L’antenna è definita, secondo l'IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE STD 145-1983) come
"un mezzo per trasmettere e ricevere onde radio”
Un'antenna trasmittente è un trasduttore che collega i circuiti radio allo spazio libero, convertendo un segnale presente in una linea di trasmissione in un'onda elettromagnetica (EMW, electromagnetic wave) che si propaga nello spazio libero.
Un'antenna ricevente è un trasduttore che converte un'onda elettromagnetica dallo spazio libero in un segnale, su una linea di trasmissione e quindi al circuito di ricezione.
In genere, per reciprocità, un'antenna può funzionare ugualmente bene sia in ricezione che in trasmissione.
- Nel caso di un'antenna trasmittente, essa si comporta da carico.
- Nel caso di un'antenna ricevente, questa si comporta da generatore.
In entrambi i casi, per funzionare al meglio, ovvero per evitare riflessioni nella linea di trasmissione, le rispettive impedenze devono essere adattate alla linea di trasmissione.
Insieme, le antenne trasmittenti e riceventi fanno parte del link RF (RF path). Esso è il percorso tra l'uscita del circuito trasmittente e l'ingresso del circuito ricevente e generalmente avviene nello spazio libero.
Di solito, questo percorso include:
Il cavo dal trasmettitore all'antenna di trasmissione;
L'antenna di trasmissione stessa;
Il percorso di propagazione;
L'antenna di ricezione;
La linea di trasmissione che collega l'antenna di ricezione al circuito del ricevitore.
Il segnale ricevuto sarà sempre molto più piccolo del segnale trasmesso, questo perchè nel tragitto del percorso di propagazione si avrà una forte attenuazione, dipendente dalla frequenza usata.
Inoltre, nello spazio libero il segnale elettromagnetico si diffonde, diffrange, riflette ed è parzialmente bloccato da oggetti come colline ed edifici.
Il campo elettromagnetico prodotto dall'antenna sarà sempre composto dalle sue componenti elettrica (E-Field) e magnetica (H-Field). Considerando queste componenti come vettori, possiamo poi affermare che saranno sempre ortogonali tra di loro.
Il radiatore isotropico
Come base teorica allo studio delle antenne, è utile fare riferimento alla direttività e radiazione di un'antenna rispetto al radiatore isotropico.
Il radiatore isotropico è un'antenna fittizia che non ha perdite e irradia ugualmente in tutte le direzioni, in modo che la densità di potenza Sr sia solo una funzione della distanza dal centro r.
Poiché l'antenna isotropica non ha perdite, la potenza assorbita PIN dell'antenna è uguale alla potenza irradiata:
Antenne risonanti
Le antenne risonanti stabiliscono un'onda stazionaria di corrente in risonanza alla frequenza richiesta. Questo avviene secondo le regole delle linee aperte o in corto circuito quando l’estensione dell'antenna è pari ad un quarto o mezza lunghezza d'onda. Sono per questo anche conosciute come antenne ad onde stazionarie.
Sono intrinsecamente a banda stretta, a causa della risonanza necessaria per stabilire un’intensa onda stazionaria di corrente. Come esempio, possiamo citare il dipolo a mezz’onda, i monopoli ad un quarto d’onda e le antenna patch.
Funzionano in questo modo:
Quando viene applicata una tensione sinusoidale al conduttore di un'antenna, le cariche (cioè gli elettroni liberi) accelerano o decelerano sotto l'influenza di una sorgente di tensione applicata, che tipicamente proviene da una linea di trasmissione.
Quando le cariche accelerano (o decelerano), producono sempre un campo elettromagnetico che si irradia lontano dall'antenna.
In un punto qualsiasi dell'antenna è quindi presente una corrente che varia in modo sinusoidale nel tempo. L'accelerazione delle cariche è pure sinusoidale, con un'ampiezza direttamente proporzionale all'ampiezza della corrente.
Quando la corrente giunge all'estremità del conduttore, può trovare un circuito aperto oppure un corto circuito. A questo punto otteniamo una riflessione della corrente verso il generatore (o la linea di trasmissione).
Per ottenere un'antenna efficiente, tutta la corrente dovrebbe andare nella stessa direzione in un determinato momento.
Un modo per ottenere questo è di stabilire un'onda stazionaria in regime di risonanza.
All'estremità aperta, a causa della riflessione, la corrente totale è nulla. Le onde di corrente diretta e riflessa si combinano per creare l'onda stazionaria. Se l'antenna ha la giusta lunghezza, tutta la corrente totale (onda stazionaria) va nella stessa direzione.
La lunghezza ottimale è quella che comporta la risonanza nel conduttore di antenna, ed è di mezza lunghezza d'onda, un quarto d'onda se consideriamo il singolo conduttore. Se il filo è più lungo o più corto, i contributi al campo dei segmenti di corrente diretti in senso opposto si attenuano o si annullano.
Quando ci troviamo in risonanza, e quindi abbiamo una forte corrente, questo si traduce in una forte accelerazione di carica e quindi in intensi campi elettromagnetici irradiati.
Quando invece un campo elettromagnetico interessa un conduttore, il campo fa accelerare le cariche nel conduttore stesso, induce una tensione che si propaga lungo l'antenna e quindi raggiunge la linea di trasmissione collegata.
La tensione indotta sarà massima se il conduttore totale di antenna sarà lungo metà lunghezza d'onda, ovvero sarà in risonanza alla frequenza del campo elettromagnetico.
Antenne lunghe multipli dispari di λ/2 prendono il nome di antenne risonanti in armonica.
Antenne non risonanti
Se un'antenna risonante ha una banda passante limitata, per realizzare antenne a larga banda (broadband antenna) dobbiamo evitare il fenomeno della risonanza.
Le Traveling Wave Antenna hanno le caratteristiche di un'ampia larghezza di banda e di grandi dimensioni rispetto alla lunghezza d'onda impiegata.
Sono intrinsecamente a banda larga, a causa della assenza di onde stazionarie di corrente. Come esempio, possiamo citare le antenne a trombone (Horn antenna), le antenne elicoidali (Helicoidal o helix antenna) e l'antenna beverage.
Funzionano in questo modo:
Queste antenne iniziano come una struttura di linea di trasmissione che si allarga lentamente, fornendo una transizione a bassa riflessione dalla linea di trasmissione allo spazio libero, che si comporta da carico. La larghezza di banda può essere molto ampia e dipende principalmente dalla gradualità della transizione.
La transizione dall'impedenza della linea a quella dello spazio aperto viene offerta dall'apertura progressiva di queste antenne. In questo modo non si generano onde stazionarie, poichè si comportano come un adattatore di impedenza.
Caratteristica principale di queste antenne è che devono necessariamente essere terminate su di un carico: può essere lo spazio aperto, con la sua impedenza caratteristica di 377 Ω, oppure un resistore adeguatamente dimensionato.
Densità di radiazione
Le antenne non irradiano ugualmente in tutte le direzioni, concentrando la potenza irradiata lungo il lobo principale (o maggiore) dell'antenna.
Questo effetto di focalizzazione è chiamato direttività. La potenza in una particolare direzione è caratterizzata dalla densità di radiazione.
La densità di radiazione Sr è la potenza per unità di area espressa in [W/m²] e sarà massima nel lobo principale.
Sr = ∂Pr / ∂A
Dove ∂Pr è la potenza trasmessa e ∂A è la superficie alla distanza r.
Sr cala all'aumentare della distanza in modo quadratico nello spazio libero. E’ data anche dal prodotto dei vettori del campo elettrico E per quello magnetico H:
Sr = E x H
73 de Andy IV3ONZ
Link utili e bibliografia:
- AA.VV., "ARRL Antenna Book", 21st Edition
- Constantine A Balanis, "Antenna Theory Analysis and Design" 2nd Ed., © 1982-1997 John Wiley & Sons
- Michael Steer, "Microwave and RF design radio systems", © 2019 by M.B. Steer
- 4nec2
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