Linee di trasmissione bilanciate per segnali elettrici RF in regime di onda progressiva

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

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. II^a legge di Errante.

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.

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 perché 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