Romano Cartoceti, I4FAF
Sergio Cartoceti, IK4AUY

L'articolo completo di foto e schemi č ora disponibile all'interno del CD di Radio Rivista 2002/2003 presso l'ARI  Milano (cliccare qui per link all'elenco pubblicazioni ARI)

Nostro articolo ultimato a dicembre 2001, pubblicato su Radio Rivista di settembre 2002 (che ci ha gentilmente dedicato le foto in prima copertina)
pagg.20-26,PARTE PRIMA,organo ufficiale dell' ARI Associazione Radioamatori Italiani,editore Ediradio srl,con successivi aggiornamenti.

ERRATA CORRIGE:
Nel rifacimento finale di tutta l’unita’, peraltro complessa, ci siamo accorti di alcune sviste, errori da imputare esclusivamente agli autori nella fase di rifacimento degli schemi grafici definitivi, mentre tutti i circuiti stampati vanno perfettamente bene,  in dettaglio:
1) nella parte prima in R.R. 09/2002  (a pagina 22)  il primo schema elettrico relativo a “F.B.P + F.P.A mostra un relay in uscita, mentre la posizione corretta e’ all’ingresso (IN)(vedi disposizione componenti e circuito stampato che sono corretti).
2) nello schema elettrico (parte prima, pag. 25) relativo ai filtri passabanda  Butterworth (da 3.5 a 28 MHz R.R. 9/89) manca CR3 (cond. variabile) in parallelo a L3 ed il partitore d’uscita.
3) nella parte seconda dell’articolo, nello schema  dell’alimentatore, si suggerisce di montare il regolatore di tensione LM317 metallico direttamente contro la lamiera del telaio. Precisiamo che occorre interporre oltre al grasso siliconico il solito isolatore a mica.

Front-end HF con filtri passa banda e preamplificatori ad alto livello.

PARTE PRIMA (Part one)
1. Premessa
   Esempi di antenne per ricezione nelle bande basse per spazi limitati
2. Descrizione del progetto
3. Descrizione dei circuiti del FRONT-END HF versioni "SRC-01" e "SRC-02".
   a) Filtri

 

Un'applicazione per tentare di migliorare la ricezione del DX nelle bande degli 80 e 160 metri assieme alla piu' recente evoluzione delle antenne direttive raccorciate ed un aggiornamento sui filtri passa banda, con dati per tutte le bande HF, WARC comprese. Presentiamo questo progetto, frutto di esperienze costruttive precedenti piu' complesse (l'amplificatore qui descritto lo abbiamo provato sino dal 1985 quale preamplificatore nel front-end, canale rx, di un transceiver per le bande radioamatoriali HF, completamente autocostruito da I4FAF), richiestoci recentemente da Franco,IK4ICT, responsabile della ben nota stazione marconiana IY4FGM a Pontecchio Marconi (BO), quale accessorio al TS-950SDX o altri apparati.

1. Premessa.

La nostra attenzione per il DX nelle bande basse, in particolare 80 e 160 metri, si scontra, come per molti di noi, con i limiti di spazio e di antenne. La voglia di ascoltare meglio in 160 metri, rispetto alle possibilita' fornite dal classico dipolo fisso, spesso troppo basso per la top band, hanno spinto Franco a questo semplice ragionamento: e gli altri come fanno ad ascoltare cio' che io riesco solo a leggere nel packet cluster? Altro primario fattore da tener presente il limite di spazio disponibile. IK4ICT ha gentilmente richiesto a qualche primario DXer Usa della top band (che segnalavano il DX sul cluster) quale tipo di antenna per ricezione utilizzassero, ed e' emerso, come supponevamo, che per ascoltare meglio occorre un'antenna direttiva, anche senza guadagno, ma che sia in grado di attenuare segnali provenienti da direzioni indesiderate.

Esempio 1: "Low noise delta RX antenna by K6SE", versione rotativa realizzata da IK4ICT.

Innanzitutto ringraziamo N6FF che ci ha segnalato per primo lo schema di massima dell'antenna di Earl, K6SE, quindi abbiamo chiesto il permesso ad Earl stesso di presentare la sua realizzazione che qualifica come una Delta-EWE. K6SE, oltre ad autorizzarci, ci ha inviato recentemente anche il grafico originale e completo dell'antenna che qui presentiamo (fig 1), pertanto siamo molto grati ad Earl che salutiamo e ringraziamo. Quest'ultimo ci descrive la Delta-EWE, del tipo delta loop raccorciato per la "top band" e gli 80 metri, solo per la ricezione, con sviluppo complessivo pari a 21,951 metri (8,5 metri la base e 6,70 metri ogni lato obliquo) e costituito da filo di rame di sezione 14 AWG, pari ad un diametro di circa 1,63 millimetri, con chiusura resistiva di 950 Ohm posta in serie in un angolo della base. L'antenna richiede un unico supporto verticale non metallico alto circa 6,1 metri e trasformatore di impedenza per la linea coassiale a 50 Ohm nell'altro angolo della base opposto a quello con la resistenza. L'altezza del lato base da terra e' di circa 3 piedi, pari a 0,91 metri. L'impedenza caratteristica nel punto di alimentazione dovrebbe essere di 950 Ohm e reattanza teorica zero a 1,830 MHz. Il trasformatore di impedenza tra il cavo coassiale a 50 Ohm, lato a bassa impedenza, ed il loop costituisce un punto critico per il buon funzionamento dell’antenna ed e' realizzato, come rigorosamente indicato da K6SE, su una ferrite toroidale FT-140-43 con primario di 8 spire (circa 58 microH) e secondario di 34 spire (circa 990 microH - 1 milliH) avvolti su lati opposti del toroide con filo di diametro 20 Awg, pari a 0,81 mm. Da prove da noi fatte questo trasformatore appare prediligere frequenze piu’ basse ancora rispetto i 160m , ma K6SE sconsiglia l’uso di ferriti a diametro inferiore (1). Apprendiamo da Earl che Mark, ON4WW, gli chiese di progettare un'antenna portatile per la ricezione dei 160m e che un esemplare di questa antenna, realizzata da ON4UN sulla base del suo progetto, e' stata usata con successo nell'ultima spedizione a Clipperton dalla stazione FO0AAA a cui Mark ha preso parte. Le antenne "pennant", il genere a cui fa parte anche questa delta-ewe, sono riferibili in origine a EA3VY ed ulteriormente studiate da K6SE nel proprio articolo apparso su QST.

IK4ICT ha provato a realizzarla con una variante ovvero un elemento in alluminio (recuperato da una vecchia direttiva) quale lato base del loop fissato alla parte inferiore del supporto verticale (quest'ultimo e' una composizione di due tubi economici in pvc per l'edilizia, di spessore adeguato in quanto se troppo sottile si rischia una eccessiva flessione non desiderata, di circa 3 metri l'uno, oppure si possono usare tubi in fibra di vetro) con i due lati obliqui del loop in filo di rame. Questa soluzione nasce dall'esigenza pratica di rendere ruotabile comodamente tutto il loop anche se in qualche misura mutano i parametri originali dato che l'elemento in alluminio e' di sezione maggiore e, come vedremo piu' oltre, la parte orizzontale, vicina al terreno, dovrebbe agire piu' come una linea di fasamento-alimentazione dei due bracci verticali a V invertita della delta, diversamente, cosi' bassa, potrebbe accentuare i segnali provenienti da angoli elevati, indesiderati. Altra soluzione da noi successivamente sperimentata, quale struttura di appoggio per l'elemento base orizzontale del triangolo (costituito dal medesimo filo di rame usato per l'intero loop come da indicazioni originali di K6SE) che e' solo di circa 4,27 metri per parte, prevede l'impiego di tubi in pvc o meglio in fibra di vetro fissati al supporto centrale tramite idonea imbragatura metallica, con due tiranti in cordino, a maggior supporto delle due punte estreme orizzontali, fissati nella parte alta del palo verticale (anche in questo caso valgono le medesime cautele sullo spessore del tubo per ottenere una certa rigidita’). 

Ad ogni modo consiglio di andar per gradi e provare prima l’antenna in versione semi fissa, installando solo il supporto verticale ed il loop a forma di delta utilizzando il filo di rame della sezione sopra indicata, con i due lati obliqui del triangolo sostenuti da due tiranti in cordino a forma di V invertita ed i due capi verso terra ancorati al terreno con picchetti o pesi. In questo modo e' possibile ruotare manualmente l’antenna attorno al proprio asse centrale semplicemente spostando i due estremi di pari passo, lungo la circonferenza del "cono", cosi’ vi risparmiate fatica e soldi nel caso l’antenna non dovesse rispondere alle vostre esigenze.

Le prime prove "on air" di Franco (egli pero’ utilizzo' anche un trasformatore di diverso tipo, anziche’ quello poi segnalato da K6SE) non sono state entusiasmanti.  Scartate le Beverage solo per motivi di spazio (ON4UN ad esempio le pone al primo posto, ed in tal senso anche recenti prove effettuate assieme a Fausto, I4EAT, durante il CQ WWDX CW 2001 dal monte Capra con il team IQ4A. Si veda anche la recente meditata esposizione di Maurizio, I4JMY, sulla beverage, in "parliamo di contest–antenne per la ricezione" in http://www.mcc-italy.it/) Sergio, IK4AUY, ha fatto la solita preziosa ricerca bibliografica scoprendo che le possibili antenne per ricezione che potrebbero rispondere a questi criteri, e che occupano uno spazio contenuto, sono oggetto di un attuale acceso interesse a livello internazionale, ad esempio:

 a)   Ewe-Delta loop (sopra descritta), "flag" o "pennant"
 b) K9AY loops
 c) EWE
 d) sistemi di verticali raccorciate in fase per la sola ricezione

Le versioni che appaiono piu' interessanti per il maggior contenimento di spazio sono proprio le prime due, inoltre coprono almeno due bande, 160m e 80m, senza commutazioni. Il sistema di loops K9AY ci appare solo superficialmente come una duplice versione del loop usato da K6SE (per entrambi negli USA sono state presentate piu' recenti implementazioni che prevedono persino un comando variabile, remoto, del valore della resistenza di chiusura per controllare in qualche misura le caratteristiche dell'antenna, al prezzo di complicare le cose oltre la difficolta' a reperire il componente a resistenza variabile adottato) e consiste, in sintesi, di due loop fissi disposti a 90° con un unico supporto verticale, raccorciati, con direttivita' commutabile, senza dover ruotare nulla, tuttavia K6SE precisa (2) che la sua "delta shaped-EWE" risulta essere meno dipendente dal piano di terra, appartiene alla specie delle antenne "pennant" da lui descritte, ne e' in sostanza una delle varie configurazioni possibili, mentre i loops K9AY e le EWE vengono da lui descritte come antenne maggiormente dipendenti dal piano terra, quindi piu' influenzate dalle caratteristiche del suolo. Non e’ nostra intenzione addentrarci nella teoria di funzionamento di queste antenne, comunque condividiamo il pensiero di un noto antenna "guru" dei 160 metri, W8JI, Tom, il quale ritiene che ewe’s, flags, pennants e k9ay loops sono tutti metodi per costruire sistemi di 2 verticali in fase, pensando ai due rami a V invertita della Delta come elementi verticali ed il lato base, che deve essere molto vicino al terreno, come una sorta di linea di fasamento - alimentazione (con risultati ovviamente inferiori se si paragonano a 2 verticali full-size un quarto d’onda) in maniera facile, poco costosa, in piccoli spazi, ovviamente con compromessi.

Per quanto riguarda i sistema di verticali raccorciate in fase, per la sola ricezione, lo stesso W8JI ha pubblicato sul proprio sito un articolo dettagliato in cui descrive un sistema di quattro verticali raccorciate per la sola ricezione con caratteristiche di direttivita’, con perdita di circa 11 dB, in una versione che minimizza i problemi, normalmente presenti, di mutua induzione tra i 4 elementi verticali, tuttavia la spaziatura da 1/8 a 1/4 d’onda richiede comunque la disponibilita’ di un’ampia area (3).

K1ZM, Jeff, altro noto esperto low bander, utilizza un sistema di due antenne pennant, fisse verso l’Europa, in configurazione "broadside" ovvero spaziate circa 60 metri l’una dall’altra, connesse con una derivazione a T, con lunghezze uguali di cavo coassiale, preceduta da un trasformatore Amidon "UnUn" per trasformare l’impedenza risultante dal parallelo, 25 Ohm, a 50 Ohm e dichiara di utilizzare per la maggior parte del tempo due preamplifatori che guadagnano 10 dB l’uno, uno esterno piazzato tra la linea a 50 Ohm ed il trasformatore di impedenza che precede la giunzione a T, ed uno interno e, solo rare volte, un terzo preampl interno, quello dell’apparato, per totali 30 dB. K1ZM sostiene in conclusione che il suo sistema e’ paragonabile in 160 metri ad una singola beverage lunga 500 piedi ed in 80 metri ad una beverage di circa 1000 piedi (fonte sua e-mail reperibile negli archivi del topband reflector), ma senza i pre-amplificatori il sistema e’ completamente sordo.

W7IUV, Larry, ha realizzato una "flag" appunto a forma di bandiera o rettangolo, quale altra implementazione del medesimo genere, ma rotativa e propone un preamplificatore in versione semplificata con un solo transistor 2N5109.

Quale ultimo esempio cito WA1ION, Mark, che presenta un’ interessante e piu’ recente pennant a forma di "gagliardetto triangolare" con terminazione resistiva variabile e controllabile a distanza tramite l’impiego di un dispositivo sul principio dei led accoppiati otticamente ad una fotoresistenza che varia il valore ohmico al variare della corrente (il nome del dispositivo e’ VACTROL della ex EG&G Optoelectronics VACTEC, ora PerkinElmer), tramite l’applicazione di tensione continua al led attraverso impedenze RF. Pare che si ottengano cose interessanti perche’ variando la resistenza in serie al loop si va a controllare in qualche misura il funzionamento del loop stesso con ottimizzazione dell’attenuazione sul retro del lobo a certi angoli del segnale.

Per la teoria ed i riferimenti descrittivi di tali progetti rimando ovviamente agli articoli originali dei rispettivi autori (4) e contributi successivi.

2. Descrizione del progetto.

Il nostro progetto di front-end per HF con preamplificatori e filtri passa banda ed accessori e' stato sottoposto ad una notevole evoluzione e collaudi ed allo stato attuale abbiamo realizzato ben tre versioni (cliccare su SRC, SRC-01, SRC-02 per vedere le foto):

"SRC" per IY4FGM, versione base, con solo due filtri pb (160m e 80m),senza commutazioni di varie antenne RX/TX, senza by-pass per il TX, senza attenuatore variabile, idonea per apparati che dispongono di un ingresso dedicato ad una antenna per la sola ricezione.
"SRC-01", completa di tutti gli accessori ovvero: guadagno selezionabile in tre posizioni (zero, +10 dB, +20dB), attenuatore inseribile e disinseribile a regolazione variabile da -1 dB a -20 dB, una commutazione per incanalare il transceiver su due antenne alternative sia per RX/TX oltre ad un terzo bocchettone di ingresso per l'antenna per la sola ricezione, due uscite del segnale RX filtrato in parallelo su due apparati, rimandi a piu' PTT per controllare eventuali apparati accessori. Alimentazione interna stabilizzata e filtrata. Questa versione impiega una configurazione tradizionale di filtri passa banda, commutabili manualmente, con tre induttori su toroide per ogni banda. E' utilizzabile con qualsiasi apparato.
"SRC-02", come la SRC-01, si distingue per l'impiego di filtri passa banda del tipo Cauer, con 4 induttori su toroide per banda, con un fattore di forma migliore.

Tutti questi tipi di antenne presentano al ricevitore segnali attenuati considerevolmente, nel range da -15 (un po' meglio la beverage) a -35 dB, rispetto ad un dipolo o verticale. Da qui l'esigenza di un sistema di preamplificazione e commutazione per poter ascoltare oltre che sull'antenna per la sola ricezione, anche sull'antenna usata per la trasmissione (per fare raffronti rapidi e molteplici, senza il patema d'animo di mettere fuori uso i relays interni all'apparato, sicuramente di piu' difficoltosa sostituzione in caso di avaria), fermo restando che la trasmissione avverra' solo su quella idonea a cio' (es. verticale) posizionata lontana l'una dall'altra per evitare il piu' possibile induzioni sulla terminazione resistiva del loop durante la trasmissione. Osservare la piu’ ampia separazione possibile tra i due sistemi di antenne e’ condizione indispensabile per il buon funzionamento dell’antenna per ricezione. In effetti si deve porre estrema attenzione all'utilizzo di preamplificazione poiche' i ricevitori moderni sono sufficientemente sensibili e l' esigenza di interporre tra l'antenna per ricezione ed il ricevitore un preamplificatore deriva dal fatto che con questo tipo di antenne raccorciate il segnale in ingresso all'RX e' attenuato rispetto a quello di altri tipi di antenne. A maggior ragione nelle bande basse, in presenza di alta densita' di segnali forti, un preamplificatore esterno all'apparato deve (cosi' come per quello interno al proprio ricevitore) possedere ottime caratteristiche di linearita' nel senso di bassa intermodulazione (5), mentre il parametro della figura di rumore non e' particolarmente critico (6). 

Indispensabile, come per ogni buon ricevitore, ricreare la sequenza logica tipica in un front end per ricevitori (Esempio applicativo numero 2).

Fig. 2 - schema a blocchi semplificato dell'unita' filtri-preamplificatori:

 FILTRI  ATTENUATORE  PREAMPL.  PREAMPL.  al TRANSCEIVER
 Passa basso  -1/-20dB    Var. by-pass. 2x2N5109 by-pass 2x2N5109 by-pass  

                                                                                     

Fig. 3 - schema a blocchi per front-end di un ricevitore di qualita':

 FILTRI  ATTENUATORE  PREAMPL.  PRIMO MIXER
 Passa basso  Var.man./AGC  2x2N5109 by-pass.  Passivo o alto liv.

E' sempre opportuno prevedere una protezione all'ingresso. Le commutazioni dei filtri passa banda e' meglio che siano realizzate con piccoli relays, non disponendo di diodi-pin di pregio, per evitare possibili intermodulazioni generate dai diodi stessi al passaggio dei segnali.

3. Descrizione dei circuiti del FRONT-END HF versioni "SRC-01" e "SRC-02".

a) Filtri

Il primo filtro e' un passa basso, da 30 MHz in giu', poi seguito da un passa alto che consente di attenuare i forti segnali presenti in onde medie. In questo modo iniziamo a fornire un primo livello di filtraggio, limitando la finestra da 1,8 a circa 32 MHz. Segue un circuito di protezione in una combinazione diodi-zener con una soglia di intervento leggermente piu' elevata rispetto ai soli due diodi in controfase (7). Per questa versione di front-end che abbiamo denominato "SRC-01", e' stata scelta una configurazione tradizionale di filtro passa banda, con tre induttori su toroidi. Per i 160 metri la banda passante e' piu' stretta e meno critica la taratura (8). Abbiamo optato per una tecnica realizzativa modulare con la predisposizione di un alloggiamento piu' ampio ed un commutatore a piu' posizioni (ad esempio 9) in modo da poter eventualmente completare, per stadi successivi, filtri passa banda per le varie gamme, partendo ovviamente dalle bande piu' basse. L'eventuale pensiero di realizzare filtri per tutti i segmenti radioamatoriali nelle HF ovviamente aggiunge costi, complicazioni, va inquadrato in un'ottica diversa: l'uso di antenne diverse che non perdono, ma guadagnano, e completamento delle difese del front-end del proprio apparato. vitore non di ultima generazione, o comunque dotato di un front-end carente. Ho provato, ad esempio, ad ascoltare con un ATLAS 210X in 40 metri di sera con un filtro passa banda esterno, ben fatto, posto tra l'antenna e l'ingresso dell'apparato e poi senza: la differenza era veramente notevole. Il 210X resta un buon esempio pioneristico di apparato completamente transistorizzato e dotato di soluzioni innovative per l'epoca, apparve sul mercato negli anni '70, con primo mixer con quaterna di diodi "ad anello" ed un ottimo filtro a quarzo in media frequenza, l'impressione all'ascolto e' ancora oggi favorevole, ma evidentemente dotato di filtri passa banda e relative commutazioni a diodi carenti nell'aspetto del fattore di forma ed attenuazione ultima per i primi e fonte di intermodulazione per i diodi. 

Tornando alla realizzazione modulare, abbiamo predisposto circuiti stampati autonomi per ogni singolo filtro.

Per gli 80 metri e tutte le altre bande abbiamo usato altra versione tradizionale, sempre a tre induttori (config. Butterworth con partitori capacitivi per ottimizzare l’adattamento), presentata in R.R. diversi anni fa da altro autore (9), studio di W. Sabin, W0IYH, in QST 5/83. La vera novita’ e’ che presentiamo anche i dati per le tre bande WARC, non disponibili nell’articolo originale, oltre la personalizzazione del lay-out e le commutazioni a relays. Da ns. prove strumentali, usando componenti di buona qualita', riteniamo di aver ottenuto fattori di forma comparabili o migliori rispetto ad una simile versione presentata da W3LPL nel proprio sito internet (da noi realizzata per paragone), nota stazione USA molto ben attrezzata per i contest. Il filtro passa banda per gli 80m richiede una piu' accurata messa a punto strumentale per poter coprire l'intera gamma dai 3,5 ai 3,8 MHz con una "testa piatta", ovvero ripple contenuto, ed accettabile perdita d'inserzione, dell'ordine di 2-4 dB. Per l'allineamento abbiamo utilizzato compensatori variabili in combinazione con capacita' fisse per poter centrare meglio il passa banda ed e' possibile procedere alla taratura con l'ausilio di un generatore RF variabile ed un oscilloscopio; meglio, se disponibile, un generatore RF vobulato ed una sonda rivelatrice che permette di tracciare la forma del filtro sull'oscilloscopio o meglio ancora un analizzatore di spettro con un generatore tracking. Per visualizzare un passabanda, indispensabile per poter ottimizzare veramente i filtri, e relativa curva di attenuazione tarata in dB, sono oggi disponibili per i radioamatori soluzioni economiche utilizzando circuiti integrati con un'uscita rivelata logaritmica con dinamica sui 70-80 dB, di facile implementazione, a basso costo con un range diretto sino a 12-15 MHz, a maggior costo sino a 500 MHz (10).

 

Si riporta nota 10 per l'opportuno collegamento al nostro precedente articolo

presentato su Radio Rivista Luglio/Agosto 2002. 

(10) Sino a 500 MHz, progetto basato su recente IC dell'Analog Devices, AD8307, si veda QST 06/2001, Simple RF-Power Measurement, W. Hayward, W7ZOI e B. Larkin, W7PUA, pag 38 e nostro articolo in R.R 07/08-2002, pagg. 26-29 dal titolo "Visualizzazione della risposta in frequenza di filtri passa banda HF in dB." Piu' economico e limitato in frequenza l'IC TDA1576, amplificatore FM/IF che al pin 13 presenta un'uscita rivelata logaritmica che, bufferata opportunamente, puo' essere incanalata all'ingresso verticale DC di un oscilloscopio, mentre il segnale RF "spazzolato" che attraversa il filtro in test va all'ingresso dell'IC, pin 15, chiuso a 50 Ohm. Utilizzo ispirato da VHF Communication 02/1989, pag 108, progetto di un analizzatore di spettro di J. Jirmann,DB1NV. Ritengo sia preferibile l'impiego dell' AD8307, progettato per l'uso specifico.

SEGUE PARTE DUE

CLICK HERE TO GO DIRECTLY TO PART TWO