Le antenne verticali
ed alcuni particolari del piano di riflessione...
Ho voluto dedicare un episodio delle «Radiochiacchiere» alle antenne verticali ed ho coinvolto un collega che, su questo fatto, la sa davvero lunga: il solito Saverio, IK7IWF.
Spesso si sente dire che un'antenna «vive» dove è stata montata e, la buona riuscita del montaggio, risiede anche nella giusta integrazione con l'ambiente che la circonda... Ed il suo piano di riflessione, costituito dai radiali, diventa parte integrante di questo «ambiente».
L'argomento è certamente complesso e difficile da trattare nei pochi minuti di un episodio ma voglio provarci ugualmente: pertanto, sistematevi le cuffie ed aggiustate il volume... della radio perché stiamo cominciando!
Ecco l'episodio 83
L'episodio consta di 10 domande rivolte a Saverio: le domande sono numerate e le risposte seguono. Si tratta di un argomento complesso e su cui, probabilmente, si ritornerà a trattarlo in futuro... 
1 Parliamo dell'importanza del piano di massa sulle antenne verticali. Questi radiali, questi fili che si stendono e riempiono i nostri terrazzi, alla fine della fiera hanno la loro utilità o un'antenna andrebbe benissimo anche senza radiali?
Hanno la loro importanza. Partiamo da un concetto: quando si parla di onde stazionarie, queste generano il terrore nell'operatore (nel radioamatore o nel CB). Però alla fine le stazionarie ci devono essere dove serve e non ci devono essere dove non serve. Un'antenna che funziona per risonanza funziona proprio grazie a un regime di onda stazionaria. Naturalmente nel punto di alimentazione ha l'impedenza voluta (75 o 50 Ohm in base al cavo), e lungo la linea di trasmissione dalla radio all'antenna non ci devono essere stazionarie. Ma l'antenna in risonanza ha sulla sua superficie un regime di onda stazionaria. Se questo viene ben equilibrato, si evita la corrente di modo comune (il ritorno sul terzo filo che si forma sulla calza esterna del cavo).
2 Quindi vorremmo evitare quel terzo filo che si viene a formare sulla calza esterna del cavo?
Esattamente. Perché, nelle verticali, viene usato il piano di massa risonante proprio per questo: se il piano risuona, nel punto di alimentazione si ha un punto di bassa impedenza dove la corrente di modo comune si stoppa e, grazie al regime di onda stazionaria, ritorna nel radiale e viene irradiata.
3 Quindi anche la corrente di modo comune entra a far parte di quanto viene irradiato dall'antenna?
Esattamente. Se questa corrente non viene irradiata attraverso il piano di massa, torna indietro sulla calza del cavo. Questo è grave per due motivi: il primo è che ritorna indietro nella radio; il secondo è che non viene irradiata, quindi perdiamo potenza effettiva.
4 Non solo, ma il cavo stesso inizia a irradiare dalla parte esterna? Alla fine della fiera, è come se fosse andato in risonanza?
Diciamo che un conduttore di una lunghezza N crea comunque un campo elettromagnetico intorno a sé. Il discorso della risonanza subentra perché in quella condizione si ha la massima trasformazione da energia elettrica a energia elettromagnetica. Quindi l'antenna irradia. Il piano di massa assume importanza proprio in questa fase radiante.
5 Questo al netto del fatto che ci sono antenne senza piani di massa o radiali, come la «Ringo» per la 27 MHz...
La Ringo è tutt'altra cosa, non ha il piano di massa. Ma qualcosa deve pur fare da piano... cosa ha la Ringo di particolare? La Ringo è un'antenna che ha una risonanza a mezz'onda (un dipolo chiuso). Essendo a mezz'onda, si ha bassa impedenza al centro e alta impedenza sui due vertici (superiore e inferiore). Quella spira (o due spire) che si vede serve a trasformare e adattare i 50 Ohm a un valore molto più alto (oltre 1 kOhm) per alimentare l'antenna. C'è anche un condensatore per aumentare l'effetto dell'adattamento. In questo caso il piano di massa esterno non c'è, ma l'effetto è generato dall'antenna stessa che ha la bassa impedenza al centro e l'alta impedenza ai vertici.
6 C'è un'altra curiosità: queste antenne a mezza onda poi risuonano anche sui multipli, sulle armoniche?
Parlando invece di una verticale a un quarto d'onda (che lavora su armoniche dispari), essa crea una risonanza con un regime di onda stazionaria che offre una bassa impedenza nel punto di alimentazione, prossima ai 50 Ohm. Quando parliamo di una verticale a un quarto d'onda, ad esempio per i 40 metri (un radiatore di circa 10 metri), incide molto la distanza dal suolo, perché il suolo comincia a diventare parte integrante dell'antenna. Se uso la stessa antenna sulla terza, quinta o settima armonica, il suolo influisce in modo diverso perché per quella frequenza il terreno «è come se stesse più lontano».
Se metto una verticale per i 40 metri su un palo di 3 metri, l'antenna si trova a una distanza dal suolo inferiore a mezz'onda, quindi ho una notevole interazione con il terreno. Se la faccio lavorare in 21 MHz (terza armonica) o a 50 MHz (settima armonica, dove la lunghezza d'onda è 6 metri), l'altezza dal terreno è già abbondantemente superiore a mezz'onda. L'antenna funzionerà, ma non avrà più l'influenza benefica o l'accoppiamento del terreno: per farla funzionare bene bisognerà crearle un piano di massa risonante (dei radiali) come si deve. I lobi di radiazione cambieranno, ma a livello elettrico funzionerà lo stesso.
7 Ma quando parliamo di terreno, parliamo del terreno con il terriccio, le piantine o i pomodori, oppure stiamo parlando del solaio di casa dove sono montate le nostre antenne?
È la stessa cosa. Il terreno con le piantine trattiene umidità e ha una certa conduttività elettrica. Il solaio di casa (il lastricato solare), se è in cemento armato, contiene le armature metalliche che sono conduttori e si accoppiano con l'antenna. Inoltre il cemento ha una componente di alluminio, quindi c'è un vero e proprio accoppiamento elettromagnetico anche senza un contatto fisico diretto tra l'antenna e la rete metallica del palazzo. Questo accoppiamento cambia con la frequenza: più si sale di frequenza, minore è l'accoppiamento con il terreno/struttura. Un'antenna per i 80 metri si accoppia molto di più con la struttura rispetto a una per i 10 metri. La casa stessa diventa parte integrante dell'antenna, modificandone la risonanza e i lobi di radiazione. Ecco perché un'antenna tarata in un posto, se spostata in un altro, cambia accordatura.
8 Quindi nella costruzione e nell'impianto di un'antenna rientrano il pavimento dell'area solare, il palo che la sorregge, i tiranti metallici... alla fine abbiamo un sistema globale che influenza l'irradiazione?
Esatto! Anche eventuali altre strutture metalliche presenti sui tetti influenzano l'antenna. Ad esempio nelle vecchie abitazioni c'erano i vasi di espansione o i tubi idraulici del riscaldamento che arrivavano in terrazza. Quei tubi metallici finiscono nel terreno e, se si trovano a meno di mezz'onda dall'antenna, diventano parte integrante del sistema. Anche i pannelli solari termici (quelli con l'acqua calda, non il fotovoltaico) interagiscono.
9 Un piano di massa risonante riduce o azzera le correnti di modo comune che fanno irradiare la calza del cavo. Questo discorso è valido anche in ricezione?
Assolutamente sì! Se c'è uno sbilanciamento sul polo freddo della linea che genera corrente di modo comune, allo stesso modo in cui il cavo irradia in trasmissione, in ricezione è in grado di ricevere. Se la calza del cavo passa vicino a conduttori di casa che portano disturbi domestici, il cavo catturerà quei disturbi tramite la calza e li porterà dentro la stazione radio. È lì che si ha la sensazione di avere un'antenna rumorosa. Con un piano di massa risonante ben fatto, questo problema viene molto attenuato.
10 Quindi possiamo stabilire la regola che se un'antenna è accordata bene in trasmissione dovrebbe funzionare bene anche in ricezione?
Certo. Però quando si parla di «accordo» non bisogna guardare solo l'impedenza pura. Molti vedono 50 Ohm sullo strumento o sull'analizzatore d'antenna e pensano che sia perfetta. Ma lo strumento non ti dice come sta irradiando. Se non c'è equilibrio sulla risonanza e sul piano di massa, l'antenna può presentare 50 Ohm fittizi ma accoppiarsi male con ciò che la circonda, frammentando i lobi di radiazione, sparandoli verso l'alto o disperdendo potenza sotto forma di correnti di modo comune sui cavi di discesa o sui conduttori vicini. Gli elementi che influenzano la riuscita sono tantissimi: non è l'antenna in sé, è proprio tutto l'impianto nel suo insieme.
Ed ora, il nuovo episodio di Radiochiacchiere
Come al solito, anche questo 83.mo episodio è disponibile sia sulla piattaforma Spreaker.com (ed anche su tutte le altre piattaforme podcast...):
e sulla mia apposita playlist su YouTube; approfitto, come sempre, per rammentare qui il mio canale video https://www.youtube.com/@ik7xja: