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ANTENNA DISCONE VHF-UHF
Mod. DCR50
di
Domenico Di Simone
IK6BMU
[email protected]
DSD MEDIA
Antenna Discone 50-470 MHz
COPYRIGHT © 2014
DSD Media
Domenico Di Simone IK6BMU
65016 Montesilvano (PE)
Property of DSD Media
First Year of Publication, 2014
All rights reserved.
No part of this publication may be
reproduced in any form or
by any means, without permission
in writing from the Author.
Rev. 01
www.ik6bmu.it
19 august 2014
Pagina 2
Antenna Discone 50-470 MHz
Questo progetto nasce dall’esigenza di poter ricevere, ma
anche trasmettere, su un ampio spettro di frequenze senza dover
per forza utilizzarne un’altra o più antenne con i relativi cavi di
discesa, è stata disegnata per operare da 50 MHz a 470 MHz e
quindi è utilizzabile anche sui 6mt, sulla nuova banda dei 4mt,
(70MHz) sui 2mt e sui 70cm, ha una polarizzazione verticale ed è
omnidirezionale, il guadagno (scarso) è essenzialmente costante
su tutta la gamma e l'angolo di radiazione è molto basso,
aumentando soltanto leggermente sulle frequenze più alte, la sua
forma deriva dall’antenna biconica dove uno dei 2 coni viene
sostituito da un disco.
Dal punto di vista elettrico, l'antenna discone si comporta
essenzialmente come un filtro passa-alto, ha una frequenza di
taglio, sotto la quale diventa molto inefficiente, causando onde
stazionarie gravi sulla linea di alimentazione, mentre sopra la frequenza di taglio, esiste poco
disadattamento l’SWR è tipicamente inferiore a 2:1 e variazioni fisiche esterne, dovute alla pioggia
neve o ghiaccio accumulato non ne modificano molto le sue caratteristiche , la variazione di
impedenza in funzione della frequenza è, tuttavia, inferiore ad un qualsiasi dipolo.
A differenza di un Ground Plane o della stessa Antenna Marconi la corrente massima scorre nella
parte superiore anziché nella parte inferiore, e quindi la radiazione avviene lontano dal terreno o dal
tetto, quindi per la sua configurazione strutturale, si presta bene per un montaggio su un palo o sul
tetto di un edificio, sempre la radiazione è dovuta principalmente al cono in quanto il campo
prodotto dal disco è molto basso perché generato da correnti che scorrono in senso opposto che si
annullano reciprocamente, da quest’ultima cosa si capisce che la potenza irradiata è la metà di
quella fornita dal trasmettitore perché l’altra metà si auto-annulla e quindi l’antenna ha un guadagno
di -3 dB rispetto al classico dipolo. Questa caratteristica negativa è la prima di una lunga serie di
compromessi, ma come disse qualcuno illustre prima di me “Le antenne sono tutto un
compromesso” , e quindi lo dovrò accettare per forza, consolato solo dal fatto che è una
caratteristica comune ad altre antenne a cominciare dall’Antenna Marconi e sue derivate tipo
Ground Plane. Un altro compromesso sta nella sua forma, l’antenna deriva da quella chiamata a
Disco e Cono e sui sacri testi è descritta molto bene come variante della Biconica con il disco in
basso e il cono rovesciato con l’estensione verso l’alto, cioè esattamente il contrario della discone,
il suo diagramma di radiazione ha delle componenti che si irradiano verso l’alto di qualche decina
di gradi di elevazione sul piano verticale come ci si aspetterebbe, però se ruoto tutta l’antenna di
180° anche le componenti ruoteranno e tendenzialmente quindi la nuova antenna (discone) irradierà
verso il basso, se posta lontano dal terreno, ma su terra reale il suo diagramma cambia in quello
conosciuto, per questo molti dicono che la sua installazione ideale è in cima ad una collina proprio
per la sua tendenza ad irradiare verso il basso.
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Antenna Discone 50-470
50
MHz
Antenna tipo Disco e Cono
Tutto questo mi darà un rendimento inferiore a quello di
una monobanda, o di una collineare ma, del resto è risaputo
da tutti che la discone non è molto utilizzata in ambiente
amatoriale proprio per le sue scarse prestazioni, però
conoscendone e accettandone
ne le sue caratteristiche si può
utilizzare benissimo per il traffico locale sia in VHF che in
UHF.
Tra i vantaggi, invece, che possiede è che basta installarne
una per coprire una larga fetta di frequenze, ed inoltre che
praticamente non deve essere tarataa come la maggior parte
delle antenne, una volta installata funziona subito non ha
trappole o induttanze aggiunte e funziona in modo nativo su una larga fetta di frequenze che la
rendono attraente per l’uso nei campi civile, militare, radioamatori e radio scanner.
scanner
Una antenna discone deriva il suo nome da una concatenazione delle parole “disc
disc” e “cone”, il suo
aspetto è unico, ed è formata sostanzialmente da 3 componenti principali che sono:
sono
1. cono in lamiera o rete metallica montato verticale col vertice in alto, la cui lunghezza (L)
dovrebbe essere poco più di ¼ λ sulla frequenza piùù bassa di funzionamento, l'angolo
interno del cono è generalmente compreso da 40 e 60 gradi.
2. disco sempre in lamiera o rete metallica montato orizzontalmente nella parte superiore,
superiore
dovrebbe avere un diametro
diame (D) complessivo di 0,7 volte ¼ λ alla frequenza più bassa,
bassa di
solito è alimentato con cavo coassiale da 50 Ohm, con il conduttore centrale collegato al
centro dell disco, e il conduttore esterno al cono.
3. isolatore (S) Il disco e il cono devono essere separati da un isolante, le cui dimensioni
determinano alcune proprietà
propr
dell'antenna, specialmente vicino al suo limite di frequenza
più alta.
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Antenna Discone 50-470 MHz
A frequenze più basse però un numero
sufficiente di fili metallici o di tubi (da 8 a
16) in una configurazione a raggiera viene
spesso utilizzata per approssimare una
superficie solida, questo semplifica la
costruzione e riduce il carico del vento.
Ho sempre utilizzato questo tipo di antenne,
la prima che ho installato la misi sul mio
tetto negli anni ’80 ed è ancora li, copre le
frequenze da 80 a 800 MHz, è un’antenna
commerciale di una ditta che ormai non
esiste più, quando decisi di provare la banda
dei 6 metri, feci una rapida ricerca tra i
commercianti, per vedere se esisteva una
versione che si estendesse verso il basso fino
ai 50 MHz, ma visto i risultati negativi, fui
costretto a realizzarne una ex-novo.
Applicando le formule, oggi facilmente
reperibili su internet, sono arrivato al calcolo
delle misure ottimali sia per il disco che per
il cono.
Foto della prima discone installata sul tetto di casa negli anni 80
Calcolo parametri principali:
Per calcolare le dimensioni dell'antenna, devo conoscere la frequenza di risonanza più bassa,
siccome voglio trasmettere sui 50 MHz scelgo 49,9 MHz con un piccolo margine di sicurezza, la
frequenza più alta, invece, sarà determinata in gran parte dal diametro della parte superiore del cono
Cmin della Figura 1 e dalla forma e dimensione dell’isolante S. Un'antenna correttamente
progettata è in grado di ricevere fino a 10 volte la frequenza più bassa.
Quindi il primo calcolo che devo fare è determinale la lunghezza d’onda della frequenza più bassa
λ=300/49.9=6,012 mt
Adesso divido il risultato per 4 in modo da ottenere
λ¼=6,012/4=1,503 mt.
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Antenna Discone 50-470 MHz
che posso arrotondare a 1,5mt.
Questa è la misura di LS della
Fig.1 che coincide anche con
Cmax visto che ho deciso di avere
un angolo interno del cono di 60°
per rispettare il rapporto 1 a 10
delle frequenze min e max e per
avvicinarmi il più possibile ai 50Ω
di impedenza.
Adesso devo calcolare il diametro
del disco chiamato D, anche la
dimensione di questo disco è
importante per determinare
l’impedenza finale che avrà
Figura 1
l’antenna che dovrà essere uguale al cavo di alimentazione, scegliendo 50Ω:
D=λ/4 * 0,7≈ 1,05mt.
A questo punto ho tutti i dati per poter fare una simulazione al computer con MMANA GAL e fare
qualche modello matematico ancor prima di costruire fisicamente l'antenna, permettendomi anche
di effettuare poi dei confronti tra modellazione computerizzata e antenna reale.
Questa immagine, realizzata con MMANA GAL, è il modello matematico in 3D della discone
realizzata, sia per il disco che per il cono, con 8 segmenti uniti ad una estremità e raccordati
all’estremità opposta da una barra equipotenziale , una volta impostate le coordinate, il tipo di
materiale e il diametro
di ogni segmento,
nonché il punto di
alimentazione, posso
passare all’elaborazione
numerica che mi darà
tutti i parametri elettrici
caratteristici di
quest’antenna.
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Antenna Discone 50-470 MHz
Nella figura a fianco è possibile
vedere il diagramma di radiazione
verticale a 50,1 MHz ad una altezza
su terreno reale di 10 metri, come si
nota il massimo rendimento si ha con
un angolo di 7,4° sull’orizzonte
quindi ottima per il DX più un altro
lobo a 40° con un guadagno
leggermente più basso.
Diagramma della resistenza di radiazione (curva blu) e reattanza (curva rossa) nella banda di
frequenze compresa tra 40 e 80MHz.
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Antenna Discone 50-470 MHz
Diagramma del SWR, come si vede al di sotto dei 50 MHz l’SWR sale molto rapidamente, al di
sopra si mantiene al di sotto di 2,5:1
Nota:
C’è da dire che tutti questi diagrammi sono da prendere “con le pinze” cioè non dobbiamo fidarci
ciecamente di quello che dicono per 2 motivi:
1. Il programma che le ha generate non può prevedere tutto, specialmente per quel che
riguarda il terreno, posso specificare se si tratta di terreno ottimo , buono o scarso
conduttore, ma comunque lo considera desertico e pianeggiante, cioè libero da qualsiasi
ostacolo, nella realtà questa è una situazione irraggiungibile, nelle nostre città dovremmo
considerare anche le caratteristiche del fabbricato su cui è installata l’antenna e l’altezza
forma e materiale dei fabbricati posti nelle aree immediatamente vicine per un raggio di
almeno 20 lunghezze d’onda, inoltre il terreno non ha caratteristiche omogenee in quanto è
formato da materiali molto diversi tra loro es. cemento, asfalto, marmo, giardini ecc. per
non parlare di tutti gli oggetti metallici collegati o meno a terra come per esempio pali della
pubblica illuminazione, linee elettriche e telefoniche, recinti, ma anche le strutture in
cemento armato dei fabbricati che a livello elettrico si comportano come delle enormi
gabbie di Faraday.
2. Nel caso specifico della antenna discone, ma vale anche per altri tipi di antenna a larga
banda, il programma non è in grado di funzionare al meglio, in quanto è stato progettato per
antenne che lavorano su una fetta molto ristretta di frequenze, e quando si forza a lavorare
al di fuori dei suoi parametri da risultati errati che non corrispondono alla realtà.
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Antenna Discone 50-470 MHz
Realizzazione pratica:
Il disco che ho costruito è realizzato con 8 profili di alluminio 10x10 mm lunghi 500 mm rivettati a
2 piastre ottagonali di Policarbonato compatto da 4 mm. e una piccola piastrina di alluminio per il
contatto elettrico, il filo che circonda il perimetro è sempre di alluminio da Ø1mm.
Quello che chiamerò cono in realtà è formato da 8 barre filettate di ferro zincato Ø 6 mm lunghe
1500mm che sono avvitati all’isolatore, che forma il vertice del cono e da supporto meccanico per il
tutto. Quest’ultimo è formato da una base in pressofusione di alluminio di una vecchia ground plane
su cui ho fatto 8 fori con un angolo di 30° e successivamente filettati Ø 6, all’estremità di ogni barra
sono avvitati 2 fili da Ø 2,5 mm collegati alle barre vicine, sempre di filo zincato, preformato con 2
occhielli e tenuto in posizione da 2 dadi.
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Antenna Discone 50-470 MHz
Foto del supporto in pressofusione di alluminio, i 4 fori più
grandi sono quelli originali, mentre gli 8 più piccoli sono
quelli realizzati da me, qui sotto il particolare del
montaggio del supporto al disco.
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Antenna Discone 50-470 MHz
Foto dell’installazione
finale sul tetto
Una volta assemblate le 2 parti ho ottenuto la mia desiderata discone con un range di frequenza da
50 MHz a 470 MHz, a questo punto non resta che montare il tutto sul tetto e provare.
Nelle immagini sottostanti 3 diagrammi realizzati con l’analizzatore di antenne RigExpert modello
AA-54 che ha purtroppo come frequenza limite superiore 54 MHz.
I tre diagrammi sono misure reali effettuate sull’antenna nel range di frequenza che va da 46,1MHz
a 54MHz e rappresentano: il primo la curva del SWR, il secondo le curve R X Z e per finire il terzo
è il diagramma di Smith dove il cerchio rappresentato al centro riporta i punti con SWR inferiore a
2:1
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Antenna Discone 50-470 MHz
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Antenna Discone 50-470 MHz
L’antenna è stata installata nella primavera del 2008 permettendomi di collegare in 6mt molti paesi
europei ed extraeuropei come Ucraina, Congo, Bahrain, Israele, Galles, Azzorre e Sud Africa
utilizzando solo 100W, naturalmente molte stazioni interessanti che io ascoltavo al limite, una volta
chiamate non mi hanno risposto perché evidentemente a me non mi ascoltavano, ma l’utilizzo
dell’amplificatore sui 50MHz è diventata ormai la prassi, e molto probabilmente con una potenza di
uscita di 500W potrei farmi ascoltare con un segnale sicuramente più robusto.
73 de Dom IK6BMU
Riferimenti:
Antenna Book
www.ik6bmu.it
American Radio Relay League
Ed. 13
1980
Pagina 13
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