Ancora canna da pesca e contrappeso

[Davide IZ2UUF]

Sandro,
Considera anche che un balun 9:1 o altri similari ti trasformano solo l'impedenza, lasciano nell'antenna tutta la reattanza che vi si trova. Con un 9:1 avrai ros inferiore ad 1,5 su ogni frequenza che su quel filo genera un'impedenza compresa fra 300 e 675. Ma buona parte del segnale in ricezione e altrettanto in trasmissione se ne andrà per contrastare la reattanza, quindi a parte qualche frequenza l'efficenza sarà sempre molto bassa. Del resto hai visto tu stesso, dove c'è risonanza e quindi assenza di reattanza, come è differente la resa dell'antenna.

Ciao Claudio.

Detta così però sembra che la "reattanza" sia una brutta malattia incurabile portata dal filo. In realtà la reattanza, che è uno dei due valori dell'impedenza insieme alla resistenza, è la proprietà di un circuito, non di un componente.
Per illustrare questo concetto proviamo a stabilire qual'è l'impedenza di una mina da matita:



E' 21.2, 9.7 o 2.3? Eppure sono la stessa mina e lo stesso tester. Le foto A e B dimostrano come la sua impedenza non sia un valore assoluto ma dipenda da come questo oggetto sia inserito nel circuito. Infatti l'impedenza comincia ad esistere come concetto nel momento in cui esiste un circuito, cioè un percorso elettrico con un ingresso ed una uscita ben stabiliti.
La foto C dimostra che inserendo nel circuito un altro componente (una resistenza in parallelo) l'impedenza cambia ancora: il tester (ne qualunque altro generatore) non è in grado di dire questi 2.3 ohm da cosa siano prodotti. Cioè, che i 2.3 ohm siano prodotti dalla sola mina, dalla mina più una resistenza o da qualunque altra cosa, sempre 2.3 ohm sono: il generatore, data una tensione, produrrà una corrente secondo la legge di Ohm qualunque sia l'oggetto collegato.

La stessa cosa vale per i "fili". Questi hanno una resistenza di radiazione, una (piccola) resistenza di dissipazione e una reattanza in base a come vengono collegati nel circuito. Ma l'impedenza risultante, cioè quella che conta, è quella del circuito completo di tutti i suoi componenti.

Se l'impedenza è adattata a quella dell'apparato, tutta la potenza dell'apparato sarà trasferita al circuito d'antenna senza ma e senza se. E. parimenti, tutta l'energia catturata in ricezione sarà trasferita al circuito d'antenna, senza ma e senza se.
A questo punto l'energia sarà consumata dal circuito secondo le ferree regole delle leggi di Kirchhoff e di Ohm: un po' sarà utilizzata dai circuiti che scaldano e la dissipano, altra sarà consumata dagli utilizzatori "utili", cioè gli elementi radianti in trasmissione e il ricevitore in ricezione.

Dire "X aggiusta l'impedenza ma la reattanza in Y resta" è un controsenso: dire che "X aggiusta l'impedenza" significa (anche) che il componente X aggiunge le reattanze necessarie ad compensare le reattanze degli altri componenti, che si annullano: altrimenti l'impedenza non sarebbe aggiustata. Diventando irrilevanti non hanno più alcuna influenza sull'efficienza del circuito: non ha senso dire che "i fili sono inefficienti perché al loro interno resta la reattanza".
Tra l'altro attribuire l'inefficienza alla reattanza è impossibile: "inefficienza" vuol dire che troppa energia è consumata in maniera inutile e la reattanza è proprio che quella componente dell'impedenza che non consuma energia, che invece è consumata tutta dalla resistenza! La reattanza semmai impedisce al generatore di trasferire energia al circuito, che se la troverebbe rispedita al mittente: si chiama "disadattamento di impedenza" e si vede con il ROSmetro.
ROS basso significa impedenza adattata, che significa che tutta l'energia è trasferita al circuito d'antenna che, per la legge della conservazione dell'energia, deve consumarla integralmente trasformandola in calore e/o RF.

Dal punto di vista dell'efficienza, mettere un filo tagliato per essere risonante o un filo a caso con un circuito aggiuntivo che "aggiusta l'impedenza" è esattamente la stessa cosa. Quel che varia è il rapporto tra le resistenze che irradiano e quelle che dissipano: se il filo è corto e i circuti di accordo scadenti, la R che irradia sarà bassa, quella che dissipa sarà alta e l'energia si distribuirà sulle secondo Kirchhoff e Ohm, due andando per gran parte dissipata. Se Il filo è lungo e il circuito di accordo è di qualità, il ruolo si inverte e il circuito complessivo diventa molto efficiente: è solo questione di essere bravi a farli.
Ma l'idea che fili o stili di dimensioni "non risonanti" abbiano una difficoltà propria ed ineluttabile ad irradiare qualunque cosa si faccia, pensiero decisamente frequente tra radioamatori e CB, va rimossa dalla testa.

La realtà dei fatti è che le antenne cosidette "risonanti" si auto-difendono da molti possibili errori: se fai un dipolo a mezz'onda deve essere per forza lungo mezz'onda e quindi avrà una resistenza di radiazione ragionevolmente elevata; non deve essere montato male perché altrimenti non si riesce a tarare, perché gli oggetti circostanti ne disturbano l'impedenza. Per cui quando è montato e tarato, è sempre un'antenna con buone prestazioni.
Invece le antenne "non risonanti" possono essere fatte in qualunque modo, tanto poi il circuito di accordo risolve il problema dell'impedenza. Ed inevitabilmente molti utilizzatori di questo tipo di antenne le fanno corte, montate in maniera pessima e con il coassiale che irradia, ottenendo ovviamente risultati molto scadenti.
Tipica conclusione di queste esperienze è che le antenne, per essere efficienti, devono essere risonanti.
Sbagliato: le antenne, per essere efficienti, devono essere fatte da uno competente. Se non lo si è, meglio rivolgersi a soluzioni (le antenne risonanti) dove sia più difficile sbagliare.

Ciaoo
Davide

[I Cinque Sensi]

Ciao Davide,
sono contento tu abbia proseguito la discussione.
Credo di essermi espresso in termini poco corretti o incompleti, però confermo molti dei miei concetti.
Sì, la reattanza è una brutta malattia. Brutta perché tanti che ce l'hanno non sanno di averla. Come tante malattie non sono diagnosticabili dal termometro, così la reattanza non è diagnosticatile dallo swrmeter.
La reattanza è una "malattia" dell'antenna in quanto la potenza che assorbe, al contrario della resistenza, non produce nulla di utile. Un po' come l'attrito in meccanica. Il problema è come eliminarla o ridurla al minimo. Sono pienamente d'accordo con te che contribuisce all'impedenza nella stessa misura della resistenza. Infatti l'impedenza è data dalla radice quadrata della resistenza al quadrato sommata alla reattanza al quadrato. Facciamo un esempio. Antenna che ad una data frequenza presenta resistenza 10 ohm, reattanza 49 ohm, l'impedenza sarà uguale a radice quadrata di 100 + 2401 quindi in pratica 50 ohm. La stessa impedenza di 50 ohm può essere ottenuta da resistenza 50 ohm e reattanza nulla. In entrambi i casi il termometro, pardon, lo swrmeter, indicherà ros unitario. Quindi l'antenna a questa particolare frequenza riceverà integralmente tutta la potenza del trasmettitore, ma nel primo caso una gran parte di questa potenza non verrà emessa, bensì servirà a contrastare la reattanza. nel secondo caso invece tutta la potenza ricevuta verrà emessa. Tralasciamo per ora l'importante discorso del rapporto fra resistenza d'antenna e resistenza del terreno. E tralasciamo le ovvie perdite resisteve.
Io non ho detto esattamente "X aggiusta l'impedenza ma la reattanza in Y resta", ma comunque mi sono espresso male. Faccio un altro esempio. Dipolo risonante a mezz'onda, mettiamo alla frequenza di 14 Mhz. Mettiamo che la sua resistenza siano i canonici 50 ohm. Comincio a salire di frequenza. L'antenna comincia a presentare reattanza induttiva. Ad un certo punto questa reattanza vale 447. Immaginiamo che la resistenza sia ancora 50 ohm, per semplificare le cose. L'impedenza dell'antenna, a questa nuova frequenza, sarà di 450 ohm.
Alimentandola con un trasformatore di impedenza (parlo di trasformatore, non accordatore) 9:1 il ros sarà unitario, e l'antenna riceverà tutta la potenza del trasmettitore. Di questa, buona parte dovrà vincere la reattanza, la rimanente verrà emessa come segnale.
Prendiamo ora un'antenna tipo un loop che abbia una resistenza, alla frequenza di risonanza, di 150 ohm, e colleghiamola all'uscita del trasmettitore senza alcun adattamento di impedenza. Il ros varrà 3, quindi il nostro loop riceverò solo il 75 per cento della potenza del trasmettitore, ma tutto questo 75 verrà emesso.
Un'altra antenna invece, che abbia una risonanza vicina alla frequenza di utilizzo, ed a questa frequenza di utilizzo presenti una resistenza di 50 ohm ed una reattanza di 141 ohm, presenterà un’impedenza totale di 150 ohm. Se gli applico un trasformatore di impedenza (trasformatore, non accordatore) di 3:1, (17 spire contro dieci, per esempio), avrà ros unitario e riceverà il 100% della potenza del trasmettitore, ma emetterà comunque una potenza notevolmente inferiore al loop risonante, in quanto la reattanza vale tre volte la resistenza.

Quindi, come togliere la reattanza? Aggiungendo nel circuito d’antenna una reattanza contraria. Che è parte del lavoro dell’accordatore. L’altra parte del lavoro dell’accordatore è la trasformazione d’impedenza.
Un dipolo più corto di mezz’onda ad esempio presenta reattanza capacitativa, quindi per portarlo in risonanza bisogna aggiungervi dell’induttanza, una bobina in pratica. Ciò va a braccetto col buon senso figurativo, che ci fa immaginare una bobina come una parte del filo che manca al dipolo. Stesso discorso se il dipolo è più lungo, bisognerà aggiungere una capacità, ed un condensatore lo possiamo immaginare come l’interruzione ad un filo troppo lungo.
Sono stati scritti fiumi di inchiostro su quale sia l’antenna più giusta. Certamente più è alta e più è lunga in genere meglio è: aumenta la resistenza dell’antenna e diminuisce la resistenza del terreno. Un stilo di 3 metri con un bobinone alla base sarà pure risonante sugli 80 metri, e magari sarà alimentato in modo da presentare 50 ohm, quindi riceverà tutta la potenza dell’rtx ed emetterà tutta la potenza ricevuta. Tuttavia tale potenza per buona parte andrà a riscaldare il terreno, ma qui ci stiamo allontanando dal nocciolo della nostra discussione.

Comunque non voglio dire che va bene trasmettere con ros di 3, così come non va bene avere 38,5 di temperatura. Voglio solo dire che avere ros unitario, o se preferisci avere una tenperatura di 36 non significa avere una salute mgliore di chi ha appunto 38,5.
Un saluto.
Claudio

[Davide IZ2UUF]

Ciao Claudio

La reattanza è una "malattia" dell'antenna in quanto la potenza che assorbe, al contrario della resistenza, non produce nulla di utile. Un po' come l'attrito in meccanica.

Questo paragone però è decisamente errato: l'attrito dissipa energia, la reattanza, non consuma mai energia. Tutta l'energia immessa in un ipotetico circuito puramente reattivo, viene restituita totalmente.

Facciamo un esempio. Antenna che ad una data frequenza presenta resistenza 10 ohm, reattanza 49 ohm, l'impedenza sarà uguale a radice quadrata di 100 + 2401 quindi in pratica 50 ohm. La stessa impedenza di 50 ohm può essere ottenuta da resistenza 50 ohm e reattanza nulla. In entrambi i casi il termometro, pardon, lo swrmeter, indicherà ros unitario.

Perdonami lo stupore, ma questo è totalmente falso. Quello che tu chiami "impedenza", è il modulo dell'impedenza: |Z|=radq(R^2+X^2) ed è un valore che praticamente non serve a niente nelle considerazioni che stai facendo tu.

Data un'impedenza di riferimento Z0+j0 (es. Z0=50 nei nostri apparati) e un'impedenza di carico R+jX, il ROS relativo si calcola come sotto illustrato.
Dapprima si calcola il coefficiente di riflessione Γ:

Γ = radq((R-Z0)^2 + X^2) / radq(R+Z0)^2 + X^2)

A questo punto il ROS si calcola così:

ROS = (1+Γ) / (1-Γ)

Un'antenna che avesse 10+j49 avrebbe sì |Z|=50, ma presenterebbe ad un apparato a 50 ohm un ROS di 9.901 e non 1. Se fosse 0+50j sarebbe sempre |Z|=50, ma avresti Γ=1 (riflessione totale) e di conseguenza addirittura ROS infinito.

Se guardi l'equazione vedi che c'è un unico modo per avere coefficiente di riflessione Γ=0 e di conseguenza ROS=1: che R sia 50 e X sia 0.

Quindi, quando un'antenna presenta ROS 1, tutta la potenza viene trasferita e consumata dall'antenna indipendentemente da come sia fatta e dalla "reattanza" dei singoli componenti. Quanto poi vada in calore e quanto in RF dipende dalla legge di Ohm, dove ogni componente (cavo, trasformatore, elementi radianti, ecc.) va caratterizzato in maniera complessa (R+jX) e considerato in un circuito serie/parallelo.

Ciaoo
Davide

[I Cinque Sensi]

Davide,
Ti ringrazio moltissimo per le correzioni. Vedo che sei molto più competente di me, quindi cercherò di documentarmi e senza dubbio arriverò alle tue stesse conclusioni.
Un abbraccio.
Claudio

[Davide IZ2UUF]

Davide,
Ti ringrazio moltissimo per le correzioni. Vedo che sei molto più competente di me, quindi cercherò di documentarmi e senza dubbio arriverò alle tue stesse conclusioni.
Un abbraccio.
Claudio

Tieni presente che la formula che ho riportato è sviluppata per impedenze Z0 che abbiano X=0 (che è la norma) in maniera da semplificare i calcoli senza usare numeri complessi.
La formula generale è:

Γ = |(ZL-Z0)/(ZL+Z0)|

dove ZL e Z0 sono rispettivamente l'impedenza del carico e del generatore espresse in forma complessa.

Ciaoo
Davide

[I Cinque Sensi]

Caro Davide,
Grazie per la tua ulteriore precisazione, i tupi post sono da me sempre molto apprezzati, come sai.
Ho trovato questo interessante articolo sul sito dell'arrl, ora vorrei digerirmi la parte sulla carta di Smith (Adding Reattanze to the picture): http://www.arrl.org/files/file/Technolo ... 106037.pdf

Se non ti costa troppo tempo ce la fai a spiegarmi una cosa? Mettiamo che io stia alimentando una Ground Plane che abbia alla risonanza un'impedenza di 40 ohm, dovrei avere un swr di 1,25. Se io mi sposto da questa frequenza l'impedenza dovrebbe aumentare, giusto? Ad un certo punto arriverà a 50 ohm e dovrei avere un swr unitario. Ma tu hai appena dimostrato che l'swr unitario è possibile solo con reattanza nulla. E se non sono più sulla frequenza di risonanza la reattanza deve essere presente. Ecco, non mi ci trovo.

Con grande stima e simpatia.
Claudio

[I Cinque Sensi]

Effettivamente con la Smith Chart ti si apre un mondo! La risposta al mio ultimo quesito è tutta lì...

[Davide IZ2UUF]

Caro Davide,
Se non ti costa troppo tempo ce la fai a spiegarmi una cosa? Mettiamo che io stia alimentando una Ground Plane che abbia alla risonanza un'impedenza di 40 ohm, dovrei avere un swr di 1,25. Se io mi sposto da questa frequenza l'impedenza dovrebbe aumentare, giusto? Ad un certo punto arriverà a 50 ohm e dovrei avere un swr unitario. Ma tu hai appena dimostrato che l'swr unitario è possibile solo con reattanza nulla. E se non sono più sulla frequenza di risonanza la reattanza deve essere presente. Ecco, non mi ci trovo.

Ciao Claudio.

Credo che molta della confusione sia originata dal fatto che continui a parlare dell'impedenza come se fosse un unico "numero". Dici "l'impedenza è 40 ohm", poi dici "aumenta e diventa 50 ohm". Ma queste, benché usate normalmente dai radioamatori, sono affermazioni tecnicamente prive di senso.
L'impedenza è una informazione che va rappresentata sempre con due numeri indipendenti tra loro (es. R e X), altrimenti è priva di significato.
Per fare un paragone con qualcosa che sicuramente conosci benissimo, possiamo osservare che l'impedenza sottostà alle stesse regole della posizione GPS: se ti mandassero a 45°15', dove andresti?
Infatti, dato un "punto zero" (l'incrocio tra equatore e meridiano di Greenwich), si indica la distanza in gradi da percorrere verso nord/sud (latitudine) e quella da percorrere verso est/ovest (longitudine) per raggiungere il punto desiderato: non basta un unico numero.
Oppure puoi usare la forma vettoriale: dallo stesso "punto zero" indichi la distanza e la prua da tenere e con questi dati puoi individuare qualunque punto sulla Terra. Però anche qui ti servono due numeri.
Non solo, ma se ti dicessi che una posizione GPS "aumenta", cosa capiresti? Mi diresti che può aumentare la latitudine, può aumentare la longitudine, può aumentare la distanza dall'origine o possono aumentare i gradi della direzione, ma una posizione nel suo complesso non può "aumentare": è un concetto privo di significato. Le posizioni su un piano cartesiano, come è una posizione GPS o un'impedenza, non sono un insieme ordinato. Cioè, prese due posizioni qualsiasi P1 e P2, come fai a dire se P1>P2? Stessa cosa vale per le impedenze.

Senza prendere coscienza completamente di questi fatti, non riuscirai a chiarirti le idee.

Con 4NEC2 ho progettato una GP con le caratteristiche da te indicate: alla frequenza di progetto (51 MHz) la GP ha impedenza R=40 X=0. Quando X=0 si dice "risonante": "X=0" e "risonante" sono sinonimi.

Se chiedo al programma di mostrarmi l'impedenza da 40 a 60 MHz, esso mi mostra vari grafici. Il primo è questo:



Come vedi, mi mostra due valori: R in blu e X in rosso. La X passa dallo zero a 51 MHz e la R passa sui 40 ohm alla stessa frequenza.

Oppure posso chiedere la |Z| che usi tu:



Come vedi però, anche qui mostra due valori: |Z| in verde e la fase in rosa. Mentre prima avevamo mostrato l'impedenza in modo cartesiano (cioè con "latitudine" e "longitudine"), qui la mostriamo in modo vettoriale: |Z| è la distanza dallo zero mentre la fase è la direzione da prendere. In questo caso l'impedenza è risonante quando la fase è 0: se vedi, la riga rosa della fase incrocia la riga dello zero esattamente a 51 MHz. La |Z| da sola non vuol dire niente: sempre tornando al paragone con le coordinate, se io ti dicessi "vai a 100km dal punto x", dove andresti? Mi chiederesti quanto meno "sì, 100km, ma andando in che direzione?".

Passando da 51 a 53MHz la |Z| passa da 40 a 50 Ohm, ma la fase passa da 0 a 23.8°. Se guardiamo gli stessi dati in forma cartesiana, vediamo che la R passa da 40 a 45.8, mentre la X va da 0 a 23.3. Come vedi, alla frequenza in cui |Z|=50 Ohm Ph=23.8°, R=45.8 Ohm X=23.3 Ohm. Per cui quando dici "l'impedenza diventa 50 ohm" che cosa intendi dire?


Infatti il ROS calcolato dal programma è il seguente:



A 53MHz non è affatto 1!

Infine puoi mostrare gli stessi dati su uno Smith Chart:



In questo caso i puntini neri sono le frequenze prese in esame e il punto in cui cadono nello Smith chart indica, incrociando le linee, resistenza R e reattanza X. La frequenza sulla riga verde sono i 51MHz e in questo punto l'impedenza cade sul 40 (resistenza) e sulla riga orizzontale, cioè dove X=0.

Ciaoo
Davide

[I Cinque Sensi]

Ti ringrazio tantissimo Davide.
L'esempio che hai fatto con le coordinate è perfettamente calzante, e si sovrappone benissimo al diagramma di Smith. L'impedenza è "bidimensionale". Credo di essere caduto nell'equivoco perché spesso si definisce l'swr come rapporto fra impedenze, cosa vera solo nel caso della risonanza (giusto?). Effettivamente bisognerebbe tornare al più appropriato VSWR, ossia rapporto fra le tensioni delle onde stazionarie.
Grazie ancora per il tanto tempo che hai dedicato, ti assicuro, almeno per me, utilissimo.
Con tanta stima.
Claudio

[Sandro65]

Ciao a tutti.
Complimenti al thread che sta diventando tecnicissimo anche se faccio un po fatica a capirlo...
Volevo tornare sul discorso iniziale della mia canna da pesca.
Dopo iniziali problemi ho steso il filo del contrappeso (prima era appoggiato al terreno a spirale intorno base palo) e ho avuto delle evidenti migliorie.
Sabato ho allungato il palo portandolo da 2mt a circa 6mt .
Premetto che il tetto e' ricoperto da pannelli con lamierino metallico e contrappeso 11 mt.
Ora l'antenna e' diventata silenziosa , poco qrm , ma anche un po sorda sulle frequenze 14 mt , dai 21 in su decisamente nulla .
Ora mi chiedo : non avro' alzato troppo l'antenna in quanto ha bisogno di un buon piano di massa nelle vicinanze ?
Potrei risolvere qualcosa aggiungendo radiali .
Mi dispiacerebbe abbassare il palo in quanto devo mettere un dipolo ...

Ciao e grzie a tutti