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Come progettare con precisione un dipolo per trasmettere o ricevere un segnale radio

Il dipolo è una delle antenne più semplici da realizzare. Bastano, infatti, poche risorse per la sua costruzione. Per il successo e la sua riuscita occorre, come al solito, risolvere alcune formule matematiche che prendono in considerazione parecchi fattori e parametri. Se per le basse e le medie frequenze, le misure dell'antenna non sono critiche, per le alte frequenze lo diventano in maniera rilevante. In quest'articolo apprenderemo le nozioni teoriche e pratiche che stanno alla base di questa diffusissima antenna. S'imparerà, quindi, a calcolare e a realizzare un dipolo, secondo le proprie esigenze e per qualsiasi intervallo di frequenze, ottimizzando al massimo il guadagno. La progettazione sarà effettuata con il programma MMANA-GAL, con il quale è possibile calcolare, con estrema precisione, tutti i parametri dell'antenna come, ad esempio, la larghezza, l'altezza dal suolo, il materiale, il diametro del conduttore e così via, in modo da ottenere una perfetta antenna veramente performante.

Esistono migliaia di modelli diversi di antenna. Si differenziano tra loro per la forma, il materiale utilizzato, il guadagno, l'intervallo di frequenze utili e altre caratteristiche. Il software che ci accingiamo a esplorare aiuta a progettare qualsiasi tipologia di antenna, perché permette di eseguire il disegno dei vari elementi che la compongono, specificandone la forma, la posizione e le dimensioni. Per consentire un rapido e semplice avviamento iniziamo con la creazione di un dipolo semplice . Sarà poi il lettore ad approfondire gli argomenti e a creare da sé antenne più performanti e raffinate.

Breve accenno al dipolo

Il dipolo è un'antenna semplice ed economica. E' in grado di proiettare le onde elettromagnetiche in due direzioni opposte (avanti e dietro). E' formata da due bracci uguali, non collegati elettricamente tra loro, la cui lunghezza deve essere calcolata con alcune semplici formule matematiche. E' possibile anche realizzare dipoli con "trappole", come mostrato qui.

Le sue dimensioni tengono conto di:

  • Sezione del dipolo stesso;
  • Frequenza del segnale da trattare;
  • Tipologia della terra (Ground);
  • Altezza da terra;
  • Tipologia della terra;
  • Materiale dell'antenna.

 Caratteristiche elettriche del dipolo

Un dipolo accordato, nel vuoto, presenta un'impedenza di circa 75 ohm. Nella realtà, invece, essa subisce alcune modifiche, dipendenti soprattutto dall'altezza dell'antenna dal suolo, dal quale deve distare almeno 1.5 volte la lunghezza d'onda.

Essa è composta, come detto prima, da due bracci di lunghezza opportunamente calcolata dalla seguente formula semplificata:

formula1Tale formula sviluppa un'antenna dall'impedenza di circa 75 ohm (ovviamente un tester non fornirà mai tale parametro).

Ogni braccio è lungo circa 1/4 d'onda. Si chiama, appunto, dipolo a mezza onda poiché la sua lunghezza complessiva è pari a tale misura. Per ricevere, ad esempio, la frequenza di una stazione radio privata FM sui 103,00 Mhz, occorre realizzare un dipolo dotato di due bracci, ognuno dei quali lungo 70 cm.

Un vero dipolo non può essere utilizzato per tante frequenze; esso risponde bene solo a una e una sola frequenza (di risonanza), a meno ché non si usino opportuni accordatori. Ovviamente, se l'intervallo di stazioni da ricevere è contenuto in un "range" ristretto, si può realizzare un unico dipolo accordato per il centro banda.

Struttura fisica del dipolo

Tale antenna è formata da due bracci uguali calcolati, come detto, mediante alcune formule matematiche. I bracci sono costituiti da materiale elettrico conduttivo rigido o filare. Può essere tenuto in tensione mediante appositi tiranti isolanti, per far mantenere la classica forma geometrica.

dipolo01

I bracci dovrebbero essere il più possibile vicini tra loro, senza però entrare in contatto. Essi saranno collegati al rispettivo ricevitore, o trasmettitore, tramite un cavo schermato di pari impedenza.

connessione

Diagramma d'irradiazione

Il dipolo è un'antenna a doppia direzione; trasmette verso due lati opposti. La sua maggiore direttività è perpendicolare all'asse dei due bracci. Se si vogliono ottenere maggiori prestazioni, occorre "orientare" l'antenna verso la stazione radio, in modo che l'apertura dei due bracci sia frontale alla sorgente. L'illustrazione che segue chiarisce bene il concetto.

direzione

Il diagramma d'irradiazione (o di radiazione) è una rappresentazione grafica del comportamento dell'antenna. Esso riporta la direzione e l'intensità del segnale, per capirne e valutarne l'efficienza.

Tale grafico mostra un cerchio, indicante lo spazio circostante intorno all'antenna, in un'area di 360°. In esso sono visualizzate le direzioni preferenziali del segnale, permettendo di capire in quale senso le onde sono trasmesse (o ricevute) più agevolmente. Più precisamente, è la ripartizione della totale potenza trasmessa, alle varie coordinate angolari.

Nel caso particolare del dipolo, il diagramma ha una forma di un "8", centrato nel grafico. Esso indica, appunto, che tale antenna trasmette sia in avanti sia indietro. La potenza decresce via via che ci si sposta dalla perpendicolare.

diagramma1

Il programma MMANA-GAL

MMANA-GAL è un programma per PC di analisi e di progettazione delle antenne, basato sul metodo dei "momenti". In rete ci sono due versioni, la Basic (gratuita) e la Pro (a pagamento). La seguente tabella mostra la differenza tra le due:

 

Parametri Versione Pro Versione Basic
Segmenti (max.) fino a 32000 8192
Fili (max.) 3000 512
Sorgenti di segnale 200 64
Carichi (max.) 300 100
Undo/Redo illimitato No
Controllo automatico Si No
Velocità di calcolo 150% 100%

E' stato scritto da tre programmatori: Alexandr Schewelev DL1PBD, Igor Gontcharenko DL2KQ e Makoto Mori JE3HHT. Anche se, ultimamente, non vi sono stati aggiornamenti del software, esso è, e continua ad esserlo, un caposaldo della progettazione e del controllo delle antenne.

autori

A grandi linee, queste sono le possibilità e le procedure offerte dal programma:

  • Definizione e progettazione dell'antenna basati su pseudo foglio elettronico;
  • Visualizzatore grafico della realizzazione;
  • Produzione dei diagrammi d'irradiazione orizzontale e verticale;
  • Possibilità di visualizzare il diagramma d'irradiazione in 3D;
  • Comparatore dei risultati;
  • Editor dei singoli elementi e dei fili dell'antenna;
  • Possibilità di definire un elemento in diversi diametri (anche di tipo telescopico);
  • Ottimizzatore per impedenza, onde stazionarie, guadagno, elevazione e corrente;
  • Produzione del grafico delle caratteristiche;
  • E molti altri.

 

Progetto in base alla frequenza

Bene, siamo pronti per la progettazione del dipolo. La prima cosa che occorre conoscere è la frequenza da ricevere (o da trasmettere). Se essa è una, e una sola, tanto meglio, l'antenna funzionerà egregiamente. Se invece si deve spaziare all'interno di un intervallo (come, ad esempio, tra 88 Mhz e 108 Mhz) occorre realizzarla per il "range" più utilizzato oppure, solitamente, per il centro banda.

La frequenza centrale per ricevere la gamma delle radio FM commerciali è pari 98 Mhz (si calcola la media aritmetica tra i due estremi). Il dipolo sarà realizzato tenendo conto proprio di tale parametro. L'esempio che segue focalizzerà l'attenzione su [...]

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7 Commenti

  1. Mario Mottula Mario Mottula1981 9 giugno 2015
  2. goleussnc 12 giugno 2015
  3. Massimo Spiezia Massimo 5.1 6 luglio 2015
  4. rodolfok rodolfok 3 gennaio 2017
  5. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 4 gennaio 2017

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