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Parametri caratteristici di un'antenna

I parametri di una antenna

Teoricamente qualsiasi conduttore è in grado di comportarsi da antenna, cioè di effettuare la conversione di un campo elettromagnetico in un segnale elettrico e di seguire il cosiddetto principio di reciprocità, cioè di comportarsi sia da antenna trasmittente che ricevente. Tuttavia, per realizzare un’antenna che risponda a determinate specifiche, occorre controllarne le caratteristiche geometriche, in quanto sono proprio tali caratteristiche che determinano le prestazioni del dispositivo. Nel presente articolo saranno prese in considerazione le antenne paraboliche, anche se le considerazioni effettuate possono essere estese anche alle altre tipologie di antenne.

Un’antenna parabolica è un’antenna utilizzata prevalentemente per ricevere i segnali satellitari ed è caratterizzata dai seguenti parametri:

- Guadagno;

- Polarizzazione;

- Potenza equivalente irradiata da un’antenna isotropa (EIRP, Equivalent Isotropic Radiated Power);

- Potenza ricevuta.

GUADAGNO

Per misurare il guadagno di una parabolica occorre effettuare le seguenti operazioni:

- quantificare la potenza trasmessa o ricevuta dall’antenna per unità di angolo solido in una determinata direzione;

- misurare la potenza trasmessa o ricevuta per unità di angolo solido da un’antenna isotropa (che trasmette la stessa quantità di potenza in tutte le direzioni) alimentata con la stessa potenza della parabolica ;

- effettuare il rapporto tra le grandezze precedentemente misurate.

Il calcolo del guadagno di un’antenna fornisce utili indicazioni per capire quanta potenza irradia la parabolica in una direzione di interesse rispetto a quella irradiata da un’antenna isotropa. Qualsiasi parabolica, poi, possiede una direzione di massimo guadagno che coincide con l’asse elettromagnetico dell’antenna: il boresight.
Lungo il boresight il guadagno massimo risulta pari a:

Gmax=(4Π / λ^2) Aeff

dove λ è la lunghezza d’onda del segnale trasmesso o ricevuto e Aeff è la superficie elettromagnetica equivalente dell’antenna; tale superficie è data dal prodotto tra l’efficienza dell’antenna (η) e la sua area geometrica (A) e, dal momento che l’efficienza dell’antenna può assumere solo valori compresi tra 0 e 1, la superficie elettromagnetica equivalente risulta sempre inferiore all’area geometrica. A fronte di quanto appena esposto, il guadagno di un’antenna dipende dalla direzione considerata. L’andamento del guadagno in funzione della direzione può essere rappresentato schematicamente nel “diagramma di radiazione” di figura 2:

Osservando il diagramma polare (Fig. 2a), nel quale si evidenzia l’andamento del guadagno rispetto all’angolo α di deviazione dal boresight, si può notare la presenza di un lobo principale centrale e di alcuni lobi secondari. Il lobo principale si distribuisce attorno all’asse dell’antenna e rappresenta l’insieme delle direzioni che presentano il guadagno più elevato; i lobi secondari, invece, sono formati dalle direzioni con minor guadagno e sono posizionati anche sul retro dell’antenna.

Le direzioni intermedie tra il lobo principale e quelli secondari presentano un guadagno nullo, ad indicare che l’antenna, in tali direzioni, non trasmette o riceve potenza. Il diagramma cartesiano presentato in figura 2b, invece, riporta in ascissa l’angolo di deviazione dalla direzione di massimo guadagno e in ordinata il guadagno dell’antenna espresso in dB (10logG). Anche dall’analisi di tale grafico è possibile individuare un lobo principale che contiene il boresight e dei lobi secondari disposti simmetricamente attorno al principale. L’individuazione del lobo principale dell’antenna consente di misurare la larghezza del fascio trasmesso o ricevuto, espressa mediante la seguente formula:

L = kλ/D

dove k è una costante che dipende dal tipo di irradiazione dell’antenna, mentre D è il diametro della parabolica. Tale larghezza può essere definita come l’angolo  compreso tra le due direzioni che presentano un guadagno dimezzato (- 3dB) rispetto a quello massimo e sta ad indicare che dentro quell’intervallo angolare il guadagno rimane al più al di sotto di 3dB rispetto a quello presentato dall’antenna nella direzione di massima radiazione. Al di fuori di tale intervallo la potenza non è nulla, ma risulta decisamente più bassa. La larghezza del fascio, poi, è inversamente proporzionale al diametro dell’antenna e questa è una delle ragioni per cui le antenne per radio astronomia che devono captare fasci molto stretti provenienti da astri e pianeti lontani devono avere dimensioni elevate.

POLARIZZAZIONE

La polarizzazione di un’antenna parabolica è una polarizzazione di tipo ellittico, in quanto il vettore associato al campo elettrico dell’onda trasmessa o ricevuta, se proiettato su un piano ortogonale alla direzione di propagazione, tende a ruotare, variando simultaneamente anche la propria ampiezza: esso tende, quindi, a descrivere un’ellisse (Fig.3).

 

A seconda del rapporto che intercorre tra l’asse maggiore e l’asse minore dell’ellisse, la polarizzazione può diventare circolare o lineare; infatti, se il rapporto tra gli assi è unitario, l’ellisse si trasforma in un cerchio, mentre, se uno degli assi ha una lunghezza nulla, l’ellisse degenera in una retta. Si parla, invece, di polarizzazione ortogonale se i campi elettrici associati a due onde descrivono due ellissi percorse in direzioni opposte oppure se un’onda possiede polarizzazione lineare verticale e l’altra orizzontale. In questo caso è possibile associare informazioni diverse alle due onde anche se esse posseggono la medesima frequenza, in quanto in ricezione o in trasmissione si è comunque in grado di distinguerle proprio grazie al diverso tipo di polarizzazione ad esse associato. Questo accorgimento è molto importante nel caso in cui si abbia a disposizione una limitata banda di frequenze perché consente di raddoppiare le capacità operative di tale banda. Nell’utilizzare il metodo appena descritto occorre, però, fare attenzione all’isolamento tra le due polarizzazioni; può accadere, infatti, che parte dell’informazione inviata tramite un tipo di polarizzazione si trasferisca sull’altra onda, “sporcando” il contenuto informativo da trasmettere. Per evitare tale inconveniente risulta necessario calcolare, per ogni antenna, il cosiddetto “isolamento di cross-polarizzazione”. A tal fine consideriamo due antenne (Fig. 4), una trasmittente e una ricevente, e supponiamo che la trasmittente stia inviando informazioni tramite due onde in polarizzazione ortogonale (rappresentate dai vettori α e ß in polarizzazione verticale e orizzontale); in ricezione saranno presenti i vettori α e ß, eventualmente attenuati o amplificati, insieme ai vettori γ e δ, corrispondenti, rispettivamente, alla parte di α che si è trasformata in un’onda a polarizzazione orizzontale e alla parte di ß che si è convertita in un’onda in polarizzazione verticale. Per calcolare l’isolamento occorre effettuare in ricezione il rapporto (espresso in dB) tra α e γ, al fine di capire quanto l’informazione scambiata tra le antenne sia stata alterata dall’interazione tra le polarizzazioni.

 

EIRP: POTENZA EQUIVALENTE IRRADIATA DA UN’ANTENNA ISOTROPA

Prendiamo in considerazione un’antenna trasmittente puntiforme (priva di sviluppo spaziale) e isotropa; tale antenna irradia la seguente quantità di potenza per unità di angolo solido:

Pt/4π [W/steradiante]

Se adesso consideriamo un’antenna parabolica non isotropa, cioè un’antenna che possiede una direzione preferenziale di propagazione, la quantità di potenza irradiata in una determinata direzione è data da:

PxGx/4π [W/steradiante]

dove Gx è il guadagno dell’antenna considerata. Il prodotto PxGx rappresenta la potenza equivalente irradiata da un’antenna isotropa (EIRP) e sta ad indicare che, nella direzione di propagazione, la parabolica si comporta come un’antenna isotropa che irradia una potenza di valore proprio pari a Px Gx.

POTENZA RICEVUTA

Consideriamo, adesso, un’antenna ricevente; tale antenna possiede una certa area efficace (Aeff) ed è posta a una certa distanza (d) dall’antenna trasmittente. Dato che la trasmittente irradia una potenza pari a PxGx/4π, la potenza intercettata dalla ricevente è data da:

Pr = (PxGx/4π)(Aeff/d^2)

dove Aeff/d^2 rappresenta l’angolo solido che la ricevente intercetta puntando verso la trasmittente. L’area efficace, a sua volta, può essere espressa tramite la seguente formula:

Aeff=(λ^2 Gr)/(4π)

dove λ è la lunghezza d’onda del segnale ricevuto. Di conseguenza, sostituendo la precedente espressione in quella della potenza ricevuta, otteniamo:

Pr = Px Gx Gr (λ/4πd)^2 = EIRP Gr (1/S)

dove S costituisce la cosiddetta “attenuazione in spazio libero” e tiene conto delle perdite di potenza tra un’antenna trasmittente e una ricevente poste, appunto, nello spazio libero. La potenza ricevuta da un’antenna, quindi, dipende da tre fattori: uno legato alla trasmittente (EIRP), uno legato alla ricevente (Gr) e uno connesso a ciò che si frappone tra le antenne (1/S). In particolare l’attenuazione in spazio libero può essere determinata dalla presenza dei gas atmosferici o dalle perdite connesse agli apparati di ricezione e trasmissione dei segnali, ma, soprattutto, spesso è causata dallo scorretto allineamento delle antenne. Supponiamo, ad esempio, di dover allineare un’antenna trasmittente posta a bordo di un satellite con un certo numero di antenne riceventi collocate a terra. L’antenna sul satellite può puntare perfettamente solo una tra le riceventi, mentre tutte le altre antenne sono fuori dall’asse elettromagnetico della trasmittente. Con riferimento alla figura 5, calcoliamo, quindi, l’errore di puntamento tra l’antenna trasmittente e una delle possibili antenne riceventi. A tal fine tracciamo il segmento che congiunge i centri delle due antenne e misuriamo gli angoli che gli assi elettromagnetici delle antenne formano con tale segmento: ßx è relativo alla trasmittente, mentre ßr è relativo alla ricevente. Gli angoli appena descritti rappresentano proprio l’errore di puntamento tra le antenne ed è importante notare che, fintanto che tali angoli restano compresi nel lobo principale delle antenne, la perdita di potenza può essere al massimo di 3dB.

 

 

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ritratto di Alex87ai

Ritorno indietro alle

Ritorno indietro alle lezioni di campi em e antenne seguite all'università! Che tempi! Però rinfrescare queste nozioni devo dire che non mi è dispiaciuto affatto, visto che oggi giorno la camunicazione wireless sta sostituendo in tutto e per tutto le comunicazioni via cavo.

ritratto di Fabrizio87

penso che il cavo il non

penso che il cavo il non potrà mai essere sostituito della wireless,
semplicemente per questioni di affidabilità e soprattutto non c'è abbastanza spazio sullo spettro elettromagnetico per tutte queste comunicazione,

un ottimo articoloda, per fortuna che non ho antenna nel mio corso universitario

ritratto di Arx33

Guardiamo avanti! Il

Guardiamo avanti! Il telefono cellulare ha sostituito quasi completamente il fisso.. pensi che i più affezionati non la pensassero come te? Oramai la comunicazione wireless è diventata una realtà giornaliera!

ritratto di linus

sono antenne

molto direttive, infatti occorre calibrare bene il puntamento, come si evince dalle foto, diversi hanno aumentato la portata della loro rete wireless verso una direzione costruendo una semplice parabola.

ritratto di mingoweb

Le trasmissioni e le

Le trasmissioni e le ricezioni paraboliche sono senza altro uno dei migliori metodi per trasmettere a lunga distanza di dati... Questo articolo mi ha rinfrescato un sacco di cose che ho studiato nel corso di telecomunicazioni....

ritratto di giuskina

e io che ...

... volevo usarla non solo per ricevere internet, anche per invarlo ! La mia preoccupazione era l costo dell'energia ! Pensavo di spendere i milioni :( cosa fare se l'adsl non c'è !!

ritratto di Picwiz

Ma chi ha scritto questo documento ???

Ma chi ha scritto questo documento ???
E' stato forse copiato da una fonte non accreditata?
E' scritto con un linguaggio improprio e delirante nelle affermazioni riguardanti la polarizzazione !
Non sono sceso nel dettaglio delle formulette...
Bocciato!
Saluti.

ritratto di Emanuele

Parametri caratteristici di una antenna

L'autore del documento è ben scritto sotto il titolo.
Tale autore ha scritto vari articoli per noi, di sicuro livello tecnico.

Ti chiederei quindi di essere più preciso nelle tue affermazioni e di.... scendere nelle formulette.
Criticare così è inutile (oltre che troppo semplicistico).

ritratto di mingoweb

Secondo me l'articolo è

Secondo me l'articolo è scritto bene... Spiega molto di più sul funzionamento di una antenna parabolica, invece delle sue caratteristiche! Magari il titolo doveva essere "paramenti e funzionamento delle antenne".

ritratto di gaetech45

interessante

gaetech45
Interessante questa descizione accurata delle carattaristiche di un' antenna parabolica !

NeLlA vItA nOn Si FiNiScE MaI Di ImPaRaRe!!!

ritratto di giuskina

mmm

ho da poco messo sky, ma non centra con l'articolo quindi kiudo :((

 

 

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