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perdonate la mia ignoranza, ma chi mi spiega bene cos’è il “ROS”

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IK3OCA:
HI, grazie Davide, sempre grande il tuo aiuto.
73 Rosario

IU2IDU:
Sei stato più preciso di me Davide (come sempre)...ma in fondo avevo parlato di rubinetto, canna e getto nel campo. Ci sono andato grossolanamente vicino, specificando poi che il concetto doveva essere approfondito tecnicamente.

Buona domenica a tutti e mi raccomando: rubinetto da 500W, una canna dell’acqua dimensionata e soprattutto un getto degno di essere un’antenna! Vedrete che il campo si irrigherà a dovere

Buona domenica sera a tutto il forum.

73 Giulio IU2IDU

Aquila Fr:

--- Citazione da: IZ2UUF (davj2500) - 03 Ottobre 2021, 11:14:48 ---Ciao a tutti.

La domanda "cos'è il ROS" è tutt'altro che ingenua. Infatti mentre non c'è radioamatore o CB che non abbia misurato il ROS almeno un milione di volte nella sua vita, pochissimi sanno spiegare cosa sia il "Rapporto Onde Stazionarie". Infatti, nessuno in questo thread ha definito cosa sia il "rapporto tra onde stazionarie" di cui ROS è l'acronimo. Com'è possibile che così tanta gente tragga giovamento dalla misura un'entità che ha idea di cosa sia?
La ragione di questa strana situazione è che a noi delle onde stazionerie non frega una mazza di niente, ma sfruttiamo il fatto che il ROS è tecnicamente facile da misurare e, in certe particolari condizioni, il suo valore è direttamente collegato con quello che in realtà ci interessa misurare: l'adattamento di impedenza.

Il problema dell'adattamento di impedenza ce l'hanno praticamente tutti i sistemi che trasferiscono potenza da un generatore ad un consumatore. Pensiamo ad un ciclista che pedala: se i pedali sono troppo "molli" o troppo "duri" non riuscirà a dare il meglio di sé e, se troppo fuori dai suoi parametri, non riuscirà nemmeno a partire. Infatti le biciclette più evolute hanno un cambio (un adattatore di impedenza variabile) che fa in modo che la "durezza" dei pedali sia sempre ottimale in ogni condizione, salita, discesa, pianura.
L'adattamento di impedenza non è sempre volto al massimo trasferimento di energia, ma più in generale è richiesto per mantenere il sistema nei parametri di funzionamento previsti dai progettisti. Facciamo un esempio usando un trasmettitore a 50Hz (la rete elettrica a 230V) e un carico fittizio (una stufetta elettrica da 500W). La resistenza della stufetta deve avere una precisa impedenza (valore della resistenza in Ω) perché dissipi 500W. Se la resistenza è più bassa, aumenta la corrente e di conseguenza la potenza trasferita e il calore generato. Questo potrebbe portare alla fusione del contenitore della stufa o dei cavi elettrici (non dimensionati per quella corrente) e all'intervento del magnetotermico di protezione. Invece, aumentando la resistenza la stufa non produrrebbe più il calore necessario a svolgere la sua funzione.

Anche i nostri preziosi trasmettitori hanno bisogno di lavorare con un carico la cui impedenza sia entro i parametri indicati dai progettisti ed è per questo che abbiamo bisogno di uno strumento che ci consenta di capire se l'impedenza del carico è adatta o meno al nostro disposivo per poter intervenire con eventuali correzioni. Oggi l'impedenza di un carico viene facilmente misurata a frequenze RF da un VNA da pochi spicci, ma nel secolo scorso l'unico strumento accessibile era appunto il rosmetro.

Quindi, cos'è il ROS e queste benedette onde stazionarie?
La prima cosa da notare, che detta così sembra ovvia, per avere un "rapporto onde stazionarie" è necessario un disposivo in cui si possano formare onde stazionarie, cioè una linea di trasmissione. Ad esempio, il "ROS sotto l'antenna" è un concetto inesistente: direttamente collegati all'antenna significa che non frapponiamo una linea di trasmissione per cui non ci sono onde riflesse e rapporti tra tensioni. Il ROS sotto all'antenna è un artifizio matematico per rappresentare il disadattamento di impedenza.

Le onde stazionarie sono un concetto indispensabile alle linee di trasmissione per rispettare alcune norme elementari della fisica.
La linea di trasmissione è una specie di "tubo" che ha l'incarico di prendere in consegna energia da un lato e consegnarla dall'altro. Supponiamo che il nostro trasmettitore sia una normale radio progettata per funzionare con 50Ω di carico. Ciò significa che se il trasmettitore presenta 100V si aspetta che si sviluppi una corrente di 100V/50Ω=2A (legge di Ohm). Un cavo coassiale con impedenza caratteristica di 50Ω è progettato con una geometria tale per cui quando si presenta una differenza di pontenziale di 100V, si crea un campo elettrico variabile che induce un campo magnetico variabile che a sua volta induce una corrente di 2A. In altre parole, si comporta come una resistenza da 50Ω che invece di dissipare la potenza in calore, la trasferisce al segmento successivo di coassiale.
Ad un certo punto arriva all'antenna sempre presentando 100V e 2A: se l'antenna presenta impedenza 50Ω, sarà in grado di accogliere l'accoppiata 100V-2A. Se l'impedenza è 100Ω, sarà in grado di accogliere i 100V ma della corrente solo 1A. Se è 25Ω, sarà in grado di accogliere i 2A di corrente, ma della tensione solo 50V. Questo significa che una quota di tensione o di corrente rimane inevasa, quindi la linea di trasmissione, non potendo violare la legge di conservazione dell'energia facendola sparire nel nulla, crea una nuova accoppiata tensione/corrente relativa alla potenza inevasa e la rispedisce indietro.
Se noi mettessimo un tester molto veloce (es. un oscilloscopio) tra centrale e calza di un coassiale, vedremmo che la tensione continua a passare ciclicamente +100V, 0V, -100V, eccetera alla frequenza della nostra trasmissione. In un coassiale senza perdite e collegato ad un carico a 50Ω, in qualunque punto ci mettiamo, vediamo sempre la stessa cosa (+100V, 0V, -100V, 0V, +100V, ecc.).
Se però il carico è disadattato, l'onda trasmessa indietro interferisce con quella trasmessa in avanti: "interferire" è una peculiarità delle onde immateriali che quando si incrociano non si scontrano come due auto all'incrocio, ma si sommano tra loro. Un ottimo esempio è la "ola" allo stadio: la si vede chiaramente correre per le tribune ma le persone che la formano sono sempre ferme al loro posto: a muoversi è solo l'entità immateriale "braccia alzate-braccia abbassate". Nel cavo coassiale questa entità immateriale a muoversi è la differenza di potenziale tra centrale e calza e il valore di corrente contrapposta sui due conduttori.
La somma dell'onda che va avanti e quella che va indietro fa sì che in certi punti la tensione oscilli tra +120V,0V,-120V perché le due onde in quel punto si sommano. In altri punti oscillerà tra +80V,0V,-80V perché in quel punto una delle due è positiva quando l'altra è negativa e viceversa.
Per misurare il ROS vero (non dedurlo da altri fattori) si deve usare una linea essere più lunga di mezz'onda, altrimenti non si sviluppano tutti le combinazioni possibili. Si misura la tensione massima in tutti i punti e di questi valori si prende quella più alta e quella più bassa. Supponiamo che nel punto con la massima ampiezza abbiamo +120V,0V,-120V e in quello con la minima ampiezza abbiamo +80V,0V,-80V.
Bene, il ROS è: 120V/80V=1.5

Per inciso, il ROS non è il rapporto tra la potenza trasmessa e quella riflessa, ma il rapporto tra le due sopracitate tensioni.
Osserviamo che se il carico è adattato, la tensione sarà sempre 100V,0V,-100V in tutti i punti, per cui il ROS sarà 100V/100V=1.
Se il carico è aperto o in cortorcircuito, abbiamo che nel primo caso non è in grado di accettare alcuna corrente mentre nel secondo di accettare alcuna differenza di potenziale. Questo significa che l'onda di ritorno sarà identica come ampiezza a quella di andata: in alcuni punti l'interferenza produrrà il raddoppio della tensione, in altri il suo azzeramento. Avremo quindi ROS=200V/0V=infinito.

Il ROS è legato al disadattamento di impedenza tramite una formula matematica: data un'impedenza di riferimento reale Z0 e una complessa del carico ZL, si applica la formula e viene fuori il valore di ROS, cioè il rapporto che avrebbero le tensioni in una linea di trasmissione di impedenza caratteristia Z0 se fosse collegata ad un carico ZL.
[Si noti che la formula del calcolo del ROS tra impedenze funziona solo se Z0 è puramente reale, mentre ZL può essere complesso; per calcolare uno pseudo-ROS tra impedenze complesse è necessaria la formula modificata di Kurokawa.]
Noi usiamo il valore di ROS solo come indice di disadattamento, cioè un numero che ci dice quando il carico è adatto al nostro sistema. Se dicessi che l'antenna è R=37 X=91, pochi saprebbero dire a prima vista quando buono o cattivo sia l'adattamento. Ma se lo applico nella formula e calcolo il valore di ROS=2.7, a questo punto tutti, abituati a questi valori, avrebbero subito la percezione di quanto sia.

Il dramma viene fuori quando si comincia a ragionare sul senso delle onde riflesse. Ad esempio, l'idea che la potenza riflessa si schianti contro il trasmettitore distruggendo i finali come il punching ball che rispedisce la stessa forza in faccia al pugile imbranato, è completamente errata.
Per fare un parallelo immaginiamo un lungo tubo vuoto di un certo diametro terminato alla fine da un buco piccolo. Quando iniziamo a pomparci acqua, questa entra nel tubo con una certa facilità che è la "impedenza" del tubo. Quando però il tubo è pieno e l'acqua raggiunge il buco piccolo, il flusso si inceppa: la pompa all'ingresso rileva che pompare l'acqua è diventato molto più duro. In altre parole, il tubo sta riflettendo al suo ingresso l'impedenza del carico che è molto più alta di quella del tubo.
La linea di trasmissione fa la stessa cosa: non potendolo fare con la massa compressa, come fa il tubo con l'acqua, lo fa con le onde riflesse e la relativa interferenza. In presenza di disadattamento, la linea di trasmissione di fatto "riflette" il disadattamento del carico sul generatore. Gli dice, "guarda che ho scoperto che di là il carico non è 50Ω come ci aspettavamo, ma è 130Ω; per cui se vuoi mantenere il flusso devi alimentarmi come se fossi un carico da 130Ω; se non ce la fai e ti scassi, problemi tuoi". Il trasmettitore non si guasta perché viene investito dalla propria potenza che torna indietro come un boomerang trasportata dalle "stazionarie", ma perché la nuova impedenza presentata dal suo carico (l'ingresso della linea di trasmissione) non è più nei parametri previsti dai progettisti.

Quindi, in definitiva, il valore di ROS che usiamo noi non ha niente a che vedere con le "onde stazionarie" ma è semplicemente un "indice di disadattamento" tra l'impedenza desiderata e quella presentata dal carico.

Ciao
Davide

--- Termina citazione ---
Bellissima trattazione (come al solito ). Mi sono soffermato su una affermazione, giusto a carattere di celia:
"Per misurare il ROS vero (non dedurlo da altri fattori) si deve usare una linea essere più lunga di mezz'onda, altrimenti non si sviluppano tutti le combinazioni possibili..."
Mi viene da pensare a chi opera in 160m che poverino non vedrá mai il ROS vero a meno di non stendere almeno 80 metri di linea...

inviato M2004J19C using rogerKapp mobile

matteo_:
sono rientrato dopo un bel po di tempo, e dalle ottime spiegazioni di tutti, che ho letto velocemente e rileggerò tutto bene senza saltare niente dopo avervi risposto, ho capito che è una cosa che un radioamatore deve per forza sapere avendo comprato determinati apparati e per riuscire a far dei contanti senza romperli, e ora ho un idea precisa di cos’è, io ho letto su internet cos’è ed chiedevo anche per conferma se ho capito bene o male, le antenne e di adattare tutto in modo da irradiare tutto sulla antenna senza ritorni ecc lo sapevo, ma non ho mai provato nel dettaglio non essendo un radioamatore, quindi dopo sicuramente ci sono tante cose che no so e do per scontato

sto progettando TX e RX per puro divertimento, ma non mi sono mai concentrato su tutte le cose che devo prestare attenzioni per progettare un ottima antenna accoppiata al tx che voglio progettare

per questo chiedo ogni tanto delle cose qui, sto cercando di progettare un tx con rapporto consumo basso ed efficenza alta

vorrei capire anche se ce modo di calcolare il campo magnetico che si va a generare ecc, delle formule e di sapere il minimo dettaglio ogni compiente cosa fa


sto provando valvole e transistor di recupero 


ma vorrei imparare anche la matematica che ci sta dietro, in modo di aver tutto sotto controllo e sapere bene quello che fa


i progetti sono puramente casuali, anche perché non avendo la patente mi limito a studiare la materia e basta




 


inviato iPhone using rogerKapp mobile

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