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Fra tutti i numeri che osserviamo nella nostra stazione radio, probabilmente nessuno gode di una reputazione migliore del fatidico:
ROS 1:1.
Quando il rosmetro segna 1:1 ci sentiamo immediatamente rassicurati.
L’antenna è perfetta.
La stazione sta funzionando bene.
Tutta la potenza sta uscendo.
Il sistema è efficiente.
Oppure no?
In realtà un ROS perfetto indica soltanto che, nel punto in cui effettuiamo la misura, l’impedenza vista dalla linea è adattata alla sua impedenza caratteristica.
Non ci dice automaticamente:
- quanto sia efficiente l’antenna;
- quanta potenza venga realmente irradiata;
- quale sia il diagramma di radiazione;
- quanto segnale venga dissipato nei cavi;
- quanto venga perso nel terreno;
- se l’antenna sia risonante;
- se il sistema abbia un buon rendimento.
Un carico fittizio da 50 Ω presenta infatti un ROS praticamente perfetto.
Eppure il suo scopo è esattamente opposto a quello di un’antenna:
trasformare quasi tutta la potenza RF in calore anziché irradiarla.
È quindi arrivato il momento di liberare il ROS da una responsabilità che non ha mai avuto.
Che cos’è realmente il ROS
ROS significa:
Rapporto di Onde Stazionarie.
In inglese:
SWR — Standing Wave Ratio
oppure, quando ci si riferisce alla tensione:
VSWR — Voltage Standing Wave Ratio.
Quando una linea di trasmissione è terminata con un’impedenza uguale alla propria impedenza caratteristica, idealmente non abbiamo riflessione.
In un sistema da 50 Ω:
linea = 50 Ω
e
carico = 50 Ω
rappresentano la condizione di adattamento.
Quando invece il carico presenta un’impedenza differente, una parte dell’onda viene riflessa.
Il ROS è quindi una rappresentazione del grado di disadattamento tra linea e carico. Return Loss, coefficiente di riflessione e VSWR sono grandezze strettamente correlate utilizzate proprio per quantificare le riflessioni causate da un mismatch d’impedenza.
Il coefficiente di riflessione
Il fenomeno può essere descritto attraverso il coefficiente di riflessione:
Γ = (ZL − Z0) / (ZL + Z0)
dove:
ZL = impedenza del carico;
Z0 = impedenza caratteristica della linea.
Il ROS è legato al modulo del coefficiente di riflessione dalla relazione:
SWR = (1 + |Γ|) / (1 − |Γ|)
Se:
Γ = 0
non abbiamo riflessione e:
SWR = 1:1.
Ma da qui non possiamo ancora concludere che l’antenna stia irradiando bene.
Possiamo soltanto affermare che il carico appare adattato alla linea nel punto della misura.
Quanta potenza viene riflessa?
Alcuni valori aiutano a ridimensionare un’altra convinzione molto diffusa.
Con ROS:
1,2:1
la potenza riflessa è circa:
0,8%.
Con:
1,5:1
circa:
4%.
Con:
2:1
circa:
11%.
Con:
3:1
circa:
25%.
Questo significa che un ROS di 1,5:1 non rappresenta affatto una catastrofe.
E nemmeno 2:1 significa automaticamente che metà della potenza venga “buttata via”.
Il rapporto tra VSWR, coefficiente di riflessione, Return Loss e potenza riflessa deriva direttamente dalle relazioni standard utilizzate nelle misure RF.
Il primo grande equivoco: ROS basso = antenna efficiente
Consideriamo un sistema estremamente semplice.
Abbiamo un resistore da:
50 Ω
capace di dissipare 100 W.
Lo colleghiamo al nostro trasmettitore.
Il rosmetro indica:
1:1.
Il trasmettitore è contentissimo.
Ma praticamente nessuna potenza viene irradiata.
La quasi totalità viene trasformata in calore.
Il nostro “sistema d’antenna” possiede quindi:
- ROS eccellente;
- adattamento perfetto;
- efficienza radio praticamente nulla.
È l’esempio più evidente di come matching ed efficienza siano due concetti differenti.
Resistenza di radiazione e resistenza di perdita
Un’antenna reale può essere rappresentata, in maniera semplificata, attraverso due componenti resistive fondamentali:
Rrad = resistenza di radiazione
e
Rloss = resistenza di perdita.
La prima rappresenta la parte associata alla potenza effettivamente irradiata.
La seconda rappresenta le perdite.
Queste possono derivare da:
- resistenza dei conduttori;
- terreno;
- bobine;
- trasformatori;
- connessioni;
- materiali;
- correnti parassite;
- strutture vicine.
L’efficienza può essere espressa, semplificando, come:
η = Rrad / (Rrad + Rloss)
Supponiamo quindi di avere:
Rrad = 5 Ω
Rloss = 45 Ω.
L’impedenza resistiva totale sarà:
50 Ω.
Magnifico.
Il nostro sistema potrebbe presentare un ROS perfetto su una linea da 50 Ω.
Ma l’efficienza sarebbe:
5 / 50 = 10%.
Su 100 W:
circa 10 W contribuirebbero alla radiazione;
circa 90 W verrebbero dissipati.
E il rosmetro continuerebbe tranquillamente a indicare:
1:1.
Un’altra antenna completamente diversa
Consideriamo ora:
Rrad = 45 Ω
Rloss = 5 Ω.
Anche questa presenta:
50 Ω.
Anche questa può avere:
ROS 1:1.
Ma ora l’efficienza teorica sarebbe:
90%.
Due antenne possono quindi mostrare esattamente lo stesso ROS e avere prestazioni radicalmente differenti.
ROS e risonanza sono concetti diversi
Altro equivoco molto comune:
“L’antenna ha ROS 1:1, quindi è risonante.”
Non necessariamente.
L’impedenza di un’antenna può essere scritta:
Z = R + jX
dove:
R rappresenta la componente resistiva;
X quella reattiva.
Alla risonanza:
X ≈ 0.
Ma la componente resistiva potrebbe essere:
20 Ω;
36 Ω;
50 Ω;
73 Ω;
100 Ω.
Un’antenna può quindi essere perfettamente risonante e contemporaneamente mostrare ROS diverso da 1:1.
E può accadere anche il contrario:
una rete di adattamento può trasformare un’impedenza fortemente reattiva in 50 Ω esatti visti dal trasmettitore.
Il trasmettitore vedrà:
1:1
ma l’antenna, da sola, non è necessariamente risonante.
L’accordatore non accorda necessariamente l’antenna
Il nome “accordatore d’antenna” è sotto questo aspetto un po’ ingannevole.
Il tuner collocato in stazione normalmente modifica l’impedenza vista dal ricetrasmettitore.
Supponiamo che l’antenna più linea presenti:
120 − j80 Ω.
L’accordatore può trasformare questa impedenza in:
50 + j0 Ω.
Il ricetrasmettitore vede quindi:
ROS 1:1.
Ma ciò non significa che l’impedenza al punto di alimentazione dell’antenna sia diventata 50 Ω.
Tra tuner e antenna può continuare a esistere una linea fortemente disadattata.
Ed è proprio qui che iniziano a diventare importanti le perdite del cavo.
L’accordatore protegge soprattutto il trasmettitore
I moderni apparati a stato solido tendono a ridurre la potenza quando incontrano ROS elevato.
Una rete di adattamento permette quindi al finale RF di lavorare su un carico favorevole.
Questo è molto utile.
Ma dobbiamo evitare di confondere:
“il trasmettitore vede 50 Ω”
con:
“tutto il sistema irradia in maniera ottimale”.
Sono due affermazioni completamente differenti.
Un paradosso: un cavo molto lossy può migliorare il ROS
Questa è una delle situazioni più interessanti.
Supponiamo di avere un’antenna fortemente disadattata collegata attraverso un cavo molto lungo e con elevate perdite.
L’onda riflessa dall’antenna percorre il cavo verso il trasmettitore.
Durante il viaggio viene attenuata.
La riflessione che arriva al rosmetro risulta quindi più piccola.
Il ROS misurato in stazione può apparire migliore.
Fantastico?
Assolutamente no.
Il ROS sembra migliorato perché il cavo ha dissipato parte dell’energia.
In altre parole:
una linea peggiore può produrre una lettura del ROS apparentemente migliore.
Questo è uno dei motivi per cui il ROS dovrebbe essere misurato, quando possibile, vicino al punto di alimentazione oppure interpretato conoscendo le caratteristiche della linea.
Il caso estremo
Immaginiamo 100 metri di cavo enormemente dissipativo.
Alla sua estremità colleghiamo perfino un circuito aperto.
Teoricamente il carico ha riflessione completa.
Ma se il segnale riflesso viene fortemente attenuato nel viaggio di ritorno, il trasmettitore potrebbe osservare un ROS meno drammatico di quanto ci aspetteremmo.
Non perché l’antenna sia migliorata.
Perché abbiamo trasformato energia RF in calore lungo il feeder.
ROS 1:1 e antenna corta
Le antenne elettricamente molto corte rappresentano un ottimo esempio.
Una verticale molto corta sulle bande basse presenta generalmente:
- bassa resistenza di radiazione;
- elevata reattanza capacitiva;
- necessità di carico induttivo;
- forte sensibilità alle perdite.
Possiamo utilizzare bobine e reti di adattamento fino a ottenere 50 Ω perfetti.
Il trasmettitore vedrà:
1:1.
Ma se la resistenza di radiazione è molto piccola rispetto alle perdite nella bobina e nel sistema di terra, l’efficienza può rimanere modesta.
Le bobine non sono ideali
Un’induttanza reale possiede:
- resistenza del conduttore;
- perdite nel materiale;
- capacità parassite;
- Q finito.
Nelle antenne fortemente accorciate, la corrente può essere elevata.
Anche pochi ohm di perdita diventano quindi importanti quando la resistenza di radiazione è altrettanto piccola.
È uno dei motivi per cui costruire una buona antenna verticale corta per 80 o 160 metri è molto più difficile di quanto faccia pensare il semplice valore del ROS.
Il terreno può divorare potenza senza disturbare il rosmetro
Nelle verticali HF una parte fondamentale del sistema è rappresentata dal ritorno della corrente.
Con pochi radiali o con un terreno sfavorevole possiamo introdurre una notevole resistenza di perdita.
Paradossalmente questa resistenza può persino contribuire ad avvicinare l’impedenza complessiva a 50 Ω.
Il risultato?
Un ROS piacevole.
Una verticale poco efficiente.
Aggiungendo numerosi radiali possiamo ridurre le perdite.
A quel punto l’impedenza potrebbe persino allontanarsi da 50 Ω e il ROS peggiorare leggermente.
Ma l’antenna potrebbe irradiare meglio.
Ecco perché inseguire esclusivamente il ROS può portarci nella direzione sbagliata.
Il diagramma di radiazione non compare sul rosmetro
Supponiamo di avere due antenne entrambe perfettamente adattate.
Antenna A:
irradia prevalentemente a 70°.
Antenna B:
irradia prevalentemente a 15°.
Entrambe:
ROS 1:1.
Per un collegamento DX, la seconda potrebbe risultare enormemente superiore.
Per una comunicazione NVIS regionale, potrebbe invece essere migliore la prima.
Il rosmetro non può dirci nulla di tutto questo.
Non conosce:
- l’angolo di radiazione;
- il guadagno;
- il front-to-back;
- i nulli;
- la polarizzazione;
- la forma del diagramma.
Misura soltanto ciò che accade sulla linea.
ROS e guadagno
Un’antenna isotropica teorica adattata a 50 Ω potrebbe mostrare:
1:1.
Una Yagi da 10 dBi correttamente adattata potrebbe mostrare:
1:1.
La seconda concentra molta più energia in una determinata direzione.
Ancora una volta:
stesso ROS, comportamento completamente differente.
1,5:1 è davvero un problema?
Molti radioamatori dedicano ore alla ricerca di:
1,00:1
quando l’antenna presenta magari:
1,3:1
o
1,5:1.
Da un punto di vista puramente di mismatch, le differenze possono essere estremamente modeste.
A 1,5:1 la potenza riflessa è circa il 4%.
Perfino se considerassimo semplicemente la mismatch loss, parliamo di meno di 0,2 dB.
Una variazione difficilmente percepibile in un collegamento reale.
Al contrario, spostare l’antenna:
- due metri più in alto;
- lontano da una struttura metallica;
- migliorare i radiali;
- utilizzare un cavo con meno perdita;
potrebbe produrre un risultato ben più significativo.
Il famoso 1:1 può diventare un’ossessione
È comprensibile.
Il ROS è facile da misurare.
Compare sul display della radio.
Possiamo osservarlo in tempo reale.
È un numero semplice.
L’efficienza assoluta di un’antenna, invece, è molto più difficile da misurare.
Quindi tendiamo a ottimizzare ciò che possiamo osservare facilmente.
Ma una misura facilmente disponibile non diventa automaticamente la più importante.
Come valutare meglio un’antenna
Per comprendere realmente il comportamento di un sistema possiamo utilizzare diversi strumenti.
1. NanoVNA
Non osserviamo solamente SWR.
Guardiamo:
- R;
- X;
- Smith Chart;
- andamento con la frequenza.
2. Confronto A/B
Se possibile confrontiamo due antenne nelle medesime condizioni.
3. Reverse Beacon Network
In CW possiamo osservare automaticamente dove il nostro segnale viene ricevuto.
4. WSPR
Ottimo per confronti a bassa potenza e osservazioni statistiche.
5. PSK Reporter
Molto utile per modalità digitali.
6. SDR remoti
Possiamo ascoltare direttamente il nostro segnale da ricevitori situati a distanze differenti.
7. Modellazione
Software di simulazione possono aiutarci a comprendere:
- diagramma;
- angolo di radiazione;
- correnti;
- influenza dell’altezza;
- interazione con il terreno.
Nessuno di questi strumenti, preso singolarmente, rappresenta la verità assoluta.
Insieme possono però fornire un quadro molto più completo del solo rosmetro.
E allora il ROS non serve?
Assolutamente no.
Il ROS rimane una misura estremamente importante.
Serve per:
- verificare l’adattamento;
- proteggere il trasmettitore;
- individuare anomalie;
- controllare un sistema d’antenna;
- osservare variazioni;
- verificare una taratura;
- diagnosticare cavi e connettori.
Il problema nasce soltanto quando gli attribuiamo informazioni che non contiene.
Un modo corretto di interpretarlo
Invece di dire:
“La mia antenna è ottima perché ha ROS 1:1.”
sarebbe tecnicamente più corretto dire:
“In questa frequenza, nel punto in cui sto misurando, il sistema presenta un buon adattamento alla linea da 50 Ω.”
È meno spettacolare.
Ma è molto più preciso.
Un semplice esperimento
Provate questo test.
Collegate al vostro trasmettitore:
- un buon carico fittizio da 50 Ω;
- una vera antenna correttamente adattata.
In entrambi i casi potreste leggere:
ROS 1:1.
Ora chiedete a un radioamatore distante 500 km di ascoltarvi.
Con il dummy load probabilmente non vi sentirà.
Con l’antenna sì.
Il rosmetro, però, era contentissimo in entrambi i casi.
Conclusioni
Il ROS è un eccellente indicatore di adattamento.
Non è un misuratore di qualità dell’antenna.
Non misura direttamente:
efficienza, guadagno, diagramma di radiazione o potenza realmente irradiata.
Un’antenna può avere ROS 1:1 ed essere mediocre.
Un’altra può avere 1,5:1 e funzionare magnificamente.
Il vero obiettivo non dovrebbe quindi essere:
“ottenere il ROS più basso possibile”.
Dovrebbe essere:
“ottenere un sistema d’antenna efficiente, con il diagramma appropriato e perdite ragionevoli, mantenendo un adattamento compatibile con la nostra stazione”.
È una differenza sottile.
Ma una volta compresa cambia completamente il modo di progettare e valutare le nostre antenne.