rendimento antenne verticali multibanda senza radiali

[ALAN FORD]

Per gli appassionati di teoria eseguo un'analisi del rendimento delle antenne verticali multibanda senza radiali con adattatore di impedenza alla base tipo le commerciali Diamond BB-7V, Comet CHA-250B, Falcon OUT-250B oppure l'artigianale Blue Moon Top 80;

La Resistenza di radiazione di un'antenna verticale è un valore determinato da una certa formula in base alla lunghezza dello stilo rispetto alla lunghezza d'onda;

Il software "Radioutilitario" scaricabile da internet fornisce direttamente il valore della Resistenza di radiazione (R) in ohm inserendo la lunghezza dello stilo in metri e la frequenza in MHz

Si definisce rendimento o efficienza di un'antenna:  E = R / Z   dove Z corrisponde all'impedenza totale nel punto di alimentazione

Ammettiamo per semplificare le cose che il barattolo alla base dello stilo (trasformatore di impedenza) adatti perfettamente la linea per ottenere su tutte le bande un ROS di 1:1 e che pertanto nel punto di alimentazione siano sempre presenti i fatidici 50 ohm di impedenza;

per uno stilo alto m. 8,20:

-   sui  160 metri      E =   1,4 / 50  =   0,03     (  3 %)
-   sui    80 metri      E =      5 / 50  =   0,10     (10 %)
-   sui    40 metri      E =     20 / 50 =   0,40     (40 %)

poiché i rendimenti sono veramente scarsi sulle bande promesse, consiglierei l'acquisto delle antenne: HY GAIN AV-14AVQ oppure AV-18AVQ in configurazione ground-plane ¼ λ, alte solo 5,4 metri (3 metri in meno della Blue Moon) la quale con solo due radiali filari per banda ha un rendimento:

E = 35/ 50 = 70 %  sulle bande: 10 – 15 – 20 – 40 - 80 metri (sacrificando solo 160)

Costo 250 Euro - potenza massima 1500 watt contro i 300 watt  delle antenne citate in premessa

[ik1npe]

Salve, trasmettendo dentro un carico fittizio si avrebbe lo stesso risultato senza problemi di ROS.
  73 de ik1npe

[davj2500]

Ciao Alan Ford.

La Resistenza di radiazione di un'antenna verticale è un valore determinato da una certa formula in base alla lunghezza dello stilo rispetto alla lunghezza d'onda;

Il software "Radioutilitario" scaricabile da internet fornisce direttamente il valore della Resistenza di radiazione (R) in ohm inserendo la lunghezza dello stilo in metri e la frequenza in MHz

Si definisce rendimento o efficienza di un'antenna:  E = R / Z   dove Z corrisponde all'impedenza totale nel punto di alimentazione

Ammettiamo per semplificare le cose che il barattolo alla base dello stilo (trasformatore di impedenza) adatti perfettamente la linea per ottenere su tutte le bande un ROS di 1:1 e che pertanto nel punto di alimentazione siano sempre presenti i fatidici 50 ohm di impedenza;

per uno stilo alto m. 8,20:

-   sui  160 metri      E =   1,4 / 50  =   0,03     (  3 %)
-   sui    80 metri      E =      5 / 50  =   0,10     (10 %)
-   sui    40 metri      E =     20 / 50 =   0,40     (40 %)

Sei sicuro di questi calcoli?
Il rendimento di un sistema è definito come il rapporto tra l'energia immessa e l'energia utilizzata in maniera proficua. In pratica serve a capire quanta energia viene sprecata.
In un'antenna, l'energia non irradiata è dissipata sotto forma di calore.

In una antenna vi è un'impedenza formata da una parte resistiva e una parte reattiva.
La parte reattiva non dissipa energia, quindi il tutto si gioca sulla parte resistiva.
Esistono quindi due parti resistive: la resistenza di radiazione e la resistenza dissipativa.
La resistenza di radiazione è quella che concorre a convertire l'energia in campi RF utili; la resistenza dissipativa è quella che invece concorre a spercare energia scaldando l'ambiente.

Se tu realizzi uno stilo corto, avrai due fenomeni:
- che ha una bassa resistenza di radiazione;
- che non è risonante e quindi, nella sua impedenza, ha una componente reattiva.

Per poter trasmettere la massima energia dal generatore (il trasmettitore) al carico (l'antenna), per il teorema del massimo trasferimento di potenza, è necessario che l'impedenza del carico sia puramente resistiva e uguale all'impedenza del generatore.
Un trasmettitore quindi collegato ad uno stilo non risonante e non adattato di impedenza, non potrebbe erogare appieno la propria potenza.

Per questo si inserisce un network di adattamento: ad esempio, la bobina di carico ha lo scopo di contrastare la reattanza capacitiva presentata dall'antenna.

Il network di adattamento, se fosse costruito con materiali ideali, non avrebbe alcuna parte dissipativa.

Da dove perde quindi l'energia un'antenna?
Di norma, una grande percentuale di energia è dissipata dal fatto che l'onda, per il suo ritorno, passa dal terreno, che ha una resistenza abbastanza elevata e quindi si riscalda. Ma la percentuale di energia dispersa dal terreno dipende dalla sua natura: terreni molto secchi hanno grosse perdite, mentre ad esempio l'acqua salata è una "terra" quasi perfetta.

L'altra parte significativa dell'energia è dispersa dal fatto che un'antenna corta, avendo una resistenza di radiazione molto bassa, ha un peso basso nel complesso di resistenze presenti.
Mi spiego. La corrente deve passare in due resistenze Rd e Rr collegate in serie. Rd è la resistenza dissipativa e Rr è quella di radiazione. L'energia viene "consumata" dalle due resistenze in base al loro rapporto. Ad esempio, se "Rd" è il doppio di "Rr", Rd dissiperà 2/3 di energia e solo un 33% sarà irradiato. Per cui, l'antenna avrebbe un'efficienza del 33%.

La resistenza opposta dal terreno è proporzionale alla lunghezza percorsa dalle onde di ritorno; questo valore è proporzionale alla lunghezza dello stilo: per cui antenna corta, ritorno corto e quindi meno resistenza. Nell'antenna corta ha invece un notevole impatto la bobina di carico, che per la sua resistenza intrinseca e lunghezza, presenta una resistenza dissipativa che rischia di essere molte volte la resistenza di radiazione, rendendo pessima l'efficienza dell'antenna. Però questo valore dipende dalla qualità costruttiva e dei materiali della bobina di carico, non è un valore legato all'impedenza da raggiungere.

La presenza di pochi radiali ha solo l'effetto di variare l'impedenza; per ridurre la resistenza di ritorno dalla terra, i radiali dovrebbero essere tanti, nell'ordine del centinaio. In questo modo la tutte le onde di ritorno incontrerebbero un percorso molto breve per raggiungere un radiale a bassa resistenza per completare il loro percorso.

Non riesco bene a capire il senso dei tuoi calcoli basandosi solo sulla resistenza di radiazione e sull'impedenza finale. Messo giù come dici tu, sembrerebbe che per adattare una resistenza di radiazione di 1ohm tu usassi una resistenza in serie da 49ohm.
Non solo, ma con la tua formula, un'eventuale antenna che presentasse una resistenza di radiazione maggiore di 50ohm avrebbe un'efficienza maggiore di 1, che è impossibile per definizione.

Ciaoo
Davide

[ALAN FORD]

in effetti è una semplificazione per far capire a tutti;

la formula esatta per l'efficienza è la seguente: Eff = Rr/(Rr + Rp)

dove Rr indica la resistenza di radiazione e Rp la somma delle resistenza di perdita

la somma (Rr + Rp) corrisponde anche all'impedenza nel punto di alimentazione

le antenne verticali multibanda hanno alla base un adattatore di impedenza che fa vedere dei ros bassi che in linea teorica possiamo indicare 1:1 ma a livello pratico non vengono raggiunti

senza adattatore di impedenza un' antenna alta 8 metri sulla banda dei 40 metri (7 MHz) presenta un efficienza E = 20/(20 + 15) = 0,57 (57%) ponendo Rp= 15 ohm in media ma risulta un disadattamento di linea con ulteriore perdita

con l'adattatore di impedenza il ros teorico è 1:1 ma l'efficienza diventa 20/50 cioè 0,40 (40%)

il miglior compromesso è rappresentato dalle antenne ground-plane 1/4 onda per cui la formula esatta è Eff. = 35/(35 + 15) cioè 0,70 (70%)

[davj2500]

senza adattatore di impedenza un' antenna alta 8 metri sulla banda dei 40 metri (7 MHz) presenta un efficienza E = 20/(20 + 15) = 0,57 (57%) ponendo Rp= 15 ohm in media ma risulta un disadattamento di linea con ulteriore perdita

con l'adattatore di impedenza il ros teorico è 1:1 ma l'efficienza diventa 20/50 cioè 0,40 (40%)

Ciao Alan Ford.

Innanzitutto non ho capito dove hai preso il valore di 15 ohm di Rp.
Simulando la tua antenna con 4NEC2 posizionandola su un terreno reale, si vede che l'impedenza della tua antenna in 40m è 19.1 -j6361. Quindi un Rr=20 è corretto. Il valore di Rp però è quasi interamente da attribuirsi alla corrente di ritorno tramite la terra e dipende enormemente dalla sua conducibilità. Per esempio, abbiamo un'efficienza risultante di:
- terreno industriale: 16.43%
- tereno agricolo: 24.46%
- acqua salata: 83.85%

la somma (Rr + Rp) corrisponde anche all'impedenza nel punto di alimentazione

No, la somma (Rr + Rp) corrisponde alla componente resistiva R dell'impedenza nel punto di alimentazione. L'impedenza Z nel punto di alimentazione è Z=SQRT (R^2 + X^2), che in questo caso è di 6361.03 ohm circa, non certo 35!
Quello che dici è vero solo se l'antenna è risonante, cioè se X=0: in tal caso Z=SQRT(R^2 + 0^2) = SQRT(R^2) = R.
Ma in questo caso è tutt'altro che risonante.

Ok, comunque prendiamo Rp=15. La R totale è Rp+Rr=35 ohm.
Per portare l'impedenza da 19.1 -j6361 a 50 j0 serve un trasformatore di impedenza reattivo. La componente dissipativa di tale trasformatore non si calcola facendo 50-35! Se dovesse portare l'impedenza a 600 ohm, allora, la sua Rp cosa sarebbe? 600-35=565 ohm?
La perdita dovuta alla bobina di carico dipende dalla sua qualità costruttiva, in particolare dal suo Q, e dalla reattanza che deve contrastare. Il Q è definito come Q=|X|/R, dove R in una bobina normale è tutta dissipativa (Rp). La X dipende dalla reattanza che si vuole compensare, che in questo caso è alta. Un'induttanza con Q=200, ad esempio, porterebbe ad una Rp aggiuntiva per la sola bobina di 31 ohm, resistenza che andrebbe sommata alla resistenza del terreno e alla Rp (irrisoria) del conduttore del radiatore. Poi come giustamente dici, la presenza di radiali abbassa la reattanza e rende l'antenna più simile ad un dipolo, riducendo la X che l'induttanza deve compensare e, di conseguenza, la Rp dissipata da essa.

Però coi tuoi calcoli arrivi a questa conclusione:

E = 35/ 50 = 70 %  sulle bande: 10 – 15 – 20 – 40 - 80 metri (sacrificando solo 160)

Simulando una GP ideale full size, ottimizzata per la risonanza sui 40m, su un terreno industriale, abbiamo un'impedenza di 53.1 -j4.02 e un'efficienza del 31.7%! La stessa antenna usata in 160m presenta un'impedenza di 6.48 -i1343 e un'efficienza del 13.08%. Come può un'antenna lunga 5.4m presentare un'efficienza costante del 70% dai 10 agli 80m?

Ciaoo
Davide

[ALAN FORD]

finalmente ho trovato una persona che conosce anche la teoria

volevo infatti alcune spiegazioni ma non riuscivo a trovare nessuno che riuscisse a confutare ma venivo tacciato perchè parlavo male dell'antenna Blue Moon

quale sarebbe la componente Rp per uno stilo verticale sul tetto di un condominio?

quali sarebbero le efficienze sulle bande 10 - 15 - 20 - 40 per un'antenna trappolata come la Hy gain AV-14AVQ ?

[ALAN FORD]

ecco dove ho trovato le dotte spiegazioni

[ALAN FORD]

PrimoEsempio: un’antennaverticaleaquartod’onda resistenzadiradiazionedi36(trascurabilileperditeohmichedel conduttore).
(vedifig.1)hauna
3
Parliamodiefficienza………d’antenna diGioacchinoMinafò–IW9DQW ________________________________________
Leperditedelterrenopococonducibilepossonoessere,asua volta,elevate(incerticasisuperanoilvaloredellaresistenzadi radiazionedell’antennastessa),supponiamodi14. L’impedenzatotalenelpuntodialimentazionesaràequivalentea 14+0+36=50el’antennasaràperfettamenteadattataallalinea d’alimentazionea50(cavocoassiale).
Oraperconoscere dobbiamometterea radiazioneeilvaloredell’impedenzaalpuntodialimentazione, ovvero:36/50=72%.
l’efficienzadell’antenna rapportoilvaloredellaresistenzadi
inpercentuale
Un’antennachevienealimentataconunapotenzadi50wattne verrannoirradiatisoloil72%cioè36watt.Unaverticaledi lunghezzapariad’ondacaricatainduttivamenteavràuna resistenzadiradiazionedicirca15eseconsideriamoleperdite legatealterrenoparia10,elaperditadovutaallabobinadi caricoparia5,avremoun’impedenzanelpuntodi alimentazioneugualea15+10+15=40equindiun’efficienzadel 15/40=37,5%.
Percompensaretaliperditeoccorrenecessariamenteaccrescereil sistemaattuandounpianoditerraconunmaggiornumero possibilediradiali.
Nell’esempiocitatoprima,infattisesiriuscisseadannullarele perditelegatealterreno,l’efficienzadell’antennaaumenterebbe anchedimolto.
4
Parliamodiefficienza………d’antenna diGioacchinoMinafò–IW9DQW ________________________________________
Risultaevidentecheriducendolalunghezzafisicadell’antennaal disottodiunquartod’onda,laresistenzadiradiazionedecresce rapidamenteediconseguenzadiminuiscel’efficienzatotaledel sistema.
Nonostanteciòleantenneverticaliraccorciatemontateconun certonumerodiradiali,sonospessopiùefficientineltrafficoDXa lungadistanzarispettoaidipoliorizzontali,iqualidevonoessere installatialtidaterraalmeno/2.

[davj2500]

finalmente ho trovato una persona che conosce anche la teoria

volevo infatti alcune spiegazioni ma non riuscivo a trovare nessuno che riuscisse a confutare ma venivo tacciato perchè parlavo male dell'antenna Blue Moon

quale sarebbe la componente Rp per uno stilo verticale sul tetto di un condominio?

quali sarebbero le efficienze sulle bande 10 - 15 - 20 - 40 per un'antenna trappolata come la Hy gain AV-14AVQ ?

Ciao Alan Ford.

Il calcolo dell'efficienza di un'antenna è teoricamente elementare ma molto difficile da praticare perché è molto difficile misurare le variabili in gioco.
Il primo fattore che entra enormemente in gioco nell'efficienza è il terreno sottostante. Infatti le onde radio si scontrano col terreno sottostante che, in base alle sua conducibilità, le può riflettere (e partecipare alla Rr) o dissipare (e partecipare alla Rp). La stesura di un piano di massa metallico sul terreno o numerosi (molte decine) radiali aumentano l'efficienza in maniera enorme.
Poi entrano in gioco le ulteriori Rp introdotte dai network che si inseriscono per adattare l'impedenza. Queste sono difficili da calcolare. Ad esempio, quando hai un'antenna che presenta 10-j6000, devi avere un trasformatore di impedenza che possa portarla 50+j0; un trasformatore perfetto lo farebbe senza introdurre dissipazioni, mentre uno reale, no. Le dissipazioni ad esempio di una bobina di carico si calcolano usando la formula del Q espressa prima: il problema è che il Q misurato in laboratorio a bobina smontata può peggiorare radicalmente una volta montata nel suo contesto.
Per esempio, la posizione in cui metti la bobina di carico può cambiare l'efficienza dell'antenna. Infatti, quando metti una bobina di carico, contrasti e annulli la reattanza dell'antenna ad una certa frequenza f. L'antenna diventa quindi risonante ad f, dato che X=0, ed appaiono ventri e nodi di corrente e tensione ben definiti. Pertanto, ci sono dei punti nell'antenna in cui la corrente è massima e dei punti in cui è minima: la bobina va posizionata dove la corrente è minima, così le parti di massima corrente (e quindi massima irradiazione) sono dove si trova lo stilo. Se si posiziona la bobina dove la corrente è massima, la resistenza interna provvederà a dissipare in calore un sacco di energia a discapito dell'irradiazione.

In sostanza l'efficienza di un'antenna dipende enormemente dalla posizione in cui è collocata e da fattori costruttivi che non hanno misure teoriche univoche. Di sicuro è più facile calcolare l'efficienza per antenne semplici che per antenne complesse, dato che ci sono meno elementi difficili da misurare. Inoltre ci sono soluzioni notoriamente più efficienti, come una gp rispetto ad un singolo stilo e via dicendo.
La cosa che ti conviene fare è imparare ad usare un programma di simulazione, come 4NEC2, e provare a impostare soluzioni d'antenna nelle varie condizioni e coi vari terreni.

http://www.softpedia.com/get/Science-CAD/4nec2.shtml

Puoi calcolare l'impedenza, i lobi, l'efficienza, la banda passante e tutto quanto si possa immaginare.

Ciaoo
Davide

[ALAN FORD]

In effetti io volevo semplificare un po' confrontando le antenne nelle stesse condizioni ideali

sai forse indicarmi un software più semplice per calcolare il rendimento teorico sulle varie bande di uno stilo verticale con adattatore di impedenza alla base

e il rendimento delle antenne ground-plane 1/4 onda

grazie

[davj2500]

Ciao Alan Ford.

Sono andato a leggermi il doc di IW9DQW.

Dice: "L'impedenza totale nel punto di alimentazione sarà equivalente a 14+0+36=50 ohm"; quindi calcola 36/50=72% come efficienza.

Ha ragione, ma tu hai sbagliato i calcoli per le tue antenne. Lui innanzitutto suppone un'antenna di 1/4 onda, che è risonante: infatti è un dipolo alimentato al centro il cui secondo ramo è lo stilo "immagine" fornito dal terreno.
In tal caso, la sua impedenza ha reattanza X=0 e quindi è completamente resistiva.
Inoltre ha preso un caso selezionato, cioè che la resistenza dissipativa del terreno fosse proprio 14 ohm. Fosse stata 30 ohm per via di un terreno diverso, l'antenna avrebbe avuto impedenza 66 ohm e efficienza del 54%.

Tu invece hai preso i 50ohm richiesti dal trasmettitore come fosse un valore fisso da cui sottrarre Rr per ottenere Rp.
Invece l'impedenza di 50+j0 che vedi all'uscita dell'antenna non risonante è frutto di una trasformazione d'impedenza da X+jY a 50+j0 realizzata da qualche dispositivo K che ha una sua resistenza dissipativa Rk che è del tutto indipendente da tutto ciò.

Un'antenna non risonante più corta ha una resistenza di irradiamento inferiore, ma anche il terreno sottostante presenta una resistenza inferiore: infatti l'area di terreno coinvolta è proporzionale alla lunghezza dello stilo.
Però un'antenna raccorciata presenta anche una reattanza capacitiva, che va compensata con un'induttanza per presentare di nuovo un carico resistivo.
Succede così che la resistenza complessiva è data da Rr + Rterreno + Rinduttanza; in quelle antenne vengono scelti i vari componenti in modo che Rr + Rterreno medio + Rinduttanza faccia circa 50ohm, così da presentare un ros 1:1; più Rr è basso, più l'antenna è inefficiente (E = Rr / (Rr + Rterreno medio + Rinduttanza)).
Paradossalmente, avendo un'induttanza di qualità molto elevata, il valore di Rinduttanza scenderebbe; l'impedenza sarebbe molto inferiore ai 50Ohm e quindi il ROS salirebbe un po'.
L'utente sarebbe scontento di non vedere il fatidico 1:1 non rendendosi conto di avere un'antenna molto migliore.

Ciaoo
Davide

[Ottone]

davj2500,
linko il tuo topic su altre discussioni, dato che il 90% dei CB (e non solo) continua a pensare che il ROS sia il parametro più importante per la resa di un'antenna, nonchè l'unico.

Complimenti per aver reso in formule ciò che vedevo in numerose pagine.
Grazie.

73

[ALAN FORD]

senti davj2500 qual'è l'esatta lunghezza dei radiali filari per un'antenna ground-plane 1/4 onda poichè non avrò la possibilità di accedere al tetto dopo l'installazione ?

è sufficiente 75: f (MHz)

oppure come dicono alcuni testi
(75: f x 0,95) + 10%

ad es. sui 20 metri (centro banda 14.175):

nel primo caso sarebbero lunghi m.5,29
nel secondo sarebbero lunghi    m. 5,53

[davj2500]

senti davj2500 qual'è l'esatta lunghezza dei radiali filari per un'antenna ground-plane 1/4 onda poichè non avrò la possibilità di accedere al tetto dopo l'installazione ?

è sufficiente 75: f (MHz)

oppure come dicono alcuni testi
(75: f x 0,95) + 10%

ad es. sui 20 metri (centro banda 14.175):

nel primo caso sarebbero lunghi m.5,29
nel secondo sarebbero lunghi    m. 5,53

Ti rispondo nell'altro topic che hai aperto relativamente a questa domanda.

Ciaoo
Davide

[davj2500]

davj2500,
linko il tuo topic su altre discussioni, dato che il 90% dei CB (e non solo) continua a pensare che il ROS sia il parametro più importante per la resa di un'antenna, nonchè l'unico.
Complimenti per aver reso in formule ciò che vedevo in numerose pagine.

Grazie Ottone per i complimenti!
Il problema del ROS è vecchio come la radio. Ogni buon radioamatore e CB dovrebbe sempre sapere che ROS aspettarsi e perché e non essere ossessionati dall'abbassarlo e basta.
Basterebbe notare che un carico fittizio ha ROS 1:1 su tutte le bande per farsi delle domande. :-)

Ciaoo
Davide

[Ottone]

Grazie Ottone per i complimenti!
Il problema del ROS è vecchio come la radio. Ogni buon radioamatore e CB dovrebbe sempre sapere che ROS aspettarsi e perché e non essere ossessionati dall'abbassarlo e basta.
Basterebbe notare che un carico fittizio ha ROS 1:1 su tutte le bande per farsi delle domande. :-)

Ciaoo
Davide

Grazie a te davj2500 per le tue spiegazioni. :)
Sì, si tratta di un problema vecchio che spesso sfugge nel concetto, che è l'esatto contrario di quello che a chi non lo ha compreso (novizi e non), potrebbe sembrare...

E pensare che oggi alcuni costruttori di antenne CB sfruttano la poca conoscenza di questo concetto per produrre "antenne innovative" che hanno qualcosa in più del carico fittizio che non di un aereo efficiente...

Del resto se inserisco un attenuatore da 3-6 dB tra discesa ed antenna il Q si abbatte drasticamente ed ho ROS basso dappertutto, no?  :mrgreen:  (e da metà ad un quarto di potenza irradiata rispetto quando non lo metto!)

Ecco i link.  ;-)

http://www.rogerk.net/forum/index.php?topic=17218.110

http://www.rogerk.net/forum/index.php?topic=1363.890

Grazie ancora e scusate il cross-spotting.

Ciao!

[ALAN FORD]

Il miglior compromesso per un'antenna verticale multibanda è comunque rappresentato dalle antenne con due trappole tipo HY GAIN AV-14AVQ:

Eff.= Rr/(Rr + Rp tot)

Rr per un'antenna 1/4 onda = 35 ohm

come resistenza di perdita del terreno consideriamo un valore medio di 15 ohm per la presenza dei radiali filari (due per banda)

come resistenza di perdita di una trappola assumiamo il valore di 5 ohm:

- senza trappola E= 35/(35 +15) = 0,70                           (70%)
- dopo una trappola E = 35/(35 + 15 + 5) = 0,64             (64%)
- dopo la seconda trappola E = 35/(35 + 15 +10)= 0,58   (58%)

valori più che onesti