PRIMO CONVEGNO VHF/U-SHF
“CITTA’ DI POMPEI”
ANTENNE
Sistemi di accoppiamento
IK7HIN
MARCELLO SURACE
Pompei, 23 febbraio 2013
ANTENNE
In telecomunicazioni un'antenna è un dispositivo atto a irradiare o a
captare/ricevere onde elettromagnetiche. Le antenne sono dispositivi
in grado di convertire un segnale elettrico in onde elettromagnetiche
ed irradiarle nello spazio circostante o viceversa.
Un po' di storia
Alcune delle prime antenne rudimentali furono costruite nel 1888 daHeinrich
Hertz (1857-1894) nei suoi esperimenti volti a dimostrare l'esistenza delle
onde elettromagnetiche, previste dalla teoria di James Clerk Maxwell. La
parola "antenna" che oggi usiamo così comunemente proviene però dai
primi esperimenti di Guglielmo Marconi. Deriva infatti dalla stessa parola
marinaresca che indica il lungo palo, trasverso rispetto all'albero, che
sostiene in alto la vela quadra o latina. L'estensione dal significato
originale è dovuta allo stesso Marconi (il cui padre desiderava per lui una
carriera in Marina) quando osservò che, appendendo uno dei due
terminali dell'oscillatore (all'epoca un cubo o una sfera di ferro stagnato)
su un alto palo (appunto una "antenna"), i segnali trasmessi (e ricevuti)
potevano coprire distanze molto maggiori. Iniziò così, in contrapposizione
al "terminale a terra", a indicare quello in alto come "(terminale) antenna".
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
TIPI
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, spesso non da sola, ma in cortine .La lunghezza di
ognuno dei due stili è, in prima approssimazione, lamda/4 (l/4) , o meglio, tenendo
conto di un fattore correttivo del 5% in meno, è il 95% di lamda/4 (l/4) .
L'antenna marconiana, che prende il nome da Guglielmo Marconi, ha invece uno stilo
a massa ed un altro lungo lamda/4, o, se si vuole essere più esatti, il 95% di lamda/4.
L'antenna hertziana ha resistenza di radiazione uguale a 73 ohm, mentre quella
marconiana ha resistenza di radiazione uguale a 36,5 ohm.
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
• 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 qui sotto nel caso di un'antenna hertziana.
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
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 dall'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.
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
Diagramma di irradiazione di un dipolo hertziano in 3D :
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ANTENNE
Direttività
Sappiamo che Il guadagno di un'antenna in una certa direzione è definita invece come il
rapporto tra la potenza di radiazione irradiata in tale direzione e la potenza totale irradiata
in tutte le direzioni dall’ antenna isotropa. La differenza con la direttività è che
quest'ultima al denominatore presenta la potenza totale in ingresso all'antenna che è solo
in parte irradiata e in parte dissipata dal conduttore dell'antenna stessa. Il guadagno è
sempre inferiore alla direttività di un fattore pari proprio all’efficienza η (eta)
dell’antenna:
G(θ,φ) = η D(θ,φ)
Dove G rappresenta il guadagno, η l’efficienza <1 , D la direttività, θ,φ i parametri che
individuano il campo elettrico in un punto definito dalle direzioni θ, φ (angoli misurati
rispetto ai tre assi x,y,z coordinate polari).
η= Nirr / Ning
I materiali di cui è costituita un’antenna (conduttori e dielettrici) non sono ideali e
pertanto introducono delle perdite, che fanno sì che la potenza irradiata (Nirr) sia inferiore
alla potenza erogata dal generatore in ingresso all’antenna (Ning). G e D sono rapporti di
grandezze omogenee espressi in Db.
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Guadagno
ANTENNE
Un rapporto misurato in bel si definisce come il logaritmo in base 10 del rapporto stesso. Dire
che un rapporto è di 1 bel equivale quindi a dire che il rapporto stesso è di 10:1.
Il rapporto espresso in bel fra due numeri o due grandezze fisiche omogenee, N1 e N2, resta
quindi definito come:
per essere espresso in decibel, deve essere moltiplicato per 10:
Esempio: Per un dipolo hertziano il rapporto tra potenze è di N1/N2 è 1,65, in decibel quanto
vale?
GdB = 10 x log10 1,65 = 10 x 0,2174 = 2,174 dBi
Dove N1 è la potenza del dipolo nella direzione di max irradiazione e N2 è la potenza
dell’antenna isotropa ed omnidirezionale.
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ANTENNE
L’antenna di tipo Yagi-Uda è la più diffusa, in assoluto. La configurazione più popolare
è formata da un solo elemento attivo (dipolo semplice o ripiegato), con l’aggiunta di un
numero di altri non direttamente eccitati (induttivi), detti anche parassiti. L’elemento
posto dietro il dipolo funzione da riflettore (il più lungo) mentre gli altri (più corti), i
direttori, sono posti in avanti. Questa antenna presenta una impedenza di 33+j7.5ohm
(34ohm) ed ha un guadagno di circa 6-7dBi. I conduttori utilizzati hanno uno spessore di
circa 0.0036l e possono essere realizzati in alluminio o ottone. Calcoli relativi al guadagno :
6= 10xlog10 ( N1/N2)-> 6/10 = log10 ( N1/N2) -> N1/N2 = 100,6 -> 3,98 (rapporto tra la potenza
irradiata nella direzione preferenziale dalla Yagi e la stessa potenza irradiata con l’antenna
omnidirezionale). La progettazione di un'antenna Yagi equivale dal punto di vista
matematico alla progettazione di un filtro complesso.
Elemento attivo
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
Nella Yagi 5 o più elementi, i direttori sono tre o più, il riflettore è sempre 1 (o 2
se posti entrambi alla stessa distanza dal dipolo elemento attivo).
Doppio riflettore
Riflettore (parassita)
3 Direttori (parassiti)
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
Caratteristiche di una antenna commerciale tipo Yagi:
Frequenza
Elementi
Guadagno
Rapporto F/R
Angolo a -3 dB piano E - H
Spaziatura piano E - H
R.O.S.
Lunghezza boom
Diametro boom
Diametro elementi
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144 MHz
8
12.19 dBd / 14.23 dBi
25 dB
34.54° - 37.74°
3.5 - 3.21 m
1:1.2
4.25 m - 2.04 lambda
25 - 30 - 25
5
8JXX2 144.000 144.300
144.600 MHz 8 elem.,
diametro elem. = 5.000 mm
000 507.8729
362.148 474.0000
607.377 471.2721
1072.443 467.0316
1827.870 458.7185
2662.489 453.3003
3518.270 449.9591
4244.733 453.4258
ANTENNE
Diagrammi di radiazione sul piano orizzontale
La polarizzazione è appunto una
proprietà che descrive la direzione in
cui il campo elettrico e magnetico
oscillano.
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Diagramma di radiazione sul piano verticale
ANTENNE
Apertura del lobo di radiazione: Per convenzione si definisce l’angolo di
apertura del lobo di radiazione , l’angolo formato dalle direzioni dove la potenza è
pari al 50% del suo valore massimo lungo la direzione di massima potenza
irradiata. Questo valore corrisponde a -3db. Vediamo l’esempio dell’antenna
8JXX2:
a = 34, 54°
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
La larghezza di banda è l’intervallo di frequenza che un’antenna è in grado di
ricevere o su cui è capace di irradiare mantenendo impedenza resistiva; La larghezza
di banda di un’antenna è definita come quell’intervallo di frequenze all’interno delle
quali le prestazioni dell’antenna (riferite a una determinata caratteristica) si
mantengono entro un determinato standard.
•Le antenne log-periodiche (o logaritmiche) sono costituite da una serie di dipoli, tutti
alimentati, equiorientati ed allineati lungo un asse ortogonale ai dipoli. Il rapporto tra
la lunghezza di un elemento e quella del successivo, nonché il rapporto tra la
distanza tra due elementi e quella tra i due successivi, sono costanti (l’antenna
scala in sé stessa periodicamente). Ogni dipolo risuona ad una determinata
frequenza. A tale frequenza quel dipolo si comporta da dipolo alimentato, mentre gli
altri sono circa passivi (a causa dell’alta impedenza che limita la corrente in ingresso)
e fungono da riflettori e direttori.
•Si ha dunque un comportamento simile a quello di una Yagi-Uda, ma questa volta
su una banda larghissima (in teoria infinita se l’allineamento non fosse
troncato).
•In pratica, il dipolo più lungo determina la frequenza minima di funzionamento,
mentre quello più corto determina la frequenza massima di funzionamento. Il campo
è ancora polarizzato linearmente, come per il singolo dipolo.
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
ANTENNE
RICAPITOLANDO
I parametri che definiscono un’antenna sono:
diagramma di radiazione;
apertura a -3 dB (lobo di radiazione);
direttività;
guadagno;
efficienza;
polarizzazione;
impedenza di ingresso;
larghezza di banda.
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Formula di accoppiamento antenne di DL6WU Guenter Hoch:
Distanza = (l/2) / sin(a/2)
Esempio: l/2 = C/2/n =149/144,3=1,032 m a/2= 17,27°
D = 1,032 / sin 17,27 =1,032/0,2968 = 3,47 m
Si possono ottenere buoni risultati con distanze fino al 90% di
quelle fornite dalla formula, se si vogliono le antenne più vicine.
Distanze inferiori provocheranno una riduzione del fattore G/T.
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Che cosa è il fattore G/T?
Per stazione ricevente intendiamo la parte terminale di un collegamento radio,
costituita dall'antenna ricevente, dal ricevitore e dalla linea di trasmissione (se
presente) necessaria per connettere questi due sistemi. Assegnata una stazione
ricevente, per essa si definisce un fattore di merito G/T, nel senso già visto che il
rapporto segnale/rumore del collegamento radio risulta essere proporzionale ad
esso. Tuttavia il fattore G/T può essere valutato in un punto qualsiasi della stazione
ricevente, risultando come vedremo invariante rispetto ad esso. Allora, come
definizione generale, G indica il guadagno di potenza disponibile dell'insieme dei
blocchi della catena ricevente che si trovano a monte del punto ove valutiamo il
fattore di merito. Riguardo al termine T, esso assume il significato già detto di
temperatura di rumore di sistema, valutata nel punto considerato. Essa quindi tiene
conto del rumore che si genera internamente agli apparati della stazione ricevente e
di quello esterno captato dall'antenna ricevente, ma come già detto, non considera
quello generato dagli apparati trasmittenti, in quanto trascurabile rispetto al
segnale utile: in tal senso quindi possiamo attribuire tale fattore di merito alla sola
stazione ricevente.
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Dove è riportato piano E ed H è da intendersi per un dipolo
verticale,
polarizzato
verticalmente:
E (elevation=verticale) e H (horizontal=orizzontale). E’
fondamentale rispettare la simmetria di alimentazione nel caso di
accoppiamenti di più antenne yagi, per non rischiare
alimentazione in controfase. Nella polarizzazione orizzontale
invece:
E (Elettric-plane = piano Azimutale)
H (Magnetic-plane = piano Zenitale e/o di elevazione)
3,47 m
3,29 m
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Vi sono due sistemi di accoppiamento per due o più antenne per ottenere
l’impedenza di 50 W pari all’uscita del TX/RX :
a.Con accoppiatore.
b.Con spezzoni di cavo coassiale a 75 W opportunamente tagliati.
Caso a.
Un accoppiatore coassiale è un trasformatore di impedenza per riportare
50 ohm al cavo di discesa dopo aver accoppiato due o più antenne ed è
costituito da una linea lambda/4 determinata dalla formula:
Zo = za x 50 dove za è l'impedenza determinata dal numero di antenne da
accoppiare, es.: 25 ohm per due antenne e 12.5 ohm per quattro etc.
Considerando che l'impedenza di una linea in aria (ambedue i tubi tondi) è
determinata dalla formula: Zi =138 log D/d
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
In entrambi i casi le formule da tenere presenti sono le seguenti:
Zo = za x 50
(con za = 25 W per 2 ant. accoppiate)
Zo = 35,35 W; Zi = 138 log D/d; Zo=Zi ->35,35/138 =0,256= log D/d
D/d =1,8
fissato D si ottiene d=D/1,8
d
D
0,516
La lunghezza dell’accoppiatore sarà l/4 pari e nell’aria con
fattore di velocità 1 per i 144 Mhz risulterà 0,516 m. La
progettazione termina qui.
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Caso b.
Nel caso volessimo usare dei cavi l’impedenza necessaria per il
trasformatore la otterremo combinando opportunamente cavi da
75 W. Un esempio pratico può essere il seguente: ammesso di
lavorare con centro banda a 144,255 MHz avendo a disposizione un
cavo il cui fattore di velocità sia 0,66 allora la misura di λ/4 = ( 75 :
144, 255) x 0,66 = lunghezza cavo = 0,34 m, quindi dovrete tagliare
uno spezzone di cavo la cui calza risulti di tale lunghezza, dopo aver
liberato gli estremi sia dalla guaina sia dalla calza in eccesso..
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SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Considerate la figura : dobbiamo
collegare un sistema di 4 antenne
direttive con Za = 12,5 W (potrebbero
essere 4 Yagi 50/4= 12,5) ad una
linea di alimentazione da 50 ohm:
Zo =
za x 50 = 25 W ;
ci occorre allora un'impedenza
intermedia di 25 ohm e la otterremo
con tre spezzoni, che abbiamo
preparato come descritto (1/4 onda)
di cavo da 75 W (75 / 3) = 25 W
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
12,5 ohm
massa
0,34 m =
massa
50 ohm
SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO
Per finire un “array” di 4 yagi x 11 elementi FR
montato in portatile Dall’Apulia Vhf team
(I7FFE, IK7MOI,IK7MCD, IK7HIN) nel lontano
novembre 1996 in occasione del Marconi
Memorial Contest CW Vhf sulla Murgia
barese tra i trulli. (località Monte Serio m.441
s.l.m. in JN80OT).
L’accoppiamento
Antenne-TX/RX fu realizzato con cavi a 75 W
del tipo RG216 a/u Mil M17. ROS 1: 1,1.
Alcune immagini presenti sono di proprietà esclusiva del
prof. Francesco Buffa, fonte:
http:www.ilmondodelletelecomunicazioni.it
IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE
GRAZIE DELL’ATTENZIONE
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