Antenne

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Un'antenna permette di trasferire l'energia presente in un circuito elettrico sotto forma di corrente e tensione in un campo elettromagnetico che si propaga nel vuoto sotto forma di campo elettrico e di campo magnetico. La stessa antenna permette anche l'operazione inversa: trasforma l'energia del campo elettromagnetico in tensione e corrente (principio di reciprocità). Nel primo caso avremo un'antenna trasmittente, nel secondo un'antenna ricevente; in molti casi una singola antenna può essere usata sia per trasmettere che per ricevere.

No, quelle della fotografia di apertura non sono antenne per telecomunicazioni.

Come funziona un'antenna

Un'antenna per radiocomunicazioni è costituita da fili elettrici che formano, in genere, un circuito aperto.

Nella figura seguente:

Dipolo

I due spezzoni di filo orizzontale devono essere lunghi un quarto della lunghezza d'onda del segnale sinusoidale che si vuole trasmettere. Il tempo necessario al segnale per percorrere uno dei due tratti orizzontali è quindi un quarto del periodo. Il circuito è aperto e quindi il segnale viene riflesso quando arriva al termine della linea orizzontale, in modo analogo a quanto avviene in una linea di trasmissione aperta, impiegando tra andata e ritorno un tempo pari a metà periodo. Lo stesso avviene con l'altro tratto orizzontale.

Il segnale forma quella che viene chiamata un'onda stazionaria cioè il segnale "di ritorno" si sovrappone esattamente al segnale "di andata".

Le correnti ed il campo magnetico

La figura seguente mostra, in un particolare istante, l'andamento delle correnti. Queste correnti generato un campo magnetico, secondo la regola della mano destra, in figura disegnato in verde.

Dipolo hertziano

 Il comportamento del tratto orizzontale è profondamente diverso del tratto verticale.

La tensione ed il campo elettrico

Consideriamo ora la tensione: nell'istante in cui al centro C la tensione vale 0 V, all'estremo A (un quarto di periodo "prima") la tensione è minima, all'estremo B la tensione è massima (o viceversa...).

Campo elettrico

In blu è disegnato il campo elettrico E. Tale campo, insieme a quello magnetico, ad esso perpendicolare, si propaga nello spazio.

Anche in questo caso il tratto verticale non contribuisce al campo elettrico nello spazio, essendo confinato tra i due conduttori che costituiscono la linea di trasmissione.

Antenna ricevente

Il comportamento di un'antenna immersa in un campo elettromagnetico può essere ricavato attraverso il principio di reciprocità: all'uscita della linea di trasmissione collegata ad una antenna con le stesse caratteristiche appena descritte sarà presente una tensione ed una corrente.

L'animazione seguente mostra l'andamento del campo elettrico, in verde, e la tensione lungo l'antenna ricevente:

Caratteristiche di un'antenna

Nei paragrafi che seguono verranno presentate alcune delle caratteristiche di un'antenna ed alcuni esempi di realizzazione fisica. Forma e dimensione influenzano enormemente il suo funzionamento e la sua capacità di ricevere e trasmettere segnali elettromagnetici.

Dimensioni dell'antenna

La fotografia seguente mostra una possibile realizzazione fisica dell'antenna a dipolo sopra descritta.

Dipolo hertziano

La fotografia seguente mostra un'altra di queste antenne, in questo caso montata verticalmente:

Dipolo hertziano

Esistono numerosi tipi di antenne lineari, cioè realizzate con fili rettilinei, ma tutte condividono la caratteristica di avere una dimensione fisica inversamente proporzionale alla frequenza di lavoro (oppure: dimensione direttamente proporzionale alla lunghezza d'onda). Spesso la lunghezza di queste antenne è l = λ / 4 oppure l = λ / 2.

Il legame tra dimensione fisica e lunghezza d'onda è tipico di tutte le antenne (nota 8).

Banda

Un'antenna è progettata per ricevere un segnale di una determinata frequenza. L'intervallo di frequenza per cui un'antenna ha un comportamento accettabile viene indicato come banda dell'antenna e può essere più o meno ampio a seconda del tipo di antenna.

Vengono spesso realizzati array di antenne in grado di ricevere intervalli di frequenza molto ampi come l'antenna log-periodica della fotografia seguente:

Antenna log-periodica

Polarizzazione

Il segnale generato da un'antenna trasmittente è normalmente polarizzato; un'antenna ricevente è adatta per ricevere solo segnali polarizzati secondo una determinata inclinazione.

In un'antenna lineare il campo elettrico è allineato con l'antenna fisica:

Guadagno

Un'antenna isotropa è un'antenna omnidirezionale: irraggia o riceve energia elettromagnetica in tutte le direzioni in egual misura; tale antenna non è realizzabile praticamente (nota 2) ed in genere non è neppure utile.

Un'analogia: nei sistemi di illuminazione raramente si utilizzano fonti di luce che illuminano in tutte le direzioni in egual misura; spesso si preferisce indirizzare la luce nella sola direzione in cui serve con opportuni specchi e lenti. SI pensi per esempio al faro anabbagliante di un'automobile che indirizza il fascio luminoso solo sulla strada davanti all'autovettura.

Anche le antenne in genere usate emettono energia elettromagnetica soprattutto in determinate direzioni; l'incremento di emissione di energia elettromagnetica nella direzione preferenziale rispetto all'antenna isotropa è detta Guadagno (G) dell'antenna e si misura in dBi, unità logaritmica adimensionale. Un'antenna non è però un amplificatore ed il guadagno non indica l'aumento del segnale elettromagnetico complessivamente emesso, ma la sua concentrazione in una determinata direzione preferenziale, a scapito di altre.

Per aumentare il guadagno di un'antenna è possibile per esempio:

Antenna parabolica

Antenna Yagi

Occorre precisare che un'antenna ad elevato guadagno deve essere puntata nella direzione corretta con una accuratezza sempre maggiore al crescere del guadagno.

Diagramma di radiazione

Se un'antenna emette più energia in una determinata direzione rispetto all'antenna isotropa dovrà, ovviamente, emetterne meno in altre direzioni: l'antenna è infatti un semplice pezzo di metallo e quindi non può incrementare la potenza di un segnale, ma solo concentrarlo.

Per questo viene fornito il diagramma di radiazione,  una rappresentazione grafica che descrive come l'intensità del campo elettromagnetico si distribuisce intorno all'antenna.

Impedenza

Un'antenna si comporta nei confronti della linea di trasmissione come un carico con una determinata impedenza. Per garantire l'adattamento è necessario che l'impedenza dell'antenna, della linea e del trasmettitore (o del ricevitore) siano uguali tra di loro.

Esempio 1

Gain Master è il nome commerciale di un'antenna lineare verticale λ/2, alta circa 5.5 m e progettata per frequenze intorno ai 27 MHz (λ = 3·108 / 27·106 = 11 m)

Questa antenna ha guadagno 5.8 dBi nel piano orizzontale. Questo significa che in direzione orizzontale l'intensità del campo elettromagnetico è 105.8/10 = 3.8 volte maggiore di quello generato da un'antenna isotropa. Ovviamente in altre direzione l'intensità del campo elettromagnetico è minore di quello generato da un'antenna isotropa

L'immagine seguente mostra, a sinistra, l'aspetto fisico dell'antenna. Al centro è disegnato il diagramma di radiazione 3D dell'antenna; l'antenna è in corrispondenza dell'asse verticale blu. I colori mostrano l'intensità dell'onda irraggiata nelle varie direzioni, massima in corrispondenza del rosso, minore in corrispondenza del verde, minima in corrispondenza del blu, al "polo nord". L'intensità è mostrata anche come distanza rispetto all'origine degli assi: maggiore distanza significa maggiore intensità del campo.

 

Antenna Gain Master: diagramma di radiazione

Purtroppo l'immagine 3D, utile per visualizzare nell'insieme l'irraggiamento nelle varie direzioni, è poco pratica dal punto di vista quantitativo. Per questo in genere vengono proposte sezioni della figura 3D, come quella visualizzata a destra e corrispondente al piano verticale passante per l'antenna. Tale grafico è in coordinate polari e il modulo indica la potenza relativa del segnale, in decibel (nota 3).

Il grafico di destra mostra che:

Il guadagno ed i diagrammi di radiazione sono gi stessi anche ricezione: indicano da quale direzione in segnale viene ricevuto con maggiore intensità.

Questo significa che il migliore utilizzo di questa antenna è quello per realizzare trasmissioni tra due punti della superficie terrestre. Per superare ostacoli (edifici) è utile porre entrambe le antenne in alto (nota 5). Questa antenna va bene anche per essere usata su mezzi in movimento sulla terra (nota 6); Non è invece adatta per comunicare con aeromobili (perché?).

Questa antenna genera un'onda elettromagnetica con polarizzazione verticale; l'antenna ricevente riceve solo segnali con polarizzazione verticale, o quasi. Nell'improbabile ipotesi in cui l'antenna fosse montata orizzontalmente, la polarizzazione sarebbe orizzontale; anche l'antenna ricevente dovrà quindi essere montata orizzontalmente.

Esempio 2

NanoStation 5 AC è un dispositivo progettato per realizzare ponti radio a 5 GHz per coprire distanze fino a qualche chilometro e velocità di qualche centinaia di Megabit al secondo.

NanoStation 5 AC

NanoStation 5 AC utilizza un'antenna con guadagno 16 dBi ed il seguente diagramma di radiazione relativo alla polarizzazione verticale (nota 4). Il grafico indicato come Azimth è  la sezione orizzontale, in pratica quello che si ottiene ruotando l'antenna da destra a sinistra. Il grafico indicato come Elevation è una sezione verticale, in pratica rotazione dell'antenna verso l'alto o verso il basso.

Vertical Azimuth e Vertical Elevation

La massima intensità di emissione o ricezione si ottiene "puntando" l'antenna trasmittente con la faccia (angolo 0, punto rosso) verso l'antenna ricevente (e viceversa), sia in orizzontale che in verticale. La fotografia di questa pagina mostra il dispositivo che punta un altro dispositivo NanoStation 5 AC, posto sul tetto di un edificio a circa 300 m di distanza.

Un errore di puntamento di 10° (punto azzurro: piccolo, ma non piccolissimo) produce una perdita di segnale di circa 2 dB nella rotazione sinistra-destra e di ben 10 dB (punto azzurro) nella rotazione alto-basso.

Esercizio 3

Individuare nel foglio tecnico di NanoStation 5 AC le caratteristiche dell'antenna con polarizzazione orizzontale (Horizontal Azimuth e Horizontal Elevation).

Esercizio 4

Individuare il guadagno e il diagramma di radiazione dell'antenna usata da airGrid M5 HP.

Note

  1. Alcune antenne sono progettate anche per funzionare anche con altre frequenze, in genere multiplo intero
  2. A volte viene approssimata usando più antenne ciascuna delle quali copre un determinato settore
  3. In fatto che l'intensità sia misurata con unità adimensionali ci deve segnalare che si tratta di una misura relativa
  4. Questo apparato contiene due antenne, una a polarizzazione verticale ed una a polarizzazione orizzontale
  5. Più difficile superare la curvatura terrestre o le montagne anche se, in entrambi questi casi stare in altro aiuta
  6. Con qualche attenzione alle dimensioni fisiche...
  7. A volte il paraboloide è forato o costituito da una rete a maglie fitte per meglio resistere al vento
  8. Elementi metallici nelle vicinanze dell'antenna o gruppi RCL collegati al cavo coassiale possono cambiare anche di molto la frequenza d'uso di un'antenna; il principio rimane comunque valido
  9. In questo caso è necessario un trasformatore che porta il segnale da sbilanciato a bilanciato (balun)


Pagina creata nel gennaio 2022
Ultima modifica: 5 gennaio 2022


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