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A proposito di antenne corte... e relativi miracoli

antennne corte

Prima di pensare ai miracoli, occupiamoci brevemente di “ripassare” quelle che sono le caratteristiche fondamentali delle antenne (antenne corte).

Le equazioni di Maxwell ci garantiscono che una corrente variabile è in grado di irradiare energia sotto forma di campo elettromagnetico nello spazio (libero).

Lo scopo di qualsiasi antenna è quello di agire come “dispositivo di lancio” fra le onde guidate (o convogliate) in un sistema conduttore e le onde elettromagnetiche in spazio libero, o viceversa. Il “sistema di guida” può essere sotto forma di un conduttore, un cavo coassiale, di linea a nastro, o di una vera e propria guida d’onda".

Dualità
La maggior parte delle antenne funziona ugualmente bene sia in modalità di trasmissione che di ricezione, almeno in linea di principio e indipendentemente da limiti di potenza.

Zone di campo
La maggior parte delle antenne presenta due regioni operative, per la precisione la zona di campo vicino (o prossimo) e quella di campo lontano. Nella zona di campo vicino, il comportamento è piuttosto complesso e la maggior parte dell’energia decade con il cubo della distanza. Nella zona di campo lontano, il comportamento è più regolare, e la maggior parte dell’energia cala più blandamente secondo il quadrato della distanza. La linea di confine fra le due zone si verifica pressappoco ad una distanza dalla sorgente pari a 2 L2, che per un’antenna normale si aggira su circa una lunghezza d’onda.

In figura è tentata la rappresentazione delle due zone e dei relativi comportamenti (nel cui diagramma le scale sono rappresentate dai logaritmi delle grandezze).

Diagramma d’irradiazione
Un’antenna che sia in grado di irradiare ugualmente bene (cioè uniformemente) in qualsiasi direzione è definita come antenna isotropica, anche se nella realtà è praticamente inesistente. Normalmente è comunque preferita un’antenna che irradi o capti energia da una sola direzione, che presenti cioè un diagramma d’irradiazione preferenziale. E ciò si ottiene sistemando e dimensionando opportunamente gli elementi costitutivi. Per esempio, un’antenna per TV satellitare deve offrire un fascio molto stretto, in quanto si tratta di ricevere un segnale spesso debole da una direzione prefissata.

Se invece si trattasse di ricevere un sistema di navigazione satellitare, ovvero GPS, l’antenna dovrebbe essere in grado di seguire diversi satelliti contemporaneamente (tipicamente sei), così che dovrebbe presentare un lobo di ricezione praticamente emisferico. I trasmettitori per TV terrestre non hanno invece alcuna necessità di sparare energia o più verso l’alto o più verso il basso.

Guadagno
Il guadagno di un’antenna non è altro che il confronto di quanto il suo segnale risulti buono in una certa direzione rispetto ad una qualche altra antenna assunta come riferimento. Quest’ultima è in genere costituita da un radiatore isotropico oppure da un dipolo a mezz’onda. Occorre tener presente che un dipolo correttamente costruito e montato presenta un guadagno di 1,6 volte (ovvero 2,1 dB) sul radiatore isotropico.

Resistenza d’irradiazione
Se l’antenna viene sostituita da un carico fittizio che assorba dal trasmettitore la stessa quantità di energia in analoghe condizioni operative, segno è che detto carico ha un valore resistivo equivalente alla resistenza d’irradiazione dell’antenna (da notare che la resistenza di radiazione dello spazio libero è pari a 377.

Adattamento
La teoria delle linee di trasmissione dice che un’antenna rifletterà (o rilancerà indietro) l’energia che le viene inviata da una sorgente non correttamente accoppiata, cioè con impedenza non adattata. Per misurare quanto dell’energia in arrivo dal TX viene rifiutata dall’antenna si ricorre al rapporto di onde stazionarie (o ROS); il valore ideale di questa misura sarebbe 1, corrispondente all’adattamento ottimale ottenuto trasformando l’impedenza d’ingresso del sistema d’antenna al valore previsto per la resistenza d’irradiazione.

Eventuali dispositivi di adattatore d’antenna servono per sintonizzarla, cioè per eliminare la parte di reattanza capacitiva o induttiva residua alla frequenza di lavoro. E i miracoli? I nome di Maxwell viene evocato ancora una volta a proposito di un’antenna brevettata una quindicina di anni fa, “grande” 1/50 di lunghezza d’onda e denominata CFA (da Cross Field Antenna).

Il suo concetto di funzionamento nasce dal fatto che, dalle equazioni di Maxwell, si deduce che l’irradiazione di un campo elettromagnetico può nascere da due parametri: uno è la normale corrente variabile; il secondo termine sta a indicare che l’irradiazione elettromagnetica si può ottenere da qualsiasi coppia di armature di condensatore pilotate “in quadratura” (anche se limitatamente al campo vicino).

Problemi di alimentazione (impedenza molto bassa date le modeste dimensioni) non hanno ancora consentito di giungere a serie conclusioni a proposito di questa soluzione (volta a volta osannata od esacrata). Un’altra possibile versione di “micro-antenna” è la cosiddetta “antenna frattale”, coi suoi profili sinuosi ad ampi grappoli di fori, il tutto di derivazione matematica. Essa sembra offrire dimensioni un po’ minori, e banda leggermente più larga delle antenne tradizionali, specialmente nelle versioni per SHF-microonde; ad ogni modo, risulta disponibile, in questi ultimi tempi, una documentazione ampia.

Citiamo infine uno degli ultimi arrivi, e cioè la discussa antenna EH, su cui molto è stato pubblicato, ma non altrettanto è stato risolto per quanto riguarda le prestazioni, che vanno dal miracoloso a quanto ci si può aspettare venga irradiato da uno spezzone di metallo di pari dimensioni. Tutto normale, quindi, compreso il fatto che il vecchio dipolo o la solita Yagi funzionino ancora, e più che decentemente!

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