Misuratore d'antenna a ponte di rumore

Confesso che nella fase "pensante" non avrei mai immaginato i risultati ottenuti, infatti m'ero accinto, tiepidamente, alla ricerca di un sistema, di portata economica, ma efficiente, per effettuare misurazioni d'impedenza di antenna, che non fosse il solito ponte di Wheatstone a resistenze, adattato per radiofrequenza, il quale presenta non pochi punti deboli, e complicazioni: necessità di bassissime potenze, o resistenze di alto wattaggio, necessità di un oscillatore modulato etc..., quando, ecco, mi sono imbattuto in un progetto di Vittorio Carboni: I6 DVX, apparso nel lontano Settembre 1982 su Radio Rivista (pubblicazione dell'ARI di Milano): vedi Pdf della rivista: http://www.i6dvx.it/filedown.php?nome=1982-09RR&est=.PDF&ind=4), che già prendeva spunto bibliografico da YA1GJM: (Gennaio 1973: http://www.km5z.us/hamradiomag/listauthor.php?Author=YA1GJM), ripreso e descritto su RKE nel Novembre 1985 da IZ7DJR.
Lo realizza ancora, in maniera egregia, IW0BZD Giuseppe Accardo, all'indirizzo: http://www.qsl.net/iw0bzd/NOISE_BRIDGE.htm, che dichiara come fonte Nino Paglialonga, il già citato IZ7DJR, del quale è visibile il pregevole elaborato all'indirizzo http://www.qsl.net/iz7djr/nb.htm.
Anche altri: IZ8EWD, Gianfranco; I4BBO, Valentino Barbi; IK0VVG, Angelo Protopapa hanno trattato degnamente l'argomento...

Il vantaggio consiste nel semplice collegamento, al marchingegno, dell'antenna e del ricevitore, sintonizzato sulla frequenza desiderata, niente altro: niente oscillatore modulato, niente trasmettitore, niente ros-metro. Possibilità di spaziare dalle medie alle HF, stimerei fino a 30-40 MHz, se il toroide lo consente. Es. toroide tre lati verde e uno bianco oppure toroide tre lati nero e uno grigio, toroide tutto nero. Non usate toroidi per frequenze sotto i 50-100 MHz, pena il decadimento dell'ampiezza della RF iniettata sul ponte di misura.
I migliori risultati li ho ottenuti con il toroide a tre lati verde e uno bianco, che arriva fino ai 200 MHz. Il collaudo è stato effettuato fino a 30 MHz.
In linea teorica i transistors 2N2222 hanno una frequenza di taglio di 300 MHz, ma quello che è in dubbio è la banda di rumore emessa dai comuni zener.
Potrete ampliare la banda usando, al posto dello zener, un transistor ad alta fT e con polarizzazione inversa base-emittore, al che potrete tralasciare, se volete, la parte racchiusa nel rettangolo, altrimenti non riuscirete a far deflettere lo s-meter fino allo zero e rimarrete attorno al S2, infatti avrete un'ampiezza maggiore di rumore.
Nel caso quindi usaste un transistor, collegherete l'emittore di un NPN sul catodo dello zener e la base a massa, viceversa se il transistor sarà PNP, naturalmente eliminando lo zener.

Il circuito di principio è rimasto sempre lo stesso da allora, con poche varianti sulla catena di amplificazione: un NE555, in configurazione di oscillatore astabile (duty cicle 50%), polarizza un migliaio di volte al secondo, un diodo zener (il vero e proprio generatore di rumore) generando dei treni d'onda, applicati da un avvolgimento primario ad altri due avvolgimenti perfettamente identici e bilanciati, su di un toroide.
Il pregio di questo tipo di misuratore consiste nell'uso del rumore, dovuto al moto Browniano delle molecole nei semiconduttori, la cui caratteristica è quella di spazzolare, con la stessa ampiezza di segnale, tutte le frequenze sinusoidali generate: dalle basse, alle medie, alle HF (secondo la trasformata di Fourier), surrogando limitatamente ai casi descritti, in maniera più che decorosa, strumenti ben più costosi e complessi.
Due degli avvolgimenti sono i rami di un ponte, di cui uno è bilanciato da un potenziometro in parallelo ad una capacità variabile e l'altro dalla reattanza d'antenna in parallelo ad una capacità nota.

La condizione d'equilibrio è che la resistenza, del potenziometro, sia uguale alla resistenza di radiazione d'antenna e che la reattanza capacitiva in parallelo alla resistenza del potenziometro, sia uguale alla reattanza capacitiva del condensatore in parallelo all'antenna, sommata algebricamente alla reattività propria dell'antenna, dovuta alla Xc o alla XL di antenna.
L'artificio consiste quindi nel porre in parallelo all'antenna una capacità nota che chiamiamo Cnoto e in parallelo al potenziometro una capacità variabile che chiamiamo Cvar che, in ultima analisi, rappresenterà la capacità totale vista dal circuito Ctot o, se volete la Xtot dell'antenna espressa in termini capacitivi.

Come al solito una digressione con intento teorico-elementare, quanto più semplice, che spero alla portata di chiunque abbia un'infarinatura matematica media.
Chi non fosse interessato alla lunga, arzigogolata, prolissa e noiosa dissertazione può saltare direttamente, senza nulla perdere, a "Considerazioni"

Trattandosi di apparecchio che usa l'artificio del condensatore addizionale per effettuare le misure, vediamo il comportamento di un'antenna ragionando solo dal punto di vista della reattanza capacitiva, tenendo conto che lo stesso identico discorso varrebbe per la sola reattanza induttiva, con inversione di valori negativi con positivi.
Partendo dalla constatazione che un'antenna si comporta come un circuito L C in serie in cui convenzionalmente

Rovesciare il ragionamento Xtot = XL - XC in Xtot = Xc - XL è stato utile, volendo porre come punto di zero (della scala di Cvar) il valore Cnoto (più eventuali capacità parassite del circuito) e dovendo stabilire come valori positivi quelli > Cnoto e negativi quelli < Cnoto, del resto abbiamo ugualmente rilevato con l'apparecchio che: se l'antenna presenta Cvar > Cnoto la reattività, vista dell'apparecchio, è capacitiva (antenna corta) se Cvar < Cnoto la reattività è induttiva (antenna lunga), in accordo, in ultima analisi, con la formula convenzionale Xtot = XL - XC, o se l'antenna risuona perfettamente, comportandosi come un carico resistivo puro: Cvar = Cnoto che rappresenta lo zero della scala.
Per estensione: alle frequenze più alte, rispetto alla f di risonanza, l'antenna, per l'apparecchio, presenterà reattanza induttiva, a frequenza più basse reattanza capacitiva.

Approntate due scale circolari su cartoncino, applicatene una per il potenziometro e una per il Cvar e dotate questi ultimi di manopola con indice; segnate gli estremi di rotazione di entrambi i comandi sulle scale; per il potenziometro potrete già segnare i valori resistivi, rilevati col tester, di cinque ohm in cinque ohm, mettendo in rilievo i valori di 32, 50, 75 ohm; lasciate vuota, per ora, quella del Cvar.
Collegata la relativa uscita dello strumento al ricevitore, collegate l'altra al un carico fittizio noto (di 50 ohm , ad esempio, il wattaggio può essere bassissimo).
Acceso lo strumento portatevi su di una frequenza della banda dei 3,5 o 7MHz; lo s-meter dovrebbe salire oltre S9. Agendo prima sul potenziometro dovreste vedere un netto dip, agendo poi sul condensatore variabile il dip dovrebbe aumentare o anche viceversa.
Proseguirete ripetendo più volte, pazientemente, la manovra, cercando di far deflettere quanto più possibile l'ago dello s-meter. Alla massima deflessione segnate il valore del carico fittizio, che comunque deve corrispondere al valore del potenziometro (misurato tra un estremo e la posizione del cursore), inoltre segnate la posizione assunta dall'indice del Cvar come il punto zero per la scala del condensatore variabile.
Verificate, con buona approssimazione, che gli stessi punti si ripresentino con lo stesso carico per valori di frequenza di 27-30MHz. Se ciò non avviene cercate di agire sulla lunghezza dei collegamenti che vanno al bocchettone d'antenna e su quelli che vanno al Cvar e al potenziometro, in modo da ottenere gli stessi punti a 3,5MHz e 27-30MHz. Verificate, anche, con altri carichi il punto zero del Cvar che dovrebbe, sensibilmente, non mutare e considerate ottenuto definitivamente il valore zero, sulla scala del Cvar.
Se, per curiosità, avrete usato come carichi fittizi 32, 50, 75, 100 ohm, essendo lineare la scala, vedrete che corrisponderanno alla resistenza propria del potenziometro.
Sulla scala invece del Cvar potrete segnare semplicemente lo zero Cvar = Cnoto (più eventuali tolleranza o capacità parassite) ed il quadrante negativo (valori minori di Cnoto) e quello positivo (valori maggiori di Cnoto ); se altrimenti vorrete conoscerne esattamente il valore numerico capacitivo (cosa che vi consentirà una pià larga utilizzazione dello strumento), scollegate il Cvar dal circuito e, con l'aiuto di un capacimetro, segnate i valori reali a sinistra e a destra dello zero come positivi o negativi.
Ora mi spiego meglio (vedi Figura 3 bis): se il punto di zero corrisponde al valore di 180 pF ( cioè Cnoto, ossia la capacità in parallelo all'antenna), potrete segnare il valore di 170 pF come valore -10 pF e il valore 190 pF come valore +10 pF e così via su tutta la scala. Se lo zero non corrisponde ai 180 pF ciò è dovuto alle capacità parassite o alla tolleranza del condensatore in parallelo all'antenna, ma non cambia nulla qualsiasi sia il valore dello zero; rimenendo naturalmente entro i 10-15 pF di scarto rispetto al valore di Cnoto.

Come si vede in figura, la parte racchiusa nel rettangolo, può essere introdotta o meno; può essere introdotta se l'elemento generatore di rumore sarà un diodo zener, tralasciata se l'elemento sarà un transistor, comunque nulla di tassativo, è una vostra scelta.
Si raccomanda molta attenzione nel realizzare i tre avvolgimenti contemporanei sul toroide, nel senso di curarne attentamente la simmetria, distribuendo le spire su almeno 3/4 del toroide stesso, senza accavallamenti.
Ripeto: gli avvolgimenti sul toroide saranno tre, in contemporanea, di otto-dieci spire (diametro 0,3-05 mm) distribuite su circa 3/4 del toroide, quello centrale sarà il primario; gli altri due andranno collegati l'inizio dell'uno con la fine dell'altro e qui sarà l'ingresso del ricevitore; degli altri due capi, andranno sull'uno, l'antenna e il C fisso, sull'altro, il variabile e il potenziometro; le dimensioni del toroide non sono determinanti: io ne ho usato uno con 10mm diametro interno, 15mm diametro esterno e 5mm di altezza e un altro di 20mm di diametro interno, 30mm diametro esterno e 8 di altezza.
I prototipi sono stati realizzati a tre stadi e con generatore di rumore a transistor e in alcuni casi è stato difficile far scendere lo s-meter sotto S2, ma non ce ne può caler di meno, perchè in massima parte dovuto ai segnali captati dall'antenna.
Il Cnoto dovrà essere metà del Cvar, per avere uno zero centrato: se il variabile sarà da da 360pF o 400pF totali, a doppia sezione come spesso avviene recuperando dalle vecchie radioline, userete per il Cnoto 180pF o 200pF rispettivamente. Meglio, naturalmente, se Cvar sarà con demoltiplica, però è tassativo, per la centralità dello zero sulla scala, che sia a variazione lineare da escludere quindi quelli logaritmici.
Anche il potenziometro deve essere lineare e in contenitore tutto plastico, per non falsare la misurazione, altrimenti, se possibile, liberatelo dal cappuccio metallico.

Il collegamento al bocchettone dell'antenna, se il contenitore sarà plastico, può essere anche realizzato con cavetto schermato corto (però introdurrete delle capacità parassite); meglio ancora, se il contenitore sarà metallico. Comunque, in entrambi i casi, i collegamenti al variabile e al potenziometro consiglio siano realizzati con filo nudo argentato da 1 mm anche per i ritorni di massa.
Per l'alimentazione consiglio 9-12 volt con batteria interna ricaricabile e presa sul contenitore per caricabatterie esterno.
Il toroide sia adeguato alla frequenza di almeno 50-100 MHz.
Dell'avvolgimento trifilare, l'inizio del 1° secondario verrà collegato alla fine del 2° secondario e collegato, con cavetto schermato, al bocchettone cui andrà il ricevitore; nel caso di contenitore metallico, saldate al bocchettone solo il filo coassiale.
Il Cnoto andrà saldato subito sul bocchettone d'antenna; il collegamento del circuito al bocchettone d'antenna potrà essere realizzato con corto cavetto schermato (contenitore plastico), tuttavia consiglierei di evitare, in questo caso, il cavetto metallico e di unire, con un unico filo argentato, la massa del circuito, il corpo del variabile e il corpo del bocchettone e di realizzare i collegamenti dei poli caldi al bocchettone e al varibile sempre con filo nudo, argentato.
Nel caso di contenitore metallico il collegamento caldo al pl d'antenna sarà senz'altro in filo nudo, argentato, il Cnoto andrà posto, come già detto, sul bocchettone d'antenna, tra coassiale e carcassa, in modo da lasciare che sia il metallo della scatola a fare da ritorno comune di massa, le eventuali calze siano collegate solo per un capo al circuito, pena correnti vaganti incontrollate, cercate inoltre di disporre il pl d'antenna, il variabile e il potenziometro in modo da poter essere raggiunti da corti collegamenti, la carcassa del variabile sia avvitata alla scatola con ottimo contatto elettrico; del pl d'antenna (ripeto) andrà collegato solo il coassiale (filo argentato), la carcassa è già collegata a contatto della scatola.
Insomma, se vi servirete di contenitore metallico, non duplicate in nessun modo il ritorno di massa, che dev'essere uno e uno solo, non un anello chiuso.
Le prove vanno effettuate su di una frequenza libera, infatti i segnali captati dall'antenna possono ostacolare il tentativo di bilanciamento.
Se troverete difficoltà a far deflettere l'indice dello s-meter, potrebbe essere il livello del rumore eccessivo (ve ne accorgerete dallo s-mater che tende a fondo scala anzicchè rimanere attorno a S9- S9+10 max), allora eliminate lo stadio, nello schema racchiuso dal riquadro, o altrimenti usate molta, molta più pazienza nell'agire sul potenziometro e sul variabile, che, come già detto, sarebbe opportuno fossero demoltiplicati.

1) Vi siete costruiti un accordatore multibanda a π per HF. Ora volete cercare, sulla bobina d'accordo, le prese più propizie alle singole bande in modo che l'accordatore funzioni nel miglior modo. Sintonizzerete il ricevitore a centro banda della banda HF più alta, inserirete il marchingegno (tarato per i 50 ohm di potenziometro e lo zero per il condensatore variabile), seguito dall'accordatore da tarare e all'uscita dell'accordatore porrete un carico fittizio da 50 ohm, oppure l'antenna vera e propria. Spostando la presa lungo la bobina dell'accordatore dovrete trovare il punto in cui agendo alternativamente sui condensatori variabili vedrete deflettere l'ago dello s-meter quanto più possibile.
Tenete conto che il fattore di merito del vostro accordatore sarà tanto più alto quanto meno capacità sarà necessaria per far deflettere l'ago dello s-meter e quindi quanto più sarà alta l'induttanza conferita dalla presa alla bobina d'accordo. Non esagerate con il fattore di merito altrimenti stringerete troppo la curva di risonanza e la banda passante dell'accordatore. Lo stesso procedimento sarà ripetuto con tutte le altre bande. Grazie al principio di reversibilità dell'antenna, sostituendo il carico fittizio con l'antenna adatta alla banda scelta, troverete che l'accordatore farà il suo dovere anche in trasmissione e tutto ciò "a banco" senza aver disturbato, fino a quel momento, il trasmettitore.

E' chiaro che "antenna qualsiasi" non va preso eccessivamente alla lettera: uno spezzone di fil di ferro arrugginito, ma s'intende un'antenna che presenti, relativamente, un'impedenza molto diversa, rispetto al Tx, sulla frequenza scelta, come, ad esempio, una Mantova 1 sui 40m . Lo scopo consiste nel far vedere all' Rx e, conseguentemente, al Tx , l'antenna come carico con Z = 50 ohm puri come l'impedenza standard degli Rx e Tx .
E' altrettanto chiaro che questo strumento non interviene e non può intervenire sul rendimento dell'antenna: una Mantova 1 sui 40 m., resterà sempre una Mantova 1 sui 40 m, però il trasmettitore l'accetterà, senza essere stato messo direttamente a rischio durante le fasi di accordo.
Tuttavia lo scopo non è quello, più o meno paradossale, di usare una Mantova 1 sui 40 m., ma quello di farvi capire come può essere utile l'uso di questo strumento, per apparati multibanda, nell'accordo dell'antenna relativa, sulla gamma su cui volete trasmettere, presentando al trasmettitore l'antenna già accordata.

sintonizzate il ricevitore sulla frequenza interessata e collegategli il dispositivo.
Tra il marchingegno e l'antenna, interponete un accordatore adatto alla gamma che state esplorando e predisponete le regolazioni del marchingegno per i 50 ohm puri, ossia il potenziometro sul valore di 50 ohm e il C variabile sullo zero, insomma come se voleste vedere l'antenna come un carico resistivo puro di 50 ohm.
Agendo sull'accordatore e verificando, in corrispettivo, la deflessione massima dello S-meter, potrete presumere d'aver predisposto l'accordo preventivo, a una data frequenza, dell'antenna qualsiasi con il ricevitore, ma in ultima analisi anche col Tx, senza rischi durante l'operazione.
Togliete il marchingegno, lasciate l'accordatore e siete pronti per passare in trasmissione.
Le prove effettuate, su tutte le bande HF fino a 30MHz, con il collaudo di IZ1NER sono andate a buon fine, infatti una volta collegato il Tx, non è più stato necessario neanche ritoccare l'accordo, pertanto vi segnaliamo l'apparecchio sicuramente capace di permettervi l'accordo preventivo con l'antenna, sia preservando il trasmettitore, all'accensione, da un disadattamento notevole, sia evitando a voi la febbrile corsa ad agire rapidamente sull'accordatore. .
Il dispositivo è stato realizzato almeno in tre versioni, collaudato in prima battuta, a volo d'uccello, dal sottoscritto sui 26-30Mhz, ma tutt'ora (quasi sei mesi rispetto alla data di realizzazione) affidato alla competenza di IZ1NER con il quale ho lavorato in stretta collaborazione sugli sviluppi, sempre positivi, quindi trattasi di dispositivo non limitato al puro progetto teorico (come tanti se ne trovano su Internet), ma sicuramente funzionante e ampiamente collaudato. Tengo, inoltre, a precisare, per i più scettici, che il collaudo è più che attendibile in quanto è stato effettuato in comparazione con l'MFJ, posseduto da Alberto, strumento professionale, che potrete vedere visitando le pagine dedicate alle sue antenne.

Infine mi pregio riportare il commento lusinghiero di IZ1NER: "Per essere uno strumento che può essere autocostruito e autotarato con semplici carichi resistivi, è veramente più che dignitoso e preciso". Lo stesso Alberto se ne serve nelle sue realizzazioni per vedere la compatibilità delle antenne con la frequenza scelta, prima di presentarle direttamente al trasmettitore ed effettuare misurazioni professionali con l'MFJ.
Teorici e non in scala 1:1, invece, sono gli schemi pratici proposti, in quanto io ho usato ritagli di basette millefori 6 x 5 cm, con collegamenti a filo da punto a punto.
Non smetterò mai di raccomandare buone saldature e di raggruppare tutte le masse appartenenti a ciascuno stadio quanto più vicine possibile tra di loro, non una qua, una là.

3) Per questo ulteriore uso dovrete prima leggere l'elaborato riguardante le "antenne accorciate". Infatti con questo apparecchio potrete stabilire, una volta scelta la lunghezza alla quale volete ridurre l'antenna, la reattanza induttiva necessaria per costruire la bobina di carico.
Disponete il ricevitore a centro banda della gamma di frequenza sulla quale state costruendo l'antenna, collegatelo al misuratore a ponte di rumore e, a quest'ultimo, collegate l'antenna già accorciata . Disponete il potenziometro sull'impedenza che vorreste avesse la vostra antenna, poi manovrate il condensatore variabile fino a far deflettere lo s-meter quanto più possibile. Se ne avrete tarato correttamente la scala dovreste leggere direttamente la capacità necessaria per fare risuonare l'antenna sulla frequenza voluta. Siccome per annullare questa Xc sarà necessaria una reattanza induttiva XL di ugual valore, allora:

sulle tavole della pagina "Antenne accorciate" cercherete "XL"= XC oppure "a" = "Xc" e potrete fare sia il confronto sia stabilire anche in quale punto dell'antenna già accorciata dovrete porre la bobina di compensazione, normalmente alla base.
Lo stesso discorso vale per un'antenna lunga, quindi con eccesso di rettanza induttiva. Se presentiamo al dispositivo un'antenna calcolata per una certa frequenza e sintonizziamo il ricevitore diciamo sulla 2° armonica, dopo avere regolato il condensatore variabile per la massima deflessione dello s-meter, dovremmo leggere un valore in pF negativo, la cui rettanza corrisponde all'eccesso di reattanza induttiva. Quindi caricando l'antenna in predicato con un condensatore del valore letto sulla scala del nostro strumento, dovrebbe risuonare sulla prima armonica superiore. Nel senso che un'antenna per i 7,1 MHZ, caricata con il condensatore il cui valore viene ricavato con il marchingegno, dovrebbe risuonare sui 14,2 MHz.