La DDRR di Mr. Boyer (I^ parte)

La DDRR, una sorprendente antenna a basso rumore

 

Fig. 1 Vista completa della messa a punto dell'antenna DDRR di tipo militare durante le prove di comunicazione a largo raggio nello spettro di frequenze da 2,0 a 30 MHz. I pali neri verticali che sostengono gli elementi circolari sono tubi di fiberglass coperti con isolatori ad alveare. Le mani dell'ingegnere a sinistra sono poggiate sul condensatore di accordo variabile a vuoto da 50 KV. L'altezza dell'anello in primo piano è di 6 piedi (1.83 metri) mentre l'elemento circolare più interno per i 17,2 - 30 MHz è alto 1,5 piedi (45 cm). (foto della Northrop Corporation).

 

Traduzione di Annamaria Gentili e impaginazione di i0hou

 

Una volta sì che era facile e bello fare il radioamatore! Dovevate solamente uscire nel vostro cortile di mezzo acro, installare una coppia di pali telefonici da 90 piedi (27 m) e sospendere in cielo un'antenna Zeppelin di 80 metri. Per lavorare la vecchia cara banda dei 160 metri era sufficiente alimentare quel filo sospeso in cielo come una "L" invertita rispetto la terra. Sulle bande a frequenza più alta il gioco consisteva nell'accordare la linea di trasmissione bifilare bilanciata da 600 ohm collegata a questa sommità orizzontale fino a caricare bene l'apparato. Questi vecchi tempi d'oro sono ormai solo dolci ricordi nella memoria dei pionieri.

Oggi il radioamatore ha già i suoi grossi problemi nel cercare spazio sufficiente all'aperto dove erigere un'antenna qualsiasi, figuriamoci se può installare quella ottimale. C'è, comunque, almeno un modo per uscir fuori da questo dilemma di spazi ristretti, un modo trovato qualche anno addietro dalle forze militari: usare un^, antenna elettricamente accorciata. Le forme convenzionali di tali antenne, le cui dimensioni fisiche sono piccole in confronto alle lunghezze d'onda operative, sono ben più famose per convertire la potenza RF d'ingresso in calore piuttosto che in buoni segnali in aria. Le antenne, contrariamente agli altri componenti delle radiocomunicazioni, hanno resistito ostinatamente agli sforzi di miniaturizzazione. Negli ultimi sessant'anni, comunque, è stata intrapresa una silenziosa ma intensa battaglia tecnica nel tentativo di ridurre le dimensioni fisiche delle antenne trasmittenti mantenendo però una ragionevole efficienza. Questa battaglia è lontana dall'essere vinta. Ciò nonostante a tutt'oggi sono stati fatti alcuni limitati progressi, come per esempio guadagni sorprendenti in termini di flessibilità della funzione d'antenna. Come uno stanco ma ancora entusiasta veterano di questa guerra tecnica, sentivo che alcuni dei più recenti aggeggi radianti escogitati potevano all'occorrenza essere di interesse e di valore per il radioamatore. Con questo spirito, quindi, lo scopo di questo articolo non sarà solamente di descrivere come sono fatti questi dispositivi elettromagnetici, ma anche di suggerire quei dettagli tecnici sufficienti che permettano al radioamatore di progettarseli e sperimentarseli da solo.

La maggior parte delle antenne discusse sono formate da linee di trasmissione RF irradianti di piccole dimensioni elettriche. La maggior parte di esse è stata originata dall'interesse militare di ridurre l'altezza verticale e le dimensioni delle antenne convenzionali. Esse però sono ancora così nuove che esistono in numero piccolissimo e prestano servizio ancora e solo in applicazioni militari. Poiché le passate esperienze hanno svelato che l'approccio con la sola bobina di carico è la maniera meno efficiente di caricare reattivamente un'antenna accorciata, tutte queste antenne più recenti ed esotiche sono portate in risonanza mediante condensatori aventi perdite estremamente basse che compensano i limiti della stretta banda passante intrinseca in quanto rendono l'antenna capace di accordi molto rapidi in frequenza. Alcune, come la LPT, sono anche capaci di prestazioni a larga banda con buona efficienza malgrado la piccola altezza. Tutte queste offrono al radioamatore con QTH di piccole dimensioni determinati vantaggi sulle antenne convenzionali. Alcune offrono un reale vantaggio pratico nelle comunicazioni sulle intere bande amatoriali. Quindi discuteremo le nuove antenne dal punto di vista del radioamatore.

 

LA DDRR - RADIATORE AD ANELLO PILOTATO DIRETTAMENTE

 

L'antenna DDRR¹ mostrata in fig. 1 può ben essere chiamata la "piccola meraviglia multibanda". Si accorda per l'intero tratto da 2.0 a 30 MHz ed accetta contemporaneamente fino a 4 trasmettitori autoaccordati da 10 KW (i KWmen del Texas ed i DX'ers prendano nota!). La fig. 1 mostra la messa a punto della DDRR per i controlli di comunicazione HF a lunga distanza prima della sua installazione sulla nave USS Wheeling. La fig. 2 è una veduta aerea della stessa DDRR a bordo della Wheeling durante le prime prove in mare. Sebbene l'antenna sia abbastanza robusta per operare bene anche durante le ondate dei temporali in mare, è stata successivamente coperta con un'apposita scatola in fiberglass. E' stata collocata sul tetto dell'hangar degli elicotteri perché il tetto metallico ed il mare circostante si comportano come un perfetto piano conduttore di terra.

Il diametro massimo della DDRR della Wheeling è di 35 piedi (10.5 m) con il suo elemento più esterno ad un'altezza di soli 6 piedi (1.8 m) al di sopra del piano di terra. Sebbene tali dimensioni possano non rendere immediatamente l'idea di "piccole dimensioni", l'antenna appare piccola se confrontata con i 492 piedi (150 m) della lunghezza d'onda a 2.0 MHz. La Wheeling ha operato nel programma di esplorazione spaziale Apollo come centro della rete di controllo universale HF, ed è tuttora impegnata in simili missioni scientifiche. La sua DDRR è composta da un totale di 5 elementi radianti circolari concentrici. Il più esterno si accorda da 2.0 a 3.3 MHz ed i quattro anelli più interni coprono rispettivamente le bande da 3.3 a 5.7 MHz, da 5.7 a 10 MHz, da 10.0 a 17.2 MHz e da 17.2 a 30 MHz. Gli estremi di ciascun elemento circolare sono connessi al piano metallico di terra mediante sostegni di metallo. A metà strada lungo la circonferenza di ciascun anello conduttore viene effettuata una connessione a terra mediante condensatori variabili individuali a vuoto da 50 KV. Ciascun condensatore variabile è controllato a distanza dalla cabina radio della nave mediante servomotori bifase a velocità variabile. Ciascun elemento circolate della DDRR è alimentato direttamente con linea individuale di trasmissione coassiale a 50 ohm senza richiedere reti di adattamento di impedenza ausiliare per un basso ROS. Originariamente era stato previsto di installare ai terminali di ciascun elemento un riflettometro per l'accordo in forma completamente automatica e la messa in passo in frequenza con i trasmettitori associati. Comunque, non mi risulta che dette unità siano mai state installate.

Nella cabina radio c'è una consolle con lettura a display che dà continue informazioni su: (a) l'identità del trasmettitore funzionante al momento per ciascun elemento della DDRR: (b) la frequenza su cui è sintonizzato ciascun elemento della DDRR; (c) il ROS in ciascuna linea di alimentazione. Comunque, malgrado tutti questi automatismi, un operatore esperto al buio più totale può accordare manualmente la DDRR fino a sentire in picco di fruscio in sottofondo in un ricevitore sintonizzato alla frequenza desiderata. Quando si osserva il picco di fruscio, il ROS sulla linea di alimentazione dell'antenna è inferiore a 2:1 e l'antenna è pronta ad accettare la piena potenza del trasmettitore. Al di fuori di questa frequenza, il ricevitore collegato alla DDRR sembra muto ed il suo S meter rimane fermo sullo zero.

Tutti gli elementi di un'antenna DDRR vengono messi in continua al potenziale di terra attraverso shunts di impedenza estremamente bassa aventi alta capacità di corrente. Di conseguenza l'apparato elettronico collegato è abbastanza ben protetto contro gli effetti dannosi dei transitori di tensione indotti sulla struttura della nave dai colpi dei fulmini. Tali shunts per la continua servono anche come scarichi statici durante le manifestazioni atmosferiche quando l'impatto con neve o particelle di pioggia cariche può creare sulle antenne convenzionali dei potenziali di tensione molto elevati. In tali condizioni atmosferiche, il livello di rumore in ricezione con una DDRR è almeno 20 dB inferiore a quello di un'antenna senza scarichi statici.

Fin qui abbiamo parlato di un'antenna militare. Fortunatamente, comunque, sono capace di darvi un accenno su come opera una tale DDRR multi-banda sulle bande amatoriali. Durante i controlli preliminari a terra dell'antenna nel sud della California, è stato abbastanza naturale che alcuni radioamatori con regolare licenza che operavano come ingegneri e tecnici sul progetto, smaniassero letteralmente dalla voglia di sapere come quella "cosa" lavorasse sulle frequenze amatoriali. E' stato chiesto il nominativo W6UYH per le operazioni in portatile ed una sera la combriccola si è radunata vicino al grosso furgone per le radiocomunicazioni. Per una prima chiamata in 160 metri, tanto per tastare le condizioni della banda con un radiatore standard, è stata usata un'antenna a traliccio da 1/4 d'onda alta 110 piedi (33 m). Questa antenna, di altezza variabile, era stata usata come monopolo di riferimento a λ/4 durante i controlli militari, ed era possibile alzarla o abbassarla a terra in tre minuti. E' stato rapidamente fatto un certo numero di contatti con stazioni relativamente locali; naturalmente, usando il grosso traliccio verticale, sono stati assicurati rapporti eccellenti. Il livello di QRN era sostenuto e si notava un forte disturbo LORAN. Fu tolta la verticale e con un colpettino al pulsante del motore si portò la DDRR nella zona alta dei 160 metri (ci eravamo assicurati che potesse scendere un "pochino" al di sotto dei 2.0 MHz, hi!!). Quasi immediatamente abbiamo ascoltato un certo numero di stazioni che ci chiamavano dalle isole Hawaii. I KH6 dicevano di averci chiamato ripetutamente dopo il nostro primo CQ. Noi non avevamo ascoltato il loro segnale relativamente debole per il fatto che era seppellito sotto il QRN; ma ora arrivavano forti e chiari con un rumore di fondo molto più basso. Abbiamo anche osservato che il disturbo LORAN era sceso in ampiezza e che il QRM proveniente dai canali adiacenti era pressoché scomparso. In trasmissioni successive di confronto in condizioni di fading basso alle stazioni dell'isola è sembrata esserci, se c'era, una differenza minima nella forza del segnale tra la DDRR ed il monopolo a λ/4. Essendo ingegneri, i radioamatori presenti ne furono un po' sorpresi. Tutti quanti avevamo avuto una certa preoccupazione per la stretta banda passante della DDRR di altezza elettricamente accorciata, sapendo che avrebbe dovuto funzionare efficacemente in un duro combattimento con la tanto cercata bassa resistenza ohmica R_Ω della configurazione. Eppure adesso, impiegata in un sistema bilaterale effettivo di comunicazione HF, questa antenna stava agendo come uno stretto filtro passa-banda prima del primo stadio del ricevitore, preveniva perdite di sensibilità dovute al sovraccarico di rumore bianco casuale, e riduceva fortemente il QRM migliorando considerevolmente il rapporto segnale/disturbo rispetto ad una grossa antenna. Come ha saggiamente osservato un vecchio OM presente in cabina radio: "Dovete prima ascoltarli, ragazzi, e poi li potrete lavorare !!". Spostatici sugli 80 metri, è stata la stessa storia. La ricezione, usando il traliccio verticale a λ/4 relativamente grande, provocava un doloroso disturbo all'udito; con la DDRR abbiamo lavorato VKs ZLs e Js tagliandoli fuori dal rumore di fondo e dal QRM come se stessimo usando un coltello caldo nel burro. Ed ancora, poiché sulle frequenze militari assegnate non erano disponibili stazioni di controllo a distanze intermedie dal luogo dove era installata la nostra stazione, abbiamo potuto osservare per la prima volta sulle gamme amatoriali un'altra prestazione caratteristica deliberatamente studiata della nostra DDRR biposto: l'abilità di lavorare stazioni durante le ore diurne a distanze maggiori di quelle della zona dove diminuisce l'onda di terra prodotta da antenne verticali a λ/4. Nel progetto della nostra DDRR biposto sono stati adottati accorgimenti tali da generare un ulteriore lobo nel diagramma di radiazione ad angolo molto alto in aggiunta al classico "bombolone" ad angolo molto basso tipico della normale DDRR polarizzata verticalmente. Nella gamma più bassa delle HF da 1.0 a 8.0 MHz, la ionosfera riflette fortemente i segnali incidenti ad alto angolo sopra l'orizzonte. Questo effetto viene chiamato "modo risonante" di comunicazione ionosferica ed è di interesse strategico per scopi militari perché consente una estensione della gamma dei contatti radio durante le ore diurne. Ci siamo goduti QS0 diurni con stazioni che distavano dalle 100 alle 500 miglia (180 - 950 Km) su 160, 80 e 40 metri, stazioni che non potevano essere lavorate con il nostro monopolo di riferimento a λ/4. Il successivo uso della DDRR sulla USS Wheeling ha verificato in mare le stesse prestazioni di estensione dell'area di collegamento diurno sui canali più bassi delle HF al di fuori delle bande amatoriali.

 

FUNZIONAMENTO DELLA DDRR

 

Poiché molto sia del funzionamento che della teoria della DDRR si presta egualmente bene alle operazioni sulle moderne antenne a linea di trasmissione discusse nella seconda parte di questo articolo, è opportuno dare qui qualche ragguaglio su come funziona un'antenna DDRR. Visto che ci siamo, suggeriremo al lettore anche tutti i segreti per costruirsi da solo una DDRR da usare sulle bande amatoriali. Stiamo parlando di un progetto ottimale, di modo che alla fine vi troverete con una piccola ed efficiente antenna invece di un "radiatore termico" di RF. Non preoccupatevi, non useremo formule di alta matematica.

Una DDRR può essere progettata per l'uso su una sola banda amatoriale, oppure per coprire tutte le frequenze amatoriali assegnate nella regione HF. Una volta capito il progetto dell'elemento per una singola banda, non ci saranno problemi nell'aggiungere altri elementi per la copertura delle altre bande. Noi supporremo che l'ipotetico utente viva in un QTH urbano, in uno spazio tipicamente ristretto dove l'installazione di un sistema di piano di terra artificiale veramente efficiente sia completamente fuori discussione per molte ragioni pratiche; per rendere il progetto ancora più attraente, nel nostro esempio verrà usata una altezza verticale di soli 6 piedi (1.8 m), unitamente alla scelta di un unico valore per il diametro esterno del conduttore che verrà impiegato per tutte le sezioni dei conduttori della DDRR.

Le relazioni di progetto fornite sono espresse in forma tale che volendo è possibile sostituire sia il diametro esterno dei conduttori, sia l'altezza dell'antenna, sia la banda di frequenza. Infine verranno forniti dettagli per aggiungere altri elementi all'esempio di progetto monobanda per trasformarlo in uno multi-banda.

La fig. 3(a) mostra una DDRR biposto simile al modello della Wheeling, eretta su una superficie continua che funziona da piano di terra altamente conduttivo. Temporaneamente per i nostri scopi di discussione prenderemo in considerazione questo tipo super di piano di terra; successivamente per il modello destinato ai QTH pratici lo scarteremo completamente. Inoltre, ci limiteremo al modello di DDRR monoposto poiché quello biposto non consente un progetto di dimensioni minime che vada bene per un uso amatoriale. Nello schema viene mostrato il flusso delle correnti RF sia nei conduttori superiori che nel piano di terra, nello stesso istante di un ciclo RF. Si è osservato che la direzione delle correnti nel piano di terra, non è radiale come in una semplice antenna monopolo verticale. Nella fig. 3(b) viene mostrata vista di fianco solo metà della circonferenza dell'antenna DDRR biposto. Poiché la parte di elemento di DDRR che vi figura comprende un tratto di conduttore verticale, un conduttore orizzontale elevato e parallelo al piano di terra, un condensatore di accordo C, ed anche i terminali di ingresso per l'alimentazione, sarà questo l'elemento di antenna DDRR del nostro progetto finale.

Si dovrebbe vedere immediatamente che tutta la DDRR si riduce ad una linea di trasmissione sbilanciata monofilare parallela alla terra ad altezza h e "cortocircuitata" a terra ad una sua estremità mediante un palo verticale. Questo dovrebbe essere facile! Ora, saremmo d'accordo con voi che il conduttore orizzontale di lunghezza totale S° parallelo alla terra, non forma niente di più di uno spezzone di linea di trasmissione RF monofilare (o stub). Ma non frenate la vostra immaginazione e lasciatevi andare con noi nel considerare il tratto verticale di "cortocircuito" posto ad un'estremità di tale linea come un'altra linea di trasmissione separata e differente. Qualsiasi buon manuale di antenna per radioamatori dà la formula per trovare l'impedenza caratteristica di una linea monofilare sopra la terra in funzione della sua altezza h e del diametro del suo conduttore d. Essa è semplicemente:

 

(1-1.0)

 

Armati dell'equazione (1-1.0), cominciamo con il selezionare la banda degli 80 m da usare nel nostro esempio. Iniziamo il progetto al limite di frequenza superiore di 4.0 MHz. A 4.0 MHz la lunghezza d'onda in aria è 984/4.0 MHz cioè 246.00 piedi. Abbiamo detto che avremmo usato un'antenna verticale di soli 6 piedi. Qui non precisiamo e non teniamo in considerazione il diametro del conduttore nel determinare la lunghezza elettrica (h°) dell'elemento verticale a 4.0 MHz. Fissiamo invece arbitrariamente un diametro esterno di 4.0 pollici per i conduttori sia del tratto orizzontale che verticale, scegliendo tubi di lega di alluminio di spessore sottile (del tipo 6061T6 o altre leghe saldabili). Fissando l'altezza verticale (h°) a 6 piedi, il suo diametro (d°) a 4 pollici e cioè a 0.33 piedi, il suo raggio (a°) a 0.17 piedi, troviamo le seguenti "dimensioni elettriche" a 4.0 Mhz:

h° = 6' / 246.00' x 360° = 8.78 gradi

d° = 0.33' / 246' x 360^° = 0.48 gradi

a° = 0.17' / 246' x. 360^° = 0.24 gradi

Conoscendo queste dimensioni, ci è possibile usare la (1-1.0) per ottenere la impedenza caratteristica (Kc) della linea orizzontale sopra la terra, e cioè:

 

 

Guardando ora il palo verticale vero e proprio, ci sembra di trovarci di fronte ad un grosso problema nel determinare la sua impedenza caratteristica. Per esempio, noi sappiamo che un altro modo per definire l'impedenza caratteristica di una comune linea di trasmissione RF è in funzione del rapporto tra l'induttanza serie distribuita (L) del conduttore e la sua capacità di shunt distribuita (C) fra i conduttori. Tale relazione si scrive come Zo = SQR[L/C] ohm. Noi sappiamo che potremmo ottenere Kc uguale a 256.70 ohm per la sezione di linea orizzontale attraverso questa formula alternativa se potessimo appunto misurare l'induttanza serie distribuita (L) lungo il nostro conduttore di 4.0 pollici di diametro e la sua capacità di shunt distribuita (C) rispetto terra per unità di lunghezza. Tale impedenza caratteristica è costante lungo l'intera lunghezza della linea di trasmissione orizzontale della DDRR, poiché il diametro del suo conduttore (d°) e la sua altezza (h°) sono costanti per unità di lunghezza e perciò danno L e C costanti. Guardando il palo verticale, vediamo che questo non può essere nel caso di un conduttore cilindrico montato su una superficie piana di terra.

Chiunque può vedere che se seghiamo una certa fetta di data larghezza del conduttore del palo verticale ad una altezza, diciamo, di 1/4 di pollice da terra e misuriamo qui la capacità di shunt di questa sezione isolata da terra e poi ripetiamo la stessa procedura ad una altezza di 36 pollici e poi a 72 pollici, la capacità di shunt sarà massima all'altezza di 1/4 di pollice da terra, sarà minore a 36 pollici e sarà minima a 72 pollici. Poiché la capacità di shunt varia con l'altezza h°, il rapporto L/C non potrà essere costante: quindi, l'impedenza del tratto verticale considerato come linea di trasmissione RF dovrà essere una funzione dell'altezza h°. Nello stesso tempo voi avrete il sospetto che il tratto verticale della DDRR sia qualcosa in ^-giù di un semplice palo di "cortocircuito". Forse vi chiederete dove vogliamo arrivare.

Bene, avete perfettamente ragione. Non solo l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione RF del tratto verticale varia con l'altezza, ma questa linea è anche un'antenna monopolo verticale connessa a terra. Come trovare l'"impedenza caratteristica" di un'antenna monopolo? Bene, grazie ad un brillante studioso di antenne, dr. S.A.Schelkunoff dei Bell Telephone Laboratories², noi possiamo semplicemente fare:

 

(1-2.0)

 

Questa equazione ci dà l'impedenza caratteristica media³ di un'antenna monopolo a conduttore cilindrico verticale sopra la terra, avente un raggio a ed una altezza h. E' un valore medio perché l'impedenza caratteristica di un'antenna monopolo varia con la sua lunghezza h. L'equazione (1-2.0) di Schelkunoff sembra molto semplice e molto simile alla (1-1.0) eppure è carica come dinamite elettromagnetica! Discuteremo appunto come nella seconda parte dell'articolo. Qui possiamo onestamente dire che, a prescindere dalla legge di Ohm, questa semplice piccola formula può diventare una delle più utili espressioni conosciute alla comunità dei radioamatori per ottenere facilmente e velocemente risposte concrete a problemi reali d'antenna di tutti i tipi. Oh, certo, se voi moltiplicate il risultato ottenuto dalla (1-2.0) per due otterrete l'impedenza caratteristica media (Ka) di un'antenna dipolo bilanciata nello spazio libero di lunghezza totale 2h formata da due identici monopoli di lunghezza "h" e con il raggio del conduttore cilindrico "a".

 

Fig.2.

L'antenna DDRR viene qui mostrata installata a bordo della nave USS Wheeling della Marina USA. L'antenna si vede montata sull'hangar degli elicotteri. Pur operando efficacemente anche esposta al maltempo, l'antenna è stata successivamente coperta con un contenitore in fiberglass (foto ufficiale della Marina USA).

 

 

Fig. 3

a) La DDRR biposto del tipo Wheeling opera su un piano di terra a latra metallica e viene mostrato il flusso delle correnti negli elementi e nella terra.

b) Sezione raddrizzata linearmente di mezza circonferenza di una DDRR biposto.

c) Progetto schematico del palo monopolo verticale a linea di trasmissione 'terminato' nella sezione di linea orizzontale.

d) Circuito equivalente dell'antenna monopolo a linea di trasmissione caricata con reattanza sulla sommità.

e) Diagramma per l'adattamento della linea di alimentazione alla antenna DDRR.

f) Circuito equivalente dell'impedenza di ingresso al punto di alimentazione X.

 

SINTONIA DELLA DDRR

 

Armati della semplice formula (1-1.0) e della apparentemente semplice equazione (1-2.0), siamo perfettamente equipaggiati per progettare la nostra DDRR per la risonanza e l'accordo sull'intera banda degli 80 metri (o un pochino di più). Ritornando alla fig. 3(c), l'antenna DDRR viene mostrata come un sistema d'antenna composto da due distinte linee di trasmissione RF, una connessa all'altra. Per favore, non lasciatevi ingannare dal disegno! La prima sezione di linea di trasmissione che si vede "distesa su un fianco", rappresenta ancora il tratto verticale dell'antenna DDRR. E' soltanto più facile indicare il tratto verticale in questo modo quando lo si rappresenta come linea di trasmissione RF. Nel nostro disegno schematico del sistema d'antenna DDRR a linee monofilari, abbiamo due terminali che rappresentano la base del palo verticale sul piano di terra; il terminale 1G indica la terra nel punto dove la base finale del palo lA si connette ad essa. Ad una distanza di h° lontano dalla base del palo, l'estremo superiore del monopolo di linea di trasmissione ha un secondo terminale 2A; la terra ad esso corrispondente è ora indicata con ^-2G e rappresenta la proiezione circolare di raggio h° sulla superficie piana di terra, essendo la base del palo il centro di detto cerchio (un po' strano, in verità, ma trattando con le antenne abbiamo bisogno d'immaginazione!). Poi, l'estremità del conduttore della linea orizzontale è contrassegnato con 3A nel punto in cui è collegata con l'estremità superiore del palo 2A. Sul piano di terra, direttamente sotto il punto 3A, corrisponde il terminale di terra 3G.

Ad una distanza S° lungo la linea di trasmissione orizzontale di impedenza caratteristica Kc ad altezza costante h° c'è l'altra estremità contrassegnata con 4A. Ancora, direttamente sotto 4A, c'è il corrispondente punto 4G del piano di terra. Il condensatore di accordo C è collegato fra i terminali 4A e 4G della linea di trasmissione orizzontale.

Usando l'equazione (1-2.0) possiamo ora cercare la Km media del particolare tratto verticale di lunghezza h° = 8.78° con un raggio del conduttore a° = 0.24°, valori da noi scelti:

 

 

Immaginiamo che in qualche modo nel nostro sistema a due linee di trasmissione RF venga immessa energia RF a 4.0 MHz. Poiché le due linee non sono terminate in carichi resistivi rispettivamente uguali a Km e Kc, queste due linee RF sono malamente disadattate in impedenza; esse agiranno come quello che si chiama "spezzone di linea di trasmissione" (o stub) e lungo le loro rispettive lunghezze provocheranno onde stazionarie di ampiezza rilevante. Per il momento supponiamo che il condensatore C sia assente oppure regolato ad una impossibile capacità minima di zero Farad. In queste condizioni ai terminali d'uscita 2A e 2G della linea di trasmissione del tratto verticale si vedrà un carico reattivo jXin_{(3A, 3G)} prodotto dalla sezione di linea orizzontale di lunghezza S°. Poiché la capacita C è assente e noi per adesso stiamo ignorando altri elementi come la resistenza di radiazione Rr dell'antenna, possiamo scrivere il valore di jXin_{(3A, 3G)} ohm che viene visto dal tratto di linea verticale come carico applicato al suo terminale d'uscita (l'estremità superiore). Vediamo la fig. 3(d). Essa è:

 

(1-3.0)

 

Poiché abbiamo detto che per il momento la nostra antenna non possiede nessuna resistenza o termine reale dell'impedenza, allora jX_(3A,3G) sarà una reattanza pura. Il tratto verticale agisce ora come una linea di trasmissione RF di lunghezza h°, e il carico jX_(3A,3G) ai capi dei suoi terminali d'uscita (2A,2G), verrà cambiato in valore come se fosse mosso o trasformato in discesa dalla lunghezza h° della linea verticale fino ai suoi terminali d'ingresso (1A,1G). Questo cambiamento, o proprietà di trasformazione è sinteticamente rappresentato dalla ben nota equazione delle linee di trasmissione chiuse:

 

(1.4.0)

 

Detta equazione è scritta in forma appropriata solo per linee di trasmissione che terminano in un carico jX₍₎ puramente reattivo. Il simbolo K indica l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione e θ° la sua lunghezza in gradi. Da qui si ricava la prima regola per il progetto della DDRR:

"Affinché una antenna verticale monopolo di lunghezza h° elettricamente piccola possa diventare risonante ad una data frequenza operativa fo per mezzo di una reattanza di carico jX_(3A,3G), gli ohm posti fra la sua cima e la terra debbono avere un valore esattamente tale da cambiare il valore di jXin_(1A,1G) = j zero ohm alla base dove il monopolo si unisce al piano di terra”

Ciò significa che se, e solo se, voi imponete la condizione che jXin₍₎ sia eguagliata a j zero ohm, allora non avete bisogno di risolverla per intero. Tutto ciò che dovete fare è di applicare una impedenza di carico jX₍₎ che, moltiplicata per il coseno della lunghezza θ° della linea elettrica, renda la somma algebrica del numeratore uguale a zero. In dette condizioni jXin₍₎ dovrà scendere a zero ohm. E qui la sorte ci è benigna. Infatti se

 

(1-5.0)

 

la somma algebrica di jX₍₎ cos h° + j Km sen h° sarà zero ohm, facendo andare jX_in a zero ohm ed il nostro monopolo risuonerà alla f_o.

Si ricordi comunque che -jKc cotan S° sarà uguale a jX_(3A,3G) solo quando la capacità di accordo C è pari a zero picoFarad. In questo caso, con C = 0, conoscendo già Kc, Km e h°, avremo:

 

(rif. 1-5.0)

 

Quindi, conoscendo Kc, riordiniamo la (1-5.0) per trovare quanto deve essere lunga S° in gradi elettrici nel tratto orizzontale, per rendere vera la (1-5.0), togliendo il segno negativo ed il piccolo operatore j:

 

(1-5-1)

 

Per la nostra specifica DDRR troviamo che la lunghezza elettrica della linea di trasmissione orizzontale (senza nessun condensatore di accordo) dovrà essere:

 

cotan S° = 30.51 / 256.70 = 0.1188

da cui:

cotan-1 0.1188 = 83.22° = S°

 

a 4.0 MHz un condensatore di 8 pF offre una reattanza -jXc = -j/(2 π x 4 x 10⁶ x 8 x 10^-12) = -j4973.60 ohm. Chiamiamola "lunghezza aggiunta dal condensatore" ΔS°. Perciò:

 

(1-6.0)

 

ΔS° = cotan^-1 19.331 = 2.96°

 

Per correggere la lunghezza della linea di trasmissione orizzontale in modo da compensare l'effetto dell'allungamento della linea prodotto da C quando tutto aperto al limite superiore della banda, noi dovremo solamente rimuovere 2.96° dal conduttore cosicché la nostra linea di trasmissione orizzontale diventerà:

 

83.22° - 2.96° = 80.26°

 

La lunghezza elettrica della linea vera e propria e la lunghezza addizionale della linea elettrica aggiunta dalla capacità minima di C adesso formeranno insieme la necessaria lunghezza di 83.22 gradi. Inoltre, dovendo tener conto anche di altre piccole capacità dei conduttori del condensatore, per essere sicuri di raggiungere 4.0 MHz con C tutto aperto dovremo rimuovere altri 4 pollici o giù di lì (circa 0.5°). Da questo momento in poi, nel completare il progetto della DDRR useremo una linea di trasmissione orizzontale lunga realmente 80.26°.

Il nostro elemento d'antenna DDRR "sulla carta" è ora risonante nella banda degli 80 metri nel limite superiore di frequenza di 4.0 MHz. Una volta tanto vorremmo poter spingere l'apparato al di sotto di 3.5 MHz (bene, potrebbe essere 3.499 MHz) magari per fare una caccia al DX. Quando si cambia la frequenza della DDRR da 4.0 a 3.5 MHz questo rappresenta un fattore di proporzionalità di 3.5/4.0 = 0.875. Tutti i parametri della DDRR cambieranno con questa proporzionalità. Per esempio, l'altezza del tratto verticale cambierà a:

 

h°_(3.5) = 8.78° x 0.875 = 7.68°

 

La lunghezza reale della linea S° sarà:

 

S°_(3.5) = 80.26° x 0.875 = 70.23°

 

Senza dover risolvere le equazioni (1-3.0) e (1-5.0) sospettiamo immediatamente che -jK_c cotan 70.23° non sarà più uguale a -jK_m tan 7.68° !

Sappiamo soltanto che la nostra antenna DDRR a 3.5 Mhz è fuori risonanza. Comunque, avendo visto come il condensatore di accordo C può agire da "allungatore di linea", sappiamo pure come risolvere il problema.

Per prima cosa ci chiediamo: "Di quale reattanza di carico jX_(3A,3G) avremo bisogno ai capi delle estremità 2A,2G della linea di trasmissione monopolo a 3.5 MHz ?". Ci risponde l'equazione (1-5.0) :

 

 

Seconda domanda: "Quanto deve essere lunga S° a 3.5 MHz per dare jX_(3A,3G) = - j26.64 ohm se la sua capacità C è assente ?". Ci risponde l'equazione (1-5.1):

 

da cui

S°_{(3.5 MHz)} = 84.075°

 

A noi serve una lunghezza elettrica totale di linea S° di 84.075 gradi, ma abbiamo già una preesistente linea di trasmissione lunga 70.23° a 3.5 MHz. Quindi abbiamo una linea di 84.075 - 70.23 = 13.845 gradi troppo corta. Domanda finale: "Se chiudiamo le armature del condensatore C aumentando il valore della sua capacità, di quanta reattanza capacitiva -jX_C avremo bisogno per allungare la nostra linea di trasmissione orizzontale da 70.23° ad una lunghezza elettrica totale effettiva di 84.075° ?".

Ora, se guardiamo l'equazione (1-6.0), vediamo che può essere riscritta per trovare Xc quando sono dati ΔS° e Kc. Noi conosciamo Kc e ΔS° è la nostra lunghezza extra necessaria di 13.845°. Perciò:

 

 

Per ottenere una reattanza capacitiva di 1041.56 ohm a 3.5 MHz avremo bisogno di un condensatore di capacità 1/(2 x π x 3.5 x 10⁶ x 1041.56) = 43.66 pF. Naturalmente, il valore standard più vicino a 43.66 pF è 50 pF. La rimanente capacità del condensatore di accordo ci permetterebbe di sintonizzarci appena al di sotto di 3.5 MHz sia per ascoltare che per trasmettere, se avessimo una qualche ragione legale per farlo.

Siccome la DDRR è un'antenna elettricamente accorciata, ai capi del condensatore di accordo C ci sarà una caduta di tensione di tutto rispetto. E' bene usare 10KV per una potenza di picco di 1 KW per avere un decente fattore di sicurezza onde prevenire scariche nel condensatore durante i picchi di modulazione.

I lettori potrebbero dire che se continuassimo ad aggiungere capacità C, potremmo spingere la nostra DDRR oltre la banda degli 80 metri, fino ai 160 m e magari, perché no? fino alle frequenze standard per le radiodiffusione ad Onda Media !! Per favore, non provateci neppure !! Appena al di sotto di 3.5 MHz va bene! Quando però aggiungete altra capacità di accordo alla DDRR per spingerne la sintonia troppo lontano, si verificano un'infinità di cose indesiderabili che ne abbassano l'efficienza. Fin qui abbiamo fatto un ottimo progetto. Per favore, non rovinatelo! Se avete bisogno di coprire la banda dei 160 metri, progettate un elemento separato per la banda dei 160 m secondo le relazioni fin qui esposte per gli 8o m. Nella seconda parte dell'articolo vi diremo come combinare gli elementi in una singola DDRR multi-banda, che può saltare come una lepre da una banda all'altra.

 

ADATTAMENTO DELLA DDRR

 

Nella fig. 3(c) si vede la sezione della linea di trasmissione DDRR, ancora nella forma "raddrizzata". Sebbene non conosciamo ancora il valore della resistenza di radiazione Rr e quello della resistenza delle perdite ohmiche della configurazione R_Ω, abbiamo schematicamente connesso questi due"resistori" in serie tra il terminale di base lA del tratto verticale e la terra 1G. Nella teoria delle antenne la resistenza di radiazione Rr è sempre riferita per convenzione al punto di massima corrente di un'antenna. Sebbene "riferita" a questo punto, la resistenza totale Rt = Rr + R_Ω può comunque essere trasformata in qualsiasi altro punto X dell'antenna, così come la nostra reattanza di carico jX_(3A,3G) è stata trasformata ai terminali di base 1A,1G del monopolo. Questo però è stato uno spostamento sulla lunghezza della linea in direzione opposta. Ricordiamo anche che quando è stato ritoccato il valore jX_(3A,3G) del condensatore di accordo C, questo è stato trasformato dalla lunghezza h° della linea di trasmissione del tratto verticale ed ha reso nulla la reattanza alla sua base. Il valore della resistenza di radiazione di un'antenna elettricamente accorciata non è grande. Per il progetto, noi abbiamo fatto di tutto per contenere a valore trascurabile le perdite resistive R_Ω

Adesso, se tentiamo di alimentare la DDRR in modo convenzionale in serie alla base del tratto verticale, saremmo di fronte ad un grosso problema di adattamento di impedenza tra questo valore piccolissimo dell'impedenza d'ingresso alla risonanza Zin_(1A,1G) = Rr + R_Ω + j0 ohm, e l'impedenza caratteristica Zo della nostra linea di alimentazione standard. Per ottenere questo adattamento dovremmo introdurre un ulteriore trasformatore-adattatore di impedenza che andrà anch'esso sintonizzato in unione con C ogni qual volta si cambia frequenza. Per evitare questa difficoltà non necessaria e la conseguente complicazione tecnica, useremo la stessa antenna DDRR come trasformatore di impedenza in salita, cosicché connetteremo la linea di alimentazione standard all'antenna DDRR in un qualche punto X del suo conduttore per ottenere un adattamento a basso ROS. Abbiamo detto in precedenza che la DDRR è soltanto un sistema di spezzoni di linea di trasmissione in aria (stub). C'è una cosa meravigliosa sugli stubs risonanti: alla risonanza, non importa lungo quale punto del conduttore voi misuriate l'impedenza, troverete sempre una resistenza pura. Se cortocircuitate un'estremità di uno stub monofilare e misurate tra il punto X del conduttore e la terra, avrete un'impedenza d'ingresso:

 

(1-7.0)

 

Questa impedenza d'ingresso è schematicamente mostrata in fig. 3(f), dove, nell'equazione (1-7.0)

 

 

 

e K₁ è l'impedenza caratteristica della sezione di linea di trasmissione alla sinistra del punto X di lunghezza elettrica θ₁°, K₂ è l'impedenza caratteristica della sezione di linea di trasmissione alla destra del punto X di lunghezza elettrica θ₂° gradi; Rt = Rr + R_Ω ; Xc è la reattanza del condensatore di accordo C alla frequenza f_o.

La gran cosa è che nel progetto pratico della DDRR voi non avete avuto la seccatura di dover risolvere l'equazione (1-7.0), né avete dovuto usare nella ricerca del punto X sulla DDRR un grazioso ma costoso ponte di impedenza allo scopo di ottenere un adattamento di impedenza a basso ROS. Questo perché, quando voi progettate la vostra sezione dell'elemento d'antenna DDRR come detto precedentemente e regolate il condensatore di accordo C per ottenere la risonanza alla frequenza operativa fo, tutte le reattanze fra il punto X e la terra vanno a zero, lasciando il solo valore resistivo dell'impedenza d'ingresso. Quello che dovete invece fare è:

a) controllare accuratamente con un grid-dip accoppiato lascamente al palo di base che la vostra DDRR sia ad una frequenza all'incirca a centro banda della gamma amatoriale;

b) commutare l'apparato su bassa potenza o "tune" in modo da alimentare la DDRR con un segnale alla fo tramite un cavo coassiale;

c) connettere un ROSmetro in serie all'estremità del cavo più vicina alla DDRR, dove poter leggere lo strumento;

d) collegare la calza del cavo uscente dal ROSmetro ad un punto temporaneo di terra (alla base del palo);

e) partire da un punto X poco al di sopra del palo verticale e spostare il centrale del cavo coassiale allontanandolo dal punto X finché il ROS cade a 1.0:1 alla fo.

Comunque, alcuni consigli fraterni:

1. fate la vostra lettura sul grid-dip alla fo mentre aggiustate C per ottenere la risonanza, senza connettere il cavo coassiale alla DDRR, altrimenti avrete una lettura falsata.

2. Quando collegate il cavo in shunt tra il punto X e la terra, voi disturbate il campo in prossimità della DDRR e quindi la frequenza di risonanza verrà spostata. Non importa: con l'apparato ancora su fo, "pizzicate" il condensatore di accordo in senso orario o antiorario fino a trovare il minimo ROS per quel punto X dell'antenna. Se il minimo ROS trovato dopo un'accurata regolazione di C è maggiore di 1.0:1, spostate più in alto o più in basso il punto X sull'antenna e ripetete il processo di "pizzicotti". Quando avrete trovato il punto X per la frequenza di centro banda dove la regolazione di C dà un ROS minimo di 1.0:1, troverete che lo stesso punto X darà un ROS inferiore a 2.0:1 quando la DDRR è sintonizzata in qualsiasi punto della banda. Il punto X definitivo, trovato per un ROS di 1.0:1 a centro banda, può finire sia sopra il tratto verticale che sopra quello orizzontale delle due linee di trasmissione; la sua esatta posizione è determinata sia da h° che da Km.

Maggiore è h° e più bassa è Km, e più basso sull'antenna troverete il punto X con il R0S a 1.0:1. Infine, sarete infastiditi dal fatto che la sintonia della DDRR è molto irascibile e che la presenza del vostro corpo in prossimità dell'antenna ne modifica la sintonia. Questo si verifica in tutte le antenne elettricamente accorciate ad alta efficienza. Quando l'accorderete effettivamente, la vostra DDRR terminata sarà in una forma diversa, avrà un condensatore di accordo regolabile a distanza e di norma non ci sarà nessun genere di lastre metalliche o piani di terra a fili radiali sotto di essa. Sarete in grado di montarla sul tetto di un garage di legno o poggiarla su bottiglie di coca sopra la nuda terra. Nella seconda parte dell'articolo, dopo aver dato un ultimo tocco alla DDRR per le bande amatoriali, descriveremo altre antenne a linee di trasmissione elettricamente accorciate sperando che troverete anch'esse interessanti ed utili.

Grazie a questi accenni sulla DDRR, capire queste altre antenne sarà solo un gioco da ragazzi.

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¹ Brevetti USA (J.M.Bover): #3,151,329 #3,247,515 #RE26 196 Tutti assegnati alla Northrop Corporation, Hawthorne, California

² S.A.Schelkunoff "Antennas Arbitrarvi Size and Shape" PROC. I.R.E. 29, 493 - 521 (Sett. 1941)

³ I simboli Kc e Km vengono usati per indicare l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione orizzontale e del monopolo d'antenna verticale, rispettivamente, invece di Z_o, allo scopo di evitare che questi valori vengano confusi con la Z_o della linea di trasmissione standard quando la useremo per alimentare l'antenna DDRR.

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