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LE ANTENNE - Caratteristiche delle antenne

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LE ANTENNE

Le antenne sono dispositivi impiegati per irradiare (antenne trasmittenti) o ricevere (antenne riceventi) onde elettromagnetiche.

In generale un'antenna è costituita da un conduttore, nei quali si ottiene una circolazione di corrente che produce il campo elettromagnetico irradiato.

L'intensità della radiazione non è in generale costante nelle varie direzioni; anzi in certe applicazioni si costruiscono appositamente antenne fortemente direttive, cioè tali che la potenza irradiata viene quasi esclusivamente inviata in una sola direzione. In ricezione le sue proprietà di direttività restano inalterate. 

La più semplice e pratica di tutte è un pezzo di filo teso orizzontalmente: 333i89d il dipolo elettrico. Questa antenna è semplice anche in senso matematico e può essere studiata dal punto di vista teorico senza ricorrere alla forma completa delle equazioni di Maxwell sull'elettromagnetismo; inoltre, proprio perché tanto semplice e facile da costruire, misurare e accordare, viene usata spesso come termine di paragone per tutte le altre antenne.

Caratteristiche delle antenne



Per un'antenna si possono definire vari parametri che ne caratterizzano le proprietà.

Il guadagno: esso è il rapporto fra la potenza irradiata da un'antenna nella direzione di massimo        irraggiamento e la potenza che, nelle stesse condizioni, sarebbe irradiata se l'antenna irradiasse uniformemente in tutte le direzioni (radiatore isotropo). Normalmente viene espresso in decibel ed esprime la capacità dell'antenna di concentrare la potenza in una direzione particolare.

Il solido di radiazione: nello spazio tridimensionale è un diagramma che rappresenta l'intensità del campo elettromagnetico (E) irradiato in ciascuna direzione.

Il diagramma di radiazione: è la curva ottenuta intersecando con un piano il solido di radiazione: rappresenta perciò l'andamento dell'intensità del campo nelle direzioni appartenenti a quel piano. E' in generale formato da uno o più lobi di radiazione, cioè da determinanti angoli in cui è concentrata la radiazione. Normalmente si considerano i diagrammi di radiazione per il piano passante per l'antenna o per quello a essa perpendicolare.

Nella figura è rappresentato un diagramma di radiazione a due dimensioni (che potrebbe rappresentare una sezione verticale o una sezione orizzontale dello spettro di emissione). In rosso è rappresentato il fascio (main lobe) e, in blu, i lobi laterali (side lobe).

 Esempio di diagramma di radiazione di un'antenna.

Il rendimento: è il rapporto fra la potenza effettivamente irradiata (Pirr) e la potenza fornita dal generatore (Pin) (tiene conto quindi delle perdite dell'antenna). Nel campo delle onde corte e a frequenze più alte si possono ottenere rendimenti fra il 75% e il 95%; per le onde lunghe , il rendimento può scendere a poche unità percentuali.

Tanto più piccolo è Rd rispetto a Ri tanto più grande è il rendimento.

La resistenza di radiazione: è definita come il rapporto fra la potenza irradiata dall'antenna (P) e il quadrato della corrente (I) che giunge nel punto di alimentazione:

Tipi di antenne

Le antenne possono essere suddivise in antenne omnidirezionali, direttive e a superficie.

· Antenne omnidirezionali

Le antenne assumono aspetti molto diversi in relazione al campo di frequenze e all'impiego specifico cui sono destinate (radiodiffusione, ponti radio, radar ecc.).

Fondamentali per le loro innumerevoli applicazioni, sono le antenne costituite da un conduttore rettilineo di lunghezza pari a metà (dipolo a mezz'onda), o a un quarto della lunghezza dell'onda (semidipolo).

Il dipolo a mezz'onda alimentato al centro e distante dal suolo, ha guadagno pari a G = 1,64 e resistenza di radiazione R = 73W.

Esempio di realizzazione di un'antenna che prende il nome di dipolo a mezz'onda.

Nel campo delle onde lunghe e medie, si usa un altro tipo di antenna (antenna marconiana) costituita da un conduttore verticale alimentato a un estremo da un generatore, collegato al suolo.

Se il conduttore è lungo ¼ della lunghezza d'onda, l'antenna prende il nome di antenna in quarto d'onda. Per la radiodiffusione si attua praticamente quest'antenna con un traliccio di ferro (pilone autoirradiante), isolato dal suolo alla base; grazie alle basse perdite, il rendimento di quest'antenna può superare l'80%.

· Antenne direttive

Se un'antenna irradia prevalentemente lungo una retta passante per essa, l'antenna viene definita direttiva. La potenza viene concentrata lungo una direttrice ben precisa e l'antenna è così adatta per collegamenti di tipo punto - punto.

L'antenna Yagi è un antenna direttiva composta da un dipolo a mezz'onda e da un certo numero di conduttori isolati complanari (elementi parassiti), posti parallelamente al dipolo, di lunghezza e spaziatura opportune. Normalmente uno di questi (riflettore) ha lunghezza superiore a l/2 ed è posto a una distanza dal dipolo di circa l/6.



Il dipolo alimentato è normalmente costituito da un dipolo piegato formato da due dipoli a mezza onda posti in parallelo.

Il suo guadagno aumenta col numero dei dipoli direttori. L'antenna Yagi è di tipo direttivo; viene quindi usata sia come trasmittente e sia come ricevente.

Si una nel campo delle onde corte e ultracorte: particolarmente diffuso è l'impiego come antenna ricevente per le trasmissioni televisive.

· Antenne a superficie

Quando all'aumentare della frequenza alla quale si trasmette, si entra nel campo delle microonde, la somiglianza tra le onde radio e la luce, aumenta sempre più. Infatti, nel campo delle microonde, le onde radio viaggiano in linea retta (nello spazio libero) ed è possibile rifletterle e focalizzarle  in modo analogo a quanto si può fare con la luce.

Per frequenze molto elevate (nell'ordine dei GHz) è possibile usare antenne a riflettore, che presentano un feed nel fuoco di un paraboloide. Un esempio molto comune di antenna parabolica è l'antenna per la ricezione delle TV satellitari. Un'antenna parabolica ha un guadagno estremamente elevato rispetto alle normali antenne. Sono molto direttive e necessitano perciò di un ottimo puntamento.

Un'antenna parabolica è costituita da due parti principali: l' illuminatore, e lo specchio parabolico.

L'antenna ricevente vera e propria non è il grosso disco parabolico, ma il piccolo apparecchio "appeso" davanti ad esso tramite una staffa: questo è l'LNB o illuminatore, ossia l'apparecchio che riceve il segnale riflesso dalla parabola, e lo invia al decoder all'interno dell'abitazione.

Il disco parabolico risulta dunque necessario, per la ricezione del segnale dal satellite, in quanto quest'ultimo è estremamente lontano dalla superficie terrestre, per cui il segnale che arriva sulla Terra è estremamente debole.

La quantità di potenza che la piccola superficie dell'illuminatore (pochi centimetri quadrati) può ricevere è alquanto ridotta; per questo esso non è rivolto direttamente verso il satellite, ma verso il disco parabolico; questo è invece puntato direttamente verso il satellite, dal quale riceve l'onda elettromagnetica che costituisce il segnale televisivo; poiché lo specchio parabolico ha una superficie molto più grande di quella dell'illuminatore, esso riceve una quantità di energia molto maggiore.

Le antenne paraboliche di normale uso domestico sono generalmente puntate sul satellite Hotbird della ditta Eutelsat. Esso è un satellite posto in orbita geostazionaria, e si trova fisso ad una longitudine di 13 gradi EST.

Il puntamento della parabola verso il satellite deve essere estremamente accurato, dell'ordine dei secondi di grado: data l'enorme distanza del satellite, infatti, uno spostamento di un solo secondo di grado equivale a "mancare" il satellite di circa 170 metri. Per questo motivo non è possibile puntare la parabola con metodi empirici e approssimativi ("a occhio"), ma la parabola deve essere montata su un supporto con scale graduate che ne indichino azimuth ed elevazione, e all'antenna deve essere collegato un rivelatore di segnale che permetta di capire quando la parabola è effettivamente centrata sul satellite.

Alcuni decoder sono dotati internamente di un visualizzatore che mostra sullo schermo del televisore, in ogni istante, qual è la potenza del segnale ricevuto dall'antenna, permettendo così il montaggio corretto della parabola, a patto ovviamente che la persona che installa la parabola abbia la possibilità di vedere il televisore, o di comunicare in tempo reale con qualcuno che può vederlo.

Per posizionare la parabola occorre sapere quali devono essere il suo azimuth e la sua elevazione. Nella figura sottostante si può vedere a cosa corrispondono fisicamente queste due quantità:

Immagine:parabola.png 

I valori di azimuth ed elevazione variano a seconda della località in cui si trova la parabola e del satellite che deve essere puntato.

Una volta noto il valore di azimuth verso cui deve puntare la parabola, per effettuare il puntamento dovremo servirci di una bussola:

Immagine:bussola2.gif

Posizionando accanto alla parabola la bussola, in modo che quest'ultima sia perfettamente orizzontale, dobbiamo ruotare la bussola stessa finché l'ago si sovrapponga al nord; a quel punto, dovremo andare a leggere sulla scala graduata presente nella bussola il valore di azimuth desiderato. Se ad esempio dobbiamo puntare la parabola in direzione 175 gradi, cercheremo il valore 175 sulla scala graduata; mettendoci poi accanto al palo della parabola con la bussola in mano (sempre con l'ago sul Nord), guardando verso la direzione in cui si trova il numero 175 staremo guardando nella direzione verso cui deve essere puntata la parabola.

Una figura dovrebbe chiarire meglio il discorso:

Immagine:parabola-azimuth.png

Nota l'elevazione a cui va puntata la parabola, basta leggere il valore sulla scala graduata presente sul palo su cui è montata la parabola, e muovere verticalmente la parabola finché il valore non è quello desiderato.

L'ultimo parametro necessario per puntare la parabola riguarda la rotazione dell'antenna intorno al suo asse, come si vede in figura:

Immagine:parabola-polarizzazione.png






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