Le antenne

Definizione di antenna

Le antenne sono dispositivi atti ad irradiare onde elettromagnetiche nello spazio se opportunamente alimentate da un generatore a radiofrequenza; sono anche dispositivi atti a ricevere onde elettromagnetiche se chiusi su di un carico

Esistono due principi fondamentali per le antenne

Principio di reciprocità: le regole per le antenne riceventi sono le stesse per quelle trasmittenti

Principio delle immagini elettriche: considerata un’antenna filiforme isolata nello spazio, la distribuzione della corrente e della tensione non cambia se si sopprime il conduttore inferiore e si collega al suolo il corrispondente morsetto del generatore

Componenti di un sistema di antenna

Elemento irradiante o ricevente: è l’antenna vera e propria che realizza la trasduzione

Feeder di antenna: è il mezzo trasmissivo utilizzato per collegare il trasmettitore o il ricevitore con l’antenna

Dispositivi di adattamento: consentono di accoppiare correttamente il feeder all’antenna evitando riflessioni di segnale

Dispositivi di diramazione o circolatore: è utilizzato quando si vuole impiegare l’antenna sia per trasmettere che per ricevere; consente di separare la trasmissione dalla ricezione

Dispositivi ausiliari: dispositivi di protezione dell’antenna da ghiaccio, intemperie o per il puntamento corretto dell’antenna

Sistema di antenna

Tx

Rx

circolatore

feeder

Meccanismi di irradiazione

Su un tronco di linea con terminazione aperta, alimentato da un generatore a RF si viene ad instaurare un regime di onde stazionarie di corrente e tensione

Questa linea tenderà a irradiare poco per i seguenti due motivi:

• i due conduttori sono vicini e l’irradiazione dell’uno cancella quella dell’altro• se si considera lo spazio come carico, esso risulta disadattato

Zg

I

I

Onde stazionarie

Meccanismi di irradiazione Se si piegano a 90° le estremità della linea le correnti avranno lo stesso verso e quindi, sarà possibile irradiare energia nello spazio e quindi le onde non saranno più stazionarie ma progressive

Per massimizzare l’irradiazione è necessario piegare i conduttori a una distanza di dall’estremità ottenendo un’antenna lunga

L’antenna si comporta nel centro come un circuito prettamente risonante che presenta una impedenza resistiva. Se si alimenta l’antenna con un segnale di tipo sinusoidale, le cariche si addenseranno alternativamente agli estremi opposti

II

I

V

Dipolo Hertziano

Il dipolo Hertziano si ottiene da quello Marconiano ma con lunghezza doppia quindi, anche la potenza cambierà

Dipolo marconiano

È costituito da un conduttore rettilineo verticale collegato ad un generatore con l’altro polo posto a terra

GRf

Il sistema può essere assimilato ad una linea aperta senza perdite

La corrente ha un massimo in corrispondenza della giunzione con il generatore.In quel punto l’impedenza sarà nulla

diagrammacorrente

diagrammatensione

La lunghezza del dipolo è n

Dipolo marconiano

• Quando l’antenna è connessa a terra ad un estremo, la minima lunghezza per cui si presenta la risonanza è /4 o per multipli dispari di essa

V

Antenne particolari

Antenna isotropa: antenna puramente ideale che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni

Dipolo elementare: antenna formata da conduttori di lunghezza molto maggiore di in modo tale che la corrente che vi fluisce è costante

Dipolo in : si utilizza come dipolo di riferimento o spesso, anche altri tipi di antenne di caratteristiche note

Caratteristiche elettriche delle antenne

Le caratteristiche fondamentali delle antenne sono: Dimensioni fisiche Impedenza Gamma di frequenze Potenza di irradiazione Rendimento Guadagno Area efficace Banda passante Rapporto segnale-rumore alimentazione

Lunghezza fisica di un’antennaQuando un dipolo ha una lunghezza pari a La=/2, si dimostra che si

ha la massima irradiazione. In realtà, la lunghezza dell’antenna dipende dal materiale di cui essa è fatta. La relazione tra lunghezza di un dipolo herziano e la costane caratteristica K del materiale è:

La=K/2

Se il dipolo è marconiano, la relazione è:

La=K/4

In particolare, se l’antenna è di alluminio, K=0,85 mentre, se il materiale è rame, k=0,95

Per fare in modo che l’antenna risuoni ad una determinata frequenza, si usa il ROSmetro che misura il ROS. Dalla misura effettuata si vede se l’antenna deve essere allungata o accorciata o caricata.

ROS

• ROS=Rapporto Onda Stazionaria

Dove Vmax=V(diretta)+V(riflessa)

Vmin=V(diretta)-V(riflessa) • L’antenna risulta ben progettata se il ROS è

uguale su tutti i canali• Se il ROS è più grande su un canale grande,

l’antenna deve essere accorciata, altrimenti deve essere allungata

max

min

VROS

V

ROSmetro

ImpedenzaL’antenna presenta una impedenza caratteristica perché lavora in

condizioni di risonanza.

Per un’antenna hertziana:

Se I è la corrente efficace misurata in corrispondenza dell’alimentazione e P la potenza irradiata dall’antenna, R=P/I2=73.

L’impedenza è chiamata anche resistenza di radiazione e rappresenta la resistenza che il segnale incontra per essere irradiato. Per un’antenna marconiana R=36,5 cioè circa la metà.

I valori delle impedenze variano lungo il dipolo fino ad arrivare ad un massimo agli estremi

Gamma di frequenza

La lunghezza di un’antenna è legata alla frequenza del segnale e quindi alla lunghezza d’onda; bisogna tener conto anche del materiale e della forma fisica.

Un’antenna è costruita per funzionare in una banda di frequenza.

Quando si costruisce un’antenna, la frequenza di riferimento è il centro banda

Potenza di irradiazione. Rendimento

La potenza irradiata dall’antenna è data dalle seguente espressione:

Dove Ri è la resistenza di irradiazione.

La potenza fornita dall’alimentatore è data dalla seguente espressione:

Dove Rd tiene conto della resistenza dissipata nel conduttore costituente l’antenna

Definiamo quindi rendimento , il rapporto tra potenza irradiata e potenza di alimentazione

2i iP R I

2a d iP R R I

i i

a i d

P R

P R R

Attenuazione tra due punti

• Si definisce densità di potenza in un determinato punto a distanza d, il rapporto tra la potenza irradiata dall’antenna e la superficie sferica che racchiude il punto in esame:

• L’attenuazione tra due punti a distanza r1 ed r2 dall’antenna sarà:

24i

iso

PS

d

1 1

2 2

10log 20logiso

iso

S r

S r

Caratteristiche delle antenne: guadagno

GuadagnoOgni antenna reale concentra, in misura maggiore o minore, l’energia irradiata in certe direzioni. Il guadagno rappresenta l’aumento di potenza in certe direzioni rispetto ad una irradiazione uniforme

Guadagno direttivo Direttività Guadagno di potenza

È il rapporto tra la densità di potenza S irradiata da un’antenna, in una data direzione, e la densità di potenza Sis che irradierebbe un’antenna isotropica

dis

SG

S

Con il termine direttività D si intende il guadagno nella direzione di massima irradiazione

Gp è il rapporto tra la potenza che dovrebbe emettere un’antenna isotropica e la potenza con la quale si alimenta l’antenna in esame per dare , nella direzione di massima irradiazione , lo stesso campo a una certa distanza dall’antenna Gp = D =efficienza dell’antenna

Caratteristiche delle antenne:guadagno

Il guadagno di un’antenna viene riportato in decibel

1010logdis

SG

S

Il guadagno viene anche espresso come il rapporto tra la potenza che dovrebbe irradiare un’antenna isotropica e la potenza irradiata da un’antenna in esame affinchè il campo da loro prodotto ad una certa distanza sia lo stesso

Il guadagno può essere espresso anche come rapporto di campo elettricoE secondo la seguente formula

10 1020log 20logrif rif

E VG

E V

Esempio di calcolo del guadagno complessivo di un impianto TV

antenna

amplificatore

Linea di discesa

Presa TV

Segnale captato 0.5 mv 54 dbV

Guadagno + 16dB

Attenuazione -7 dB

Segnale disponibile 1,41 mV

16 dbV

7 dbV

+

-

63 dbV

Tenendo conto che a 1 V, corrispondono 0 dB

Area efficace

È definita come il rapporto tra la potenza effettivamente ricevuta dall’antenna nella direzione di massima ricezione e la densità di potenza che investe l’antenna stessa

Si dimostra che la relazione tra area efficace e guadagno di antenna ricevente è

Rappresenta il rapporto tra la potenza ricevuta e quella irraggiata:

/eff rA P S

2

4r

eff

GA

Formula fondamentale della trasmissione dienergia nello spazio

2

4r

t ri

PGG

P d

Banda passante

• È la gamma di frequenze entro la quale può funzionare correttamente un’antenna.

• In particolare, è definita come la differenza tra le frequenze in cui la tensione indotta è ridotta di 3 dB rispetto al suo valore massimo

• Quanto più il fattore di merito Q=R/X, è basso, maggiore è la larghezza di banda

Rapporto segnale/rumore• Il rumore delle antenne è dovuto a fattori interni e a fattori esterni

all’apparato• I fattori esterni dipendono soprattutto dal luogo di installazione • I fattori interni sono dovuti agli elementi resistivi dell’antenna e alla

banda di frequenza del segnale • La tensione di rumore che si genera negli impianti TV a causa

dell’agitazione termica degli elettroni varia tra 1,36 V e 1,62 V.

• Si definisce rapporto segnale/rumore SNR(dB)=20logVs/Vn

• La qualità di ricezione è migliore quanto più grande è il rapporto SNR

• Se si effettuano delle amplificazioni eccessive, la qualità di ricezione peggiora in quanto viene amplificato anche il rumore

• SNR(dB)=segnale(dB V)+G ampl(dBV)- N tot(dBV)

• N tot=rumore antenna+rumore amplificatore+rumore amplificato+

rumore ricevitore

Alimentazione

• L’alimentatore deve essere posto in corrispondenza del valore massimo della corrente

• Per un’antenna marconiana l’alimentazione viene posta in prossimità della presa di terra; per un’antenna hertziana, l’alimentazione coincide con il centro geometrico dell’antenna

• L’alimentazione fornisce agli apparati attivi una tensione compresa tra 12 V e 24 V; tale tensione si ottiene dalla tensione di rete trasformata in e raddrizzata da un trasformatore e un ponte di Graetz con un eventuale diodo zener per stabilizzare

Caratteristiche direzionali

IsotropiaDirettivitàAngolo di radiazioneRapporto avanti/dietro

Isotropia

• Un radiatore isotropico è un’antenna ideale che irradia energia in tutte le direzioni con la stessa intensità

• Il comportamento di un’antenna è rappresentato da figure tridimensionali dette solidi di radiazione

Diagramma di radiazione e solido di radiazione

Diagramma di radiazione: curva che descrive in coordinate polari , l’intensità del campo in determinate direzioni; misura quindi l’attitudine dell’antenna ad emettere o ricevere in determinate direzioni.Solido di radiazione: superficie che congiunge tutti i punti in cui il campo irradiato assume lo stesso valore. Si ottiene riportando nelle varie direzioni dei segmenti aventi lunghezza proporzionale alla densità del campo e.m o alla potenza irradiata.

Se si prende una normale lampada verticale, si vede che essa illumina in maniera differente i vari punti di una stanza. Se si vuole rappresentare graficamente:

La zona racchiusa tra le due linee rosse rappresenta la massima intensità di radiazione

0°

+90°-90°

180°

+90°-90°

0°

180°

Diagramma di radiazione

Lobi di radiazione

Isotropia e lobi di radiazione

Il numero dei lobi di radiazione è doppio del numero delle mezze lunghezze d’onda di cui è costituito il dipoloNumero lobi=2*(numero di il lobo principale è quello individuato nella zona di massima radiazione

Direttività

Direzione in cui l’antenna ha il massimo guadagno

È definita anche come rapporto tra la massima densità di potenza irradiata in una certa direzione e la densità di potenza irradiata da un’antenna isotropica nella stessa direzione

Un’antenna è omnidirezionale se il lobo di radiazione è una circonferenza con il centro l’antenna

Un’antenna è isotropica se il lobo di radiazione è una sfera

Se le direzioni sono due ed opposte, l’antenna sarà bidirezionale

Se la direzione è unica allora l’antenna è direzionale

Angolo di radiazione

• Definisce la direttività dell’antenna ed è compresa tra due direzioni rispettivamente sopra e sotto a quella del massimo guadagno.

• Entro l’angolo di apertura il segnale ricevuto deve avere un guadagno non inferiore a 0.5 del massimo oppure non inferiore a 3 dB rispetto al guadagno massimo

Angolo di radiazione

Rapporto avanti/indietroFBR(Front to Back Ratio)

Una direzione preferenziale di un’antenna è vista come semiretta e non come retta. Infatti, essa parte dal centro del dipolo e si prolunga in un solo senso

Si definisce FBR(db), la differenza tra il guadagno anteriore e quello posteriore

FBR(db)= G(dB)ant-G(dB)post

Onde EM da un dipolo

Onde EM da un dipolo

Tipi di antenne

Le antenne vengono classificate nel seguente modo:

OmnidirezionaliA larga bandaDirettive

Omnidirezionali

Per le antenne omnidirezionali il lobo di radiazione ha una forma toroidale. La superficie di radiazione è una circonferenza.

Le antenne omnidirezionali sono:• Dipolo elementare• Dipolo marconiano• Ground plane• Antenne caricate

Antenne ground plane e caricate

• Antenne ground plane

È una variante dell’antenna marconiana il cui piano conduttivo viene realizzato con un certo numero di conduttori radiali. Si varia la resistenza di radiazione da 36.5 a 73 variando l’inclinazione dei conduttori radiali.

• Antenne caricate

Per diminuire ulteriormente la lunghezza fisica del semidipolo è possibile caricare l’antenna con elementi reattivi. È possibile quindi compensare la diminuzione di lunghezza con l’inserzione di una induttanza in serie o una capacità in parallelo. In questo modo varia il guadagno e la resistenza e diminuisce l’efficienza

isolatore

stilo

radiali

Lo stilo e i radiali hanno lunghezza /4

Lc

A larga banda

• Fanno parte il dipolo ripiegato e quelle coniche

Nel dipolo ripiegato diminuisce il fattore di merito ma aumenta la resistenza di radiazione che è pari a 300 hom contro i 73 Ohm del dipolo a mezza lunghezza d’onda

I0

I0/2

Direttive

• Le antenne Yagi e le log-periodiche sono antenne direttive.

L’antenna Yagi è formata da un dipolo attivo di lunghezza l pari a mezza lunghezza d’onda della banda centrale.Il dipolo attivo viene alimentato ed e un dipolo ripiegato. Anteriormente viene posto un dipolo passivo riflettore di lunghezza pari a l+5%l ed ha lo scopo di non far passare i segnali provenienti da altre direzioni.

posteriormente al dipolo attivo vi sono i dipoli passivi direttori; ne possono essere fino a cento. La lunghezza di ciascuno è diminuita del 5% della precedente e sono posti tutti alla distanza di 0.15

/2+5%

/2+

/2-5%

specchio

sorgente

lente

Direttive: caso particolare le Yagi Uda

• Quelle a tre elementi ricevono frequenze al di sotto di 50 MHz

• Antenne a 5 elementi ricevono frequenze di 27, 30,50, 145 MHz; se si toglie il III° direttore si ottiene un guadagno di 8-9 dB

• Le antenne con 7 elementi ricevono frequenze al di sopra di 50 MHz

Direttive

• L’antenna log-periodica o logaritmica è un’evoluzione di quella Yagi, l’unica differenza è che tutti i dipoli sono attivi; se considero attivo un dipolo per una determinata lunghezza d’onda, quelli che stanno dietro fanno da specchio e quelli avanti da direttori.

• La distanza tra un dipolo e il successivo è costante ed è uguale al rapporto delle distanze

Antenna a superficie

• Quando le elettromagnetiche viaggiano ad alta frequenza (11-12 GHz), cioè nel caso delle microonde, il comportamento è più prossimo a quello della luce. Nel caso di segnali satellitari, si utilizzano le antenne paraboliche.

• Le antenne paraboliche sono formate da una superficie riflettente a forma di parabola e da un illuminatore posto nel fuoco. L’illuminatore è chiamato anche LNB (Low Noise Block Converter)

• I segnali provenienti da una sorgente posta all’infinito viaggiano su direzioni parallele e, riflessi dalla superficie parabolica, convergono nel fuoco dove è posto l’illuminatore, cioè l’apparato ricevente. L’antenna può funzionare anche al contrario nel senso che i segnali partono dall’illuminatore, incidono sulla superficie parabolica dalla quale vengono riflessi verso l’infinito in direzioni parallele.

L’angolo di apertura= D essendo D il diametro dell’antenna; il guadagno è dato da:

Illuminatore posto nel fuoco

2

5.5D

G

Antenne a superficie

• La quantità di energia che l’LNB può ricevere dal satellite è molto piccola e perché il satellite geostazionario è molto lontano dalla superficie terrestre 36000 km. Per questo motivo, l’LNB viene posto nel fuoco della parabola che, per la sua forma, può concentrare nel fuoco una gran quantità di potenza.

• Le antenne che si usano in Italia ricevono il segnale dal satellite Hotbird dell’operatore satellitare francese Eutelsat; la sua longitudine è 13° Est

• Per puntare l’antenna c’è bisogno di tecniche ben precise, è difficile operare a mano; alcuni decoder hanno incorporato un dispositivo che permette di segnalare la percentuale di potenza ricevuta dal satellite;

• Il satellite è posto quasi sulla verticale dell’Italia ma l’antenna deve essere puntata secondo due angoli che chiamiamo 1 e 2

• in generale, le antenne paraboliche vengono utilizzate per captare segnali geostazionari TV (11-12 GHz) ma anche per ricevere segnali del satellite meteo italiano Meteosat su 1.7 Ghz e dei ponti radioricetrasmittenti 1.2-2.4-10 GHz

Antenne a superficie: un po’ di formule

• Per calcolare l’azimuth e l’elevazione verso cui puntare un’antenna verso un qualsiasi satellite o oggetto celeste, si utilizzano le seguenti formule

1

2

22

1

2

6.612*cos *cos( ) 1

6.612* 1

cos( )*cos

tan

LAT LONG SATLONG

M

M LAT LONG SATLONG

elevazione a

LONG=longitudine dove èposta l’antennaSATLONG=longitudine del satelliteLAT=latitudine dove è posta l’antenna

Antenne a superficie: un po’ di formule

• Guadagno

Se poniamo f= frequenza di lavoro espressa in GHz, il guadagno è dato da:

• Punto focale

Avendo indicato con D il diametro della parabola e con p la sua profondità.

Affinchè l’antenna abbia il massimo guadagno, il rapporto diametro/fuoco deve variare nell’intervallo (2.5-2.7)

• Angolo di irradiazione

Indica di quanti gradi può essere spostata l’antenna rispetto al satellite per avere un guadagno di 3 dB. Se si pone con f la frequenza di lavoro in GHz e con D il diametro della parabola, l’angolo di irradiazione può essere così espresso:

2*

30

D fG

2

( )16*

Dfocale cm

p

70.7( )

*30

gradiD

f

Antenne a superficie: un caso particolare

• Le frequenze amatoriali sono: 1.2-2.1-5.7-10 GHz• Le frequenze Meteosat sono circa 1.7 GHz• L’illuminatore ha una forma cilindrica ed è caratterizzato dalle

seguenti grandezze in cm: diametro D, lunghezza L, distanza dal semidipolo , lunghezza del semidipolo Ls

• Un illuminatore classico avrà allora le seguenti caratteristiche: D=L= 28800*0.7/MHz; S=28800*0.26/MHz; Ls=28800*0.22/MHz

• Per segnali meteosat si utilizza una parabola circolare del diametro di 90-110 cm che permette di avere un guadagno 23-24 dB; ultimamente si utilizzano parabole a griglia di forma rettangolare delle dimensioni 77x90 cm; il vantaggio di queste ultime è che oppongono una minore resistenza al vento, ma l’illuminatore presenta un guadagno di 22-23 db

Modulazione

Segnaleportante

Segnale modulante

Segnale modulato

Modulazione FM Modulazione AM