Antenna

Le antenne sono dispositivi in grado di irradiare o captare. Più precisamente si tratta di trasduttori in grado di trasformare un campo elettromagnetico captato in un segnale elettrico, oppure di irradiare, sotto forma di campo elettromagnetico, il segnale elettrico con il quale vengono alimentati.

In altre parole le antenne possono, se alimentate da un segnale elettrico ai loro capi, assorbirne l'energia per restituirla nello spazio circostante come onda elettromagnetica (antenna trasmittente) oppure assorbire energia da un'onda elettromagnetica che le investe e generare una tensione agli stessi capi (antenna ricevente). Per il principio di reciprocità la stessa antenna può fare entrambe le cose.

Sempre in linea di principio, qualunque oggetto conduttore si comporta da antenna, qualunque sia la frequenza dell'onda elettromagnetica che lo colpisce o del segnale con cui (eventualmente) venisse alimentato: ma in pratica l'entità del fenomeno in queste condizioni casuali è infinitesima e del tutto trascurabile. Diventa significativo quando la frequenza elettromagnetica in gioco corrisponde alla frequenza di risonanza elettromagnetica dell'oggetto e quanto più l'oggetto stesso è un buon conduttore elettrico: in questo caso le tensioni in uscita dall'antenna (o il campo elettromagnetico generato) sono utilizzabili praticamente per la ricezione e trasmissione radio.

Quindi, volendo cercare una buona antenna ci orienteremo verso un oggetto metallico; per la forma, ovviamente ci interessa che sia il più possibile semplice. La più semplice e pratica di tutte è un pezzo di filo teso orizzontalmente: il dipolo elettrico. Questa antenna è semplice anche in senso matematico e può essere studiata dal punto di vista teorico senza ricorrere alla forma completa delle equazioni di Maxwell sull'elettromagnetismo; inoltre, proprio perché tanto semplice e facile da costruire, misurare e accordare, viene usata spesso come termine di paragone per tutte le altre antenne.

Caratteristiche delle antenne

Guadagno e direttività

Il guadagno (amplificazione), l' apertura e il diagramma di radiazione di una antenna sono strettamente connessi.

Il guadagno è misurato per confronto tra l'antenna considerata e un'antenna di riferimento, generalmente un'antenna isotropa (cioè che irradia egualmente in tutte le direzioni). Spesso come riferimento si usa il dipolo perché una sorgente isotropa è un'idealizzazione e non può essere praticamente realizzata, ma ha un guadagno di 2,1 dB rispetto ad una sorgente isotropa. La maggior parte delle antenne reali irradiano più di un'antenna isotropa in alcune direzioni e meno in altre. Il guadagno è intrinsecamente direzionale; esso è solitamente misurato nella direzione in cui l'antenna ha la massima emissione. Il guadagno è adimensionale.

Esempio di diagramma di radiazione di un'antenna

L'apertura è la forma della sezione trasversale nella direzione del massimo guadagno e ha quindi due dimensioni. (talvolta l'apertura è espressa come raggio del cerchio che approssima questa sezione trasversale o l'angolo del cono).

Il diagramma di radiazione è la rappresentazione tridimensionale del guadagno, ma solitamente si preferisce più comodamente considerare i diagrammi di sezioni orizzontali e verticali. Antenne ad alto guadagno solitamente presentano dei lobi laterali. Essi rappresentano dei picchi minori del guadagno rispetto al lobo principale (il "fascio"). Questi lobi laterali limitano la qualità dell'antenna se questa è usata in sistemi in cui si deve determinare la direzione del segnale, come ad esempio nei sistemi radar. Nella figura è rappresentato un diagramma di radiazione a due dimensioni (che potrebbe rappresentare una sezione verticale o una sezione orizzontale dello spettro di emissione). In rosso è rappresentato il fascio (main lobe) e, in blu, i lobi laterali (side lobe).

Resistenza di radiazione

Di una qualsiasi antenna è possibile calcolare la potenza irradiata integrando il vettore di Poynting (densità di potenza elettrica) $S=ExH*$ su una superficie chiusa che contiene l'antenna.

La resistenza di radiazione ($R_{rad}$) è un parametro equivalente tale che, applicando ai morsetti dell'antenna una tensione sinusoidale di valore efficace V (cioè ${\frac {{V}\sin(\omega t)}{\sqrt {2}}}$), la potenza irradiata risulta:
$P_{rad}={\frac {V^{2}}{R_{rad}}}$ .
È possibile equivalentemente calcolare la potenza dissipata dall'antenna ($P_{diss}$) come la differenza tra la potenza effettivamente assorbita ai morsetti e la potenza irradiata $P_{rad}$.
Esattamente come è stato fatto precedentemente, è possibile definire una resistenza di perdita tale che:
$P_{diss}={\frac {V^{2}}{R_{diss}}}$.
Abbiamo ottenuto in questo modo un equivalente circuitale dell'antenna costituito dalla serie di due resistenze; la potenza dissipata su queste resistenze rappresenta quella trasformata nei fenomeni di irraggiamento e dissipazione. Nel caso in cui l'antenna non sia risonante nell'equivalente andrà aggiunta una reattanza di valore appropriato.

Impedenza caratteristica

L'impedenza caratteristica di un'antenna (o impedenza in ingresso all'antenna) è l'impedenza che un'antenna presenta ai suoi terminali. Ogni tipo di antenna ha la sua impedenza caratteristica che è necessario conoscere per poterla adattare alla linea di trasmissione, cioè fare in modo che l'onda che si propaga venga completamente trasmessa e non riflessa.

Il coefficiente di riflessione $\Gamma$ ci dà una misura della quantità di onda che torna verso il generatore. Per linee di trasmissione in generale questa quantità è definita nel seguente modo (assunto che il verso di propagazione dell'onda sia lungo la coordinata $z$):

$\Gamma (z)={\frac {V^{+}(z)}{V^{-}(z)}}$

dove $V^{+}(z)$ e $V^{-}(z)$ rappresentano rispettivamente l'onda di tensione progressiva e regressiva.

Se indichiamo con $Z_{A}$ l'impedenza in ingresso all'antenna e con $Z_{C}$ l'impedenza caratteristica della linea possiamo definire il coefficiente di riflessione come

$\Gamma ={\frac {Z_{A}-Z_{C}}{Z_{A}+Z_{C}}}$

Nel caso in cui l'antenna sia adattata alla linea $\Gamma$ assume valore nullo. In tutti gli altri casi si dice che l'antenna è disadattata. In particolare sono importanti i due valori limite del coefficiente di riflessione:

• $\Gamma =1$ indica un circuito aperto ($Z_{A}$ tendente all'infinito)
• $\Gamma =-1$ indica un corto circuito ($Z_{A}=0$)

In maniera del tutto analoga è possibile definire il Rapporto d'Onda Stazionaria (ROS) o, in inglese, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). Se assumiamo $z$ come verso di propagazione dell'onda in linea e indichiamo con $V(z)\in \mathbb {C}$ la tensione dell'onda al variare della coordinata spaziale, possiamo definire il ROS come

$ROS={\frac {{\begin{smallmatrix}\operatorname {max} \\z\end{smallmatrix}}\left|V(z)\right|}{{\begin{smallmatrix}\operatorname {min} \\z\end{smallmatrix}}\left|V(z)\right|}}$

Esplicitando $V(z)$ come somma dei fenomeni propagativi progressivo e regressivo, cioè $V(z)=V^{+}(z)+V^{-}(z)$ possiamo riscrivere il rapporto di cui sopra nel seguente modo:

$ROS={\frac {|V^{+}(z)|+|V^{-}(z)|}{|V^{+}(z)|-|V^{-}(z)|}}={\frac {1+|\Gamma (z)|}{1-|\Gamma (z)|}}$

Per come è definito questo parametro si può concludere che:

• $ROS\in \mathbb {R}$
• $ROS\geq 1$

Tale rapporto non è altro che il rapporto tra l'impedenza dell'antenna e quella del cavo, mettendo sempre al numeratore l'impedenza maggiore. In pratica:

$ROS={\begin{cases}{\frac {Z_{A}}{Z_{C}}}&{\mbox{se }}Z_{A}>Z_{C}\\{\frac {Z_{C}}{Z_{A}}}&{\mbox{se }}Z_{A}<Z_{C}\\\end{cases}}$

Per esempio, un dipolo aperto con impedenza pari a 72 Ohm su un cavo da 50 Ohm presenta un ROS di 72/50 = 1.44. Lo stesso ROS si ottiene collegando allo stesso cavo un'antenna che abbia un'impedenza caratteristica di 34.7 Ohm. Il ROS si misura col Rosmetro e non dovrebbe mai superare il valore di 3 per non generare sul trasmettitore tensioni dannose per la componentistica. Alcune impedenze caratteristiche:

• Dipolo aperto 72 Ohm
• Dipolo chiuso 300 Ohm
• Ground plane (120 gradi)50 Ohm
• Inverted V (60 gradi) 50 Ohm
• Marconi 1/2 onda (presa calcolata) con discesa ad 1/7 dal centro 600 Ohm

L'impedenza caratteristica di un'antenna si può agevolmente adattare al cavo mediante l'uso di appositi trasformatori di impedenza (Vedi anche balun e accordatori) che possono essere costituiti da tratti di linea risonanti con la frequenza caratteristica dell'antenna o spostando l'attacco della linea di discesa dal centro dell'antenna stessa. In fondo, anche un'antenna risonante non è altro che un trasformatore d'impedenza che adatta l'impedenza di uscita di un trasmettitore o di un ricevitore (molto spesso 50 ohm) con quella dello spazio (tipica 377 ohm)

Antenne lineari

Dipolo elettrico

È costituita da due spezzoni di cavo elettrico, la cui lunghezza è ¼ d'onda ciascuna. La lunghezza totale del dipolo è quindi di ½ onda. Nel caso dei 10 m la lunghezza teorica del dipolo è di 5 m. Date le lunghezze di questi tipi di antenna, i dipoli sono normalmente disposti orizzontalmente al terreno o a formare una V invertita con un angolo di circa 60°, in quest'ultimo caso il dipolo presenta un'impedenza di circa 50 ohm (adatta ad un tipico cavo coassiale) e una maggiore omnidirezionalità rispetto al dipolo steso in orizzontale che irradia principalmente in sole 2 direzioni.

Dipolo a ¼ d'onda o antenna Marconi (verticale)

L'antenna verticale è composta da un solo elemento, verticale, la cui lunghezza d'onda è ¼ d'onda. L'antenna verticale a differenza del dipolo ha bisogno di un piano di terra, cioè di un "piano" riflettente, in modo da risultare per il trasmettitore o per il ricevitore come un elemento doppio. La sua impedenza caratteristica varia da 37 ohm per i piani di terra a 90 gradi rispetto all'elemento radiante a 72 ohm se l'angolo fosse 180 gradi. Normalmente si inclinano i piani di terra di circa 120 gradi rispetto all'elemento radiante per avere un'impedenza caratteristica di 50 ohm, adatta per connettere l'antenna ai cavi coassiali normalmente in uso.

Spira elettrica (dipolo magnetico)

Le antenne cosidette LOOP MAGNETICO sono costituite da un cerchio con una apertura (in genere nella parte alta) nella quale è inserito un condensatore variabile il quale provvede a sintonizzare l'antenna alla frequenza di utilizzo. Per comodità di comprensione potremmo paragonare la loop magnetica ad un dipolo ripiegato in cerchio ove le due estremità anziché finire libere in aria finiscono ai capi del condensatore variabile. Queste antenne sono caratterizzate da un basso rumore e da una marcata direttività che si esprime nella direzione del cerchio e non perpendicolare ad esso, come invece avviene nel dipolo. In pratica si tratta di un circuito risonante a induttanza (il cerchio) e capacità (il condensatore) particolarmente curato per presentare il più elevato fattore di merito possibile. Questo fa si che il rendimento di tale antenna sia prossimo a quello del dipolo ma mantenendo dimensioni oltremodo ridotte. Si pensi ad un dipolo che risuoni sugli 80 metri di lunghezza d'onda il quale è lungo circa 40 metri (metà onda) ebbene ha circa lo stesso guadagno di una loop magnetica di soli 3 o 4 metri di diametro. Particolare da rilevare è che ai capi del condensatore variabile, a causa dell'elevato fattore di merito, si generano tensioni elevatissime sull'ordine di migliaia di volt. Per tale motivo in genere vengono usati condensatori sotto vuoto i quali meglio sopportano elevate tensioni senza generare scariche elettriche tra le lamine dovute appunto alla ionizzazione dell'aria interposta tra le stesse. Essendo sotto vuoto non avvengono quelle dannose scintille tra le lamine del condensatore. Ovviamente tale condensatore deve essere motorizzato con meccanismi a moto ridotto e comandabili a distanza per poter di volta in volta far risuonare l'antenna alla frequenza di utilizzo.

Antenne ad Elica

L’antenna ad elica, realizzata per la prima volta dal fisico americano Kraus nel 1946, presenta una struttura geometrica realizzata da un filo conduttore avvolto su una superficie cilindrica di materiale isolante o semplicemente avvolta in aria. L’Antenna a elica monofilare viene caratterizzata a seconda dei suoi parametri geometrici che ne determinano anche il suo funzionamento. La conoscenza dei parametri geometrici risulta quindi fondamentale per il progetto e la realizzazione dell’antenna desiderata. In sostanza le eliche monofilari si differenziano per il modo di radiazione, dove per modo di radiazione si intende la forma del pattern relativo al campo lontano irradiato. I principali modi di funzionamento sono quello normale e quello assiale. Il modo normale è caratterizzato dall’avere il massimo di radiazione in direzione normale all’asse dell’elica, mentre quello assiale lungo l’asse. I funzionamenti NMHA (normal mode helix antenna) e AMHA (axial mode helix antenna) sono strettamente legati alla struttura geometrica dell’elica e alla lunghezza complessiva del conduttore avvolto. L’elica è infatti in grado di irradiare in modo normale quando risulta rispettata la condizione D<<λ , che di solito implica anche L<<λ, ovvero quando la lunghezza di una spira è corta rispetto alla lunghezza d’onda. Il funzionamento in modo normale permette un pattern di radiazione sostanzialmete isotropico, in quello assiale invece si ha un'alta direttività in direzione assiale dell'antenna con alti valori di guadagno. Un'importante vantaggio delle antenne ad elica è dovuto al fatto che è possibile con essa raggiungere condizioni di risonanza, utili per un buon adattamento, con dimensioni d’antenna assai ridotte di λ/2, che costituisce la minima dimensione per un’antenna filiforme di tipo risonante. Infatti l’energia di tipo capacitivo che caratterizza le antenne filiformi corte può venire compensata dall’energia di tipo induttivo legata alla presenza delle spire. Purtroppo questo vantaggio è mitigato dalla limitata larghezza di banda di frequenze a cui la risonanza si verifica.

Antenne ad array

Un array di antenne è, per definizione, un insieme di antenne tutte identiche, disposte linearmente (su una linea) o planarmente (su un piano), equi-orientate, alimentate in generale con ampiezza e fase distinte per ogni elemento dell'array. Il vantaggio di usare una schiera (array, appunto) di antenne sta nella possibilità di ottenere un diagramma di radiazione configurabile quasi a piacere, variando le ampiezze e le fasi delle singole antenne componenti. Inoltre è possibile progettare array per ottenere lobi principali e loro nulli in posizioni desiderate. Esistono anche array programmabili, in grado cioè di modificare il loro diagramma di radiazione modificando l'alimentazione degli elementi che lo compongono. Il loro uso è particolarmente diffuso nelle applicazioni spaziali dove spostare fisicamente un'antenna o un array di antenne è un azione spesso impraticabile. Non è detto, in linea di principio, che ogni antenna dell'array debba essere alimentata: le antenne Yagi (per esempio quelle della televisione analogica UHF, presenti su ogni tetto d'europa) sono un caso particolare di antenna ad array, in cui viene alimentata una sola antenna dell'array e le altre sono tutte cortocircuitate.

Antenne ad apertura

Si tratta di antenne nelle quali l'irradiazione del campo elettromagnetico è realizzata mediante una apertura praticata in una struttura chiusa. Sono antenne ad apertura le antenne a tromba, ma anche una semplice guida d'onda metallica troncata può essere considerata tale (Cantenna), e le antenne a fessure. Osservando l'andamento dell'area efficace di un'antenna ad apertura, si nota come essa sia strettamente legata alla sua area geometrica, mentre il guadagno di queste antenne cresce con il quadrato della frequenza, a differenza di quanto accade per le antenne filiformi, rendendo questo tipo di antenne adatte per ottenere elevate direttività.

Origine del termine "antenna"

La parola "antenna" che oggi usiamo così comunemente proviene 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".

Voci correlate

• Radio
• Antenne radiotelevisive centralizzate
• Antenna a dipolo
• Antenna parabolica
• Yagi
• Balun
• Accordatore d'antenna

Collegamenti esterni

• Fisica delle onde radio e dei trasduttori radio-elettrici
• EMC e Propagazione Onde Elettromagnetiche Le trasmissioni a Radiofrequenza: Relazioni intercorrenti tra la potenza irradiata e l'intensità del campo elettromagnetico (EMC) risultante.
• Reciprocità delle Antenne Approfondimenti sul principio della reciprocità delle antenne con esempi wi-fi.