Una de les rutines dels ràdioaficionats és adaptar impedàncies entre antenes i els aparells de ràdio per aconseguir una bona transferència de potència. A més, una mala adaptació d’impedància pot fer malbé una etapa final de ràdio. Normalment tindrem una ràdio dissenyada per a impedància de 50 ohms, un cable coaxial de 50 ohms i voldrem tenir, per tant, una antena d’impedància de 50 ohms.

En ràdiofreqüència, quan fem servir un cable elèctricament llarg (això vol dir que la seva longitud és de més d’un 10% de la longitud d’ona, així a l’engròs), la impedància que la ràdio veu en transmetre és la del cable i no la de l’antena. Si el cable té una longitud de 10 longituds d’ona penseu que quan la ràdio ja ha transmès 10 cicles l’antena no se n’ha ni assabentat. Per això importa la impedància del cable. Aquests cicles correran pel cable amb una relació Tensió/Intensitat de 50 ohms.

Un cop l’electricitat arriba a l’antena (al cap de 10 cicles) torna a importar la diferència d’impedàncies entre cable i antena. Si l’antena és de 50 ohms llavors la relació Tensió/Intensitat del cable serà bona per l’antena, i tota la potència serà entregada netament. En canvi, si tenim una impedància diferent, part de l’ona elèctrica rebotarà. Si l’antena admet només una relació Tensió/Intensitat de 100 ohms vol dir que no tota la potència que arriba pot passar: només la meitat va a l’antena. Si 12V sobre 50 ohms fan 240mA (els que van pel cable) quan això arribi a l’antena i ensopegui amb 100 ohms per allà només hi passaran 120mA. L’altra meitat se’n tornarà cap a la ràdio.

D’aquí parlem d’una ona directa (de la ràdio a l’antena) i una de reflexada (la part que no ha absorbit l’antena). Quan per un cable hi ha una ona directa i una de reflexada la suma de les seves tensions i corrents al llarg del fil produeix ones estacionàries: o sigui, oscil·lacions de diferent magnitud segons el punt de la línia on mesurem.

Si miressim la tensió en un punt qualsevol del cable mentre es transmet amb impedàncies ben adaptades hi veuríem una oscil·lació de tensió de la freqüència de l’ona de ràdio que transmetem. Igualment amb el corrent. I agaféssim el punt que agaféssim hi veuríem la mateixa oscil·lació. Per exemple, 12V 144MHz, o 240mA 144MHz segons si és tensió o corrent, en una situació de 50 ohms ben adaptada. Qualsevol punt al llarg del cable seria indiferent, i serien les tensions i corrents de l’ona directa.

Però quan hi ha una ona rebot, reflexada, les tensions de l’ona directa i de la reflexada se sumen, i igualment amb els corrents. Com que les ones tenen mig cicle alt i mig baix això farà que les sumes a vegades són constructives (més tensió del compte) i a vegades destructives (menys tensió del compte). A més veurem que la distribució de l’amplitud de les ones no és indiferent del punt del cable on mesurem. Potser mesurarem la tensió en un punt i les ones oscil·laran 5V 144MHz en comptes de 12V, i en un altre punt 20V 144MHz en comptes de 12V. Amb el corrent passa el mateix. Els punts de màxima tensió d’oscil·lació seran separats per mitja longitud d’ona, i els de mínima també. La relació entre l’oscil·lació maxima i l’oscil·lació mínima es coneix amb el nom de Relació d’Ones Estacionàries, ROE (Standing Wave Ratio, SWR), i es diu estacionàries perquè es refereix a l’amplitud màxima de les ones a cada punt estacionari de la línia. La ROE no té unitats per què és la relació entre dues magnituds. La relació serà de 1:1 en el cas d’impedància perfectament adaptada: els màxims seran igual que els mínims i per tant tots els punts de la línia seran igual.

Quan hi ha ones estacionàries la impedància (la relació entre Tensió/Intensitat) serà diferent a cada punt del cable. On hi ha la tensió màxima i la corrent mínima hi haurà una impedància superior a 50 ohms, i on hi ha la tensió mínima i la corrent màxima hi haurà una impedància inferior a 50 ohms. El desfasament entre tensio i intensitat ens donarà impedàncies reactives. El cas extrem el trobem quan al final del cable hi ha un curtcircuit o un circuit obert, en què l’ona reflexada té tanta potència com la directa. En aquests casos la línia té punts en què la impedància (relació Tensió/Intensitat) és de 0 ohms (curtcircuit de RF) o bé molt elevada (circuit obert de RF). Un retall de cable de quart d’ona acabat amb circuit obert ens pot servir per fer un terra virtual de RF, perquè es veurà com una conducció de 0 ohms a la freqüència d’interès. I també un retall més curt acabat en circuit obert ens pot servir com una impedància capacitiva.

Aquest fenomen dels rebots d’ones i l’aparició d’ones estacionàries passa amb altres medis, per exemple al medi mecànic. Un bon exemple mecànic, molt il·lustratiu, el podem veure al següent videu. S’hi reprodueix una ona que rebota amb un circuit obert (el final de les barres és immòbil) i per tant rebota completament i s’hi generen ones estacionàries del doble d’amplitud que l’ona original:

Per veure l’efecte de les ones estacionàries amb un oscil·loscopi o un multímetre necessitarem una sonda que tradueixi l’amplitud de ràdiofreqüència a corrent contínua. En aquest videu en fa una mostra:

Amb ones estacionàries a la línia de transmissió ja podem pensar que un d’aquests punts de tensió més alta del compte o més corrent del compte pot caure dins l’etapa final de la nostra ràdio i per tant farà treballar els transistors o les làmpares finals fora del règim per al que han sigut muntats. Tensions massa altes poden espatllar el transistor a l’instant i corrents massa altes el poden escalfar massa depressa. Per això no només hem d’adaptar bé les impedàncies per a tenir una bona transferència de potència a l’antena sino també per a no espatllar la ràdio.

Els mesuradors de ROE han sigut sempre una manera barata de saber si hi ha una bona adaptació d’impedància entre ràdio, cable i antena. Hi ha diferents tècniques, més barates i més complicades. Els acobladors direccionals clàssics, que mesuren la potència en direcció a l’antena i en direcció a la ràdio, els trobem explicats a l’article An Inside Picture of Directional Wattmeters de Warren B. Bruene, W0TTK, de la QST d’Abril del 1959. Un altre sistema és el pont Stockton, que trobem explicat a A Bi-directional inline Wattmeter per David Stockton G4AZNO, que avui moltes ràdios HF porten integrats. Una altra tècnica interessant és la del pont resistiu de XQ2FOD explicat per Manfred Mornhinweg.

Últimament, gràcies als NanoVNA, ens podem permetre de tenir un mesurador d’impedància sense que ens calgui transmetre i derivar la mala adaptació a partir de mesurar la relació d’ones estacionàries.

On hem de mesurar la relació d’ones estacionàries

Si la nostra intenció és protegir la ràdio és evident que ens interessa mesurar la relació d’ones estacionàries a prop de la ràdio. Però hem de ser conscients que podríem tenir una mesura enganyosa de la bona adaptació de la impedància de l’antena per culpa de les pèrdues del cable.

Les pèrdues del coaxial faran que l’ona elèctrica arribi amb menys potència a l’antena i, si rebota, que el rebot arribi ben fluix a la ràdio. En aquesta situació, si mesurem les ones directa i incident a la vora de la ràdio, ens pot semblar que el rebot és fluix i que la ROE és petita. Però pot ser que simplement la potència s’hagi volatilitzat al cable i no arribi a l’antena, que pot ser molt mal adaptada.

Un bon article amb les taules per a relacionar mesures de ROE a la ràdio, les pèrdues del coaxial i les pèrdues d’adaptació a l’antena el tenim a l’article SWR by example d’en Darrin Walraven, K5DVW, de la QST del Novembre del 2006.

El truc de les pèrdues al cable per a no tenir ROE el fan servir antenes barates d’aliexpress, de base magnètica amb cable inclòs. Gràcies a pèrdues de més de 3dB en 3 metres de cable els permet que la ROE observada a la ràdio sempre sigui per sota de 2 i sembli una antena que va bé a totes les freqüències. En realitat l’antena és d’una sola freqüència; la potència a altres freqüències se n’anirà més en pèrdues del cable pels rebots que no pas a l’antena.

Les ones estacionàries bones, les de l’antena

El bon funcionament d’una antena consisteix en què s’hi crein ones estacionàries. En un dipol, per exemple, volem que hi hagi un mínim de corrent als extrems perquè als extrems el corrent no pot circular enlloc més. I en canvi voldrem que al mig del dipol hi hagi una oscil·lació màxima de corrent. En contrapartida als extrems del dipol hi haurà oscil·lacions de tensió màxima, i al mig oscil·lacions de tensió mínima. La impedància d’un dipol ressonant al punt d’alimentació del mig serà vora de 50 ohms, si no hi ha res estrany vora de l’antena i és a una alçada normal.

Per tant les ones estacionàries les busquem en les antenes per fer-les ressonants però en canvi no les volem a la línia de transmissió perquè ens és indicador de mala transferència de potència a l’antena i ens estressarà la línia amb punts de massa tensió i amb punts de massa corrent.

(Continua amb Dibuixant les ones estacionàries)