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Pochissime antenne HF hanno conosciuto negli ultimi anni una diffusione paragonabile alla End Fed Half Wave, comunemente abbreviata:
EFHW.
Un solo filo.
Un piccolo trasformatore.
Un cavo coassiale.
Niente alimentazione centrale.
Possibilità di operare su più bande armoniche.
Installazione rapidissima.
Per l’operatore portatile sembra quasi l’antenna perfetta.
E infatti è diventata estremamente popolare proprio perché è semplice da costruire e da installare; anche ARRL propone un progetto EFHW multibanda per 10, 15, 20 e 40 metri basato su un filo di mezza onda e una rete di adattamento 49:1.
Ma da qui sono nati anche numerosi miti.
Si legge che:
- non richiede terra;
- non richiede contrappeso;
- non ha common mode;
- funziona su tutte le bande;
- non richiede accordatore;
- guadagna più del dipolo;
- basta un 49:1 e qualsiasi filo diventa una EFHW.
Quasi tutte queste affermazioni, prese in senso assoluto, sono sbagliate.
Vediamo quindi come funziona realmente una EFHW.
Che cos’è una EFHW?
EFHW significa:
End Fed Half Wave
ovvero:
antenna di mezza onda alimentata a un’estremità.
Un normale dipolo di mezza onda viene alimentato al centro:
¼ λ ¼ λ
-----------|-----------
FEED
La EFHW utilizza invece un conduttore complessivamente prossimo a mezza lunghezza d’onda ma alimentato vicino a un’estremità:
FEED
|
--------------------------------
circa ½ λ
La differenza sembra minima.
Dal punto di vista elettrico è enorme.
Corrente e tensione su una mezza onda
In un dipolo risonante di mezza onda, semplificando, la distribuzione di corrente presenta:
- corrente elevata vicino al centro;
- corrente molto bassa alle estremità.
La tensione presenta il comportamento opposto:
- relativamente più bassa al centro;
- molto elevata alle estremità.
Quindi:
Centro
corrente alta / tensione relativamente bassa
→ impedenza dell’ordine di qualche decina di ohm.
Estremità
corrente molto bassa / tensione elevata
→ impedenza molto alta.
Ed è proprio lì che alimentiamo una EFHW.
Perché l’impedenza è così alta?
Ricordiamo:
Z = V / I
Se alla fine dell’antenna abbiamo:
V molto alta
e:
I molto bassa
l’impedenza diventa elevata.
L’ARRL, nel proprio progetto EFHW, considera un’impedenza di alimentazione intorno a 2.500 Ω e utilizza un trasformatore 49:1 per adattarla alla linea da 50 Ω.
L’esatto valore varia però con l’installazione.
Il trasformatore 49:1
Lo schema concettuale diventa:
RICETRASMETTITORE 50 Ω
↓
COASSIALE 50 Ω
↓
UNUN 49:1
↓
EFHW ≈ alcuni kΩ
Se ipotizziamo:
2.450 Ω
abbiamo:
2450 / 49 = 50 Ω.
Il rapporto di spire corrispondente è:
7:1.
Perché la EFHW è così comoda?
Perché il punto di alimentazione è a una estremità.
Con un dipolo tradizionale bisogna spesso portare il coassiale:
fino al centro dell’antenna.
Se il centro si trova:
- su un albero;
- sopra il tetto;
- a metà fra due supporti;
l’installazione può diventare scomoda.
Con una EFHW possiamo invece mettere il trasformatore:
- vicino al terreno;
- vicino alla radio;
- su un balcone;
- alla base di un albero;
e portare solamente il filo verso il punto più alto.
Per le operazioni portatili è un vantaggio enorme.
EFHW per i 40 metri
La lunghezza fisica di una mezza onda nello spazio libero deriva approssimativamente da:
λ = c / f
ma nella pratica il filo risonante è più corto della metà della lunghezza d’onda teorica per effetti elettromagnetici e ambientali.
Come ordine di grandezza, ARRL utilizza circa 66 piedi, cioè circa 20 metri di filo, come mezza onda per la banda dei 40 metri.
La lunghezza reale va comunque sempre rifinita nell’installazione definitiva.
Perché una EFHW dei 40 metri funziona anche su altre bande?
Qui nasce il suo grande fascino.
Un filo che è:
½ λ sui 40 m
diventa approssimativamente:
1 λ sui 20 m
3/2 λ sui 15 m
2 λ sui 10 m.
L’ARRL evidenzia proprio questa relazione nel proprio progetto: circa 66 piedi rappresentano una mezza onda sui 40 m, un’onda intera sui 20 m, due onde sui 10 m e tre mezze onde sui 15 m.
In tutte queste condizioni l’alimentazione avviene vicino a un massimo di tensione/minimo di corrente.
L’impedenza torna quindi relativamente elevata.
Il 49:1 può essere utilizzato sulle varie bande armoniche.
Quindi è davvero multibanda senza accordatore?
Può esserlo, entro certi limiti.
Ma non significa che un pezzo di filo tagliato una volta mostrerà:
ROS 1:1 su quattro bande.
Le frequenze di risonanza reali dipendono da:
- altezza;
- geometria;
- terreno;
- isolamento;
- diametro del filo;
- disposizione;
- trasformatore;
- capacità parassite;
- coassiale;
- contrappeso.
Inoltre le armoniche non cadono necessariamente esattamente dove desideriamo.
Per questo una EFHW va:
misurata e regolata.
La frequenza fondamentale e le armoniche non sono perfettamente allineate
Questo è un problema spesso trascurato.
Se regoliamo perfettamente l’antenna sui:
7,100 MHz
non è garantito che le successive risonanze cadano esattamente su:
14,200 MHz
21,300 MHz
28,400 MHz.
La struttura reale non è un filo ideale nello spazio vuoto.
Gli effetti capacitivi, il terreno e il trasformatore alterano le frequenze.
Per questo alcuni progetti introducono:
- piccole bobine;
- compensazioni;
- variazioni della lunghezza;
per migliorare l’allineamento multibanda.
La EFHW richiede un contrappeso?
Ed eccoci alla domanda che genera più discussioni.
La risposta fisicamente corretta è:
la corrente deve avere un percorso di ritorno.
Sempre.
Non esiste un sistema RF in cui la corrente parte dal trasmettitore, entra nel filo e semplicemente scompare.
Anche il progetto EFHW dell’ARRL prevede esplicitamente sul box del trasformatore un collegamento dedicato al counterpoise.
Questo non significa che ogni EFHW necessiti obbligatoriamente di un contrappeso lungo una determinata percentuale della lunghezza d’onda.
Significa che dobbiamo capire quale elemento del sistema sta svolgendo quella funzione.
Se non metto il contrappeso, cosa succede?
Molto spesso entra in gioco:
la superficie esterna del coassiale.
Il feedline diventa parte del sistema RF.
Non necessariamente in modo catastrofico.
Anzi, l’antenna può apparentemente funzionare benissimo.
Il problema è che la quantità di coassiale coinvolta dipende da:
- lunghezza;
- posizione;
- messa a terra;
- stazione;
- percorso;
- choke;
- banda.
Il comportamento diventa quindi meno prevedibile.
“La mia EFHW non ha contrappeso e funziona benissimo”
È perfettamente possibile.
Ma la domanda da fare è:
cosa sta facendo da contrappeso?
Potrebbero contribuire:
- coassiale;
- terra dello shack;
- capacità verso terreno;
- alimentatore;
- struttura metallica;
- altri cavi.
Il fatto che non vediamo un filo etichettato “counterpoise” non significa che il percorso di ritorno non esista.
Il common mode
Quando la superficie esterna del cavo trasporta una parte significativa della corrente RF abbiamo:
corrente di modo comune.
L’ARRL descrive fra gli effetti possibili del common mode:
- RF nello shack;
- variazioni del VSWR;
- diagrammi di radiazione alterati;
- maggiore RFI;
- ingresso di rumore locale.
La EFHW, proprio perché viene alimentata ad alta impedenza e necessita di un percorso di ritorno, merita particolare attenzione a questo fenomeno.
Allora bisogna mettere il choke direttamente sul 49:1?
Non esiste una risposta universale.
Se mettiamo un choke immediatamente all’uscita del trasformatore verso il coassiale e non forniamo nessun altro percorso di ritorno, stiamo modificando profondamente il sistema.
Se invece utilizziamo un contrappeso dedicato, possiamo isolare maggiormente il feedline.
Esiste anche la filosofia di lasciare intenzionalmente un breve tratto di feedline partecipare come controparte RF e installare il choke più avanti.
Quale soluzione sia migliore dipende dall’antenna reale.
Il punto fondamentale è non collocare il choke in modo casuale senza comprendere quale corrente stiamo tentando di interrompere.
La configurazione più controllabile
Concettualmente, un sistema ben definito potrebbe essere:
EFHW
|
49:1 UNUN
/ \
contrappeso coassiale
|
CHOKE
|
TX
In questo modo cerchiamo di assegnare ruoli chiari:
- filo lungo = elemento radiante principale;
- contrappeso = ritorno RF;
- 49:1 = adattamento d’impedenza;
- choke = limitazione del common mode residuo;
- coassiale = linea di trasmissione.
La realtà sarà sempre meno perfetta dello schema, ma l’architettura è molto più comprensibile.
Quanto deve essere lungo il contrappeso?
Diffiderei delle regole assolute del tipo:
“Deve essere esattamente 0,05 λ.”
oppure:
“Deve essere 2 metri.”
oppure:
“Deve essere sempre 0,1 λ.”
La lunghezza ottimale dipende dal sistema complessivo.
Possiamo iniziare con un contrappeso relativamente corto e poi osservare:
- impedenza;
- ROS;
- common mode;
- stabilità cambiando la posizione del coassiale.
La misura è più utile di una formula magica.
Come capire se il coassiale sta partecipando?
Esistono diversi indizi.
Cambia il ROS quando sposto il cavo
Molto sospetto.
Cambia accordatura aggiungendo coassiale
Possibile common mode.
Toccare il connettore modifica il ROS
Altro indizio.
RF sul microfono
Classico.
USB che si disconnette in trasmissione
Possibile RF nello shack.
Rumore ricevuto che cambia aggiungendo ferriti
Il coassiale potrebbe raccogliere RFI.
Come misurare davvero il common mode?
La soluzione migliore è una RF current probe.
Possiamo misurare la corrente sulla superficie esterna del coassiale in differenti punti.
È un esperimento estremamente istruttivo.
Possiamo confrontare:
senza choke
e:
con choke.
Questo mostra molto più chiaramente cosa accade rispetto al semplice ROS.
Il ROS non racconta tutta la storia
Potremmo avere:
SWR 1,05:1
e una quantità significativa di RF sulla calza.
Oppure:
SWR 1,6:1
e un sistema molto pulito dal punto di vista del common mode.
Il ROS misura l’adattamento differenziale visto dalla linea.
Non misura direttamente le correnti esterne.
Efficienza del trasformatore
Una EFHW dipende molto dal proprio trasformatore.
Al feedpoint troviamo:
alta tensione RF.
Il trasformatore deve quindi sopportare:
- tensione elevata;
- flusso magnetico;
- riscaldamento;
- capacità parassite;
- armoniche.
Un trasformatore mediocre può dissipare una quantità significativa di potenza.
Perché il 49:1 può scaldare?
Le cause possono comprendere:
- nucleo inadatto;
- nucleo troppo piccolo;
- numero di spire errato;
- perdite nel materiale;
- potenza elevata;
- alto duty-cycle;
- antenna molto disadattata.
Un test semplice consiste nel controllare la temperatura dopo alcuni minuti di trasmissione significativa, senza naturalmente toccare componenti che possano presentare tensioni RF pericolose durante la trasmissione.
Tensione elevata: attenzione
Uno degli aspetti meno intuitivi della EFHW è la tensione presente al punto di alimentazione.
Ricordiamo:
P = V × I.
Quando l’impedenza è elevata, per trasferire la stessa potenza abbiamo più tensione e meno corrente.
Per questo i terminali dell’antenna e del trasformatore devono:
- essere ben isolati;
- rimanere fuori dalla portata delle persone;
- non essere appoggiati a materiali facilmente raggiungibili.
Anche nelle installazioni portatili è bene evitare che il trasformatore resti dove qualcuno possa toccarlo durante la trasmissione.
EFHW orizzontale
Installata orizzontalmente:
----------------------------- wire
|
49:1
può comportarsi, sulla banda fondamentale, in maniera concettualmente simile a un dipolo di mezza onda per quanto riguarda la distribuzione generale del filo, ma l’alimentazione e il feedline modificano il sistema reale.
Il diagramma dipenderà soprattutto da:
- altezza;
- orientamento;
- terreno.
EFHW Sloper
Una configurazione estremamente pratica:
*
/
/
/
49:1 ---*
Possiamo tenere il trasformatore relativamente basso e portare il capo opposto su:
- albero;
- palo;
- edificio.
È probabilmente una delle configurazioni più convenienti in portable.
EFHW Inverted-L
Possiamo salire verticalmente e poi proseguire orizzontalmente:
----------------
|
|
|
49:1
Questa configurazione permette di adattare l’antenna agli spazi disponibili.
Il pattern diventa però differente rispetto a un filo completamente orizzontale.
EFHW Inverted-V?
Possibile, anche se la vera comodità della EFHW consiste spesso nel poter posizionare liberamente il feedpoint a un’estremità.
Qualunque configurazione geometrica cambia:
- impedenza;
- risonanza;
- diagramma.
Quindi l’antenna va tarata nella configurazione definitiva.
Non tararla sdraiata a terra
Errore classico:
- stendo il filo a un metro dal terreno;
- lo taglio fino a ROS perfetto;
- lo sollevo a dieci metri;
- la risonanza cambia.
È normale.
Il terreno modifica significativamente il comportamento.
La rifinitura finale va effettuata il più possibile:
all’altezza e nella geometria di utilizzo.
Tagliare sempre poco alla volta
La regola pratica resta validissima:
filo troppo lungo → si accorcia.
filo troppo corto → diventa più complicato.
Partiamo quindi volutamente leggermente lunghi.
Misuriamo.
Accorciamo pochi centimetri.
Misuriamo nuovamente.
NanoVNA e EFHW
Il NanoVNA è quasi perfetto per questa antenna.
Possiamo fare uno sweep ampio:
5-30 MHz
e osservare contemporaneamente le varie risonanze.
Vedremo tipicamente diverse depressioni del ROS.
Poi restringiamo la misura:
6,8-7,4 MHz
per regolare la fondamentale.
Successivamente controlliamo:
- 14 MHz;
- 21 MHz;
- 28 MHz.
Non inseguire ROS 1:1 a ogni costo
Se abbiamo:
1,3:1
non significa che l’antenna sia inferiore a quella con:
1,05:1.
La differenza di potenza riflessa è minima.
È molto più importante verificare:
- perdite del trasformatore;
- common mode;
- posizione;
- diagramma;
- rumore ricevuto.
ROS bassissimo può perfino essere ottenuto dissipando RF in una rete lossy.
EFHW contro dipolo
Dipolo
Vantaggi
- struttura elettricamente semplice;
- alimentazione a bassa impedenza;
- trasformatore poco impegnativo;
- ottima efficienza;
- comportamento ben noto.
Svantaggi
- il coassiale deve raggiungere il centro;
- installazione portatile talvolta più scomoda;
- multibanda richiede soluzioni aggiuntive.
EFHW
Vantaggi
- alimentazione a un’estremità;
- installazione estremamente semplice;
- ottima per portable;
- utilizzo multibanda sulle armoniche;
- un solo filo lungo.
Svantaggi
- trasformatore più critico;
- alta tensione RF;
- gestione del ritorno RF;
- common mode da controllare;
- risonanze armoniche non sempre perfettamente allineate.
La EFHW guadagna più del dipolo?
Sulla banda fondamentale non esiste una magia legata al fatto di alimentare il filo all’estremità.
Il filo rimane sostanzialmente una struttura di circa mezza onda.
Cambiare il punto di alimentazione non crea energia.
Il pattern dipende soprattutto dalla:
- geometria;
- altezza;
- ambiente.
Sulle bande armoniche il filo diventa invece lungo più lunghezze d’onda e sviluppa più lobi.
Questo può produrre vantaggi in determinate direzioni e null profondi in altre.
Non bisogna confondere:
più lobi
con:
maggiore guadagno in tutte le direzioni.
La EFHW sui 20 metri
Un filo progettato come mezza onda sui 40 metri diventa circa:
un’onda intera sui 20 metri.
Il diagramma inizia quindi a sviluppare più struttura rispetto alla fondamentale.
Questo può essere molto interessante per il DX.
Ma può anche creare null nelle direzioni che ci interessano.
Sui 10 metri
Lo stesso filo può diventare circa:
due lunghezze d’onda.
Il diagramma è ancora più lobato.
La posizione fisica dell’antenna diventa quindi determinante.
È realmente un’antenna “senza tuner”?
Nel migliore dei casi:
sì, sulle bande per cui è progettata.
Ma un piccolo accordatore può comunque essere utile per:
- rifinire ROS moderato;
- compensare variazioni ambientali;
- utilizzare porzioni più ampie di banda.
Il tuner non dovrebbe però essere utilizzato per nascondere un trasformatore che lavora male.
EFHW e 80 metri
Una EFHW completa sugli 80 metri diventa lunga circa:
40 metri.
Non sempre è praticabile.
Per questo esistono versioni accorciate mediante bobine.
L’ARRL, per esempio, propone un’estensione per 80 metri basata su bobina di carico e filo aggiuntivo, segnalando anche che la banda utile sugli 80 metri tende a diventare più stretta e può richiedere un accordatore.
Bobina di carico: cosa fa?
Una bobina inserita nel filo aumenta la lunghezza elettrica senza richiedere la stessa lunghezza fisica.
Il vantaggio:
antenna più corta.
Lo svantaggio:
- banda più stretta;
- perdite aggiuntive;
- maggiore sensibilità alla taratura.
Non esistono pasti gratis nemmeno nelle antenne.
EFHW o Random Wire?
Sono antenne concettualmente differenti.
EFHW
È progettata per essere:
risonante come multiplo di mezza onda.
Tipicamente:
49:1.
Random Wire
Viene deliberatamente scelta con lunghezze che evitino impedenze estreme nelle bande desiderate.
Tipicamente può utilizzare:
9:1 + tuner.
Mettere un 9:1 su una EFHW non la trasforma automaticamente in una buona EFHW.
Mettere un 49:1 su un filo casuale non lo rende una EFHW.
EFHW o End Fed Random Wire?
Una semplice regola:
Se la lunghezza del filo viene scelta per essere:
½ λ su una banda fondamentale
e lavorare sulle armoniche:
→ EFHW.
Se la lunghezza è deliberatamente non risonante e viene adattata tramite:
unun + tuner
→ random/end-fed non resonant wire.
Un progetto pratico 40-20-15-10 metri
Un buon progetto sperimentale può partire da:
- circa 20 metri di filo;
- trasformatore 49:1;
- toroide adeguato;
- condensatore di compensazione se richiesto dal progetto;
- terminale per counterpoise;
- coassiale 50 Ω;
- choke di modo comune adeguatamente posizionato;
- NanoVNA.
L’ARRL utilizza proprio una configurazione EFHW di circa 66 piedi destinata a 40, 20, 15 e 10 metri.
Procedura di taratura
1. Costruire il 49:1
Prima testarlo con carico resistivo.
2. Installare il filo leggermente lungo
Non tagliare subito alla lunghezza teorica esatta.
3. Posizionare l’antenna realmente
Stessa altezza, stesso orientamento, stesso coassiale.
4. Collegare il NanoVNA
Sweep ampio.
5. Individuare le risonanze
Annotare:
- 40;
- 20;
- 15;
- 10 metri.
6. Regolare prima la fondamentale
Accorciare gradualmente.
7. Controllare le armoniche
Non pretendere che siano matematicamente perfette.
8. Verificare il common mode
Provare con e senza choke e, idealmente, utilizzare una current probe.
Prima misura da fare dopo l’installazione
Non mi limiterei al ROS.
Farei quattro verifiche:
- SWR sulle bande;
- temperatura del trasformatore;
- corrente di modo comune;
- noise floor.
Queste quattro informazioni raccontano molto più del semplice:
“il tuner dice 1:1”.
Quando la EFHW è eccellente
La sceglierei senza esitazioni per:
- POTA;
- SOTA;
- campeggio;
- vacanze;
- installazioni temporanee;
- balconi con punto di alimentazione comodo;
- terreni dove possiamo raggiungere un solo supporto alto;
- stazioni multibanda semplici.
La facilità di installazione è realmente eccezionale.
Quando preferirei un dipolo
Se possiedo:
- due supporti ideali;
- possibilità di portare il coassiale al centro;
- spazio sufficiente;
- esigenza monobanda;
- elevata potenza continua;
un classico dipolo con ottimo choke 1:1 rimane una soluzione estremamente difficile da battere in termini di semplicità elettrica.
Quando preferirei una verticale
Se voglio:
- basso angolo di radiazione;
- installazione omnidirezionale;
- ingombro orizzontale minimo;
una verticale ben realizzata può essere preferibile.
Ma richiederà un sistema di radiali adeguato.
La vera forza della EFHW
Non è un guadagno misterioso.
Non è l’assenza di contrappeso.
Non è il ROS perfetto.
La sua vera forza è:
la praticità.
Permette di ottenere un’antenna HF multibanda efficace con una logistica incredibilmente semplice.
E in una stazione reale la logistica conta moltissimo.
Un dipolo teoricamente perfetto che non possiamo installare vale meno di una EFHW correttamente montata a dieci metri di altezza.
I falsi miti della EFHW
“Non serve alcun ritorno RF”
Falso.
“Il coassiale non irradia mai”
Falso.
“Il 49:1 è anche automaticamente un choke”
Falso.
“Funziona su qualsiasi banda”
No: funziona principalmente sulle bande armonicamente correlate al progetto, salvo adattamenti e accordatori.
“Più ROS basso significa maggiore efficienza”
Non necessariamente.
“Una EFHW ha più guadagno di un dipolo perché è end-fed”
No.
“Una EFHW è una random wire”
No.
Quindi è un’antenna miracolosa?
No.
E questa è una buona notizia.
Perché le antenne miracolose non esistono.
Esistono invece antenne che rappresentano ottimi compromessi.
La EFHW scambia una maggiore complessità elettrica nel punto di alimentazione con una straordinaria semplicità meccanica d’installazione.
Ed è un compromesso spesso eccellente.
Conclusioni
La End Fed Half Wave è una delle antenne più interessanti per il radioamatore moderno.
Con:
- un filo;
- un buon 49:1;
- un ritorno RF correttamente gestito;
- un choke dove realmente serve;
possiamo realizzare una stazione HF multibanda estremamente efficace.
Ma bisogna smettere di considerarla:
“un filo che funziona senza massa e senza contrappeso grazie al 49:1”.
Una descrizione molto più corretta è:
una struttura risonante ad alta impedenza alimentata a un’estremità attraverso un trasformatore, il cui sistema di ritorno RF deve essere progettato come parte integrante dell’antenna.
Vista in questo modo diventano immediatamente comprensibili:
- il 49:1;
- il contrappeso;
- il common mode;
- il ruolo del coassiale;
- il choke;
- le risonanze multibanda.
La EFHW non viola nessuna legge della fisica.
Ed è proprio perché non è miracolosa, ma tecnicamente intelligente, che funziona così bene.