PRIMA PARTE - Antenna a loop magnetico per la sola ricezione da circa 1,8 a 30 MHz
ll nostro amico Roberto IK0LRG ci invia questo interessante articolo di Florenzio I0ZAN del Boatanchors Net su una sua antenna a loop, che credo possa interessare molti amici radioamatori o SWL/BCL, specie col problema dei tetti urbani, e-mail : izerozan@libero.it
Nel campo radioelettronico, per quanto riguarda le antenne, esiste uno slogan che dice testualmente “l’antenna ben calcolata e messa a punto è il migliore degli amplificatori”.
Questa frase la troviamo nella prima pagina di introduzione del volume ANTENNE editrice il ROSTRO anno 1956 ed ancora oggi è totalmente valida. L’elettronica ha fatto passi da gigante, siamo arrivati alle nanotecnologie, all’estremamente piccolo, all’invisibile, ma quando la radioelettronica si deve propagare nello spazio non c’è niente da fare, il millimetro diventa metro e chi la fa da padrone è l’antenna che a sua volta deve rispettare delle precise dimensioni per essere tale, questo in modo particolare nella gamma delle HF.
Volevo realizzare un’antenna di piccole dimensioni da impiegare solo in ricezione che mi consentisse di captare i segnali sull’intera gamma delle HF, naturalmente l’interesse principale era rivolto alla ricezione delle gamme radioamatoriali. Se eliminiamo il parametro “piccole dimensioni” non esistono problemi, anzi siamo notevolmente aiutati dalla moltissima documentazione in merito, ma questa non era la mia idea. Lo scopo della realizzazione era quello di costruire un piccolo oggetto di peso ridotto e facilmente trasportabile da utilizzare anche dentro casa e destinato quasi esclusivamente alla ricezione dei segnali radioamatoriali, che per fortuna qualche volta vengono trasmessi con potenze di poche centinaia di watt e che arrivano alle nostre antenne “come il canto di un passero in mezzo ad un pollaio di galline”. Non è stato semplice mettere assieme i parametri per ottenere un dispositivo che mi consentisse di presentare all’ingresso del ricevitore dei segnali di ampiezza decente ed in grado di essere demodulati. Dopo molte ricerche e prove pratiche, ho scelto di realizzare una antenna del tipo a loop magnetico accordabile sulla frequenza da ricevere. In una simile tipologia di antenna il link che noi utilizziamo per prelevare il segnale, costituisce un vero e proprio cortocircuito per tutto lo spettro dei segnali a radiofrequenza che lo circondano, solo i segnali su cui è sintonizzato l’elemento ricevente verranno trasferiti al ricevitore, questo in primo luogo costituisce un valido filtro per i segnali che si intende ricevere e data la peculiarità che ha questo genere di antenna nel venire sensibilizzata prevalentemente dalla sola componente magnetica di un segnale radio avremmo anche una notevole riduzione dei disturbi di origine elettrostatica che circondano l’elemento.
Come tutti i circuiti risonanti, l’antenna a loop è costituita da una induttanza e da una capacità. l’induttanza in questo caso costituisce l’elemento captante i segnali radio, mentre un condensatore generalmente variabile lo porta in risonanza sulla frequenza da noi scelta. Il circuito così ottenuto ha un elevato fattore di merito, esalta e trasferisce al link di accoppiamento solo una piccola parte dello spettro dei radiosegnali presenti.
L’antenna a loop magnetico quando ben calcolata per funzionare su di una determinata frequenza può raggiungere l’efficienza di un dipolo. I parametri che contribuiscono ad ottenere dei buoni rendimenti sono la circonferenza dell’elemento radiante, il suo diametro, la forma dell’elemento ed il materiale di cui è composto. Naturalmente il valore di efficienza maggiore di un simile dispositivo lo avremmo in corrispondenza della frequenza su cui è ottimizzata la componente induttiva e quella capacitiva; efficienza che poi decresce progressivamente allontanandosi da questo valore. Dal momento che la componente induttiva è data dalle misure fisiche dell’elemento e non possono essere rese variabili, avremmo la maggiore efficienza solo su di un certo segmento di frequenza, mentre spostandone la sintonia tramite il condensatore variabile arriveremmo ad una frequenza dove il rendimento diventa irrisorio, nella tab. 1 tratta dal software di KI6GD (Magnetic loop calculator V 1,4-2009) ho riportato un esempio di come questi parametri cambiano al variare della frequenza, mantenendo fissi la circonferenza ed il diametro dell’elemento risonante, il parametro dell’efficienza in percentuale è riferito ad una antenna ideale calcolata per la frequenza indicata.
Tab 1
Circonferenza loop cm. 200 diametro del tubo mm. 19 in alluminio
Freq. MHz 28 banda passante KHz 62 cap. sint. pF. 10 efficienza % 66 valore di Q 449
Freq. MHz 27 banda passante KHz 56 cap.sint. pF. 12 efficienza % 63 valore di Q 479
Freq. MHz 24 banda passante KHz 41 cap.sint. pF. 17 efficienza % 53 valore di Q 576
Freq. MHz 21 banda passante KHz 31 cap.sint. pF. 24 efficienza % 42 valore di Q 674
Freq. MHz 18 banda passante KHz 23 cap.sint. pF. 35 efficienza % 29 valore di Q 758
Freq. MHz 14 banda passante KHz 17 cap.sint. pF. 62 efficienza % 15 valore di Q 810
Freq. MHz 10 banda passante KHz 13 cap.sint. pF. 129 efficienza % 5 valore di Q 764
Freq. MHz 9 banda passante KHz12 cap.sint. pF. 160 efficienza % 3,6 valore di Q 737
Circonferenza loop m. 5 diametro mm. 19 in alluminio, ( due elementi collegati in serie)
Freq. MHz 8 banda passante KHz 17 cap.sint. pF. 81 efficienza % 28 valore di Q 469
Freq. MHz 7 banda passante KHz14 cap.sint. pF.109 efficienza % 19 valore di Q 490
Freq. MHz 4 banda passante KHz 9 cap. sint. pF.362 efficienza % 3,3valore di Q 459
Freq. MHz 3 banda passante KHz 7 cap. sint. pF. 653 efficienza % 1,2 valore di Q 394
Freq. MHz 2 banda passante KHz 6,2 cap.sint. pF 1486 efficienza % 0,3 valore di Q 325
Freq. MHz 1,8 banda passante KHz 5,8 cap.sint. pF 1838 efficienza % 0,2 valore di Q308
Per motivi di peso (e di costo) ho deciso di realizzare gli elementi induttivi in alluminio (nota 1). Esiste nel settore idraulico un tubo chiamato multistrato e composto da tre strati, quello esterno e quello interno sono di materiale plastico mentre il centro è di alluminio, molto leggero, facile da lavorare e con diametri esterni diversi. Per semplicità ho realizzato gli elementi con la forma circolare, come compromesso per ottenere la copertura dell’intera gamma ho dovuto realizzare due loop con circonferenza diversa che vengono posti in serie sulle frequenze più basse, il primo elemento ha una circonferenza di cm. 200 (A di fig. 1) che ho utilizzato per la ricezione dai 28-29 MHz fino 8 MHz circa mentre il secondo elemento da cm. 300 (B di fig. 1) posto in serie al primo tramite l’impiego di relè consente di estendere la frequenza ricevuta a 1800 KHz circa.
Fig. 1 
Costituzione dell’antenna e considerazioni
La componente dell’antenna destinata a captare il segnale è costituita da due elementi di forma circolare, un link per il prelevamento del segnale ed un condensatore variabile. Il tutto assemblato in un contenitore dove trova posto anche l’elettronica che è composta, da un filtro passa basso, un preamplificatore, un motorino passo passo con relativo circuito decoder (gruppo di sintonia).
In un’altro contenitore (scatola di controllo) sono montati: un encoder con elettronica, interruttori per la selezione degli elementi e del preamplificatore ed uno strumento di riferimento. La scatola di controllo è collegata all’antenna tramite un cavetto multifilare mentre un cavetto coassiale serve per il trasferimento del segnale a radio frequenza. La soluzione adottata è il risultato di numerose prove, poiché il concetto di intera banda e di piccole dimensioni dovevano essere rispettati ho dovuto scegliere dei compromessi che mi consentissero di recuperare il massimo del segnale, per accoppiare gli elementi all’utilizzatore ho escluso il sistema in alta impedenza, ho preferito impiegare un link in bassa impedenza, questa è stata la soluzione che ha dato i risultati migliori ed è notevolmente fuori dalle regole, consente un buon trasferimento dei segnali anche con i due elementi in serie e rende possibile l’impiego dell’antenna con ottimi risultati anche senza preamplificatore, in base a questa considerazione non ho chiamato questa realizzazione antenna attiva, fuori dalle regole perché la teoria che vuole gli estremi di una antenna a loop isolati dalla massa e collegati al condensatore di sintonia in questo caso non è rispettata, ma confermo che i risultati ottenuti sono ottimi e superiori se confrontati ai sistemi di accoppiamento tradizionali.
L’impiego di questa antenna si è dimostrato molto versatile, date le piccole dimensioni, il peso (Kg 2,8) e la forma, può essere impiegata internamente con dei discreti risultati mentre se installata esternamente anche su di un balcone consente di recuperare una parte delle perdite dovute alle sue piccole dimensioni, non è detto che essendo attivata dalla sola componente magnetica dei radiosegnali sia completamente insensibile alla ricezione dei rumori e per questo motivo ho impiegato un preamplificatore con un medio fattore di amplificazione che tramite dei relè può essere inserito od escluso dal circuito.
Analizzando il segnale all’uscita del link ho riscontrato che nel segmento di frequenza riservato alle trasmissioni in modulazione di frequenza 70-100 MHz le portanti presenti assumono dei valori impressionanti. Per evitare che queste provocassero dei brutti disturbi al preamplificatore ho pensato di ridurle drasticamente tramite un filtro passa basso a 7 poli con la frequenza di taglio a 30 MHz.
Per la sintonia degli elementi ho impiegato un condensatore variabile del tipo tradizionale a tre sezioni, collegate a sua volta in parallelo agli elementi della banda scelta tramite dei relè. Il condensatore è motorizzato tramite un motorino passo passo e le operazioni di sintonia si effettuano dalla scatola di controllo.
Come si può notare dalle Tab. 1 l’escursione capacitiva necessaria per coprire l’intera gamma è molto grande. Mentre la massima frequenza sintonizzabile è limitata dalla capacità parassita del condensatore che difficilmente è inferiore ai 10 pF. per sintonizzare l’antenna sulla frequenza più bassa di circa 1800 KHz oltre il collegamento in serie degli elementi, si devono collegare in parallelo le tre sezioni del variabile e ricorrere ad una capacità supplementare.
Ho trovato molto interessante questa realizzazione ed agli amici a cui piace ascoltare e girare per la banda in cerca di curiosità, consiglio di fare questa esperienza; non è il solito filo di alcuni metri con preamplificatore, questa antenna sintonizza il segnale, lo esalta e lo invia al ricevitore con un elevato rapporto segnale rumore, che non è cosa da poco. Naturalmente bisogna tenere in considerazione che si tratta di un oggetto di piccole dimensioni e non è il caso di confrontarla con antenne calcolate o direttive.
Spostando l’antenna dall’interno della stanza al tetto, ho riscontrato un incremento nel segnale ricevuto superiore ai due punti dello S-meter, mentre non sono apprezzabili le variazioni del segnale modificandone l’orientamento.
Fig. 2 
Costruzione dell’antenna
Come prima cosa consiglio di realizzare la parte antenna lasciando per ultima la componente elettronica, una volta predisposti gli elementi e la scatola per il loro supporto, l’antenna è già utilizzabile, quindi si può decidere come equipaggiarla.
Bisogna procurarsi due spezzoni di tubo multistrato in alluminio da cm. 2 di diametro con una lunghezza di cm. 200 e di cm. 300, il tubo è venduto arrotolato e non sarà difficile sagomarlo nella forma circolare, una scatola di plastica a tenuta stagna del tipo usato per gli impianti elettrici da cm 15x20x8 è impiegata per contenere tutta l’elettronica e per il fissaggio degli elementi, nella foto di fig. 2 sono visibili i particolari e le misure per le forature (nota 2), per il fissaggio degli elementi alla scatola ho usato dei manicotti in plastica, sempre reperibili nel materiale usato in campo elettrico, nella parte inferiore della scatola ho montato il connettore per l’uscita del segnale radio ed un connettore multipolare, prima dell’assemblaggio, agli elementi si devono liberare le estremità dalla guaina esterna fino allo strato di alluminio, quanto basta per consentirne il fissaggio di un piccolo capicorda in ottone dove saldare il conduttore, inoltre nell’elemento piccolo bisogna togliere 10 mm di guaina ad una distanza di 72 cm in questo punto (risultato di molte prove) viene poi fissato tramite un fascetta a forma di 8 (vedi fig. 3) l’elemento che costituisce il link di accoppiamento, che è realizzato in tondino di alluminio pieno con un diametro di mm. 6 e con una lunghezza di cm. 78, (D di fig. 1, ho ricoperto questo elemento con una guaina di plastica), il link deve essere ben sagomato e la sua distanza dall’elemento è di circa mm. 22 (cm. 35 centro centro), la parte che andrà internamente alla scatola va schiacciata ed appiattita per circa mm 10 dove praticheremmo un foro da mm 3, che ci serve per il fissaggio di un capicorda sempre in ottone, utilizzato per il collegamento del conduttore di accoppiamento del segnale; solo quando alla scatola sono stati praticati tutti i fori e dopo aver provato la precisione del lavoro realizzato si può passare all’assemblaggio degli elementi, io consiglio di fissare i manicotti alla scatola anche con del collante e l’impiego di silicone tra elemento e manicotto per realizzare una perfetta tenuta stagna; per prima cosa si monta l’elemento piccolo poi il link di accoppiamento ed infine l’elemento esterno, tenendo presente che i capicorda dovranno sporgere di alcuni mm internamente alla scatola per consentire la saldatura dei conduttori.
Ad assemblaggio ultimato l’elemento piccolo avrà un diametro di circa cm 70 mentre quello più grande di cm 100 circa, ho rinforzato la struttura con due staffe in plastica che servono anche per mantenere equidistanti gli elementi fig. 4 e particolare C di fig1.
A questo punto potremmo chiamare il nostro lavoro “antenna” e ci si può togliere la prima soddisfazione, si può realizzare il circuito di fig. 5, per le commutazioni si possono usare degli interruttori, per la sintonia un condensatore variabile con almeno 400/500 pF di capacità con una manopola montato in modo provvisorio, (lo schema è riferito ad un condensatore di tre sezioni). L’estremità dell’elemento piccolo (L1 A) posta dalla parte del link è collegata alla massa comune di tutta l’antenna, su questo punto salderemmo la calza di un spezzone di cavetto coassiale mentre il conduttore centrale lo salderemmo direttamente al capicorda posto alla estremità del link, dopo aver montato un connettore sul cavo coassiale si può collegare il ricevitore anche senza preamplificatore per controllare l’efficienza del lavoro fatto con delle prove di ricezione, l’interruttore S1 è a due sezioni nella condizione di riposo collega la capacità C1 (basta una capacità variabile di 200 pF) in parallelo al primo elemento (terminale B), in queste condizioni potremmo sintonizzare l’antenna dalla frequenza più alta di circa 28 MHz agli 8-9 MHz, spostando l’interruttore in alto l’elemento L2 viene posto in serie al primo ed il punto D è collegato alle capacità C2 e C3 che dovrebbero raggiungere un valore di almeno 800 pF, in queste condizioni la frequenza sintonizzata passa da circa 8-9 MHz a 3 MHz, per scendere ulteriormente in frequenza si deve spostare il commutatore S2 in alto, in queste condizioni al punto D dell’elemento viene collegato C1 ed una capacità supplementare di circa 560 pF necessaria per sintonizzare i due elementi da 3 MHz a circa 1800 KHz.
Come si può notare dalla Tab. 1 la banda passante dell’antenna è abbastanza stretta, quindi solo i segnali corrispondenti alla frequenza sintonizzata verranno esaltati, nelle prove di ascolto conviene prima sintonizzare il ricevitore sulla frequenza di interesse e dopo procedere alla predisposizione ed alla sintonia degli elementi, ci tengo a precisare che il dover sintonizzare l’antenna sulla frequenza che si intende ricevere non va considerato come un fattore negativo, dopo alcune prove ne apprezzeremmo i vantaggi, procedendo con la sintonia tramite il condensatore variabile si noterà un notevole incremento nella intensità dei segnali radio presenti in corrispondenza del punto di risonanza, eseguendo una sintonia fine sul segnale sintonizzato avremmo la soddisfazione di vedere l’intensità del segnale ricevuto aumentare di livello in modo considerevole, se la frequenza radio sintonizzata è libera da trasmissioni, variando il condensatore si troverà un punto dove avremmo un leggero incremento del rumore di fondo sul ricevitore, questo è il punto che corrisponde alla sintonia dell’elemento, non sempre è riscontrabile specialmente se ci troviamo in una zona con scarsi rumori ambientali; conviene fare diverse prove su tutta la banda di frequenza per vedere se il condensatore variabile impiegato e idoneo e per calcolare il valore della capacità supplementare da impiegare; quindi proseguiamo il lavoro per meccanizzare il nostro condensatore.
Fig. 5 
Vi auguro buona lettura, divertitevi nell'iniziare a costruire questa fantastica antenna. Ci vediamo con la seconda parte, a presto.
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Link della seconda e terza parte :
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