente all’antenna, ma almeno in astratto ora saremmo in grado di calibrare a valle di uno spezzone di misura. Almeno in astratto, perché a quasi 1 GHz di frequenza anche un eventuale connettore saldato ai capi di alimentazione dell’antenna potrebbe finire per avere una lunghezza elettrica non del tutto ininfluente3.
Quindi siamo disarmati e condannati a fare misurazioni prive di significato? Beh non siamo del tutto disarmati, a patto di poter contare sul fatto che tutte le linee di trasmissione che abbiamo considerato negli esempi abbiano impedenza caratteristica uguale ai fatidici 50 Ohm. Cosa sulla quale non metterei la mano sul fuoco, ma facciamo una professione di fede e proseguiamo. E a patto di comprendere un po’ meglio cosa stiamo facendo.
Una linea di trasmissione con impedenza caratteristica uguale a quella del nostro strumento di misura, quindi 50 Ohm, non altererà i valori del ROS riportati dallo strumento, a meno che non sia di lunghezza tale da introdurre perdite catastrofiche, nel qual caso come ben noto il ROS letto dallo strumento sembrerà migliore di quello esistente in realtà.
Ma ho parlato di ROS, e questa affermazione, pur vera, contiene al suo interno una certa dose di veleno del quale spesso non si conosce l’antidoto.
Infatti, se è vero che la lettura del ROS non cambierà, non è affatto vero che rimarrà invariata la lettura dell’impedenza complessa dell’antenna. A meno che la linea di trasmissione non sia lunga esattamente un numero pari di lambda/4 elettrici, cioè un multiplo esatto di lambda/2.
Vediamo un caso stimato con Eznec che tratta di un dipolo con impedenza di radiazione uguale a
Impedance = 68,13 – J 11,73 ohms
Noi sappiamo che la lettura reale è capacitiva e che perciò il dipolo andrebbe allungato, anche perché l’abbiamo fatto apposta di tenerci corti, ma vediamo la simulazione.
Ecco dunque la tabella delle impedenze previste da Eznec per lunghezze elettriche della linea comprese fra 180 e 360 gradi.
Ricordiamo che la linea ha un’impedenza caratteristica di 50 Omh.
- 180° Impedance = 68,13 – J 11,73 ohms SWR = 1,445
- 190° Impedance = 61,51 – J 16,99 ohms SWR = 1,445
- 200° Impedance = 54,18 – J 18,8 ohms SWR = 1,445
- 210° Impedance = 47,61 – J 17,89 ohms SWR = 1,445
- 220° Impedance = 42,38 – J 15,23 ohms SWR = 1,445
- 230° Impedance = 38,58 – J 11,56 ohms SWR = 1,445
- 240° Impedance = 36,11 – J 7,354 ohms SWR = 1,445
- 250° Impedance = 34,83 – J 2,898 ohms SWR = 1,445
- 260° Impedance = 34,68 + J 1,641 ohms SWR = 1,445
- 270° Impedance = 35,64 + J 6,135 ohms SWR = 1,445
- 280° Impedance = 37,76 + J 10,43 ohms SWR = 1,445
- 290° Impedance = 41,18 + J 14,29 ohms SWR = 1,445
- 300° Impedance = 46,01 + J 17,29 ohms SWR = 1,445
- 310° Impedance = 52,25 + J 18,78 ohms SWR = 1,445
- 320° Impedance = 59,47 + J 17,82 ohms SWR = 1,445
- 330° Impedance = 66,48 + J 13,54 ohms SWR = 1,445
- 340° Impedance = 71,28 + J 5,93 ohms SWR = 1,445
- 350° Impedance = 71,93 – J 3,404 ohms SWR = 1,445
- 360° Impedance = 68,13 – J 11,73 ohms SWR = 1,445
Noterete che il valore del ROS è costante ma che abbiamo una lettura di 68.13 -j11.73 solamente in corrispondenza di 180° e di 360°. Gli altri valori di resistenza e reattanza sono differenti.
E allora, dove sta il veleno? Ebbene, fate caso alla lettura delle resistenze e delle reattanze. Abbiamo una palese alternanza di reattanze capacitive e reattanze induttive. Le resistenze passano da valori inferiori a 50 Ohm a valori superiori a 50 Ohm.
Riferendoci per semplicità alle sole reattanze, normalmente siamo portati a pensare che, se un’antenna presenta reattanza capacitiva, questo significa che è corta e che va allungata. Il contrario se leggiamo una reattanza induttiva.
Ma su questo non possiamo, purtroppo, fare ciecamente conto. A valle di una linea di trasmissione potremmo infatti trovarci nello sconcertante caso in cui leggiamo una reattanza induttiva ma, accorciando l’antenna, peggioriamo le cose.
Nel nostro caso di studio questo accadrebbe, per esempio, se fossimo sfortunatamente incappati in una linea di trasmissione lunga 310° elettrici.
Questo fenomeno dell’inversione della lettura della reattanza a me accade molto spesso nella costruzione e taratura di antenne verticali collineari, dove la misura della fase e quindi delle reattanze è particolarmente critica.
Ecco, volevo mettervi in allerta e farvi considerare l’eventualità di dover allungare il radiatore pur in presenza di una lettura di reattanza induttiva e viceversa. Questo potrebbe accadere avendo a che fare con linee di trasmissione delle quali non conosciamo realmente le lunghezze elettriche.
E’ il caso classico dei pigtail. Non sappiamo quale sia la lunghezza elettrica dei pigtail che siamo più o meno costretti ad usare per connettere le antenne ai nostri microscopici trasmettitori.
Certo, potremmo prenderci la briga di misurarli4.
Ma sarebbe pressapoco inutile visto che comunque il pigtail sarà concatenato a una successiva linea di trasmissione contenuta all’interno dell’antenna, linea sulla quale probabilmente non abbiamo nessun controllo e che neppure possiamo misurare. Per non parlare dei connettori, UFL o SMA o N che siano.
Quindi cari noi tutti possessori e appassionati di nanoVNA e di antenne, quanto valgono realmente le nostre misure?
Alcune misure sono più o meno certe, ammesso che le linee siano ragionevolmente a impedenza caratteristica uguale a 50 Ohm. Il Ros è un esempio di queste misure affidabili.
Per altre misure invece bisognerà usare prudenza e magari fermarsi un attimo di più a considerare le condizioni operative.
Paolo.
Nota 1
Al minuto 22:50 del video Lucio parla della misurazione dell’impedenza complessa dell’antenna, chiarendo probabilmente meglio di quanto stia facendo io i motivi per cui questa misura in teoria deve essere presa rigorosamente al GAP. In teoria …
Nota 2
Come si fa a misurare la lunghezza elettrica di uno spezzone di cavo usando il nanoVNA?
Se utilizzate NanoVNA Saver la procedura è semplice. Calibrate il nanoVNA impostando uno sweep non troppo largo, io ho usato 800-900 Mhz.
Montate il cavetto da misurare.
Mettete un marker a 869 Mhz e andate a leggere
la S11 Phase.
Nel nostro caso la lettura indica 59°. E’ però del tutto impossibile che uno spezzone di coassiale lungo 100mm sia elettricamente così corto a 869 Mhz, addirittura più corto di 1/4 lambda. Si tratta in realtà di 90+59 == 149°, e una semplice proporzione ci indica che 360° dello stesso cavo coassiale corrisponderebbero a 241mm. Se calcoliamo (241/345) il coefficiente di velocità del cavo otteniamo 0.70 che è esattamente quanto ci aspettiamo da un cavo rg178.
Nota 3
Un adattatore da SMA a N
Fa segnare -92°. Auguri …
Nota 4
Pigtail da 230mm di lunghezza fisica, compreso purtroppo l’inevitabile adattatore maschio/maschio. Con questa lunghezza fisica e stimando un velocity factor di 0.70 non dovremmo essere troppo lontani da 1 lambda elettrico.
Effettivamente il nanoVNA fa segnare 27.73°, quindi abbiamo 360 – 28 circa 332° elettrici. La solita proporzione ci dice che
332°:230mm = 360°:xmm == 249mm
Dunque se fosse 360° dovrebbe essere lungo 249mm.
Adesso 249/345 == 0.72 e questo sarebbe il fattore di velocità. Non è del tutto preciso ma dobbiamo considerare la presenza dell’adattatore maschio/maschio.