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
feeder
circolatore
Tx
Rx
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
l/2
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 l/4 dall’estremità ottenendo un’antenna lunga l/2
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
l/2
l/2
l/2
I
I
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
La lunghezza del dipolo
è n l/4
diagramma
corrente
GRf
Il sistema può essere
assimilato ad una linea
aperta senza perdite
La corrente ha un
massimo in corrispondenza
della giunzione con il generatore.
diagrammaIn quel punto l’impedenza sarà
tensione nulla
Dipolo marconiano
• Quando l’antenna è connessa a terra ad
un estremo, la minima lunghezza per cui si
presenta la risonanza è l/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 l in modo tale che la corrente che vi fluisce è costante
Dipolo in l/2 : 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’antenna
Quando un dipolo ha una lunghezza pari a La=l/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=Kl/2
Se il dipolo è marconiano, la relazione è:
La=Kl/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
Vmax
ROS 
Vmin
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
ROSmetro
Impedenza
L’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=73W.
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 W 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: Pi  Ri I 2
Dove Ri è la resistenza di irradiazione.
La potenza fornita dall’alimentatore è data dalla seguente
2
espressione: Pa   Rd  Ri  I
Dove Rd tiene conto della resistenza dissipata nel
conduttore costituente l’antenna
Definiamo quindi rendimento h, il rapporto tra potenza
irradiata e potenza di alimentazione
h
Pi
Ri

Pa Ri  Rd
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
P
S

esame:
4 d
• L’attenuazione tra due punti a distanza r1
ed r2 dall’antenna sarà:
i
iso
  10 log
2
Siso1
r
 20 log 1
Siso 2
r2
Caratteristiche delle antenne:
guadagno
Guadagno
Ogni 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
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
Gd 
S
Sis
Direttività
Guadagno di potenza
Con il termine
Gp è il rapporto tra la potenza
direttività D si
che dovrebbe emettere
intende il guadagno
un’antenna isotropica e
nella direzione di
la potenza con la quale si
massima irradiazione
alimenta l’antenna in esame
per dare , nella direzione di
massima irradiazione , lo
stesso campo a una certa
distanza dall’antenna
Gp = h D
h =efficienza dell’antenna
Caratteristiche delle
antenne:guadagno
Il guadagno di un’antenna viene riportato in decibel
Gd  10 log10
S
Sis
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 elettrico
E secondo la seguente formula
G  20log10
E
V
 20log10
Erif
Vrif
Esempio di calcolo del guadagno
complessivo di un impianto TV
Tenendo conto che a 1 mV, corrispondono 0 dB
antenna
Segnale captato 0.5 mv
54 dbmV
+
amplificatore
Guadagno + 16dB
Linea di discesa
Presa TV
Attenuazione -7 dB
Segnale disponibile 1,41 mV
16 dbmV
7 dbmV
63 dbmV
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
Aeff  Pr / S
stessa
Si dimostra che la relazione tra area efficace e guadagno di
antenna ricevente è
Gr l 2
Aeff 
4
Formula fondamentale della trasmissione di
energia nello spazio
Rappresenta il rapporto tra la potenza ricevuta e quella
2
irraggiata:
P
l


 Gt Gr 

Pi
4

d


r
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 mV e 1,62 mV.
• 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 mV)+G ampl(dBmV)- N tot(dBmV)
• 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
Isotropia
Direttività
Angolo di radiazione
Rapporto 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:
180°
180°
-90°
+90°
-90°
+90°
0°
La zona racchiusa tra le due linee rosse
rappresenta la massima intensità di radiazione
0°
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 l/2 di cui
è costituito il dipolo
Numero lobi=2*(numero di l/2
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/indietro
FBR(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:
Omnidirezionali
A larga banda
Direttive
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 W a 73 W variando
l’inclinazione dei conduttori radiali.
stilo
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
L
Lo stilo e i radiali hanno lunghezza l/4
c
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
l/2
I0/2
I0
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 0.15l/2
lente
l/2-5%
l/2+
l/2+5%
sorgente
specchio
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
2
dalla quale vengono riflessi verso l’infinito in direzioni parallele.
D
L’angolo di apertura= 70l/D essendo D il diametro dell’antenna; il guadagno è dato da:
Illuminatore posto nel fuoco
G  5.5  
l
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 1.2-2.410 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  6.612*cos  LAT  *cos( LONG  SATLONG )  1
 2  6.612* 1  M
M  cos( LAT 2 ) *cos  LONG  SATLONG 
 
elevazione  a tan  1 
 2 
2
LONG=longitudine dove è
posta l’antenna
SATLONG=longitudine del
satellite
LAT=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:
 D* f 
G 

 30 
•
2
Punto focale
D2
focale(cm) 
16* p
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:
 ( gradi ) 
70.7
D
f*
30
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
Modulazione FM
Segnale
portante
Segnale
modulante
Segnale
modulato
Modulazione AM