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La perfezione non è di questo mondo

Quando siamo sul campo, nel vero senso della parola, per le nostre attivazioni in QRP/P dovremmo sempre far mente locale “sopra a cosa” sistemiamo le nostre antenne.

Se per assurdo fossimo astronauti a zonzo per lo spazio con antenna dipolo mezz’onda in mano, saremmo certi che la nostra antenna avrebbe un diagramma di radiazione ideale, appunto quello derivante da una posizione “in the free space”. Il diagramma di radiazione è quello qui esposto, al quale siamo abituati.

Ma non è questo il nostro caso e le nostre amate antenne, HF VHF & UP, indipendentemente dalla loro efficienza e dalla tipologia (“marconiane” o “hertziane” – conosciamo la differenza, vero? HI), vengono posizionate, a varie altezze, sopra un terreno che può essere di varia natura: sabbioso, roccioso, terra umida, terra secca, prato, neve, cemento (magari armato) e combinazioni varie. Per non parlare della sua pendenza e disomogeneità.

Ed arriviamo al dunque, al perché del titolo, che si riferisce alla “non perfezione” del terreno su cui operano le nostre antenne, includendo ovviamente anche quelle della stazione fissa. 

Il diagramma di radiazione che abbiamo in mente per la nostra antenna sarà conseguenza, più o meno imprevedibile, del terreno su cui si appoggia e dall’altezza a cui sistemiamo il nostro sistema.

Certamente si saranno già note figure simili a questa:

dove idealmente si vede il suolo come una superficie “specchio” che crea una antenna immagine, diverse per antenna orizzontale oppure verticale e con correnti sfasate oppure in fase fra loro.

I punti dello spazio vengono pertanto interessati sia da un’onda diretta che da un’onda riflessa, come l’immagine seguente rappresenta.

Le onde, in un dato punto dello spazio che supponiamo essere ad un’altezza h e ad un angolo α dall’orizzonte, si combinano in funzione dei valori che il terreno presenta per quanto riguarda la conducibilità σ e la permettività relativa εr e alla frequenza di lavoro f.

Senza voler tediare nessuno, ma tanto per rendere l’idea della complessità del calcolo di un pattern di radiazione, il segnale punto per punto risulta dalla funzione

F=1+ K-j2hsin a

e K è il coefficiente (complesso) di riflessione superficiale (per polarizzazione orizzontale) che dipende dai parametri del terreno secondo la formula

Equazioni complesse di tale tipo sono oggi utilizzate dai vari simulatori d’antenna per calcolare il pattern di radiazione.

Nota di archeologia informatica: oggi disponiamo di potenti programmi freeware per i nostri pc che con poche e semplici istruzioni ci restituiscono in tempo reale un grafico di simulazione dell’antenna. Ai tempi in cui frequentavo l’università, e non parlo di 100 anni fa, per trovare i risultati dovevo programmare le complesse formule matematiche tramite schede perforate, in linguaggio Fortran idoneo per la fisica e la matematica, in un calcolatore mainframe grande 2 stanze, che mi restituiva un tabulato dopo 24 ore, quando andava bene, e senza grafici!

Tornando alle nostre antenne per il /P, posiamo qui di seguito vedere i risultati di simulazioni per 2 usuali antenne per HF presenti nelle nostre attivazioni in portatile:

  • Un’ antenna hertziana: il classico dipolo mezz’onda, alimentato al centro, e posizionato a V Invertita con vertice a 6 metri da terra (canna da pesca!), a 14 MHz;
  • Un’antenna marconiana: la classica verticale quarto d’onda, simulata senza radiali, a 14 MHz. Nota: il circuito del generatore si chiude verso terra per effetto capacitivo)

Legenda colori:

colore graficoTipo di terrenoPermittività relativa εrConducibilità σ
RossoPerfettamente conduttivo“∞”“∞”
BluRoccioso13 F/m2 mS/m
VerdePascolo13 F/m6 mS/m
NeroNeve umida compatta50 F/m0,001 mS/m
ArancioAcqua di mare80 F/m5000 mS/m


Facciamo qualche commento:

La tipologia di terreno ha parecchia influenza per l’antenna marconiana (verticale quarto d’onda) più che per l’antenna hertziana (dipolo mezz’onda), proprio perché una antenna marconiana lavora “assieme” al terreno, mentre il dipolo mezz’onda di per sé è un’antenna “completa”. Infatti, nel grafico 1 si hanno minime variazioni nel guadagno al cambiare del tipo di terreno. Il contrario si osserva nel grafico 2.

Si vede come la verticale sia ottima per inviare / ricevere segnali con basso angolo sull’orizzonte. Al contrario la V-Invertita piazzata bassa sul terreno (tipica installazione che un setup in /P ci permette) spara bene in aria (comportamento NVIS).

Il grafico ad “orecchie di topo” della verticale quarto d’onda senza radiali, per contro, risente pesantemente della tipologia di terreno. L’acqua di mare rappresenta praticamente un “terreno” molto prossimo a quello perfetto. A seguire vengono la neve compatta e, assieme, il terreno roccioso e il pascolo.

Sembrerebbe che per entrambe le tipologie antenne un terreno roccioso oppure un terreno erboso diano lo stesso grafico. Le variazioni in realtà esistono, ma qui siamo al limite delle capacità di simulazione e degli errori di calcolo.

Aggiungere radiali alla verticale migliora le performances dell’antenna (Grafico 5), rendendola anche meno sensibile al tipo di terreno (infatti il quarto d’onda d’antenna mancante viene “ricreato” dal piano di terra riportato che è di materiale conduttore). Trovate qui una simulazione anche con “120 radiali”. Perché proprio 120? Perché mi sono ricordato di un progetto letto su “The ARRL Handbook” edizione 1983 che per una verticale raccorciata in 40m, stile “ombrellone”, presentava appunto 120 radiali per ottimizzare le performances. Ricordiamoci quindi del fatto quando al nostro mini-stilo raccorciato e supposto “miracoloso” gli doniamo un (1) solo radiale!! Non lamentiamoci se facciamo fatica a fare QSO: al contrario rallegriamoci se ne riusciamo a farne qualcuno!

Con questi grafici si sono volute rappresentare due situazioni reali ma “nobili” per il nostro portatile, cioè antenne “full size” in relazione alla lunghezza d’onda. Vien da sé che il comportamento di antenne raccorciate, seppur simile come grafico, andrà a presentare valori di guadagno molto minori, e per queste antenne le perdite dovute al terreno, specialmente in QRP, avranno un peso non banale nella riuscita della nostra giornata.

Se volete approfondire, dato che questa rubrica è nata per dare informazioni “rapide” un po’ per tutti, potete leggere l’ottimo capitolo 3 de “The ARRL Antenna Handbook”, “The effects of ground”, oppure il più impegnativo “Radio Antennas Engineering”, McGraw Hill (a livello conoscenze matematiche universitarie).

73 de I3NJI Vitaliano

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