LOOP MAGNETICA HF

Dovendo a breve cambiare casa,manco a dirlo mi si presenterà il problema dell'installazione delle antenne,e,potendo al momento disporre solo di una terrazza al 2° piano,la scelta dovrà ricadere gioco forza su qualcosa di abbastanza performante ma come al solito di dimensioni contenute.Scartati dipoli e verticali,spulciando fra libri (p.es : "Le nuove antenne di RadioRivista") e pagine in rete,mi sono imbattuto in un tipo di antenna particolare,fino a qui mai preso in considerazione,vale a dire la loop magnetica.Il nome di tale antenna deriva appunto dalla sua forma caratteristica a cerchio,e possiamo immaginarla come un circuito costituito dalla serie fra un condensatore C ed un'induttanza L (di una sola spira).In questo modo,alimentando il circuito con una sorgente RF, avremo che il campo elettrico si concentrerà quasi esclusivamente sul condensatore ,e questo farà si che si creeranno minori perdite capacitive dovute alla vicinanza della terra ,mentre quello magnetico finirà interamente sulla superficie della spira che lo irradierà nello spazio (da qui l'origine del nome) : i due campi si ricombineranno successivamente a qualche lunghezza d'onda di distanza.Le minori perdite capacitive faranno si che la loop magnetica irradierà efficacemente anche a brevi distanze dal suolo.

Schema elettrico della loop

Per quanto riguarda il diagramma d'irradiazione,possiamo dire che questi avrà la forma di un "otto" e si svilupperà in tutte le direzioni nel piano della spira ad eccezione di quelle perpendicolari ad esso, dove la radiazione risulterà minima.La polarizzazione sarà verticale se il montaggio sarà verticale rispetto a terra,ed orizzontale nel caso contrario.

Diagramma d'irradiazione

Vediamo ora le sue caratteristiche :

Per il suo dimensionamento occorrerà tener conto che, affinchè il rendimento sia ottimale,il valore della circonferenza risulti compreso fra 1/3 ed 1/8 della lunghezza d'onda più alta (frequenza più bassa) a partire dalla quale la si farà  lavorare (14,200 Mhz nel nostro caso) .La loop da me realizzata ,(1 mt di diametro, 3,14 mt di circonferenza),viene definita "piccola loop" o "BABY LOOP" ,e questo perchè la sua circonferenza risulta essere prossima ad 1/8 λ.Altra cosa importante è il range di frequenze di accordo : scelta la frequenza più bassa di lavoro,la loop funzionerà efficientemente fino al suo doppio,ossia da 14,200 Mhz a 28,400 Mhz.Per potere spaziare fra i due limiti di banda ,si renderà necessario l'impiego di un condensatore variabile ,con caratteristiche elettriche ben precise : abbiamo parlato infatti di circuito ad alto Q,di conseguenza bisognerà utilizzare un condensatore ad alto isolamento (ampia spaziatura delle armature),visto che la tensione presente ai suoi capi sarà molto elevata e sull'ordine di alcune migliaia di volt.Reperire in commercio un componente simile non è affatto semplice ed oltretutto risulta anche molto costoso,perciò ho optato per costruirne uno semplice ed economico a capacità fissa,sfruttando uno spezzone di cavo coassiale RG 213 (capacità 98 pF/mt).Certo,a seconda della banda che utilizzeremo dovremo cambiare di volta in volta il condensatore,e questo in un certo senso è una limitazione un po' fastidiosa,ma non troppo in fin dei conti...e comunque,una volta in possesso di un variabile lo si potrà tranquillamente inserire al posto di quello "rudimentale" da me proposto.Le altre alternative le ho scartate in principio,perchè se non realizzate come si deve avrebbero introdotto sicuramente perdite superiori (vedi condensatori a farfalla o a cassetto).Relativamente al suo dimensionamento,una volta aver ricavato dalle formule il valore di capacità da raggiungere,si procederà con una semplicissima proporzione al calcolo della lunghezza che serve dello spezzone di RG 213 :

Lungh (cm) = ( 100*CT(pF) ) / 98

( NB : la formula per ricavare il valore di CT si trova più avanti )

valore puramente teorico,perchè in pratica quello effettivo sarà leggermente più basso,ma andrà bene come punto di partenza (lo accorceremo  poi ,di volta in volta, fino al raggiungimento del punto di risonanza).

Una parola a parte va detta infine per il sistema di accoppiamento da me adottato per il segnale RF : ho preferito infatti il GAMMA MATCH al più consueto "ARMY LOOP" o loop induttivo, certamente di minor efficenza,e realizzandolo collegando uno spezzone di RG 213 (solo il centrale) lungo quanto 1/8 della circonferenza al centrale dell'SO-239 :

Lungh G.M = ( 3,14*D(cm) ) / 8 = (3,14 * 100) / 8 = 39,3 cm

dove D è il diametro del loop pari a 100 cm.

Passiamo dunque alle equazioni che definiscono il nostro loop.

Supponiamo di doverlo progettare per una frequenza di centro banda pari a 14,200 Mhz,con diametro esterno D=100 cm e diametro interno del conduttore DI=1,6 cm.

Avremo perciò :

RESISTENZA DI RADIAZIONE :

RR = 3,85*10^-6*S²*F⁴ = 0,12 ohm

con S=superficie espressa in mt² S=(D²/4)*3,14 ed F=frequenza di lavoro p.es 14,200 Mhz

come si può notare,la resistenza di radiazione di un'antenna magnetica risulterà estremamente più bassa rispetto a quella di una qualsiasi altra antenna elettrica,ma essendo il tipo di irradiazione differente,ciò non costituirà un problema

RESISTENZA DI PERDITA :

RL = CIRC*(SQRT F) / (1200*DI) = 0,062 ohm

con CIRC=circonferenza espressa in mt (CIRC=3,14*D=3 mt) e DI=0,016 mt (16 mm) =diametro interno del tubo di rame

ovviamente dovrà avere il valore più basso possibile

RENDIMENTO EFFETTIVO LOOP :

μ %  = (RR*100) / (RR+RL) = 66 %

davvero buono direi (almeno in linea teorica).

INDUTTANZA LOOP :

L = 0,062*10^-8*CIRC*(7,353*LOG₁₀(2,54*(CIRC/DI))-6,386) = 2,62 μH

REATTANZA INDUTTIVA :

XL = 6,28*F*L*10⁶= 234 ohm

CAPACITA' DI ACCORDO :

CT = 1 / (6,28*F*XL*10⁶) = 47,9 pF

CAPACITA' DISTRIBUITA :

CD = 0,027*CIRC = 8,5 pF

ora,facendo la differenza fra la capacità di accordo e quella distribuita,otterremo il valore effettivo che dovrà avere il nostro condensatore,e cioè : 39,2 pF circa.In realtà,per i nostri calcoli,sarà sufficiente considerare solo il primo dei due valori calcolati,cioè 47,7 pF.

.

FATTORE DI MERITO :

Q = XL / (2*(RR+RL)) = 645,6

LARGHEZZA DI BANDA :

ΔF = F / Q = 22 Khz

TENSIONE AI CAPI DEL CONDENSATORE :

VC = SQRT(P*XL*Q) = 1231 Volt

dove P è la potenza di prova in uso espressa in Watt.Faccio notare che anche con soli 10 W, il valore di VC risulta ragguardevole,perciò mi raccomando prestate molta attenzione a maneggiare il condensatore...e soprattutto non in trasmissione (HI !!!).

ELENCO MATERIALE OCCORRENTE :

• N°1 MATASSA DI RAME DIAMETRO 16 MM LUNGHEZZA 3 MT
• N° 1 TUBO PVC DIAMETRO 32 MM LUNGHEZZA 3 MT
• N° 1 TUBO PVC DIAMETRO 20 MM LUNGHEZZA 1 MT
• N° 2 MT RG 213
• N° 4 MT DI GUAINA ISOLANTE ELASTICA
• N° 1 COLLARE IN ACCIAIO PER TUBI DIAMETRO 16 MM
• N° 1 CONNETTORE D'ANTENNA SO-239
• N° 2 MAMMUTH DIAMETRO  CON FORI DIAMETRO 6 MM
• N° 4 VITI DIAMETRO 4 MM LUNGHEZZA 30 MM+ N° 2 GALLETTI E N° 2 DADI
• N° 1 VITE DIAMETRO 4 MM LUNGHEZZA 40 MM + N° 1 GALLETTO
• N° 2 VITI DIAMETRO 4 MM LUNGHEZZA 50 MM + N° 2 DADI
• N° 1 OCCHIELLO DIAMETRO 6 MM

ASSEMBLAGGIO :

Srotolare la matassa di rame da 3 mt ,farle assumere la forma circolare modellandola opportunamente e disossidarla con gli appositi prodotti.Togliere 5 mm di rame dalle estremità ed effettuare sulla parte superiore quattro fori passanti (2+2) diametro 4 mm,distanti rispettivamente 0,5 cm e 2 cm dai bordi.Sulla parte inferiore del loop,invece,un solo foro diametro 4 mm. (FOTO 1-2-3)

Foto 1

Foto 2

Foto 3

• Ricavare dal tubo in pvc diametro 20 mm u no spezzone lungo 10,5 cm e fare n°3 fori passanti diametro 4 mm,di cui i due esterni disteranno 0,8 mm dai bordi,mentre il terzo risulterà in posizione centrale. (FOTO 4-5)

Foto 4

Foto 5

• Tagliare circa 1,30 mt di tubo pvc diametro 32 mm e forarlo come nella FOTO 6,tenendo conto che andranno eseguiti :

PARTE INFERIORE DEL TUBO :

1. n°1 foro passante diametro 17 mm (dove faremo passare il loop) a 30 cm dal bordo inferiore (distanza dal centro del foro)
2. n°1 foro (non passante) laterale destro,diametro 13 mm a 33 cm dal bordo inferiore (uscita gamma match)
3. n°1 foro frontale (non passante) per il connettore SO-239 diametro 14 mm a 31,5 cm dal bordo inferiore
4. n°2 fori frontali diametro 4 e 11 mm per fissare l'SO-239

Foto 6

PARTE SUPERIORE DEL TUBO :

1. n°1 foro passante diametro 21 mm con centro a 2,5 cm dal bordo superiore

2. n°1 foro passante diametro 4 mm in mezzo ai due fori appena fatti

    

Foto 7

• Ora prepariamo il gamma match,spellando 39 cm di RG 213 e lo saldiamo da un lato al centrale dell'SO-239 e dall'altro,all'occhiello diametro 7 mm. (FOTO 8)

Foto 8

• Punto successivo,realizziamo il condensatore per poter lavorare sui 20 mt (centro banda 14,200 Mhz) ,tagliando circa 48 cm di RG 213.A questo punto da un lato spelliamo il centrale recidendo completamente la calza (rimmarrà scollegata) ,e dall'altro arrotoliamo solo la calza, ,con il centrale scollegato e isolato con del nastro,alfine di prevenire contatti accidentali, (i terminali andranno stagnati solo alla fine). (FOTO 9)

Foto 9

• Tagliare la guaina isolante in tre spezzoni : il primo da 36 cm,il secondo da 1 mt ed il terzo da 1,44 mt.
• Infilare il cerchio di rame nella parte bassa del tubo in pvc da 32 mm, il primo spezzone di guaina ed il gamma match. (FOTO 10)

Foto 10

• Infilare il secondo ed il terzo spezzone di guaina. (FOTO 11)

Foto 11

• Inserire il tubicino in pvc da 20 mm precedentemente tagliato,sul lato superiore del loop e fissarlo con le seguenti viti. (FOTO 12)

1. n°2 viti diametro 4 mm lunghezza 30 mm con rispettivi galletti
2. n°1 vite diametro 4 mm lunghezza 40 mm con galletto (serve per bloccare il loop al tubo da 32 mm)

Foto 12

• Inserire sempre sulla parte superiore del loop anche le due viti diametro 4 mm lunghezza 40 mm con dado + mammuth  per l'aggancio del condensatore, (mi rendo conto che come sistema non rappresenta il massimo per ridurre le perdite,ma d'altra parte è molto pratico in fase di taratura e cambio del condensatore) . (FOTO 13)

Foto 13

• Fissare il connettore SO-239 con le due viti diametro 4 mm lunghezza 50 mm,allargando leggermente il foro superiore sul tubo in pvc da 32 mm (foro da 11 mm),assicurando così il totale contatto elettrico con il rame sottostante. (FOTO 14)

Foto 14

• Fissare infine il condensatore ed il gamma match (con il collare in acciaio,in mezzo ai due spezzoni di guaina,ricordandosi di pulire accuratamente il punto di contatto elettrico) ed il loop sarà dunque ultimato. (FOTO 15-16)

Foto 15

Foto 16

Foto 17

Terminato di assemblare il tutto, si proverà a trasmettere con circa 5-10 watt di potenza e se tutto andrà come previsto troveremo il ros ottimale nei dintorni della frequenza di centro banda prescelta, (per ottimale intendo un valore massimo di 2:1).Nell'esemplare da me realizzato, la larghezza di banda riscontrata è risultata maggiore di quanto mi  aspettassi,ossia circa 74 Khz (14.180-14.254 Mhz) contro i 22 Khz previsti ! Questo a mio avviso è causato dalle perdite sul condensatore, non certo ottimale, che abbassano di molto il Q,però allo stesso tempo non tutto il male vien per nuocere : 74 Khz di copertura non si buttano di certo via in mancanza di un condensatore variabile.

Per ridurre i ros, oltrepassati i limiti di banda,si utilizzerà l'accordatore,ricordandosi che comunque non si modificheranno le prestazioni dell'antenna ma solo l'adattamento d'impedenza,quindi se questa non starà lavorando all'interno del range di frequenze 14.180-14.254 Mhz,ma p.es a 14.170 Mhz ,attenuerà il segnale in uscita (in pratica è un filtro passabanda di 74 Khz,e quindi taglierà).

Passo successivo,aumenteremo gradatamente la potenza fino a raggiungere circa 40-50 watt (ho provato anche con 100 watt ed il "condensatore" sembrava reggere,ma è meglio evitare per una questione di sicurezza : in caso contrario lo vedrete fumare...ne sa qualcosa il primo esemplare fatto con l'RG 58 HI !!!).Nel caso invece che l'accordo risultasse fuori frequenza,significherebbe semplicemente che il valore del condensatore non è corretto (per causa sua o per la presenza di strutture che ne influenzano la capacità) e bisognerà intervenire in questo modo :

• spostare avanti o indietro di pochi cm ,lungo la circonferenza del loop, il gamma match

• allungare lo spezzone di RG 213 nel caso in cui il centro banda risultasse maggiore di quello stabilito, o accorciarlo in caso contrario,semplicemente tagliando qualche mm di coassiale e riavvolgendo la calza.

Consiglio comunque di tarare l'antenna quando si trova nella sua posizione definitiva d'installazione.

Il valore di capacità che ho misurato tramite strumentazione (un multimetro) è risultato di circa 48 pF con una lunghezza pari a 46 cm di RG 213.

CONCLUSIONI :

Dalle prime prove effettuate on air posso confermare in pieno i pregi di cui abbiamo già discusso : l'antenna si è dimostrata da subito estremamente silenziosa e selettiva.A riprova delle mie supposizioni,per sfizio ho provato a sostituire il condensatore home made con un variabile da 250 pF a basso isolamento (e quindi a solo uso QRP,5 watt massimi) e la larghezza di banda si è riportata sui valori corretti : 30 Khz,prossimi ai 22 Khz calcolati.

Riporto ora alcuni QSO di prova effettuati :