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Come "escono" le onde dall'antenna?

Come "escono" le onde dall’antenna?

I concetti di irradiazione e polarizzazione. Il titolo di questo articolo può essere più elegantemente espresso chiedendosi come un’antenna irradia energia, ma resta sempre necessario, come primo passo, approfondire quella che è la natura più “intima” delle onde radio, ovvero onde elettromagnetiche, consistenti cioè nella vibrazione simultanea di campi elettrici e magnetici.
Più o meno tutti sappiamo infatti che un’onda consiste in due componenti intimamente collegate, una appartenente ad un campo elettrico e l’altra ad un campo magnetico, ambedue variabili con un ritmo molto elevato, a quella che è definita come frequenza dell’onda stessa. Possiamo tentare la seguente esemplificazione, riferendoci alla fig. 1, dove la vibrazione di un campo magnetico, come quella di un campo elettrico, le assimiliamo all’oscillazione di un tappo di sughero sulle onde circolari prodotte dalla caduta di un sasso.

Comel'onda si propaga nel mezzo che sta attraversando
Fig. 1 - Come l'onda si propaga nel mezzo che sta attraversando
Misure del campo elettrico irradiato
Fig. 2 - Misure del campo elettrico irradiato

 

Le onde che si allargano nella direzione dell’asse d provocano un’oscillazione verticale della superficie dell’acqua, cioè un’ondulazione più o meno regolare del livello dell’acqua (l). I due sugheri che galleggiano sulla superficie salgono e scendono alternativamente senza però spostarsi nella direzione orizzontale (d).

Se ci riferiamo alle nostre onde elettromagnetiche, possiamo approfondire l’analogia identificando il campo elettrico (o quello magnetico) come sostanzialmente identico alla superficie dell’acqua, accettando anche che una perturbazione della sua intensità si propaghi alla straordinaria velocità di 300.000 km/s, come si propagano (ovviamente in scala percentuale) gli effetti del sasso gettato in acqua. A questo punto viene logico porsi un quesito: la superficie dell’acqua oscilla verticalmente, come indicato dal moto “ondoso” dei due sugheri galleggianti, ma come vanno le cose per quanto riguarda l’ondulazione del campo elettromagnetico?
Per chiarire questo fenomeno abbandoniamo decisamente l’analogia idraulica e dedichiamoci al campo irradiato da una vera e propria antenna; in altre parole, verifichiamo la teoria con un po’ di pratica, partendo da un generatore a RF di modesta potenza (fosse anche un analizzatore d’antenna o un G.D.M.) Per semplice comodità, fissiamo di operare a 150 MHz, così da poter utilizzare come antenna un dipolo a mezz’onda lungo 1m, costituito cioè da due bracci di 50 cm posti ai lati del nostro ipotetico misuratore di campo.
La corrente che circola nei due bracci dell’antenna collegata al generatore produce un campo elettrico variabile alla frequenza di 150 Mhz (fig.2). Le variazioni di questo campo si propagano nello spazio circostante e vanno ad interessare l’antenna del misuratore provocandovi il nascere di una corrente che farà deviare il relativo strumento; da notare che semplici prove di questo tipo si possono eseguire a pochi metri di distanza. Comunque, il fenomeno più interessante da notare consiste nella differenza (veramente enorme) nell’intensità del campo indicato che si verifica quando le due antenne sono allineate parallele e quando invece non lo sono (specialmente se risultano perpendicolari fra di loro!)

La formazione dell’onda

Al punto cui siamo arrivati, abbiamo dato per scontato che delle onde se ne siano uscite da l’antenna; cerchiamo allora di capire come è successo, tanto più che proprio questo è lo scopo della nostra trattazione. Fondamentalmente, dobbiamo riferirci al fatto che un segnale applicato ad un’opportuna linea linea (o meglio, antenna) produce un campo magnetico in quanto i conduttori sono percorsi da corrente ed un campo elettrico nello spazio che li separa: il caso più specifico ed evidente si applica ai due conduttori che costituiscono il nostro dipolo a mezz’onda, ove l’intensità varia in continuità alla frequenza del segnale, e la corrente che va avanti e indietro nei due fili produce un campo magnetico H variabile al medesimo ritmo.

 

 

Irraggiamento da un'antenna isotropica:
Fig. 3 - Irraggiamento da un'antenna isotropica: le onde si allontanano dall'antenna (Ai) gonfiandosi come bolle di sapone.

 

Variazioni del campo elettrico E del campo magnetico H.
Fig. 4 - Variazioni del campo elettrico E del campo magnetico H.

 

È proprio la combinazione di questi due fenomeni che fa nascere la perturbazione, ovvero l’onda, che si allontana dall’antenna alla velocità della luce. Immaginiamo ora che l’antenna sia completamente isolata
nello spazio (cioè in condizioni di “spazio libero”) e di dimensioni tali da poter irradiare uniformemente in tutte le direzioni (cioè, sostanzialmente, puntiforme), rappresenti cioè quell’antenna immaginaria che chiamiamo "isotropica"; in corrispondenza di ciascun periodo si allontana da questa antenna un “pacchetto” di energia come se fosse una bolla di sapone, allargandosi via via e diluendo la sua energia nello spazio, senza però scoppiare.
Questa bolla, tanto per fare un esempio, impiegherà 8 minuti per arrivare al Sole, e via via qualche anno per lambire le stelle più vicine; un tentativo di illustrare questo comportamento è riportato in fig.3. Naturalmente, questo confronto con una bolla di sapone è piuttosto elementare (presenta cioè i suoi limiti), ma possiede il vantaggio di risultare di comprensione accessibile a tutti. Consideriamo allora con maggior attenzione il diagramma d’irradiazione semplificato in fig.3, il quale rappresenta l’antenna isotropica Ai che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni (cioè su 360° solidi). Poiché la velocità di propagazione delle onde è la medesima in qualsiasi punto dello spazio ideale, dopo un tempo t1 corrispondente ad un periodo l’onda avrà percorso la stessa distanza in qualsiasi direzione. Prendiamo come riferimento per le nostre considerazioni un’onda di frequenza pari a 1 MHz, il cui periodo è quindi 1 milionesimo di secondo; alla velocità della luce (300.000 km/s) la distanza percorsa dall’onda in un periodo, vale a dire la lunghezza d’onda, sarà di 300m.

Supponiamo ora che la potenza emessa dalla nostra antenna sia di 1.000W, i quali si andranno a distribuire regolarmente sulla superficie della sfera di raggio 300m; avremo così (con opportuni calcoli) una potenza per m2 pari a 0,88 mW. Dopo un altro periodo, cioè in t2, e cioè a 600 m dall’antenna la potenza per metro quadro (che poi chiameremo “densità” superficiale di potenza) si sarà ridotta di 4 volte (essendo aumentata di 4 volte la superficie) e cioè a 0,22mW. Progredendo via via, in corrispondenza della superficie unitaria S8, la densità di potenza risulterà inferiore in proporzione quadratica, in quanto essa è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Allontanandosi di qualche chilometro dall’antenna, la “bolla” si è talmente dilatata che un “tassello” di 1 m2 è ormai talmente poco sferico che lo si può considerare come fosse una superficie piana.

È da ciò che si parla di fronte d’onda piano, o addirittura di onda piana. Riferendosi ora alla fig. 4, vi è rappresentato, oltre al modo di propagazione dei due vettori elettrico (E) e magnetico (H), anche il nostro tassello di 1m2 di superficie, sulla quale sono indicate le linee del campo elettrico (orizzontali) e quelle del campo magnetico (verticali); esse sono tutte perpendicolari alla direzione in cui si propaga l’onda (rappresentata dall’apposita freccia).

Per la misura dell’ampiezza di un’onda elettromagnetica un punto dello spazio si adottano appositi strumenti tarati direttamente in volt/metro, in quanto essi misurano l’ampiezza del campo elettrico. Questa risulta inversamente proporzionale alla distanza di questo punto dall’antenna ed invece proporzionale alla radice quadrata della potenza irradiata. Ne consegue che, per raddoppiare l’intensità del campo elettromagnetico è necessario quadruplicare la potenza.

La polarizzazione delle onde

Puntualizziamo ancora quanto sin qui descritto: la natura elettromagnetica delle onde radio consiste in un campo elettrico ed in uno magnetico che vibrano all’unisono, e le onde sfuggono dall’antenna un po’ come un suono se ne esce da un ambiente in cui si eseguono canti o musiche. Il campo elettrico è prodotto dalla differenza di potenziale che si forma fra i due rami del dipolo, mentre il campo magnetico nasce dalla corrente che circola in questi fili. L’orientamento dei due campi non è certo dovuto al caso, bensì dipende rigorosamente dalla geometria dell’antenna e dalla sua sistemazione rispetto al suolo, il quale è ovviamente considerato come perfettamente orizzontale. La differenza che nasce fra l’orientamento dei due campi, e quindi della relativa modalità d’irradiazione, fa nascere la necessità di conoscere quella che è la polarizzazione di un’antenna trasmittente per poter così definire quella dell’antenna ricevente (o viceversa).

Naturalmente, se si potessero fotografare i vettori dei due campi perpendicolari che escono da un’antenna (e se questi fossero anche caratterizzati da colori diversi), si potrebbero facilmente distinguere le linee del campo elettrico da quelle del campo magnetico. Il campo elettrico risulta comunque orientato come lo sono i due fili dell’antenna (ovvero i bracci del dipolo), talchè viene fissata come polarizzazione tipo di questa antenna quella dell’elemento radiante: se quindi il dipolo è montato orizzontalmente, la polarizzazione si intenderà orizzontale. Qualora il dipolo fosse disposto in verticale, anche la polarizzazione dell’onda uscente sarebbe verticale. Molte sono le antenne che sfruttano l’uno o l’altro tipo di polarizzazione, ma se ne realizzano anche certi tipi che risultano adatti a funzionare contemporaneamente con ambedue le modalità di polarizzazione, nonché con quelle intermedie; queste antenne in genere si indicano come “a polarizzazione circolare”.

Quale tipo sarà allora più opportuno utilizzare?
Sembrerebbe logico partire proprio consigliando la “circolare”, adatta per tutti gli orientamenti del campo elettromagnetico; ma, come spesso capita, ciò che sembra andar bene per tutto rappresenta anche un sacrificio generale non trascurabile.

Ecco quindi che la polarizzazione circolare viene utilizzata sostanzialmente per comunicare con i satelliti, i quali in buona parte ruotano su se stessi assieme alle loro antenne, il che si tradurrebbe (con antenne convenzionali) in una variazione netta e continua del segnale ricevuto: la polarizzazione circolare si adatta invece a tutti gli orientamenti del campo elettrico, con indebolimenti pressoché trascurabili per le differenze di polarizzazione. Per quanto riguarda il traffico locale, specialmente fra stazioni mobili ed in VHF, gli OM utilizzano in genere, allo scopo di irradiare uniformemente in tutte le direzioni, antenne a stilo verticale; si adotta quindi (e automaticamente) la polarizzazione verticale. Nell’attività più tipica di stazione fissa fra stazioni lontane e con antenne a forte guadagno (sostanzialmente, in SSB e con antenne Yagi) quella che domina è la polarizzazione orizzontale, adottata pressoché come standard per non avere perdite di segnale fra antenne a polarizzazione diversa fra stazione emittente e ricevente.

Infine, un particolare su Onde Corte, si può trovare un po’ di tutto, però con prevalenza delle antenne a polarizzazione orizzontale, pur tenendo conto che, con tutte le riflessioni che si possono verificare sui segnali da lunghe percorrenze, tipiche delle HF, le loro polarizzazioni d’origine possono facilmente mutare.

 

 

Tipica versione di semplice antenna ad elica
Fig. 5 - Tipica versione di semplice antenna ad elica

 

Ma allora, ed in conclusione, quanto si perde operando con polarizzazioni diverse? Partiamo subito da un esempio semplice e diretto, consistente in due dipoli disposti faccia a faccia e per la medesima polarizzazione: quale che sia il livello di segnali che vengono scambiati, se la loro polarizzazione fosse opposta la potenza del segnale ricevuto sarebbe un centinaio di volte in meno!

La stessa perdita si potrebbe più o meno verificare anche affacciando due antenne ad elica (fig.5), la versione più tipica per polarizzazione circolare, poste però in modo che le spire dell’una girino in senso inverso a quello dell’altra (cioè una destrorsa ed una sinistrorsa). Infine, se si affacciassero un’antenna ad elica ed una lineare (a polarizzazione orizzontale o verticale che sia), la potenza ricevuta risulterebbe ridotta alla metà circa. Questo breve riepilogo pratico delle diverse condizioni, fotografa abbastanza nettamente l’importanza che la coincidenza o meno delle direzioni dei due campi (elettrico e magnetico), ovvero della polarizzazione, assume nel posizionamento dei sistemi d’antenna.

radiokit elettronica

 

 

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