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Una delle richieste più frequenti tra i radioamatori che dispongono di poco spazio è sempre la stessa:
posso realizzare una verticale HF multibanda semplice, economica e senza trappole?
La risposta è sì, purché si accetti un compromesso fondamentale.
Una verticale alimentata attraverso un UNUN 9:1 non è normalmente un’antenna risonante multibanda nel senso classico del termine.
È piuttosto un sistema non risonante, progettato per presentare all’accordatore impedenze più facilmente gestibili su diverse bande.
Se costruita correttamente può diventare una soluzione estremamente pratica per operare su numerose bande HF con un solo elemento radiante.
Vediamo come realizzarla.
Per prima cosa: che cosa fa un UNUN 9:1?
UNUN significa:
UNbalanced to UNbalanced.
Collega quindi due sistemi sbilanciati.
Da una parte abbiamo il cavo coassiale.
Dall’altra un elemento radiante alimentato rispetto a un contrappeso o sistema di radiali.
Il rapporto 9:1 si riferisce al rapporto di trasformazione delle impedenze.
Un trasformatore con rapporto di spire 3:1 produce infatti idealmente un rapporto d’impedenza pari a:
3² = 9.
Un’impedenza di circa 450 Ω potrebbe quindi essere trasformata idealmente verso:
450 / 9 ≈ 50 Ω.
Ma attenzione.
Un’antenna random-wire o verticale non presenta 450 Ω su tutte le bande.
Può presentare:
- 80 Ω;
- 200 Ω;
- 600 Ω;
- 1.500 Ω;
- migliaia di ohm;
oppure valori molto bassi.
Il 9:1 non compie quindi alcuna magia.
Serve principalmente a portare una certa gamma di impedenze elevate verso valori più facilmente gestibili dall’accordatore.
9:1 non significa ROS 1:1
Questo è probabilmente il punto più importante dell’intero progetto.
Collegando una verticale a un UNUN 9:1 non dobbiamo aspettarci automaticamente:
SWR 1:1 su tutte le bande.
Quasi certamente non accadrà.
Dovremo utilizzare un accordatore d’antenna, interno o esterno.
Idealmente il sistema dovrebbe essere progettato in modo che le impedenze presentate sulle bande desiderate non raggiungano valori estremamente bassi o estremamente elevati.
Il problema delle lunghezze risonanti
Una random vertical con 9:1 funziona meglio se la lunghezza dell’elemento evita, per quanto possibile, di coincidere con multipli critici di mezza lunghezza d’onda sulle bande che vogliamo utilizzare.
Perché?
Perché in certe condizioni potremmo ritrovarci con impedenze estremamente elevate al punto di alimentazione.
In altre potremmo avere impedenze molto basse.
Entrambe possono diventare difficili per l’accordatore.
Per questo motivo non è sempre una buona idea scegliere banalmente una verticale lunga esattamente un quarto d’onda sui 40 metri e poi metterle sotto un trasformatore 9:1.
Se l’antenna presenta già 30–40 Ω su quella banda, dividerli ulteriormente per nove sarebbe esattamente l’opposto di ciò che vogliamo.
Il progetto proposto
Per una verticale destinata principalmente alle bande:
40 – 30 – 20 – 17 – 15 – 12 – 10 metri
possiamo iniziare sperimentando con un elemento radiante nell’ordine degli:
8–9 metri.
Un buon punto di partenza pratico può essere circa:
8,5 metri.
La misura non deve essere considerata sacra.
Il comportamento dipenderà fortemente da:
- altezza dal terreno;
- supporto utilizzato;
- ambiente circostante;
- radiali;
- cavo coassiale;
- caratteristiche dell’UNUN.
Una variazione di alcune decine di centimetri può migliorare considerevolmente l’accordabilità su una determinata installazione.
E gli 80 metri?
Con 8,5 metri di elemento radiante siamo molto corti rispetto alla lunghezza d’onda degli 80 metri.
L’accordatore potrebbe anche riuscire a trovare un adattamento.
Questo però non significa automaticamente buona efficienza.
È importante distinguere:
antenna accordabile
da
antenna efficiente.
Possiamo ottenere ROS 1:1 dissipando una parte significativa della potenza in perdite.
Sugli 80 metri, per avere prestazioni migliori, sarebbe opportuno utilizzare un elemento sensibilmente più lungo o una configurazione specifica.
Materiale necessario
Per il progetto base possiamo utilizzare:
- palo telescopico in vetroresina da 9–10 metri;
- circa 8,5 metri di filo di rame isolato;
- UNUN 9:1;
- scatola stagna;
- connettore SO-239 o N;
- sistema di radiali;
- choke di modo comune;
- cavo coassiale 50 Ω;
- accordatore automatico o manuale.
Il filo radiante può essere posizionato lungo il palo telescopico.
È preferibile utilizzare un supporto non conduttivo.
Realizzazione dell’UNUN
Un UNUN 9:1 per HF viene normalmente realizzato utilizzando un nucleo in ferrite e un autotrasformatore con rapporto di spire equivalente a 3:1.
Per applicazioni radioamatoriali broadband vengono frequentemente impiegati materiali ferritici adatti alle HF.
La scelta del nucleo deve tenere conto di:
- frequenza;
- potenza;
- duty cycle;
- modalità operative.
FT8 a 100 W continui rappresenta, per esempio, uno stress termico molto diverso da pochi secondi di SSB.
Il nucleo deve quindi essere dimensionato con margine.
Per potenze dell’ordine dei classici 100 W radioamatoriali è comunque opportuno evitare piccoli nuclei sottodimensionati.
Perché il nucleo può scaldare
Ogni trasformatore reale presenta perdite.
Parte dell’energia RF viene trasformata in calore.
Se il nucleo viene portato verso saturazione o utilizzato fuori dalla zona nella quale il materiale presenta caratteristiche adeguate, le perdite possono aumentare rapidamente.
Dopo lunghi periodi di trasmissione digitale è quindi utile controllare la temperatura dell’UNUN.
Un trasformatore bollente non rappresenta un buon segno.
I radiali: la parte dimenticata
Una verticale non può funzionare senza un percorso per la corrente di ritorno.
L’altro terminale dell’antenna deve esistere da qualche parte.
Possiamo utilizzare:
- radiali;
- contrappeso;
- calza del coassiale;
- terreno attraverso sistemi di terra;
o, spesso inconsapevolmente, una combinazione di tutti questi elementi.
La soluzione preferibile è fornire all’antenna un sistema di ritorno RF intenzionale.
Configurazione minima
Per una installazione sperimentale possiamo partire con alcuni radiali disposti sul terreno.
Per esempio:
- 4 radiali;
- 8 radiali;
- successivamente 16 o più.
Non devono necessariamente essere risonanti se vengono posati direttamente sul terreno.
Aumentandone il numero generalmente diminuiscono le perdite del sistema di terra.
Radiali differenti
Possiamo utilizzare, per esempio, radiali con diverse lunghezze:
3 m;
5 m;
7 m;
10 m.
Non perché queste misure abbiano qualcosa di magico, ma per evitare che tutto il sistema presenti contemporaneamente comportamenti estremi alle medesime frequenze.
L’esperimento e la misura con VNA sono fondamentali.
Contrappeso singolo
Nelle installazioni portatili possiamo semplificare utilizzando uno o più fili come contrappeso.
Una configurazione estremamente semplice potrebbe essere:
verticale 8,5 m;
contrappeso 5–10 m;
UNUN 9:1;
accordatore.
Funzionerà?
Molto probabilmente sì su diverse bande.
Sarà la soluzione più efficiente possibile?
Non necessariamente.
Ed è proprio questa distinzione che dobbiamo mantenere.
Il choke di modo comune
Alla base dell’antenna è fortemente consigliabile controllare le correnti che possono scorrere sulla superficie esterna della calza del coassiale.
Un common-mode choke può ridurre:
- RF in stazione;
- variazioni di ROS quando tocchiamo il cavo;
- disturbi sugli apparati;
- problemi con computer e periferiche;
- alterazioni del diagramma di radiazione.
Se disponiamo di un sistema di radiali dedicato, il choke può essere collocato sul lato coassiale vicino al punto di alimentazione.
Lo scopo è evitare che il cavo diventi un radiale casuale lungo decine di metri.
UNUN e choke non sono la stessa cosa
Un errore frequente consiste nel pensare che il trasformatore 9:1 impedisca automaticamente le correnti di modo comune.
Non è necessariamente così.
L’UNUN trasforma principalmente l’impedenza.
Il choke presenta invece un’elevata impedenza alle correnti che cercano di scorrere in modo comune sulla linea.
Sono due dispositivi con funzioni diverse.
In molti impianti servono entrambi.
Schema generale
La struttura può essere immaginata così:
elemento verticale 8,5 m
↓
UNUN 9:1
↙︎ ↘︎
radiali uscita coassiale
↓
choke 1:1
↓
cavo coassiale
↓
accordatore
↓
RTX
Questo è un sistema completo.
Non soltanto “un filo attaccato a un 9:1”.
Dove mettere l’accordatore?
La soluzione tecnicamente migliore, quando possibile, consiste spesso nell’accordare l’antenna vicino al punto di alimentazione.
Un accordatore remoto alla base della verticale evita infatti di avere lungo il coassiale un ROS molto elevato.
Se invece utilizziamo l’accordatore interno del ricetrasmettitore, il cavo coassiale trasporta una linea disadattata.
Questo aumenta le perdite.
Quanto siano importanti dipende da:
- lunghezza del cavo;
- tipo di coassiale;
- frequenza;
- ROS presente sulla linea.
Con 5 metri di buon cavo la situazione può essere tranquillamente accettabile.
Con 40 metri di coassiale e ROS elevatissimo, molto meno.
Taratura con NanoVNA
Prima di collegare il ricetrasmettitore possiamo utilizzare un NanoVNA.
Effettuiamo una scansione, per esempio, dell’intero spettro HF interessato.
Osserviamo:
- SWR;
- resistenza;
- reattanza;
- Smith Chart.
Non stiamo cercando necessariamente minimi 1:1.
Vogliamo soprattutto individuare eventuali frequenze nelle quali l’impedenza diventa estremamente difficile.
Se una banda risulta quasi impossibile da adattare possiamo modificare leggermente la lunghezza dell’elemento.
Per esempio:
8,5 m → 8,2 m
oppure
8,5 m → 8,9 m.
Un piccolo cambiamento può spostare una condizione critica fuori da una banda radioamatoriale.
Non inseguire il ROS
Supponiamo che l’accordatore trovi:
SWR 1,0:1.
Siamo soddisfatti.
Ma non sappiamo ancora quanta potenza venga realmente irradiata.
Se il sistema presenta elevate perdite possiamo avere:
100 W trasmessi;
70 W dissipati;
30 W irradiati;
e contemporaneamente osservare ROS perfetto.
Un carico fittizio da 50 Ω presenta infatti ROS praticamente perfetto.
Ma non è certo una buona antenna.
Il ROS descrive l’adattamento.
Non misura l’efficienza.
Come valutare davvero l’antenna
Oltre al NanoVNA utilizziamo il metodo più importante:
fare collegamenti e confrontare i segnali.
Possiamo servirci di:
- Reverse Beacon Network;
- WSPR;
- FT8;
- PSK Reporter;
- beacon;
- SDR remoti.
Confrontiamo quindi l’antenna con un dipolo o con un’altra verticale, mantenendo:
- stessa potenza;
- stessa frequenza;
- stesso orario;
- condizioni il più possibile simili.
È così che possiamo capire se una modifica ha realmente migliorato il sistema.
Sicurezza RF
Una verticale alimentata con 100 W può generare tensioni RF importanti, soprattutto quando presenta elevate impedenze.
Il punto di alimentazione e l’estremità dell’elemento devono essere mantenuti lontani da persone e animali.
Bisogna inoltre rispettare le normative applicabili in materia di esposizione ai campi elettromagnetici.
Particolare attenzione va prestata nelle installazioni portatili, dove il filo può risultare facilmente raggiungibile.
Fulmini e installazioni permanenti
Una verticale installata permanentemente all’esterno deve essere considerata anche dal punto di vista della protezione elettrica e atmosferica.
Messa a terra di sicurezza, equipotenzialità e protezione contro le sovratensioni sono argomenti diversi dal semplice “RF ground”.
In presenza di dubbi su un’installazione permanente è opportuno affidare la parte relativa alla protezione elettrica e contro i fulmini a personale qualificato.
Possibili evoluzioni
Una volta realizzata la prima versione possiamo sperimentare:
più radiali
per ridurre le perdite di terra;
elementi più lunghi
per migliorare le bande basse;
accordatore remoto
per ridurre le perdite del coassiale;
diversi materiali ferritici
per UNUN e choke;
misure WSPR
per confrontare scientificamente le configurazioni.
È proprio qui che una semplice verticale diventa un vero progetto radioamatoriale.
Conclusioni
Una verticale con UNUN 9:1 non è un’antenna miracolosa.
Non può trasformare otto metri di filo in una perfetta antenna risonante dagli 80 ai 10 metri.
Può però rappresentare una soluzione semplice, economica e straordinariamente versatile, soprattutto per chi dispone di poco spazio o desidera una stazione portatile multibanda.
Per ottenere buoni risultati bisogna considerare l’intero sistema:
radiatore + UNUN + radiali + choke + coassiale + accordatore.
Ignorare uno di questi elementi significa spesso attribuire al 9:1 capacità che non possiede.
Costruire invece il sistema consapevolmente permette non soltanto di ottenere un’antenna efficace, ma anche di imparare moltissimo su impedenza, correnti di modo comune, adattamento e comportamento reale delle antenne.
Ed è proprio questo il bello dell’autocostruzione radioamatoriale.