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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA La linea di Lecher. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante In elettronica, le linee Lecher o sistema Lecher sono coppie di fili o aste paralleli utilizzati per misurare la lunghezza delle onde radio principalmente nelle gamme UHF e microonde. Questi fili formano una linea di trasmissione corta ed equilibrata. Quando sono collegate a una fonte di energia ad alta frequenza, come un trasmettitore radio, le onde radio formano onde stazionarie lungo l'intera lunghezza della linea di trasmissione. Spostando il ponticello conduttivo (ponte) che cortocircuita entrambi i fili del sistema, è possibile misurare fisicamente la lunghezza d'onda. Il fisico austriaco Ernst Lecher, migliorando i metodi utilizzati da Oliver Lodge e Heinrich Hertz, sviluppò il proprio metodo per misurare la lunghezza d'onda intorno al 1888. Oggi sono disponibili tecniche di misurazione della frequenza più avanzate e le linee Lecher sono ora più comunemente utilizzate come elementi circuitali quando utilizzate in apparecchiature ad alta frequenza, come televisori. Le linee Lecher sono utilizzate come circuiti risonanti, nei filtri notch e nei dispositivi di adattamento dell'impedenza. Vengono utilizzati nelle frequenze comprese tra le bande HF/VHF, dove vengono utilizzati componenti concentrati, e nelle bande UHF/microonde, dove vengono utilizzati risonatori a cavità. Misurazione della lunghezza d'onda Una linea Lecher è una coppia di fili o aste parallele non isolate poste a una distanza fissa l'una dall'altra. La distanza tra i conduttori non è critica, ma dovrebbe essere una piccola frazione della lunghezza d'onda. Questa distanza può variare da meno di un centimetro a 10 cm o più. La lunghezza dei fili dipende dalla lunghezza d'onda effettiva; Le linee utilizzate per le misurazioni sono generalmente molte volte più lunghe della lunghezza d'onda misurata. La spaziatura uniforme tra i fili li rende linee di trasmissione che trasmettono onde radio a una velocità costante, molto vicina alla velocità della luce. Un'estremità della linea è collegata a una sorgente di segnale RF, come l'uscita di un trasmettitore radio. L'altra estremità della linea è cortocircuitata attraverso un conduttore mobile. Questo ponte di chiusura riflette le onde. Le onde riflesse dall'estremità in cortocircuito della linea interagiscono con le onde in arrivo, creando onde stazionarie sinusoidali di tensione e corrente sulla linea. La tensione scende a zero nei nodi situati a una distanza multipla della metà della lunghezza d'onda dall'estremità della linea. I massimi di tensione, chiamati antinodi, si trovano a metà strada tra i nodi. Pertanto, la lunghezza d'onda λ può essere determinata trovando due nodi (o antinodi) successivi e misurando la distanza tra loro, che deve essere moltiplicata per due. La frequenza F può essere calcolata conoscendo la lunghezza d'onda e la sua velocità, e conoscendo la velocità della luce C: F=C/λ I nodi vengono solitamente utilizzati per le misurazioni, poiché appaiono più nitidi degli antinodi e, di conseguenza, la precisione della misurazione sarà maggiore. Ricerca del nodo Per cercare i nodi vengono utilizzati due metodi. Uno consiste nell'utilizzare indicatori di tensione come un voltmetro RF o una semplice lampadina a incandescenza collegata a una coppia di contatti che scorrono su e giù lungo i fili. Quando la lampadina raggiunge il nodo, la tensione tra i fili diventa zero, quindi la luce si spegne. Uno degli svantaggi di questo metodo è che l'indicatore può influenzare l'onda stazionaria sulla linea, il che porta alla sua ri-riflessione. Per evitare ciò è necessario utilizzare un indicatore con un'elevata impedenza di ingresso; una normale lampada a incandescenza ha un'impedenza troppo bassa. Lecher e altri ricercatori usarono tubi Heusler lunghi e sottili (Fig. 1), il cui bulbo di vetro era posizionato direttamente sulla linea. Nei vecchi trasmettitori, l'alta tensione eccitava una scarica luminescente nel gas. Al giorno d'oggi vengono spesso utilizzate piccole lampade al neon. Uno dei problemi legati all'utilizzo delle lampade a scarica ad incandescenza è la loro elevata tensione di accensione, che rende difficile localizzare con precisione la tensione minima. I misuratori di lunghezza d'onda di precisione utilizzano un voltmetro RF. Un altro metodo per trovare i nodi è necessario spostare il ponte di chiusura lungo la linea e misurare la corrente RF che scorre nella linea utilizzando un amperometro RF collegato alla linea di alimentazione. La corrente in una linea Lecher, come la tensione, forma onde stazionarie con nodi (punti di corrente minima) a ciascuna semilunghezza d'onda. Perché una linea rappresenta un'impedenza alla fonte di energia RF che la alimenta e questa impedenza varia con la lunghezza della linea. Quando il nodo corrente si trova all'inizio della linea, la corrente consumata dalla sorgente sarà minima, come mostrerà l'amperometro. Se sposti ulteriormente il ponte di chiusura lungo la linea e segni due punti con una corrente minima, la distanza tra questi due minimi sarà pari alla metà della lunghezza d'onda.
Le onde radio create da un generatore basato su uno spinterometro Hertz (nella figura a destra) si muovono lungo fili paralleli. I fili sono chiusi tra loro (nella figura a sinistra), le onde riflesse ricorrono lungo i fili verso il generatore, creando onde di tensione stazionarie lungo la linea. La tensione tende a zero nei nodi posti ad una distanza multipla della metà della lunghezza d'onda dall'estremità della linea. I nodi sono stati trovati spostando un tubo di Heussler - un piccolo tubo a scarica di bagliore, come una lampada al neon - lungo una linea (due di questi tubi sono mostrati nella figura). L'alta tensione sulla linea fa sì che il tubo si illumini. Quando il tubo raggiunge il nodo la tensione tende a zero e il tubo si spegne. La distanza misurata tra due nodi adiacenti viene moltiplicata per due per ottenere la lunghezza d'onda λ. Nella figura la linea è mostrata accorciata; la lunghezza effettiva della linea era di 6 metri. Le onde radio prodotte dal generatore erano nella gamma VHF e avevano una lunghezza d'onda di diversi metri. Il riquadro mostra i tipi di tubi Geissler utilizzati con le linee Lecher. disegno L'attrattiva principale della linea Lecher è che può misurare la frequenza senza l'uso di componenti elettronici complessi e la linea può essere facilmente assemblata con materiali semplici venduti in un normale negozio. Una linea Lecher per misurare la lunghezza d'onda è solitamente costruita su un telaio su cui sono fissati rigidamente conduttori posizionati orizzontalmente, lungo il quale si muove un ponte di chiusura o indicatore e una scala di misurazione su cui viene determinata la distanza tra i nodi. Il telaio è solitamente realizzato con materiali non conduttivi come il legno, poiché qualsiasi oggetto conduttivo vicino alla linea può interrompere il regime delle onde stazionarie. Per molti aspetti la linea di Lecher è una versione elettrica dell'esperimento del tubo di Kundt, utilizzato per misurare la lunghezza delle onde sonore. Misurare la velocità della luce Se la frequenza F di un'onda radio è nota, misurando la lunghezza d'onda λ utilizzando la linea di Lecher, possiamo calcolare la velocità dell'onda C, che è approssimativamente uguale alla velocità della luce: C=λ*F Nel 1891, il fisico francese Prosper-René Blondlot, utilizzando questo metodo, effettuò le prime misurazioni della velocità di propagazione delle onde radio. Utilizzò 13 frequenze diverse tra 10 e 30 MHz e ottenne un valore medio di 297600 km/sec, un risultato che rientrava nell'1% della velocità effettiva della luce. Questa fu un'importante conferma della teoria di James Clerk Maxwell secondo cui anche la luce è un'onda elettromagnetica, come le onde radio. Applicazione in altri campi Le linee corte di Lecher vengono spesso utilizzate come circuiti risonanti di alta qualità, chiamati loop di sintonia o risonanti. Ad esempio, una linea Lecher corta a quarto d'onda (λ/4) agisce come un circuito risonante parallelo, avendo un'alta impedenza alla sua frequenza di risonanza e una bassa impedenza alle altre frequenze. Vengono utilizzati perché a frequenze nell'ordine dei decimetri (10 cm...1 m) nei circuiti risonanti sono necessarie piccole induttanze e capacità, il che li rende difficili da produrre e, inoltre, sono molto sensibili ai parassiti capacità e induttanze. L'unica differenza tra le linee di trasmissione chiuse e i circuiti LC convenzionali è che una linea di trasmissione chiusa (stub risonante), come una linea Lecher, ha diverse risonanze a frequenze dispari che sono multipli della frequenza di risonanza fondamentale, mentre i circuiti LC concentrati ne hanno solo una frequenza di risonanza. Alimentazione di amplificatori di potenza ad alta frequenza Le linee Lecher possono essere utilizzate per circuiti risonanti negli amplificatori di potenza a microonde.] Ad esempio, un amplificatore a doppio tetrodo (QQV03-20) ad una frequenza di 432 MHz è descritto da G. R. Jessop nel libro di consultazione (GR Jessop, VHF UHF manual, RSGB , Potters Bar, 1983 ), utilizza la linea Lecher nel circuito dell'anodo come circuito risonante.
sintonizzatori TV Le linee Lecher a quarto d'onda sono utilizzate nei circuiti risonanti degli amplificatori RF e negli oscillatori locali in alcuni modelli di televisori moderni. La sintonizzazione su varie emittenti televisive viene effettuata utilizzando un varicap collegato ad entrambi i conduttori della linea Lecher. Impedenza della linea Lecher La spaziatura dei conduttori del sistema Lecher non influisce sulla posizione delle onde stazionarie sulla linea, ma determina l'impedenza caratteristica, che può essere importante per adattare la linea alla fonte di energia ad alta frequenza per un'efficiente trasmissione di potenza. Per due conduttori cilindrici paralleli di diametro d e distanti tra loro D, l'impedenza caratteristica della linea sarà pari a:
Per i fili paralleli, la formula per la capacità dove L è la lunghezza, C è la capacità per metro
donde
Come linee Lecher a lunghezza fissa (loop risonante) possono essere utilizzati cavi piatti a nastro da 300 e 450 Ohm disponibili in commercio (ad es. linea telefonica bifilare).
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