ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI LINEE DI TRASMISSIONE

ARGOMENTI DELLA LEZIONE Introduzione Propagazione lungo una linea di trasmissione L’ onda progressiva L’onda stazionaria Impedenza caratteristica Il R.O.S. Il dB Adattamenti mediante linee Guida d’onda

INTRODUZIONE

LINEA DI TRASMISSIONE un sistema di conduttori metallici e mezzi Si definisce “LINEA DI TRASMISSIONE” un sistema di conduttori metallici e mezzi dielettrici in grado di guidare il trasferimento di energia da un generatore ad un utilizzatore indipendentemente dal percorso che la linea stessa deve effettuare.

Propagazione dell’energia lungo una linea

Per gli scopi che ci riguardano, le linee di trasmissione vengono utilizzate per connettere l’antenna al trasmettitore. L’antenna, per irradiare in modo efficiente, deve essere installata il piu’ in alto possibile e libera da ostacoli vicini. Il trasmettitore, invece, verra’ installato in una postazione comoda per l’operatore quindi anche a distanza di decine o centinaia di metri dall’antenna. Lo scopo della linea di trasmissione sara’ quindi quello di trasportare tutta l’energia del trasmettitore all’antenna la quale (e solo essa) provvedera’ ad irradiare nello spazio l’onda elettromagnetica.

Generico sistema di trasmissione radio Antenna T X Linea di trasmissione Trasmettitore Generico sistema di trasmissione radio

Propagazione di un’onda in un mezzo

Propagazione di un’onda

ONDE ELETTRICHE

TEMPO DI PROPAGAZIONE Il tempo di propagazione è importante quando la linea è cosi lunga o la frequenza così alta che il segnale impiega una parte apprezzabile del ciclo o addirittura più cicli a percorrerla e quindi si determina una situazione del tutto sconosciuta nello studio delle linee a bassa frequenza, e cioè nello stesso istante la tensione e la corrente non sono le stesse nei vari punti della linea perché man mano che il segnale sinusoidale si va propagando lungo la linea, la sua fase va variando istante per istante a causa dell'alta frequenza, come indicato, in modo schematico, nella seguente animazione.

a seguito del continuo invertirsi della polarità del generatore E vengono inviate in linea, a velocità prossime a quelle della luce, alternativamente cariche elettriche positive + e cariche elettriche negative - che costituiscono un'onda di tensione e di corrente che, partendo dal generatore, attraversano la linea fino ad essere totalmente assorbite dal carico Z0 al quale forniscono l'energia elettrica che il generatore aveva dato loro.

In queste condizioni pertanto la linea, nella sua interezza, non può essere considerata come un solo elemento circuitale, come si fa nello studio delle linee a bassa frequenza ove veniva sostituita, nel suo modello matematico, da una sola impedenza concentrata in un solo punto da inserire in serie al circuito costituito dal generatore e dall'utilizzatore, va invece studiata con la teoria delle costanti distribuite

Modello di una linea secondo il modello delle COSTANTI DISTRIBUITE

LINEA INFINITA I

Chiudiamo l’interruttore…..

L’ energia si propaga lungo la linea

Quanto vale la corrente in una linea Z 0 = IMPEDENZA CARATTERISTICA “infinita” ? Legge di Ohm : I = V / Z0 Z 0 = IMPEDENZA CARATTERISTICA E’ il rapporto tra la tensione e la corrente misurate in un punto qualsiasi di una linea in regime di onde progressive

IMPEDENZA CARATTERISTICA Zo = impedenza caratteristica L = induttanza della linea C = capacità della linea

ONDE PROGRESSIVE Se una linea di lunghezza finita viene “terminata” con una impedenza uguale alla sua IMPEDENZA CARATTERISTICA Z0 allora tale linea si comporta come una linea di lunghezza infinita e si definisce in regime di : ONDE PROGRESSIVE Cioè tutta l’energia si propaga verso l’utilizzatore

ONDE RIFLESSE

Se una linea di lunghezza finita ha l’estremità aperta o in corto circuito, l’onda verrà totalmente riflessa verso il generatore, in quanto non vi è un utilizzatore che la possa “assorbire”. Se una linea di lunghezza finita ha l’estremità chiusa su una impedenza diversa dalla sua impedenza caratterisica Z0, l’onda verrà parzialmente riflessa verso il generatore, in quanto l’utilizzatore non la può “assorbire” completamente. In questi casi siamo in un regime di : ONDE STAZIONARIE

ONDE STAZIONARIE

ONDE STAZIONARIE

ONDE STAZIONARIE Onda INCIDENTE : è quella che va dal generatore verso l’estremità della linea Onda RIFLESSA : è quella che torna indietro dall’estremità della Linea verso il generatore

La somma vettoriale dell’onda incidente e di quella riflessa dà origine ad una distribuzione non uniforme di corrente e tensione lungo la linea, dove si vengono a formare dei “minimi” (detti NODI) e dei “massimi” (detti ventri o antinodi)

Una linea “aperta” all’estremità, lunga λ/2, si comporta come un circuito risonante parallelo

LINEA IN CORTO CIRCUITO Una linea CORTOCIRCUITATA all’estremità, lunga λ/2, si comporta come un circuito risonante serie

Le linee di trasmissione piu’ utilizzate fino a qualche Gigahertz sono: Linea bifilare Cavo coassiale

TIPI DI LINEE DI TRASMISSIONE LINEA BIFILARE (BILANCIATA)

LINEA BIFILARE La linea bifilare funziona in modo che il campo elettromagnetico creato da un conduttore risulti bilanciato e compensato dal campo elettromagnetico uguale ed opposto dell’altro conduttore. La massima cancellazione del campo irradiato si ha tenendo piccola la distanza tra i due conduttori.

TIPI DI LINEE DI TRASMISSIONE LINEA “COASSIALE”

LINEA COASSIALE Nella linea coassiale si ha la cancellazione dei campi essendo il campo creato dal conduttore interno perfettamente bilanciato da quello creato dallo schermo esterno.

FATTORE DI VELOCITA’

Le caratteristiche che deve avere una linea di trasmissione sono: La piu’ bassa attenuazione del segnale possibile La capacita’ di trasferire il segnale alle frequenze volute senza distorsione della forma d’onda trasmessa Non deve irradiare l’energia a radiofrequenza

IMPEDENZA CARATTERISTICA I valori normalmente utilizzati di impedenza sono di alcune centinaia di Ohm per le linee bifilari e da 30 a 150 Ohm per i cavi coassiali. Una linea si dice adattata quando e’ terminata su una impedenza resistiva di valore eguale a quella caratteristica della linea (Z0). In questo caso si avranno solo onde progressive e tutta la potenza del trasmettitore andra’ in antenna.

CONDIZIONE DELLA LINEA Nel caso la linea non sia chiusa su una impedenza uguale a quella della linea (Zo) , si dice che il carico e’ disadattato e saremo in presenza di onde stazionarie. Una parte della potenza non verra’ utilizzata dal carico e non avra’ altra via che tornare indietro verso il generatore interferendo con l’onda progressiva successiva che sta avanzando. La linea sara’ sede di ONDE STAZIONARIE

LINEA ADATTATA

LINEA DISADATTATA “ONDE RIFLESSE”

COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE E’ un numero che da l’indicazione del livello di disadattamento del sistema. E’ dato dal rapporto vettoriale tra il segnale riflesso e quello diretto della tensione o della corrente. Kv = Vr / Vd Ki = Ir / Id Dipende dalla Z L del carico e dalla Zo della inea : K = Z L - Zo / Z L + Zo

R.O.S. RAPPORTO DI ONDE STAZIONARIE ROS = Vmax / Vmin ROS = Z o / Z L Standing waves ratio (S.W.R.) ROS = Vmax / Vmin ROS = Z o / Z L ROS = Pd + Pr / Pd - Pr Il valore del R.O.S. può variare da “1” , per una linea perfettamente Adattata, a “∞” (infinito) per una linea completamente disadattata (aperta o in corto circuito)

MISURA DEL R.O.S. Per verificare se l’impedenza dell’antenna è perfettamente adattata a quella della linea e del trasmettitore è consigliabile inserire in serie alla linea stessa uno strumento apposito che può essere di due tipi : il WATTMETRO PASSANTE e il ROSMETRO

Circuito elettrico di un misuratore di potenza diretta e riflessa ( ROSMETRO).

CALCOLO DEL ROS DATE LE POTENZE DIR. RIFL.

Effetti del disadattamento di impedenza Il disadattamento di una linea può provocare diversi inconvenienti : Se il segnale inviato al carico viene in parte riflesso,una parte della potenza torna verso il generatore e se questo non è dimensionato per sopportare tale potenza potrebbe guastarsi. A causa della potenza riflessa la potenza inviata all’antenna è minore e la portata del trasmettitore sarà ridotta. Il caso peggiore si ha con la linea aperta o in cortocircuito che comporta il massimo disadattamento. Un trasmettitore pertanto non deve alimentare una linea aperta ma nemmeno una in cortocircuito in quanto la cosa è estremamente pericolosa per lo stadio finale del trasmettitore.

COME SI MISURANO LE PERDITE DI UNA LINEA DI TRASMISSIONE Le perdite lungo una linea di trasmissione vengono indicate in Decibel abbreviato dB. Si tratta di una una grandezza relativa e non assoluta utilizzata anche per indicare livelli di intensità sonora. Generalmente il dB si indica per rapporti di : TENSIONE CORRENTE POTENZA

Il dB dB (Potenza)=10 Log P1/P2 dB (tensione)= 20 Log (V1/V2) Si tratta di una grandezza logaritmica definita come: dB (Potenza)=10 Log P1/P2 dB (tensione)= 20 Log (V1/V2) dB (corrente) =20 Log (I1/I2) Dove il Logaritmo del rapporto si intende in base 10 Ricordo che il Logaritmo di un numero (Y) è : l’esponente che bisogna dare al numero 10 per ottenere (Y) Log (10 ) = 1 infatti 10^1=10 Log (100) =2 infatti 10^2 =100

Il dB Il risultato sarà che per indicare valori che sono molto diversi tra di loro ,centinaia di migliaia di volte, oppure milioni di volte, si avrà un numero molto più facilmente maneggiabile e soprattutto visualizzabile sui grafici. Ad esempio un’antenna che guadagna 20 Db se alimentata con 100 Watt irradierà 10.000 Watt. Così un cavo che perde 10 Db per attenuazione manderà in antenna solo 10Watt. Ancora un’antenna che guadagna 30 Db e riceve 100 Watt irradierà la bellezza di 100 KW. In radiotecnica tutti valori di amplificazione e attenuazione vengono indicati in dB

CARATTERISTICHE DEI CAVI COASSIALI

Un’altra proprietà delle linee di trasmissione è quella di poter essere usate come adattatori di impedenza.

Un tratto di linea ( in rosso) chiuso in cortocircuito oppure aperto all’estremità, (STUB) si comporta come una reattanza pura, capacitiva o induttiva a seconda della lunghezza. Posizionando opportunamente lungo la linea lo STUB è possibile fare vedere al generatore l’impedenza voluta. Questo tipo di adattamento viene di sovente utilizzato per adattare l’impedenza vicino all’antenna.

GUIDE d’ ONDA Alle frequenze oltre i 500MHz l’ uso di linee di trasmissione bifilari o in cavo coassiale diventa impraticabile. Si ricorre allora ad un’altra tecnologia : le “guide d’onda” La trasmissione del segnale non avviene più come una corrente elettrica ad alta frequenza lungo un conduttore, ma come vere e proprie onde e.m. all’interno di una “guida” di forma e dimensioni opportune.

TIPI DI GUIDE D’ONDA

PROPAGAZIONE ALL’INTERNO DI UNA GUIDA D’ONDA

Propagazione trasversale elettrica Propagazione trasversale magnetica

Dettaglio del modo di propagazione trasversale elettrica

FINE PRESENTAZIONE