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RADIOAMATORI

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NOZIONI DI RADIOCOMUNICAZIONI

L’ ANTENNA

By I1SAF ARI La Spezia licenza Creative Commons

L’ antenna

L’antenna è un trasduttore che :

- in trasmissione trasforma l’energia elettrica al alta frequenza fornita dal trasmettitore, in un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio alla velocità della luce.

- in ricezione trasforma l’energia del campo elettromagnetico in cui è immersa, in un segnale elettrico (f.e.m.) per il ricevitore, che ne estrae l’informazione.

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TXTX ZCZCLINEA

Dalla linea di trasmissione all’antenna

Fase n° 1

I

I

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TXTX ZCZC

Dalla linea di trasmissione all’antenna

Fase n° 2

LINEA

I

I

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TXTX ZCZC ?

Dalla linea di trasmissione all’antenna

Fase n° 3

I

I

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L’ antenna è un circuito a costanti ( L, C, R) “distribuite”

L è l’induttanza “distribuita” del conduttore che costituisce l’antenna

C è la capacità “distribuita” del conduttore che costituisce l’antenna

R è la somma della resistenza del conduttore che costituisce l’antenna e della Resistenza di Radiazione

ZCZC =

L C R

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Resistenza di Radiazione dell’ Antenna

E’ una resistenza fittizia che rappresenta il fenomeno di trasformazione dell’ energia RF in onde elettromagnetiche.

Impedenza dell’ Antenna

E’ il rapporto tra la tensione V e la corrente I nel punto dialimentazione :

Zr = V / I (legge di Ohm)

Se tensione e corrente sono in fase (antenna risonante) coincide teoricamente con la Resistenza di Radiazione. Se esiste uno sfasamento tra tensione e corrente l’antenna non è risonante ed è presente una componente reattiva (L o C).

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Riveste molta importanza il modo in cui una antenna irradia l’energia RF nello spazio.Di norma l'intensità del campo irradiato da una antenna varia a seconda della direzione.In certe direzioni, l’intensità può essere nulla.Ciò dipende dal tipo di antenna.In base al modo in cui avviene l’irradiazione possiamo fare una prima distinzione tra :– Antenna isotropica– Antenne omnidirezionali– Antenne direttive.

L’ antenna

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Antenna isotropica: irradia ugualmente in tutte le direzioni nello spazio.L'antenna isotropica è un concetto puramente teorico ed è adimensionale (puntiforme). Costituisce l’antenna di riferimento

Antenne omnidirezionali: irradiano uniformemente sul piano orizzontale. Sono generalmente antenne verticali.

Antenne direttive: irradiano prevalentemente in alcune direzioni particolari.

L’ antenna

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L’ antenna in praticaPer ottenere il massimo dell’ efficienza, l’antenna deve essere “risonante”.

L’ antenna, nella pratica, è costituita da un conduttore che in base alle sue costanti ( L, C, R) “distribuite” si comporta come un circuito risonante.

La frequenza di risonanza è determinata dalle sue dimensioni fisiche.

Ne consegue che esiste una relazione diretta tra le dimensioni dell’antenna (essenzialmente la lunghezza) e la sua frequenza di funzionamento.

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La lunghezza teorica L che deve avere un conduttore per risuonare su

una determinata frequenza è :

L = λ / 2Detta lunghezza può essere variata

“elettricamente” in più o in meno inserendo delle costanti reattive (L o C) “concentrate”.

Dimensioni dell’ antenna

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Le antenne si dividono in: Antenne Hertziane e MarconianeLe Antenne Hertziane: sono i cosiddetti “dipoli” ed hanno una lunghezza teorica pari a /2. Se alimentati al centro presentano una resistenza di radiazione di 73 Ω.

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Le Antenne Marconiane (o semidipoli) hanno lunghezza teorica pari a /4. Se alimentate alla base presentano una resistenza di radiazione di 36,5 Ω

L’ altra metà del dipolo è costituita dalla “terra”.

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Distribuzione di corrente e tensione lungo un’ antenna

Un dipolo lungo λ/2 presenta questa distribuzione dellacorrente e della tensione : al centro un massimo di corrente (ventre) e un minimo di tensione (nodo).A ciascuna estremità un massimo di tensione (ventre) e unminimo di corrente (nodo).

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Distribuzione di corrente e tensione lungo un’ antenna

In una antennamarconiana lungaλ/4 si ha un ventredi corrente alla base e un ventre di tensione alla sommità.

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Alimentazione di un’ antenna

L’antenna può essere alimentata in qualunque punto della sua lunghezza.

Poiché la tensione e la corrente variano da punto a puntovaria di conseguenza l’ impedenza caratteristica nei diversipunti di alimentazione.

Occorre quindi scegliere il punto di alimentazione in modo tale che l’impedenza di uscita del trasmettitore, quella dell’ antenna e quella della linea di trasmissione abbiano lo stesso valore. Quando, per ragioni pratiche, ciò non sia possibile è necessariointrodurre dei dispositivi che realizzino i necessari “adattamenti”tra impedenze diverse. By I1SAF ARI La Spezia licenza

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Solido e diagramma di radiazione

é un metodo grafico per visualizzare l'intensità del campo irradiato da una antenna, in funzione della direzione.

Le caratteristiche di irradiazione (antenna trasmittente) sono identiche a quelle di captazione (antenna ricevente).

Il solido é relativo alla propagazione nello spazio (quindi in tre dimensioni)

L’ antennaL’ antenna

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Banda passante dell’ antenna

Essendo l’antenna un circuito risonante, dotato di undefinito “fattore di merito” Q, ne consegue che avràuna corrispondente banda passante :

Bp = F 0 / Q

Ne consegue che una antenna funzionerà in modoaccettabile solo su una ristretta banda prossima alla frequenza per cui è stata progettata oppure su frequenzemultiple (armoniche) di detta frequenza.

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Tipi di antenna

Le antenne, pur rispondendo in generale a quanto visto,possono assumere varie forme e dimensioni sia in base alla loro frequenza di lavoro che in base a particolari requisiti legati alle condizioni pratiche di impiego.

Molto spesso è necessario trovare dei compromessi trarequisiti contrastanti, ad esempio tra le dimensioni e lo spazio disponibile per l’installazione, soprattutto nelle postazioni mobili.

Da qui derivano le svariate forme che le antenne assumononella pratica.

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Antenne per mezzi mobiliSono antenne verticali di varia foggia,di tipo omnidirezionale poiché la direzionetra i punti da collegare è continuamente variabile.

Si caratterizzano per un basso angolo di irradiazione sul piano verticale poiché, dimassima, tutti i collegamenti di questo tipoavvengono per onda “diretta” e a breve distanza.

Sono antenne di tipo “marconiano” e lamassa metallica del mezzo mobile ne costituisce la “terra”.

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Antenne omnidirezionali per postazioni fisse

Sono antenne di tipo “marconiano”. Non essendoci in genere problemi di spaziola loro lunghezza è di λ/4.Il piano di terra è costituito da una “raggiera” di tre o più conduttori isolati e connessi alla calzadel cavo coassiale che alimenta l’antenna.

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Antenne filari per postazioni fisseIl tipo più “classico” è il dipolo. Sono antenne usate per leonde corte, medie e lunghe e richiedono spazi non trascuabili per la loro installazione. Ne esistono moltissime varianti, ciascunacon le sue peculiarità. Presentano sempre una certa direttività,non molto spinta, quindi se possibile si orientano per irradiarenelle direzioni di maggior interesse

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Antenne a larga bandaQualora sia necessario operare su una ampia banda difrequenze si utilizzano antenne a “larga banda”, la cui rispostain frequenza è alquanto “piatta” a scapito però della loroefficienza. Il principio base è quello di avere più antenne risonanti su diverse frequenze alimentate da un’unica linea.

Antenna “discone”By I1SAF ARI La Spezia licenza

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Antenne direttive

Nelle applicazioni pratiche è spesso utile irradiare il segnaleradio solo in una direzione. Ciò comporta una riduzione dellapotenza necessaria per il collegamento da parte del trasmettitore ed un aumento del segnale utile dalla parte del ricevitore.

Le antenne direttive trovano larga diffusione nei collegamenti“punto - punto”. Se necessario tali antenne possono essere dotate di un sistemache le faccia ruotare in modo da poter essere orientate verso il “punto” che in quel momento si desidera collegare.

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ANTENNE YAGI-UDA

Le antenne Yagi sono molto usate in HF ma soprattutto in

VHF e UHF. Sono costituite da un elemento attivo, che è un

dipolo e da elementi passivi detti anche dipoli parassiti, che

sono una serie di conduttori disposti parallelamente al

dipolo attivo. Il campo risultante dipende dalla lunghezza

dei dipoli passivi e dalla loro distanza relativa al dipolo

attivo.

Si riesce così a modificare il diagramma di radiazione del

dipolo alimentato, variando la distanza, la lunghezza ed il

numero dei dipoli passivi.

Tutti i dipoli sono montati su un’asta metallica (talvolta

isolata dai dipoli) detta “BOOM”.

Antenne direttive

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Dipolo attivo e dipolo passivo

riflettore

Si dispone il dipolo ricevente

parallelo ad un dipolo passivo

detto riflettore, posto ad una

determinata distanza d. La

presenza di tale riflettore

permette la modifica del

diagramma di radiazione come

indicato in figura.

Diminuendo “d” l’effetto tende ad

essere più marcato.Il dipolo passivo è lungo L > / 2, e prende il nome di

riflettore. E’ posto a distanza d < / 4. Il diagramma di

radiazione è relativo al piano perpendicolare al piano

dell’antenna, l’irradiazione è massima nel verso da R ad A.

Antenne direttive

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Dipolo attivo e dipolo passivo direttore

E’ analogo al caso precedente, solo che il dipolo passivo, posto a distanza d dal dipolo attivo, è lungo L < λ / 2.

L’irradiazione è massima nel verso dal dipolo A al dipolo D.

Antenne direttive

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ANTENNE YAGI-UDA A PIU’ ELEMENTI

Questo tipo di antenne è costituito da un dipolo attivo, un dipolo

riflettore e più dipoli direttori: in tal modo si riesce ad ottenere

una maggiore direttività.

Vediamo ad esempio una YAGI a 5 elementi, di cui tre direttori

(D1 D2 D3), ed il riflettore e l’attivo (che sono SEMPRE

presenti...).

Le distanze fra i vari elementi sono nell’ordine di /5.

In pratica si ottiene poi che:• la lunghezza del dipolo attivo è lievemente inferiore a /2• il riflettore è circa il 5% più lungo del polo attivo;• i direttori sono circa il 5% in meno (salvo che non abbiano

lunghezze diverse, di solito decrescenti).• Variando le lunghezze degli elementi e la loro distanza

reciproca si riesce a variare la direttività dell’antenna e la

banda in cui questa lavora.

Antenne direttive

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ANTENNE YAGI-UDA A PIU’ ELEMENTI

Numero di direttori.

Guadagno [dB]

1 6

4 10

10 15

20 20

Il riflettore può essere costituito

anche da tre conduttori posti ad H

che aumentano ulteriormente la

direzionalità, oppure da una griglia

metallica piegata a V col vertice

verso la parte posteriore dell’antenna

Il guadagno, e con esso la

direzionalità, dipende poi dal

numero di direttori presenti,

secondo la tabella (i valori sono

indicativi). La Ri tende a diminuire

col crescere del numero di direttori

Antenne direttive

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Esempio di antenne Yagi a più elementi

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Antenne direttive “log-periodiche”

Sono antenne che solo apparentemente assomigliano ad una“yagi”. Gli “elementi” che le compongono costituiscono un “array” di dipoli attivi , ciascuno con una sua frequenza di Risonanza, e tutti sono alimentati da una speciale linea di trasmissione. Uniscono caratteristiche di una ampia banda passante e di un buon guadagno o direttività.

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Tipica antenna log - periodica per ricezione televisivaCopre le bande III - IV - V (VHF e UHF)

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Antenne parabolicheSono antenne caratterizzate da elevato guadagno e da altrettanto elevata direttività.

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illuminatoreriflettore

Principio di funzionamento di una antenna parabolica

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g = Guadagno in dBi, λ = lunghezza d’onda,k = illuminazione, Ω = apertura

g = 10 * log_10( (k * 4 * π * Ω)/(λ * λ))

Guadagno di una antenna parabolica

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Applicazioni delle antenne paraboliche

Le antenne paraboliche trovano larga applicazione ove sianorichiesti particolari requisiti di guadagno e/o di direttività.Il campo di frequenza va dalle UHF in su fino alle microonde.Questo perché, a parità di dimensioni del riflettore parabolico,al cresecere della frequenza aumenta il guadagno. E’ quindifacile realizzare antenne dal guadagno molto elevato e diingombro ridotto. Anche i problemi meccanici connessi sonodi entità sempre minore, date le piccole dimensioni.Le principali applicazioni sono in campo RADAR, dove ebberoorigine, nelle comunicazioni satellitari e spaziali, nei ponti radiotelefonici e in tutte quelle applicazioni dove la direttività moltospinta costituisce un fattore di protezione contro eventualiinterferenze e garantisce un certo grado di “riservatezza” dellecomunicazioni.

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GRAZIE PER L’ATTENZIONE

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