Il dipolo caricato per gli 80m diventa “Tribanda”
by i5WHC
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Nell’articolo pubblicato su R.R. 4/22 a pag. 45 ho descritto la realizzazione di un dipolo caricato per gli 80m di soli 23mt. di lunghezza complessiva, dipolo che montato a “V invertita” nel poco spazio a mia disposizione, mi ha dato l’opportunità di poter operare sulla banda degli 80.
Sebbene si tratti di un dipolo caricato e soprattutto installato ad un’altezza molto inferiore a quella ottimale, sono rimasto positivamente sorpreso dai risultati ottenuti. Lavorando prevalentemente CW e FT8 in meno di un anno di attività ho collezionato oltre 90 country tra cui anche qualche buon DX come VK9N (Norfolk Is.).
Purtroppo abitando in città, lo spazio a mia disposizione per installare le antenne è molto limitato tanto che per installare il dipolo per gli 80 avevo dovuto sostituirlo a quello dei 40.
E’ per questo motivo che visti i buoni risultati ottenuti in 80 ho deciso di studiare una soluzione che mi permettesse di mantenere l’operatività in 80m senza rinunciare ai 40m e, perché no, aggiungendo anche i 30.
E’ così che, partendo dai positivi risultati ottenuti, è maturata l’idea di trasformare il dipolo caricato in un dipolo “trappolato” tribanda per le bande 30-40-80 mt. che avesse le stesse dimensioni, poco più di 23 mt. complessivi, del precedente monobanda per gli 80 mt.
Anche in questo caso è stato prezioso il supporto di EZNEC che mi ha permesso di valutare a “tavolino” varie configurazioni nonchè di poter determinare i gli opportuni valori di capacità e induttanza necessari per realizzare le trappole al fine di ottenere le dimensioni volute.
Come è noto la “trappola” altro non è che un circuito LC risonante parallelo (o più formalmente antirisonante) che, presentando una elevatissima impedenza alla frequenza di risonanza fr , permette di interrompere elettricamente il braccio del dipolo nel punto in cui viene posta la trappola stessa .
La formula che permette di calcolare la frequenza di risonanza a partire dai valori di Induttanza L e capacità C è la seguente:
Esistono infinite combinazioni dei valori di L e C che possono determinare uno stesso valore di fr ; vedremo di seguito come la scelta di una opportuna combinazione di tali valori permette di determinare la lunghezza voluta dei bracci.
Figura 1 – impedenza in funzione della frequenza in un circuito risonante parallelo
E’ noto infatti che ad una frequenza fx più bassa di quella di risonanza fr la “trappola” si comporta come una reattanza induttiva (figura 1) il cui valore è:
Di conseguenza, nel caso di un dipolo trappolato, per frequenze inferiori a quella di risonanza della trappola, la stessa si comporta come una bobina di carico il cui valore di reattanza determina la lunghezza fisica del braccio alla frequenza più bassa.
Scegliendo quindi una opportuna coppia di valori di L e C è possibile definire a priori il valore di reattanza che la trappola presenterà ad una determinata frequenza fx < fr .
Nel mio caso volendo ottenere un dipolo “tribanda” le trappole saranno due per ciascun braccio come rappresentato in fig.2
Figura 2 - dimensioni complessive del dipolo
Volendo ottenere una lunghezza massima dei singoli bracci pari a circa 1150 cm la prima trappola T30 sarà posizionata a 710 cm dal centro del dipolo e avrà una fr pari a 10 MHz, a questa frequenza l’antenna si comporta come un dipolo full-size per la banda dei 30m (fig. 3a). La seconda trappola T40 sarà posizionata a 820 cm dal centro del dipolo e avrà una fr pari a 7 MHz, a questa frequenza l’antenna si comporta come un dipolo caricato di lunghezza totale 1640 cm (fig.3b). A 3,6MHz l’antenna si comporta come un dipolo caricato con due induttanze di carico e di lunghezza totale 2300 cm (fig.3c).
Figura 3 – dimensioni elettriche per singola banda
Con l’ausilio di EZNEC utilizzando le dimensioni indicate è possibile determinare i valori delle reattanze che devono assumere le trappole alle diverse frequenze di utilizzo, i valori ottenuti sono quelli indicati in fig.3 e sono pari a +j1450Ω @7MHz e +j415Ω @3,6MHz per T30 (trappola 30m) e +j960Ω @3,6MHz per T40 (trappola 40m).
Partendo dai valori di reattanza, con un po’ di calcoli e qualche necessaria approssimazione è possibile, come abbiamo visto, risalire ai valori di induttanza L e capacità C che devono essere utilizzati per realizzare le trappole, nel mio caso i valori ottenuti sono i seguenti:
- Trappola T30 L = 16 µH C=15,5 pF fr = 10,110 MHz XL@7,1MHz = +j1407Ω e XL@3,6MHz = +j422Ω
- Trappola T40 L = 30 µH C=17 pF fr = 7,050 MHz XL@3,6MHz = +j917Ω
Non rimane adesso che verificare nella pratica i calcoli effettuati passando alla realizzazione fisica dell’antenna. Come è facile immaginare il problema principale da affrontare è la realizzazione delle trappole ed in particolare il primo problema da risolvere è quello di reperire i “condensatori” della capacità indicata e in grado di reggere le elevatissime tensioni RF che si presentano ai capi della trappola specialmente se si utilizzano potenze elevate.
Scartando subito la possibilità di reperire sul mercato i condensatori idonei ho deciso di utilizzare come condensatore uno spezzone di cavo coassiale di opportuna lunghezza. Se prendiamo in esame le caratteristiche di un cavo coax da 50Ω di impedenza con dielettrico in PE come ad esempio RG213/U (fig.3) possiamo vedere che presenta una capacità di circa 1pF/cm ed un isolamento del dielettrico > 3KV valore più che sufficiente per potenze dell’ordine di 0,5KW.
Figura 4 – Caratteristiche elettriche del cavo RG213/U
Per realizzare i condensatori saranno quindi necessari quattro spezzoni di cavo RG213/U di circa 20 centimetri ciascuno che dovranno essere sguainati alle due estremità come indicato in figura 5 avendo cura di rimuovere la calza fino ad avere due spezzoni di cavo con 15 cm di calza da utilizzare come condensatori per le trappole T30 e due spezzoni di cavo con 17 cm di calza da utilizzare come condensatori per le trappole T40.
Figura 5 – Dimensioni dei “condensatori”
Alle estremità di ciascun spezzone di cavo verranno poi saldate, da un lato alla calza e dal lato opposto al conduttore centrale, due codette di filo di rame rigido che costituiranno i “reofori” del condensatore e che a sua volta saranno terminati su capicorda ad occhiello per il montaggio (vedi fig.6).
Figura 6 – Dettaglio realizzativo dei “condensatori”
Per sicurezza Il corretto valore di capacità potrà essere verificato con un capacimetro anche se piccole differenze di capacità non sono determinanti per il buon funzionamento delle trappole. I condensatori così ottenuti saranno poi inseriti all’interno di uno spezzone di tubo in PVC del diametro di 40 mm che fungerà da supporto per la bobina che verrà realizzata con lo stesso metodo descritto nell’articolo citato all’inizio a alla cui lettura rimando per i dettagli realizzativi. L’unica differenza è la presenza di due viti 3MA che serviranno da punto comune di connessione per il condensatore, la bobina e i bracci del dipolo come descritto in figura 7 e in figura 9.
Figura 7 - Dettaglio realizzativo delle trappole
Le trappole dei 30m, come abbiamo già visto, saranno costituite da un condensatore della capacità di 15 pF una induttanza da 16 uH mentre le trappole dei 40m saranno costituite da un condensatore della capacità di 17 pF una induttanza da 30 uH. Per la realizzazione delle relative bobine, come detto, è stato utilizzato un tubo di PVC da 40 mm di diametro su cui, come indicato in fig.8, sono state avvolte 28 spire di filo (treccia da 1mmq) per la bobina dei 30 m (16 uH) e 48 spire per la bobina dei 40m (30 uH). Qualora si voglia utilizzare un conduttore di sezione maggiore il numero di spire dovrà essere opportunamente adeguato, in fig.8 è indicato anche il numero di spire necessario nel caso si voglia utilizzare una treccia da 1,5mmq.
Figura 8 – Dati realizzativi delle bobine
Una volta realizzate le trappole ho provveduto a testarne il corretto funzionamento verificando l’effettiva frequenza di risonanza con l’ausilio di un VNA. In alternativa può essere utilizzato il vecchio classico “grid-dip” o un metodo semplice per la verifica della risonanza può essere quello di avvolgere sulla bobina un link di una o due spire, alimentarlo con un generatore RF, va bene anche l’RTX utilizzato alla potenza minima, e misurare con un voltmetro RF ad alta impedenza la tensione ai capi della trappola, tensione che sarà massima alla frequenza di risonanza.
Figura 9 - Dettagli realizzativi delle bobine
Qualora fosse necessario si potrà procedere a variare in più o in meno il numero delle spire fino ad ottenere il corretto valore di frequenza, valore che comunque non è assolutamente critico anche nell’arco di un centinaio di KHz in più o in meno rispetto al nominale.
Una volta realizzate e testate le quattro trappole sono passato al montaggio e alla prova dell’antenna procedendo per step in modo da verificare passo passo la correttezza dei dati di calcolo.
Figura 10 – Trappole complete
Il primo passaggio è quello di realizzare i due bracci di 710 cm. relativi alla gamma dei 30 m. di fatto si tratta di realizzare un dipolo “full-size”, e verificarne la risonanza corretta, per ottenere la quale quasi certamente sarà necessario variare di qualche centimetro la lunghezza dei bracci rispetto a quella teorica in funzione dell’altezza di installazione e della presenza di ostacoli nelle vicinanze. A questo punto si passa a collegare le trappole T30 agli estremi del dipolo verificando che l’accordo in 30m rimanga inalterato. In realtà può accadere che l’accordo cambi leggermente e sia necessario ritoccare nuovamente la lunghezza dei bracci di qualche centimetro in più o in meno, se però la variazione dell’accordo fosse significativamente maggiore questo può essere indice che le trappole non stanno lavorando correttamente o che il valore di risonanza delle trappole stesse è sensibilmente diverso da quello previsto.
Una volta ottenuto il corretto funzionamento del dipolo in banda 30m con le relative trappole montate si procede al passo successivo collegando all’altro estremo delle trappole lo spezzone di 110 cm necessario per portare il dipolo ad accordare in banda 40m. Una volta trovato l’accordo in 40, modificando se necessario la lunghezza dei braccetti appena aggiunti, si collegano le trappole T40 e, come già fatto per i 30m, si verifica che l’accordo non si sia modificato significativamente ritoccando, se necessario, le lunghezze dei braccetti per l’accordo ottimale in banda 40m. E’ opportuno verificare che le operazioni effettuate per la taratura in 40m non abbiano influito sulla taratura precedentemente effettuata per i 30m.
A questo punto rimane l’ultimo passaggio ovvero collegare gli spezzoni di 330 cm che portano il dipolo ad accordare in banda 80m, anche in questo caso sarà necessario ritoccare la lunghezza degli spezzoni appena collegati per portare il dipolo ad accordare sulla frequenza desiderata. E’ opportuno sottolineare che, in particolare in 80m, trattandosi di un dipolo caricato, la larghezza di banda sarà abbastanza limitata (100-120Khz max) e comunque tale da non poter coprire l’intera banda per cui sarà necessario scegliere se accordare il dipolo per il segmento CW o per quello di fonia nel primo caso sarà probabilmente necessario allungare i braccetti finali di una ventina di cm.
Come ho scritto anche nel precedente articolo, le misure riportate devono comunque intendersi come indicative, in quanto le lunghezze dei bracci e i valori di impedenza alla risonanza sono significativamente influenzati dalle caratteristiche dell’installazione, altezza da terra, angolo al vertice nel caso di installazione a V invertita, presenza di ostacoli nelle immediate vicinanze, elementi che, come è noto, possono modificare in modo significativo i parametri di funzionamento di un’antenna.
E’ inoltre opportuno l’impiego di un buon balun che eviti la possibilità di ritorni di RF sulla calza esterna del cavo coassiale di discesa, nel mio caso il balun è realizzato con uno spezzone di 200 cm di RG58 avvolto intorno ad una coppia di toroidi Magnetics da 2 pollici formando un totale di 14 spire. Il balun così realizzato presenta un common mode rejection di circa 27dB a 3,6MHz ed è in grado di sopportare una potenza di 0,5KW.
Figura 11 – Balun
Al momento di scrivere questo articolo l’antenna è operativa da alcuni mesi con ottimi risultati l’unica nota che mi sento di aggiungere è quella di proteggere le connessioni elettriche delle trappole con vernice isolante ed effettuare dei fori di drenaggio nei tubi di PVC per evitare che in caso di forti piogge si possa accumulare acqua all’interno delle trappole.
