ROS: un primo, non formale, approccio Per chi comincia il problema delle onde stazionarie (ROS: Rapporto di Onde Stazionarie) è una di quelle cose con cui bisogna subito prendere confidenza. È anche vero che esistono notevoli "leggende metropolitane" su di esso e molte persone che ne parlano qualche volta non hanno capito la cosa fino in fondo e finiscono per confondere poi completamente i neofiti. Questo articolo NON racchiude la pretesa di spiegare perfettamente e formalmente il problema del ROS ma è un inizio di comprensione di quest'ultimo da un punto di vista pratico/sperimentale. Il problema del ROS in ambito radioamatoriale è spesso connesso all'uso di una "linea di trasmissione". Normalmente noi utilizziamo un cavo coassiale tra l'apparato ricetrasmittente e l'antenna. Quali sono i compiti principali che desideriamo da una linea di trasmissione? Vediamoli: Trasmissione del segnale ricevuto dall'antenna al ricevitore Trasmissione del segnale del trasmettitore verso l'antenna Bassa attenuazione del segnale nello svolgere i compiti su indicati Isolamento del segnale trasmesso sulla linea rispetto il mondo esterno Normalmente, per linea di trasmissione, noi intendiamo un cavo coassiale disponibile in varie misure e caratteristiche. Una delle caratteristiche indicate è "l'impedenza del cavo" che per impieghi radio è in genere di 50 ohm mentre in ambito TV è 75 ohm. Questa "impedenza" è una caratteristica importante del cavo, non in maniera assoluta, ma rispetto ai componenti a cui esso deve essere collegato: ricetrasmettitore, antenna, connettori. In altri termini è, come quando colleghiamo un elettrodomestico ad una presa di corrente: controlliamo che la tensione di rete sia la stessa dell'elettrodomestico. Nel caso di quest'ultimo una differenza di tensione impedirebbe all'apparecchio di funzionare o lo danneggerebbe, nel caso di una linea o di un'antenna la differenza di impedenza provocherebbe il fenomeno delle Onde Stazionarie e quindi di un ROS sulla linea. Fenomeno che può diventare ad alti livelli molto pericoloso. Affrontiamo ora il problema del perché un'impedenza diversa provoca delle onde stazionarie. Quando si collega un carico ad un generatore, esempio una lampadina ad una batteria, sul filo che collega generatore ed utilizzatore scorre una corrente e punto per punto sulla linea è possibile misurare una tensione. Normalmente, nel caso di generatore di corrente continua, la batteria, si ottiene una corrente continua ed una tensione continua ai capi del carico. In questo caso, la presenza della linea, si fa sentire unicamente per la sua attenuazione quando per esempio abbiamo carichi elevati o fili troppo sottili. Fenomeni però ben più interessanti si verificano sulla linea all'atto dell'apertura/chiusura dell'interruttore o quando il generatore sia in corrente alternata. In particolare, consideriamo il seguente circuito che si compone di un generatore, di una resistenza serie di 50 ohm, un interruttore, una linea di trasmissione di impedenza di targa pari a 50 ohm ed una carico di 100 ohm:
Cosa succede alla tensione che possiamo misurare all'ingresso della linea dopo aver chiuso l'interruttore? Bene, sicuramente dopo pochi istanti, la tensione di ingresso alla linea sarà stabilita dalla legge di Ohm e dal partitore che si forma tra la resistenza in serie con il generatore e la resistenza di carico, quindi se, ad esempio, il generatore è di 9 volt tale tensione sarà (9 x 100)/(100+50), cioè pari a 6 Volt. In questo calcolo la "resistenza" del cavo coassiale è trascurabile e quindi viene ignorata. La linea quindi presenta una resistenza trascurabile al segnale. Analizziamo però il transitorio che si verifica all'atto della chiusura dell'interruttore più in dettaglio facendoci aiutare da un piccolo grafico in cui disegniamo la tensione in ingresso alla linea rispetto al tempo rilevata con uno strumento che, per adesso, rimane immaginario. All'atto della chiusura dell'interruttore la tensione che si stabilisce ai capi della linea è 4,5 Volt. Solo dopo un po' di tempo diventa 6 Volt così come abbiamo visto precedentemente. Come è spiegabile questo comportamento? Possiamo giustificare questo comportamento solo se ipotizziamo che la nostra linea "esibisca" un comportamento diverso tra il caso in cui è sollecitata da una tensione continua ed il momento del transitorio. Durante il transitorio, tra l'istante t0 e l'istante t1 del grafico essa "presenta" evidentemente una "resistenza" di 50 ohm che fa si che ai suoi capi si stabilisca la tensione di 4,5 Volt così come sarebbe successo se in quel punto vi fosse proprio una resistenza di 50 ohm. Questo valore è proprio "l'impedenza" di targa della linea ed il valore che essa presenta ad un generatore di segnali ad alta frequenza. Quanto alta? Bene, per iniziare, senza essere troppo rigorosi, una cavo diventa una linea di trasmissione, o meglio deve essere considerato una linea di trasmissione, quando la lunghezza d'onda del segnale che vi transita è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza della linea. Un segnale sui 20 metri (14 MHz) che viaggia su un tratto di linea di 1 cm non dà luogo, in prima approssimazione a fenomeni di "linea di trasmissione". Se esso viaggia su una tratta di 25 metri, quest'ultima va considerata come linea di trasmissione.
Ora che si è compreso che la linea, ad alta frequenza, ha una propria impedenza, cerchiamo di capire perché poi la tensione risale a 6 Volt. Ebbene, durante il tempo da t0 a t1 il segnale sulla linea viaggia verso il generatore come un'onda di tensione di 4,5 Volt, la tensione che si era stabilita ai capi della linea vista la sua impedenza di 50 ohm. Dopo un certo tempo, per chi ha già capito tutto pari alla metà di (t1-t0), quest'onda incontra il carico di 100 ohm. Qui succede una cosa molta bella e particolare: poiché l'onda progressiva è pari a 4,5 Volt ed invece il valore del carico PRETENDE la presenza di 6 Volt, la natura mette le cose a posto. Viene generata infatti un'onda REGRESSIVA pari alla differenza in Volt che si sarebbe dovuto avere. Un'onda REGRESSIVA di 1,5 Volt parte quindi dal carico viaggiando verso il generatore e sommandosi alla tensione già presente sulla linea alza, durante il suo cammino a ritroso punto per punto, il valore della tensione sulla linea al valore finale di regime di 6 Volt. Questo fenomeno ha evidenziato la presenza sulla linea di un'onda PROGRESSIVA ed un'onda REGRESSIVA che appaiono durante il transitorio sulla linea. I fenomeni transitori appaiono sulla linea quando le sollecitazioni cambiano. È pensabile quindi che se stimoliamo una linea con un segnale variabile a frequenza significativa per la linea, nel senso inteso sopra, questi fenomeni siano presenti in permanenza. Ebbene la somma dell'onda progressiva e dell'onda progressiva sulla linea produce un segnale "stazionario" sulla linea che noi chiamiamo "Onda Stazionaria". Una ancora migliore comprensione del fenomeno può scaturire dall'analisi della tensione sulla linea "a tempo fisso". In altri termini, possiamo esaminare la tensione sulla linea con un voltmetro ideale in istanti di tempo prefissati a partire dall'istante t0 di chiusura dell'interruttore a finire a quello t1 in cui il transitorio si annulla. Per fare ciò, oltre al voltmetro ideale abbiamo bisogno di "congelare" il tempo nei vari istanti di studio per poter spostare la sonda dello strumento lungo la linea per prelevarne il valore di tensione. In particolare, si presentano qui dei grafici a vari istanti di tempo compresi tra t0 e t1. t0 < t << (t1-t0)/2 + t0
t0 < t < (t1-t0)/2 + t0 t = (t1-t0)/2 + t0 impatto con il carico
Tempo t > (t1-t0)/2 + t0 Tempo t >> (t1-t0)/2 + t0
t = 2 x (t1-t0) + t0 = t1 Non ci si confonda con i grafici visti prima: questi sono grafici in funzione dello spazio (la tensione misurata lungo la linea) a tempo costante. I primi erano la tensione "all'ingresso" della linea nel tempo. Cosa sarebbe successo se il carico fosse stato di 25 ohm? Bene, all'atto dell'impatto sul carico la tensione sarebbe dovuta essere di (9x25)/(25+50)= 3 volt contro i 4,5 dell'onda progressiva. Anche in questo caso la natura rimette le cose a posto: nasce un'onda regressiva opposta in fase alla precedente (-1,5 volt per capirci) che via via ritorna verso il generatore abbassando strada facendo il valore di tensione sulla linea. Si comprende, dagli esempi visti prima, che se la resistenza di carico fosse stata di 50 ohm all'onda progressiva NON sarebbe seguita un'onda regressiva e quindi non si sarebbe avuto un'onda riflessa. Si conclude quindi che per NON avere fenomeni indesiderati su linee ad alta frequenza le impedenze in gioco devono essere uguali: generatore, linea, carico. Per i più esperti: l'onda riflessa nasce quindi per un disadattamento di impedenza anche se questa impedenza è reale e non immaginaria. Questo articolo finisce qui per continuare successivamente analizzando più in dettaglio il ROS. Cordiali 73, Angelo IK8VRQ