La radio decodifica e genera i segnali, ma perché possa essere utilizzata per fare collegamenti radio serve un ponte che le consenta di accedere all’etere: il sistema di antenna.

I Componenti Fondamentali

L’antenna: è l’interfaccia tra le onde radio nell’aria e la corrente elettrica nel cavo. In trasmissione, converte il segnale elettrico in onde radio, mentre in ricezione raccoglie le onde radio e le restituisce in segnale elettrico.

Dell’antenna prendiamo in considerazione in questo momento due elementi:

• la Risonanza: è l’equivalente elettromagnetico del diapason, che se colpito oscilla ad una specifica frequenza. Ogni antenna ha un o più frequenze (dette appunto di risonanza) in cui l’efficienza di conversione è massima. Allontanandosi da quella frequenza l’efficienza progressivamente diminuisce, così come cambia l’impedenza.

• L’Impedenza (Z): è un valore che indica come un circuito si opponga al passaggio della corrente alternata. E’ come la resistenza per la corrente continua, ma tiene conto degli effetti di condensatori ed induttori, che sono componenti che immagazzinano energia. Un paragone nel mondo reale rende forse le cose più semplici da inquadrare. La resistenza è come un freno, che è sempre costante; un induttore può essere paragonato ad un volano, che richiede tempo per reagire; mentre un condensatore è come una molla. Queste due componenti, rispettivamente definite induttiva e capacitiva, sono definite parte reattiva.
  Alla frequenza di risonanza la componente reattiva è zero, e quindi rimane la sola parte resistiva.
  Le apparecchiature radiantistiche usano normalmente una impedenza standardizzata di 50 ohm (Ω).

La linea di trasmissione collega l’antenna all’apparato. E’ costituita normalmente da un cavo coassiale, che come l’antenna, deve avere una impedenza caratteristica di 50 ohm, che è definito dalle caratteristiche fisiche del cavo. E’ quella che viene definita una linea sbilanciata, in cui il conduttore centrale porta il segnale, mentre la calza metallica esterna fa da ritorno e schermo, ed è collegata a massa. Va comunque ricordato che, come vedremo, si usano anche linee bilanciate, in cui ci sono due conduttori che portano entrambi attivi rispetto alla massa.

Non va poi dimenticata la terra, che in radiofrequenza raramente è semplicemente un picchetto nel terreno: ogni sistema d’antenna dovrebbe essere messo correttamente a terra.

La prima ragione è la sicurezza. Anche se gli apparati trasmittenti moderni sono alimentati a bassa tensione, all’uscita del trasmettitore – o nei punti di risonanza dell’antenna – si possono generare tensioni molto elevate. In alcune tipologie di antenne ad alto fattore di merito (Q), come le loop magnetiche accordate, si raggiungono facilmente alcune migliaia di volt, con correnti sufficienti a causare scosse potenzialmente pericolose.

Ma la messa a terra non serve solo per la sicurezza: contribuisce anche a migliorare l’efficienza complessiva del sistema, a ridurre la captazione di rumore locale, e a scaricare le cariche elettrostatiche che si accumulano per effetto del vento o dell’attività atmosferica. In una stazione radiantistica, poi, è importante distinguere fra due tipi di terra:

• La terra di sicurezza è quella prevista dalle normative elettriche civili: collega a un picchetto (o rete di dispersori) le masse metalliche degli apparati e dell’impianto elettrico domestico. Serve esclusivamente a proteggere le persone da eventuali dispersioni o guasti d’isolamento.

• La terra RF (radiofrequenza), invece, è parte integrante del sistema d’antenna. È progettata per fornire un ritorno a bassa impedenza per le correnti di radiofrequenza, migliorando l’efficienza e riducendo il rumore. Può essere costituita da radiali, trecce di rame, piastre o reti metalliche poste nel terreno o vicino alla base dell’antenna.

Le due terre non devono essere completamente separate, ma collegate in un unico punto (generalmente nel punto d’ingresso della stazione), per evitare differenze di potenziale pericolose e correnti di ritorno indesiderate. Una connessione unica, corta e robusta – idealmente con piattina o treccia di rame – assicura sia la continuità elettrica sia il riferimento comune per tutti gli apparati.

Interazione Dinamica

Ora che abbiamo i componenti, vediamo cosa accade quando non sono perfettamente accordati. È qui che entra in gioco il elemento importante: le Onde Stazionarie.

In una catena allineata, trasmettitore, linea di trasmissione ed antenna avranno tutte impedenza uguale. In queste condizioni tutte l’energia prodotta dal trasmettitore viene trasferita all’antenna, e trasformata da questa, più o meno efficacemente in onde radio.

Se non c’ uniformità di impedenza, una parte dell’energia non viene trasferita, ma sostanzialmente rimane nella linea di trasmissione, e viene dissipata come energia, e sono definite le onde stazionarie.

E’ un valore che spesso è misurabile direttamente dal ricetrasmettitore, o attraverso un semplice strumento esterno, e viene espresso con un rapporto, chiamato rapporto onde stazionarie (ROS) o, all’inglese, SWR (standing wave ratio).

Nella situazione ideale, il rapporto sarà di 1:1, che indica che tutta l’energia è effettivamente trasferita all’antenna. Fino all’1.5:1 siamo nella piena normalità, il 2:1 è tutto sommato accetabile, ma non si dovrebbe mai operare con ROS maggiore di 3:1. L’energia non trasferita viene dissipata in calore, e quindi operare a piena potenza con rapporti troppo alti può danneggiare seriamente l’apparato.

ROS ed efficienza

Si potrebbe essere portati a pensare che un basso ROS sia indice di un buon funzionamento dell’antenna. In realtà non è così: è vero che un rapporto 1:1 testimonia che tutta l’energia viene trasferita al carico, cioè all’antenna, ma non fornisce alcuna informazione sull’efficienza di quest’ultima. Se colleghiamo in trasmettitore ad un carico fittizio, un resistore di potenza usato per la messa a punto delle apparecchiature che dissipa tutta l’energia in calore, avremo SWR 1:1 ma una emissione nulla o insignificante.

Accordatori di antenna

Un rapporto di onde stazionarie non ottimale può essere corretto usando un accordatore di antenna (che andrebbe chiamato, più correttamente, adattatore di impedenza). Questo dispositivo non migliora l’efficienza dell’antenna, ma serve a ridurre o evitare le perdite dovute al disadattamento del carico.
Il ruolo dell’accordatore è spesso frainteso: c’è chi lo ritiene inutile e chi lo considera indispensabile. La realtà, come sempre, sta nel mezzo.
Faccio un esempio pratico.

Abbiamo un’antenna risonante a 14 MHz con impedenza 200 Ω, collegata tramite 22 m di cavo coassiale a 50 Ω a un trasmettitore da 50 Ω. In questa configurazione c’è un evidente disadattamento, che genera un SWR di 4:1 ed una perdita di circa 2 dB.

Il punto ideale di inserimento dell’accordatore è direttamente sotto l’antenna. In questo punto l’accordatore può adattare perfettamente l’impedenza di alimentazione di 50 Ω al carico da 200 Ω. Le perdite nella linea dovute al mismatch scompaiono, perché le riflessioni vengono praticamente eliminate. L’antenna riceve tutta la potenza disponibile dal trasmettitore, ed anche la ricezione migliora, perché il segnale lungo la linea non subisce più perdite per riflessioni.

Inserendo l’accordatore vicino al trasmettitore le cose non sono ottimali, ma ho comunque un beneficio. I 22 m di cavo si comportano infatti come un trasformatore di impedenza, e al connettore del cavo misureremmo un’impedenza effettiva pari a circa 80 -70j Ω (80 Ω resistivi e 70 Ω di reattanza capacitiva). Senza accordatore, dato che il TX ha impedenza 50 Ω, questo disadattamento produce uno SWR di circa 3:1, che causa una perdita addizionale di circa 1,34 dB, che arrotondiamo a 1 dB considerando anche le perdite intrinseche del cavo.
Inserendo l’accordatore, questo secondo disadattamento viene eliminato, recuperando quindi circa 1 dB.

Ovviamente i valori riportati sono numerici indicativi, utili solo a mostrare l’ordine di grandezza del fenomeno. Servono a evidenziare come anche lato trasmettitore gli effetti del disadattamento si facciano sentire, seppur in misura meno marcata rispetto al posizionamento ideale dell’accordatore direttamente sotto l’antenna.

Il cavo

La linea di trasmissione, fatto salvo casi particolari, è costituita da un cavo coassiale con impedenza caratteristica di 50 Ω. Esistono molte tipologie di cavo, identificare da sigle: le più comuni sono quelle definite ai tempi della seconda guerra mondialie dai militari statunitensi (RG- [radio group]),  e che oggi non corrispondono più a specifiche militari ufficiali, ma sono rimaste come convenzione commerciale e tecnica, ma esistono altre nomenclature, come – ad esempio – LMR di Times Microwave.

I cavi coassiali sono caratterizzati da un conduttore centrale, che può essere rigido o costituito da un trefolo, un cilindro isolante chiamato dielettrico, uno schermo costituito da una calza di fili di rame, ed una guaina isolante. Le proporzioni geometriche dei vari elementi determinano l’impedenza del cavo.

Nell’uso amatoriale sono tre generalmente le tipologie di cavo più usate: RG-58/U, RG-8X/U e RG-8/U (il /U finale sta per utility, che identifica la versione ad usi civili). Ogni cavo ha le sue caratteristiche tecniche; di queste a noi ne interessano sinteticamente due: dimensioni fisiche e attenuazione.

L’attenuazione è il primo elemento da prendere in considerazione:

	RG‑8	RG‑8X	RG‑58
3.5	0.9	1.2	1.5
7	1.7	2.4	2.6
14	2.6	3.6	4.0
21	3.4	4.7	5.0
28	3.8	5.2	6.0
50	4.2	6.8	7.0
144	7.5	14.0	14.5
432	14.5	26.0	27.0

In questa tabella ho ricapitolato le attenuazioni tipiche in decibel (dB) per 100m di cavo per le principali bande radioamatoriali. Vale la pena chiarire i due concetti.

L’attenuazione è la perdita del segnale mentre viagga attraverso un mezzo trasmissivo, nel nostro caso: il cavo. E’ causato da resistenze, perdite dieletriche, anomalie della schermatura, deformazioni meccaniche, e anche dal fatto che una parte, sia pur minima, del segnale viene comunque irradiata. Questa perdita viene indicata in decibel, che non è una grandezza, ma una unità logaritmica che esprime rapporto di potenza o di tensione. Misura, quindi, quanta della energia rimane a valle della linea di trasmissione. Il fatto che sia logartimica significa che piccoli numeri di attenuazione implicano grandi differenze in termini assoluto. 3dB di attenuazione equivalgono a metà della potenza persa dalla linea di trasmissione, 6dB ad un quarto.

E’ un valore di cui tenere conto, ma senza preoccuparsi eccessivamente. Lato ricezione la misura si fa in tensione, ed in  questo caso, sono 6 dB a corrispondere al 50%. 3dB persi in trasmissione  equivalgono a mezzo punto S  perso in termini di lettura sul ricevitore.  Di conseguenza, raddoppiare o dimezzare la potenza trasmessa produce una variazione minima nella percezione del segnale ricevuto. Questo significa che, al di là delle attenuazioni fisiologiche dei cavi, la differenza pratica in ascolto non è determinante: ciò che conta davvero è la qualità complessiva del sistema (antenna, posizionamento, rumore di fondo), più che inseguire ogni decibel di perdita.

L’altro aspetto del cavo è costituito dalle dimensioni:. RG-58 ed RG-8X sono più piccoli e flessibili: RG-58 ha un diametro di 4.8 mm, RG-8X di 6.1 mm. Cavi come RG-8 (o anche RG 213) sono decisamente più grandi e rigidi, con un diametro di 10.3 mm. Ovviamente una conseguenza dell’accoppiata dimensioni del cavo e relativa attenuazione è anche la maggiore capacità di potenza.

In genere si utilizzano cavi pià grandi e performanti per i tratti principali da antenna a stazione, e cavi più sottili per le bretelle di interconnessione all’interno della stazione radio. La scelta finale deve tenere in equilibrio le performance elettriche, le dimensioni meccaniche ed il costo dei materiali.

I connettori

Un ruolo importante nelle linee di trasmissione è costituito dai connettori, che non solo semplici elementi di giunzione, ma parte integrante del sistema e possono influenzarne in modo significativo le prestazioni. Gli elementi da considerare sono questi:

• Impedenza corretta: un connettore deve mantenere la stessa impedenza del cavo per evitare disadattamenti e riflessioni.
• Perdite aggiuntive: ogni connettore introduce una piccola attenuazione, ma connettori di bassa qualità o ossidati possono aumentarla sensibilmente.
• Schermatura: un buon connettore garantisce continuità di schermatura, evitando ingressi di rumore o perdite di segnale.
• Affidabilità meccanica: la robustezza del connettore influisce sulla durata della linea, soprattutto in ambienti esterni o con frequenti connessioni/disconnessioni.
• Frequenza operativa: a frequenze elevate (VHF/UHF e oltre), anche minime imperfezioni di geometria o montaggio possono generare perdite e disadattamenti rilevanti.

In ambito radiantistico si utilizzano  principalmente quattro tipologie di connettori RF:

• PL259/SO239 (UHF): sono i più anziani, e mostrano la loro età. Nonostante questo sono i più diffusi, anche per il loro basso costo. A dispetto del nome, hanno una geometria che genera una discontinuità di impedenza, che crea problemi gia in VHF. A questo va aggiunto che spesso la qualità del dielettrico dei modelli più economici è scadente, e genera perdite aggiuntive. Se di buona qualità, vanno bene per le linee in HF
• N: sono connettori che offrono ottima schermatura, basse perdite, buona tenuta meccanica, anche se più ingombranti e costosi rispetto ai PL‑259 o ai BNC. Possono essere usati senza problemi anche oltre i 10GHz.
• BNC: è la tipologia di connettore più diffuso in strumenti di misura, oscilloscopi, applicazioni video ed apparati portatili. E’ un connettore compatto con innesto rapido a baionetta, meno robusto meccanicamente dei PL259 o degli N. Sono utilizzabili sino a circa 4 GHz, con potenze inferiori ai 500W in HF, 150W in VHF/UHF, <50W su frequenze superiori.
• SMA: è un connettore molto piccolo, di ottima precisione e adattamento. Opera fino ad oltre 18 GHz, ma ha come contropartita una notevole delicatezza meccanica e poca capacità di potenza. Esiste anche un connettore analogo (sma-reverse) con la struttura del pin interno invertita, che è nato nel settore Wi-Fi, ma è frequente nelle antenne degli apparati VHF/UHF palmari.

La tipologia di connettore è normalmente dettata dagli apparati o dalle antenne da connettere, ma bisogna tenere presente che il connettore va scelto in base alla tipologia di cavo utilizzato. I PL-259 nascono per l’uso con RG-8 – vanno avvitati sul cavo – ma ci sono degli adattatori per usarli con cavi di sezione più piccola. Per gli altri connettori esistono versioni specifiche per diverse tipologie di cavo.

Attestare i connettori sul cavo non è difficile, richiede giusto un minimo di manualità. In genere si può scegliere fra connettori crimp, che si installano usando una pinza speciale, ed i connettori a saldare. N e BNC sono generalmente connettori a compressione: il pin del polo centrale è mobile, e viene saldato a stagno, mentre la calza fa corpo con il connettore usando un sistema che la comprime contro il corpo metallico. Ai PL-259 storicamente calza e polo centrale vanno entrambi saldati, ma non è difficile trovarne versioni a compressione, che creano meno problemi, visto che la saldatura della calza può essere abbastanza critica per chi non ha esperienza. Gli SMA sono più difficili da gestire, per cui è spesso conveniente usare un adattatore SMA-BNC o SMA-N con un cavetto flessibile, che peraltro evita di trasfierire eventuale stress meccanico dal cavi sul connettore.

Va sempre tenuto presente che un cavo di qualità può perdere gran parte dei suoi vantaggi se accoppiato a connettori scadenti o mal installati. La scelta e il montaggio accurato dei connettori sono quindi essenziali per garantire efficienza, affidabilità e stabilità della linea di trasmissione.

La foto di testa è di John Di Liberto