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IV3PRK Pierluigi “Luis” Mansutti
160 Meters: DXing on the Edge
Analisi della BOG con Eznec 5 ed AutoEZ.
È vero, questa è un'antenna risonante, niente a che fare con Beverages!
Come punto di partenza, per arrivare alla configurazione migliore di una BOG utilizzando il programma AutoEz, sono partito dal modello standard “Beverage with 0.25 radials” presente nella libreria di base di EZNEC. Dopo aver cambiato le unità di misura in metriche, ed il tipo di terreno a “molto povero”, corrispondente alla mia realtà in Ecuador, ho iniziato applicando le prime variabili. Qui sotto, a sinistra, vediamo l'immagine dell'antenna originate con i radiali a un quarto d'onda, e la distribuzione della corrente. Sulla destra, la stessa immagine con i radiali accorciati (fili #2, 3, 4, 5) che provocano una più uniforme distribuzione della corrente lungo l'ante (filo #1), come raccomandato dagli autori.
Per prima cosa, sono andato alla ricerca del miglior rapporto avanti/ indietro, ponendo come variabile la lunghezza del filo della BOG. ===>>
Questi i dati fissati:
Freq.: 1.825 kHz; Heigth: 3 cm.; Ground: Real = Sandy (0.002, 10); Load: 250 ohm.
Era subito evidente che la BOG è un'antenna con una stretta curva di risonanza, ma sembrava troppo lunga di quanto ci si potesse attendere - 80 metri - … cosa c'era di errato nel mio modello?
Entrambi gli autori, ai quali mi rivolsi, cercarono di aiutarmi.
Dan McGuire, AC6LA, autore di AutoEz, scrisse:
«……. Credo che l'intento dei radiali a un quarto d'onda, nel modello Eznec, sia di simulare una connessione a bassa impedenza verso terra. Ed è spiegato nell'Help, al punto “Connecting to High Accuracy Ground” che dice:
"Se è richiesta una connessione a bassa impedenza, create dei radiali lunghi circa un quarto d'onda, o multipli dispari, evitando lunghezza che si avvicinino a mezza lunghezza d'onda o multipli pari. Queste, tuttavia, non sono lunghezza d'onda nello spazio, ma all'altezza di pochi millimetri.
Mezza lunghezza d'onda elettrica di un filo molto vicino a terra sarà molto più corta di quello nello spazio libero. Si può determinare la lunghezza d'onda usando il modello di un dipolo all'altezza dei radiali, ed aggiustando la sua lunghezza fino a raggiungere il punto di risonanza".
Osservando la corrente sui radiali, nel primo grafico del tuo documento, sembra che essi siano un po' troppo lunghi. Per 1.825 MHz a 3 cm. sopra un terreno sabbioso, io ottengo la lunghezza del dipolo risonante di 56.5 m., che si traduce nella lunghezza di un “radiale” di 28.25 m,, molto inferiore a un quarto d'onda (che sarebbe di 41.07m. ». (Ed infatti, 28 m. coincide con la lunghezza che sarà adottata per i radiali della mia antenna Tx.).
Anche Roy Lewallen W7EL, il padre di EZNEC in persona, mi scrisse:
«Luis, puoi vedere dalla distribuzione della corrente sui fili dei radiali, che essi sono elettricamente più lunghi di un quarto d'onda. Ad un quarto d'onda, la corrente dovrebbe raggiungere il massimo al punto di giunzione. Io credo che troverai il punto di massima efficienza quando i radiali sono lunghi elettricamente un quarto d'onda, o di meno, e gradualmente meno efficiente, man mano che si allungano oltre un quarto d'onda elettrico. La lunghezza elettrica dei radiali è dovuta alla bassa costante dielettrica del terreno. La quota di accorciamento (l'effettivo fattore di velocità) che ne consegue, dipende essenzialmente dall'altezza sul terreno e dalle sue caratteristiche. I calcoli non sono per niente semplici -- Io raccomando solamente di accorciare i fili fino a quando la corrente raggiunge il massimo al punto di giunzione. 73, Roy, W7EL».
Quindi, fissata a 65 metri la lunghezza della BOG, a 3 cm. di altezza, con una resistenza di carico di 250 ohm, ho prodotto un'iterazione in AutoEz, ponendo come variabile la lunghezza dei radiali da 20 to 30 metri. =====>>
L'antenna risuona alla frequenza di 1.825 MHz
(X = 0) alla lunghezza di 26 m. dei radiali. Bene, ma qual è il Front to Back, che è l'obiettivo del nostro progetto?
Come Bruce, K1FZ, disse:
«Il miglior diagramma di un'antenna BOG per ascoltare il DX corrisponde al massimo rapporto avanti/indietro. Per questo motivo cerchiamo di trovare la lunghezza che porta al migliore F/B.»
Mantenendo gli stessi parametri e la variabile precedente, utilizziamo un'altra opzione di AutoEz, ponendo come obiettivo il Fr/Back in dB (scala sinistra) ottenendo questo grafico ===>
il quale ci dice che è molto meglio accorciare ulteriormente i radiali per incrementare il rapporto avanti/indietro.
Dopo aver trovato la nuova lunghezza della BOG, fissata in 63 metri, e mantenendo gli altri parametri, ho fatto una nuova iterazione accorciando ancora un poco i radiali ===>>
Un impressionante rapporto F/B di 45 dB si ottiene in corrispondenza della lunghezza dei radiali di 20 metri..
Il grafico azimutale illustra un bel lobo con sufficiente guadagno (-16 dB) che richiede solo un modesto preamplificatore, e quello verticale una radiazione ad angoli alti (40 gradi), come preferibile nella mia attuale località a bassa latitudine (sull'equatore).
Ora, mantenendo la BOG con la lunghezza di 63 metri ed i quattro radiali di 20 m., verifichiamo l'andamento del F/B variando la frequenza ====>>
Si conferma il picco dei 45 dB a 1.825 MHz, mantenendosi a 35 dB da 1.800 a 1.850 e, come minimo rimangono 25 dB su tutta la banda dei 160 m.
Questo conferma che la BOG è un'antenna risonante molto stretta, che non ha nulla a che fare con la classica Beverage o gli altri loop per ricezione, tutti a larga banda.
Ma, teniamo presente che questo è solo un modello e, nella realtà, non si ottengono 45 dB di F/B!
Adesso vediamo cosa succede variando le resistenze di carico
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Niente: dati i parametri e le dimensioni fissate in precedenza, il valore del carico è perfetto a 250 ohm.
Infine, definiti tutti i parametri per ottenere il miglior rapporto F/B, andiamo a verificare l'impedenza al punto di alimentazione (Source1). La curva rossa rappresenta R (Resistenza - scala a sinistra) e la curva blu rappresenta X (la reattanza - scala a destra) ===>>
Come visto prima, quando fu scelta la lunghezza dei radiali, l'antenna aveva il punto di risonanza più in alto. - La reattanza (X) era a zero con i radiali lunghi 26 m., che abbiamo accorciato fino a raggiungere il migliore F/B alla frequenza di 1.825 MHz. - Ma su questa frequenza, l'impedenza al punto di alimentazione risulta di R = 318 ohm (scala rossa a sinistra) ed X = -100 ohm (scala blu a destra). Se si trattasse di un'antenna TX, potremmo usare un L-Network, ma nelle antenne riceventi non è necessario un accordo perfetto, per cui la cosa può essere risolta con un semplice trasformatore binoculare. Ecco i risultati.
Inserimento del sistema di alimentazione per le BOG reversibili.
Nel modello EZNEC, ho inserito il trasformatore per simulare l'impedenza di alimentazione nella posizione FORWARD (in avanti) con questi dati: Z dell'antenna = 250 ohm, Z del cavo coassiale = 75 ohm.
Le curve dell'impedenza appaiono esattamente come quelle di prima, ma andiamo a leggere i valori sulle scale ai due lati.
Con l'inserzione del Xfmr, alla freq. di 1.825 MHz otteniamo:
R= 96 e Z = - j31 ohm, con un SWR di 1.55 in uscita sul cavo da 75 ohm, non male per un'antenna in ricezione ===>>
Adesso, cerchiamo di simulare cosa accade nella direzione REVERSE (all'indietro). Ho spostato il carico L all'estremità iniziale della BOG ed inserito una linea di trasmissione da 150 ohm, con il suo VF di 0.73. Ho cambiato pure il trasformatore con il nuovo rapporto d'impedenze 150/75 ohm, e questi sono i risultati:
Il grafico azimutale è esattamente come prima, solo correttamente invertito, ma l'impedenza al punto di alimentazione è peggiorata a R 121ed X – j73 ohm su 1.825 MHz con SWR di 2.4, non molto bene. Probabilmente, il modelli del circuito ed il calcolo dei trasformatori non prendono in considerazione la differenza del VF della linea, quando passa dalla modalità di “transmission line” a quella di “antenna”.
Con l'uso di un L-Network si potrebbe ottenere un accordo perfetto, ma andrebbe a complicare troppo un sistema di antenna così semplice ed efficiente. Comunque, giusto per un esercizio divertente, usiamo un'altra delle magnifiche armi di AutoEz:
Nella pagina “Objects”, clicchiamo sul pulsante e “Create Impedance Matching Network”, ed automaticamente viene inserito un L-Network senza bisogno di andare su un programma TL separato.
Nel mio caso, una capacità in serie di 1.095 pF in parallelo con un'induttanza di 8 µH, porterebbe ad un accordo perfetto (R = 75, X = 0 a 1.825 MHz), ma non necessario per un'antenna ricevente. ===>>
Sollevamento della BOG alla tipica altezza di una Beverage.
Quando i miei amici Gary e Bruce mi convinsero a prendere seriamente in considerazione la BOG nella mia difficile situazione, io l'avevo già provata, senza alcun successo: era, semplicemente, troppo lunga!
Avevo sempre pensato che «più lunga è, meglio è», ma la BOG non si comporta come una Beverage.
K1FZ disse:
«La BOG ha una capacità troppo elevata verso terra, su tutta la sua lunghezza, per comportarsi come un'onda viaggiante sul terreno, come fa la Beverage. La BOG diventa un circuito sintonizzato».
Per controprova, sono ritornato su AutoEZ, variando l'altezza della BOG di 63 metri, da 3 cm. gradualmente a mezzo metro, e poi fino m. 2.50, altezza tipica di una Beverage.
Il Front to Back precipita da 45 dB a meno di 10 dB. ==>>
OK, se alziamo la BOG, cambia il fattore di velocità e di conseguenza dovremmo allungare anche i radiali.
Con i radiali allungati, il F/B risale lentamente verso i due metri di altezza, ma rimane lontano da quello all'altezza di 3 cm. della configurazione iniziale. ====>>
Ora, tenendo la nostra BOG all'altezza di 2 m., come fosse una Beverage, proviamo a variare la lunghezza del filo da 60 a 75 metri.
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Il miglior rapporto avanti/indietro corrisponde alla lunghezza di circa 68 metri, ma con una curva molto più larga: solamente 6 dB di differenza dal massimo al minimo, e 3.5 dB sopra il F/B della BOG di 63 m. alla stessa altezza.
Difatti, ecco è il modesto grafico azimutale di questa corta Beverage <sì, non è più una BOG> di 68 metri, a 2 m. di altezza, modellata con due radiali di 40. ad angolo retto a ciascuna estremità.
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Segue una scansione di frequenza, centrata su 1.825 MHz, per verificare, sullo stesso grafico, il F/B di entrambe le antenne.
È evidente la differenza tra la BOG risonante ed una larga Beverage:
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- la traccia rossa indica la BOG di 63 m., modellata a 3 cm. sul terreno, con i radiali di 20 metri;
- la traccia blu indica la Beverage di 68 m., modellata a 2 m. di altezza con radiali di 40 metri.
Per concludere, facciamo la stessa scansione di frequenza sul parametro più importante per le antenne riceventi, l'RDF:
- la traccia rossa rappresenta la BOG di 63 metri ====>>
- la traccia blu rappresenta la Beverage di 68 metri, entrambe con gli stessi dati fissati in precedenenza.
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Importane nota aggiunta nel gennaio 2017 da IV3PRK ritornato in Italia.
L' RDF - Receiving Directivity Factor - è diventato negli ultimi anni il benchmark per la valutazione delle antenne riceventi, e le sue variazioni sono apprezzabili e già significative nell'ordine di frazioni di un decibel. In questo caso vediamo che la BOG è circa 1 dB migliore di una corta Beverage: 9 vs. 8 dB. Tuttavia, per rendere l'idea, l'RDF della mia nuova Waller Flag è di 11.7 dB - paragonabile a quello di lunga ed efficiente Beverage.
Ed una nota finale di precauzione sui modelli di antenna troppo vicini a terra.
Il cuore di calcolo dei modelli EZNEC è costituito dal motore NEC2, e non NEC4 (ancora troppo costoso per renderlo disponibile al grande pubblico), e pertanto i risultati devono essere presi con cautela, anche se la tendenza generale, indicata da un'antenna sintonizzata, è da ritenersi sicuramente corretta.
Sappiamo che, a differenza di NEC4, il motore NEC2 non è in grado di trattare con precisione i fili interrati o molto vicini alla terra, e per questo in tutti i miei modelli l'altezza della BOG è stata posta a 3 cm.; tuttavia, a questo proposito, ho cercato di capire quale possa essere la minima altezza per due tipi diversi di terreno.
In questo ultimo grafico, vediamo che:
- con la traccia rossa, sul terreno molto povero e sabbioso (0.002, 10) di HC1PF in Ecuador, il picco del rapporto F/B si verifica con il filo della BOG all'altezza di 3 cm.;
- con la traccia blu, su un terreno molto buono (0.0303, 20), come quello di IV3PRK in Italia, la stessa BOG dovrebbe essere tenuta 2 cm. più bassa.
Dopo aver seguito sulla pagina web, che aggiornavo puntualmente, lo sviluppo del mio grosso lavoro, l'autore di EZNEC mi inviò il seguente commento per ridimensionare il problema, ed assicurarmi che le differenze erano minime, ed i risultati del tutto attendibili anche con NEC-2, molte grazie Roy:
«Hello Luis, sì, tu hai compreso ed applicato quello che io e Dan abbiamo detto.
Anche se solo leggermente elevati, i radiali si comportano in modo diverso di quelli interrati, ma nella maggior parte dei casi (incluso questo), la differenza sarà solo una piccola perdita di efficienza e, forse, una moderata variazione d'impedenza. Con un'antenna strettamente risonante come questa, non puoi aspettarti di trovare la frequenza di risonanza esattamente dove previsto da EZNEC, ma dopo aver aggiustato l'antenna, questa molto probabilmente si comporterà come indicato da EZNEC.
Ma anche NEC-4 presuppone che il terreno sia omogeneo fino a una profondità infinita - cosa che il terreno reale non è - quindi non è particolarmente accurato quando gli effetti del terreno sono importanti. E l'unica differenza fra NEC-2 e NEC-4 in questa applicazione sta nella modellazione dei radiali.
Altrimenti i risultati sarebbero gli stessi. 73, Roy, W7EL»
Quito, 19 giugno 2015 Luis IV3PRK / HC1PF