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Se hai un interesse scientifico in materia di fisica della radio, visiona questo sito internet nell'ordine consigliato!

Apparato di Errante
per la fisica delle linee di trasmissione bilanciate per segnali elettrici a radio frequenza .

Premessa: sebbene quando ci si riferisce alle linee di trasmissione bilanciate si tenda a pensare ad una linea formata da un paio di conduttori elettrici identici e paralleli tra di loro, comunemente dette "linee bifilari", bisogna tenere presente che le linee di trasmissione bilanciate possono anche essere composte da un qualsiasi numero pari di conduttori atti a condurre uno stesso numero di correnti in un arrangiamento multi-fase. (L'arrangiamento di correnti poli-fase é stato introdotto in elettrotecnica da Nikola Tesla)
Le linee di trasmissione bilanciate possono essere sia simmetriche che asimmetriche .

Francesco Errante

Definizione di linea di trasmissione bilanciata:   "una linea di trasmissione per segnali elettrici è elettricamente bilanciata quando la stessa non interviene a modificare lo sfasamento delle correnti che la attraversano ed ognuno dei suoi conduttori trasferisce la stessa quantita' di energia per unita' di tempo (potenza)."

Francesco Errante

Definizione di linea di trasmissione bilanciata simmetrica:   "una linea di trasmissione per segnali elettrici elettricamente bilanciata è simmetrica quando è formata da conduttori elettrici che esibiscono lo stesso valore di impedenza rispetto alla terra od al nodo di terra virtuale."

Francesco Errante

Definizione di linea di trasmissione bilanciata a-simmetrica:   "una linea di trasmissione per segnali elettrici elettricamente bilanciata è a-simmetrica quando è formata da conduttori elettrici che NON esibiscono lo stesso valore di impedenza rispetto alla terra od al nodo di terra virtuale."

Francesco Errante

Io principio di Errante per le linee di trasmissione:   "una linea di trasmissione per segnali radioelettrici, sia essa bilanciata o sbilanciata, se in regime di onda progressiva, è sempre a-periodica."

Francesco Errante

IIo principio di Errante per le linee di trasmissione: "una qualsiasi linea di trasmissione per segnali radioelettrici può essere convertita da bilanciata in sbilanciata e viceversa, infinite volte."

Francesco Errante

IIIo principio di Errante per le linee di trasmissione: "In ogni punto di una qualsiasi linea di trasmissione per segnali radiolettrici, sia essa bilanciata che sbilanciata, è sempre possibile generare un nodo di terra virtuale."

Francesco Errante

IIa legge di Errante applicata alle linee di trasmissione "una linea di trasmissione per segnali radioelettrici, sia essa bilanciata che sbilanciata, se in regime di onda progressiva, non origina radiazione hertziana."

Francesco Errante

 

L'apparato ed il metodo di misura qui presentati permettono di analizzare il comportamento elettrico delle linee di trasmissione bilanciate per segnali elettrici a radio frequenza in regime di onda progressiva ed in particolare hanno lo scopo di:

a) dimostrare che le linee di trasmissione bilanciate sono a-periodiche;

b) dimostrare che le linee di trasmissione bilanciate possono essere convertite in sbilanciate e viceversa, infinite volte;

c) dimostrare che è sempre possibile generare un nodo di terra virtuale in ogni punto di una qualsiasi linea di trasmissione;

d) dimostrare che le linee di trasmissione bilanciate, se perfettamente adattate, sia alla sorgente RF che al carico, NON originano radiazione hertziana. IIa legge di Errante.

 

Sistema di misura bilanciato-bilanciato sottoposto a verifica iniziale della linearità della sua risposta in frequenza
Linea bilanciata a 300 Ohm terminata su carico bilanciato reattivo da 300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica
Sistema di misura misura per la verifica della linearità della risposta in frequenza di un generatore di nodo virtuale per linee bilanciate a 300 Ohm

 

Le linee di trasmissione bilanciate per segnali elettrici a radio frequenza sono generalmente costituite, in modo omogeneo, da due conduttori elettrici identici e paralleli non schermati ma possono essere costituite anche da un numero maggiore di conduttori sia liberi che schermati.  

ANTENNA RADIO RICE-TRASMITTENTE MONOPOLARE CON TERRA VIRTUALE - Antenna Errante

Esempio di impiego di linea elettricamente bilanciata formata da 2 cavi coassiali(7) a schermatura individuale - Copyright © 2003 - Francesco Errante

 

Errante's capacitive RF earth grounding system applied to the RF transmission line

Errante's ONE-WIRE UNBALANCED RF TRANSMISSION LINE, employing Errante's CAPACITIVE RF EARTH GROUNDING SYSTEM - Copyright © 2009 - Francesco Errante

 

Una linea di trasmissione per segnali elettrici è elettricamente bilanciata quando la stessa non interviene a modificare lo sfasamento delle correnti che la attraversano.
Perché ciò sia possibile e' necessario che tutti i conduttori che costituiscono la linea siano identici e che la linea stessa sia perfettamente adattata sia al suo ingresso che alla sua uscita, ciò vuol dire che l'impedenza caratteristica della linea deve essere uguale sia all'impedenza di uscita della fonte del segnale a radio frequenza che all'impedenza del carico, sia esso reattivo o anti-induttivo. Una linea di trasmissione correttamente adattata, quando è in esercizio, si trova in regime di onda progressiva e si ha il massimo trasferimento energetico possibile al carico ed assenza di radiazione hertziana.

Laddove la linea viaggi in stretta prossimità della terra fisica, è anche indispensabile che i suoi conduttori siano equidistanti dalla stessa al fine di mantenerne costante il loro accoppiamento capacitivo con essa.
A parità di distanza interassiale tra i conduttori della linea, la sua impedenza caratteristica diminuisce col diminuire della distanza dalla terra fisica. Ciò è dovuto all'accoppiamento capacitivo tra i conduttori della linea e la terra fisica che si somma alla capacità elettrica parassita, sempre presente tra i conduttori della linea stessa.
Le linee bilanciate, debitamente isolate, possono viaggiare rasoterra o addirittura interrate. In questi casi, lo stretto accoppiamento capacitivo tra i conduttori della linea e la terra rende trascurabile le capacità parassite tra i conduttori della linea stessa e non necessiterà più che questi ultimi viaggino paralleli, ma devono comunque essere identici, eccetto quando formino una linea bilanciata a-simmetrica.

Le linee di trasmissione elettricamente bilanciate possono anche essere geometricamente ed elettricamente a-simmetriche.
Una linea bilanciata a-simmetrica è così definita: "una linea di trasmissione per segnali elettrici elettricamente bilanciata è a-simmetrica quando la stessa non interviene a modificare lo sfasamento delle correnti che la attraversano ed è formata da conduttori elettrici che non esibiscono lo stesso valore di impedenza rispetto alla terra od al nodo di terra virtuale. Copyright 2008 Francesco Errante".
Lo stretto accoppiamento con la terra limita, però, l'impiego di linee rasoterra ai sistemi per basse e medie potenze, dove le tensioni in gioco non richiedono grossi isolamenti.

Con il progredire delle tecnologie per le costruzioni radioelettriche, le linee sbilanciate in cavo co-assiale hanno, via via, soppiantato le linee di trasmissione bilanciate nella maggior parte delle applicazioni ad eccezione di quelle per altissime potenze.

Un caso notevole di linea di trasmissione bilanciata che ricorre frequentemente fin dagli albori della radiotecnica è dato dal loro impiego per l'alimentazione delle antenne a dipolo ripiegato a mezz'onda. Ciò perchè alle utili proprietà del dipolo ripiegato a mezz'onda si unisce la facilità di realizzazione delle linee bilanciate a 300 Ohm. (come analogamente avviene per i dipoli a mezz'onda a più archi che presentano impedenze caratteristiche multiple di 300 Ohm)

Le grossolane osservazioni fatte senza alcun rigore scientifico e la troppa facilità con la quale è possibile alimentare un dipolo ripiegato a mezz'onda con un tratto di linea bifilare a 300 Ohm ha portato tutti, fin ora, ad erroneamente desumere e/o accettare che le linee bilanciate fossero esse stesse risonanti e che pertanto si dovesse provvedere a neutralizzarne gli effetti con l'allungamento o accorciamento delle stesse. Questo e' falso!
Al dilagare di queste “credenze” ha contribuito anche l’errata interpretazione da parte di molti dell’esperimento di Ernst Lecher. La linea di Lecher, infatti, evidenzia il comportamento elettrico di una linea bifilare in regime di onda stazionaria ed il suo impiego come ondametro è vano se la linea è invece in regime di onda progressiva (VSWR = 1:1) .

L'illusione strumentale che le linee bilanciate siano risonanti è data dal fatto che non essendovi un netto punto di confine tra il carico reattivo, nella fattispecie il dipolo ripiegato a mezz'onda, ed il tratto di linea bifilare che lo alimenta, i segnali elettrici vedono il loro percorso variare in lunghezza al variare della lunghezza della linea stessa con il risultato di spostare con ciclicità il punto di risonanza risultante del sistema stesso.

In verità, se in un sistema costituito da fonte di segnale bilanciato, linea bilanciata e radiatore si sostituisce il carico reattivo, costituito dall'antenna, con un carico anti-induttivo di pari impedenza (carico fittizio) od un carico reattivo perfettamente adattato, l'illusione della risonanza della linea bilanciata scompare ed il sistema ritorna ad essere a-periodico, come dimostrato qui appresso.


Qui appresso e' riportata la sequenza logica delle misure ed i relativi esiti:


Queste misure, con la dovuta attrezzatura, possono essere eseguite in tre modi:

1) mantenendo costante la lunghezza d'onda del segnale radioelettrico di prova e variando la lunghezza fisica della linea bilanciata;
2) mantenendo fissa la lunghezza fisica della linea bilanciata e variando la lunghezza d'onda del segnale radioelettrico di prova;
3) variando sistematicamente sia la lunghezza fisica della linea bilanciata che la lunghezza d'onda del segnale radioelettrico di prova.

Il secondo modo e' di gran lunga il più conveniente e veloce, quindi si è utilizzata una linea bilanciata a 300 Ohm di lunghezza fisica fissa e si è proceduto alle misure riflessometriche variando la lunghezza d'onda del segnale radielettrico di prova.

Si noti, inoltre, che queste misure si possono eseguire su qualsiasi spettro di frequenze radio, ma risulta conveniente operarle sullo spettro delle onde corte, ciò perche le stesse permettono, tra l' altro, una maggiore escursione di lunghezza d'onda a parità di variazione di frequenza. Tutti i risultati delle misure qui condotte sono, quindi, estendibili a tutto lo spettro delle radio onde.


NB: Tutti i dispositivi qui utilizzati per l'ottenimento di nodi di terra virtuale determinano un netto confine per i segnali a RF tra linee e radiatori o tra linee e linee, mentre garantiscono sempre una totale continuità galvanica tra tutti i circuiti ad essi collegati, assicurando un solido percorso di terra comune che può essere, all'occorrenza, collegato alle terra fisica. Vedi anche: generatore di terra virtuale per linee sbilanciate

Verifica sperimentale del comportamento a-periodico delle linee bilanciate in regime di onda progressiva

OPERAZIONE PRELIMINARE: il sistema di misura bilanciato-bilanciato viene sottoposto a verifica iniziale della linearità della sua risposta in frequenza.

Sistema di misura bilanciato-bilanciato sottoposto a verifica iniziale della linearità della sua risposta in frequenza

Da sinistra verso destra: linea di TX co-assiale 50 Ohm - sonda ROSmetrica - BalUn 50/300 Ohm - breve tratto di linea bifilare simmetrica - BalUn 300/50 Ohm - Carico fittizio 50 Ohm.
Frequenze di prova: da 1,8 a 30 MHz a passi da 100 KHz
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   su tutto lo spettro
Esito: OK! Il sistema esibisce una risposta piatta entro lo spettro di misura richiesto per questa verifica.


 

Linea bilanciata a 300 Ohm, alimentata da fonte bilanciata a 300 Ohm, terminata su carico fittizio da 300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica

Linea bilanciata a 300 Ohm terminata su carico fittizio da 300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica


Da sinistra verso destra: BalUn 50/300 Ohm - linea bifilare simmetrica da 300 Ohm, lunga metri 4 ca. - Carico fittizio 300 Ohm.
Frequenze di prova: da 1,8 a 30 MHz a passi da 100 KHz
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   su tutto lo spettro
Esito: l'aperiodicità della linea è verificata.
N.B. Le misurazioni sono state ripetute con la linea in aria.


 

Lo stesso avviene se la linea è terminata su un carico reattivo (BalUn di Errante) ed il segnale sbilanciato così ottenuto viene soppresso su idoneo carico anti-induttivo (carico fittizio), cio' a comprova del comporamento a-periodico delle linee bilanciate anche su una terminazione reattiva.

Linea bilanciata a 300 Ohm, alimentata da fonte bilanciata a 300 Ohm, terminata su carico bilanciato reattivo da 300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica

Linea bilanciata a 300 Ohm terminata su carico bilanciato reattivo da 300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica

Da sinistra verso destra: linea di TX co-assiale 50 Ohm - sonda ROSmetrica - BalUn 50/300 Ohm - linea bifilare simmetrica da 300 Ohm, lunga m 4 ca. - BalUn 300/50 Ohm - Carico fittizio 50 Ohm.
Frequenze di prova: da 1,8 a 30 MHz a passi da 100 KHz
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   su tutto lo spettro
Esito: l'aperiodicità della linea è verificata.
N.B. Le misurazioni sono state ripetute con la linea in aria.


 

E così pure avviene se la linea è disaccoppiata dal carico anti-induttivo mediante un generatore di nodo di terra virtuale per linee bilanciate, di pari impedenza (BVGNG di Errante).

Linea bilanciata a 300 Ohm, alimentata da fonte bilanciata a 300 Ohm, disaccoppiata dal carico fittizio mediante generatore di nodo di terra virtuale per linee bilanciate e sottoposta a misura rosmetrica

Linea bilanciata a 300 Ohm disaccoppiata dal carico fittizio mediante generatore di nodo di terra virtuale per linee bilanciate e sottoposta a misura rosmetrica

Da sinistra verso destra: BalUn 50/300 Ohm - linea bifilare simmetrica da 300 Ohm, lunga metri 4 ca. - Errante's 300/300 Ohm B.V.G.N.G - Carico fittizio 300 Ohm.
Frequenze di prova: da 1,8 a 30 MHz a passi da 100 KHz
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   su tutto lo spettro
Esito: l'aperiodicità della linea è verificata.
N.B. Le misurazioni sono state ripetute con la linea in aria.


 

Ed in fine, mediante l'impiego del circuito radioelettrico per la generazione del nodo di terra per sistemi bilanciati, è stato possibile dimostrare che le linee bilanciate, se opportunamente disaccoppiate dai radiatori, hanno sempre un comportamento a-periodico, come mostrato qui di seguito:

Linea bilanciata a 300 Ohm terminata su dipolo bilanciato attraverso un BVGNG da 300/300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica

Linea bilanciata a 300 Ohm, alimentata da fonte bilanciata a 300 Ohm, terminata su dipolo bilanciato attraverso un BVGNG di Errante da 300/300 Ohm e sottoposta a misura rosmetrica

1a misura
Scopo: individuazione del punto di risonanza naturale del dipolo in esame.

Condizioni: alimentazione del dipolo via cavo co-assiale mediante BalUn 50/300 Ohm, con terra virtuale.
Frequenze di prova: centro della gamma di lavoro del dipolo ripiegato - MHz 22,9
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   @ MHz 22,9
Esito: accertato centro della gamma di lavoro del dipolo ripiegato - MHz 22,9



2a misura
Scopo: individuazione del nuovo punto di risonanza del sistema linea-dipolo.

Condizioni: alimentazione diretta del dipolo mediante tratto di linea bilanciata a 300 Ohm
Frequenze di prova: NUOVO centro della gamma di lavoro del dipolo ripiegato - MHz 23,5
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   @ MHz 23,5
Esito: rilevato slittamento del centro della gamma di lavoro del dipolo ripiegato MHz 23,5.



3a misura
Scopo: individuazione del nuovo punto di risonanza del sistema linea-dipolo, disaccoppiati tra di loro.

Condizioni: alimentazione del dipolo mediante linea bilanciata a 300 Ohm ma disaccoppiata tramite l'impiego di un generatore di nodo di terra virtuale per linee bilanciate 300/300 Ohm
Frequenze di prova: centro della gamma di lavoro del dipolo ripiegato - MHz 22,9
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   @ MHz 22,9
Esito:
1) rilevato il ripristino del centro della gamma di lavoro del dipolo.
2) l'aperiodicità della linea è verificata.


 

 

Verifica sperimentale della NON INSORGENZA di radiazione hertziana nelle line bilanciate in regime di onda progressiva.
IIa Legge di Errante

 

Si e' sottoposta una linea di trasmissione bilanciata, perfettamente adattata, in esercizio (potenza impiegata 1 Kilowatt RF) a rilevazione della radiazione hertziana col metodo della radioluminescenza.
Si è, così, osservato e dimostrato che non vi è insorgenza di radiazione hertziana quando una linea di trasmissione si trova in regime di onda progressiva.

 

Linea bilanciata a 300 Ohm, debitamemente adattata, terminata su carico reattivo non radiante, sottoposta a misura radioscopica.

Linea bilanciata a 300 Ohm, debitamemente adattata, sottoposta a misura radioscopica. Verifica della IIa Legge di Errante
Linea bilanciata a 300 Ohm, debitamemente adattata, sottoposta a misura radioscopica. Verifica della IIa Legge di Errante

Da sinistra verso destra: Carico fittizio 50 Ohm - BalUn 50/300 - linea bifilare simmetrica da 300 Ohm, lunga metri 4 ca.
Frequenze di prova: da 1,8 a 30 MHz a passi da 100 KHz
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. misurato:   1:1   su tutto lo spettro
Esito: la linea NON irradia.


 

Linea bilanciata a 300 Ohm, debitamemente adattata, terminata su dipolo ripiegato a mezz'onda, sottoposta a misura radioscopica. Misure effettuate a bassa ed alta potenza (Freq. 25,5 MHz - 1 KW cw).

Linea bilanciata a 300 Ohm disaccoppiata dal dipolo ripiegato mediante BVGNG e sottoposta a misura radioscopica a bassa potenza. Verifica della IIa Legge di Errante
Linea bilanciata a 300 Ohm disaccoppiata dal dipolo ripiegato mediante BVGNG e sottoposta a misura radioscopica ad alta potenza. Verifica della IIa Legge di Errante
Linea bilanciata a 300 Ohm disaccoppiata dal dipolo ripiegato mediante BVGNG e sottoposta a misura radioscopica ad alta potenza. Verifica della IIa Legge di Errante

 

Radiazione hertziana prodotta da linea bilanciata deliberatamente posta in regime di onda stazionaria.

Si è deliberatamente imposto un regime di onda stazionaria (R.O.S. 1:1,7) sulla linea di trasmissione utilizzata in precedenza, mediante un disadattamento sull'uscita della linea stessa, sostituendo il BalUn 50/300 Ohm con uno da 50/150 Ohm.
Si è, così, ossevata e dimostrata l'insorgenza di radiazione hertziana su linea di trasmissione in regime di onda stazionaria.

Linea bifilare in regime di onda stazionaria sottoposta a misura radioscopica e rosmetrica

Da sinistra verso destra: Carico fittizio 50 Ohm - BalUn 50/150 - linea bifilare simmetrica da 300 Ohm, lunga metri 4 ca.
Frequenze di prova: da 1,8 a 30 MHz a passi da 1 MHz
Potenza RF impiegata: 1 KW cw
R.O.S. minimo misurato:   1:1,7
Esito: la linea IRRADIA.

Linea bifilare in regime di onda stazionaria sottoposta a misura radioscopica e rosmetrica

Altra veduta di un tratto della linea bifilare, in regime di onda stazionaria, mostrata sopra

 

 

 

An interactive impedance mismatch spectral simulation
by
Agilent Technologies

General Instructions

This spectral simulation is an interactive Java applet. You can change parameters by clicking on the vertical arrow keys. The five control buttons at the lower right are used to start (triangle) and pause (square) the simulation, to skip forward or back one section at a time (double triangles), and to change speed (+ and -).

After the simulation is complete, the start button takes you back to the beginning of the simulation. You may experience a delay at this point.

Wave Propagation along a Transmission Line

When a sine wave from an RF signal generator is placed on a transmission line, the signal propagates toward the load. This signal, shown here in yellow, appears as a set of rotating vectors, one at each point on the transmission line.

In our example, the transmission line has a characteristic impedance of 50 ohms. If we choose a load of 50 ohms, then the amplitude of the signal will not vary with position along the line. Only the phase will vary along the line, as shown by the rotating vectors in yellow.

If the load impedance does not perfectly match the characteristic impedance of the line, there will be a reflected signal that propagates toward the source. At any point along the transmission line, that signal also appears to be a constant voltage whose phase is dependent upon physical position along the line.

The voltage seen at one particular point on the line will be the vector sum of the transmitted and reflected sinusoids. We can demonstrate this by looking at two examples.

Example 1: Perfect Match: 50 Ohms

Set the terminating resistor to 50 ohms by using the "down arrow" dialog box. Notice there is no reflection. We have a perfect match. Each rotating vector has a normalized amplitude of 1. If we were to observe the waveform at any point with a perfect measuring instrument, we would see equal sine wave amplitudes anywhere along the transmission line. The signal amplitudes are indicated by the green line.

Example 2: Mismatched Load: 200 Ohms

Now let's intentionally create a mismatched load. Set the terminating resistor to 200 ohms by using the down arrow. Hit the PLAY button and notice the change in the reflected waveform. If it were possible to measure just the reflected wave, we would see that its amplitude does not vary with position along the line. The only difference between the reflected (blue) signal, say at point "z6" and point "z4", is the phase.

But the amplitude of the resultant waveform, indicated by the standing wave (green), is not constant along the entire line because the transmitted and reflected signals (yellow and blue) combine. Since the phase between the transmitted and reflected signals varies with position along the line, the vector sums will be different, creating what's called a "standing wave".

With the load impedance at 200 ohms, a measuring device placed at point z6 would show a sine wave of constant amplitude. The sine wave at point z4 would also be of constant amplitude, but its amplitude would differ from that of the signal at point z6. And the two would be out of phase with each other. Again, the difference is shown by the green line, which indicates the amplitude at that point on the transmission line.

The impedance along the line also changes, as shown by the points labeled z1 through z7.

VSWR

The VSWR, or Voltage Standing Wave Ratio, is the ratio of the highest amplitude signal to the lowest amplitude signal, as measured along the transmission line. A "perfect" VSWR is 1.

© Agilent 1997-

 

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