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Medicina e Radiotecnica

stato di frustrazione generato da scarsa efficienza di un’antenna

Mi piace analizzare reali o anche fantomatiche relazioni fra discipline diverse, in questo caso psicologia e fisica tecnica. L’occasione mi arriva dalla recente lettura di una relazione di un’attivazione in cui l’OM faceva trasparire la sua frustrazione per l’insuccesso, inteso come assenza di QSO, nella sua uscita HF QRP/P con il classico FT817 e un’antenna tipo stilo caricato.

Se riusciamo ad ascoltare altri OM in QSO significa che almeno un po’ di propagazione esiste in quel momento. Ma allora, perché noi non riusciamo a farci ascoltare?

Ovviamente sono molte le possibili cause di mancati QSO seppur in presenza di ascolti (banalmente: il corrispondete ha 200W e una Yagi 3 elementi quindi il suo segnale ci arriva perché poderoso e ben lanciato nell’etere!). Per il querreppista in /P le cose si complicano almeno per 2 fattori importanti:

Ovviamente per la bassa potenza che si ha liberamente scelto di impiegare;

il tipo di antenna a cui si affidano i pochi o pochissimi watt che escono dal connettore d’antenna del TX.

In un webinar di aprile 2021 dal titolo “Antenne HF per il QRP montano” e il cui documento in PDF è disponibile alla pagina “Eventi Live” del sito del MQC, presentavo, tra le altre, alcune slides proprio dal titolo emblematico: “Conosci la tua antenna per non rimanere deluso dal QRP”.

Se siamo in HF, quindi con lunghezze d’onda in genere da 10 a 40m, possiamo scegliere un’attrezzatura d’antenna media, semplice o minimalista, intendendo con ciò l’ingombro del supporto e del radiatore per essere più o meno agili nei nostri spostamenti e nel tempo necessario al setup.

Se optiamo per l’impiego di un’antenna fisicamente molto corta rispetto alla lunghezza d’onda su cui andremo ad operare (ed è il caso dei vari whip caricati, che in effetti sono super agili nell’installazione, collegandosi addirittura direttamente al TX in alcuni casi), non possiamo non essere consci del fattore EFFICIENZA DI RADIAZIONE che ci può portare a risultati deludenti nelle uscite in portatile HF.

Nota: l’argomento è per le HF, ma ricordiamoci che un gommino da 10 cm usato in 144 MHz ricade praticamente nella stessa problematica operativa di un whip da 2m impiegato a 7 MHz!

Si può definire l’efficienza di radiazione d’antenna come il rapporto, adimensionale, tra la potenza irradiata dall’antenna e la potenza accettata in ingresso e che arriva dal sistema di alimentazione, quindi, cavo diretto oppure circuito di adattamento d’impedenza se questo fa parte dell’antenna stessa. Poiché la potenza accettata dall’antenna dall’alimentazione è, in condizioni di adattamento d’impedenza tra antenna e cavo di alimentazione, la somma della potenza effettivamente irradiata nello spazio libero, della potenza dissipata in calore dal materiale conduttore dell’antenna e della potenza reattiva immagazzinata sul materiale stesso dell’antenna, tale rapporto è per definizione sempre minore di 1 (essendo 1 solo nel caso teorico – ideale).

A questa si aggiunge anche l’efficienza di adattamento di polarizzazione tra antenna trasmittente e antenna ricevente, ma seppur sia un fattore potenzialmente numericamente significativo, viene qui tralasciato. Per sperimentare provate in 2m a fare un QSO in cui in momenti successivi ruotate l’antenna da verticale ad orizzontale (es. un dipolo o una yagi) e vedrete di quanti punti S varia il segnale del corrispondente o quello che egli vi passa nei 2 casi!

In fredde formule abbiamo:

E % = Pr/Pi x 100 e ricordando che in vale P=RI^2 abbiamo che E % = Rr / ( Rr + Rc + Rt + Rl) x 100

dove Rc rappresenta la perdita indotta dal conduttore (=> quindi meglio usare filo non troppo sottile), Rt rappresenta la perdita per induzione verso terra, Rl rappresenta la perdita sull’induttanza in relazione al suo Q).

Per le antenne corte e caricate, vale la relazione:

E % = Rr/Rfp x 100, dove Rr è la resistenza di radiazione e Rfp la parte resistiva dell’impedenza al punto di alimentazione (feed point).

Rr vale 395 x (h/L)^2, dove h è la lunghezza dello stilo e L la lunghezza d’onda.

Il rapporto (h/L)^2 ci dice che “la lunghezza conta molto”: più è corta l’antenna in relazione alla lunghezza d’onda, minore sarà l’efficienza. A parità di altri fattori, un’antenna da 3 m sarà 4 volte più efficiente di un’antenna da 1,5.

Come esempio e per non dilungarsi oltre in formule, se pendiamo un’antenna da 3 metri, a 7 MHz questa presenta una Rr di 2,2 e una Rfp di 7 ohm. L’efficienza è quindi di circa 30%.

Un interessante grafico che mette in relazione efficienza e perdita del segnale in punti S (1 punto S = 6 dB e 6 dB sono circa 2 volte la tensione e circa 4 volte la potenza) lo troviamo in “The ARRL Antenna Book” ed è quello qui riportato:

La nostra antenna da 3m usata in 40m, che in effetti non è proprio super-minimalista, ci fa perdere (sia in ricezione che in trasmissione) un po’ meno di un punto S (ricordare che 1 punto S corrisponde ad un fattore 4 nella potenza).

In definitiva: se alimento l’antenna con i soliti pochi 5W ma poi la potenza irradiata DIMINUISCE di un fattore 4 o addirittura 8, ecco che…. mi nasce la frustrazione da scarsa efficienza di radiazione: ascolto gli altri ma loro non mi sentono perché il mio segnale si perde nel QRM o nel QRN.

Al contrario, tanto per citare casi reali, potrei avere anche una bella antenna ad alta efficienza di radiazione (come la E.F.H.W.), però installata a V- invertita bassa sul terreno in relazione alla lunghezza d’onda. È la classica installazione NVIS che “spara” il segnale sulle nuvole: farò QSO a skip corto, ma sul medio e lungo skip posso avere serie difficoltà a ricevere e trasmettere.

 Queste sono alcuni dei motivi che mi avevano fatto scrivere nelle slides del webinar: Conosci la tua antenna per non rimanere deluso dal QRP.

Modellizzazione per:

  1. Whip miracoloso (nero)
  2. PAC-12 (rosso)
  3. Barsine (verde)
  4. EFHW 20,1m V-INV (blu)

Ad un angolo di 20° la differenza relativa sul gain EFHW vs whip è di 30 dB (circa).

I3NJI Vitaliano

Bibliografia utile:

  • The ARRL Antenna Book (a livello radioamatoriale)
  • Antenna Theory and Design – Stutzman & Thiele (a livello elevato di conoscenze matematiche e fisiche)

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