Presentazione di PowerPoint

ASSOCIAZIONE
RADIOAMATORI
ITALIANI
NOZIONI DI
RADIOCOMUNICAZIONI
L’ ANTENNA
L’ antenna
L’antenna è un trasduttore che :
- in trasmissione trasforma l’energia elettrica al alta frequenza
fornita dal trasmettitore, in un campo elettromagnetico che si
propaga nello spazio alla velocità della luce.
- in ricezione trasforma l’energia del campo elettromagnetico in
cui è immersa, in un segnale elettrico (f.e.m.) per il ricevitore, che
ne estrae l’informazione.
Dalla linea di trasmissione
all’antenna
I
TX
LINEA
I
Fase n° 1
ZC
Dalla linea di trasmissione
all’antenna
I
TX
LINEA
I
Fase n° 2
ZC
Dalla linea di trasmissione
all’antenna
I
ZC
TX
I
Fase n° 3
?
L
ZC
C
R
=
L’ antenna è un circuito a costanti ( L, C, R) “distribuite”
L
è l’induttanza “distribuita” del conduttore che costituisce
l’antenna
C è la capacità “distribuita” del conduttore che costituisce
l’antenna
R è la somma della resistenza del conduttore che costituisce
l’antenna e della Resistenza di Radiazione
Resistenza di Radiazione dell’ Antenna
E’ una resistenza fittizia che rappresenta il fenomeno di trasformazione
dell’ energia RF in onde elettromagnetiche.
Impedenza dell’ Antenna
E’ il rapporto tra la tensione V e la corrente I nel punto di
alimentazione :
Zr = V / I
(legge di Ohm)
Se tensione e corrente sono in fase (antenna risonante) coincide
teoricamente con la Resistenza di Radiazione.
Se esiste uno sfasamento tra tensione e corrente l’antenna non è
risonante ed è presente una componente reattiva (L o C).
L’ antenna
Riveste molta importanza il modo in cui una antenna irradia
l’energia RF nello spazio.
Di norma l'intensità del campo irradiato da una antenna
varia a seconda della direzione.
In certe direzioni, l’intensità può essere nulla.
Ciò dipende dal tipo di antenna.
In base al modo in cui avviene l’irradiazione possiamo fare
una prima distinzione tra :
– Antenna isotropica
– Antenne omnidirezionali
– Antenne direttive.
L’ antenna
Antenna isotropica:
irradia ugualmente in tutte le direzioni nello spazio.
L'antenna isotropica è un concetto puramente teorico
ed è adimensionale (puntiforme). Costituisce l’antenna
di riferimento
Antenne omnidirezionali:
irradiano uniformemente sul piano orizzontale. Sono
generalmente antenne verticali.
Antenne direttive:
irradiano prevalentemente in alcune direzioni particolari.
L’ antenna in pratica
Per ottenere il massimo dell’ efficienza, l’antenna deve essere
“risonante”.
L’ antenna, nella pratica, è costituita da un conduttore che in
base alle sue costanti ( L, C, R) “distribuite” si comporta come
un circuito risonante.
La frequenza di risonanza è determinata dalle sue dimensioni
fisiche.
Ne consegue che esiste una relazione diretta tra le dimensioni
dell’antenna (essenzialmente la lunghezza) e la sua frequenza di
funzionamento.
Dimensioni dell’ antenna
La lunghezza teorica L che deve avere un
conduttore per risuonare su una
determinata frequenza è :
L=λ/2
Detta lunghezza può essere variata “elettricamente” in più
o in meno inserendo delle costanti reattive (L o C)
“concentrate”.
Le antenne si dividono in:
Antenne Hertziane e Marconiane
Le Antenne Hertziane: sono i cosiddetti
“dipoli” ed hanno una lunghezza teorica pari
a /2.
Se alimentati al centro presentano una
resistenza di radiazione di 73 Ω.
Le Antenne Marconiane (o semidipoli) hanno lunghezza
teorica pari a /4.
Se alimentate alla base presentano una resistenza di
radiazione di 36,5 Ω
L’ altra metà del dipolo è costituita dalla “terra”.
Distribuzione di corrente e tensione lungo un’ antenna
Un dipolo lungo λ/2 presenta questa distribuzione della
corrente e della tensione :
al centro un massimo di corrente (ventre) e un minimo di
tensione (nodo).
A ciascuna estremità un massimo di tensione (ventre) e un
minimo di corrente (nodo).
Distribuzione di corrente e tensione lungo un’ antenna
In una antenna
marconiana lunga
λ/4 si ha un ventre
di corrente alla
base e un ventre
di tensione alla
sommità.
Alimentazione di un’ antenna
L’antenna può essere alimentata in qualunque punto della
sua lunghezza.
Poiché la tensione e la corrente variano da punto a punto
varia di conseguenza l’ impedenza caratteristica nei diversi
punti di alimentazione.
Occorre quindi scegliere il punto di alimentazione in modo tale
che l’impedenza di uscita del trasmettitore, quella dell’ antenna
e quella della linea di trasmissione abbiano lo stesso valore.
Quando, per ragioni pratiche, ciò non sia possibile è necessario
introdurre dei dispositivi che realizzino i necessari “adattamenti”
tra impedenze diverse.
L’ antenna
Solido e diagramma di radiazione
é un metodo grafico per visualizzare l'intensità del campo
irradiato da una antenna, in funzione della direzione.
Le caratteristiche di irradiazione (antenna trasmittente) sono
identiche a quelle di captazione (antenna ricevente).
Il solido é relativo alla propagazione nello spazio (quindi in tre
dimensioni)
Banda passante dell’ antenna
Essendo l’antenna un circuito risonante, dotato di un
definito “fattore di merito” Q, ne consegue che avrà
una corrispondente banda passante :
Bp = F 0 / Q
Ne consegue che una antenna funzionerà in modo
accettabile solo su una ristretta banda prossima alla
frequenza per cui è stata progettata oppure su frequenze
multiple (armoniche) di detta frequenza.
Tipi di antenna
Le antenne, pur rispondendo in generale a quanto visto,
possono assumere varie forme e dimensioni sia in base
alla loro frequenza di lavoro che in base a particolari
requisiti legati alle condizioni pratiche di impiego.
Molto spesso è necessario trovare dei compromessi tra
requisiti contrastanti, ad esempio tra le dimensioni e lo
spazio disponibile per l’installazione, soprattutto nelle
postazioni mobili.
Da qui derivano le svariate forme che le antenne assumono
nella pratica.
Antenne per mezzi mobili
Sono antenne verticali di varia foggia,
di tipo omnidirezionale poiché la direzione
tra i punti da collegare è continuamente
variabile.
Si caratterizzano per un basso angolo di
irradiazione sul piano verticale poiché, di
massima, tutti i collegamenti di questo tipo
avvengono per onda “diretta” e a breve
distanza.
Sono antenne di tipo “marconiano” e la
massa metallica del mezzo mobile ne
costituisce la “terra”.
Antenne omnidirezionali per postazioni
fisse
Sono antenne di tipo “marconiano”.
Non essendoci in genere problemi di spazio
la loro lunghezza è di λ/4.
Il piano di terra è costituito da una “raggiera” di
tre o più conduttori isolati e connessi alla calza
del cavo coassiale che alimenta l’antenna.
Antenne filari per postazioni fisse
Il tipo più “classico” è il dipolo. Sono antenne usate per le
onde corte, medie e lunghe e richiedono spazi non trascuabili
per la loro installazione. Ne esistono moltissime varianti, ciascuna
con le sue peculiarità. Presentano sempre una certa direttività,
non molto spinta, quindi se possibile si orientano per irradiare
nelle direzioni di maggior interesse
Antenne a larga banda
Qualora sia necessario operare su una ampia banda di
frequenze si utilizzano antenne a “larga banda”, la cui risposta
in frequenza è alquanto “piatta” a scapito però della loro
efficienza. Il principio base è quello di avere più antenne
risonanti su diverse frequenze alimentate da un’unica linea.
Antenna “discone”
Antenne direttive
Nelle applicazioni pratiche è spesso utile irradiare il segnale
radio solo in una direzione. Ciò comporta una riduzione della
potenza necessaria per il collegamento da parte del
trasmettitore ed un aumento del segnale utile dalla parte
del ricevitore.
Le antenne direttive trovano larga diffusione nei collegamenti
“punto - punto”.
Se necessario tali antenne possono essere dotate di un sistema
che le faccia ruotare in modo da poter essere orientate verso
il “punto” che in quel momento si desidera collegare.
Antenne direttive
ANTENNE YAGI-UDA
Le antenne Yagi sono molto usate in HF ma soprattutto in VHF e
UHF. Sono costituite da un elemento attivo, che è un dipolo e da
elementi passivi detti anche dipoli parassiti, che sono una serie di
conduttori disposti parallelamente al dipolo attivo. Il campo
risultante dipende dalla lunghezza dei dipoli passivi e dalla loro
distanza relativa al dipolo attivo.
Si riesce così a modificare il diagramma di radiazione del dipolo
alimentato, variando la distanza, la lunghezza ed il numero dei dipoli
passivi.
Tutti i dipoli sono montati su un’asta metallica (talvolta isolata dai
dipoli) detta “BOOM”.
Antenne direttive
Dipolo attivo e dipolo passivo
riflettore
Si dispone il dipolo ricevente parallelo
ad un dipolo passivo detto riflettore,
posto ad una determinata distanza d.
La presenza di tale riflettore permette
la modifica del diagramma di
radiazione come indicato in figura.
Diminuendo “d” l’effetto tende ad
essere più marcato.
Il dipolo passivo è lungo L >  / 2, e prende il nome di riflettore. E’
posto a distanza d <  / 4. Il diagramma di radiazione è relativo al
piano perpendicolare al piano dell’antenna, l’irradiazione è massima nel
verso da R ad A.
Antenne direttive
Dipolo attivo e dipolo passivo direttore
E’ analogo al caso precedente,
solo che il dipolo passivo, posto
a distanza d dal dipolo attivo, è
lungo L < λ / 2.
L’irradiazione è massima nel
verso dal dipolo A al dipolo D.
Antenne direttive
ANTENNE YAGI-UDA A PIU’ ELEMENTI
Questo tipo di antenne è costituito da un dipolo attivo, un dipolo
riflettore e più dipoli direttori: in tal modo si riesce ad ottenere una
maggiore direttività.
Vediamo ad esempio una YAGI a 5 elementi, di cui tre direttori (D1 D2
D3), ed il riflettore e l’attivo (che sono SEMPRE presenti...).
Le distanze fra i vari elementi sono nell’ordine di /5.
In pratica si ottiene poi che:
•
la lunghezza del dipolo attivo è lievemente inferiore a /2
•
il riflettore è circa il 5% più lungo del polo attivo;
•
i direttori sono circa il 5% in meno (salvo che non abbiano
lunghezze diverse, di solito decrescenti).
•
Variando le lunghezze degli elementi e la loro distanza reciproca si
riesce a variare la direttività dell’antenna e la banda in cui questa
lavora.
Antenne direttive
ANTENNE YAGI-UDA A PIU’ ELEMENTI
Numero di
direttori.
Guadagno
[dB]
1
6
4
10
10
15
20
20
Il riflettore può essere costituito anche da
Il guadagno, e con esso la direzionalità,
tre conduttori posti ad H che aumentano
dipende poi dal numero di direttori
ulteriormente la direzionalità, oppure da
presenti, secondo la tabella (i valori
una griglia metallica piegata a V col
sono indicativi). La Ri tende a diminuire
vertice verso la parte posteriore
col crescere del numero di direttori
dell’antenna
Esempio di antenne Yagi a più elementi
Antenne direttive “log-periodiche”
Sono antenne che solo apparentemente assomigliano ad una
“yagi”. Gli “elementi” che le compongono costituiscono un
“array” di dipoli attivi , ciascuno con una sua frequenza di
Risonanza, e tutti sono alimentati da una speciale linea di
trasmissione. Uniscono caratteristiche di una ampia banda
passante e di un buon guadagno o direttività.
Tipica antenna log - periodica per ricezione televisiva
Copre le bande III - IV - V (VHF e UHF)
Antenne paraboliche
Sono antenne caratterizzate da elevato guadagno e da
altrettanto elevata direttività.
Principio di funzionamento di
una antenna parabolica
riflettore
illuminatore
Guadagno di una antenna parabolica
g = 10 * log_10( (k * 4 * π * Ω)/(λ * λ))
g = Guadagno in dBi, λ = lunghezza d’onda,
k = illuminazione, Ω = apertura
Applicazioni delle antenne paraboliche
Le antenne paraboliche trovano larga applicazione ove siano
richiesti particolari requisiti di guadagno e/o di direttività.
Il campo di frequenza va dalle UHF in su fino alle microonde.
Questo perché, a parità di dimensioni del riflettore parabolico,
al cresecere della frequenza aumenta il guadagno. E’ quindi
facile realizzare antenne dal guadagno molto elevato e di
ingombro ridotto. Anche i problemi meccanici connessi sono
di entità sempre minore, date le piccole dimensioni.
Le principali applicazioni sono in campo RADAR, dove ebbero
origine, nelle comunicazioni satellitari e spaziali, nei ponti radio
telefonici e in tutte quelle applicazioni dove la direttività molto
spinta costituisce un fattore di protezione contro eventuali
interferenze e garantisce un certo grado di “riservatezza” delle
comunicazioni.
ASSOCIAZIONE
RADIOAMATORI
ITALIANI
GRAZIE PER L’ATTENZIONE