Ground plane 1/4 d'onda con 4 radiali 869 MHz

Come funziona

Una ground plane è, elettricamente, metà di un dipolo: uno stilo verticale lungo circa λ/4 al posto di uno dei due bracci, e al posto dell'altro braccio un gruppo di radiali (fili o tondini che partono dallo stesso punto e vanno verso il basso/lateralmente) che fanno da riferimento di massa artificiale, al posto di un piano di terra reale che in cima a un palo non esiste.

L'angolo dei radiali non è un dettaglio estetico: è la manopola principale per regolare l'impedenza al punto di alimentazione. Con 4 radiali inclinati a 45° verso il basso, come in questo modello, l'impedenza simulata cade quasi esattamente su 50 Ω, senza bisogno di nessun adattamento aggiuntivo — motivo per cui questa è la geometria scelta come riferimento.

Misure

Elemento	Lunghezza	Diametro	Note
Stilo verticale	77,5 mm	2 mm (rame)	≈ λ/4 accorciato del 10,1% rispetto al teorico (86,19 mm, vedi Lunghezza d'onda)
Radiali (× 4)	81,375 mm (1,05 × stilo)	2 mm (rame)	Inclinati a 45° sotto il piano orizzontale, a 90° uno dall'altro

Simulazione NEC-2 a 869,618 MHz, spazio libero, polarizzazione verticale:

Grandezza	Valore
Impedenza	49,5 − j0,2 Ω
ROS su 50 Ω	1,01
Guadagno	2,2 dBi (~0,1 dBd)

Materiali

• Tondino/filo di rame da 2 mm: uno spezzone per lo stilo, quattro per i radiali.
• Connettore da pannello SMA o N femmina, montato su una piccola piastra o scatola stagna che faccia anche da punto di ancoraggio meccanico per i 4 radiali.
• Un supporto isolante (plastica) per tenere lo stilo in asse sopra il connettore, se il connettore da solo non basta a sostenerlo rigidamente.

Costruzione passo per passo

Lista di taglio: 1 stilo da 77,5 mm + 4 radiali da 81,4 mm, tutti in tondino di rame da 2 mm (scorta di qualche decimo di mm su ogni pezzo per la rifinitura finale).

1. Salda o avvita lo stilo (77,5 mm) al piedino centrale del connettore, verticale, in asse con il connettore.
2. Fissa i 4 radiali (81,4 mm) al corpo/flangia di massa del connettore, distribuiti a 90° l'uno dall'altro, inclinati a 45° verso il basso rispetto al piano orizzontale (non dritti in orizzontale: vedi l'esperimento sotto per capire perché conta).
3. Verifica che stilo e radiali siano tutti alla stessa altezza di partenza (lo stesso punto elettrico, il connettore) e che lo stilo resti verticale una volta montato (vedi Polarizzazione).
4. Se il connettore da solo non regge meccanicamente lo stilo, aggiungi un piccolo supporto isolante (plastica) alla base per irrigidirlo.
5. Misura con un NanoVNA il più vicino possibile al connettore: se il minimo ROS non cade vicino a 869,618 MHz, accorcia lo stilo (non i radiali) di un paio di decimi di millimetro alla volta.
6. Impermeabilizza le saldature con nastro autovulcanizzante o resina prima di installarla all'esterno.

Esperimenti da provare

Radiali orizzontali invece che a 45°. È l'esperimento più istruttivo su questa antenna. Si legge spesso che una ground plane con 4 radiali perfettamente orizzontali abbia un'impedenza intorno a 36 Ω — il ragionamento di solito citato è che un piano di terra infinito dimezza esattamente l'impedenza di un dipolo (73 / 2 ≈ 36,5 Ω, per teoria delle immagini). Abbiamo verificato questo numero rifacendo la simulazione invece di fidarci a memoria, ritarando la lunghezza dello stilo per tornare in risonanza con i radiali orizzontali (mantenendo lo stesso rapporto radiali/stilo di 1,05): il risultato è una resistenza intorno a ~25 Ω, non 36 Ω.

La differenza ha una spiegazione precisa: i 36,5 Ω "da manuale" valgono per un piano di terra infinito e continuo, cioè l'immagine perfetta di un dipolo. Quattro radiali discreti, per quanto orizzontali, non sono un piano infinito: si comportano da riferimento di massa più "debole", e la resistenza al punto di alimentazione scende sotto quel valore teorico. Inclinare i radiali verso il basso (drooping) è esattamente la tecnica che i costruttori usano da decenni per risalire verso 50 Ω partendo da quella resistenza più bassa — coerente con i 49,5 Ω che questo stesso modello, con i radiali a 45°, raggiunge già senza nessun adattamento aggiuntivo.

In pratica: se costruisci questa antenna con radiali orizzontali invece che a 45° e trovi un ROS più alto del previsto, non è un errore di costruzione: è la geometria che lo spiega. Prova a piegare gradualmente i radiali verso il basso e a rimisurare: dovresti vedere l'impedenza salire avvicinandosi ai 50 Ω via via che l'angolo si avvicina ai 45°.

Altri esperimenti:

• Prova con 3 o 6 radiali invece di 4 (a parità di angolo e lunghezza) e osserva se il ROS cambia: più radiali si avvicinano di più al "piano infinito" ideale.
• Confronta questa antenna con il dipolo di riferimento: stessa idea di base (un quarto d'onda alimentato), ma il secondo "braccio" è sostituito dai radiali. Nota come l'impedenza scenda da 71,9 Ω (dipolo) a 49,5 Ω (ground plane con radiali a 45°).

Errori comuni

• Montare i radiali orizzontali aspettandosi 50 Ω: come spiegato sopra, con soli 4 radiali orizzontali l'impedenza reale è più vicina a 25 Ω che a 36 Ω o 50 Ω.
• Accorciare i radiali invece dello stilo per ritarare: sono i radiali a fissare soprattutto l'impedenza, mentre è la lunghezza dello stilo a spostare la frequenza di risonanza; se il NanoVNA mostra la risonanza fuori posto, agisci sullo stilo.
• Dimenticare il piano isolante alla base: senza un buon isolamento meccanico tra stilo e struttura di supporto metallica, quest'ultima può accoppiarsi elettricamente e alterare sia impedenza sia diagramma.

Note

Antenna omnidirezionale: utile come riferimento per confrontare la copertura reale di antenne direttive (le Yagi di questa galleria) rispetto a un'antenna che non concentra energia in nessuna direzione particolare (vedi Guadagno).