Antenna Slim-Jim AIS – RKE

Antenna
Slim-JIM per andar per mari

 

 

Introduzione

L’idea di sviluppare una semplice antenna per il sistema AIS nacque da una chiacchierata con un amico appassionato di vela. Con la sua imbarcazione era solito girare per il Mediterraneo e la sua maggiore preoccupazione era quella di evitare collisioni con altre imbarcazioni. Per questo, doveva affidarsi al suo binocolo, alla vista e naturalmente, all’attenzione ed esperienza di marinaio navigato. Se questo era, pur con una certa fatica accettabile di giorno e col bel tempo, molto meno affrontabile lo era nelle traversate notturne e nel mezzo delle burrasche. Ecco allora l’idea di dotare la sua imbarcazione di un sistema di rilevamento AIS ed io, causa il mio amore per la radio, propormi di slancio e passione a sviluppare l’antenna.

Il sistema AIS

Prima di entrare nel dettaglio dell’antenna che ho immaginato, realizzato e provato, alcune parole sul sistema di identificazione automatica (in inglese: Automatic Identification System). L’AIS è un sistema automatico di tracciamento utilizzato in ambito navale in ausilio ai sistemi radar, allo scopo di identificare in modo precoce il rischio di collisioni fra le unità in navigazione. Con la dovuta licenza, possiamo dire che è “parente” dell’ADS-B per uso aeronautico e dell’APRS amatoriale.

Lo scopo primario del sistema è fornire una serie di informazioni sulle navi presenti nelle vicinanze quali ad esempio:

  • Posizione dell’imbarcazione

  • Velocità

  • Rotta

  • Destinazione

  • Stato (navigazione a motore, all’ormeggio, ecc.)

  • Numero identificativo MMSI

  • Call sign

  • Nome dell’imbarcazione

Queste informazioni possono essere visualizzate semplicemente su uno schermo, ovvero essere usate dal sistema di pilotaggio per correggere la rotta o dare un allarme in caso di possibile collisione. Inoltre, i dati trasmessi consentono alle autorità marittime di monitorare e gestire i movimenti delle navi.

Il sistema AIS impiega per ridondanza i canali 87B (161,975 MHz) e 88B (162,025 MHz) della banda destinata alle trasmissioni radio fra mezzi navali.

I dati vengono trasmessi periodicamente alla velocità di 9600 bit/sec utilizzando degli algoritmi che consentono di evitare la collisione fra le trasmissioni delle varie unità. La frequenza con cui vengono aggiornate le informazioni è variabile e dipende dall'attività dell'unità: può andare da una trasmissione ogni 3 minuti per i mezzi all'ancora o ormeggiati, fino a una ripetizione ogni 2 secondi per unità in manovra o in rapido movimento.

Proprio per garantire robustezza al sistema, vengono impiegati due canali radio al posto della singola frequenza: il sistema prevede la risoluzione automatica dei conflitti tra sé e le altre stazioni, così come l’integrità delle comunicazioni è mantenuta anche in situazioni di sovraccarico.

Date le caratteristiche delle frequenze radio utilizzate e della ridotta potenza di trasmissione, il segnale copre con certezza una distanza relativamente ridotta, dipendente dall'altezza delle antenne, che in genere si attesta attorno alle 20 miglia nautiche (36km circa).

L’antenna

Visto l’uso nautico, caratterizzato cioè da un piano di massa di dubbia definizione, da venti prolungati, dalla necessità di un lobo sostanzialmente omnidirezionale, ho valutato come una buona scelta, la configurazione “Slim-JIM”.

La Slim-JIM è un'antenna omnidirezionale polarizzata verticalmente ideata da FredJudd, G2BCX e nel seguito del testo scopriremo l’origine del suo nome. Presenta un notevole "guadagno" per via del lobo di radiazione direzionato quasi parallelamente al terreno. Questa caratteristica la rende spesso vantaggiosa rispetto a strutture di ingombro simile, quali la 5/8 λ anche per altri impieghi terrestri ed amatoriali.


Illustrazione 1: Simulazione dell'andamento delle correnti nella Slim-JIM

Può essere costruita facilmente per quasi qualsiasi frequenza, generalmente compresa fra i 30MHz e 1GHz! Al di sotto della banda dei 10 metri diventa molto alta, così come nelle microonde la sua costruzione meccanica diventa difficoltosa a causa delle minime dimensioni.

Grazie al suo design sottile (Slim, appunto), può offrire poca resistenza al vento e questo ben s'addice alla nostra applicazione. È alimentata direttamente con un cavo coassiale 50 Ohm e il punto di alimentazione utilizza uno stub come la “sorella” J Pole.

Come anticipato, la Slim-Jim, simile alla forse più famosa J-pole, è in realtà un dipolo a mezz’onda, ed in particolare, un dipolo ripiegato alimentato ad un estremo. Per adattare l’elevata impedenza (comune a tutte le strutture a lambda/2 alimentate ad un estremo) ed adattarla ai 50Ω del cavo coassiale, ecco entrare in gioco la sezione a quarto d’onda (la parte bassa dell’antenna) anche detta “J Integrated Matching (JIM)” che permette di selezionare l'impedenza esatta di alimentazione desiderata.

La realizzazione pratica

Il passaggio dalla teoria alla pratica è semplice, veloce, economico.


Illustrazione 2: Dettaglio della tubazione impiegata come supporto

Come supporto ho impiegato una sezione da 2m di tubo in polipropilene (PP) per impianti idraulici (tipicamente acque di scarico) caratterizzata dal ​​ costo contenuto ed ottima resistenza agli agenti atmosferici. La parte elettrica (la “Slim”), è realizzata con della piattina TV da 300Ohm di impedenza fissata al tubo con un poco di nastro per poterne modificare la lunghezza ed il punto di alimentazione durante la taratura finale. La scelta della piattina TV è vantaggiosa in quanto economica, di buona qualità, garantisce la geometria parallela dei conduttori senza introdurre altri elementi, è leggera, così come risulta molto semplice durante la sperimentazione modificarne la lunghezza o il punto di alimentazione.

A questo punto occorre definire le lunghezze delle varie sezioni. Per questo ho combinato teoria (calcolo e simulazione) con la pratica (prove sul prototipo), fino ad ottenere un buon risultato, consistente e riproducibile. Occorre comunque tenere sempre presente che le dimensioni ottimali possono risentire di corpi circostanti l’antenna, del tipo di supporto impiegato e delle caratteristiche reali della piattina impiegata.

Questo premesso, vediamo il miglior compromesso ottenuto, dove:


Illustrazione 3: Definizione delle varie sezione della Slim-JIM fonte: sito M0UKD

A: lunghezza totale = 1259mm

B: lunghezza sezione lambda/2 = 814mm

C: lunghezza sezione lambda/4 = 407mm

D: punto di alimentazione = 37mm

E: gap = 38mm

F: spaziatura dei conduttori nella piattina =10mm

 

 

 


Illustrazione 4: Dettaglio del punto di alimentazione

Per alimentarla, ho impiegato un cavo coassiale in teflon da 3mm, (RG316) che scorre dentro al tubo di supporto fino al connettore tipo N, posto alla base dello stesso.


Illustrazione 5: Connettore N di alimentazione dell'antenna

La sintonizzazione può essere effettuata regolando la lunghezza del tronco ad ¼ d’onda e la posizione del punto di alimentazione. Per alzare la frequenza di risonanza è sufficiente accorciarla, viceversa per abbassarla. La larghezza di banda è molto più stretta rispetto ad un dipolo alimentato al centro, la qual cosa rende la costruzione dell'antenna più critica. La messa a punto deve essere eseguita all'aperto, lontano da terra, lontano da qualsiasi oggetto, in particolare se conduttivo o, quando possibile, nella posizione di montaggio finale.

Si consiglia di utilizzare una sorta di induttanza nel punto di alimentazione: ad esempio tre spire (@ 150 MHz) di cavo coassiale su un tubo da 40 mm, oppure, più vantaggioso come robustezza meccanica, inserire un paio di clip di ferrite per VHF lungo il coassiale di alimentazione. Come per qualsiasi antenna ad alimentazione bilanciata, ciò consentirà di evitare che la calza del cavo coassiale irradi e diventi parte dell'antenna, influenzando quindi l’adattamento e le prestazioni. Una prova empirica per controllare l'efficacia del choke, è toccare il cavo coassiale: se l'SWR cambia in modo significativo, il choke è inadeguato.

Se tutto è stato eseguito correttamente e con un minimo di eventuale messa a punto “on site”, è facilmente possibile ottenere una curva di adattamento come quella sotto rappresentata:


Illustrazione 6: Curva di adattamento (ampiezza e fase) dell'antenna finita

Una volta completate le operazioni di verifica, il tutto va protetto inserendolo in una guaina termo restringente che la avvolge e sigilla completamente.

Conclusioni

L’antenna Slim-JIM può essere una buona soluzione per varie situazioni che spaziano dall’uso portatile/SOTA (la sola piattina arrotolata è leggerissima), installazioni fisse e in tutti quei casi dove la presenza di radiali potrebbe essere d’impiccio. La realizzazione è molto semplice ed economica. La banda utile è generalmente stretta e può essere necessario un poco di messa a punto per trovare le misure ottimali. Il campo di frequenze in cui è applicabile è molto ampio e copre comodamente tutte le VHF e UHF. Buone sperimentazioni a tutti quindi!

Ringraziamenti

Ringrazio ovviamente l’amico Cesare per avermi l’occasione per studiare e sperimentare questo argomento nuovo per me e divertirmi a sviluppare una soluzione su misura.

Bibliografia

kb3kai.com/j-pole-calculator

m0ukd.com/calculators/slim-jim-and-j-pole-calculator/

officinahf.jimdo.com/antenne-per-i-4m-70mhz/4m-slim-jim-j-pole/

it.wikipedia.org/wiki/Sistema_di_identificazione_automatica

www.marinetraffic.com

www.allievicvc.it/images/wiki/articoli/elettronica/2012-12_AIS_esteso.pdf

Decreto legislativo 19 agosto 2005, n. 196, in materia di "Attuazione della direttiva 2002/59/CE relativa all'istituzione di un sistema comunitario di monitoraggio e di informazione sul traffico navale."

Decreto legislativo 16 febbraio 2011, n. 18, in materia di "Attuazione della direttiva 2009/17/CE concernente la modifica della direttiva 2002/59/CE relativa all'istituzione di un sistema comunitario di monitoraggio del traffico navale e di informazione."

 

 

 

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