LEZIONI DI ELETTRONICA per la classe 5° informatica Prof. Eros Rambelli 10° MODULO : Linee di trasmissione MEZZI TRASMISSIVI CON ONDE IRRADIATE CON ONDE GUIDATE MEZZI METALLICI LINEE BIFILARI MEZZI NON METALLICI CAVI COASSIALI FIBRE OTTICHE SPAZIO VUOTO ARIA Formalismo matematico di riferimento v(t) = V e-t/ segnale il cui valore nell’istante iniziale (t=0) è V e che si attenua nel tempo con legge esponenziale ( = costante di tempo). v(x) = V e-x segnale il cui valore nella posizione iniziale (x=0) è V e che si attenua lungo la direzione x con legge esponenziale. = costante di attenuazione per unità di lunghezza V = VM / 0 vettore associato alla sinusoide v(t) = VM sen t V = VM / = VM ej vettore associato alla sinusoide v(t) = VM sen (t+) V = VM e-j vettore di ampiezze VM sfasato in ritardo di un angolo V(x) Vettore associato alla sinusoide : v(x,t) = V(x) sen (t+(x)) V(o) Vettore associato alla sinusoide nel punto x=0 : v(o,t) = V(o) sen t V(x) = V(o) e-jx vettore associato alla sinusoide : v(x,t) = V(o) sen (t - x) di ampiezza costante V(o) e sfasamento (x) = -x = costante di fase per unità di lunghezza V(x) = V(o) e-x e-jx vettore associato alla sinusoide : v(x,t) = V(o) e-x sen (t - x) la cui ampiezza nella posizione iniziale (x=0) è V(o) e che, lungo la direzione x, si attenua con legge esponenziale e si sfasa in ritardo. 1 Interconnessioni Interconnessione : collegamento fisico tra il dispositivo che invia il segnale e il dispositivo che lo riceve TRASMETTITORE RICEVITORE INTERCONNESSIONE Interconessioni a parametri concentrati : i parametri elettrici (R,C,L) dell’interconnessione si possono ritenere concentrati in un unico punto. Un’interconnessione si può rappresentare a parametri concentrati quando il tempo impiegato dall’onda trasmessa per raggiungere la destinazione è trascurabile rispetto al periodo dell’onda stessa. Esempio Rg Vg Trasmettitore Rl Cl Vi interconnessione Vo Ro ricevitore In questo caso l’analisi del circuito si esegue come se l’interconnessione fosse un semplice quadripolo RC (filtro passa-basso). vi(t) = Vi sen t vo(t) = Vo sen (t-) Vi = Vi / 0 Vo = Vo e-j Esercizi Determinare i valori di Vo e di Determinare la risposta al gradino 2 Interconessioni a parametri distribuiti : i parametri elettrici (R,C,L,G) dell’interconnessione si devono considerare distribuiti per tutta la sua lunghezza. Un’interconnessione si deve considerare a parametri distribuiti se il tempo impiegato dall’onda trasmessa per raggiungere la destinazione non è trascurabile rispetto al periodo dell’onda stessa. Le interconessioni di questo tipo prendono il nome di linee. Vi Vo linea Una linea è costituita da infinite celle infinitesime in cascata tra loro come rappresentato in figura : I(x) Ldx Rdx I(x)-dI(x) …………. Cdx V(x) Gdx Ldx Rdx …………. Cdx V(x)-dV(x) Gdx …………. ..………… DEFINIZIONE LINEA DI TRASMISSIONE Supporto trasmissivo in cui il tempo impiegato dal segnale per percorrere la distanza L tra trasmettitore e ricevitore non è trascurabile COSTANTI PRIMARIE DI UNA LINEA R L C G resistenza per unità di lunghezza induttanza per unità di lunghezza capacità per unità di lunghezza conduttanza per unità di lunghezza Per linee bifilari R=l/S = resistività l = lunghezza S = sezione __ Alle alte frequenze la resistenza cresce a causa dell’effetto pelle : Ro = K d f = permeabilità D = distanza tra i conduttori d = diametro Alle alte frequenze l’induttanza cresce a causa dell’effetto pelle: L = Li + Le + La con La = Ro/ L = Li + Le = (/4) + (/) ln2D/d C = / ln2D/d = costante dielettrica dell’isolante G spesso è trascurabile 3 DESCRIZIONE DELLA PROPAGAZIONE DELLE ONDE NEI MEZZI TRASMISSIVI DI TIPO METALLICO PROPAGAZIONE DI SEGNALI SINUSOIDALI Se applichiamo all’ingresso di un mezzo trasmissivo metallico di lunghezza L una tensione v(t) sinusoidale, nel mezzo si propaga un’onda con velocità vp . L’onda raggiunge la destinazione dopo un tempo tp = L/ vp (tempo di propagazione). Per effetto della tensione applicata viene inviata nel mezzo trasmissivo anche una corrente i(t) sinusoidale, che si propaga con la stessa velocità di v(t). Attraverso il mezzo trasmissivo viene trasferita energia dal generatore di segnale verso l’utilizzatore. 1. LINEE DI LUNGHEZZA INFINITA In una linea di lunghezza infinita l’onda si propaga in modo indefinito. In questo caso l’impedenza vista dall’onda sinusoidale è costante in qualunque punto della linea trasmissiva. Perciò il rapporto vettoriale tra V e I è costante lungo tutto il mezzo trasmissivo. Questo rapporto, indicato con Zo e denominato “impedenza caratteristica”, dipende dalle caratteristiche elettriche del mezzo e generalmente anche dalla frequenza dell’onda. Velocità di propagazione La velocità di propagazione vp dipende dalle caratteristiche del mezzo trasmissivo e dalla pulsazione dell’onda trasmessa. Nelle linee a bassa perdita (linee corte) la velocità di propagazione dipende solo dalle proprietà elettromagnetiche del materiale dielettrico posto tra i conduttori. Lunghezza d’onda Quando in un mezzo trasmissivo viene inviata un’onda sinusoidale, la distanza percorsa dall’onda in un periodo viene denominata lunghezza d’onda. = vp . T = vp / f con vp = velocità di propagazione 4 T = periodo dell’onda Attenuazione e sfasamento Per effetto delle cadute di tensione e delle perdite di corrente che avvengono nel mezzo trasmissivo, le due onde (tensione e corrente) progressivamente si attenuano e l’energia che si propaga diminuisce. L’attenuazione è di tipo esponenziale e dipende da un parametro denominato costante di attenuazione. dipende dalle caratteristiche del mezzo e generalmente anche dalla frequenza. Se V(0) è l’ampiezza dell’onda all’origine, dopo un tratto x l’ampiezza dell’onda vale V(x) = V(o) e-x In un punto x del mezzo trasmissivo l’onda di tensione risulta sfasata in ritardo rispetto a quella di ingresso di una quantità (x). La stessa cosa avviene per l’onda di corrente. Il ritardo di fase introdotto per unità di lunghezza viene indicato con e denominato costante di fase. dipende dalla velocità di propagazione e dalla frequenza dell’onda. Il ritardo di fase dopo un tratto x vale x. V(x) = V(o) e-x e-jx Pertanto il nel punto x vale la seguente relazione : Come viene vista l’onda da diversi osservatori Un osservatore, che guardi da distanza il fenomeno, “vede” un’onda che si propaga con velocità costante. Un osservatore fermo all’inizio della linea “vede” un’onda variabile nel tempo in modo sinusoidale di ampiezza V(o) e pulsazione . Un osservatore, che parta con l’onda nel momento in cui questa ha ampiezza massima e si muova alla stessa velocità dell’onda , “vede” un segnale che cala progressivamente nel tempo in modo esponenziale. Un osservatore fermo nella posizione x vede un’onda variabile nel tempo in modo sinusoidale di pulsazione , ampiezza V(o) e-x e sfasata in ritardo rispetto alla sinusoide di partenza di un angolo x. 5 2. LINEE DI LUNGHEZZA FINITA - L’onda, che si propaga lungo una linea dal generatore al carico, prende il nome onda diretta o incidente. - In qualunque punto della linea, l’onda incidente di tensione “vede” davanti a sé la stessa impedenza Zo. - L’onda incidente di tensione V+ determina un onda incidente di corrente I+ , che in qualsiasi punto della linea ha lo stesso sfasamento e che si propaga alla stessa velocità. Se la linea è di lunghezza finita L, quando l’onda arriva alla terminazione “si aspetta” di trovare ancora un’impedenza pari a Zo. Se ciò non avviene una parte dell’onda si riflette e torna indietro. Onda riflessa Quando l’onda arriva in fondo al mezzo trasmissivo, se l’impedenza ZL del carico è uguale all’impedenza caratteristica Zo (linea adattata in uscita), l’energia si scarica tutta sul carico e non c’è onda riflessa Se invece ZL Zo una parte dell’energia viene inviata all’indietro. In questo caso si generano onde riflesse V- e I- (di tensione e di corrente), che si propagano in direzione opposta. L’onda riflessa “vede” anch’essa un’impedenza pari a Zo e si propaga con la stessa velocità e con la stessa legge dell’onda incidente. In ogni punto della linea l’onda incidente e quella riflessa si sommano tra loro. V(x) = V+ e-x e-jx + V- ex ejx Pertanto il nel punto x vale la seguente relazione : Questo fenomeno determina un sottoutilizzo della energia trasmessa da parte dell’utilizzatore. Quando l’onda riflessa giunge al punto di inizio della linea, se l’impedenza Zg del generatore di segnale è diversa da Zo, si ha un nuovo fenomeno di riflessione. Per evitare ciò occorre adattare la linea anche in ingresso (Zg = Zo). Per avere il massimo trasferimento di energia dal generatore all’utilizzatore, le linee trasmissive vanno adattare sia in ingresso che in uscita. Coefficiente di riflessione Il rapporto tra onda riflessa e onda diretta è indicato con r e denominato coefficiente di riflessione. Alla terminazione della linea il coefficiente di riflessione vale : r = V- / V+ = - I- / I+ = (ZL - Zo) / (ZL + Zo) Nel caso di linee adattate in uscita (ZL = Zo ) non c’è onda riflessa r=0 Nei casi limiti di linee aperte (ZL = ) o cortocircuitate ZL =0, non potendo il carico assorbire alcuna energia, l’onda viene riflessa interamente. Con linee aperte Con linee cortocircuitate r = 1 onda riflessa uguale a onda diretta r = -1 onda riflessa uguale a onda incidente cambiata di segno 6 Onda stazionaria Per effetto della sovrapposizione dell’onda incidente e di quella riflessa, all’interno del canale trasmissivo si forma un’onda stazionaria, che presenta dei massimi quando V+ eV- sono in fase (ventri) e dei minimi quando V+ e V- sono in opposizione di fase (nodi). Anche l’onda di corrente è stazionaria e presenta dei nodi e dei ventri spostati rispetto a quelli di tensione. Siccome la potenza che attraversa una qualsiasi sezione è costante, dove c’è un ventre di tensione si forma un nodo di corrente e viceversa La distanza tra un nodo e un ventre è di /4. La distanza tra due nodi o tra due ventri è di /2. In regime stazionario l’impedenza varia in modo continuo al variare di x, in base alle caratteristiche del mezzo e a quelle del carico (vedi appendice 1). Il rapporto tra il modulo della tensione in un ventre e il modulo della tensione in un nodo è denominato Rapporto di Onda Stazionaria (ROS). ROS = Vmax/Vmin = Imax/Vmin = (1 + r ) / (1 - r ) Con linee adattate in uscita Con linee aperte Con linee cortocircuitate ROS = 0 ROS = ROS = sulla terminazione V(L) = V(0) e-L sulla terminazione c’è un ventre sulla terminazione c’è un nodo Come viene vista l’onda stazionaria da diversi osservatori Per un osservatore, che guardi da distanza il fenomeno, i nodi e i ventri non si muovono. Un osservatore fermo su un nodo “vede” un’onda variabile nel tempo in modo sinusoidale di ampiezza minima (V+ - V-). Un osservatore fermo su un ventre “vede” un’onda variabile nel tempo in modo sinusoidale di ampiezza massima (V+ + V-). 7 TEORIA DELLA PROPAGAZIONE DEI SEGNALI NELLE LINEE DI TRASMISSIONE MODELLO A PARAMETRI DISTRIBUITI CON CELLE INFINITESIME R-L-C-G IMPEDENZA LONGITUDINALE AMMETTENZA TRASVERSALE Zl = R + jL Yl = G + jC EQUAZIONI DELLA LINEA -dV = Zl Idx -dI = Yl Vdx caduta di tensione nella cella perdita di corrente nella cella d2V / dx2 = Zl Yl V d2I / dx2 = Zl Yl I Equazioni dei telegrafisti LINEE DI LUNGHEZZA INFINITA LINEE DI LUNGHEZZA FINITA Risolvendo le equazioni dei telegrafisti si ottiene : _____ -x V(x) = Vo e con = Zl Yl _____ In questo caso I(x) = Vo/Zo e-x Zo = Zl / Yl V(x) = V+e-x + V- ex dove V+ e V- sono costanti complesse che dipendono dalle condizioni al contorno (inizio e fine linea). In questo caso le due componenti rappresentano rispettivamente l’onda diretta e l’onda riflessa. V(x) = Vo e-x e-jx Il segnale di tensione lungo la linea viene attenuato esponenzialmente e sfasato in ritardo La sovrapposizione delle due onde dà origine ad un’onda stazionaria Anche per la corrente si ha un’onda diretta e un’onda riflessa. Anche la corrente varia in modo analogo 8 Linee di trasmissione : prospetto riepilogativo COSTANTI PRIMARIE DI UNA LINEA R L C G resistenza per unità di lunghezza induttanza per unità di lunghezza capacità per unità di lunghezza conduttanza per unità di lunghezza COSTANTI SECONDARIE VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE DI UN’ONDA SINUSOIDALE o velocità di fase Zo vp impedenza caratteristica vp = /T = f = / 2 = / Zo = V+ / I+ =V- / I- nei mezzi metallici senza perdite 0.6C < U < 0.8C Nel caso di linee infinite rappresenta anche l’impedenza di ingresso della linea e ha lo stesso valore in qualunque punto della linea con C =3 108 m/s TEMPO DI PROPAGAZIONE o ritardo di fase tp = L/ vp costante di propagazione tp = L/ vp = L / = / = + j tp = tempo impiegato dall’onda diretta per spostarsi dall’inizio della linea alla terminazione posta ad una distanza D costante di attenuazione costante di fase = sfasamento dell’onda di uscita rispetto a quella di ingresso 9 PROPAGAZIONE DI SEGNALI NON SINUSOIDALI Quando il segnale applicato in ingresso al mezzo trasmissivo è composto da più armoniche, ogni armonica si propaga nel modo sopra descritto e il segnale arriva a destinazione non distorto solo se è costante (cioè indipendente dalla frequenza) e è proporzionale alla frequenza. In caso contrario ci sarà distorsione di ampiezza e/o di fase. CONDIZIONI DI NON DISTORSIONE indipendente dalla frequenza cioè = k1 proporzionale alla frequenza cioè = k2 Se è costante tutte le armoniche vengono attenuate nello stesso modo e pertanto non c’è distorsione di ampiezza. Se è proporzionale a le armoniche si propagano con la stessa velocità e raggiungono la terminazione dopo lo stesso tempo tp (tempo di propagazione o ritardo di fase); pertanto non c’è distorsione di fase. Dimostrazione = 2 = 2 / vp = /T = f = / 2 = / tp = L/ vp = L / se = k tp = Lk Cioè il tempo di propagazione è indipendente dalla pulsazione. Se sono verificate le condizioni di non distorsione, il segnale e l’energia si propagano alla stessa velocità vp detta velocità di fase. Se non sono verificate le condizioni di non distorsione l’energia si propaga ad una velocità v g diversa da dalla velocità di fase vp. Si può dimostrare che vg , denominata velocità di gruppo, vale : vg = d /d Di conseguenza il ritardo di gruppo tg (tempo di propagazione dell’energia) vale : tg = L d/d = d /d Per ogni mezzo trasmissivo è necessario allora individuare la banda di frequenze per la quale sono verificate le condizioni di non distorsione e, se possibile, è opportuno operare con frequenze di questo tipo. 10 LINEE CORTE : linee prive di perdite Nel caso di linee corte la resistenza e la conduttanza della linea sono trascurabili. Di conseguenza lungo la linea non ci sono perdite di energia. Valgono le seguenti relazione : Zl = jL e Yl = jC _____ Zo = L / C = Ro l’impedenza caratteristica è di tipo resistivo ___ ____ = j LC = 0 e = LC sono verificate le condizioni di non distorsione ____ ___ vp = 1 / LC = la velocità di propagazione non dipende dalle dimensioni fisiche del canale, ma solo dalle caratteristiche elettromagnetiche del materiale dielettrico tra i conduttori. 0.6C < vp < 0.8C con C =3 108 m/s Carico adattato : RL = Ro Non c’è onda riflessa : regime progressivo. L’impedenza vista in qualunque punto della linea è Ro. Corrente e tensione sono in fase in qualunque punto della linea. Lungo la linea non c’è caduta di tensione : V(x) = V(o) e I(x) = V(o)/ Ro Di conseguenza la tensione al carico ha lo stesso modulo di quella all’inizio della linea. Linea aperta : RL = Tutta l’onda diretta si riflette : regime stazionario Sulla terminazione abbiamo un ventre di tensione e un nodo di corrente : V(L) = 2V(0) e I(L) = 0. In corrispondenza di tutti nodi l’ampiezza è nulla. In corrispondenza di tutti ventri di tensione l’ampiezza vale 2V(0). In corrispondenza di tutti ventri di corrente l’ampiezza vale 2V(0)/Ro. Siccome la linea non dissipa e il carico non assorbe potenza, non c’è trasmissione di potenza. Di conseguenza nei vari punti della linea tensione e corrente sono sfasate di /2 o /2 radianti Dalla parte della terminazione il tratto di linea corrispondente ad un quarto di lunghezza d’onda è di tipo induttivo; poi, procedendo verso l’inizio della linea, si alternano tratti di tipo capacitivo a tratti di tipo induttivo, ciascuno di lunghezza pari a un quarto d’onda. Linea con uscita in corto circuito : RL = 0 Tutta l’onda diretta si riflette : regime stazionario Sulla terminazione abbiamo un nodo di tensione e un ventre di corrente : V(L) = 0 e I(L) = 2V(0)/Ro. In corrispondenza di tutti nodi l’ampiezza è nulla. In corrispondenza di tutti ventri di tensione l’ampiezza vale 2V(0). In corrispondenza di tutti ventri di corrente l’ampiezza vale 2V(0)/Ro. Siccome la linea non dissipa e il carico non assorbe potenza, non c’è trasmissione di potenza. Di conseguenza nei vari punti della linea tensione e corrente sono sfasate di /2 o /2 radianti Dalla parte della terminazione il tratto di linea corrispondente ad un quarto di lunghezza d’onda è di tipo capacitivo; poi, procedendo verso l’inizio della linea, si alternano tratti di tipo induttivo a tratti di tipo capacitivo, ciascuno di lunghezza pari a un quarto d’onda. 11 Propagazione di un gradino nelle linee corte Rg Zi=Ro Vg Vi Vo Linea breve Vg 4 t 1. Linea adattata in ingresso e in uscita : Rg = Ro = RL Vi 2 t Vo 2 tp 2. Linea aperta adattata in ingresso: t Rg = Ro R L= 4 Vi 2 tp 2tp t Vo 2 tp t 12 Ro 3. Linea cortocircuitata in uscita e adattata in ingresso: Rg = Ro R L= 0 Vi 2 2tp t 2tp t Vo 2 4. Linea adattata in ingresso ma non adattata in uscita : RL Ro Rg = Ro Coefficiente di riflessione r = (RL – Ro) / (RL + Ro) Es. RL = 3Ro In questo caso r = 1/2 Vi . 3 2 tp 2tp t Vo . 3 2 tp t Esercizi Disegnare i diagrammi temporali di Vi e Vo nei seguenti casi : Linea non adattata in ingresso ma adattata in uscita : Rg = 0.5Ro RL = Ro Linea adattata in ingresso ma non adattata in uscita : Rg = Ro RL = 1/2 Ro Linea non adattata in ingresso e non adattata in uscita : Rg = 0.5Ro RL = 3Ro 13 Conclusione Le linee corte hanno un’impedenza caratteristica solo resistiva e non distorcono. Se Se Rg = Ro RL = Ro la linea è adattata in ingresso : c’è il massimo di potenza trasmessa la linea è adattata in uscita : non c’è onda riflessa e la potenza trasferita al carico è massima. Le linee lunghe induttive si comportano in modo simile alle linee corte e perciò non distorcono. Questa condizione si verifica in genere alle frequenze medie, per le quali L >>R effetto pelle trascurabile. Le linee lunghe non induttive generano distorsione di ampiezza e di fase. Questa condizione si verifica in genere alle basse frequenze (L piccolo) e alle alte frequenze (effetto pelle). 14 APPENDICE : Approfondimenti sulle linee non adattate Per analizzare le linee non adattate, conviene indicare la posizione dei vari punti in base alla loro distanza d della terminazione (d = L-x). Coefficiente di riflessione lungo una linea non adattata r(d) = V-(d) / V+(d) = e-2d (ZL – Zo) / (ZL +Zo) Impedenza lungo una linea non adattata Z(d) = V(d) / I(d) = Zo (ZL + jZo tg(d)) / (Zo + j ZL tg( d)) Tenuto conto che : = 2 /2 = /4 = /4 Z(n/2) = ZL nei punti della linea che distano dalla terminazione un multiplo di /2 l’impedenza vale ZL Linea chiusa in corto circuito Z(d) = j Zo tg(d) in qualsiasi punto della linea l’impedenza è di tipo reattivo. d=0 0 < d < /4 d = /4 /4 < d < /2 d = /2 /2 < d < 3/4 d = 3/4 3/4 < d < impedenza nulla impedenza induttiva impedenza infinita impedenza capacitiva impedenza nulla impedenza induttiva impedenza infinita impedenza capacitiva (nodo di tensione, ventre di corrente) (nodo di corrente, ventre di tensione) (nodo di tensione, ventre di corrente) (nodo di corrente, ventre di tensione) Linea aperta Z(d) = - j Zo / tg(d) in qualsiasi punto della linea l’impedenza è di tipo reattivo. d=0 0 < d < /4 d = /4 /4 < d < /2 d = /2 /2 < d < 3/4 d = 3/4 3/4 < d < impedenza infinita impedenza capacitiva impedenza nulla impedenza induttiva impedenza nulla impedenza capacitiva impedenza infinita impedenza induttiva (nodo di corrente, ventre di tensione) (nodo di tensione, ventre di corrente) (nodo di corrente, ventre di tensione) (nodo di tensione, ventre di corrente) 15 Adattamento delle linee Se le linee sono chiuse su un carico diverso da Zo, si possono adattare inserendo prima del carico opportuni tratti di linea. Adattamento con linea a quarto d’onda Si inserisce in cascata alla linea trasmissiva, prima del carico, un tratto di linea di lunghezza /4 avente una impedenza caratteristica ZA di opportuno valore. Esempio con carico resistivo Zo ZA RL /4 Z(/4) Z(/4) = ZA2 / RL Se Zo = Z(/4) la linea risulta adattata. Questa condizione è verificata se ____ ZA = Zo RL Se il carico non è resistivo il tratto aggiuntivo di linea di lunghezza /4 va posto ad una opportuna distanza (lL) dal carico. Adattamento con stub Si inserisce ad una opportuna distanza (lL)dal carico un tratto di linea dello stesso tipo, chiusa in corto circuito e di lunghezza (lS) calcolabile. Zo lS Zo Zo RL lL Per ogni tipo di carico, la determinazione del coefficiente di riflessione, del Ros, dell’impedenza in ogni punto della linea e i calcoli necessari per eseguire l’adattamento (ZA, lL e lS) si possono effettuare mediante la cosiddetta CARTA DI SMITH, che in questo corso non viene trattata. 16