15.5 Appendici
15.5.1 Potenza assorbita da un bipolo↓
La dimostrazione inizia definendo una potenza
istantanea
assorbita dal bipolo come
w(t) = v(t)i(t) = v(t)⋅(v(t)*y(t)). La potenza
media (nel
tempo) allora risulta
Wz
=
limΔt → ∞(1)/(Δt)Δt
⁄ 2⌠⌡ − Δt ⁄ 2w(t)dt =
=
limΔt → ∞(1)/(Δt)Δt
⁄ 2⌠⌡ − Δt ⁄ 2v(t)[∞⌠⌡ − ∞v(t
− τ)y(τ)dτ]dt
=
=
∞⌠⌡ − ∞y(τ)⎡⎣ limΔt → ∞(1)/(Δt)Δt
⁄ 2⌠⌡ − Δt ⁄ 2v(t)v(t
− τ)dt⎤⎦dτ
=
∞⌠⌡ − ∞y(τ)ℛv( − τ)dτ
= ∞⌠⌡ − ∞Y(f)Pv(f)df =
=
∞⌠⌡ − ∞[ℜ{Y(f)} + jℑ{Y(f)}]Pv(f)df
=
=
∞⌠⌡ − ∞Pv(f)(R(f))/(|Z(f)|2)df
Nel terzultimo passaggio si è fatto uso del teorema di Parseval, e del
fatto che
ℛv(τ) è pari; nell’ultimo, si è tenuto
conto che
Pv(f),
R(f) e
|Z(f)|2 = R2(f) + X2(f) sono funzioni pari di
f,
mentre
X(f) è dispari: pertanto il termine
∫∞ −
∞ℑ{Y(f)}Pv(f)df
= ∫∞ − ∞Pv(f)(X(f))/(|Z(f)|2)df è nullo. Notiamo
che quest’ultimo termine rappresenta la
potenza reattiva, che
non è trasformata in altre forme di energia, e viene accumulata e
restituita dalla componente reattiva del carico. Al contrario, il
termine relativo a
ℜ{Y(f)} rappresenta la potenza assorbita
dalla componente resistiva, nota come
potenza attiva, che viene
completamente dissipata.
Avendo espresso la potenza assorbita Wz
nella forma di un integrale in f,
la funzione integranda è intuitivamente associabile allo spettro di
densità di potenza: Wz(f) = Pv(f)(R(f))/(|Z(f)|2). Lo stesso risultato può
essere confermato svolgendo il seguente calcolo più diretto, pensando al
bipolo come ad un filtro la cui grandezza di ingresso è v(t)
e quella di uscita i(t).
La definizione di potenza media
Wz
= limΔt
→ ∞(1)/(Δt)∫Δt ⁄ 2 − Δt
⁄ 2w(t)dt, in cui
w(t) = v(t)i(t),
mostra come questa sia equivalente alla funzione di intercorrelazione
tra
i e
v
calcolata in
τ = 0:
Wz = ℛvi(0).
Allora, è ragionevole assumere che
Wz(f) = ℱ{ℛvi(τ)}.
Indicando infatti con
⊗ l’integrale di
intercorrelazione, e ricordando che gli operatori di convoluzione e
correlazione godono della proprietà commutativa, possiamo scrivere
ℛvi(τ)
= v(t)⊗i(t) = v(t)⊗(v(t)*y(t)) = (v(t)⊗v(t))*y(t) = ℛv(τ)*y(t)
quindi, risulta che
Wz(f) = ℱ{ℛvi(τ)} = Pv(f)Y(f) = Pv(f)(R(f) − jX(f))/(|Z(f)|2)
In base alle stesse considerazioni già svolte, si verifica come il
termine immaginario non contribuisce alla potenza media assorbita, e
quindi può essere omesso dalla definizione di
potenza attiva↓ Wz(f).
15.5.2 Condizioni per
il massimo trasferimento di potenza↓
Svolgiamo per intero la dimostrazione delle
(16.65↑). Verifichiamo subito che, mantenendo
Zg(f) fisso e per qualunque valore di
Rc(f), la potenza ceduta ad un carico
espressa dalla
(16.64↑):
Wzc(f) = Pvg(f)(Rc(f))/(|Zc(f) +
Zg(f)|2) risulta massima se il suo
denominatore è il più piccolo possibile, e ciò si verifica quando
Xc(f) = − Xg(f), ed in tal caso risulta
Per individuare ora la condizione su
Rc(f)
che rende minimo il denominatore (e dunque
Wzc(f)
massima), eseguiamone la derivata rispetto ad
Rc
(omettendo per brevità la dipendenza da
f)
ed eguagliamola a zero:
che fornisce la condizione
Rc(f) = ±Rg(f)
in cui il valore negativo viene scartato mentre quello positivo, assieme
alla condizione
Xc(f) = − Xg(f)
determina la condizione
Zc(f) = Z*g(f)
espressa alla
(16.65↑).
Volendo verificare che la
(16.102↑)
individui effettivamente un minimo e non un massimo del denominatore di
(16.101↑),
se ne può eseguire la derivata seconda, ottenendo
(d2)/(dR2c)⎛⎝Rc
+ 2Rg + (R2g)/(Rc)⎞⎠
= (d)/(dRc)⎡⎣1 − ⎛⎝(Rg)/(Rc)⎞⎠2⎤⎦
= 2(R2g)/(R3c)
che verifichiamo immediatamente essere sempre positiva.
15.5.3 Potenza ceduta ad un carico↓
Zc(f) ≠ Z*g(f)
Avendo a disposizione un generatore di segnale di potenza disponibile
Wd(f)
ed impedenza interna
Zg(f)
assegnate, la tensione a vuoto ai suoi capi ha densità di potenza (di
segnale) pari a
Pv(f) = Wd(f)4Rg(f). Collegando al generatore un carico
generico
Zc(f), la potenza dissipata da
quest’ultimo risulta pari a
Wzc(f) = Pv(f)(Rc(f))/(|Zg(f) +
Zc(f)|2). Il rapporto tra la
densità di potenza effettivamente ceduta a
Zc(f),
e quella che le sarebbe ceduta se questa fosse adattata per il massimo
trasferimento di potenza, fornisce la perdita di potenza subìta:
(Wzc(f))/(Wd(f)) = Wd(f)4Rg(Rc(f))/(|Zg(f) +
Zc(f)|2)⋅(1)/( Wd(f)) = (4Rg(f)Rc(f))/(|Zg(f) +
Zc(f)|2) = α(f)
Pertanto, se
Zc(f) ≠ Z*g(f), su
Zc(f)
si dissipa una potenza pari a
Wzc(f) = α(f)Wd(f). Il medesimo risultato è valido
anche per l’analisi dell’accoppiamento tra il generatore equivalente di
uscita di una rete due porte ed un carico.
Consideriamo
un generatore con Zg(f)
resistiva e pari a 50 Ω, e con
densità di potenza disponibile (a frequenze positive)
W
+ d(f) = (Wd)/(4W)rect2W(f − f0)
in cui Wd
= 1 Watt è la potenza disponibile totale, distribuita
uniformemente in una banda 2W
= 10 KHz centrata a frequenza f0
= 1MHz. Il generatore è collegato ad un carico
Zc(f) = Rc(f) + jXc(f)
con Rc(f) = 50 Ω
ed Xc(f) = 2πfL = 50 Ω per f = f0
(da cui L = (50)/(2π106) = 7.96 μH).
Essendo la banda di segnale
2W≪f0,
approssimiamo la dipendenza da f
di Xc(f) come una costante. In queste
ipotesi, la potenza effettivamente ceduta al carico risulta Wzc
= αWd,
con
α = (4RgRc)/(|Zg + Zc|2)
= (4⋅50⋅50)/(|50 + 50
+ j50|2) = (10000)/(12500) = 0.8
e quindi Wzc
= 0,8 Watt ovvero, in dBm: 10log100.8
= -0.97 dbW = 29.03 dBm.
Il valore αdB
= 10log10α = 0,97 dB rappresenta il
valore della perdita di potenza causata dal mancato verificarsi
delle condizioni di massimo trasferimento di potenza, e può
essere tenuto in conto come una attenuazione supplementare al
collegamento, in fase di valutazione del link budget
(vedi capitolo seguente).