Come usare un sintonizzatore di antenna

Gli accordatori d’antenna, o sintonizzatori di antenna, sono generalmente associati ai trasmettitori e ai ricevitori radio HF (banda a onde corte che sfrutta la riflessione della ionosfera per la propagazione del segnale su lunghissime distanze), utilizzati per le comunicazioni radio e per altre applicazioni. I sintonizzatori possono essere utilizzati in vari modi: dove un elemento antenna incontra la linea di trasmissione (feeder) o all’interno di tale linea vicino al trasmettitore. La maggior parte dei sintonizzatori d’antenna sono progettati per coprire tutte le bande radioamatoriali tra i 160 ed i 10 metri, ovvero HF.

Accordatore di antenna, sintonizzatore di antenna, scatola di adattamento, unità di sintonizzazione dell’antenna (ATU), accoppiatore di antenna e accoppiatore di linea di alimentazione sono tutti nomi equivalenti per un dispositivo collegato tra un trasmettitore radio e la sua antenna, per migliorare il trasferimento di potenza tra di loro, adattando l’impedenza di carico specificata della radio all’impedenza di ingresso combinata della linea di alimentazione e dell’antenna.

Gli accordatori di antenna sono elementi essenziali delle apparecchiature per qualsiasi sistema di comunicazione radio HF. Sebbene i principi siano validi per le frequenze VHF e superiori, i tipi di antenne e le tecniche utilizzate indicano che i sintonizzatori di antenna non sono normalmente richiesti per tali bande. Per le HF, i sintonizzatori di antenna consentono di trasferire la massima quantità di energia nell’antenna, indipendentemente dalla potenza del trasmettitore che viene utilizzato.

Un sintonizzatore di antenna economico in vendita sul web. Ne puoi trovare vari ad es. qui.

Di conseguenza, i sintonizzatori di antenna sono ampiamente utilizzati per tutte le forme di comunicazione radio bidirezionale, nonché per la trasmissione, il monitoraggio e una varietà di altre applicazioni per la radio HF. Nelle stazioni di comunicazione a più frequenze come le stazioni radio amatoriali e con i trasmettitori ad alta potenza come le stazioni di trasmissione radio, l’accordatore di antenna è regolabile per adeguare le modifiche al sistema di trasmissione utilizzato.

La corrispondenza del trasmettitore, della linea o cavo di trasmissione, dell’antenna o del loro ambiente mediante la regolazione del sintonizzatore d’antenna è una procedura importante eseguita a livello radioamatoriale dopo qualsiasi modifica del sistema usato, con uno strumento chiamato “misuratore SWR” (vedi qui), tipicamente utilizzato per misurare il grado di corrispondenza – o la mancata corrispondenza – fra l’impedenza nota del ricetrasmettitore e quella dell’antenna.

I sintonizzatori di antenna sono strumenti preziosi per molte applicazioni, ma se stai cercando un sistema di antenna ben abbinato, ci sono altre scelte che potrebbero soddisfare meglio le tue esigenze. Un’opzione è quella di costruire un’antenna risonante per abbinare le frequenze che prevedi di usare. Un’antenna risonante è un multiplo di un quarto della lunghezza d’onda alla frequenza desiderata. Per un dipolo, esiste una semplice formula che lega la sua lunghezza in cm con la frequenza in MHz.

Una piccola antenna risonante a loop per le HF.

Metti la tua antenna in aria e collega un coassiale di buona qualità. Se è un dipolo, sintonizzala secondo necessità regolando la lunghezza dell’antenna. È probabile che il dipolo risonante sia simile alla radio e fornisca letture SWR ragionevolmente buone. Accorcia l’antenna per aumentare la frequenza di risonanza; allungala per abbassare la frequenza di risonanza. Suggerimento: taglia il dipolo più in basso di quanto sia necessario all’inizio. Puoi tagliarlo più corto molto più facilmente che non allungarlo.

A cosa serve un sintonizzatore di antenna

Lo scopo fondamentale di un sintonizzatore d’antenna è garantire che l’impedenza del sistema di antenna corrisponda a quella del trasmettitore o del ricevitore e quindi si ottengano prestazioni ottimali. I moderni trasmettitori a semiconduttore sono molto sensibili ai danni causati da alti livelli di SWR (Standing Wave Ratio) e quindi devono presentare una buona corrispondenza di impedenza. L’SWR, o ROS, è una misura della discrepanza di impedenza tra l’antenna e il ricetrasmettitore: l’ideale è che sia 1.

L’accordatore di antenna consente di raggiungere questo obiettivo e, di conseguenza, è una parte essenziale di molte stazioni di comunicazione radio utilizzate per le trasmissioni commerciali, militari e radioamatoriali. I vecchi trasmettitori di valvole o tubi a vuoto erano più in grado di resistere alle alte tensioni e ai livelli di corrente che possono essere causati dagli alti livelli di potenza riflessa. Ciononostante, hanno comunque beneficiato dei livelli di perdita più bassi forniti da un basso SWR.

Un esempio di accordatore di antenna autocostruito.

Ogni antenna, cavo di trasmissione, trasmettitore e ricevitore ha quella che viene definita un’impedenza caratteristica. Per la maggior parte delle applicazioni commerciali, professionali e radioamatoriali lo standard è 50 Ω. Si è riscontrato che, per il massimo trasferimento di potenza, l’impedenza della sorgente e del carico deve essere la stessa. In caso contrario, non è possibile trasferire tutta la potenza disponibile. Normalmente è abbastanza facile abbinare il trasmettitore o il ricevitore all’alimentatore.

Entrambi, infatti, possono essere progettati per essere da 50 Ω, e questo non è un problema. Tuttavia, l’impedenza di un’antenna può variare notevolmente a seconda delle sue caratteristiche e della frequenza: spesso ci sono elementi induttivi e capacitivi all’impedenza complessiva dell’antenna. Abbiamo visto come si può misurare l’impedenza dell’antenna e il SWR – ad esempio con un analizzatore di rete vettoriale (VNA) – nel nostro articolo Come usare un analizzatore d’antenna, che trovi qui.

Se si verifica una discrepanza tra l’alimentatore e l’antenna, non è possibile trasferire tutta la potenza disponibile. Poiché la potenza non può semplicemente scomparire, quella che non può essere trasferita deve andare da qualche parte, quindi viene riflessa lungo la linea di trasmissione, generando tensione e correnti. Quando queste onde stazionarie raggiungono il trasmettitore, i picchi di corrente e tensione possono causare danni ai dispositivi di uscita del trasmettitore.

Un accordatore di antenna e un piccolo tester di antenna (a destra).

Per evitare che ciò accada, molti trasmettitori dispongono di circuiti di protezione che riducono l’uscita del trasmettitore a un livello in cui il trasmettitore non verrà danneggiato. Avere una conoscenza di ciò aiuta a capire il funzionamento delle antenne e la necessità di sintonizzatori di antenna. Consente di realizzare al meglio qualsiasi antenna utilizzata per comunicazioni radio. Si noti che le onde stazionarie vengono generate anche in caso di discrepanza tra l’impedenza del cavo e quella di carico.

Dunque, nonostante il suo nome, un “sintonizzatore” di antenna in realtà non sintonizza l’antenna. Adatta l’impedenza “complessa” del trasmettitore a quella dell’estremità di ingresso della linea di trasmissione, cioè del cavo che va all’antenna. L’impedenza di ingresso della linea di trasmissione sarà diversa dall’impedenza caratteristica del cavo di trasmissione se l’impedenza dell’antenna sull’altra estremità della linea non corrisponde all’impedenza caratteristica del cavo.

Un sintonizzatore di antenna di tipo automatico.

Esempi base di un accordatore di antenna

Un accordatore o sintonizzatore di antenna è una rete di induttori e condensatori variabili che possono essere modificati per controbilanciare gli effetti degli elementi induttivi e capacitivi dell’antenna allo scopo di far apparire l’antenna come un carico resistivo di 50 Ω. Esistono diversi circuiti che possono essere utilizzati per i sintonizzatori di antenne, ognuno con i propri attributi. Variano da semplici configurazioni a L con un induttore e un condensatore ad altri tipi con più componenti:

1) Sintonizzatori di antenna a rete L. Sebbene ci siano otto diverse reti L che possono essere utilizzate in teoria, ce ne sono quattro che vengono utilizzate più ampiamente delle altre. Come potrebbe suggerire il nome, consistono in un elemento in serie con la linea e un altro a terra.

La rete L di base utilizzata per un sintonizzatore d’antenna ha uno degli elementi che passano dalla linea a terra, nonché l’elemento in serie come definito nella tabella seguente.

Normalmente l’opzione con filtro passa-basso delle radiofrequenze viene utilizzata per gli accordatori di antenna perché fornisce un’ulteriore attenuazione delle armoniche. Un tipico sintonizzatore a rete L di impedenza di antenna ha la forma mostrata nello schema seguente.

Tipico circuito di sintonizzazione a rete L dell’antenna con riduttore di impedenza passa-basso.

La versione di accrescitore dell’impedenza del sintonizzatore di antenna a rete L è molto simile e ha il condensatore variabile sul lato di ingresso, cioè quello collegato al ricevitore o al trasmettitore. Spesso i sintonizzatori automatici di antenne usano questa forma di rete con un induttore commutato in serie e un condensatore di commutazione che può essere diretto verso la presa dell’uscita in base al fatto che l’impedenza dell’antenna sia sopra o sotto l’impedenza del cavo di ingresso.

Tipico circuito di sintonizzazione a rete L dell’antenna con accrescitore di impedenza passa-basso.

2) Sintonizzatori di antenne a rete Pi greco: Come indica il nome, queste reti di sintonizzatori di antenna contengono tre elementi: un elemento in serie e un altro elemento dell’altro tipo dalla linea a terra sia in ingresso che in uscita. Ad esempio, con un induttore in serie e due condensatori a terra: uno all’ingresso e l’altro all’uscita, questa configurazione forma un filtro passa basso che fornisce un’ulteriore attenuazione delle armoniche oltre a quella fornita dal trasmettitore stesso.

Questo formato di circuito di adattamento dell’impedenza è stato ampiamente utilizzato come accordatore di uscita per i trasmettitori a valvole vintage. Oggi la rete Pi non è popolare per l’uso di una rete di adattamento nei sintonizzatori di antenna poiché i condensatori variabili richiesti nel circuito diventano grandi per le frequenze più basse nell’HF e sono costosi. Di conseguenza, questo tipo di sintonizzatore non viene normalmente utilizzato per applicazioni radioamatoriali.

3) Sintonizzatore a rete T. Il sintonizzatore d’antenna a rete T, ovvero con sezione a forma di “T” – cioè che utilizza un singolo induttore – è in grado di adattarsi a una vasta gamma di impedenze dell’antenna e introduce una perdita ridotta. Di conseguenza, è stato popolare in varie occasioni. In realtà è una configurazione passa-alto, che non fornisce alcuna attenuazione delle armoniche.

Tipico circuito sintonizzatore d’antenna a rete T passa-alto.

Inoltre richiede che i condensatori variabili siano flottanti, cioè con nessuna estremità collegata a terra, e ciò richiede ulteriori elementi di isolamento meccanico in modo che i condensatori siano montati non collegati a nessuna piastra di terra, e sono inoltre necessarie speciali disposizioni del mandrino di isolamento. Ciò riduce l’attrattiva di questo tipo di sintonizzatore d’antenna.

L’interno di un sintonizzatore di antenna commerciale.

Collocazione del sintonizzatore di antenna

La posizione ideale per il sintonizzatore dell’antenna è nel punto in cui l’antenna è collegata al cavo di trasmissione. In questo modo, l’antenna può essere adattata come impedenza al resto del sistema e in tutto il sistema ci sono buone corrispondenze e i livelli di SWR sono bassi. Sfortunatamente, il punto in cui l’antenna viene alimentata dal cavo potrebbe in molti casi trovarsi a una certa distanza dal trasmettitore, e potrebbe persino trovarsi in una posizione non accessibile.

Sintonizzatore d’antenna (ATU) situato nel punto di alimentazione da parte del cavo di trasmissione.

In queste circostanze, il sintonizzatore dell’antenna può essere posizionato vicino al trasmettitore, anche quando si utilizza un cavo coassiale per collegare il sintonizzatore all’antenna. Come ora vedremo, è del tutto accettabile utilizzare un sintonizzatore di antenna vicino al trasmettitore e non nel punto in cui l’antenna è collegata alla linea di trasmissione. È un’idea sbagliata comune che un elevato rapporto di onde stazionarie (SWR) causi perdita di potenza. Ciò non è vero.

Infatti, quando esiste un elevato rapporto di onda stazionaria, ciò deriva dal riflesso di potenza lungo la linea di trasmissione a causa di una mancata corrispondenza dell’impedenza. Quando entra nel sintonizzatore dell’antenna, esso viene riflesso lungo il cavo verso l’antenna, dove una parte viene irradiata e una parte di onde viene riflessa nuovamente lungo la linea di trasmissione. Anche con un SWR di 2:1, viene riflesso solo l’11% della potenza e l’89% viene irradiato.

Per i cavi coassiali, le perdite possono essere rilevanti, ma se si utilizza un cavo a bassa perdita di alta qualità, le perdite complessive sono accettabili. A condizione che il cavo coassiale possa funzionare con i più alti livelli di tensione e corrente causati dall’alto SWR, allora questo è abbastanza accettabile. Il problema principale è impedire al trasmettitore di “vedere” l’alto SWR, in quanto ciò potrebbe danneggiare l’uscita, oppure i circuiti di protezione ridurranno l’uscita di potenza.

Un accordatore di antenna incorporato in un sistema di feeder del trasmettitore con un misuratore di SWR.

In ogni caso, indipendentemente dal posizionamento, un sintonizzatore d’antenna non modifica il guadagno, l’efficienza o la direttività dell’antenna, né modifica l’impedenza complessa interna dell’antenna stessa. Ma come possiamo usare un accordatore di antenna in pratica? Devi imparare come collegarli correttamente al tuo ricetrasmettitore e sintonizzarli correttamente per far “pensare” alla tua radio che sta fornendo il segnale a un carico “perfetto” (o quasi perfetto) da 50 ohm chiamato antenna!

Come usare un accordatore di antenna

Quando si pensa ai sintonizzatori di antenna, è importante ricordare che il sintonizzatore non ha alcun effetto sull’SWR tra se stesso e l’antenna: è il SWR tra il trasmettitore e il sintonizzatore che viene modificato con i controlli del sintonizzatore. In parole povere, tutto ciò che fa un sintonizzatore è agire come una sorta di trasformatore di impedenza regolabile tra la radio e l’antenna. Dunque, basta monitorare il valore dell’SWR (o ROS, in italiano) prima e dopo l’accordatura d’antenna.

Un esempio di misuratore SWR usato in campo radioamatoriale. In questo caso, l’apparecchio è collegato a un carico fittizio (dummy load). Puoi trovare vari modelli ad es. qui.

Perciò, dobbiamo sapere qual è l’impedenza alla fine della linea di alimentazione. Esistono diversi modi per farlo: (1) Utilizzare un analizzatore SWR; (2) Usare un noise bridge; (3) Utilizzare un misuratore SWR esterno. Nel primo caso, ad esempio, basta agganciare l’analizzatore alla fine della linea di trasmissione, dove si collega al sintonizzatore o al cavo coassiale. Il cavo coassiale non richiede particolari attenzioni o calcoli, poiché si collega al terminale di uscita del sintonizzatore d’antenna.

Setup tipico di una stazione radioamatoriale per le HF.

Dai un’occhiata allo schema a blocchi sopra e nota dove si trovano il sintonizzatore dell’antenna e il misuratore SWR in relazione al flusso del segnale RF proveniente dal ricetrasmettitore. Ignora il filtro lineare e passa basso (la tua stazione potrebbe non usarli). Noterai che, da sinistra a destra, hai prima il ricetrasmettitore, poi il misuratore SWR / WATT, l’accordatore di antenna e poi l’antenna sull’uscita. Hai appena imparato a collegare tutto per poter accordare l’antenna!

La radiofrequenza si sposta dal ricetrasmettitore al misuratore SWR / WATT, quindi passa attraverso il “sintonizzatore” e si dirige verso l’antenna. Ricorda solo che il nostro obiettivo è far sì che il ricetrasmettitore pensi che tutto vada bene e, al fine di “leggere” il SWR e che “tutto va bene” per quanto riguarda l’adattamento di impedenza all’uscita della radio, il misuratore SWR deve trovarsi tra la radio e il sintonizzatore, non sul lato dell’antenna come si potrebbe pensare.

Ora impariamo come “sintonizzare” il “sintonizzatore d’antenna”. La maggior parte dei sintonizzatori di antenna hanno un selettore rotativo di induttanza e due condensatori variabili (fai riferimento alle foto di apparecchi mostrati in questo articolo). I condensatori sono spesso etichettati come “ANTENNA” e “TRASMETTITORE”. In alcuni sintonizzatori di antenna il selettore di induttanza viene sostituito con un’induttanza a variazione continua, conosciuta come induttore a rulli.

Un popolare accordatore di antenna in vendita sul web (vedi qui).

Supponiamo che tu stia utilizzando un sintonizzatore con un selettore di induttanza, perché sono i più comuni. Posizionare i controlli di entrambi i condensatori nelle posizioni intermedie. Non fidarti degli indicatori di manopola se questa è la tua prima esperienza con l’accordatore! Se si è a proprio agio con la procedura successiva, rimuovi il coperchio del sintonizzatore e ruota le manopole fino a quando le piastre del condensatore mobile non sono solo a metà con le piastre fisse.

Ma fai attenzione! Dato che c’è pericolo di scossa, non trasmettere mai con il coperchio del sintonizzatore rimosso. Quando fai questa operazione, togli l’alimentazione alla radio. Se le manopole dei due condensatori indicano la mezza scala con i segni di riferimento sulle manopole e sul coperchio anteriore, considerati fortunato. In caso contrario, allenta le viti a brugola e ruota le manopole in modo che puntino a metà della scala. Stringi di nuovo le manopole e riposiziona il coperchio del sintonizzatore.

Ora accendi la radio e sintonizza il ricevitore su una frequenza inutilizzata sulla banda che desideri, ascolta per alcuni secondi (non oltre!), con i controlli dell’antenna e del trasmettitore a metà scala, e sposta il selettore di induttanza su ciascuna delle sue posizioni fino a sentire più forte il rumore o i segnali che arrivano nella tua radio. Dopodiché ruota i controlli dei due condensatori variabili (antenna e trasmettitore) fino a raggiungere il livello di rumore o segnale assolutamente più forte sulla radio.

Uso di un sintonizzatore di antenna in una moderna stazione radioamatoriale.

Tutti e tre questi controlli interagiscono tra loro, quindi esercitati su più bande per avere la “sensazione” della procedura. Seleziona la tua fascia operativa finale e ripeti la procedura sopra. Quando il rumore livello si alza utilizzando le tue orecchie e l’apposito misuratore sul tuo ricetrasmettitore, le impostazioni del sintonizzatore dovrebbero essere molto vicine per l’operazione finale.

Con il tuo impianto impostato su monitor a bassa potenza per garantire che non sia in uso, invia il tuo ID e trasmetti un vettore continuo mentre modifichi i controlli dell’antenna e del trasmettitore per la lettura del rapporto potenza riflessa / potenza di uscita più vicino a 1 come letto sul misuratore SWR / WATT. Potresti scoprire che devi cambiare la posizione del selettore di induttanza in una o due posizioni in entrambi i modi per ottenere il migliore adattamento di impedenza.

Ripeti, se necessario, fino a ottenere l’SWR più basso e alla potenza massima. Sii gentile con la tua radio: mantieni i periodi di digitazione più brevi possibili, in modo da non rischiare di danneggiarla quando ancora non hai raggiunto un SWR basso. A seconda dell’impedenza all’ingresso dell’antenna (e del design generale del sintonizzatore) potrebbe non essere possibile ottenere un SWR piatto 1: 1 su tutte le frequenze e le bande. Se hai dei dubbi sulla procedura, chiedi ad altri radioamatori più esperti.

Un analizzatore di rete vettoriale (a destra) può essere utile insieme all’accordatore di antenna per adattare l’impedenza e ottenere un SWR prossimo a 1.

Ricordare che il tuo SWR cambierà, salendo e quindi peggiorando, mentre ti sintonizzi più lontano dalla frequenza che hai usato per “ingannare” la tua radio! Quindi ricontrolla e risintonizza secondo necessità mentre ti muovi nella banda. Puoi farti un’idea della tua larghezza di banda SWR iniziando con la frequenza originale e usando le procedure sopra con meno potenza: sintonizza il tuo VFO su e giù mentre guardi le letture SWR e nota la frequenza in cui l’SWR raggiunge 2: 1 alla frequenza più alta e più bassa.

Esempio: se sei sui 40 metri a, diciamo, 7,262 MHz come punto di partenza e il tuo SWR è 2: 1 a 7,292 MHz e l’SWR più alto che va nell’altra direzione è 2:1 a 7,259 MHz, allora la tua “intervallo di messa a punto sicura” senza risintonizzare il sintonizzatore dell’antenna sarebbe di circa 60 kHz. Ricorda di utilizzare una potenza e un ID molto bassi quando fai questi test, perché il tuo segnale potrebbe essere ascoltato per una frazione di secondo mentre ti sintonizzi sulla banda!