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Quando colleghiamo un ricetrasmettitore a un’antenna tramite un cavo coassiale, siamo portati a immaginare un sistema molto semplice: la radio genera RF, il cavo la trasporta fino all’antenna e l’antenna la irradia.
In teoria è esattamente ciò che dovrebbe accadere.
Nella pratica, però, una parte della corrente RF può iniziare a scorrere sulla superficie esterna della calza del cavo coassiale.
Quando questo succede, il cavo non è più soltanto una linea di trasmissione.
Diventa, almeno in parte, un elemento radiante dell’antenna.
Siamo in presenza delle cosiddette correnti di modo comune.
Il fenomeno è estremamente importante perché può causare problemi apparentemente molto diversi fra loro:
- RF nello shack;
- disturbi al computer;
- blocchi o malfunzionamenti delle periferiche USB;
- modulazione disturbata;
- variazioni del ROS quando tocchiamo il cavo;
- diagramma di radiazione dell’antenna imprevedibile;
- aumento del rumore ricevuto;
- interferenze con apparecchiature domestiche;
- bruciature RF toccando parti metalliche;
- comportamento dell’antenna diverso da quello previsto.
Capire cosa siano le correnti di modo comune permette quindi di diagnosticare numerosi problemi che spesso vengono attribuiti erroneamente alla radio, all’accordatore o addirittura all’antenna stessa.
Come funziona realmente un cavo coassiale
Un cavo coassiale è formato essenzialmente da:
- conduttore centrale;
- materiale dielettrico;
- conduttore esterno o calza;
- guaina protettiva.
Nel funzionamento ideale la corrente RF percorre il conduttore centrale verso il carico e ritorna sulla superficie interna della calza.
Questo punto è fondamentale.
Alle radiofrequenze, infatti, per effetto pelle e per le caratteristiche elettromagnetiche della struttura coassiale, possiamo considerare la superficie interna ed esterna della calza come due percorsi RF distinti.
La corrente utile alla trasmissione viaggia:
centrale → antenna
e ritorna:
superficie interna della calza → trasmettitore.
Il campo elettromagnetico associato rimane prevalentemente confinato all’interno della struttura coassiale.
Questa modalità prende comunemente il nome di modo differenziale.
Il problema nasce quando compare un’ulteriore corrente sulla superficie esterna della calza.
Quella corrente non viene più confinata all’interno del cavo.
Può quindi irradiare.
Ed ecco che il nostro coassiale inizia a comportarsi come un filo d’antenna.
Da dove arriva la corrente di modo comune?
Una delle situazioni più classiche è il collegamento di una linea coassiale sbilanciata a un’antenna bilanciata.
Pensiamo al classico dipolo.
Un dipolo perfettamente simmetrico presenta due bracci che dovrebbero essere attraversati da correnti uguali e opposte.
Il coassiale, invece, è una linea sbilanciata:
- il conduttore centrale è completamente interno;
- la calza possiede una superficie collegata elettricamente all’esterno.
Se il sistema non riesce a mantenere la necessaria simmetria, parte della corrente destinata a uno dei bracci dell’antenna può trovare come percorso alternativo proprio la superficie esterna della calza.
In quel momento abbiamo, semplificando:
- corrente nel primo braccio;
- corrente nel secondo braccio;
- corrente indesiderata lungo il coassiale.
Il feedline entra così a far parte del sistema radiante.
Le correnti di modo comune possono però nascere anche in altre situazioni:
- antenna geometricamente asimmetrica;
- dipolo installato vicino a strutture metalliche;
- antenna end-fed;
- OCF dipole;
- verticali con sistema di radiali insufficiente;
- errato posizionamento del cavo;
- elementi metallici vicini all’antenna;
- masse RF non controllate;
- impedenza di modo comune insufficiente.
La presenza di un ROS basso, da sola, non garantisce affatto l’assenza di correnti di modo comune.
Un’antenna può mostrare tranquillamente un ROS prossimo a 1:1 e contemporaneamente utilizzare parte della linea di alimentazione come elemento radiante.
Un coassiale può trasportare più correnti contemporaneamente
Questo concetto può sembrare inizialmente strano.
Sulla calza possono esistere contemporaneamente:
- la corrente RF desiderata sulla superficie interna;
- la corrente RF indesiderata sulla superficie esterna.
La prima fa parte del normale funzionamento della linea di trasmissione.
La seconda è quella che vogliamo generalmente ridurre.
Un choke di modo comune opportunamente realizzato deve quindi presentare un’elevata impedenza alla corrente che tenta di scorrere esternamente, lasciando sostanzialmente indisturbata la corrente differenziale che scorre all’interno del coassiale.
È proprio questo il principio alla base del current balun o common-mode choke.
ARRL sottolinea come il choke venga normalmente utilizzato proprio per impedire alla corrente di modo comune di percorrere la feedline e come, per molte antenne complete come dipoli e ground-plane correttamente realizzate, questo sia più importante della cosiddetta “terra RF”.
Che problemi provocano le correnti di modo comune?
RF nello shack
Probabilmente il sintomo più conosciuto.
Durante la trasmissione possono comparire tensioni RF sulle masse degli apparati, sui cavi USB, sul microfono o sulle strutture metalliche presenti nella stazione.
Con potenze elevate è perfino possibile avvertire una sensazione pungente o una piccola bruciatura toccando determinate parti metalliche.
Questo è un evidente campanello d’allarme.
Computer e USB che impazziscono
Oggi quasi tutte le stazioni radioamatoriali contengono computer, interfacce CAT, schede audio, convertitori USB/seriale e numerose altre periferiche digitali.
La RF che rientra nello shack può provocare:
- disconnessioni USB;
- blocchi del CAT;
- mouse o tastiere che smettono di funzionare;
- reset delle interfacce;
- disturbi audio;
- blocco dei software digitali.
Il problema viene spesso attribuito ai driver o al computer quando, in realtà, la vera causa si trova decine di metri più in alto, nel sistema d’antenna.
Diagramma di radiazione alterato
Se il coassiale irradia, esso diventa parte dell’antenna.
Il diagramma teorico previsto per il nostro dipolo, verticale o altra antenna può quindi modificarsi.
L’antenna potrebbe sviluppare:
- lobi indesiderati;
- nulli in direzioni inattese;
- polarizzazione non prevista;
- maggiore radiazione verso l’abitazione.
Questo è uno dei motivi per cui due antenne nominalmente identiche possono comportarsi in maniera molto diversa in due installazioni differenti.
Le correnti di modo comune possono peggiorare anche la ricezione
Un aspetto meno evidente riguarda la ricezione.
Se la superficie esterna della calza diventa parte del sistema d’antenna, il coassiale può captare RF lungo tutto il suo percorso.
Immaginiamo che il cavo:
- scenda lungo il tetto;
- passi vicino all’impianto fotovoltaico;
- attraversi una zona vicina a router e switch;
- corra accanto all’impianto elettrico;
- entri nello shack accanto al computer.
Se la calza esterna partecipa alla ricezione, tutti questi disturbi possono essere raccolti e portati verso il ricevitore.
Un corretto choke può quindi, in alcuni impianti, contribuire non soltanto a ridurre la RF trasmessa verso lo shack ma anche a diminuire il rumore ricevuto.
Non bisogna però considerarlo una soluzione miracolosa: se il rumore arriva direttamente all’antenna tramite propagazione radiata, il choke non potrà eliminarlo.
Come possiamo accorgerci che esiste il problema?
Esistono alcuni indizi pratici.
Il ROS cambia spostando il cavo
Se modificando la posizione della feedline cambia significativamente il ROS, è possibile che il cavo stia partecipando al sistema radiante.
Il ROS cambia quando tocchiamo apparati o cavi
Anche questo può indicare che il nostro corpo sta modificando il percorso RF del sistema.
Problemi diversi a seconda della banda
Le correnti di modo comune dipendono dalla frequenza.
Una stazione potrebbe funzionare perfettamente sui 40 metri e avere seri problemi sui 20 metri.
Questo non è affatto insolito.
Problemi solo con determinate potenze
A 5 W tutto funziona.
A 50 W il CAT si disconnette.
A 100 W il computer perde la scheda audio.
Questo è un tipico scenario nel quale vale la pena investigare la presenza di RF indesiderata.
Come si misurano?
Il metodo migliore consiste nel misurare direttamente la corrente RF sulla parte esterna del cavo.
È possibile costruire un semplice misuratore di corrente RF a pinza utilizzando un nucleo di ferrite apribile e un piccolo circuito rivelatore.
Il principio consiste nel far passare il coassiale attraverso il nucleo senza scollegarlo.
Le correnti desiderate che percorrono centrale e superficie interna della calza producono campi che, idealmente, si compensano.
La corrente che percorre esternamente la calza viene invece rilevata.
ARRL descrive proprio questo metodo e suggerisce di spostare il sensore lungo il cavo durante la misura perché lungo la feedline possono comparire massimi e minimi della corrente di modo comune.
La soluzione: il common-mode choke
La soluzione più utilizzata consiste nell’introdurre una forte impedenza nel percorso percorso dalla corrente di modo comune.
Questa funzione viene svolta dal common-mode choke, spesso chiamato anche:
- choke balun;
- current balun;
- 1:1 current balun;
- RF choke.
L’obiettivo non è modificare l’impedenza caratteristica del cavo.
Un choke 1:1 non trasforma, ad esempio, 50 Ω in 200 Ω.
Lo scopo è invece quello di creare un’elevata impedenza esclusivamente per la corrente che tenta di scorrere sulla superficie esterna del coassiale.
Il classico coassiale arrotolato
Una delle soluzioni tradizionali consiste nel realizzare alcune spire con lo stesso cavo coassiale.
È il cosiddetto:
air-core coax choke.
Può funzionare, ma non è una soluzione universalmente valida.
Il numero di spire e il diametro determinano una particolare risposta in frequenza.
Inoltre il sistema presenta capacità parassite e risonanze.
Non è quindi corretto pensare che “più spire metto, meglio funziona su tutte le bande”.
ARRL evidenzia proprio come un choke realizzato semplicemente arrotolando il coassiale possa mostrare un comportamento risonante e non garantire necessariamente un’elevata impedenza su tutto lo spettro HF.
Choke in ferrite
Una soluzione generalmente più controllabile consiste nel far attraversare il coassiale da uno o più nuclei in ferrite.
Possiamo utilizzare:
- toroidi;
- manicotti;
- ferriti apribili;
- nuclei multipli.
La scelta del materiale è fondamentale.
Le ferriti non sono tutte uguali.
Ogni miscela possiede caratteristiche differenti in funzione della frequenza.
Per HF vengono comunemente utilizzati materiali studiati per fornire una buona impedenza di modo comune sulle bande interessate.
L’obiettivo ideale non è semplicemente ottenere tanta induttanza, ma sviluppare un’elevata impedenza di modo comune, preferibilmente con una significativa componente resistiva sulla gamma di frequenze desiderata.
Dove installare il choke?
Come regola generale, il punto più logico è il feed point dell’antenna, perché vogliamo impedire alla corrente indesiderata di iniziare a percorrere il cavo.
Per esempio:
RTX → coassiale → choke → antenna
In alcune installazioni può essere utile aggiungere ulteriori choke:
- all’ingresso dell’edificio;
- vicino allo shack;
- in punti specifici della linea;
- vicino ad amplificatori o commutatori.
Tuttavia installare un choke soltanto vicino alla radio non equivale necessariamente a risolvere la causa.
Se dieci o venti metri di coassiale hanno già partecipato alla radiazione, quella parte della linea continuerà ad averlo fatto.
La posizione del choke va quindi studiata in funzione dell’antenna e dell’installazione.
Balun di tensione e balun di corrente
È importante distinguere due concetti.
Un voltage balun cerca principalmente di produrre tensioni simmetriche.
Un current balun cerca invece di imporre correnti uguali e opposte sui due rami del carico.
Quando lo scopo è contrastare le correnti di modo comune sulla feedline, generalmente è il secondo principio quello che interessa maggiormente.
Per questo nei sistemi radioamatoriali moderni viene spesso privilegiato il current balun.
Non esiste il choke universale
Un errore frequente consiste nell’acquistare o costruire un choke senza sapere su quali frequenze debba funzionare.
Un choke eccellente sui 160 e 80 metri potrebbe non avere la stessa efficacia sui 10 metri.
Viceversa, un sistema ottimizzato per 28 MHz potrebbe risultare poco efficace sui 3,5 MHz.
Per una stazione multibanda è quindi necessario valutare attentamente:
- materiale della ferrite;
- numero di spire;
- diametro;
- capacità parassite;
- potenza RF;
- ROS presente sulla linea;
- frequenze utilizzate.
Attenzione alla potenza
La ferrite non è un componente ideale.
Una parte dell’energia associata alle correnti indesiderate viene dissipata sotto forma di calore.
Se nel sistema esistono correnti di modo comune importanti e utilizziamo potenze elevate, il nucleo può riscaldarsi.
In condizioni estreme potrebbe verificarsi:
- aumento delle perdite;
- riscaldamento del coassiale;
- degrado del materiale;
- danneggiamento del choke.
Un buon choke deve quindi essere progettato non soltanto in funzione della frequenza ma anche della potenza utilizzata e delle condizioni di disadattamento.
Un choke non sostituisce un buon sistema d’antenna
Inserire ferriti ovunque non deve diventare il metodo con cui mascheriamo errori progettuali.
Se una verticale necessita di radiali, bisogna installare un sistema di radiali adeguato.
Se un dipolo è fortemente asimmetrico a causa dell’installazione, vale la pena cercare di correggere il problema.
Se un’antenna end-fed utilizza intenzionalmente una parte della linea come contrappeso, bisogna conoscere e controllare questo comportamento.
Il choke è uno strumento fondamentale, ma deve far parte di un progetto RF consapevole.
Una semplice prova da fare nella propria stazione
Se sospettiamo un problema di modo comune possiamo effettuare alcune verifiche.
- Annotiamo il ROS sulle varie bande.
- Controlliamo se cambia modificando la posizione del coassiale.
- Trasmettiamo inizialmente a bassa potenza.
- Verifichiamo eventuali problemi a computer e periferiche.
- Installiamo temporaneamente un choke adeguato al feed point.
- Ripetiamo le prove.
- Controlliamo rumore ricevuto, comportamento RF e stabilità del sistema.
Se il comportamento cambia sensibilmente, abbiamo ottenuto una preziosa indicazione sulla natura del problema.
Conclusioni
Il cavo coassiale dovrebbe avere un compito apparentemente semplice: trasportare energia RF dal trasmettitore all’antenna e il segnale ricevuto dall’antenna al ricevitore.
Ma questo accade correttamente solo quando il sistema mantiene sotto controllo le correnti indesiderate.
Quando sulla superficie esterna della calza compare una corrente significativa, il coassiale smette di essere soltanto una linea di trasmissione e diventa parte dell’antenna.
Da quel momento possono comparire RF nello shack, disturbi elettronici, diagrammi di radiazione alterati e aumento del rumore ricevuto.
Il common-mode choke è quindi uno dei dispositivi apparentemente più semplici ma contemporaneamente più importanti di una stazione radioamatoriale ben progettata.
Prima di inseguire il ROS perfetto o acquistare un nuovo ricetrasmettitore, può valere la pena verificare una cosa molto più semplice:
il nostro coassiale sta soltanto trasportando RF oppure sta anche trasmettendo?