Ancora un'antenna! Dopo una certa età ci sono medicine che si
devono assumere tutti i giorni, (fortunato colui che ne è esentato) : realizzare
un'antenna od altri marchingegni radioelettrici è la cura giornaliera perfetta
per chi non è più giovane e per chi da giovane ha contratto un certo virus.
Ho voluto
riesaminare una mia realizzazione che a suo tempo data la forma chiamai “ODIBILOOP”; era una piccola antenna,
particolare nel circuito impiegato e nella costruzione, ha interessato ed
interessa ancora molti radio appassionati, descritta sui numeri 2 e 3 anno 2012 di Radio Rivista, e sul blog AIR RADIORAMA a questi indirizzi :
Con questa nuova
realizzazione ho voluto provare un nuovo sistema (per me) atto a captare
segnali radio; per quanto mi è stato possibile ho sempre cercato di realizzare
antenne sintonizzate o sintonizzabili sul segnale che volevo ricevere o
trasmettere. Loop...ina
così ho deciso di chiamare questa antenna, può sintonizzarsi e
quindi trasferire al ricevitore segnali da circa 1,8 MHz a 30 MHz .
La particolarità consiste nell'elemento
captatore (antenna) e nella modalità di collegamento adottato. Si tratta di uno
spezzone di cavo coassiale semi rigido: la guaina esterna viene sintonizzata
mediante un condensatore variabile sulla frequenza che si intende ricevere,
mentre il conduttore interno svolge la funzione di link; il segnale presente ai
suoi capi viene inviato direttamente al ricevitore, ovvero tramite un
preamplificatore. Penso che il termine giusto per definire questa piccola
antenna sia antenna cittadina, ne consiglio la costruzione
a chi ha poco spazio disponibile e si trova in ambiente con un elevato
inquinamento radioelettrico. È chiaro che non è un'antenna per la ricezione DX,
ma le piccole dimensioni e la soluzione adottata hanno il pregio di inviare al
ricevitore un livello di rumore molto basso; consiglio, quindi, la sua
costruzione a chi come me non vuole spegnere lo stagnatore e non lascia tempo
alla noia, e perché no, anche ai big. Era
un'idea che aspettava il momento giusto per la sua messa in opera, non ho preso
spunto da altre realizzazioni e non ho idea se esistono tipologie di impiego
simili.
Procediamo con la sua descrizione in cui ho
volutamente evitato qualsiasi riferimento a formule matematiche per rendere
meno pesante la trattazione. Si tratta di un progetto pratico e sperimentale;
chi desiderasse approfondire la parte teorica, ha molto materiale a
disposizione su Internet che ritengo superfluo in questo contesto.
Composizione dell'antenna
Loop...ina è composta da due
parti: antenna con accessori e box di controllo. Un condensatore variabile
statico, un preamplificatore e due relè costituiscono gli accessori che sono
posti all'interno di un contenitore che svolge anche la funzione di supporto
per l'elemento captatore.
Il box di controllo collegato all'antenna
tramite un cavetto schermato ad otto conduttori è composto da un encoder con
relativo circuito, alcuni interruttori ed uno strumento posizionato sul
pannello frontale che consente di conoscere approssimativamente su quale
frequenza è sintonizzata l'antenna.
Descrizione
degli elementi che compongono Loop...ina
Elemento captatore
Per costruire il
captatore ho utilizzato uno spezzone di cavo coassiale semirigido del tipo
Cellflex da ½ pollice; l'elemento ha forma circolare ed un diametro di 85 cm.
Ho scelto di usare questo diametro dopo molte prove ed anche perché unitamente
al valore della capacità impiegata, esso consente di sintonizzare l'antenna
all'incirca da circa 3 a 18 MHz. Per il segmento 1,8-3 MHz una capacità supplementare
viene posta in parallelo all'elemento mentre per la fettina di frequenze da 18
a 30 MHz essa viene posta in serie,
tramite due relè azionati dal box di controllo, diminuendo quindi, il valore
della capacità di sintonia.
I
componenti dell'antenna sono inseriti all'interno di una scatola in alluminio a
tenuta stagna di 25x20 cm, mentre l'elemento ricevente (o captatore) è fissato
alla scatola tramite due manicotti di plastica che lo bloccano in posizione
verticale.
Ad una
estremità del cavo la guaina ed il conduttore centrale sono collegati
rigidamente alla massa di tutto il sistema, nell'altra la guaina è collegata al
condensatore variabile mentre il conduttore centrale svolge la funzione di link
per il prelievo del segnale. (fig. 2 e fig. 3)
In questo
modo si realizza un circuito risonante composto dall'induttanza della guaina
esterna del cavo coassiale che ha valore fisso e dalla capacità del
condensatore che è variabile (a cui si sommano le varie capacità parassite).
Poiché la guaina esterna del cavo è anche l'elemento captatore del segnale,
questo sistema esalta i segnali di frequenza pari a quella di risonanza e li
trasferisce per via induttiva al
conduttore centrale, in questo modo si realizza un circuito risonante ad alto Q
ed il trasferimento al circuito utilizzatore, del segnale di origine
prevalentemente magnetica: questo è ciò che volevo provare.
Per
non caricare il circuito risonante e non deteriorare, quindi, la qualità
del debole segnale sintonizzato, il conduttore centrale del cavo è collegato ad
un trasformatore che ne adatta l'impedenza.
Condensatore variabile
Avendo deciso di
costruire l'antenna con un solo elemento e di misura fissa; per poterla
sintonizzare su di un ampio spettro di frequenza serviva un idoneo condensatore
variabile. Esistono diversi software che consentono di calcolare i valori ed i
parametri di un loop: nella tabella 1 sono riportati alcuni dati
ricavati impiegando uno di questi software e calcolati per un'antenna con il
diametro di 85 cm; come si può notare il valore teorico della capacità
necessaria a sintonizzare l'antenna sulla gamma di frequenza che volevo
utilizzare va da pochi pF a circa 3000 pF.
Freq. MHz
|
BW KHz
|
Capacità pF
|
Rend. %
|
29
|
100
|
5
|
89
|
21
|
36
|
13
|
72
|
18
|
23
|
21
|
60
|
14
|
13
|
40
|
39
|
7
|
6
|
187
|
6
|
3.7
|
4
|
690
|
0,6
|
1.8
|
3
|
2940
|
0,1
|
Tabella 1 Parametri calcolati per
antenna loop di cm 85
Quando realizzai la ODIBILOOP per la sua
sintonia avevo impiegato un condensatore variabile con isolamento in aria,
veramente bello. Purtroppo sono oggetti che piano piano restano nei ricordi ed
ormai quasi introvabili. Per la Loop...ina
ho usato un “condensatore allo stato solido” di mia
ideazione, che ho chiamato “condensatore variabile statico”: il suo valore
(compreso quello della sua capacità parassita) va da 20 a 1295 pF circa, con
una variazione di 5 pF per ogni step.
Praticamente con questo condensatore si riesce
a sintonizzare l'elemento ricevente per il segmento di frequenza 18 - 3 MHz
circa; per le frequenze superiori ho collegato in serie al variabile un
compensatore da tarare in fase di all'allineamento, mentre per le più basse una
capacità di opportuno valore gli viene collegata in parallelo. Dette operazioni
sono eseguibili dal box di controllo tramite due relè, (RY1 e compensatore CV1
per la frequenza 18/32, RY2 e condensatori C2-C3 per 1,8/3 MHz.
Condensatore variabile statico fig. 4
R1-R4-R9 4,7 K Ω C1/C6 1 KpF
R2-R5-R8 22 K Ω C7-C9 100 KpF
R3-R6 3,3 K Ω C8 220 KpF
R7 18 K Ω C10 100 MF 25 Vcc
RV1/RV4 trimmer 100 Ω CV1/cv3 compensatore 2,5-15 pF
RV5/RV8 trimmer 5 K Ω CV4/CV8 compensatore 10-50 pF
IC1 IC2 CD 40193 CV3a/CV8a vedi
tabella 2
Q1/Q10 2N2222 RY1/RY8 relè miniatura 12 Vcc deviatore due
scambi
Per realizzare il condensatore
variabile ho utilizzato due integrati del tipo CD40193, (lo schema in figura 4) questo integrato è un
contatore avanti-indietro del tipo BCD/divisore per 16: ai piedini di ingresso
del primo integrato
arrivano gli impulsi (step) generati dal circuito encoder che si trova nel box
di controllo; quando gli impulsi sono
presenti sul pin 5 il contatore incrementa la sua uscita, la decrementa se
arrivano al pin 4. Le otto uscite dei due CD40193 attivano ciascuna un relè a
doppio scambio (RY1-RY8) dei quali una sezione effettua la
commutazione a massa di un condensatore (CV1-CV8) mentre l'altra commuta una
resistenza (RV1-RV8). Quando si alimenta il circuito il condensatore C8
caricandosi porta a zero le uscite dei contatori quindi i relè
sono tutti disattivati; con la ricezione degli impulsi nel circuito
condensatore si attua questa sequenza: con il primo impulso si attiva RY1 ed un
estremo di C1 che ha un valore di 5 pF viene posto a massa, con il secondo si
disattiva RY1 e si attiva RY2 in questo caso C2 ha un valore di 10 pF, con il
terzo impulso RY2 resta eccitato e si attiva nuovamente RY1 quindi avremmo a
massa C1 più C2, il valore totale passa a 15 pF, cosi di seguito fino alla
ricezione del 255-esimo
impulso che attiva tutti i relè per una capacità totale di 1275 pF a cui si
aggiunge la capacità parassita: il tutto misurabile sul punto CV.
All'impulso successivo i contatori portano le
loro uscite a livello zero e la sequenza può ripartire. Ho impiegato dei relè
miniatura del tipo ermetico, mentre un piccolo compensatore variabile posto in
parallelo ad altri consente di ottenere il giusto valore di capacità.
La seconda sezione di
scambio di ciascun relè è collegata ad un trimmer, quando il relè è disattivato
il trimmer viene by-passato dai contatti P2-Q2, con tutti i relè disattivati il
valore totale della resistenza sul punto RV corrisponde a zero .
Il primo trimmer è regolato per una
resistenza di 10 W che viene inserita nel circuito con l'eccitazione di
RY1, il secondo per 20 W e cosi di seguito. Ad una variazione di capacità sul
punto CV corrisponde una variazione di resistenza su RV, questa resistenza
variabile è collegata al box di controllo e fa parte di un circuito rivelatore
comprendente uno strumento di misura che indicherà su quale frequenza è
sintonizzata la nostra antenna. Nella tabella 2
sono riportati i valori delle capacità e delle resistenze che
vengono implementati dai singoli relè. Per agevolare l'allineamento e per capire se
la logica di commutazione funziona regolarmente, in parallelo ad ogni relè è
collegato un diodo LED che si accende quando i relè stessi vengono eccitati.
I due relè impiegati per l'inserzione delle
capacità supplementari sono montati su di una basetta separata dal condensatore
variabile.
Trasformatore di adattamento e preamplificatore
Il rendimento,
teorico, di questo tipo di antenna è riferito ad un dipolo calcolato sulla
frequenza che si intende usare. Come si vede nella tabella 1 le frequenze comprese nel segmento
basso della gamma hanno un rendimento irrisorio: questo è dovuto esclusivamente
alle ridotte dimensioni della Loop...ina.
Però non bisogna dimenticare che antenna
piccola significa anche noise ridotto: questo in molti casi può
essere vantaggioso ed un buon preamplificatore serve a recuperare le differenze
di rendimento.
Il preamplificatore usato è lo stesso
impiegato sulla ODIBILOOP, funzionava bene con quell'antenna e va veramente
bene anche su questa (nella figura 6 lo
schema elettrico); un filtro passa basso posto all'ingresso
del transistor 2N3866 evita l'amplificazione dei segnali con frequenze
superiori ai 30 MHz. Questo preamplificatore ha un guadagno di circa 12 dB su
tutto il segmento di frequenza usato, il rumore prodotto con la sua inserzione
è trascurabile e non produce disturbi causati da intermodulazione.
Per ottenere degli
eccellenti risultati è necessario e importante un perfetto trasferimento di
segnale dal link all'utilizzatore, a questo provvede il trasformatore T1
ottimizzato per lo scopo.
Per realizzare il trasformatore T1 ho impiegato un nucleo FT 37-43: il primario è composto da 10
spire mentre il secondario da 3 spire di filo smaltato da mm 0,3 di diametro;
il trasformatore T2 è avvolto su di
un nucleo binoculare in ferrite e realizzato impiegando due spezzoni di filo di
rame smaltato da 0,3 mm di diametro, lunghi circa 45 cm, i due fili sono
attorcigliati ed inseriti nel nucleo per ottenere 10 spire.
Preamplificatore fig. 6
R1 100 Ω C1-C2 170 pF C8 22MF 25
Vcc T1-T2 vedi testo
R2 1
KΩ C3-C6-C7 100 KpF L1-L3 160 uH
R3 4,7
Ω C4 1 KpF L2 530 uH
R4 6,8
Ω C5 470 KpF Q1 2N3866
Box di controllo
Il box di controllo è
collegato all'antenna tramite un cavetto schermato ad otto conduttori, ho usato
il tipo che normalmente si utilizza negli impianti di allarme. Gli impulsi per
il funzionamento del condensatore sono generati da un encoder. Per chi si
trovasse in difficoltà nel recuperare questo componente ed anche perché il
costo di uno nuovo non è irrisorio, ho realizzato un circuito che al suo posto
utilizza due pulsanti.
Lo schema
di figura 8 impiega un encoder ottico,
quello da me usato è un po’ vintage e recuperato dalla rottamazione di uno
strumento. La tensione per il suo funzionamento è di 5 Vcc, le uscite sono due
LA ed LB, da queste escono i criteri generati con la rotazione della manopola.
Il circuito elettrico ad esse collegato produce gli impulsi idonei per il
funzionamento dei contatori posti nel condensatore variabile. Ruotando la
manopola che comanda l'encoder gli impulsi generati dal circuito vengono
trasferiti al pin LA oppure LB del connettore di uscita, quando per il senso di
rotazione imposto gli impulsi escono dal pin LA, il pin LB resta a livello zero
e viceversa, questo predispone i contatori del condensatore variabile per il
conteggio positivo oppure negativo.
La resistenza inserita
tramite i relè e disponibile sul punto RV del box è collegata ad un circuito a
ponte con uno strumento utilizzato come riferimento per la sintonia
dell'antenna. Lo strumento da me utilizzato ha una portata fondo scala 1 mA ed un
quadrante ampio che alla fine del lavoro ho modificato inserendogli dei punti
di riferimento relativi alla frequenza sintonizzata.
Nello schema di figura 9 è riportata la versione che impiega due pulsanti in
sostituzione dell'encoder, premendo brevemente uno dei pulsanti il circuito ad
esso collegato genera un solo impulso, mentre
mantenendolo premuto viene generata una sequenza continua di impulsi;
con il pulsante P1 gli impulsi escono sul pin LA ed i contatori presenti sul
condensatore incrementano il conteggio in positivo, il pulsante P2 genera gli
stessi criteri con la differenza che usciranno dal pin LB ed il conteggio sarà
negativo.
Ultimata la costruzione del condensatore e
dell'encoder, prima di procedere all'allineamento controllare il corretto funzionamento
dei due circuiti. Disponendo di un oscilloscopio si può controllare la sequenza
degli impulsi generati, il funzionamento dei contatori e l'eccitazione dei
relè; l'accensione dei diodi LED sarà di notevole aiuto.
Generatore di impulsi con encoder fig. 8
R1-R2 4,7 KΩ C1 10 MF 25 Vcc Q1-Q2 2N2222
R3-R4
22 KΩ
C2 47 MF 25 Vcc
R5-R6
3,3 KΩ
C3-C4 10 KpF
R7-R8
2,2 KΩ
IC1 CD4081
R9-R10 5,6
KΩ IC2
CD4011
RV1/RV3
trimmer 10 KΩ IC3 7805
Generatore
di impulsi con pulsanti fig. 9
R1-R2-R5-R10/R13 22 KΩ C1 1 MF ceramica D1/D4 1N4148
R3 18 KΩ C2 47 MF 50 Vcc D7 zener 5 Vcc
R4-R7-R8 100 KΩ C3-C7/C9 1 KpF IC1 CD 4081
R6-R9 4,7 KΩ C4-C5 230 KpF IC2 CD 4011
R16 220 Ω
R17-R18 5,6 KΩ
RV1/RV3
trimmer 10KΩ
Allineamento
Bisogna allineare il condensatore variabile statico, i trimmer che
compongono la resistenza variabile, il bilanciamento dello strumento e quindi
tutto il sistema.
Collegare condensatore con encoder ed un
capacimetro ai terminali CV, con tutti i relè aperti (non eccitati) misurare il
valore della capacità parassita questa misura è importante ed il suo valore va
poi sommato a quello della capacità inserita con la chiusura del relè
corrispondente.
Alimentare le schede per procedere
all'allineamento. Tramite l'encoder si deve eccitare il primo relè RY1 il
valore capacitivo inserito con la sua chiusura deve essere di 5 pF che si
ottengono regolando CV1; quindi se la capacità parassita ha un valore di 20 pF
dovremmo regolare il compensatore variabile CV1 per ottenere una lettura sul
capacimetro 25 pF. Eccitare il relè RY2 e regolare CV2 per una capacità totale
di 30 pF e così di seguito per ogni singolo relè, per il valore della capacità
inserita dai singoli relè consultare la tabella 2. È bene ripetere questa
operazione di allineamento almeno due volte controllando che l'incremento del valore capacitivo di 5
pF avvenga regolarmente ad ogni step. Collegare uno strumento ohmetro sul punto
RV, (che deve essere scollegato dal circuito) con tutti i relè non eccitati la
resistenza misurata deve essere di zero ohm, il primo relè RY1 inserisce nel
circuito il trimmer RV1 che andrà regolato per una misura sullo strumento di 10
ohm, il trimmer RV2 andrà tarato per 20 ohm e così di seguito per ogni singolo
relè (vedi tabella 2) con tutti i relè eccitati il valore totale della
resistenza è di circa 2550 ohm.
Per bilanciare lo strumento
collegare il terminale RV, mentre per evitare traumi allo strumento consiglio
di non collegarlo. Il circuito a ponte viene alimentato con una tensione
stabilizzata di 5 Vcc ed i trimmer RV 1-2-3 consentono di bilanciare strumenti
anche poco sensibili; regolare il trimmer RV2 al centro della sua escursione,
mentre per RV3 la sua resistenza deve essere tutta inserita. Si inizia con
tutti i relè chiusi, (LED tutti accesi e massima resistenza inserita), misurare
la tensione sul punto B quindi effettuare la misura sul punto A e
regolare il trimmer RV1 per ottenere lo stesso valore di tensione, effettuata
questa regolazione togliere l'alimentazione al circuito e collegare lo
strumento, inserire l'alimentazione ed
accertarsi che l'indice dello strumento non vada a sbattere a fondo scala. Se
così fosse ridurre il valore della resistenza di RV2 per portare l'indice dello
strumento a circa ¼ della scala, regolare nuovamente RV1 per ottenere una
indicazione di zero: in queste condizioni il ponte è bilanciato. Tramite
l'encoder aprire progressivamente i relè
controllando l'indicazione dello strumento e regolare RV2 ed RV3 per ottenere
con i relè tutti aperti (non eccitati LED tutti spenti) l'indicazione di fondo
scala.
A questo punto tutto è
pronto per il cablaggio dell'antenna e per le
prove di ricezione.
(Figura 11)
Preciso, se tutto è in
regola collegando l'antenna al ricevitore ne vedremmo anzi ne sentiremmo subito
i risultati, magari sintonizzandoci sui 40 oppure sui 20 metri, anche senza
preamplificatore ed all'interno della nostra stanza dei bottoni la loop...ina
si farà sentire. Sintonizzato il ricevitore su di una frequenza, tramite
l'encoder si varia la capacità del condensatore per sintonizzare l'antenna, un
leggerissimo incremento del rumore di fondo ricevuto indica che l'antenna è in
sintonia con il ricevitore, proviamo a variare la frequenza di ricezione ed i
risultati saranno evidenti.
Ulteriori controlli od allineamenti dipendono
dagli strumenti in nostra dotazione: io ho usato un generatore di segnali ed un
analizzatore di spettro entrambi vintage anzi molto. Il generatore di segnali
predisposto per la sua massima uscita e collegato ad una piccola antenna svolge
la funzione di TX mentre l'antenna in prova è collegata all'ingresso
dell'analizzatore predisposto per la sua massima sensibilità; posizionando il
condensatore variabile dell'antenna per la minima capacità, ed i condensatori
supplementari esclusi troveremmo la massima frequenza sintonizzabile dall'elemento captatore unitamente al
condensatore variabile impiegato, per avere questo parametro variare la
frequenza del generatore per trovare il massimo segnale misurato dall'analizzatore,
il procedimento contrario con i condensatori tutti chiusi per ottenere la
minima frequenza.
Nel prototipo da me
realizzato l'escursione di frequenza varia da 3 a 18 MHz circa.
Per il segmento di frequenza 18-30 MHz la
capacità da porre il parallelo all'elemento captatore dovrebbe variare da 21 a
circa 2 pF. Purtroppo dato l'alto valore della capacità parassita sono ricorso
ad un compromesso: ho collegato in serie al condensatore variabile statico un
compensatore di piccola capacità che in fase di allineamento viene tarato sulla
frequenza di 28 MHz.
Per l'allineamento si deve chiudere il relè
supplementare RY1 che collega in serie al condensatore variabile statico CV1,
regolare la capacità del condensatore variabile statico per il suo minimo
valore, predisporre il generatore di segnali sulla frequenza di 28 MHz quindi
regolare CV1 per la massima indicazione visualizzata sull'analizzatore: si
tratta ovviamente di un compromesso, ma esso non deteriora la qualità del
segnale ricevuto sulle altre frequenze del segmento.
Per ricevere la banda dei 160 metri chiudere
il relè RY2 e portare il condensatore variabile a circa metà della sua
escursione, predisporre la frequenza del generatore di segnali a 1,850 MHz,
collegare ai punti A-B uno o più condensatori (C1/C2) la cui capacità totale
porti in risonanza l'elemento captatore sulla frequenza di nostro interesse
(circa 2500 pF).
Considerazioni
finali
La descrizione di questa
piccola antenna è totalmente fedele al prototipo da me realizzato; il suo
funzionamento mi ha stupito, durante alcuni contest, 160 metri compresi, tutto
quello che ho ricevuto con le sorelle maggiori l’ho ricevuto con la loop...ina,
dai 30 ai 7 MHz alcune volte anche con segnali superiori e senza
preamplificatore. In linea di massima il segnale ricevuto non è mai stato
inferiore ai 12 dB. Per le bande degli 80 e dei 160 metri i 12 dB forniti dal
preamplificatore contribuiscono ad una gradevole ricezione grazie al basso
rumore captato dall'antenna.
Per chi fosse interessato a questa esperienza,
per rendersi conto delle caratteristiche dell'oggetto che sta realizzando
consiglio di costruire il solo elemento captatore con relativo trasformatore,
(T1) per la sintonia va bene qualsiasi condensatore variabile: provare per
credere, e buon divertimento!
Ricordo che la loop...ina
ha una circonferenza di ben 270 cm….
73
Florenzio I0ZAN izerozan@libero.it
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