Research Collection

Doctoral Thesis

Nuovo sistema di modulazione per microonde

Author(s): Nobile, Guido

Publication Date: 1938

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000100037

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ETH Library

Nuovo sistema di modulazione

per microonde

Tesi di laurea

presentata

al Politecnico Federale di Zurigo

per il conseguimento

del titolo di dottore in scienze tecniche

da

Guido Nobile ing. diplomato

Relatore Prof. Dott. F. Tank

Correlatore Prof. Dott. J. Forrer

1938 - Arti Poligrafiche Editrici - TORINO, Via Menabrea 9

CURRICULUM VITAE

Nacqui ad Oggio, frazione di Lopagno, mio comune

di origine, il 26 agosto 1910.

Frequentai le scuole primarie e secondarie a Luganodove nell'anno 1929 ottenni la licenza tecnica del

Liceo Cantonale.

Proseguii i miei studi al Politecnico Federale di Zurigo

e nel 1933 conseguii il diploma di ingegnere elettro¬

tecnico.

Negli anni successivi mi occupai nell'Istituto di Alta

Frequenza dello stesso Politecnico sotto la direzione

del Prof. Dott. Tank, del problema delle microonde

dove portai a termine il presente lavoro.

Zurigo, settembre 1936.

GUIDO NOBILE

GUIDO NOBILE

NUOVO SISTEMA DI MODULAZIONE

PER MICROONDE

ElEstratto da

ALTA FREQUENZA

gennaio 1938, VII, 1, p. 29

7256 A. P. E. - Arti Poligrafiche Editrici - Torino, Via Menabrea 9

3

NUOVO SISTEMA DI MODULAZIONE

PER MICROONDE

GUIDO NOBILE

Viene studiato un nuovo metodo di doppia modulazione, particolar¬

mente adatto per le microonde: un'oscillazione di frequenza intermedia è

modulata in ampiezza con le correnti telefoniche; la tensione così ottenuta,

applicata all'anodo dei tubi generatori, produce una modulazione delle

microonde puramente in frequenza. Il calcolo dimostra che, quando sono

rispettate opportune condizioni, questo sistema di modulazione non dà

luogo a distorsione ed è di ottimo rendimento. Prove di trasmissione e rice¬

zione, effettuate fino a io km di distanza con l'impiego di più dipoli irra¬

dianti e di riflettori parabolici, hanno confermato la perfetta efflcenza del

nuovo sistema di modulazione, mettendone in evidenza la semplicità e la

sicurezza di funzionamento.

PARTE TEORICA

1. - Generalità.

In un generatore di microonde (fig. i e 2) la lunghezza dell'onda

emessa dipende, com'è noto (*) (2) (3), oltre che dalle dimensioni dei vari

elementi costituenti il tubo, dalle tensioni applicate agli elettrodi; ciò

oltre che richiedere una stabilità assoluta del regime di alimentazione

del tubo, rappresenta una seria difficoltà per la modulazione in ampiezzadelle microonde. Infatti, se noi cerchiamo di variare l'intensità delle

oscillazioni, agendo sulla tensione di griglia Ug, o meglio sulla tensione

anodica, Ua, avremo sempre una variazione indesiderata della frequenzadell'onda fondamentale. Si ha così una modulazione mista in ampiezzaed in frequenza, che, normalmente, dà luogo ad inammissibili distorsioni.

È da notare che anche nel generatore a magnetron ritroviamo lo stesso

fenomeno, come d'altronde è prevedibile, data la stretta analogia fra

il comportamento del magnetron e quello del triodo a campo frenante.

(!) A. Scheibe: Ann. der Phys., 1924, I,XXIII, p. 54.

(2) N. Carrara: A. F., 1936, V, p. 691 e 773.

(3) N. Carrara: A. F., 1937, VI, p. 104 e 209.

4 G. NOBILE A.F.,VII, I

^Z—am—

Fig. i. — Tubo generatore con ondametro.

Molti sistemi sono stati escogitati per ottenere una buona modula¬

zione. Possiamo accennare al metodo indicato da Clavier (4), con il

quale, variando simultaneamente le tensioni di griglia e di placca, è

possibile, in determinate condizioni, ridurre le variazioni di frequenzaentro limiti accettabili. Un altro metodo assai radicale consiste nel far

passare le onde irradiate dal dipolo attraverso griglie di tubi nei quali

avvenga una scarica in gas rarefatto. A seconda dell'intensità di questascarica, le onde sono più o meno fortemente assorbite.

-Cb riè O

!

+ -

Fig. 2. — Generatore di microonde costituito con due tubi montati in opposizione.

I,a formula di Scheibe (x) dà la frequenza delle oscillazioni in funzione

delle tensioni di placca e di griglia; va però tenuto conto del fatto che

l'onda generata è un'armonica dell'onda fondamentale della carica spa-

(4) A. Clavier: Onde Él., 1934, XIII, p. 101.

Gennaio 1938 modulazione di microonde 5

*£/-

tqp-

tq?-

Ua = cast=-80 Volt

Je =: cast = ÒOmft

Z^OO ézo $40 2{60-£*>

Fig. 3. — Dipendenza della lunghezza d'onda dalla tensione di griglia,per tensione anodica e corrente d'emissione costanti.

•»**

'47-

— ^ov>g/7e*z& c'oriate

(J3=2ZOvolt

\\\\

~r-

70-(/.*<">

Fig. 4. — Dipendenza della lunghezza d'onda e dell'intensità dell'oscillazione

dalla tensione anodica.

6 G. NOBILE A.F..VII, i

*49-

tsa-

U^-SOvolt

Ug^ZZOllOtt

—rZo

I30

Fig- 5-

2530 /S.

Dipendenza della lunghezza d'onda dalla corrente di emissione.

ziale. Le variazioni della lunghezza d'onda in funzione delle tensioni

di alimentazione hanno sempre un andamento simile a quello riprodotto,

per alcuni casi speciali, nei diagrammi delle fig. 3, 4, 5.

2/- Modulazione in ampiezza di un gruppo di due tubi in opposizione.

Un generatore di microonde costituito con due tubi collegati in op¬

posizione si è dimostrato stabile e relativamente potente. Esso offre la

possibilità di una perfetta modulazione in ampiezza, ottenibile con l'im¬

piego di un circuito semplicissimo, graz'e al quale variano, nel ritmo

della corrente di modulazione, solo le tensioni anodiche dei tubi, mentre

le tensioni di griglia restano fisse. Ciò rappresenta una grande sempli¬ficazione sul metodo della variazione simultanea delle tensioni di grigliae di placca. La resistenza interna del tubo, nel tratto anodo-catodo

è grandissima. Quindi la potenza necessaria per la modulazione è molto

piccola ed è determinata dalle perdite di isolamento e dal piccolo carico

capacitivo costituito dagli elettrodi e dai collegamenti, ciò che non

avviene per l'altro sistema summenzionato. La frequenza dell'onda di

supporto è tenuta costante con il seguente artificio: la tensione di mo¬

dulazione è collegata in fase opposta ai due tubi (fig. 6) e i punti di fun¬

zionamento dei due tubi sono scelti in modo che la tendenza a variazioni

di frequenza in un senso in uno dei tubi venga perfettamente compensatada una opposta nell'altro. Essendo le tensioni anodiche differenti, cia¬

scun tubo genererebbe un'onda di frequenza diversa da quella generatadall'altro, ma i circuiti di griglia sono strettamente accoppiati, e viene

perciò sempre generata una oscillazione, la cui frequenza è costante.

Ciò è possibile quando si lavora con un tubo sul ramo ascendente e

con l'altro su quello discendente della curva della potenza.

Gennaio 1938 modulazione di microonde 7

Ir®F

t—msv^ Ubimi:

fC/g"

1

"pWV

r^?TOT>-,

Fig. 6. — Circuito per la modulazione in ampiezza di due tubi montati in opposizione.

La caratteristica di modulazione è rappresentata dal diagramma di

fig. 7 ove è riportato l'andamento dell'energia generata in funzione

della differenza A Ua delle due tensioni anodiche. I«a curva rappresenta

pure l'intensità della corrente raddrizzata nell'apparecchio ricevente;

essa ha un andamento quasi lineare, il che garantisce una modulazione

esente da distorsione. Appare inoltre la possibilità di una modulazione

molto profonda (r>^i 100%), cioè di un buonissimo rendimento della tra¬

smissione.

rks Ss éÉk!°"

Fig. 7. — Caratteristica di modulazione. Variazione dell'intensità dell'oscillazione

(corrispondente alla corrente di raddrizzamento del ricevitore) in funzione

della tensione agli anodi dei generatori.

I,a curva, che dà le variazioni di lunghezza d'onda in funzione delle

tensioni anodiche (fig. 8), è quasi parallela all'asse delle ascisse, perchè,

8 G. NOBILE A.F..VII, i

I) t/„'-sov <i-/faa,j

Fig. 8. — Dipendenza della lunghezza d'onda dalle tensioni anodiche.

anche con un sensibilissimo ondametro, è impossibile constatare qual¬siasi mutamento della frequenza, in funzione di A Ua. L'onda di supportoè quindi quasi costante. Data la sensibilità dell'ondametro, si può senza

altro concludere che le massime variazioni della lunghezza d'onda sono

inferiori a A X = o, i % per volt ed il calcolo dimostra, come più tardi

vedremo, che la modulazione in frequenza è, in questa condizione,

trascurabile.

3. - Doppia modulazione in ampiezza.

Le microonde si possono modulare con frequenze più elevate tanto

facilmente quanto con frequenze telefoniche. Non si riscontra, per esem¬

pio, nessuna difficoltà speciale a effettuare una modulazione con fre¬

quenze dell'ordine di io6 hertz. È anche possibile una doppia modula¬

zione, vale a dire una modulazione con una oscillazione pure modulata;

questo procedimento è da lungo tempo noto ed effettuato per comu¬

nicazioni su onde corte (6). Si possono anche fare due o più doppie mo¬

dulazioni simultanee e trasmettere su una sola microonda più comu¬

nicazioni contemporaneamente. Queste vengono separate nel ricevitore

per mezzo di amplificatori selettivi. Naturalmente la profondità di ogni

singola modulazione deve essere scelta in modo che, nel caso della mas¬

sima modulazione, si resti sempre nel campo privo di distorsioni.

La caratteristica di modulazione deve essere assolutamente retti¬

linea, altrimenti una modulazione d'incrocio è inevitabile e la separazionedelle comunicazioni diviene impossìbile. Esperienze, effettuate con due

doppie modulazioni simultanee, hanno confermato tutte queste consi-

(5) N. Carrara: A. F., 1932, I, p. 189.

Gennaio 1938 modulazione di microonde 9

derazioni. Con un'opportuna scelta dei gradi di modulazione e della

caratteristica di modulazione, è possibile una perfetta separazione delle

due comunicazioni, purché lo stadio rivelatore delle microonde presentiuna caratteristica rettilinea (o meglio: il prodotto della caratteristica

di modulazione per la caratteristica di rivelazione abbia un andamento

rettilineo), altrimenti la separazione diviene impossibile.Con lo studio della doppia modulazione è apparso possibile un nuovo

sistema di modulazione: cioè una modulazione mista in ampiezza e

in frequenza, che, rispetto ad altri sistemi, dà luogo a notevoli vantaggi.Essa è descritta nelle pagine seguenti.

4. - Modulazione mista in ampiezza e in frequenza.

Per dimostrare la possibilità di una modulazione in frequenza esente

da distorsioni è necessario ricorrere alla scomposizione in semplici oscil¬

lazioni armoniche dell'onda modulata. Diamo dapprima brevemente il

ben noto caso (8) di un'onda modulata in frequenza con un'oscillazione

di frequenza fissa. In seguito descriveremo il caso di una modulazione

con un'onda modulata in ampiezza e ne illustreremo i vantaggi.

Siano:

col la pulsazione della microonda cne sarebbe generata in con¬

dizioni statiche delle tensioni,

co la pulsazione della microonda di supporto,

com la pulsazione della tensione di modulazione,

Ua la tensione anodica del tubo generatore,A Ua la tensione anodica di modulazione (valore istantaneo),A l'ampiezza della tensione di modulazione,

a il grado di modulazione nel caso di modulazione in ampiezza,u la tensione della microonda (valore istantaneo),U l'ampiezza della tensione della microonda,

k Icoefficienti numerici definiti più avanti.

Consideriamo la pulsazione delle microonde generate da uno dei

nostri tubi. Essa è linearmente dipendente dalla tensione anodica. Ab¬

biamo quindi, per una piccola variazione A Ua dalle condizioni normali

di funzionamento,

[1] co =[co (Ua) = co1 + kAua ,

dove k è un coefficiente numerico, il cui valore è determinabile dal dia¬

gramma A = / (Ua) rappresentato in fig. 4.

(6) H. Roder: Telefunken Ztg., 1929, 1,111, p. 48; Proc. I. R. E., 1931, XIX,

P- 2145.

W. Runge: Telefunken Ztg., 1930, I,IV, p. 28.

B. van der Pol: Proc. I. R. E., 1930, XVIII, p. 1194.

E. H. Armstrong: Proc. I. R. E., 1936, XXIV, p. 689.

G. NOBILE A.F..VII, I

Sia ora A Ua rappresentato dalla funzione :

[2] A Ua = A sen com t ;

segue:

[3] co = Oh + k A sen co, t.

Un generatore, la cui frequenza di oscillazione è sottoposta a perio¬diche variazioni, produce un'onda, che si dimostra essere composta da

un'onda di supporto, accompagnata da infinite bande laterali aventi

ampiezza e frequenze determinate.

Al fine di poter rappresentare l'onda generata dal tubo per mezzo

delle sue componenti, scriviamo l'equazione della tensione dell'oscilla¬

zione (6).Abbiamo:

co dt[4] u=U sen / e

r

kA

i

[5J u= U seaìcoit coscomt\l com J

1rkA

i rkA -i

[6] u = U { sen co, t • cos — cos com t\ —cosco,/ -sen coscomt\Leo», J Leo J

kA

co,

rkA

.i [kA

Ricordando che:

[7] COS (* COS Cp) = /„ (x) — 2j2 (x) COS 2 Cp + 2 /4 (x) COS 4 cp

[8] sen (x cos cp) = 2/2 (x) sen cp — 2/3 (x) sen 3 cp + 2/6(#) sen 5 9?

la [6] si può trasformare nel modo seguente:

fkA\ (kA\[9] m= C7 seno),.* |/0 ( )— 2/2 ( ) cosicomt +

+ 2/4 ( ) cos4 comt— ..

.1— cosa>j. t [2 /i ( ) sen com i-

\comlJL\

com I

— ij3{ )sen3(»mi+

2/6( )sen5ct)m< —...1.

il»./ V co / J 1

) C0S4 eom*—... —cos to^h/i (—com I

JL\

co„

(kA\ [kAsen 3 com t

+

2 /6 (

ft>m / Vcom

Siccome è:

2 sen a cos /? = sen (a + /?) + sen (a— /?),la funzione u rappresenta una somma di oscillazioni armoniche di fre¬

quenze circolari

cox , co1±com , C01±2C0m , ... ,

ossia

co1±n com

(dove n rappresenta un numero intero qualsiasi).Le ampiezze delle singole oscillazioni sono determinate dalle funzioni

di Bessel

/.(^-).

jA^-).

jA±±). ...

\ coml \ com) \ com I

Gennaio 1938 modulazione di microonde 11

I/ampiezza delle singole componenti è quindi funzione del fattore

k A

.Il valore di questo fattore determina in modo decisivo la forma

•dello spettro dell'onda modulata in frequenza.k A

Si osserva che, per piccoli valori di,

le ampiezze delle onde

ài pulsazione lontana da a>! sono trascurabili.

L,o spettro dell'onda è in questo caso assai semplice. Esso diviene

tanto più complicato quanto più cresce detto fattore.

.te)

^.J,f>)

-J3M

-AAJ

~i—

4s j'

is *_ x

Flg. 9. — Andamento delle funzioni di Bessel di grado o, 1, 2, 3, 4in funzione dell'argomento.

I/andamento delle funzioni di Bessel in funzione dell'argomento è

riportato, per chiarezza di comprensione del problema, nel diagrammadi fig. 9. Nel diagramma di flg. io sono riprodotti, a titolo d'esempio,

kAalcuni spettri per diversi valori di

.

com

Da quanto è stato esposto risulta che la modulazione in frequenzarichiede una banda, la cui estensione è in tutti i casi superiore a 2 a>m.

kAH grado di modulazione è determinato dal fattore

,da cui dipende,

comsecondo un legame complicato e rappresentabile con funzioni di Bessel.

Sono quindi inevitabili delle distorsioni: primo, perchè il valore delle

bande laterali non è in generale proporzionale al fattore A ; secondo,perchè esso dipende da com.

Se supponiamo di modulare direttamente con correnti musicali, comkA

è variabile fra 2 n 20 sec-1 e 2 n 8000 sec-1. Il fattore è alloracom

sottoposto a variazioni nel rapporto 1: 400. È quindi ovvio che, in questo

12 G. NOBILE A.F..VII, I

caso, si presentano distorsioni inammissibili. Per queste ragioni la mo¬

dulazione in frequenza non ha avuto finora nessuna applicazione pratica.Vediamo ora come, per mezzo di una frequenza intermedia co2, sia

possibile ottenere uno spettro delle frequenze di struttura praticamentefissa e un'ampiezza delle bande laterali proporzionale alla tensione

di modulazione.

La tensione addizionale A Ua applicata alla placca del tubo gene¬

ratore sia ima tensione oscillante con pulsazione a>2. modulata in ampiezzacon le correnti telefoniche (di pulsazione a>m).

AA,

-2

kApie I0 — Spettri di un'onda modulata in frequenza per vari valori del fattore — .

&'

(Dm

Abbiamo:

[io] A Ua = A (i + a cos comt) sen co21,

[ii] A Ua = A [sen co21 H sen(co2— a>m)t-\ sen (co2 + <om) t\

Analogamente al caso precedentemente trattato, segue:

[12] (o = co1 + kA [senco2* H sen (a)2 —cuJH sen (co2 + com) t\,

e, per la tensione u = U sen / co d t, si ottiene :

Gennaio 1938 modulazione di microonde !3

[13] u = U seni ooit-kA

- COS ft)2 t -

kA a— cos (co2 — com) t

co*—com 2eu2

kA a

cos (co2 + a>m)ico2 + com 2

Il valore di co2 e a nostra scelta. Sia così grande, che si possa scrivere:

[14] C02 ^ C02 — C0m ^ C02 + COm , C02 » CDm •

L'equazione [13] diventa quindi:

kA a

[15] u=U sen co1tkA

co2

kA a

cos a>2 t -

co2

cos (a>2 — com) t —

cos (<y2 + com) t

COm 2

Per maggior semplicità delle formule scriviamo ora:

±±±= K

,

co2 2

e trasformiamo la funzione sen. . . j ricorrendo alla formula:

sen (fi — fi) = sen /} cos fi — sen fi cos /?

(fi = colt , fi = cosco21 + Kcos (co2— com) t + Kcos (eo2 + com) tj .

Abbiamo:

l raif[16] u=U\ sen o)x 2 • cos cos co2t + K cos (<y2 — com) t +

+ Kcos (eo2 + wm)< — cos co! * • sen — cosco2t + Kcos (co2— com)< +

+ tf cos (o)2 + com) t\ ì.

Trasformando i fattori

cos [ ... ] e sen [ ... ]

in prodotti di semplici funzioni trigonometriche, otteniamo finalmente:

( = UÌ sen <y11\ cos ( — cos co21 ) cos (K cos [co2 — com]t) cos (K cos [ou2+<wm] *)

— cos

— sen

— sen

-cosco^t — sen

+ sen

+ cos

+ cos

) sen (

) cos (

) sen (

) sen (

) cos (

)sen(

) cos (

) sen (

) sen (

) cos (

) sen (

) cos (

) cos (

) sen (

)

>]

>]

14 G. NOBILE A.R.VTI, I

Mediante le serie

COS {% COS <p) = /„ (x) — 2 /2 (*) COS (2 <p) + 2 /4 (#) COS (4 <p) — ...

sen (# cos qi) = 2 Jx (x) seti 93 — 2 /, (#) seti (3 cp) + 2 /6 (#) sen (595) ...

è ora possibile la trasformazione del secondo membro della [17] nella

somma di semplici oscillazioni armoniche. Se ci arrestiamo ai primitermini abbiamo:

u = U j senWl/[/0 (-^-) /„ (K) J, (K) ]

izK\— cos coi t [ 2 /j (^ J J0 (K) /„ (if) sen (w2 /)

+ 2/1 (#) /o (—) /o W sen (ai, — coj <

+ 2 A (^) /„ (—) /„ (K) sen (<u2 + com) f]

K^A/! 0

2a

^

~<"m'%~

—&

Fig. 11. — Spettro di un'onda modulata in frequenza con un'oscillazione

modulata in ampiezza.

Vedremo in seguito quali condizioni debbano essere soddisfatte af¬

finchè le ampiezze di tutti i termini trascurati possano assumere valori

piccolissimi.

Diamo ad esempio al coefficiente KkAa

-i ,I

il valore — e dise-2 a>2

Gennaio 1938 modulazione di microonde 15

gnatno lo spettro dell'onda risultante in tale caso. Questo è visibile nel

diagramma di fig. 11.

Osserviamo che l'oscillazione di pulsazione tw2 è riprodotta a destra

e a sinistra dell'onda portante con le sue bande laterali di modulazione.

L'ampiezza delle oscillazioni è ora determinata solo dal valore del coef¬

ficiente K, quindi, essendo <u2 fisso, solo da A ed a. Abbiamo così otte¬

nuto un'onda avente uno spettro la cui forma è determinata nelle sue

linee generali non da <x>m, ma da ct)2 ; (Om interviene naturalmente ancora

nella determinazione delle onde componenti, ma non in modo nocivo.

Inoltre il grado di modulazione non è più legato alla frequenza delle

correnti telefoniche da trasmettere e sotto questo punto di vista la solu¬

zione è teoricamente e praticamente perfetta.Vediamo ora quali condizioni sono necessarie affinchè non ci sia

distorsione di ampiezza (e di forma) e affinchè lo spettro si riduca vera¬

mente solo alle frequenze da noi considerate.

Si ottiene il primo risultato, quando l'ampiezza delle bande laterali

è proporzionale alla tensione di modulazione e ciò per qualsiasi profon¬dità di modulazione.

Ne segue che i fattori

/ 2.K \ 1 2K \

h (—) /o2 (K) e 2 J1 (K) /„ (——) /„ (K)

devono dipendere linearmente da K (ovvero da A ed a).L'andamento di questi due fattori, facilmente calcolabile mediante

le tavole delle funzioni di Bessel, è riprodotto nel diagramma di fig. 12.

Si nota che, mentre per K <, — le curve hanno una forma pressoché4

rettilinea, per valori di K maggiori, il valore dei detti coefficienti cresce

fino ad un massimo e poi diminuisce. Per avere una buona modulazione

è quindi necessario contentarsi di modulare assai leggermente. Per va¬

lori di K superiori ad — le distorsioni sono già molto grandi come si2

può calcolare. Le esperienze hanno dimostrato che il più conveniente

valore di K è compreso fra — ed —.

4 2

Vogliamo ora dimostrare che lo spettro si riduce veramente in pra¬tica solo alle onde da noi considerate.

La dimostrazione è assai facilmente effettuabile ricorrendo a consi¬

derazioni sull'energia delle oscillazioni. Essa è costante, tanto se l'onda

è modulata in frequenza, quanto senza modulazione. Nel caso di una

onda modulata in frequenza con un'oscillazione armonica semplice,quando l'energia totale sia uguale a uno, sommando le energie parzialidi ogni singola onda dello spettro, si ottiene:

/o2 + 2 /12 + 2 /22 + 2 /,» + . . .= 1

.

Si trova così una dimostrazione fisica del noto teorema sulle funzioni

di Bessel:

i6 G. NOBII.E A.F.,VII, I

/o2 + 2 2 /„2 = I.

m=l

valevole per qualsiasi argomento.Nel caso della doppia modulazione, facendo la differenza fra l'energia

dell'onda non modulata (supposta uguale a uno) e quella delle onde

dello spettro da noi considerato, abbiamo il valore totale dei termini

trascurati. L'energia delle onde dello spettro è:

[/o (~) /o2 (#)]2 + 2 [A ^-f) /o2 (*)]* + 4 [A (K) /o (K) /6 (^)]a(sempre supposto che l'energia totale sia uguale ad uno).

% ±~

Fig. 12. — Curve dei fattori: a) J* £—) /o2 (K) ; 6) 7! (K) J0 (K) J„ ^j.

Il valore della somma di questi termini è rappresentato nel dia¬

gramma di fig. 13. Si vede che per i valori di K < — quasi la totalità

dell'energia è concentrata nelle onde da noi considerate e ciò conferma

la possibilità delle omissioni effettuate. I<a piccola quantità d'energia

mancante si ritrova nelle onde di pulsazioni:

a)! ± n com ± l co2 (n, l numeri interi > 1).

Gennaio 1938 modulazione di microonde 17

Queste onde di piccolissima ampiezza che, data la loro frequenza,hanno un influsso minimo sul ricevitore, possono essere completamenteeliminate per mezzo di filtri nel trasmettitore stesso. Al fine di rendere

chiari i vantaggi della modulazione mista in ampiezza, è certo molto

istruttivo un paragone con la doppia modulazione in ampiezza.

o.S-

J<^ Ab/fo onc/a /ra/asc/afa

] | We/fe oncfe ripor/a/e ne/ cT/agro/n/na

&e//a f/g. ti.

Fig. 13. — Ripartizione dell'energia in funzione di K.

Vogliamo dapprima considerare un'oscillazione modulata doppia¬mente in ampiezza con la massima profondità possibile delle due modu¬

lazioni, ovverosia due volte il 100%. Abbiamo in tale caso la massima

ampiezza possibile delle bande laterali per questo metodo di modula¬

zione. Se scriviamo le equazioni delle tensioni abbiamo: per l'oscillazione

intermedia modulata con le correnti telefoniche:

u2 = A2 (1 + cos comt) sen co2t,

u2 = A2 \sena>2t H sen (co2 + com) t -\ sen (co2 — com) t\,

e per l'onda principale:

mx = Al 1 -\ — sen cox t.

„U2

I valore di p —— non deve superare l'unità in nessun momento,A2

18 G. NOBILE A.F./VTI, I

altrimenti il grado di modulazione sarebbe maggiore del 100% con in¬

tollerabili distorsioni.

Segue:

e quindi:

«i = ^i i H— senco21 + ~sen (eo2 + com) t -f — sen(tu2— com) A cosmxt

I i i

u, = AA cos coi t -\ sen (cox + co2) t —sen (eo2 — oy^ t

I 4 4

I I

+ — sen (ojj + com + coj) t + ~- sen (o>2 — <»i + com) to O

+ -^-sen(co2 —ft)m—cax)i + — sen (<y2—com + «i) <. ;

ordinando secondo o)x, si ha:

ul= A1\ cos a)! t +— sen (co1 + co2) t sen (a^ — a>2) t

( 4 4

+ — sen (co! + co2 + <om) t -sen (<«! — co2 — wm) <

a O

+-g-

sen (a)! + eo2 — o)J / sen (tox — co2 + com) t j .

Da quest'ultima equazione si ricavano senz'altro i valori massimi

delle bande laterali e si può quindi disegnare lo spettro dell'onda mo¬

dulata.

Osserviamo che l'ampiezza delle bande laterali di modulazione è

— di quella dell'onda portante per la frequenza ausiliare et)2 ed —-

4 S

per le frequenze telefoniche.

Nel caso di modulazione con il sistema ampiezza-frequenza, è ne¬

cessario fare una considerazione sull'ampiezza dell'onda portante. Essa

corrisponde, in assenza di modulazione, alla massima potenza che il

trasmettitore può generare, mentre nella modulazione in ampiezza (al

ioo%) essa è, com'è noto, solo il 25% della potenza massima; è quindi

per un dato trasmettitore di valore doppio dell'onda portante di un

sistema di modulazione ampiezza-ampiezza. Anzi se i tubi trasmittenti

lavorano sempre con la massima potenza, il riscaldamento della griglia(o della placca di magnetron) è meno forte. Anche i valori delle ampiezzedelle bande laterali, rappresentati dai fattori

/2 K\ 12K\Ji (—) /oa (K) e A (K) J0 {—-) /„ (K),

debbono, per un giusto paragone dei due sistemi, essere moltiplicati

per due.

Gennaio 1938 modulazione di microonde 19

I valori di questi fattori sono leggibili nel diagramma di fig. 12

e li riportiamo, per vari valori di K e raddoppiati, nella seguente tabella:

K

1

0,274

0,468

0,642

Jx (K) /o (^) /o (K)

0,116

0,228

0,300

Per chiarezza riportiamo gli spettri relativi a due di questi casi.

Essi sono visibili nella stessa figura in cui è tracciato lo spettro dell'onda

modulata doppiamente in ampiezza (fig. 14).

/;

V

-"uiX

JJ

Fig. 14. — Spettri: 1) di onda modulata doppiamente in ampiezza; 2) di onda mo¬

dulata in ampiezza ed in frequenza con a=ioo% e per K = — ; 3) di~ 8

2onda modulata in ampiezza ed in frequenza con a = 100% e per K = —.

Notiamo che per un valore di K —— abbiamo già, nelle bande8

portanti la modulazione, un'energia eguale per i due sistemi e che per

K = — il sistema di modulazione ampiezza-frequenza risulta di gran4

20 G. NOBH.E A.F.,VII, I

lunga più vantaggioso dell'altro. Per valori ancora più elevati del coef¬

ficiente K, l'energia concentrata nelle onde portanti la modulazione

cresce sempre più. Non è però permesso, come si è visto, aumentare

troppo questo coefficiente per le inevitabili distorsioni che ne derivano.

Esse sono prodotte dalle funzioni

i-zK\

Ji(—)j<?K = fx{K)

Jx (K) /„ (K) jj(~) = h (K)

Dal distaccarsi delle curve di queste (fig. 12) dalla loro tangente all'ori¬

gine si ha un valore relativo alla grandezza delle distorsioni. Si vede

che per K ^ — si ha ancora una buona modulazione. Concludendo ab-

4

biamo quindi, con il sistema di modulazione ampiezza-frequenza, un me¬

todo che ci permette di ottenere bande portanti le modulazioni di am¬

piezza maggiore che nel sistema di doppia modulazione in ampiezza,finora conosciuto; e le distorsioni sono in queste condizioni molto piccole.

Va infine notato che lo spettro delle onde nei due sistemi è assai

simile; grandi differenze però esistono nelle fasi delle varie onde compo¬

nenti e di ciò bisogna tener conto nella rivelazione.

Infatti un'onda modulata in ampiezza e in frequenza abbisogna,

per una buona rivelazione, di un ricevitore un po' diverso da quellonecessario per la rivelazione di un'oscillazione modulata doppiamentein ampiezza.

PARTE SPERIMENTALF

5. - Modelli praticamente costruiti e risultati ottenuti.

Allo scopo di verificare sperimentalmente le considerazioni anali¬

tiche svolte, sono stati successivamente costruiti alcuni complessi tra¬

smittenti e riceventi: nei primi, semplicissimi (fig. 15), funzionanti su

una lunghezza d'onda di 14 cm, il trasmettitore era costituito con un

solo tubo, il quale compiva le funzioni di generatore e modulatore delle

microonde; al suo circuito di griglia era direttamente collegato il dipoloirradiante che si trovava nel fuoco di un riflettore parabolico di 70 cm

di apertura. Per l'apparecchio ricevente, del tutto analogo nella costru¬

zione, col tubo montato come rivelatore a campo frenante, non fu pos¬

sibile una buona regolazione della reazione; né si ottenne col riflettore

una pronunciata amplificazione.La portata degli apparecchi risultò soltanto di alcune centinaia di

metri; tuttavia fu con essi possibile lo studio di tutti i fenomeni interes¬

santi le microonde; ciò fu di grande utilità per il progetto di altri appa¬

recchi.

Gennaio 1938 modulazione di microonde 21

Ottimi risultati diede la doppia modulazione. Fu persino possibileeffettuare due doppie modulazioni simultanee e trasmettere su una sola

onda portante due comunicazioni separate, e regolando opportuna¬mente le tensioni di alimentazione ed i gradi di modulazione, evitare

completamente qualsiasi modulazione d'incrocio e quindi il sovrapporsidelle comunicazioni.

7?ajrrìe////ore

/?///a#or/

&car/fort

<i ' 'O *£ocm1 A.

\\ At?&7?efast/?

O/aporeecfco

*

Omp/Zf/cafore

aaa/fc> eóassa

/sequenza a

r/ye/a/o/v

Fig. 15. — Apparecchi trasmittente e ricevente con un solo tubo:

modulazione mista in ampiezza e in freauenza.

Prove di ricezione in laboratorio furono da noi effettuate anche

con un apparecchio a supereterodina. Sorge in tal caso una difficoltà

derivante dall'impossibilità di mantenere sufficentemente costanti le

frequenze del trasmettitore e soprattutto dell'oscillatore locale.

Poniamo infatti che sia ammissibile una variazione della media fre¬

quenza di io 000 hertz dal suo valore normale. Ciò corrisponde ad una

variazione, per esempio, dell'oscillatore locale di 10 000 hertz; questa,

rispetto alla frequenza generata (2 • io9 hertz), rappresenta il 0,0005%

(una variazione di X di 7,5 • io*6 cm).

Vogliamo vedere quale variazione della tensione anodica è sufncente

per produrre quest'effetto. Dal diagramma di fig. 4 risulta che basta una

variazione di Ua di alcuni millesimi di volt (304). È con ciò senz'altro

evidente che è impossibile avere una media frequenza stabile. Per

ovviare a questo inconveniente sono possibili due metodi: uno stadio

a media frequenza quasi aperiodico o un comando automatico della

media frequenza. Il primo sistema rappresenta una soluzione incompleta,avente lo svantaggio di una grande amplificazione degli eventuali di¬

sturbi e di uno scarso rendimento. Esso può però eventualmente dare

dei risultati accettabili. Il secondo ci dà senza dubbio una soluzione

ideale. Lo schema completo di un apparecchio progettato su questi prin¬

cipi è rappresentato in fig. 16.

G. NOBILE A.F..VII, I

I<a frequenza dell'oscillazione locale è regolata per mezzo della sua

tensione anodica. Quest'ultima è determinata dal valore della inedia

frequenza per mezzo di due circuiti accordati leggermente al disoprae al disotto del valore normale e di tubi elettronici o di un qualsiasialtro dispositivo adatto, analogamente quindi a quanto si fa per gliapparecchi radiofonici a comando automatico dell' accordo. Mentre

questo dispositivo è per i comuni ricevitori quasi un lusso, è qui una

necessità, senza di che, al momento attuale, non sarebbe concepibileun apparecchio a supereterodina per microonde. Naturalmente nel caso

della ricezione con un apparecchio a cambiamento di frequenza la mo¬

dulazione del trasmettitore deve essere perfetta. È pure possibile la

ricezione di una trasmissione con modulazione mista in ampiezza e in

frequenza. In questo caso si può fare interferire l'oscillazione locale

con una sola delle bande laterali dell'onda ricevuta, così che la diffe¬

renza delle frequenze di queste due onde dia la media frequenza diret¬

tamente.

-<<•„

4eoto*

/refusa <*w*V«tMvrj

\ ^Sw/* i 9v<"*zo |

fgSJM, *S5tHz

2b'o&0 £f* comando

ou/ornat/co &aJta

Tuóo tt'rvouon*

Fig. 16. — Ricevitore a supereterodina per microonde con comando automatico

della inedia frequenza.

La frequenza ausiliare di modulazione co2 resta così automaticamente

eliminata ed una sola demodulazione ci dà direttamente la bassa fre¬

quenza.

Allo scopo di effettuare trasmissioni a grandi distanze si sono quindicostruiti, basandosi sui risultati ottenuti, apparecchi più potenti e per¬

fezionati.

Per aumentare la potenza del trasmettitore si sono impiegati quattrotubi generatori, collegati a coppie: ognuna di esse lavorava su un dipolo

Gennaio 1938 MODULAZIONE DI MICROONDE 23

e i due dipoli erano situati sulla linea focale di un riflettore parabolicodi 150 cm di apertura.

I diagrammi delle fig. 17 e 18 danno le caratteristiche di radiazione

nel piano della parabola e nel piano ad essa perpendicolare. In quest'ul¬timo vediamo assai bene l'effetto di interferenza provocato dai centri di

emissione. Questa caratteristica è assai aperta; essa può essere migliorataaumentando il numero dei dipoli irradianti e quindi delle coppie di

tubi che li alimentano.

Fig. 17. — Caratteristica di radiazione nel piano della, parabola.

Fig. 18. — Caratteristica di radiazione nel piano perpendicolarea quello della parabola.

Il sincronismo dei due gruppi è ottenuto dall'accoppiamento per

radiazione dei due dipoli ('). Esso si è dimostrato sufncente anche per

forti profondità di modulazione.

La fig. 19 dà l'aspetto del trasmettitore pronto al funzionamento

e la fig. 20 lo schema delle connessioni.

Il ricevitore comporta il gruppo di due tubi per la demodulazione e

la reazione. Fa seguito un amplificatore ad alta e a bassa frequenzacostituito da un comune apparecchio radiofonico.

Le microonde vengono concentrate sul dipolo ricevente da un ri¬

flettore parabolico di rotazione. Questo riflettore di 150 cm di aperturadà un'amplificazione il cui valore corrisponde assai bene al risultato

della formola indicata da Darbord (8). Essa ci dice che l'amplificazioneè uguale al raggio di apertura moltiplicato per n e diviso per la lunghezzad'onda. Con la lunghezza d'onda da noi comunemente impiegata di

(') H. Buehler: Comunicazione inedita.

(8) R. H. Darbord: Onde F,l., 1932, XI, p. 80.

Fig. 19. — Stazione trasmittente.

_bwr

-o»2POV I—*• 114PV

-• 0

^

apparecchio modulatore

<£* W'»=!•*

<.Q> é)/,.

I

L_ JL.

f- <?$1

J—*

-%V.\>/W

—vivwyw _rZI

yf/ru/ner}// a/ cos//ro//o

v,o/r

Fig. 20. — Schema del trasmettitore con modulazione mista in ampiezzaed in frequenza.

Gennaio 1938 modulazione di microonde ^5

a•a

I

•»"——

ed

E

26 G. NOBILE A.F..VII, i

18,9 cm, abbiamo quindi75 n

= 12,5, risultato questo vicino a quello18,9

constatato sperimentalmente.Le fig. 21 e 22 danno l'aspetto del ricevitore e lo schema delle connes¬

sioni elettriche.

Gli schemi indicati nelle fig. 20 e 22 si riferiscono al-sistema di mo¬

dulazione mista in ampiezza e in frequenza. I/emissione fu costante¬

mente controllata per mezzo di un piccolo ricevitore a cristallo seguitodal suo relativo amplificatore, il cui uso si dimostrò in molti casi di grandeutilità. La lunghezza d'onda all'apparecchio trasmittente fu verificata

con un ondametro a fili paralleli direttamente accoppiato alle linee

di trasmissione dei dipoli.

V^

<fe//e microonde

. Omjobfica/ore i

1 (Normale apparti¬ci basso /r«outo-\

\zo 00frequenza i chio radiofonico)intermedia

4n>0

Fig. 22. Schema del ricevitore.

Le prove di trasmissione e ricezione furono sempre effettuate fra

punti trovantisi fra di loro direttamente in vista. Tanto l'apparecchiotrasmittente quanto il ricevente furono fatti funzionare quasi sempre

completamente all'aperto. Alcune esperienze eseguite trasmettendo e

ricevendo attraverso finestre chiuse diedero risultati assai buoni; si notò

soltanto un piccolo affievolimento dovuto alla riflessione provocata dalla

diversa costante dielettrica del vetro e del legno rispetto all'aria.

A partire da una certa distanza dal riflettore trasmittente l'intensità

di campo diminuisce in modo assai sensibile, proporzionalmente alla

distanza. L'andamento dell'intensità di campo in funzione della distanza

è rappresentato dal diagramma della fig. 23. In esso si vede pure la curva

rappresentante l'intensità di campo del trasmettitore senza riflettore;

Gennaio 1938 modulazione di microonde 27

essa ha un andamento uguale e ci dà visione dell'amplificazione prodottadal riflettore stesso.

Esperienze di trasmissione si fecero a distanze di 400, 2000, 7000 m.

Va notato che la potenza del trasmettitore era molto piccola: pochicentesimi di watt. La caratteristica di radiazione risultava assai aperta e

molto perfezionabile. I risultati ottenuti sono quindi da attribuire alla

estrema sensibilità dell'apparecchio ricevente dovuta alla reazione sepa¬

rata ed alla grande amplificazione che il sistema a modulazione mista

permette senz'altro di effettuare.

1

«1 — Co/j r*f/a//a/v.

volt/m

\\X

110

1ZO

130

1 1 140 < 30 60

1

7°

1 1* /,f

Fig. 23. — Intensità di campo in funzione della distanza.

La portata massima degli apparecchi è sicuramente parecchie de¬

cine di km. Va poi notato che, adoperando come amplificatore un ap¬

parecchio radiofonico più sensibile, essa può venire facilmente aumen¬

tata considerevolmente senza dover ricorrere a riflettori di dimensioni

maggiori. Questi ultimi devono essere diretti molto esattamente; ciò,se per stazioni fìsse può essere un vantaggio (aumento della segretezza),è, a partire da un certo grado, molto noioso per stazioni mobili. Con

i riflettori da noi usati, il loro orientamento fu sempre ottenuto al primotentativo, essendo esso poco critico.

Anche a 7 km la chiarezza e la potenza furono sempre molto buone.

Fu pure constatato un basso livello del rumo e di fondo, ciò che con¬

ferma l'ipotesi di una possibile maggiore amplificazione nell'apparecchioricevente, il che ci darebbe subito un forte aumento della portata.

Si fecero pure alcuni esperimenti di trasmissione, dirigendo le onde

su riflettori metanici e dimostrando così la possibilità di comunicare

fra luoghi che non si trovano direttamente in vista. La riflessione si

verifica senz' altro se le dimensioni del riflettore sono sufncentemente

grandi.

28 G. NOBII.E A.F..VII, I

Spostando l'apparecchio ricevente furono constatate zone in cui la

ricezione presentava massimi o minimi di intensità causati da inter¬

ferenze provocate da onde riflesse dal suolo o da case ed alberi.

6. - Possibili perfezionamenti.

L'esecuzione di questo lavoro ha dimostrato come sia possibile e

altresì relativamente facile costruire apparecchi per comunicazioni a

distanza con microonde. Anche la costruzione dei tubi non offre grandidifficoltà; i tipi progettati e costruiti prima nel nostro laboratorio

(fig. 24) furono poi ordinati alla ditta Telefunken (fig. 25). Tutti i tubi

funzionarono sempre perfettamente senza dar luogo a nessun difetto

o disturbo.

I

Fig. 24. — Tubo costruito in laboratorio.

La massima distanza di trasmissione possibile si dimostrò soddisfa¬

centemente elevata. Un aumento di sensibilità del ricevitore è, come

fu accennato, senz'altro attuabile, così che, anche con un trasmettitore

di piccola potenza, si può raggiungere l'orizzonte in qualsiasi caso.

Uno svantaggio di questi apparecchi risiede nelle dimensioni ancora

assai ingombranti dei riflettori. Essi devono avere, per produrre un

sufficente effetto direttivo alla stazione trasmittente ed una buona am¬

plificazione a quella ricevente, un'apertura di molte lunghezze d'onda.

Come fu notato, l'aumento delle dimensioni del riflettore all'appa¬recchio trasmittente può in certi casi essere seonsigliabile. Naturalmente

il rendimento cresce con le dimensioni dei riflettori. .Sembra che un buon

valore debba trovarsi per un'apertura di circa 20X; quindi, per una lun¬

ghezza d'onda di ij cm, occorre un diametro di 3 m, il che è evidente¬

mente possibile solo per stazioni fisse ("). Per piccole stazioni portabili è

(•) A. G. Clavier e I,. C. Gaixand: El. Comm., 1934, XII, p. 178.

Gennaio 1938 modulazione di microonde 29

necessario usare lunghezze d'onda molto più corte Solo con onde di

alcuni centimetri (1 -^5 cm) sarà possibile la costruzione di piccoli

apparecchi veramente interessanti.

La ricezione, data la proprietà direttiva del riflettore, è esente da

disturbi. Gli amplificatori a frequenza intermedia possono essere per¬

fettamente schermati. Esiste pure la possibilità di schermare comple¬

tamente anche il dipolo ricevente con una griglia di fili paralleli posti

nel piano d'apertura del riflettore hi direzione perpendicolare al dipolo

stesso. Si ottiene così una perfetta schermatura per tutte le onde di

normale lunghezza e per microonde il cui piano di polarizzazione è per¬

pendicolare al dipolo.

Fig. 25. — Disposizione degli elettrodi in un tubo costruito dalla Telefunken.

Adoperando il sistema a doppia modulazione è possibile applicare

la regolazione antievanescenza nell'amplificatore a frequenza intermedia.

Ciò è di utilità per le microonde, non perchè sia da temere l'evane¬

scenza comunemente nota nelle comunicazioni radiofoniche, ma perchè

si sono riscontrate, come fu accennato, interferenze prodotte da onde

riflesse che, in certe condizioni, possono portare ad intensità di rice¬

zione variabili. Il sistema a regolazione automatica dell'amplificazione

a frequenza intermedia elimina completamente questo inconveniente.

Va infine notato che la sicurezza di funzionamento e la facilità di

regolazione di un apparecchio per microonde sono per lo meno uguali,

se non superiori, a quelle di ini comune ricevitore per onde corte. Sa¬

rebbe molto probabilmente possibile, co1, gruppo di due tubi, la costiti-

3° G. NOBILE A.F.,VII, i

zione di un ricevitore a superreazione. Ciò sembra però di scarso interesse,

data l'ottima sensibilità raggiunta con gli altri tipi di ricevitori, ed es¬

sendo la superreazione molto critica.

Mi è oltremodo gradito poter qui esprimere la mia viva ricono¬

scenza al prof. Tank per il suo grande interessamento a questo lavoro

e per i molti e sapienti consigli prodigatimi durante l'esecuzione dello

stesso. È pure mio sommo piacere ringraziare il" Direttorio ed il Con¬

siglio di fondazione dell'« Aluminiumfonds Neuhausen» per il largocontributo finanziario a queste ricerche.

Zurigo - Istituto di alta frequenza del Politecnico Federale.

INDICE

Nuovo sistema di modulazione

per microonde

PARTE TEORICA.

1 Generalità Pag. 3

2 Modulazione in ampiezza di un gruppo

di due tubi in opposizione ... „6

3 Doppia modulazione in ampiezza . „8

4 Modulazione mista in ampiezza e frequenza „9

PARTE SPERIMENTALE.

5 Modelli praticamente costruiti e risultati

ottenuti„

20

6 Possibili perfezionamenti ... .,28