IL DIPOLO

Introduzione

L'antenna a dipolo è certamente il tipo di antenna più conosciuta e più usata in tutto il campo delle onde corte; si può anzi affermare antenne, in un modo o nell'altro, non sono altro che delle variazioni rispetto all'antenna base: il dipolo.
Il termine "dipolo" ha parecchi significati, in genere; se applicato alla parola "antenna" sta a significare un conduttore lineare. Nel linguaggio comune (meglio sarebbe dire nel gergo) degli appassionati di elettronica, "dipolo" significa però "dipolo risuonante" o accordato, cioè un conduttore lungo (quasi esattamente) mezza lunghezza d'onda. E' noto che le onde elettromagnetiche, propagandosi nello spazio, viaggiano alla velocità della luce; in base a consideerazioni abbastanza elementari si ricava la distanza percorsa da un'onda dividendo la velocità per la frequenza, secondo la formula: V/F= l da cui: 3000.000/KHz = l (in metri).

E' interessante anche notare che tra un dipolo accordato ed un circuito accordato esiste una somiglianza che è molto, molto stretta. Supponiamo infatti di avere un circuito accordato formato da una bobina L e da un condensatore C costituito da due armature metalliche contrapposte (v. fig. 1); se noi allontaniamo le spire della bobinaavremo , ne riduciamo l'induttanza; contemporaneamente allontaniamo le armature di C, riducendone perciò la capacità; che la frequenza di risonanza Fr variercompletamente à spostandosi su valori più elevati. Proseguendo in tale operazione, al limite, arriveremo a svolgere il filo della bobinainduttanza di , mentre le armature si verranno a trovare all'estremità del filo. Abbiamo ancora un circuito risonante, costituito da una valore un pomostra anche ' basso, e da una capacità C ugualmente molto più bassa di quella iniziale. Ciò significa solo che Fr sarà molto più alta, ma ci (v. fig. 3) che ci troviamo di fronte ad un dipolo, che risuona su frequenza ben determinata.

Questo ragionamento un pò lungo permette anche di capire perchè variando il diametro del filo costituente il dipolo, varia leggermente Fr; infatti un filo più grosso ha una maggiore capacità ed una induttanza leggeremte più bassa, ma anche una più bassa resistenza ohmica.
Il dipolo accordato presenta una distribuzione della tensione (raffigurata in fig. 4) che ha i massimi alle setremità, mentre la corrente presenta un andamento opposto. Conseguentemente, poichè la resistenza R di un elemento circuitale è dotato da V/I (tensione diviso corrente), ne viene che il dipolo presenta una resistenza minima al centro (intorno ai 70 ohm) e massima alle estremità (alcune migliaia di ohm) e ciò deve essere tenuto presente quando vogliamo alimentarlo con la radio frequenza prodotta dal nostro trasmettitore.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Diagramma di Irradiazione

Il segnale irradiato da un dipolo è massimo nelle direzioni perpendicolari ad esso dipolo; il segnale decresce leggermente nelle direzioni oblique e si riduce fortemente nelle direzioni parallele all'asse fisico del dipolo. In fig. 6 è riportato il diagramma di irradiazione di un dipolo orizzontale, immaginando di vederlo dall'alto.
Se il dipolo si trova montato verticalmente, irradierà all'interno in modo uniforme (sul piano orizzontale); abbiamo cioè un comportamento omnidirezionale. Si deve tenere ben presente che il diagramma di irradiazione è valido per un dipolo libero nello spazio; quando il dipolo è montato vicino ad oggetti più o meno conduttori, od anche non lontano dal suolo, le caratteristiche di irradiazione subiscono una deformazione a volta imprevedibile. In genere si ritiene che un dipolo verticale risenta meno della presenza del suolo; il dipolo orizzontale, se troppo basso, tende sopratutto ad irradiare verso l'alto per effetto della riflessione del terreno, e ciò non è in genere utile per collegamenti a grande distanza.
Se il suolo fosse un perfetta superficie riflettente, l'altezza migliore per un dipolo orizzontale risulta essere pari alla lunghezza d'onda, cioè 20 m per un dipolo in 14 MHz; ciò dà maggior segnale con basso angolo di radiazione, cioè ove occorre di più, per le forti distanze. Se invece interessano le medie distanze, una altezza inferiore dà migliori risultati. Purtroppo il suolo non è una superficie riflettente e quindi i risultati ottenibili variano molto. I migliori suoli sono quelli di terra umida, magari coltivati a prato, come si vede nelle installazioni professionali o della RAI; i peggiori sono quelli secchi, sabbiosi o rocciosi. Per chi vive in città, la superficie "riflettente" è costituita da tetti vari, fili, ecc. ed i risultati finali sono di norma alquanto imprevedibili; tuttavia le antenne più alte danno in genere i migliori risultati.
L'altezza dell'antenna, in città non va riferita al suolo stradale, ma ai tetti dei palazzi circostanti (v. fig. 8).

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Linea di Alimentazione

La trasmissione dell'energia a r.f. dal Tx all'antenna avviene tramite una "Linea di trasmissione". La linea più usata in passato era la linea bilanciata; una linea costituita da due fili (di rame o di bronzo) mantenuti paralleli mediante distanziatori in vetro o ceramica, ad una distanza di alcuni centimetri in genere da 6 a 15).
La linea bilanciata può essere facilmente autocostruita se si usano come distanziatori delle bocchette di plexiglass che uniscono alla notevole leggerezza una discreta resistenza meccanica ed ottime proprietà isolanti. La sua impedenza caratteristica si aggira intorno ai 500-600 ohm ed ha, di solito, perdite estremamente basse; l'Handbook ARRL quota il valore di 0,1 dB a 30 MHz per 30 metri di liena, escluse le perdite negli isolatori. Si tratta di perdite comunque molto basse, che salgono però in caso di pioggia, quando gli isolatori sono bagnati. In queste condizioni, non è necessario che la linea termini sulla propria impedenza caratteristica; se collegata al centro di un dipolo, cioè a circa 60 ohm, il Ros può essere anche 1:10, ma le perdite totali, sempre a 30 MHz, sono dell'ordine di mezzo decibel!
E' un vero peccato che la linea bilanciata sia ora poco usata; infatti un dipolo con discesa bilanciata può operare efficacemente sulle armoniche, ed anche su frequenze non armoniche, sempre che si disponga di un efficiente accordatore dal lato Tx. Ovviamente per chi vive in città, sopratutto in appartamenti che non dispongono di un cortile, è chiaro che non è molto pratico, nè esteticamente presentabile, la linea "a scaletta" come veniva anche chiamata (v. fig. 9), tanto più che la linea bilanciata deve essere mantenuta ben distante (un paio di metri) da muri ed altri ostacoli. Anche l'accordatore va quindi ubicato vicino alla finestra o al muro attraverso il quale la linea penetra nell'abitazione.

La linea in cavo coassiale, oggi quasi di uso universale, ha il vantaggio di poter transitare vicino ai muri e può essere curvata abbastanza bene. Poichè è una linea asimmetrica, richiede l'uso del balun se accoppiata ad un dipolo e inoltre è necessario che sia terminata su di un carico abbastanza vicino al valore caratteristico proprio di impedenza (di solito 52 o 75 ohm). Il centro del dipolo, teoricamente, è sui 70 ohm (un pò meno, talvolta, in pratica) per cui il cavo può essere agevolemtne usato per alimentare al centro, il dipolo lungo mezza lunghezza d'onda, cioè risuonante. Se tutto è in regola, non occorre accordatore, dato che tutti i Tx sono già previsti per carichi di circa 50 ohm.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipolo Normale

Il dipolo in uso in HF è di norma costituito da un filo o treccia di rame crudo (oppure, bronzo fosforoso) di diametro da 1 a 3 mm. La robustezza meccanica del filo deve essere adeguata alla lunghezza della campata e all'eventuale peso della discesa se questa è collegata al centro. Quando il dipolo è teso tra due sostegni (in genere poli), la parte centrale si abbassa un poco, e se vi è anche il peso del cavo assume l'aspetto a V.
La "freccia" nel punto centrale diviene molto marcata se il cavo è pesante, ed anche la trazione meccanica nel filo diviene eccessiva. In questo caso conviene sostenere il cavo con delle funi apposite ancorate ai pali a mezzo di carrucole, in modo da poter ben regolare la trazione delle funi. Il dipolo può anche essere costituito da tubi in alluminio, e questo si fa spesso per le frequenze dai 14 Mhz in sù; allora il sostegno diviene un palo centrale e se si monta anche un piccolo rotore si realizza un dipolo rotante.
Ovviamente la direttività del dipolo è modesta, però verso le estremità si ottiene un indebolimbento dei segnali interferenti e quindi c'è già qualcosa che consente di migliorare le condizioni di ricezione. La lunghezza del dipolo è calcolabile con la formula: 142/F = l ma si tratta di un valore approssimato. Per una perfetta risonanza conviene in genere effettuare i rilievi di ROS sulle frequenze che interessano ed ottimizzare la lunghezza.
E' facile ricordare che un dipolo per la banda OM dei 20 m deve essere lungo proprio 10 metri; a seconda del tipo di installazione, degli isolatori, ecc. la lunghezza potrà variare di alcuni centimetri in più od in meno.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipolo a V Invertita

Il dipolo a V invertita è una interessante variazione rispetto al dipolo classico e presenta alcuni vantaggi sopratutto nel caso delle frequenze più basse. In questo tipo di dipolo, la parte centrale è sostenuta da un palo piuttosto alto, mentre i lati si avvicinano al suolo, con una forma molto caratteristica (v. fig. 11). Dal punto di vista meccanico, questa installazione è più semplice, perchè il peso della discesa e dell'eventuale balun è sostenuto dal palo centrale; quest'ultimo non deve essere molto robusto dato che il peso dell'antenna esercita una spinta verticale, e lo stesso filo dell'antenna agisce da controvento in due direzioni. Nelle altre due direzioni saranno sufficienti dei piccoli tiranti in nylon, comunque inferiori a quelli richiesti dai pali di sostengno di un dipolo normale. Elettricamente il dipolo a V invertito si comporta più o meno come il dipolo normale, con l'eventuale indebolimento dei minimi presentati verso le estremità; in altri termini, è più "omnidirezionale" del dipolo semplice. In molti casi il dipolo a V invertito riesce ad essere installato là dove un dipolo normale non trova spazio sufficiente; quindi per i 40 ed 80 metri questa antenna è certamente tra le più semplici e tra quelle di buon rendimento.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipolo Obliquo

Il dipolo obliquo (chiamato anche "slooping dipole" nella terminologia inglese) è realizzato anch'esso con un solo palo (v. fig. 12) e mostra una leggera direttività verso il lato basso, specialmente se il palo di sostegno è metallico. La cosa è forse opinabile e dipende molto da come è eseguita l'installazione; alcuni ne hanno avuto buoni risultati appunto sulle bande 40 e 80 m.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipolo Accorciato

Specialmente sulle frequenze basse, un dipolo a mezz'onda risulta piuttosto lungo; è quindi normale cercare di accorciarlo o rimpicciolirlo, anche se ciò comporta qualche leggera diminuzione nei risultati. Un possibile accorgimento consiste nel disporre le estremità del dipolo in posizione diversa; ad esempio un dipolo per la banda degli 80 m risulta lungo circa 40 m; se ad ogni estremità se ne piegano verso il basso 4 m riduciamo la lunghezza totale a 32 m. La piegatura può avvenire anche di lato, in modo che, visto in pianta, il dipolo assume una forma a C; oppure, se possibile, le estremità vengono piegate in direzioni opposte; assumendo una forma ad S. In alcuni casi le estremità sono state ripiegate verso l'interno (vedi fig. 15).

Evidentemente la soluzione più adatta viene scelta secondo le condizioni locali di installazione. Un'altra maniera per accorciare un dipolo consiste nell'inserire delle induttanze nei due bracci, come indicato in fig. 16; è un pò un procedimento inverso a quello delle fig. da 1 a 3; il dipolo risuona abbastanza bene, ma diviene più selettivo e quindi si stringe la zona in cui lavora con basso ROS. Con questo accorgimento si può avere un buon funzionamento con accorgimenti sino alla metà della lunghezza normale; oltre non conviene adare perchè i risultati divengono troppo critici.

Le bobine possono essere avvolte su tubi in PVC con diametro da 20 a 40 mm, ma occorre prevedere un metodo che possa resistere alla trazione meccanica; un buon isolatore in pyrex o analogo è adattissimo allo scopo (v. fig. 17). Circa il loro valore induttivo, esso può essere calcolato, ma il procedimento è piuttosto complesso ed andrebbe poi verificato in pratica; può essere quindi più semplice evitare i calcoli ed effettuare la messa a punto con sistemi empirici. In base a quanto detto all'inizio, è intuitivo che la lunghezza del filo necessario per le bobine sarà una frazione della lunghezza di cui viene accorciata l'antenna; ad esempio, se vogliamo fare un dipolo accorciato per i 7 MHz, di lunghezza totale pari a 12 m, invece dei 20 normali, abbiamo che l'accorciamento è di m. 8, cioè m. 4 per ogni lato. Le bobine possono essere essenzialmente avvolte usando circa 3 m di filo, inserite simmetricamente nei due bracci del dipolo e quindi con l'uso di un Grid-Dip si procederà alla messa a punto del dipolo. Peraltro questo sistema è alternativo a quello in cui vengono usate le "trappole" e di cui diremo in seguito.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipolo Verticale

Il dipolo verticale è pressochè omnidirezionale, ma ha una notevole predisposizione a raccogliere i disturbi elettrici. In genere è usato sulle bande a frequenza più alta, ove è realizzabile con tubi di allumnio. La linea di alimentazione dovrebbe allontanarsi dal dipolo perpendicolarmente (se collegata al centro) il che crea dei problemi, oppure uscire dal tubo inferiore ma isolata da questo.

Anche questa soluzione non è facilente realizzabile, specialmente in HF, perchè è difficile mantenere centrato il cavo nel tubo inferiore, e perchè l'isolatore centrale è di costruzione abbastanza complessa. La realizzazione è molto più semplice se il dipolo è alimentato alla base; purtroppo qui l'impedenza è molto alta e non si può usare il cavo. Può essere usata una linea bilanciata, oppure occorre un circuito adattatore di impedenza, è molto alta e non si può usare il cavo. Può essere usata una linea bilanciata, oppure occorre un circuito adattatore di impedenza, in genere costituito da una bobina accordata, collegata come in fig. 14.

La bobina, mediante un piccolo condenzatore variabile, è portata a risuonare sulla frequenza di lavoro; il cavo è unito sul lato freddo usando una frazione dell'induttanza (il punto giusto va trovato sperimentalmente). Al posto del condensatore varibaile, talvolta si sfrutta la capacità esistente tra la bobina e l'involucro metallico che la racchiude, come avviene in alcune antenne verticali commerciali per la banda CB. C'è anche la variante "Ringo"; qui la bobina è di una sola spira, piuttosto grande; la capacità è quella distribuita mentre la presa per il cavo è realizzata con un ponticello mobile, che viene fissato nel punto corrispondente al minor ROS.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipolo Multibanda

Il dipolo accordato sulla frequenza (fondamentale) F è in grado di risuonare anche sulle frequenze multiple di F, dette "armoniche", per cui un dipolo tagliato per i 7 MHz può risuonare su 14, 21, 28 .....MHz, cioè su frequenze ottenute moltiplicando per 2, 3, 4.... ecc. la cosiddetta "fondamentale". In effetti la relazione non è così semplice perchè la lunghezza fisica del dipolo è un pò piu corta di quella teorica e questo fatto fa si che risonanza sulle armoniche sia leggermente spostata dal valore teorico; però lo spostamento è in genere modesto e può essere trascurato in molti casi. Il funzionamento su frequenze armoniche cambia completamente il diagramma di radiazione del dipolo: si può capire come ciò avviene se si considera la distribuzione delle fasi della corrente nel filo (v. fig. 18). Infatti su frequenza 2F la corrente forma due "ventri" che sono di fase opposta: il loro effetto risuonante è che perpendicolarmente al dipolo l'irradiazione è nulla (perchè i due campi si elidono) mentre in direzione obliqua le radiazioni dei mezzi dipoli si sommano e si creano dei lobi di irradiazione. In fig. 19 sono riportati i diagrammi di irradiazione (teorici) per un dipolo funzionante su armoniche. Esiste però una difficoltà notevole per l'alimentazione del dipolo su armoniche. Infatti il punto centrale del dipolo, che presenta in fondamentale una impedenza vicina a 70 ohm, sulle armoniche pari (cioè seconda, quarta, ecc.) diviene sede di un ventre di tesione e quindi presenta una Z elevatissima. Ciò impedisce nel modo più drastico la possibilità di alimentare il dipolo con cavo coassiale che, come detto in precedenza, non è adatto a funzionare con disadattamenti di impedenza superiori al valore di 1:3. Sulle armoniche dispari, invece, abbiamo ancora ventri di corrente e quindi bassa Z; perciò un dipolo costruito per i 7 MHz può funzionare bene sui 21 MHz, naturalmente con irradiazione diversa. Qui è opportuno ricordare che se il dipolo è alimentato con linea bifilare simmetrica in aria, il problema del ROS elevato non si verifica; quindi il dipolo potrà essere usato regolarmente su tutte le F armoniche, sia pari che dispari, con opportuno uso dell'accordatore bilanciato.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Dipoli in Parallelo

Una diversa possibilità, per ottenere un buon funzionamento su più frequenze, consiste nell'usare 2 o più dipoli in parallelo. Si sfrutta in questo caso la circostanza che un dipolo ha bassa Z solo a risonanza (o su armoniche dispari) nel punto centrale; su frequenze molto più alte o più basse la Z è elevata. Quindi se mettiamo in parallelo un dipolo per i 7 MHz con uno per i 14 MHz, avremo che sulla prima frequenza sarà il primo dipolo a "ricevere" la maggior parte della r.f. inviata via cavo; spostandosi sui 14 MHz, il dipolo risuonante su 7 MHz assorbirà poco o nulla, mentre il dipolo dei 14 MHz rappresenterà un carico appropriato per il cavo. La vista di una antenna a più dipoli è in fig. 24; il numero e la posizione dei dipoli può essere variata a piacimento, tenendo solo presente che i dipoli devono essere separati tra di loro almeno di una ventina di cm, meglio se separati maggiormente.

Questo tipo di installazione è stato descritto su Break n. 4/1979 da I6VDB; qualunque soluzione analoga può essere usata; in fig. 25 è indicato un modo equivalente adatto ad installazione permanente, con alimentazione tramite balun. In questi casi, cioè per uso con antenne multibanda, è ovvio tenere presente che l'eventuale balum deve essere del tipo a banda larga; quello venduto dalla Hy-Gain è adatto per potenze sino a 1-2 KW ed è stato da me usato con buoni risultati.

Articolo tratto da Break 1979 F. Cherubini IØZV

Una semplice antenna tribanda 3,5 - 7 - 21 MHz

Un'antenna "folded dipole" o dipolo ripiegato per la banda dei 40 metri è costituita da un filo di rame di circa 15/10 mm e, a causa della sua lunghezza, i due conduttori vengono mantenuti spaziati fra di loro tramite delle barrette isolanti lunghe 10 cm collocate circa ogni 50 cm onde evitare il loro attorcigliamento. Un isolatore collocato fra i punti A e B permette l'ancoraggio della linea di alimentazione. Le due estremità dei conduttori sono cortocircuitate e due isolatori ne consentono la loro installazione. Trattandosi in partenza della banda dei 7 Mhz la lunghezza dell'antenna è di metri 20,25, cieè una mezza lunghezza d'onda, e la sua impedenza al centro è di 300 W.

La linea di alimentazione costituita da piattina di 300 W, consente un tasso molto basso di onde stazionarie sui 40 metri. D'altra parte, essendo la banda dei 21 Mhz un'armonica dispari, il funzionamente dell'antenna sui 15 metri si rivela soddisfacente in quanto ci si trova in presenza di tre mezze onde la cui risonanza cade sull aparte alta della banda. La piattina può avere qualsiasi lunghezza. Considerando ora la banda dei 3,5 Mhz la configurazione non è più quella di un folded diple come potrebbe sembrare. L'antenna è infatti diventata una doppia Zeppelin mezz'onda ripiegata su se stessa. Infatti la lunghezza dell'anello del filo partendo dal punto A verso il punto B è di metri 20,25 x 2 + metri 0,10 x 2. In totale avremo dunque metri 40, 70. Ciò corrisponde ad una mezza lunghezza d'onda sugli 80 metri. La corrente al centro dell'antenna è notevole ed il rendimento è buono. Tuttavia sugli 80 metri l'impedenza al punto di alimentazione dell'antenna non è più 300 W ma un valore ad essa superiore di alcune migliaia di ohm. Ne consegue la necessità di un adattamento della linea di alimentazione. Questo adattamento consiste nell'utilizzo di una porzione di linea a 300 W avente una lunghezza crittica alla frequenza considerata. Ciò costituirà un trasformatore di impedenza con rapporto 4:1. Si dovrà pertanto tagliare uno spezzone di linea a 300 W misurnado un quarto d'onda degli 80 metri e cioè metri 17,20, prendendo il coeffieciente di velocità della piattina pari a 0,82. Dato che per le altre due bande la lunghezza della piattina non è critica, si ottiene così un'antenna parzialmente multibanda senza relais e senza trappole. Volendo evitare la costruzione dell'antenna con filo di rame si può utilizzare per il tratto orizzontale piattina di trasmissione avente 450 W d'impedenza. Questo tipo di piattina ha un coefficiente di velocità vicino a quello che presenta l'antenna costruita con filo di rame. Si dovrà determinare la lunghezza esatta mediante un grid-dip e poi si cortocircuiteranno le due estremità. Come linea di alimentazione si manterrà la piattina da 300 ohm. L'antenna sopra descritta è proposta da Robert Piat F3XY su Radio Reef nov. 1999.

Articolo tratto da RadioKit 2/2000 C. Feruglio IV3VS