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

l/2

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

II

I

l/2

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

diagramma

corrente

diagramma

tensione

La lunghezza del dipolo

è n l/4

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

antenneLe 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=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

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

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.

RendimentoLa 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 h, il rapporto tra potenza

irradiata e potenza di alimentazione

2

i iP R I

2

a d iP R R I

i i

a i d

P R

P R Rh

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:

24

iiso

PS

d

1 1

2 2

10log 20logiso

iso

S r

S r

Caratteristiche delle antenne:

guadagnoGuadagno

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 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

d

is

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 = h D

h =efficienza dell’antenna

Caratteristiche delle

antenne:guadagno

Il guadagno di un’antenna viene riportato in decibel

1010logd

is

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 elettrico

E 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 dbmV

Guadagno + 16dB

Attenuazione -7 dB

Segnale disponibile 1,41 mV

16 dbmV

7 dbmV

+

-

63 dbmV

Tenendo conto che a 1 mV, 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

4

reff

GA

l

Formula fondamentale della trasmissione di

energia nello spazio

2

4

rt r

i

PG G

P d

l

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 radiazioneDiagramma 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 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.

• 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 l/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

l/2

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 0.15l/2

l/2+5%

l/2+

l/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= 70l/D essendo D il diametro dell’antenna; il guadagno è dato da:

Illuminatore posto nel fuoco

2

5.5D

Gl

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 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:

• 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

Segnale

portante

Segnale

modulante

Segnale

modulato

Modulazione FM Modulazione AM