Una J-pole che non sente il palo

Il problema della J-pole sul palo

La J-pole è una delle verticali più semplici da autocostruire. Un radiatore di circa mezza lunghezza d'onda viene alimentato attraverso una sezione di adattamento di un quarto d'onda, la gamba corta della "J". Non servono radiali e il cavo si collega a pochi millimetri dal fondo, nel punto in cui l'impedenza vale 50 Ω.

Il difetto si vede al momento di montarla. Se la base tocca un palo metallico, il palo e la calza del cavo coassiale entrano a far parte dell'antenna. Impedenza e diagramma cambiano con la lunghezza del palo e con il percorso del cavo. Per questo di solito la J-pole va montata su un supporto isolante, con un choke sul cavo.

Uno stub che isola il palo

La Cactus J-Pole, ideata da John S. Huggins, aggiunge sotto la J un secondo stub, lungo circa un quarto d'onda e ripiegato verso l'alto accanto al palo. Alla frequenza di progetto questo stub crea un punto ad alta impedenza RF tra l'antenna e il palo. La corrente che scende verso il supporto si ferma lì, e il palo può essere lungo quanto serve.

Nel modello che Fabrizio ha caricato nella galleria le misure sono queste:

Parte	Misura
Elemento lungo (adattamento + radiatore)	238 mm
Gamba corta della J	82 mm, a 8 mm dall'elemento lungo
Punto di alimentazione	8 mm sopra il fondo della J
Stub di disaccoppiamento	82 mm in giù e 82 mm di ritorno, a 8 mm

Tutto in filo da 4 mm, per circa 32 cm di altezza. Il file ragiona su una lunghezza d'onda di 328 mm, circa il 5% in meno dei 345 mm che si hanno in aria a 869,6 MHz. È il solito accorciamento che si applica ai dipoli per tenere conto dello spessore del filo.

Cosa dice il simulatore

A 869,618 MHz, la frequenza del preset italiano, in spazio libero e con 10 cm di palo:

• Guadagno 3,3 dBi, cioè 1,1 dB più di un dipolo. Il massimo cade circa 20° sopra l'orizzonte; sull'orizzonte si resta fra 2,7 e 3,1 dBi.
• Impedenza 51,6 − j1,3 Ω, ROS 1,04, senza nessun adattatore oltre alla J.
• ROS sotto 2 da 848,5 a 891,5 MHz: 43 MHz di banda, ben oltre il margine che serve per la sub-banda 869,4–869,65 MHz.
• Omnidirezionale. Tra il lato migliore e quello opposto ci sono 2,9 dB, perché la gamba corta della J rende il diagramma un po' asimmetrico.

Messa accanto alle altre verticali omnidirezionali della galleria:

Antenna	Guadagno	ROS
Cactus J-Pole, di Fabrizio	3,3 dBi	1,04
Ground plane di riferimento	2,2 dBi	1,01
Dipolo di riferimento	2,1 dBi	1,44

La prova del palo

La scheda di Fabrizio dice che variando la lunghezza del palo l'antenna si comporta allo stesso modo. Lo abbiamo verificato con lo stesso motore NEC-2 della galleria. Abbiamo fatto variare il palo da 10 cm a 3 m e ripetuto la prova su una J-pole classica, cioè la stessa J senza lo stub e con il palo attaccato direttamente alla base. In tabella, «orizzonte» è il guadagno sull'orizzonte in dBi.

Palo (m)	ROS Cactus	Orizzonte Cactus	ROS classica	Orizzonte classica
0,10	1,04	2,7	1,25	1,1
0,25	1,04	3,1	1,41	1,5
0,50	1,04	2,9	1,04	1,5
1,00	1,04	3,1	1,03	3,1
1,50	1,04	2,9	1,06	1,4
2,00	1,04	3,1	1,13	3,0
3,00	1,04	3,1	1,26	1,5

Con la Cactus l'impedenza non si muove: resta tra 51,5 e 51,6 Ω su tutte le lunghezze. La J-pole classica oscilla tra 36 e 50 Ω. Il ROS però non è il problema più grosso, perché resta comunque sotto 1,5.

Il danno si vede nel diagramma. Con molte lunghezze di palo la J-pole classica perde 1,5 dB o più proprio sull'orizzonte, cioè nella direzione degli altri nodi. Con 2 e 3 m di palo il lobo principale finisce addirittura verso il basso, perché a irradiare è il palo stesso. La Cactus resta intorno ai 3 dBi sull'orizzonte con qualunque palo.

Se volete ripetere la prova, c'è un dettaglio da sapere. Nel file il palo (GW 10) ha sempre 5 segmenti, che bastano per 10 cm ma non per 3 m: ogni segmento diventerebbe lungo 60 cm, troppo per NEC. Quando si allunga pole bisogna aumentare anche i segmenti. Noi ne abbiamo usato uno ogni 1,6 cm circa.

Potenza

Con 1,1 dBd di guadagno, per restare nei 500 mW ERP della sub-banda (vedi la normativa) sul nodo si possono impostare fino a circa 25,9 dBm anche senza perdite nel cavo. Un SX1262 si ferma a 22 dBm: con questa antenna le schede più diffuse restano nel limite anche alla potenza massima.

Il brevetto

La configurazione mast mountable antenna di Huggins è coperta dal brevetto statunitense US10468743B2, concesso nel 2019. Fabrizio lo ha segnalato nella scheda. Pubblicare il modello, le foto e le misure di un prototipo non dà una licenza sul brevetto.

I brevetti valgono per territorio, e la scheda consultata riporta gli Stati Uniti. Prima di produrre o vendere antenne basate su questo progetto bisogna verificare quali diritti sono in vigore nei paesi interessati. Per gli usi privati non commerciali e per le sperimentazioni la legge può prevedere eccezioni.

Solo una simulazione, per ora

Questi numeri vengono da un modello in spazio libero, senza il cavo coassiale. Indicano la tendenza, ma la verifica vera si fa sull'antenna montata. La scheda suggerisce di misurare il ROS con il palo e il cavo nella posizione definitiva e, se possibile, di confrontare la corrente sul palo con e senza lo stub.

E ora?

Il prototipo di Fabrizio, in filo di rame con il cavo che esce da un tubo bianco, è già in funzione sul suo nodo. Se ha voglia, aspettiamo una misura con il NanoVNA. Nel frattempo la scheda con la foto, la vista 3D, i grafici e il file spiegato riga per riga è qui: Cactus J-Pole.

Per approfondire il progetto originale c'è l'articolo di John S. Huggins, Mast Mountable J-Pole Antenna.

Hai una tua antenna? Le istruzioni sono nell'articolo sulla galleria, oppure mandala nel gruppo Telegram MeshCore ITA.

Grazie ancora a Fabrizio.