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Elettromagnetismo ed idraulica

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IZ2UUF (davj2500):
Ciao a tutti.

Sbirciando nel recente thread sull'antenna CB ho notato il consueto "accaloramento" sulle solite questioni che riguardano choke, balun, antenne silenziose o rumorose e via dicendo.
E' un po' di tempo che mi sto chiedendo come mai questo argomento sia così ostico.
Nelle costruzioni di circuiti elettroniche sicuramente ci saranno tanti che scrivono cavolate, ma i numerosi radioamatori autocostruttori esperti parlano a ragion veduta, hanno compreso quello che stanno facendo. Nessuno di loro si sognerebbe di chiamare BJT, MOSFET, LM355 e 7805 tutti "transistor" solo perché sono dei cosi neri con tre gambette: ogni componente ha il suo nome, la sua funzione e il suo modo per essere impiegato.
Invece, non appena l'aspetto elettromagnetico del circuito prende il sopravvento, cala il buio più nero.
Ed ecco esperti che inanellano boiate tremende, comprese pubblicazioni di tutto rispetto, componenti diversi chiamati tutti con lo stesso nome o, al contrario, numerosi distinguo "attenzione a non confondere" elementi che sono la stessa cosa chiamata con nomi diversi.
Il ragionamenti vagheggiano tentennando e "facendo cose" quasi sempre sbagliate, come quando il correttore in inglese si ostina ad intervenire in un testo scritto in italiano.
E' anomalo che così tante persone intelligenti, preparate e con voglia di studiare, siano messe in tale difficoltà da questi argomenti.
Penso che la radice di tutto ciò sia nel modo in cui si impara l'elettrotecnica.

Quando ero bambino mi regalarono un kit educativo sull'elettronica con componenti magnetici che si chiamava "Lectron".



Aveva un manuale molto bello che spiegava l'elettronica con un parallelo idraulico. Gli "elettroni" erano dei pallini rossi con le gambe che uscivano da una pompa che rappresentava il polo positivo della batteria e correvano nei percorsi costituiti dai fili. Passavano quindi nei vari componenti per finire nello "scarico" che era il "-". Non importava che gli elettroni in realtà avessero carica negativa: erano solo elementi virtuali che si muovevano secondo il verso convenzionale della corrente.
Il parallelo era molto potente. Molta pressione e poca portata, cioè pochi "elettroni" ma molto forzuti rappresentavano un circuito ad "alta impedenza". Poca pressione e molta portata, cioè "elettroni" più deboli ma in maggiore quantità potevano fare lo stesso lavoro a "bassa impedenza". I resistori erano tunnel dove gli elettroni entravano a fatica ed uscivano stanchi. I condensatori erano vasche ad accumulo dove potevano anche entrare disordinatamente e a gruppetti, mentre di sotto uscivano tutti in una bella fila regolare.
Questo modello, qui rappresentato per bambini, è in realtà quello che viene usato in elettrotecnica ed è quello che tutti abbiamo in mente quando pensiamo ai circuiti elettrici.
Per capire come funzionano, partiamo dalla sorgente di energia e seguiamo il percorso dei fili e dei componenti in cui entra ed esce la corrente. Tutti ci immaginiamo la "massa" come un grande scarico in cui sparisce tutto, come fosse un tombino. Proprio qualche giorno fa leggevo su Facebook un radioamatore che diceva che teneva un amperometro RF sul filo collegato a terra per assicurarsi che l'RF "si scaricasse a massa".



Guardando questo circuito, dove c'è un generatore alternato collegato ad un coassiale terminato dal un resistore, il ragionamento che facciamo è il seguente: durante la semionda positiva, la corrente esce dal generatore (I1), percorre il centrale, arriva al resistore (I2) quindi fa inversione di marcia e torna al generatore (I3). Quando la semionda si inverte, fa il giro al contrario.

Il problema è che... non funziona affatto così.
Ho inviato un singolo impulso sinusoidale e con l'oscilloscopio ho tenuto fissa come riferimento la misura della tensione V1; quindi ho misurato la corrente I1, I2 e I3. Le frecce nello schema sopra indicano il verso di misura.



Quello che osserviamo è che non appena il generatore sviluppa una differenza di potenziale tra centrale e calza, compare immediatamente sia la corrente I1 che la corrente I3, che è uguale contraria.
La corrente non è affatto passata per il carico al quale ci arriva più tardi. Anzi, si direbbe che non sia nemmeno la stessa corrente, dato che quella che è partita è immediatamente rientrata pari pari nel generatore.

Quindi com'è possibile tutto ciò? Com'è possibile che la corrente che esce dal generatore rientri tutta subito però ci sia dell'altra corrente apparsa dal nulla che arriva al carico?

Quello che succede è questo.
Il generatore presenta una differenza di potenziale che varia di continuo tra i suoi capi e rimane a disposizione di qualunque componente che sia in grado in qualche modo di "chiudere il circuito" affinché sia prodotta corrente e di conseguenza potenza.
Il cavo coassiale ha un conduttore collegato a ciascuno dei due poli. Non appena compare una differenza di potenziale variable tra i due poli, si forma un campo elettrico variabile nella prima sezione infinitesimale del cavo. La forma particolare coassiale del cavo fa sì che il campo elettrico si formi all'interno dell'isolante; per l'effetto di prossimità le cariche di calza e centrale sono attratte tra loro e quindi si concentrano sul punto più vicino, cioè sulla superficie del centrale e la superficie interna della calza.
Per la legge di Faraday, il campo elettrico variabile induce un campo magnetico variabile e il campo magnetico induce corrente sui conduttori.
La corrente così indotta è quella che il generatore vede uscire e rientrare.
Il campo magnetico variabile ha però l'effetto di indurre una differenza di potenziale variabile sul segmento infinitesimale successivo di linea coassiale e il procedimento continua.
Questa "accoppiata" tensione/corrente continua così il suo percorso lungo tutto il cavo.
Ogni sezione del cavo si comporta da "generatore", presentando una differenza di potenziale, mentre la sezione successiva si presenta come "carico" presentando un'apparente "resistenza". Data una tensione "V", la linea sviluppa con questo sistema una corrente "I" tale per cui R=V/I=50Ω, valore detto "impedenza caratteristica" della linea.
Ad un certo punto il coassiale finisce e si trova il resistore terminale da 50Ω; il coassiale, in veste di generatore, presenta la tensione "V"; il resistore risponde sviluppando una corrente "I" ed il ciclo è terminato.
Quella che viaggia sui fili e nello spazio circostante non è la corrente, bensì l'energia che ha prodotto il generatore e che alla fine viene dissipata dalla resistenza.

Ora, anche la scatola della radio è di metallo ed è collegata ad un polo del generatore, diciamo il "polo verde"; essa vorrebbe tanto partecipare al banchetto dell'energia fornita dal generalore, ma per farlo deve trovare un modo per creare una corrente in uscita dal "polo verde" e una uguale e contraria in entrata sul "polo giallo".
Per quanto riguarda il polo verde, non ci sono problemi in quanto è fisicamente collegata. Però l'unico collegamento con il polo giallo è il centrale del coassiale, per cui la scatola della radio deve instaurare un "rapporto elettromagnetico" con esso al fine di ricreare lo stesso fenomeno di prima.
Il problema è che... non può. Il centrale è interessato da un campo da lui prodotto, ma per via della forma coassiale del coassiale, questo viene azzerato dall'analogo campo che si forma dentro la calza. Il campo del centrale, in qualunque direzione si muova, viene sempre intercettato dal campo della calza che lo avvolge, per cui non si può "accoppiare" con nient'altro.
Per cui tutti gli altri pezzi che sono collegati al "polo verde", non potendo accedere anche al "polo giallo", rimangono inerti.
Se voi staccate il PL e lasciate dentro il solo centrale, non c'è più la differenza di potenziale tra calza e centrale, ma solo tra centrale e carcassa della radio. Ecco che il campo del centrale non è contrastato da quello della calza e il circuito si "chiude" tra centrale e carcassa.

In queste condizioni il campo non si sviluppa più in maniera così uniforme come dentro una linea di trasmissione ma in maniera molto più difficile da calcolare. Quello che è certo è che il campo elettromagnetico continuerà a creare differenze di potenziale tra i vari componenti e correnti sui vari conduttori incaricati di alimentare il polo verde e quelli che alimentano il polo giallo. Alla fine, nei punti di contatto del generatore, vi saranno sempre due correnti uguali e contrarie la cui entità dipenderà dall'impedenza che tutto questo sistema avrà assunto.

Questi campi disordinati non più cancellati hanno anche un secondo effetto, che è quello di produrre un secondo campo molto più ordinato chiamato "far field", che è quello che si propaga e consente la trasmissione.

La cosa interessante è che se noi togliamo il generatore e mettiamo un carico di pari impedenza (es. un ricevitore), possiamo immergere questa struttura in un far field prodotto da altri ed avremo un'esatta replica delle correnti e tensioni che avevamo in trasmissione, che alla fine si concretizzano in differenze di potenziale e relative correnti sul ricevitore.
In altre parole, qualunque punto del sistema contribuisca a trasmettere, contribuirà parimenti a ricevere (reciprocità).

Ma torniamo al coassiale correttamente collegato e vediamo cosa succede se al posto del resistore da 50Ω mettiamo un'antenna.
Sappiamo che il nostro impulso è partito dal generatore e sta risalendo il coassiale. Per quanto ci riguarda, una volta che il nostro singolo impulso è completamente entrato nel coassiale, potremmo anche spegnere e scollegare del tutto il trasmettitore che non cambierebbe niente.
L'impulso ad un certo punto raggiunge la fine del coassiale e presenta una differenza di potenziale a quello che trova lì. L'antenna se vuole trasmettere deve necessariamente chiudere il circuito con un campo elettromagnetico, cioè esattamente come aveva fatto il coassiale all'inizio. Solo che il campo non deve essere cancellato ma lasciato libero di svilupparsi su una superficie abbastanza ampia da creare un buon far-field con il quale radiare la potenza.
Chiamiamo convenzionalmente il punto dove finisce il coassiale polo "X" per il centrale e "Y" per la calza.
L'antenna non ha poteri speciali: se vuole potenza, alla differenza di potenziale deve rispondere con una corrente uguale e contraria sui due poli che la alimentano. Non può pensare di fare la furba e prendere corrente da un polo solo, così come non poteva farlo la carcassa in precedenza.
Per questo l'antenna, se vuole radiare potenza (o se vuole ricevere) deve essere necessariamente in grado di produrre corrente tanto sul polo "X" quanto sul polo "Y" cioè nel punto in cui il coassiale termina. Infatti è in quel punto che il coassiale presenta la differenza di potenziale per il segmento successivo che però non c'è perché il coassiale è finito e al suo posto c'è l'antenna.

Se noi come antenna colleghiamo un conduttore (es. uno stilo) al centrale, cosa succede?
Beh, questo elemento, collegato al polo "X", cerca subito di instaurare "un dialogo" tramite campi elettromagnetici con qualche conduttore che sia collegato al polo "Y" in modo da fornire la corrente necessaria su entrambi i poli. E lo trova subito: infatti la calza del coassiale è collegata al polo "Y" anche nel punto un cui termina il coassiale e la sua superficie esterna è esposta a correnti indotte.
Ecco che abbiamo la nostra antenna: il campo elettromagnetico si sviluppa tra lo stilo e la calza. Tra lo stilo e la calza vi saranno differenze di potenziale variabili in base al punto e vi scorreranno localmente correnti secondo le regole complicate dei campi elettromagnetici.
Analogamente, i campi elettromagnetici intercettati nell'intorno di questi elementi andranno formare differenza di potenziale e corrente ai poli "X" e "Y" (il PL in cima al palo) che poi il coassiale, diligentemente, trasporterà con il solito sistema campo elettrico/campo magnetico fino ai poli "giallo" e "verde" del ricevitore (il PL dietro alla radio).

Possiamo anche ragionare qualche secondo sulle conseguenze di tutto ciò, specialmente sul coinvolgimento del coassiale. Che la calza sia una parte "radiante" non ci sarebbe niente di male se non fosse che arriva in casa fino alla radio. Noi usiamo il coassiale proprio perché vogliamo mettere l'elemento che genera e riceve il far-field in un punto aperto e lontano, se no attaccheremmo l'antenna dietro la radio. Il coassiale usato in questo modo in trasmissione genera la sua quota di campo elettromagnetico in casa creando disturbi. Ed in ricezione, rischia di catturare tutti i rumori prodotti da alimentatori switching ed altre sorgenti che gli sono vicine.
Ed è inutile mettere coassiali con triple schermature d'oro massiccio: questi disturbi non penetrano nel coassiale ma semplicemente contribuiscono a creare il campo elettromagnetico che si concretizza nella differenza di potenziale e corrente che si sviluppa ai poli "X" e "Y", cioè lassù in cima il palo dove il coassiale finisce e comincia l'antenna.

Si può "escludere" il cavo coassiale da questo comportamento? Sì, ma non è una cosa banale.
Una delle soluzioni è un balun, che è un componente il cui unico scopo in questo contesto è quello di tagliare fuori la calza dal circuito RF.
Il choke, ad esempio è un balun molto comune e spesso efficace. I tanti che dicono "attenzione a non confondere il choke con il balun" lasciando intendere quindi che abbiano ruoli diversi, sono squalificati: il choke è un tipo di balun.
Anche quelli che dicono "ho la canna da pesca con il balun 4:1" sono squalificati: non è un balun, è un trasformatore di impedenza. Non serve a tagliare fuori la calza dal circuito, serve a far sì che 2W invece di essere trasferiti usando 10V e 200mA, siano trasferiti con 20V e 100mA - come il trasformatore da 220V a 12V che avete nell'alimentatore. Non c'entra un cavolo col balun.

Il choke, che è il coassiale stesso avvolto in una bobina, taglia fuori il coassiale perché la bobina costituisce un'impedenza per la corrente. Quella che scorre dentro al coassiale non è coinvolta perché non genera campo (corrente differenziale). Quella che invece tenta di scorrere verso il polo "Y" per completare il circuto è da sola, perché l'altra per il polo "X" arriva dallo stilo. Quando si trova una bobina in mezzo, non riesce più a passare ed ecco che quello diventa un "ramo morto", perché in fondo gli abbiamo messo un "tappo".
Ovviamente se il nostro choke avesse efficacia al 100%, rimarrebbe lo stilo da solo e non riuscirebbe più a trovare un partner che gli fornisca la corrente al polo "Y", non potrebbe quindi usufruire del potenza che arriva alla fine del coassiale né a fornirne: non potrebbe né trasmettere né ricevere.
Per questo insieme ad un choke è necessario fornire qualcos'altro a monte del choke che possa completare il circuito con lo stilo. Ad esmpio i radiali nelle antenne verticali servono a questo.
Quei progetti dove fanno una end-fed con un choke appena sotto al trasformatore sono una scemenza: quello che si tenta di tagliare con il choke è l'unico elemento che sarebbe capace di chiudere il circuito. Per cui o il choke è completamente inefficace e l'antenna funziona; oppure è abbastanza efficace e quindi l'antenna funziona lo stesso ma per chiudere il circuito è costretta a forzare un sacco di corrente nel choke, che dissipa in calore senza peraltro tagliare fuori il coassiale. Oppure e totalmente efficace e quindi l'antenna non funziona più.

I vari componenti delle antenne vengono chiamati con vari nomi come contrappesi, elementi radianti, radiali, piani di massa, piani riflettenti e via dicendo insinuando ruoli di importanza diversa (l'"elemento radiante" sembra più importante di un vile "contrappeso") oltre che svolgenti funzioni diverse. Secondo me sarebbe meglio chiamarli "radiatore 1" e "radiatore 2" così che sia chiaro cosa fanno. Questo modo di concepire le cose fa sì che orde di principianti si lancino su endfed tremende con 16m di "elemento radiante" e 35m di coassiale, dove il 90% del lavoro di radiare e ricevere viene fatto dal coassiale. E poi si lamentano che quando schiacciano il PTT gli esplode il PC e quando lo mollano ricevono una segheria a 9+20 su tutte le bande.
Se si rendessero conto di questo fatto, farebbero il diavolo a quattro per costruire dipoli simmetrici, anche random con l'accordatore, che sono facilissimi da "isolare".

Anche l'idea che ho letto che il choke per limitare i disturbi vada messo attaccato alla radio e non sotto l'antenna è una cosa senza senso. I disturbi captati dal ramo dell'antenna costituito dal coassiale si concretizzano in corrente che si forma sul PL che c'è sotto l'antenna, che senso ha mettere un blocco sotto e lasciare 30m di cavo libero di captare e convogliare? I disturbi, così come il brasiliano che chiama CQ, entrano dal PL sotto l'antenna. Il choke va messo a partire dall'alto ed eventualmente scendendo se si vuole far "lavorare" una parte di coassiale, fino al punto in cui si desidera che il coassiale smetta di essere parte dell'antenna. E attenzione, non basta mettere un choke a vanvera per ottenere l'effetto desiderato: il choke è un induttanza ed in base alla situazione della corrente nei vari punti, ha effetti diversi.

Infine, quando si valuta un'antenna, sarebbe sempre bene partire dal presupposto che il coassiale sia elemento ricetrasmittente come tutte le altre parti e chiedersi quali accorgimenti, che non sono necessariamente un balun, quel particolare tipo di antenna abbia adottato per minimizzarne gli effetti nocivi. Si scoprirà che molte antenne non hanno adottato alcun accorgimento ed infatti ne mostrano tutti gli effetti nocivi.

Ciaoo
Davide

kz:
come al solito ho capito il 20%, ma già solo questo è un grande arricchimento.
quando ti metti a scrivere un manuale  vero in modo che le giovani generazioni possano studiare prima sul Neri e poi approfondire sull'Achilli?

rebQQtz:
Grazie Grazie Grazie !
(anche a nome di tutti i Peones della RF ;-) ...

Tempo fa avevo lanciato un SOS sulla questione:
https://www.rogerk.net/forum/index.php?topic=76894.msg804366#msg804366
basta rimanere vivi e aspettare e i soccorsi arrivano ;-) ...

dattero:
Grazie 1000, molto istruttivo, però probabilmente avrai stravolto le idee di qualche lettore.

dattero:
A proposito, visto che siamo in argomento avrei una domanda da porti :
In varie discussioni a cui ho partecipato, qui e sull altro forum, capita spesso di parlare delle "configurazioni" delle antenne (verticali multibanda) , o meglio su come lavorano, 1/4,1/2,5/8,3/8,3/4 d'onda, è qui ognuno ha la sua interpretazione
Allora la mia domanda : come capirlo? Di Cosa dobbiamo tenere conto per arrivare alla soluzione??

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