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Linee di trasmissione 1

Linee di trasmissione

Un normale trasmettitore, e l’antenna che esso deve alimentare sono il classico esempio, ed è nello spazio che li divide che nascono tanti dei problemi che turbano il settore delle radiotrasmissioni.

Premessa
Nella pratica radiantistica quotidiana, ben raramente capita che la potenza a RF, poca o molta che sia, venga generata esattamente dove viene usata (o viceversa): le rare eccezioni sono il palmare ed il telefonino. Per irradiare con buona efficienza, l’antenna deve risultare sufficientemente elevata, anche perché l’energia che essa emette non venga assorbita da alberi, edifici ed altri ostacoli. Per quanto invece riguarda l’apparato ricetrasmittente, è più conveniente che esso venga installato all’interno dell’abitazione, dove risulta facilmente accessibile e riparato dalle intemperie.

Ecco quindi le ovvie motivazioni che giustificano l’uso di una linea di trasmissione che trasporti l’energia a RF dal trasmettitore all’antenna e questo viaggio avvenga con le minori perdite che siano possibili. Tre sono i tipi di linee principalmente usate dai radioamatori: coassiali, aperte e a guida d’onda. Il tipo di uso più comune è oggi il cavo coassiale, il cui comportamento è schematizzato in fig. 1-A. Esso è costituito da un conduttore centrale che può essere sia in trecciola sia in filo unico, circondato da un conduttore concentrico esterno, che a sua volta può essere uno schermo a calza o una guaina continua (a volte costituita da un foglio flessibile in alluminio). Il secondo tipo di linea di trasmissione è quello che utilizza due conduttori paralleli allineati, come schematizzato in fig. 1-B; tipicamente esso prende il nome di linea aperta, ed esempio ne sono le “piattine bipolari”, che a
suo tempo sono state di uso normale in TV.

Il terzo tipo di linea può essere considerato la cosiddetta guida d’onda, di impiego pressoché esclusivo in SHF, o per meglio dire nel campo delle microonde.

I COMPORTAMENTI FONDAMENTALI
Per ambedue i tipi più comuni di linea (sia la coassiale che quella aperta), le correnti che scorrono in ciascuno dei due conduttori viaggiano in direzioni opposte, come evidenziato in fig. 1. Se la spaziatura dei due conduttori paralleli è piccola rispetto alla lunghezza d’onda di lavoro, la differenza di fase fra le due correnti risulterà molto prossima ai teorici 180°; se poi le due correnti hanno anche intensità uguali, il campo elettromagnetico generato da ciascuno dei conduttori, risultando uguale ed opposto all’altro, cancellerà l’altro, cosicché la linea nel suo complesso non irradierà alcuna energia, anche se essa fosse lunga molte lunghezze d’onda: questo, naturalmente, in caso ideale.

Linea_di_trasmissione-cavo_coassiale-aperta

Fig. 1 - Linea di trasmissione, sia in cavo coassiale (A) che aperta (B) che collega un generatore di tensione Vg e resistenza interna Rg ad un carico reattivo Ra±Xa (induttivo o capacitivo a seconda del segno): questo esempio sta ad indicare la situazione più generale di carico non adattato.

Se invece I1 e I2, per una ragione qualsiasi, non avessero uguale ampiezza, o la loro differenza di fase non fosse esattamente 180°, i campi da esse generati non si cancellerebbero l’uno con l’altro, la linea provvederebbe anch’essa ad irradiare (anche se solo in parte) l’energia destinata all’antenna. É proprio questo sbilanciamento, e le relative conseguenze, che verranno qui esaminati in dettaglio. Cominciamo col riferirci al comportamento del cavo coassiale, in cui (a differenza della linea aperta), il conduttore esterno agisce come un vero e proprio schermo, mantenendo l’energia a RF confinata all’interno della linea stessa. A causa dell’effetto pelle, la corrente che scorre nella calza esterna del coassiale viaggia principalmente nella sua superficie interna; in tal modo, i campi generati dalle correnti che passano nella superficie interna del conduttore esterno e nella superficie esterna del conduttore interno (anche qui agisce l’effetto pelle) si cancellano l’un l’altro, esattamente come avviene fra i due conduttori di una linea aperta.

In una linea di trasmissione reale (cioè non nel caso ideale), l’energia viaggia ad una velocità effettiva un po’ inferiore a quella tipica della luce (generalmente, dal 65 al 95% di questa), fondamentalmente per le caratteristiche dielettriche dei materiali isolanti adottati per la costruzione della linea. Del resto, qualcosa del genere succede analogamente (seppure con ordini di grandezza ben diversi) per le onde sonore. La velocità del suono è infatti pari a 343 m/sec se la temperatura del mezzo in cui si propaga è di 20° (ed a livello del mare), mentre scende a 330 m già a zero gradi, ed addirittura sotto i 300 m/sec a 10.000 m s.l.m. Se il suono lo si fa propagare lungo strutture metalliche (per esempio, binari ferroviari), la sua velocità invece sale di molto. La frazione della effettiva velocità di propagazione nella linea di trasmissione rapportata alla teorica velocità della luce (cioè se l’onda viaggiasse in spazio libero) viene definita come fattore di velocità (VF) di quel tipo di linea. Questo parametro fa sì che la lunghezza d’onda elettrica riferita alla linea specifica risulti più breve di quella che sarebbe in spazio libero; la formula [1] fornisce la lunghezza fisica di una lunghezza d’onda in linea:

λ= 300/f *VF

Circuito equivalente di una linea senza perdite ed infinitamente lunga, rappresentato facendo uso di costanti concentrate (L e C).

Fig. 2 - Circuito equivalente di una linea senza perdite ed infinitamente lunga, rappresentato facendo uso di costanti concentrate (L e C).


Impedenza caratteristica

La rappresentazione schematica del funzionamento (ovvero del comportamento) di una linea di trasmissione senza perdite può essere effettuata ricorrendo alle costanti concentrate, come riportato in fig. 2: cominciamo col considerare il caso evidentemente un po’ speciale di linea infinitamente lunga, così da non aver bisogno di preoccuparci su come tale linea sia terminata alla sua estremità. Ciascun induttore inserito in figura rappresenta l’induttanza (elementare) di una ridottissima sezione di conduttore mentre ciascun condensatore rappresenta la capacità esistente tra due brevissime sezioni dei conduttori: ovviamente i valori di queste induttanze e capacità elementari dipendono dalla dimensione dei conduttori e dalla loro spaziatura.

Se ci riferiamo alla classica linea di trasmissione a conduttori paralleli isolati in aria (trascurando cioè l’effetto del dielettrico di spaziatura). diretto di queste formule (opportunamente completate), esse stanno ad indicare che una linea con grossi conduttori poco spaziati presenterà una bassa impedenza caratteristica, mentre una con conduttori sottili e ben spaziati presenterà un’impedenza caratteristica relativamente elevata; i valori tipici in pratica reperibili possono essere fra 150 e 600 per le linee bifilari aperte e fra 25 e 95 per i cavi coassiali. Occorre ora cominciare ad occuparsi di linee reali, ovvero praticamente realizzate, le quali (tutte, chi più chi meno) presentano qualche perdita, sia dovuta alla resistenza propria dei conduttori (e magari all’effetto pelle) nonché alle (pur modeste) correnti di perdita che attraversano il materiale dielettrico interposto fra i conduttori; dobbiamo anche considerare, ora, che una vera linea di trasmissione non sarà infinitamente lunga e che (è ora di pensarci) sarà terminata su una qualche forma di impedenza di carico.

Linee adattate
Come già accennato, una linea di trasmissione reale non potrà essere infinitamente lunga, bensì avrà un suo valore bene definito di lunghezza ed il suo circuito potrà essere rappresentato dalla fig. 3-A. Nel caso in cui il carico sia costituito da una pura resistenza di valore uguale alla impedenza caratteristica di linea, tale linea si dice adattata. Il carico RL presente ora all’estremità di linea si comporta, per la corrente che vi viaggia, come se la linea stessa fosse infinitamente lunga, e comunque raggiunge regolarmente il carico resistivo, da cui viene completamente assorbita (e irradiata, se siamo nel caso di un’antenna adattata).

radiokit elettronica

 

 

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