linee a radiofrequenza

LINEE A RADIOFREQUENZA
Le LINEE DI TRASMISSIONE vengono impiegate per trasferire energia elettrica, o
informazioni, da un generatore a un carico.
Di solito, quelle che funzionano a bassa frequenza, hanno lo scopo specifico di trasportare
energia elettrica e, in Italia, sono quelle dell’ENEL, che trasferiscono l’energia elettrica dalle
centrali, dove viene prodotta, fino alle utenze, che sono ad esempio, gli appartamenti di civile
abitazione dove noi viviamo.
Le linee elettriche a radiofrequenza, invece, di solito trasportano piuttosto informazioni, e
sono ad esempio, la linea telefonica, il cavo dell’antenna televisiva, le il cavo dei baracchini,
delle radio radioamatoriali e così via.
In una linea, quando le cariche elettriche si mettono in movimento, costituendo così la
corrente elettrica, il campo elettrico dovuto alla presenza delle cariche e il campo magnetico
dovuto al loro movimento, si propagano con una velocità prossima a quella della luce.
La tensione e la corrente elettrica impresse dal generatore ad un estremo della linea non
raggiungono il carico istantaneamente, ma si propagano lungo la linea arrivando al carico
dopo un tempo che, anche se brevissimo, non è comunque nullo.
La velocità di propagazione del segnale dipende dal mezzo che circonda i conduttori e in cui
si propagano il campo elettrico e il campo magnetico.
Per le linee isolate in aria la velocità si può considerare uguale a quella della luce nel vuoto
aria (
( = 3 ⋅ 10 8 m / sec ) mentre è poco più bassa per quelle con dielettrico diverso dall'
8
≅ 2 ⋅ 10 m / sec ).
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.
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, studio che si svolge con le equazioni differenziali dette
EQUAZIONI DEI TELEGRAFISTI E DEI TELEFONISTI.
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Quando la linea è molto più corta di un quarto di lunghezza d'
onda viene considerata a bassa
frequenza e lo studio viene effettuato con le costanti concentrate, mentre se la sua lunghezza
è eguale o maggiore di un quarto di lunghezza d'
onda, la linea viene considerata ad alta
frequenza e lo studio si effettua con la teoria delle costanti distribuite.
Nelle linee di trasmissione a radiofrequenza pertanto, resistenza, induttanza, capacità e
conduttanza sono da considerare distribuite uniformemente lungo le linee stesse e sono
dette costanti primarie delle linee.
La resistenza è quella presentata dai conduttori metallici al passaggio della corrente e si
misura in / m.
L'
induttanza è dovuta al campo magnetico che circonda i conduttori percorsi dalla corrente e
si misura in H / m.
La capacità è dovuta alle superfici metalliche dei due conduttori e al dielettrico interposto e
si misura in F / m.
La conduttanza tiene conto delle correnti di dispersione dovute all'
imperfezione dell'
isolante
presente fra i conduttori e si misura in S / m.
Nell’analisi che segue per determinare le equazioni differenziali che legano tensione e
corrente in ogni punto della linea supponiamo di esaminare inizialmente una porzione di linea
dx molto più piccola di un quarto di lunghezza d’onda e tale quindi da potersi studiare con la
teoria delle costanti concentrate.
Si supponga per semplicità, che il generatore di segnale sia di tipo sinusoidale e sia x la
distanza della sezione generica della linea dal generatore.
Dall’esame del circuito, applicando i due principi di Kirchhoff, si ha:
dV = − I ( R + jωL)dx
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dI = −V (G + jωC )dx
e, dividendo membro a membro per dx:
dV
= − ( R + jω L ) I
dx
dI
= −(G + jωC )V
dx
Queste equazioni, dette dei Telegrafisti e dei Telefonisti, esprimono il legame esistente fra
la tensione, la corrente, e le loro variazioni, lungo la linea in funzione delle costanti primarie
R, L, G, C, della linea.
Le soluzioni delle equazioni dei telefonisti e dei telegrafisti sono:
V ( x) = A ⋅ e −γx + B ⋅ e γx
I ( x) =
A −γx B γx
⋅e −
⋅e
Z0
Z0
In cui:
γ = ( R + j ω L ) ⋅ (G + j ω C )
assume il nome di costante di propagazione, e:
Z0 =
R + jω L
G + jω C
assume il nome di impedenza caratteristica.
Ambedue, poi, prendono il nome di costanti secondarie delle linee e sono, come si può
osservare, dei numeri complessi
Inoltre essendo
un numero complesso, deve avere una parte reale
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e una immaginaria
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γ = α + jβ
la parte reale , indica di quanto si attenua il segnale ogni metro che avanza e si misura in
Neper /metro, anche se la sua unità di misura più diffusa è il decibel/metro.
Invece la parte immaginaria
indica di quanto ruota la fase del segnale ogni metro che
avanza e si misura quindi in radianti/ metro, anche se è pure misurata in gradi/metro.
Poiché la fase avanza di 2
radianti per ogni lunghezza d’onda
β
=
2 π
che avanza, essa risulta:
(radianti/metro)
λ
VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE
La velocità con cui si propagano queste onde è data per definizione dallo spazio percorso s
diviso il tempo t impiegato a percorrerlo, e cioè:
v=
s
t
ma, essendo
lo spazio percorso dall’onda nel tempo T in cui avviene un’oscillazione
completa del segnale prodotto dal generatore, si ottiene, sostituendo:
v=
ma poiché è:
s λ
=
t T
1
= f
T
risulta
v=
s λ
= =λ⋅ f
t T
moltiplicando numeratore e denominatore per 2 e ricordando che:
ω
= 2π f
e:
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β
2 π
=
λ
si ha:
v = λf =
,
2π fλ
2π f
=
2π
2π
λ
=
ω
β
La velocità così definita è chiamata velocità di propagazione dell’onda di tensione e di
corrente lungo la linea, e anche velocità di fase poiché rappresenta la velocità con cui un
osservatore deve spostarsi lungo la linea per vedere sempre la stessa fase dell’onda.
SIGNIFICATO DELLE COSTANTI A , B
Per comprendere meglio il significato fisico delle soluzioni delle equazioni dei Telefonisti, è
opportuno esaminare separatamente i termini a secondo membro delle due espressioni.
I primi termini:
−γx
V ( x) = A ⋅ e
e:
I ( x) =
A −γx
⋅e
Z0
rappresentano un’onda di tensione e di corrente incidente che partendo dal generatore
attraversa la linea fino a giungere sul carico.
I secondi termini:
V ( x) = B ⋅ e γx
e:
I ( x) = −
B
⋅ e γx
Z0
rappresentano un’onda di tensione e di corrente riflessa, che partendo dal carico attraversa la
linea fino a giungere sul generatore.
Esaminiamo adesso attentamente la formula matematica che rappresenta l’onda incidente di
tensione:
V ( x) = A ⋅ e −γx
Essendo x la distanza generica dall’inizio della linea, ponendo in questa formula x = 0, si
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ottiene la tensione dovuta all’onda incidente all’inizio della linea:
V ( 0) = A
Analogamente si può dire che la corrente all’inizio della linea dovuta all’onda incidente è:
I (0) =
A
Z0
Il termine B invece rappresenta la tensione all’inizio della linea dovuta all’onda riflessa ed il
termine B/Z0 la corrente all’inizio della linea dovuta all’onda riflessa.
La tensione dovuta all’onda incidente in un punto qualsiasi della linea è:
V ( x ) = A ⋅ e − γx = A ⋅ e
− (α + j β ) x
= A ⋅ e − α x ⋅ e − jβ x
Da questa formula in modo più evidente si capisce che l’onda incidente, sia essa di tensione
che di corrente, mentre si propaga, si va attenuando secondo la funzione esponenziale
negativa reale:
−αx
e
mentre contemporaneamente la sua fase va ruotando secondo la funzione complessa:
e − jβx
infatti, che si chiama costante di attenuazione, indica di quanto l’onda si va attenuando ogni
metro che avanza, mentre , che si chiama costante di fase, indica di quanto va ruotando la
sua fase ogni metro che avanza.
DETERMINAZIONE DI A
Per determinare il valore di A si consideri che, nel caso di linea infinita, il generatore trasmette
le due sole onde incidenti di tensione e di corrente che stanno tra loro nel rapporto Z0.
Il generatore quindi vede come suo carico immediato, nell’attesa di un’eventuale onda
riflessa, un’impedenza uguale a Z0 per cui lo schema equivalente cui fare riferimento nel caso
del transitorio iniziale, per determinare A è il seguente:
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Da questo risulta:
Eg
A=
Zg + Z0
⋅ Z0
LINEE SENZA PERDITE
E’ molto interessante studiare il caso, teoricamente impossibile, ma praticamente spesso
approssimabile, delle linee senza perdite, in quanto in questo caso, molte delle formule fin qui
studiate, assumono una forma molto più semplice:
α =0
γ = jω LC
v=
β = ω LC
1
LC
Z0 =
L
C
FATTORE DI VELOCITA’
Dalle equazioni di Maxwell risulta per la velocità:
v=
1
εµ
1
=
ε 0 ⋅ µ0
essendo:
c=
1
ε r ⋅ µr
1
ε 0 ⋅ µ0
si ha:
v=c⋅
ma essendo praticamente sempre:
⋅
1
ε r ⋅ µr
µr ≅ 1
in quanto i cavi per alta frequenza non sono quasi mai costituiti da materiali ferromagnetici, si
ha:
v=c⋅
1
εr
Essendo la costante dielettrica relativa r sempre maggiore di uno, risulta, come era
d’altronde logico prevedere, che la velocità dell’onda nel dielettrico è inferiore a quelle della
luce nel vuoto.
L’espressione:
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fv =
1
εr
assume il nome di fattore di velocità ed un suo valore classico, relativo ai cavi di uso comune
nelle linee a radiofrequenza è di 0,66.
In caso di linee aeree, cioè con dielettrico aria, essendo r = 1, risulta: v = c.
Quindi in una linea aerea la velocità di propagazione del segnale elettromagnetico, coincide
con la velocità di propagazione della luce nel vuoto.
Se la linea non è infinita, ma è chiusa su di un carico qualunque, il segnale, giungendo al
termine della linea, subisce una riflessione in corrispondenza del carico.
ONDE STAZIONARIE
Lungo la linea si stabilisce allora un regime di onde stazionarie dovuto al sovrapporsi di due
segnali, quello diretto, e quello riflesso che si propagano in versi opposti.
Si vengono a determinare quindi, dei punti, detti ventri, nei quali le onde incidenti e le onde
riflesse si vengono a incontrare restando sempre in fase ed ivi la tensione totale è massima, e
degli altri punti, detti nodi, dove le due onde si vengono a incontrare sempre in opposizione di
fase determinando dei minimi di tensione totale.
Se però il carico è adattato, cioè se l’impedenza del carico coincide con l’impedenza
caratteristica della linea, allora la riflessione non si verifica e la linea funziona a regime
progressivo e non più stazionario.
In tal caso le onde emesse dal generatore non tornano più verso di esso perché vengono
assorbite dal carico ove si trasformano in energia di altra forma, ovvero vengono irradiate
nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche se il carico è un’antenna.
In questo caso il termine B è uguale a zero mancando così l’onda riflessa di tensione e di
corrente.
Si osservi che il rapporto fra l’onda incidente di tensione (Volt) e l’onda incidente di corrente
(Ampere) è sempre uguale a Z0 (Ohm).
Analogamente avviene per l’onda riflessa di tensione e di corrente che hanno come rapporto
Z0.
Per quanto riguarda il segno - degli esponenziali della tensione e della corrente incidente, si
osservi che esso è conseguenza del sistema di riferimento usato.
Usando invece il carico come origine del sistema di riferimento, il segno - si cambia in + e
quella che era prima onda riflessa, viene vista ora dal carico come onda incidente dal carico
verso il generatore, sua nuova destinazione.
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Per una linea chiusa su un carico ZL diverso da Z0 la costante B dell’equazione dei
Telefonisti è diversa da zero
.
In pratica spesso è molto più utile misurare le distanze lungo la linea a partire dal carico
anziché a partire dal generatore perché spesso si deve adattare il carico con uno STUB da
inserire a breve distanza dal carico stesso.
La tensione V(x) e la corrente I(x) lungo la linea, allora, misurate a partire dal carico,
risultano:
+
γd
−
−γd
V ( x) = V L ⋅ e
+ VL ⋅ e
V L+ γd V L− −γd
I ( x) =
⋅e −
⋅e
Z0
Z0
Qui VL+ rappresenta la tensione incidente misurata sul carico e VL- rappresenta la tensione
riflessa misurata sul carico.
Queste due grandezze risultano correlate dal coefficiente di riflessione :
V L−
ρ= +
VL
che è in generale un numero complesso il cui modulo può variare tra zero ed uno ed indica il
rapporto tra la tensione riflessa e quella incidente.
è funzione dell’impedenza di carico ZL e dell’impedenza
Il coefficiente di riflessione
caratteristica della linea Z0 secondo l’espressione:
ρ=
ZL − Z0
ZL + Z0
Dalla precedente formula risulta che in caso di linea adattata cioè con ZL = Z0 , il coefficiente
di riflessione è nullo e non si hanno onde riflesse.
Come si è visto, in caso di linea adattata, quando, cioè non vi è riflessione sul carico, le
ampiezze della tensione e della corrente diminuiscono esponenzialmente lungo la linea dal
generatore verso il carico.
Invece, quando vi è onda riflessa, le ampiezze della tensione e della corrente, oltre a
diminuire esponenzialmente, variano periodicamente lungo la linea a causa dell’interferenza
fra onda incidente ed onda riflessa determinando così l’onda stazionaria.
L’onda progressiva, nelle linee senza perdite è una sinusoide, mentre nelle linee con perdite
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è una sinusoide smorzata che si propaga a velocità prossima a quella della luce dal
generatore verso il carico.
L’onda stazionaria invece non si propaga, ma è una curva che fornisce i valori massimi della
tensione nei vari punti della linea, e quindi è fissa come posizione, ma pulsa in ampiezza nel
tempo fra un massimo positivo e un minimo negativo.
L’onda stazionaria oltre che di tensione, può essere anche di corrente.
Ambedue hanno esattamente la stessa forma, solo che sono sfasate fra loro di /4, cioè ad
un ventre di tensione dell’una corrisponde un nodo di corrente dell’altra e viceversa.
Nel caso di linea senza perdite adattata, il diagramma d’onda stazionaria è costituito da un
segmento rettilineo, in quanto, mancando la riflessione, si ha solo l’onda incidente, che in
ogni punto della linea ha lo stesso valore massimo.
Nel caso di linea con terminazione aperta o in corto circuito, il coefficiente di riflessione
assume il valore di uno in quanto l’onda riflessa coincide con tutta l’onda incidente e, se la
linea è senza perdite, i ventri di tensione hanno valore doppio della tensione massima
incidente, mentre i nodi di tensione sono uguali a zero.
La distanza fra due nodi o fra due ventri in ogni onda stazionaria è sempre uguale a
mentre la distanza fra un ventre ed un nodo è sempre /4
ROS
ovvero
/2,
VSWR
Il rapporto fra il valore massimo ed il valore minimo della tensione di un’onda stazionaria si
chiama ROS (Rapporto d’Onda Stazionaria) ovvero SWR (in inglese: Standing Wave Ratio):
ROS =
Il ROS ed il coefficiente di riflessione
V MAX
V MIN
sono legati dalla relazione:
ROS =
La relazione inversa è:
ρ =
1+ ρ
1− ρ
ROS − 1
ROS + 1
Il valore del ROS può variare fra uno e infinito al variare di ρ fra zero e uno.
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Per una linea adattata, il ROS è uguale a uno, mentre nel caso di una linea chiusa in corto
circuito od aperta o con carico puramente reattivo, è infinito.
IMPEDENZA DI INGRESSO DI UNA LINEA
L’impedenza in un punto qualsiasi della linea è definita come il rapporto fra la tensione e la
corrente in quel punto della linea, intendendo naturalmente come tensione, la tensione totale,
e come corrente, la corrente totale.
Infatti uno strumento di misura come il voltmetro, non è in grado di distinguere se le cariche
elettriche che determinano quella tensione in quel punto siano venute da destra o da sinistra.
L’impedenza allora, per quanto detto si ricava dalla formula:
Z IN
VL+ ⋅ e γd + VL− ⋅ e −γd
1 + ρ ⋅ e −2γd
= +
= Z0 ⋅
VL γd VL− −γd
1 − ρ ⋅ e −2γd
⋅e −
⋅e
Z0
Z0
Per una linea senza perdite, essendo in questo caso:
che:
ρ=
= 0, e quindi:
=j
, e ricordando
ZL − Z0
ZL + Z0
risulta, dopo molti passaggi che per semplicità non si riportano:
Z (d ) = Z 0 ⋅
Z L + jZ 0tgβd
Z 0 + jZ Ltgβd
LINEA SENZA PERDITE IN CORTO CIRCUITO
In questo caso, essendo ZL = 0, l’espressione scritta sopra diventa:
Z ( d ) = jZ 0 ⋅ tg β d
L’impedenza in ogni punto della linea è una reattanza pura che varia secondo
tg β d
Se la linea ha lunghezza compresa tra zero ed un quarto di lunghezza d’onda, la sua
impedenza di ingresso è una reattanza positiva, cioè induttiva, mentre se la lunghezza è
compresa fra un quarto di lunghezza d’onda e mezza lunghezza d’onda, l’impedenza di
ingresso è una reattanza negativa, cioè capacitiva.
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LINEA SENZA PERDITE APERTA
In presenza di linea aperta, essendo
ZL = ∞
l’impedenza di ingresso diventa:
Z ( d ) = − jZ 0 ⋅ ctg β d
In questo caso l’impedenza è una reattanza pura e il comportamento della linea rispetto al
caso precedente è duale in quanto varia come:
ctgβd
Se la linea ha lunghezza minore di un quarto di lunghezza d’onda, la sua impedenza di
ingresso è una reattanza capacitiva, mentre se la sua lunghezza è compresa fra un quarto di
lunghezza d’onda e mezza lunghezza d’onda la linea ha comportamento induttivo.
ADATTAMENTO DELLE LINEE
Il disadattamento di una linea a radiofrequenza può comportare parecchi inconvenienti.
Se il segnale prodotto dal generatore, viene in parte riflesso dal carico, una parte della
potenza sviluppata gli ritorna indietro sovraccaricandolo, ed eventualmente distruggendolo,
se non è stato dimensionato per sopportare questa nuova potenza che si trasforma in calore.
Il caso peggiore si ha ovviamente nel caso del massimo disadattamento che si manifesta con
il carico in corto circuito o a circuito aperto.
Un trasmettitore, pertanto, non deve mai essere cortocircuitato ai piedi dell’antenna, ma
neanche deve essere staccata l’antenna mentre sta trasmettendo.
Lo stesso pericolo corre, a bassa frequenza, un amplificatore stereo se si staccano le casse
mentre sta suonando.
Inoltre un disadattamento d’antenna comporta, in ogni caso, una minore potenza trasmessa,
e quindi una minore portata del trasmettitore.
Quindi, ferma restando la potenza sviluppata dal generatore a radio frequenza, la portata del
trasmettitore viene drasticamente ridotta da un ROS troppo alto.
Si tollera un ROS di 1,2 – 1,5 ma mai valori superiori
.
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Visti gli inconvenienti presentati dal disadattamento, si cercano delle tecniche per ridurre,
correggere o eliminare il disadattamento tra linea e carico.
Si può adattare un carico di tipo resistivo ad una linea inserendo un breve tratto di linea a
secondo lo schema di figura con:
/4
R0' = R0 ⋅ RL
Si può realizzare l’adattamento nel caso di carico costituito da resistenza e reattanza con uno
stub, cioè un tratto di linea, dello stesso tipo di quella principale, ma collocata in parallelo al
carico in modo da eliminare la parte reattiva dell’impedenza e riducendola al valore resistivo
della resistenza caratteristica R0 della linea principale con l’aggiunta della linea a /4.
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I relativi calcoli si effettuano con la carta di SMITH.
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