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L’antenna è sul tetto.
Il rosmetro indica valori eccellenti.
Il ricetrasmettitore eroga 100 W.
Possiamo quindi affermare che all’antenna arrivino 100 W?
Assolutamente no.
Tra il connettore del nostro apparato e il punto di alimentazione dell’antenna esiste un elemento che troppo spesso viene considerato soltanto un mezzo di collegamento:
il cavo coassiale.
In realtà il feeder costituisce una parte fondamentale del sistema RF.
E soprattutto alle frequenze VHF e UHF può trasformarsi in uno dei principali responsabili delle perdite.
Un cavo apparentemente innocuo può sottrarre:
- 10%;
- 20%;
- 30%;
- 50%;
o persino la maggior parte della potenza disponibile.
Il problema diventa ancora più interessante perché la perdita agisce due volte nel nostro sistema:
in trasmissione e in ricezione.
Un cavo reale non è perfetto
Una linea ideale trasferirebbe tutta la potenza dal trasmettitore al carico senza dissipazione.
Un cavo coassiale reale presenta invece:
- resistenza del conduttore centrale;
- resistenza della schermatura;
- perdite dielettriche;
- dispersione;
- perdite nei connettori;
- imperfezioni;
- possibili infiltrazioni d’acqua.
Questi fenomeni trasformano una parte dell’energia RF in calore.
La perdita viene normalmente espressa in:
dB per una determinata lunghezza.
Per esempio:
6 dB / 100 m.
Perché utilizziamo i decibel
Il decibel permette di rappresentare comodamente rapporti di potenza.
La relazione è:
dB = 10 log10(P2/P1)
Quando abbiamo una perdita:
−3 dB
la potenza si riduce circa alla metà.
Quindi:
100 W → circa 50 W.
Con:
−6 dB
la potenza diventa circa un quarto:
100 W → circa 25 W.
Con:
−10 dB
rimane circa un decimo:
100 W → circa 10 W.
Ecco perché pochi decibel possono diventare molto più importanti di quanto suggerisca intuitivamente il numero.
La perdita aumenta con la frequenza
Uno dei concetti fondamentali è che l’attenuazione di un cavo coassiale non è costante.
Aumentando la frequenza, le perdite generalmente aumentano.
Un cavo che può risultare perfettamente accettabile sui 40 metri potrebbe essere mediocre sui 2 metri e diventare pessimo sui 70 centimetri.
Un esempio concreto viene da un RG-213 commerciale da 50 Ω di Belden: la scheda tecnica riporta circa 1,5 dB/100 m a 5 MHz, 4,6 dB/100 m a 50 MHz, 6,6 dB/100 m a 100 MHz, 10,4 dB/100 m a 230 MHz e 14,1 dB/100 m a 400 MHz. I valori esatti cambiano naturalmente in funzione del costruttore e della specifica del cavo.
Un esempio con 30 metri di RG-213
Utilizzando quei valori nominali, su una tratta di 30 metri avremmo approssimativamente:
| Frequenza | Perdita su 30 m | Potenza residua partendo da 100 W |
|---|---|---|
| 5 MHz | 0,45 dB | circa 90 W |
| 50 MHz | 1,38 dB | circa 73 W |
| 100 MHz | 1,98 dB | circa 63 W |
| 230 MHz | 3,12 dB | circa 49 W |
| 400 MHz | 4,23 dB | circa 38 W |
Il cavo è sempre lo stesso.
La lunghezza è sempre 30 metri.
Ma passando dalle HF alle UHF il comportamento cambia radicalmente.
Questo è uno dei motivi per cui la scelta del feeder assume un’importanza enorme nelle stazioni VHF, UHF e microwave.
“Ma io trasmetto 100 watt!”
Il wattmetro posizionato subito dopo il ricetrasmettitore può mostrarci 100 W.
Non significa che l’antenna li stia ricevendo.
Se abbiamo:
100 W al trasmettitore;
2 dB di perdita nel cavo;
all’antenna arriveranno soltanto circa:
63 W.
Il finale continua a lavorare per produrne 100.
Gli altri 37 W vengono sostanzialmente dissipati lungo il sistema di trasmissione.
In ricezione il problema è forse ancora peggiore
Supponiamo che il nostro segnale ricevuto dall’antenna sia molto debole.
Il cavo introduce:
3 dB di attenuazione.
Prima ancora di raggiungere il ricevitore il segnale viene dimezzato in potenza.
Per un segnale locale fortissimo potrebbe non importarci.
Per:
- EME;
- satelliti;
- weak signal VHF;
- meteor scatter;
- tropo;
- beacon estremamente deboli;
può fare una differenza enorme.
Ed è proprio per questo che in molte installazioni professionali o weak signal il preamplificatore viene installato direttamente vicino all’antenna.
Perché il preamplificatore va in alto?
Supponiamo di avere:
antenna → 5 dB di cavo → preamplificatore.
Il segnale ha già perso 5 dB prima di essere amplificato.
Non possiamo recuperare completamente l’informazione persa semplicemente aumentando il guadagno dopo il cavo.
Installando invece:
antenna → preamplificatore a basso rumore → cavo,
amplifichiamo il segnale prima che attraversi la tratta dissipativa.
È uno dei principi fondamentali dei sistemi riceventi a basso rumore.
Da dove vengono le perdite?
Perdite nel conduttore
Il rame possiede una resistenza finita.
In RF entra inoltre in gioco lo skin effect.
All’aumentare della frequenza la corrente tende a concentrarsi progressivamente vicino alla superficie del conduttore.
La sezione effettivamente utilizzata diminuisce e la resistenza RF aumenta.
Perdite nel dielettrico
Fra conduttore centrale e schermatura troviamo un materiale isolante.
Può essere:
- polietilene;
- polietilene espanso;
- PTFE;
- altri materiali.
Il dielettrico reale dissipa una piccola quantità di energia.
Alle alte frequenze questo contributo può diventare significativo.
Perdite nella schermatura
Anche la calza o il conduttore esterno possiedono resistenza.
La costruzione del cavo influenza:
- perdita;
- schermatura;
- flessibilità;
- resistenza meccanica.
Connettori
Ogni connettore introduce:
- una piccola perdita;
- una discontinuità;
- possibile disadattamento.
Un buon connettore correttamente installato produce perdite modeste.
Cinque adattatori montati in cascata, ossidati e di dubbia qualità sono un’altra storia.
RG-58: quando va bene e quando no
Il classico RG-58 ha un vantaggio enorme:
è piccolo, economico e flessibile.
Per:
- cavetti patch;
- collegamenti corti;
- HF;
- installazioni temporanee;
può essere assolutamente adeguato.
Ma utilizzarlo per una tratta molto lunga verso un’antenna UHF significa spesso accettare perdite considerevoli.
Il problema non è che il RG-58 sia “cattivo”.
Il problema è utilizzarlo fuori dal contesto per il quale rappresenta un buon compromesso.
RG-213
Il RG-213 possiede dimensioni maggiori e perdite generalmente inferiori rispetto ai coassiali sottili.
Per molte installazioni HF rappresenta ancora oggi una soluzione robusta.
Il valore nominale di 50 Ω e i dati di attenuazione dipendono dalla specifica e dal produttore; le schede tecniche industriali mostrano chiaramente come l’attenuazione cresca all’aumentare della frequenza.
Per lunghe discese VHF/UHF, però, può essere vantaggioso passare a cavi ancora più performanti.
Cavi low-loss
Famiglie come LMR e altri coassiali a bassa perdita utilizzano costruzioni progettate proprio per ridurre l’attenuazione nelle tratte RF.
Times Microwave, per esempio, indica la propria famiglia LMR come linea a 50 Ω sviluppata per contenere la perdita su collegamenti relativamente lunghi e mette a disposizione un calcolatore specifico di attenuazione e capacità di potenza.
Naturalmente non significa che “LMR-400 sia sempre la scelta migliore”.
Bisogna considerare:
- frequenza;
- lunghezza;
- flessibilità;
- raggio di curvatura;
- ambiente esterno;
- connettori;
- costo;
- modalità d’installazione.
Hardline
Quando le potenze o le frequenze aumentano, entrano in gioco linee ancora più performanti.
Nelle installazioni professionali e nei ripetitori è comune utilizzare cavi semi-rigidi o linee corrugate di grande diametro.
Sono:
- costosi;
- pesanti;
- poco flessibili;
ma possono offrire attenuazioni molto inferiori.
Per un ponte ripetitore UHF con una lunga tratta verticale sulla torre, risparmiare diversi dB nel feeder significa migliorare contemporaneamente:
trasmissione e ricezione.
Quanto vale realmente 1 dB?
La perdita di 1 dB lascia circa il:
79% della potenza.
Quindi:
100 W → circa 79 W.
Non sembra drammatico.
Ma ricordiamoci che in ricezione perdiamo lo stesso dB.
E che in un sistema weak signal anche 1 dB può essere importante.
3 dB: il punto psicologico importante
Una perdita complessiva di:
3 dB
significa sostanzialmente dimezzare la potenza.
100 W → circa 50 W.
Se acquistassimo un amplificatore per passare da 50 a 100 W spenderemmo magari parecchio denaro.
Poi potremmo perdere lo stesso vantaggio utilizzando un feeder inadatto.
È un paradosso sorprendentemente frequente.
6 dB
Con 6 dB di perdita:
100 W → circa 25 W.
Quindi un trasmettitore da 100 W collegato attraverso una linea molto dissipativa può portare all’antenna la stessa potenza di un apparato QRP da qualche decina di watt con un ottimo feeder.
Guadagno dell’antenna e perdita del cavo
Supponiamo di comprare una nuova antenna con:
+3 dB di guadagno.
Molto bene.
Ma se per installarla aggiungiamo 25 metri di cavo che introducono:
3 dB di perdita,
abbiamo sostanzialmente consumato l’intero vantaggio prima ancora che il segnale raggiunga l’antenna.
Questo dimostra perché un sistema RF debba essere studiato nel suo insieme.
La perdita del cavo e il ROS
Finora abbiamo ipotizzato una linea correttamente terminata.
Con ROS elevato la situazione può peggiorare.
Quando la linea è disadattata, energia viaggia avanti e indietro e le perdite effettive del sistema aumentano rispetto alla semplice attenuazione nominale della linea perfettamente adattata.
La mismatch loss e la riflessione dipendono dall’impedenza vista dalla linea; VSWR e Return Loss sono proprio gli strumenti utilizzati per quantificare questo comportamento.
Un errore curioso: il cavo lossy nasconde il ROS
Immaginiamo un’antenna con un pessimo adattamento.
Parte del segnale viene riflessa.
Nel viaggio verso il trasmettitore l’onda riflessa attraversa nuovamente il cavo.
Se il cavo possiede elevate perdite, l’onda di ritorno viene attenuata.
Il rosmetro può quindi visualizzare un ROS meno elevato.
Potremmo pensare:
“Che bella antenna!”
quando in realtà dovremmo dire:
“Che efficace attenuatore ho installato fra me e l’antenna.”
È uno dei motivi per cui una linea molto lossy può rendere un sistema apparentemente “facile da accordare”.
L’acqua: uno dei peggiori nemici
Un cavo esterno non perfettamente sigillato può assorbire acqua.
L’infiltrazione modifica:
- caratteristiche del dielettrico;
- attenuazione;
- impedenza;
- isolamento.
Il degrado può essere lento.
All’inizio osserviamo magari un piccolo cambiamento del ROS.
Dopo mesi possiamo ritrovarci con un feeder gravemente deteriorato.
La sigillatura dei connettori esterni è quindi fondamentale.
Non basta il nastro isolante
Per installazioni permanenti è opportuno utilizzare tecniche di weatherproofing adeguate:
- autoagglomerante;
- strati protettivi appropriati;
- protezione meccanica;
- corretta disposizione del cavo;
- drip loop quando necessario.
L’obiettivo è evitare che l’acqua penetri attraverso il connettore e migri all’interno del cavo.
Curve troppo strette
Ogni cavo possiede un raggio minimo di curvatura.
Pieghe aggressive possono deformare:
- conduttore;
- dielettrico;
- schermatura.
Questo può creare discontinuità d’impedenza.
Un coassiale non è una corda.
La sua geometria è parte integrante delle caratteristiche elettriche.
Cavo schiacciato
Fascette serrate eccessivamente possono deformare un coassiale morbido.
Lo stesso accade se:
- lo chiudiamo in una finestra;
- lo calpestiamo;
- lo pieghiamo attorno a uno spigolo;
- lo blocchiamo con morsetti inadatti.
Una linea da 50 Ω rimane tale soltanto se la geometria fra conduttore centrale e schermo rimane entro determinati parametri.
PL-259, N e altri connettori
Alle HF un PL-259 ben installato può funzionare perfettamente.
Salendo in frequenza diventano più interessanti connettori progettati per mantenere meglio l’impedenza e le prestazioni RF.
Sulle UHF e soprattutto sulle microonde, la qualità del connettore e la corretta installazione diventano progressivamente più importanti.
Non avrebbe molto senso acquistare un eccellente cavo low-loss e terminarlo con connettori montati male.
Come scegliere il cavo
Prima di acquistare chiediamoci:
Qual è la frequenza massima?
Un sistema per 80–10 metri ha esigenze diverse rispetto a uno per 23 cm.
Quanto è lunga la tratta?
3 metri e 50 metri non sono la stessa cosa.
Qual è la perdita accettabile?
Possiamo stabilire un budget.
Per esempio:
massimo 1 dB.
Poi scegliamo il cavo di conseguenza.
Il cavo deve muoversi?
Per una Yagi rotativa serve flessibilità.
Per una tratta verticale fissa possiamo privilegiare maggiormente le prestazioni.
È all’esterno?
Occorre valutare:
- UV;
- temperatura;
- acqua;
- resistenza meccanica.
Fare un vero link budget
Un radioamatore dovrebbe abituarsi a pensare in dB.
Supponiamo:
potenza TX = 50 dBm, cioè 100 W;
perdita feeder = 2 dB;
antenna = +6 dBi.
EIRP teorica:
50 − 2 + 6 = 54 dBm.
Se riduciamo la perdita del feeder da 2 dB a 0,5 dB:
50 − 0,5 + 6 = 55,5 dBm.
Abbiamo guadagnato:
1,5 dB
senza cambiare trasmettitore e senza cambiare antenna.
Misurare il proprio cavo
Con un NanoVNA possiamo effettuare diverse verifiche.
Per esempio:
- Return Loss;
- insertion loss;
- lunghezza elettrica;
- eventuali discontinuità;
- comportamento dei connettori.
Non avremo necessariamente la precisione di un laboratorio professionale, ma possiamo comunque individuare molti problemi pratici.
Un test molto semplice
Se abbiamo due cavi di uguale lunghezza:
Cavo A: sottile e generico;
Cavo B: low-loss.
Possiamo confrontarli utilizzando:
- VNA;
- wattmetro;
- beacon;
- SDR remoto.
Alle HF la differenza potrebbe sembrare modesta.
Ripetendo l’esperimento a 430 MHz potrebbe diventare molto più evidente.
Quando conviene spendere di più nel cavo?
Soprattutto quando abbiamo:
- tratte lunghe;
- VHF/UHF;
- satelliti;
- EME;
- ricevitori weak signal;
- antenne ad alto guadagno;
- ripetitori;
- preamplificatori remoti.
In questi casi il feeder è parte integrante delle prestazioni della stazione.
Quando invece non serve esagerare?
Una tratta di:
2 metri
fra un ricetrasmettitore HF e un’antenna da balcone non richiede necessariamente un cavo enorme da torre broadcasting.
In ingegneria bisogna sempre cercare il compromesso appropriato.
Il cavo migliore non è necessariamente quello con la perdita assoluta minore.
È quello adeguato a:
- frequenza;
- lunghezza;
- potenza;
- installazione;
- budget.
Conclusioni
Il cavo coassiale non è soltanto “il filo che va all’antenna”.
È una vera componente RF.
Una scelta sbagliata può annullare parte del vantaggio ottenuto con:
- maggiore potenza;
- antenna migliore;
- preamplificatore;
- ricevitore più sensibile.
La regola pratica è semplice:
più aumentano frequenza e lunghezza, più il feeder diventa importante.
Prima di spendere centinaia di euro per ottenere qualche decibel in più da un’antenna o da un amplificatore, vale quindi la pena chiedersi:
quanti decibel sto già lasciando lungo il cavo?
La risposta potrebbe essere molto più interessante di quanto immaginiamo.