Miti e leggende del radiantismo – N.1 – Il coassiale che con il ROS irradia

Nel mondo radioamatoriale sopravvivono numerosi miti che vengono diligentemente tramandati da generazioni di radioappassionati. L’autorevolezza che essi acquisiscono grazie alla continua ripetizione è tale da renderli Vangelo anche se in palese contrasto con le più elementari leggi della fisica.
In questa piccola serie “Miti e leggende del radiantismo” proveremo a sfatarne alcuni.

Il mito

Nelle consuete discussioni radioamatoriali, spesso si sente sconsigliare l’uso dell’accordatore per adattare antenne nate per bande diverse. Tra le spiegazioni tecniche in supporto a questo consiglio, appare puntualmente tra gli altri motivi, il problema del cavo coassiale che, a causa delle onde stazionarie, irradierebbe come un’antenna provocando distorsione dei lobi, interferenze, scarse prestazioni e fastidiosi rientri in stazione. Insomma, un disastro.

Ad alimentare questo mito collaborano anche prestigiose testate di settore che pubblicano immagini e didascalie come quella sottostante:

La didascalia spiega con dovizia di particolari che un cavo coassiale, terminato da un carico disadattato (in questo caso una resistenza da 150 ohm), entra in un regime di onde stazionarie e quindi si comporta come un’antenna irradiante.

E il mito si rafforza.

La realtà

I miti normalmente si fondano su entità superiori invisibili, esseri di altri mondi o comunque difficilmente verificabili.
Questo invece è facilissimo da verificare: basta realizzare il setup dell’illustrazione e misurare il campo irradiato.

Proviamo a misurare il campo emesso da un’antenna utilizzando un amperometro RF:

Come si vede, non appena l’apparato va in trasmissione, l’ago del rivelatore di campo schizza a fondoscala.

Ora proviamo a misurare il campo generato da un coassiale terminato da una resistenza a 50 ohm:

Come previsto da tutti, il carico è perfettamente adattato, non ci sono onde stazionarie ed il cavo non irradia alcunché. Il ROS, evidenziato nel cerchio verde, è 1 (nessuna barretta accesa) e la piccola resistenza diventa immediatamente rovente.

Ed ora la prova del mito. Realizziamo il setup indicato dall’illustrazione precedente mettendo una resistenza diversa da 50 ohm. Scegliamo una resistenza che consenta un ROS tale per cui la radio non vada in auto protezione e trasmettiamo:

Come si vede, il rosmetro dell’apparato (cerchio verde) mostra chiaramente l’abbondante presenza di onde stazionarie. La resistenza diventa rovente, segno che l’amplificatore sta facendo il suo dovere. Però, al contrario di quanto sembrava suggerire la testata citata sopra, il campo irradiato dal coassiale rimane inesorabilmente nullo.

Ma perché?

La spiegazione

La ragione per cui il coassiale non irradia anche se il ROS è alto è molto semplice e si spiega con le più elementari leggi dell’elettrodinamica e, in particolare, con le equazioni di Maxwell. Queste descrivono come una qualunque corrente variabile provochi inevitabilmente la produzione di un campo elettromagnetico a cui viene ceduta dell’energia. Le linee di trasmissione (come ad esempio il coassiale) hanno il compito di trasportare queste correnti variabili dal punto in cui sono prodotte (la radio) al punto in cui devono essere irradiate (l’antenna) cercando di disperdere la minima quantità di energia durante il percorso.

Visto che le linee di trasmissione trasportano correnti variabili, come fanno ad aggirare le leggi di Maxwell ed evitare di irradiare RF?
Esse usano un artificio molto semplice: impiegano due conduttori sui quali vengono fatte scorrere due correnti identiche ma di fase esattamente opposta. Quando una aumenta per diventare positiva, l’altra aumenta per diventare negativa. Le due correnti producono sì i rispettivi campi elettromagnetici (come indicato da Maxwell), ma essendo tali campi di segno opposto… si annullano a vicenda!

Infatti una linea di trasmissione può essere realizzata usando semplicemente due fili paralleli tra di loro, perché è la somma dei campi che ne evita l’irradiazione, non la schermatura.

Possiamo facilmente verificare questa affermazione modificando un cavo coassiale in modo che, per un breve tratto, calza e centrale viaggino su percorsi separati:

A questo punto misuriamo le correnti sui singoli conduttori e vediamo la quantità di RF irradiata da ciascuno:

Come si vede, ciascun conduttore, se considerato singolarmente, irradia. E lo strumento mostra che la quantità di energia irradiata da ognuno è la stessa.

Avendo a disposizione un oscilloscopio a due canali, con semplici avvolgimenti sui conduttori è possibile osservare le due correnti:

Appare subito evidente come le due correnti siano identiche ma controfase: i campi elettromagnetici da esse irradiati si sommano producendo un campo nullo.

Quando il carico non è adattato, come la nostra resistenza da 150 ohm, la potenza trasportata da ciascuno dei due conduttori non può essere trasferita completamente e viene in parte riflessa.
L’effetto di ciò è la creazione di onde stazionarie: si vedranno così punti dove la corrente aumenta, altri in cui è maggiore la tensione.
Il punto che sfugge ai sostenitori del “ROS che irradia” è che le onde stazionarie sono prodotte su entrambi i conduttori e sono anch’esse identiche e controfase.
Quindi se in un punto avremo un ventre di corrente, nello stesso punto sull’altro conduttore avremo uno identico ma opposto in segno; la loro risultante, in termini di campo elettromagnetico, sarà sempre nulla.
Per questa ragione non è sufficiente che il carico sia disadattato perché una linea irradi RF. Anzi: non importa quanto sia alto il ROS: non è mai questa una condizione sufficiente per causare irradiazione dalla linea.

Quindi, quando il coassiale irradia?

Perché il coassiale irradi RF è necessario che le correnti che vi scorrono non siano più bilanciate. In tal caso, dalla loro somma risulta una corrente diversa da zero che irradia RF: esse si definiscono correnti di modo comune e possono apparire per tante cause che andremo ad approfondire in un prossimo articolo.

Possiamo forzare tale fenomeno collegando il solo centrale del coassiale lasciando scollegata la calza:

In questo caso, dato che le correnti sono immesse in un solo conduttore, esse costituiscono in toto correnti di modo comune e, come si vede dalla lettura dello strumento, provocano irradiazione totale dell’RF da parte del coassiale.

Naturalmente, quando ci sono dei difetti che provocano correnti di modo comune, l’impedenza dell’antenna cambia e il nostro rosmetro potrebbe cominciare a rilevare il fenomeno. Ma quel che è importante capire è che non sono le onde stazionarie responsabili dell’irradiazione: sono le correnti di modo comune ad essere responsabili sia dell’irradiamento che del disadattamento che può provocare onde stazionarie.

Quindi il ROS elevato può (e sottolineo “può“) essere un sintomo del fenomeno, ma mai la causa.

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6 Commenti

  1. salve vorrei realizzare lo strumento che utilizzi per analizzare l impianto potresti dirmi cio che serve oltre ad una ferrite a clip?

  2. Ciao Davide, e complimenti per i tuoi articoli. Avrei bisogno di un tuo parere / consiglio per un problema che ho rilevato realizzando il tuo milliamperometro. Il problema riguarda una Comet H 422 dipolo a V con bal-un originale CBL 1000 durante l’ utilizzo di un lineare da circa 500W in 40 mt. Le forti correnti di modo comune mandavano in tilt la radio. Il lineare all’ apparenza non dava problemi essendo un FL 2100 Z Yaesu valvolare e senza protezioni. Nel frattempo ho sostituito il cavo ( rg 58 ) con l’ ultraflex 7 di M&P e ho realizzato un choke prendendo spunto da questa tabella http://www.karinya.net/g3txq/chokes/. Le correnti di modo comune ora sono a livelli molto bassi ma e’ subentrato un altro problema: le stazionarie sono piu’ alte, partono da un minimo di 1,7 a 7.070 e la larghezza di banda e’ di soli 60 khz ( mi pareva di ricordare fosse un poco piu’ larga ). Il vero grosso problema in realta’ e’ questo: se utilizzo solo la radio, il suo accordatore riesce ad accordare fuori range ( a 7.200 siamo oltre al 3 di swr ) se inserisco il lineare ( che nel frattempo ho sostituito con un RF power HFLA600 a transistor ) a 7.070 non ho problemi ma quando inserisco l’ accordatore Daiwa 518 le stazionarie peggiorano e non c’ e’ verso di accordare con ovvio inserimento protezioni del lineare. Ho controllato l’ accordatore e per quello che sono riuscito a vedere sembra ok, infatti sulle altre bande va bene. Ho pensato che potrebbe essere il bal-un originale non adeguato alla potenza su quella banda. Prima di procedere con la sostituzione del bal-un volevo un tuo parere. Ti chiedo scusa per il poema, ho cercato di essere il piu’ sintetico possibile ma il problema e’ complesso da esporre.
    Grazie, Giorgio IZ1HHT
    P.S. se vuoi possiamo sentirci in privato per maggiori delucidazioni

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