Linee di trasmissione

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
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.
Antenna
TX
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
“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
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)
LINEA “APERTA”
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 = V r / Vd
Ki = Ir / Id
Dipende dalla Z L del carico e dalla Zo della
inea :
K = Z L - Zo / Z L + Zo
RAPPORTO DI ONDE STAZIONARIE
R.O.S.
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 :
1) 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.
2) A causa della potenza riflessa la potenza inviata all’antenna
è minore e la portata del trasmettitore sarà ridotta.
3) 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
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
Log (100) =2
infatti 10^1=10
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