Omni collineare in ottone

Omnidirezionale a polarizzazione verticale fatta con filo e tubo di ottone.

Un'antenna difficile da costruire e fragile. La versione a 4 elementi da me costruita ha dato circa 7 dB di guadagno.

La collineare è la classica omnidirezionale a polarizzazione verticale. Ne esistono diverse implementazioni, e tra quelle che conosco ci sono:

• Quelle fanno uso di filo di ottone o filo di ottone + tubo, dove il filo viene lavorato in modo da formare avvolgimenti (coils); è quella che descriverò in questa pagina.
• Quelle che fanno uso di coassiale + tubo di ottone oppure solo coassiale.

Io ho realizzato entrambi i tipi di antenna, e devo dire che non è stata un'impresa semplicissima, soprattutto perchè non possiedo un'attrezzatura adeguata.

Per quanto riguarda l'antenna basata sul filo di ottone, ho fatto riferimento a questo progetto:
802.11 2.4Ghz Low-Power 5dBi Vertical Collinear Antenna

Per quanto riguarda l'antenna basata sul coassiale, mi sono riferito a questa pagina:
Easy Homemade 2.4Ghz Omni Antenna
Che a sua volta si riferisce a questo progetto: 802.11 2.4Ghz Vertical Collinear Antenna

L'antenna che propongo qui è la collineare in filo e tubo di ottone; è costituita da segmenti di filo di ottone che formano degi avvolgimenti (coil), intermezzati con pezzi di tubo.
La parte piu' difficile della costruzione di tale antenna è stata la realizzazione degli avvolgimenti e la saldatura precisa delle parti.

Il materiale necessario alla costruzione dell'antenna è:

• Un filo di ottone da 1,2 mm o 1,3 mm (40-50 cm circa). Fortunatamente questo materiale si trova abbastanza comunemente.
• Un tubo di ottone da 3 mm di diametro esterno (30 cm circa).
• Un tubo di ottone o rame da 8 a 8,5 mm di diametro interno (un pezzo da 4 o 5 cm). I tubi da 10 mm di diametro esterno in genere hanno un diametro interno di 8 mm.
• Un connettore da pannello: SMA, N o qualsiasi altro connettore adatto ai 2,4 GHz.
• Una vite da legno da 5 mm di diametro, con la filettatura molto larga; servirà per costruire gli avvolgimenti

Le misure che ho fornito per il materiale sono abbastanza facili da trovare in comemrcio, quindi da questo punto di vista non dovrebbero esserci problemi. E' possibile sostituire le parti in ottone con altre in rame.

Strumenti adoperati:

• Seghetto per metallo
• Saldatore molto potente, a GAS o da almeno 50W. Questo è l'attrezzo più importante.
• 2 pinze a becchi lunghi
• Calibro, o altro strumento di misura di precisione con scala fino a 10cm.
• Terza mano, indispensabile per fare saldature precise e per non ustionarsi.

Cominciamo dalla realizzazione della base. La figura seguente mostra come dovrebbe essere fatta:

In pratica bisogna costruire una specie di cavo coassiale, nel quale il tubo da 10mm di diametro funge da schermatura ed il tubo da 3mm di diametro funge da conduttore centrale. La lunghezza schermatura deve essere lunga esattamente 30mm a partire dalla base del connettore. Per base del connettore intendo dire il punto da cui comincia a sporgere il conduttore centrale dal connettore stesso.
Una votla tagliato a misura il tubo da 10mm di diamtro che deve fungere da schermatura, si può tagliare un pezzo del tubo da 3mm di diametro. La figura seguente indica le misure da usare:

Per prendere le misure, si deve poggiare il tubo da 10mm sul connettore nella posizione in cui lo si salderà. Dopo di che occorre infilare il tubo da 3mm di diametro (quello da tagliare) in quello da 10mm fino a farlo entrare nel conduttore centrale del connettore.
Il tubo da 3mm di diametro va tagliato come in figura (e' più facile da vedere li' che da spiegare, diciamoci la verità); cioè la parte che esce fuori dal tubo di 10mm di diametro deve essere lunga non più 61.5mm. Non è necessario essere precissimi, perchè se si fa il tubo troppo corto si può recuperare quando si salda il primo avvolgimento. Si dovrebbe tagliare il tubo in modo che la misura sia da 60 a 61.5mm
NOTA: io ho tagliato il tubo in modo che sporgesse di ben 70mm. Ho aggiustato la misura solo DOPO aver assemblato tutta la base.

La parte difficile di questa operazione sta nel saldare il tubo da 10mm di diametro sul connettore. Infatti da un lato occorre usare un saldatore molto potente (o meglio ancora una fiamma ossidrica). D'all'altro occorre fare MOLTa attenzione a non sciogliere il dielettrico presente all'interno; da questo punto di vista la cosa migliore è usare connettori con dielettrico in Teflon, più costosi ma praticamente impossibile da rovinare con el alte temperature!
Per prima cosa si deve saldare il tubo da 3mm di diametro sul conduttore centrale del connettore. Se usate un connettore N, è probabile che il polo centrale sia dello stesso diametro del tubo. In tal caso usate come ponte un pezzettino di filo di ottone da 1.3mm (quello per gli avvolgimenti): saldate un pezzo di filo da 1cm sul connettore N, dopo di che infilate il tubo da 3mm nel filo e lo saldate.
Dopo di che si deve saldare il tubo da 10mm di diametro sulla base del connettore. Per fare in modo che lo stagno prenda meglio la presa sul connettore, è preferibile passare un po' di carta abrasiva sulla zona su cui saldare: in tal modo verrà tolta la cromatura ed uscirà fuori il materiale di cui è fatto i connettore, di solito ottone (e lo stagno sull'ottone prende molto meglio).
Ripeto di fare attenzione a non scaldare il connettore troppo e troppo a lungo, altrimenti si rischia di sciogliere l'isolante interno, a meno chge non state usando un connettore con Teflon.
E' necessario che il tubo centrale da 3mm e quello esterno da 10mm siano perfettamente in asse. E' una delle cose più importanti; pena, un'antenna che non funziona. Per mantenere le due parti in asse è possibile usare un foglio di carta avvolto introno al tubo centrale, che lo reggerà perfettamente al centro. La carta può in seguito essere facilmente rimossa.
Nella foto seguente, la base della prima versione dell'antenna. Il tubo da 10mm di diametro era stato montato storto e questa cosa ha contribuito in maniera rilevante al cattivo funzionamento. In seguito è stato usato un connettore N da pannello.

Tagliate 4 pezzi di filo di ottone da 1.3mm, lunghi 13cm circa. E' una misura abbondante, se volete fatela un paio di centimetri più corta; serve esclusivamente per poter maneggiare il filo con maggiore comodità.
Come ho detto, gli avvolgimenti sono stati abastanza duri da realizzare. Ci sono vari sistemi per fare degli avvolgimenti. Io ho usato quello suggrito da chi ha fatto il progetto originale, cioè una vite per legno da 5mm di diamtro, con una filettatura molto larga.

Il diametro esterno di ogni avvolgimento deve essere di 6mm, e formato da 4 spire. Vorrei soffermarmi un momento sul numero delle spire.
Io non avevo mai costruito avvolgimenti fino ad ora e mi sono ritrovato a dover capire come si contano le spire. In effetti le spire complete in ogni avvolgimento sono 3; poi ce ne sono due meta, alle estremità. Comunque, se avvolgete il filo esattamente come nella figura e poi ne piegate le estremità vi ritroverete esattamente con l'avvolgimento che serve.
La distanza tra una spira e l'altra deve essere di 3.5mm (la distanza si misura considerando anche lo spessore del filo).
NON cercate di allungare un avolgimento spira per spira, ma piuttosto tiratelo dalle due estremità con due pinze, moooolto lentamente. In questo maniera le spire si allontaneranno l'una dall'altra esattamente allo stesso modo e rimarranno equidistanti.
Fate attenzione nel piegare le estremità del filo, a non distorcere anche la forma dell'avvolgimento.
Una nota su come ho effettuato la piegatura. Innanzitutto ho tagliato la punta della vite. Dopo di che, una volta terminato di avvolgere, ho portato l'estremità dell'ultima spira in corrispondenza dell'estremità tagliata della vite ed ho piegato il filo. Dopo di che ho svitato l'avvolgimento dalla vite, l'ho gitato e reinfilato al rovescio nella vite, per fare lo stesso lavoro all'altra estremità.
Potrebbero esserci problemi a reinfilare l'avvolgimento dall'estremità piegata del filo: tutto quello che posso dire è di fare un po' di pratica, perchè un avvolgimento che rientra perfettamente nella vite dopo la piegatura del filo alle estremità e di sicuro ben fatta.
La lunghezza dell'avvolgimento dovebbe essere di circa 15 mm (3.5 x 4 = 14.5mm). Siccome non ho mai trovato ne' visto viti con una filettatura cosi' larga, ho dovuto allargare l'avvolgimento tirandolo per le estemità e facendo MOLTA attenzione alla forza applicata. Ricordate che accorciare per bene un avvolgimento è molto più difficile che allungarlo.
Adesso è necessario tagliare le estremità di ogni avvolgimento finito in modo che esso misuri 6cm, come in figura, ed in modo che ci siano circa 3cm di filo diritto da un lato e 2 dall'altro.

Mancano ancora dei pezzi da tagliare: tagliate 4 pezzi da 56mm dal tubo di ottone da 3mm.
La saldatura è una delle parti più impegnative della costruzione. Si deve necessariamente usare una terza mano, perchè le parti da saldare raggiungono temperature molto elevate e devono essere messe quanto più possibile in asse tra loro.

Secondo la figura qui sopra, ogni tubo lungo 56mm deve essere saldato alla sua destra ad un avvolgimento, in modo tale che la distanza tra la parte sinistra del tubo e la prima spira sia esattamente 61.5mm (1/2 lambda). Mentre l'avvolgimento alla sua sinistra deve essere saldato in modo tale che la distanza tra la parte centrale di esso (tra la seconda ed la terza spira) e la parte sinistra del tubo sia di 30.7mm (1/4 lambda).
Per prendere queste misure ho usato il calibro nella sua parte posteriore, quella che serve per misurare il diemetro interno di un tubo. Ho usato un pennarello indelebile per segnare di volta in volta i punti sul filo di ottone, fino ai quali inserirlo nel tubo.
Per fare saldature come si deve, ho per prima cosa infilato un po' di stagno nel tubicino; poi ho stagnato l'estremità dell'avvolgimento. Prima di saldare le due parti, le ho scaldate ben bene.
Quando l'antenna si fa troppo lunga, potrebbe essere difficile mantenere sulla terza mano i pezzi in asse: io ho poggiato le estremità esterne su qualche cosa, la classica piramide di oggetti che avevo a portata di mano.
L'ultimo pezzo di tubo segue esattamente le stesse misure dei precedenti; solo che nella figura è stata riportata direttamente la distanza tra la parte destra del penultimo tubo e la parte destra dell'ultimo.

L'unica cosa de tanere presente durante questa operazione è che la distanza tra il tubo da 10mm di diametro e la prima spira deve essere esattamente di 61.5mm (1/2 lambda). Se come me avete tagliato il tubo che esce sporge dalla base di esattamente 61.5mm, allora basta infilare il primo avolgimento fino in fondo.

L'antenna è finita, non vi resta che infilarla in un tubo di PVC per evitare che si pieghi e quindi povarla. Per tenere ferma l'antenna all'interno del tubo io ho usato dei cilindretti di polistirolo, uno al centro ed uno alla base.
Se non sapete come misuare il guadagno di un'antenna, consultate questa piccola guida.

Per quanto riguarda la base, contollate (magari con con un tester) che la massa non sia in corto con il polo centrale; verificate che il tubo centrale sia in asse con quello esterno. Questa cosa è FONDAMENTALE; la mia prima versione non funzionava affatto (aveva guadagno negativo) anche per questo motivo. Altra cosa importante: la distanza tra la base dle connettore e la fine del tubo da 10mm di diametro deve essere di 30mm (altro motivo per cui la mia antenna non funzionava).
Per quanto riguarda gli avvolgimenti: io ne ho dovuti fare circa una dozzina prima di farne di decenti. Le cose più importanti sono: la distanza tra una spira e l'altra (3.5mm) ed il diametro dell'avvolgimento.
Ricontrollate più volte tutte le dimensioni. Ricordate che avete una tolleranza di 0.5mm circa.

Ecco un'immagine dell'antenna finita (durante una prova “su strada” )

• 802.11 2.4Ghz Low-Power 5dBi Vertical Collinear Antenna (questa antenna)
• 802.11 2.4Ghz Vertical Collinear Antenna (basata sul coassiale + tubo di ottone)
• Easy Homemade 2.4Ghz Omni Antenna (basata sul coassiale)
• esempio di collineare 10dB basata su coassiale
• Guida alla valutazione delle antenne