Teoria sulle antenne

Proprietà di irradiazione

Le antenne non irradiano energia elettromagnetica con la stessa intensità nelle varie direzioni circostanti.

Il diagramma di radiazione indica l'intensità di potenza che viene irradiata nelle varie direzioni dell'antenna in esame. Per meglio realizzare questo studio si è definita un'antenna detta isotropa o isotropica, inesistente nella realtà ma che viene comodo usare come confronto per i diagrammi di radiazione di tutte le altre antenne.

Questa ha la caratteristica di irradiare in ogni direzione con la stessa intensità ed ha quindi come diagramma di radiazione una sfera che, in una rappresentazione piana diventa un cerchio.

Il guadagno di un'antenna è definito come:

il rapporto fra la potenza irradiata dall'antenna in esame nella direzione di massima irradiazione e la potenza che irradierebbe un'antenna isotropa nella stessa direzione se fosse alimentata con la stessa potenza.

Di seguito è rappresentato il diagramma di radiazione dell'antenna Hertziana, confrontato con quello dell'antenna isotropa.

Il guadagno dell'antenna Marconiana è il doppio di quello Hertziana, e cioè: 3,3 dB.

La prima antenna fu inventata da Hertz ed ha la forma indicata in figura. Oggi l'antenna che porta il suo nome è molto usata, ad esempio nei trasmettitori e ripetitori per cellulari e per sistemi radiotelevisivi.

Nelle antenne, sia trasmittenti che riceventi, circola corrente elettrica a radiofrequenza che determina perdite per effetto Joule.

Si definisce allora rendimento o efficienza

il rapporto fra la potenza irradiata e la potenza ricevuta.

 

Principio di funzionamento

Un trasmettitore è costituito, essenzialmente da

• un generatore del segnale elettrico

• una linea a radiofrequenza

• un'antenna trasmittente

secondo lo schema:

Il generatore produce un segnale elettrico contenente l'informazione da trasmettere, che può essere costituita, ad esempio, da un suono nel caso di una stazione radioamatoriale.

La linea elettrica a radiofrequenza trasporta il segnale dal luogo dove questo è prodotto all'antenna trasmittente per essere inviato sotto forma di onde elettromagnetiche al destinatario dell'informazione. La linea di collegamento è di norma indispensabile perché l'informazione è prodotta spesso in un punto diverso da quello dove si trova l'antenna: il radioamatore, ad esempio, può esercitare la stazione al primo piano mentre l'antenna per funzionare meglio si trova sul tetto dell'ultimo piano.

Lungo il cavo i campi elettrici e magnetici si annullano quasi completamente per compensazione essendo i conduttori attraversati da cariche elettriche vicinissime e di segno opposto. Lungo l'antenna invece, le cose cambiano completamente in quanto qui le cariche di segno positivo si trovano su uno stilo lontano da quello di segno negativo che si trovano sull'altro stilo ed inoltre le correnti elettriche non risultano opposte, come avviene lungo il cavo, bensì allineate in modo da intensificare l'effetto del campo che esse producono.

Il campo elettrico circostante il cavo è di intensità trascurabile perché dovuto alla differenza fra le due cariche e sopratutto perché i conduttori, schermati, ne rendono impossibile l'irradiazione.

Analogamente il campo magnetico circostante il cavo è di intensità trascurabile perché dovuto alla differenza fra le due correnti circolanti nei due diversi conduttori.

Quando giunge all'antenna il segnale si trasforma in energia elettromagnetica perché, in base alle equazioni di Maxwell, una perturbazione del campo elettrico dovuta alla continua variabilità data dalla frequenza, determina una continua variazione del campo magnetico e viceversa, dando così luogo a un'onda detta appunto elettromagnetica costituita da anelli di campo magnetico che si alternano con anelli di campo elettrico ad essi perpendicolari e viceversa.

 

L'antenna come componente elettronico

L'antenna, da un punto di vista elettrico, si comporta come un circuito risonante serie, come può intuirsi dalle modifiche indicate nelle sequenze seguenti ove, partendo da un circuito RLC serie a componenti discreti, si va sempre riducendo il valore dell'induttanza, della capacità e della resistenza del circuito fino ad ottenere un circuito a componenti concentrate che corrisponde ad un'antenna.

Da un punto di vista elettrico, dunque, l'antenna è un'impedenza di tipo RLC e come tale è vista dal generatore. La sua risposta in frequenza corrisponde a quella di ogni circuito risonante ed ha

• ohmico - capacitivo per frequenze inferiori

• comportamento di tipo resistivo in corrispondenza del centro della curva

• ohmico - induttivo per frequenze superiori

All'interno della banda passante, il comportamento dell'antenna può essere assimilato con buona approssimazione, a quello di una resistenza e il suo valore è detto resistenza di antenna.

E' bene che la linea a R.F. sia adattata per una sua ottimizzazione d'uso all'antenna, ed essendo l'impedenza caratteristica della linea praticamente una resistenza pura, allora è bene che l'antenna sia usata all'interno della sua banda passante.

La resistenza di antenna però aumenta all'aumentare del rapporto fra lunghezza e il diametro, per cui, come spesso si fa per i baracchini, si usa porre in cima all'antenna una vite di regolazione con lo scopo di adattare la resistenza dell'antenna alla linea.

La banda passante aumenta invece al crescere del rapporto diametro/lunghezza.

Mantenendo costante allora la lunghezza dell'antenna, che è determinata dalla frequenza centrale di sintonia, maggiore è il diametro, maggiore è la larghezza di banda dell'antenna.

L'antenna costituisce la terminazione di una linea a radiofrequenza.

Lungo la linea viaggiano un'onda di tensione e di corrente che giunte all'antenna determinano su di questa un'onda stazionaria di tensione e di corrente i cui diagrammi sono rappresentati a destra nel caso di un'antenna Hertziana.