ANTENNE. Funzionamento, parametri, applicazioni, misure. (B. Preite) mercoledì 8 febbraio Corso di Compatibilità Elettromagnetica

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1 ANTENNE Funzionamento, parametri, applicazioni, misure (B. Preite) 1

2 Indice degli argomenti Definizioni Genesi di un antenna Proprietà generali Dipolo marconiano Dipolo hertziano Parametri delle antenne Caratteristiche direzionali Misurare il diagramma di radiazione Antenna log-periodica Antenna a riflettore parabolico

3 Definizioni Antenna trasmittente: Dispositivo che irradia onde EM nello spazio se viene alimentato in adattamento da un generatore RF Antenna ricevente: Dispositivo che riceve onde EM chiuso su un carico, in adattamento, su cui manifesta una tensione RF 3

4 Definizioni Come si vedrà, le antenne sono dispositivi duali nel loro comportamento. Quindi: ANTENNA RICEVENTE ANTENNA TRASMITTENTE 4

5 Genesi di un antenna Come noto in questa situazione sono in regime stazionario e il generatore non eroga potenza attiva Ma se apro a 180 i conduttori della linea ecco che il generatore RF inizia a erogare potenza e il dispositivo appena creato irradia onde EM: è un antenna! 5

6 Genesi di un antenna Quindi sono passato da una linea in REGIME STAZIONARIO ad una struttura radiante in REGIME PROGRESSIVO Le onde EM prodotte si irradiano in tutto il dielettrico circostante, ovvero in tutto lo spazio ma si vedrà che un antenna può avere una direzione PRIVILEGIATA 6

7 Proprietà generali Le antenne sono circuiti risonanti a costanti distribuite Si comportano da circuiti risonanti serie, ma ammettono più frequenze di risonanza ma, diversamente dai normali circuiti risonanti, esse irradiano! 7

8 Proprietà generali Per le antenne vale il PRINCIPIO DI RECIPROCITA, che sostanzialmente sancisce la dualità delle strutture radianti ANTENNA RICEVENTE ANTENNA TRASMITTENTE 8

9 Proprietà generali Per le antenne vale il PRINCIPIO DELLE IMMAGINI ELETTRICHE La distribuzione di tensione e corrente lungo il conduttore che costituisce l antenna non cambia se si sopprime il conduttore inferiore e si collega al suolo (supposto conduttore perfetto) il corrispondente morsetto del generatore RF 9

10 Dipolo marconiano L impedenza della linea aperta è puramente immaginaria ed è funzione della distanza dalla cima dell antenna secondo la relazione Z( d) jr 0 Per dh l impedenza deve essere nulla, ovvero π per n dispari h π n λ Quindi dovrà essere λ h n 4 cot( π d ) λ 10

11 Dipolo marconiano Ora noto che esiste una relazione tra lunghezza d onda e frequenza c λ f Dovrà essere per il dipolo marconiano f 0 Il dipolo si comporta da circuito RISONANTE, ma è un circuito RISONANTE APERTO c 4h 11

12 Dipolo marconiano circuito risonante aperto vuol dire: La corrente non è costante in tutti i punti dell antenna, ma varia da punto a punto La condizione di risonanza non è unica, ma si hanno infinite frequenze di risonanza Ma soprattutto, il campo EM non è confinato nel circuito ma si irradia nello spazio circostante e quindi 1

13 Dipolo marconiano il generatore che alimenta il dipolo dovrà fornire potenza per compensare quella irradiata. Il nodo di tensione non è nullo ma è un minimo diverso da zero con una Z di tipo resistivo e non nulla; questa è la RESISTENZA DI RADIAZIONE: R r P I T v Dove P T è la potenza irradiata e I v è la corrente efficace nel ventre di corrente. Per il dipolo marconiano si ha R r( λ ) 4 36, 5Ω 13

14 Dipolo hertziano È lungo il doppio del marconiano a parità di frequenza di accordo La sua resistenza di radiazione è A parità di I v irradia più potenza R r( λ ) 73Ω Ammette polarizzazioni verticali ed orizzontali 14

15 Parametri delle antenne Le antenne sono costituite da materiale conduttore, quindi, sottoposte ad una circolazione di corrente, saranno sede di perdite di potenza nel materiale stesso Se si indica con P T la potenza irradiata e con P A quella fornita dal generatore si può scrivere P T Rr Iv e PA ( Rr + RP ) Iv Dove R P rappresenta le perdite nel materiale e, per definizione di rendimento, ho il RENDIMENTO D ANTENNA PT 1 ηa P R A P 1+ R r 15

16 Parametri delle antenne r 1 P π 60 T EM R0G e EM r GP T Poniamoci a distanza r da un antenna nella direzione di massima radiazione. Ora se misuro il valore del campo E M e conosco la potenza irradiata P T si possono scrivere le seguenti relazioni Dove R 0 377Ω e G è il GUADAGNO D ANTENNA 16

17 Parametri delle antenne Si consideri lo schema indicato, esso rappresenta l irraggiamento (su un piano) della ANTENNA IDEALE ISOTROPA ovvero quell antenna teorica che irradia equamente in tutte le direzioni dello spazio. Tale antenna non ha una direzione privilegiata, quindi per essa la densità di potenza irradiata (modulo del vettore di Poynting sarà: Pi S( r) [ W ] 4πr m 17

18 Parametri delle antenne Si consideri ora la seguente configurazione Il guadagno della nostra antenna reale può essere definito come PT P 0 G G è quindi il rapporto tra la potenza P T0 che dovrebbe irradiare l antenna isotropa e la potenza P T della nostra antenna perché la prima produca a distanza r lo stessa campo E M che produce, sempre a distanza r, la seconda. T 18

19 Parametri delle antenne Il guadagno d antenna è, quindi, una proprietà geometrica Un antenna che ha G>1 non vuol dire che amplifica, ma vuol dire che ha una direzione privilegiata in cui concentra la maggior parte dell energia irradiata Ovviamente G sarà una funzione delle coordinate spaziali e si intuisce il fatto che per ogni antenna esiste un DIAGRAMMA DI RADIAZIONE 19

20 Parametri delle antenne Potenza Effettivamente Irradiata P ei GP Resistenza di Radiazione Efficace R T re Gη P R G che per i dipoli elementari (marconiano e hertziano) vale pertanto si ha G G λ 4 λ R re R R R R re λ r ( ) 4 re λ r( ) r A A R0 10Ω π 10 3,3 36, ,65 0

21 Parametri delle antenne Si consideri un antenna orientata nella direzione di massima ricezione; siano S la densità di potenza incidente e P U la potenza ricevuta. Si definisce AREA EQUIVALENTE D ANTENNA λ G 4π [ m Essa è la superficie effettiva di captazione dell antenna. A e P S U ] 1

22 Parametri delle antenne È evidente che essendo l area equivalente calcolabile come A e P S U λ G 4π [ m antenne che operano a frequenze elevate presenteranno valori di A e piccoli; Per elevare il valore di A e sarà necessario elevare il guadagno rendendo queste antenne estremamente direttive ]

23 Caratteristiche direzionali Il comportamento direzionale di un antenna è rappresentabile mediante SOLIDI DI RADIAZIONE, ottenuti riportando su un diagramma 3D dei segmenti di lunghezza proporzionale a S o a P T Si preferiscono, però, dei diagrammi bidimensionali (DIAGRAMMI DI RADIAZIONE) ottenuti sezionando i solidi di radiazione con un piano coincidente con la giacitura dell elemento radiante 3

24 Caratteristiche direzionali Ecco alcuni esempi di diagrammi di radiazione MAX RADIAZIONE LOBO PRINCIPALE LOBI SECONDARI Dipolo hertziano Antenna direttiva 4

25 Caratteristiche direzionali Nelle antenne direttive si evidenzia un LOBO PRINCIPALE e dei LOBI SECONDARI Lungo la direzione del lobo principale si ha la DIREZIONE DI MASSIMA RADIAZIONE L intensità del lobo principale può essere rilevata con il MISURATORE DI CAMPO La DIRETTIVITA di un antenna definisce la direzione in cui l antenna concentra l energia EM irradiata, quindi corrisponde alla zona di massimo guadagno Elevata direttività vuol dire un lobo principale molto stretto nel diagramma di radiazione 5

26 Misurare il diagramma di radiazione P T r θ Antenna sotto misura montata su supporto rotante Ruoto l antenna con passo angolare costante e leggo i relativi valori di S(θ) Field Meter Antenna di misura collegata al misuratore di campo 6

27 Misurare il diagramma di radiazione poiché è noto che un antenna isotropa, posta alla stessa distanza r e alimentata dalla stessa P T, produrrebbe sempre un valore di densità costante ed esprimibile come S ISO G( θ ) P T 4πr S( θ ) allora avrò che e posso tabulare il guadagno in funzione dell angolo S ISO quindi disegno il relativo diagramma di radiazione. 7

28 Misurare il diagramma di radiazione α r 60 si può leggere il Rapporto Avanti Indietro come FBR db G db(anteriore) G db(posteriore) il diagramma ha una scala angolare in gradi le aree circolari sono graduate in db (in genere il passo è di 3dB) è possibile anche una graduazione in %G MAX si può determinare il valore dell Angolo di Radiazione (α r ) come distanza angolare tra le due direzioni dove GG MAX -3dB; si definisce così la direttività 8

29 Antenna log-periodica L 1 L L 3 struttura multi-dipolo per realizzare un antenna a larga banda alimentazione ϕ il rapporto tra le lunghezze dei dipoli e tra le distanze di separazione è costante L τ L D 1 D D 3 D τ D 1 1 L3 L D D 3... con... D 1 λ L1 4 L tan( ϕ) 1 dove l angolo ϕ è detto angolo di diffusione 9

30 Antenna log-periodica Ogni direttore funge da dipolo per una determinata frequenza e da direttore per le altre Per una certa frequenza un elemento è dipolo; quelli più lunghi sono riflettori; quelli più corti sono direttori Si riesce a coprire tutta la UHF con un guadagno tra 11 e 1dB Con gli elementi collegati in modo incrociato si ha un FBR costante e uniforme intorno ai 5dB o più Anche la R r è costante È tipicamente un antenna di misura 30

31 Antenne a riflettore parabolico Sono costituite da un disco, detto riflettore, che è una sezione di paraboloide di diametro D Nel fuoco F del paraboloide è posta l antenna detta illuminatore vediamola più in dettaglio 31

32 Antenne a riflettore parabolico per le proprietà della parabola si ha FA + AA FB + BB pertanto tale antenna ha la capacità di trasformare un emissione sferica in un emissione piana nonché di concentrare il segnale ricevuto nell illuminatore 3

33 Antenne a riflettore parabolico sono usate nei ponti radio terrestri e satellitari generano onde piane; concentrano l energia ricevuta nel fuoco il fascio emesso non è mai perfettamente piano, pertanto si definisce un apertura del fascio irradiato come o λ D α 70 essendo D il diametro del paraboloide 33

34 Antenne a riflettore parabolico In ricezione πd PR Ae S dove Ae η Ag con Ag 4 Essendo A e l area equivalente, A g l area geometrica del paraboloide e η l efficienza dell antenna parabolica (50% - 85%) Di conseguenza G 4π A λ e 4π πd η λ 4 G πd η λ 34

35 Antenne a riflettore parabolico L antenna a riflettore parabolico è quindi un elemento radiante fortemente direttivo con un guadagno che raggiunge 40 45dB per diametri tra m e 4m In funzione della distanza focale può soffrire il fenomeno dello spill-over, fenomeno riducibile con un colletto laterale in rame (RADOME) 35