APPUNTI DI ELETTROMAGNETISMO E RADIOTECNICA Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace 1
Si richiamano le definizioni delle leggi fondamentali, invitando l allievo ad approfondire in maniera autonoma sui testi in uso nel suo corso di studi. Tali nozioni saranno successivamente richiamate in argomenti di telecomunicazioni e sistemi di alimentazione primaria e secondaria dei satelliti. Conduttività: I materiali conduttori consentono il passaggio della corrente elettrica. I materiali isolanti non consentono il passaggio della corrente elettrica. I materiali semiconduttori posseggono proprietà conduttive intermedie fra i conduttori e gli isolanti. Corrente I = quantità di carica elettrica ( Q ) che transita in un conduttore nell'intervallo di tempo, cioè movimento di elettroni all'interno di un conduttore; l'unità di misura è l'ampere ( A) I = Q ( I in A; Q = coulomb; t = secondo) t Formula I = V ( V = volt; R = resistenza) R Tensione elettrica V = differenza di potenziale ( positivo, negativo) esistente fra due punti; l'unità di misura è il Volt ( V) Formula V = R x I ( LEGGE DI OHM) Resistenza R = caratteristica di un materiale con la quale si indica la proprietà fisica di opporsi al passaggio della corrente; l'unità di misura è l'ohm ( Ω ). Formula R = V ; simbolo elettrico I Potenza elettrica: rapporto tra il lavoro che il generatore deve compiere nell'unità di tempo per sostenere, entro il circuito, il flusso degli elettroni; l'unità di misura è il Watt ( W ). P = V x I cioè V 2 R Fattore di potenza: rapporto fra la potenza attiva P (quella effettivamente consumata) e la potenza apparente P a (quella totale assorbita dal circuito) Cos(φ) = P P a Campo elettrico: un campo di forze generato nello spazio dalla presenza di carica elettrica; l'intensità del campo elettrico si misura volt/metro ( V/m). Campo magnetico: quando un conduttore viene percorso da una corrente, intorno ad esso si genera un campo magnetico; l'unità di misura è l' ampere/metro (A/m). Campo elettromagnetico: Tra il campo elettrico e quello magnetico esiste una relazione strettissima: ogni variazione di uno di essi provoca la variazione dell'altro. In questo modo un campo elettrico oscillante genera un campo magnetico variabile in direzione ad esso perpendicolare e viceversa. I due campi strettamente legati prendono il nome di campo elettromagnetico. Le onde radio sono una delle applicazioni delle onde elettromagnetiche. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nello spazio libero è di 300.000 km/sec.(velocità della luce). La relazione che lega la lunghezza d onda ( λ ), cioè la lunghezza vera e propria ( fisica) del conduttore con la frequenza ( f ) è: λ = 3 * 10 8 cioè 300 ( λ in metri ) f(inhz) f(in Mhz) Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace 2
Segnali sinusoidali: un segnale sinusoidale è un segnale che varia nel tempo regolarmente e simmetricamente per le due semionde, che hanno quindi lunghezza e valore massimo identici e sono perfettamente sovrapponibili. Valori principali: Valore efficace V eff = 0,707 V max oppure V eff = 1,11 V m Valore medio V m = 0,636 V max Valore massimo ( o valore di picco ) V max = 1,41 V eff oppure V max = 1,57 V m 1) Tensione di picco; 2) Tensione picco-picco; 3) Valore efficace; 4) Periodo. I parametri di un segnale sinusoidale sono: periodo, frequenza e fase Periodo: il periodo T di un onda sinusoidale è dato dall intervallo di tempo intercorrente tra due punti consecutivi che manifestano la stessa fase elettrica; cioè è il tempo impiegato dal segnale per completare un ciclo. T = 1 (T si misura in secondi) f Frequenza: la frequenza di un segnale ( cioè il numero di periodi, o di cicli completi, in un secondo) è data dal reciproco del suo periodo,cioè la frequenza non è altro che l'inverso del periodo: f = 1 / T L unità di misura della frequenza ( f) è l Hertz (abbreviato Hz) Fase: la differenza di fase indica il ritardo (o anticipo) esistente tra due punti di uguale fase di segnali elettrici di uguale frequenza. Per le forme d'onda sinusoidali si introduce come grandezza anche la pulsazione che è espressa in radianti al secondo (rad/s) ed è indicata dalla lettera omega ω. Pulsazione: formula ω = 2 * π * f Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace 3
Modulazione di ampiezza Il segnale contenente l informazione, segnale modulante, produce una variazione dell ampiezza di un secondo segnale, detto segnale portante, proporzionale all ampiezza del segnale contenente l informazione (segnale audio). Nella modulazione di ampiezza si vengono a creare, rispetto alla frequenza del segnale portante, due bande laterali, simmetriche, contenenti lo spettro del segnale modulante, cioè il segnale AM è composto da due bande laterali ed una portante. Modulazione di ampiezza a banda laterale unica (SSB: single-sideband ) Nella modulazione di ampiezza si vengono a creare, rispetto alla frequenza del segnale portante, due bande laterali, simmetriche, contenenti lo spettro del segnale modulante. E' possibile sopprimere una delle due bande laterali ed il segnale della portante, pur senza perdere il contenuto dell informazione, ottenendo la modulazione di ampiezza a banda laterale unica denominata SSB, ovvero un segnale composto da una sola banda laterale. Il segnale DSB (doube-sideband) è composto da due bande laterali. Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace 4
Modulazione di frequenza Nella modulazione di frequenza il segnale contenente l informazione (segnale modulante, segnale audio) produce una variazione della frequenza del segnale portante (segnale modulato). Tale variazione è proporzionale all'ampiezza del segnale modulante. In pratica l'ampiezza del segnale modulante (segnale audio) è costante. Indice di modulazione (indica il livello di modulazione del segnale portante ad opera del segnale modulante). Nella modulazione di ampiezza rappresenta la massima variazione del segnale portante rispetto al suo valore in assenza di modulazione, cioè quando la percentuale di modulazione è del 100% circa. Comunque,al fine di evitare il fenomeno della sovramodulazione, l'indice di modulazione non deve superare l'unità, cioè 1. Esempio: Visto all Oscilloscopio apparirà l immagine dell inviluppo di modulazione di ampiezza come in figura: Se ad esempio si rilevano dallo schermo i valori A = 7,3 div e B = 3,2 div, si calcola il valore dell indice di modulazione: E quindi in percentuale: m % = 39 % Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace 5
NOTE FINALI sulla modulazione: Confronto tra AM e FM Per concludere lo studio sulla modulazione analogica possiamo fare alcune considerazioni sulle caratteristiche della AM e della FM. In AM l ampiezza del segnale modulato varia in funzione dell indice di modulazione adottato, mentre in FM è costante e indipendente dall indice di modulazione. Pertanto in FM si possono utilizzare amplificatori di potenza più efficienti. La FM è meno sensibile ai rumori, infatti opera nelle bande VHF (300MHz) e UHF (3GHz), e usa la propagazione per onda diretta. Ne consegue che il raggio di azione di un trasmettitore FM è più limitato, quindi la stessa frequenza può essere adoperata in aree geografiche differenti. L AM lavora invece nelle bande MF (3MHz) e HF (30MHz) e sfrutta la propagazione per onda di superficie o spaziale. L occupazione di banda della FM è più elevata dell AM e aumenta all aumentare della deviazione di frequenza. I mezzi utilizzati per la trasmissione e la ricezione in FM sono più complessi e costosi rispetto a quelli dell AM. Infine il raggio di azione più limitato dei trasmettitori FM può rappresentare una limitazione dovendo trasmettere a lunga distanza. Coordinatore del Progetto prof. Vito Potente Stesura a cura del docente ing. Marcello Surace 6