T12 ONDE ELETTROMAGNETICHE E ANTENNE

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1 T12 ONDE ELETTROMAGNETICHE E ANTENNE T Indicare se le seguenti affermazioni relative alle onde elettromagnetiche sono vere o false: a) Ogni onda e. m. è costituita da un campo elettrico ed un campo magnetico, entrambi oscillanti con la medesima frequenza.... b) Le onde e. m. sono onde longitudinali che, in un mezzo omogeneo, si propagano in linea retta.... c) Le onde e. m. si propagano anche nel vuoto. d) La velocità di propagazione delle onde e. m. è indipendente dalla frequenza.... e) Le onde e. m. subiscono gli stessi fenomeni delle onde luminose: riflessione, rifrazione, diffrazione, diffusione.

2 f) Un onda e. m. si dice polarizzata verticalmente se il vettore del campo elettrico è in ogni punto contenuto in un piano verticale.... T12.2 Valutare la densità di potenza del campo e. m. in due punti A e B dello spazio libero distanti rispettivamente r A = 1 km, r B = 2 km da una sorgente che emette una potenza P t = 12,56 W, irradiandola uniformemente in tutte le direzioni (sorgente isotropa). T Nello spazio libero, come varia l intensità del campo elettrico di un onda e.m. al variare della distanza da una sorgente isotropa? [a] Rimane costante [b] Si riduce proporzionalmente alla distanza [c] Si riduce proporzionalmente al quadrato della distanza T12.4 Quanto vale l induzione magnetica B o di un onda e.m. in un punto dello spazio libero in cui l intensità del campo elettrico vale E o = 15 mv/m? T12.5 Un onda e. m. propagandosi in un mezzo avente indice di rifrazione n = 1,2 passa in un mezzo avente indice di rifrazione n = 1,3 con un angolo di incidenza ϕ = 85. Stabilire se si ha: [a] Riflessione e rifrazione.. [b] Riflessione totale T12.6 Indicare quali vie di propagazione: superficiale (s), ionosferica (i), troposferica (t), sono prevalentemente interessate, nei radiocollegamenti terrestri, dalle seguenti gamme d onda: a) LF [s] [i] [t]

3 b) MF [s] [i] [t] c) HF [s] [i] [t] d) UHF [s] [i] [t] T12.7 In un collegamento radio ad onde ultracorte, l altezza dell antenna trasmittente e di quella ricevente è di 36 m. Valutare la massima distanza possibile fra le due antenne. Come si modifica tale distanza se si raddoppia l altezza delle antenne? T12.8 Quali delle seguenti gamme di frequenza delle onde radio sono utilizzabili per collegamenti tramite satelliti artificiali? [a] LF [b] MF.. [c] SHF.. [d] EHF... T12.9 Indicare le principali cause di fading nei radiocollegamenti terrestri, in relazione alle seguenti gamme di lunghezze d onda: a) Onde medie b) Onde corte. c) Onde ultracorte.. T12.10 Valutare l ordine di grandezza della dimensione di un antenna a filo, per un segnale di frequenza: a) 10 khz.. b) 15 MHz. c) 300 MHz... T12.11 Stabilire se le seguenti affermazioni relative alle antenne sono Vere o False:

4 a) Il diagramma di radiazione di un antenna rappresenta la potenza irradiata dall antenna nelle varie direzioni di un determinato piano. b) Il solido di radiazione di un antenna isotropa ha forma sferica.. c) L angolo di apertura (o larghezza del fascio) di un antenna, in un determinato piano, si può rilevare dal diagramma di radiazione dell antenna nel piano considerato.. d) Per la radiodiffusione (broadcasting) è necessario impiegare un antenna trasmittente isotropica. e) Il rapporto avanti / dietro (FBR, front-to-back ratio) di un antenna omnidirezionale nel piano orizzontale è pari a 1 db.. f) La larghezza di banda di un antenna è definita dall intervallo di frequenze entro cui la potenza irradiata (o captata) non scende sotto 3 db, rispetto al valore massimo.

5 g) Le antenne a riflettore parabolico sono normalmente impiegate per i ponti radio terrestri o per collegamenti via satellite... T Valutare l altezza efficace di un dipolo (marconiano o hertziano) accordato sulla frequenza di 60 MHz. T12.13 Un dipolo hertziano ideale, posto verticalmente nello spazio libero, equivale ad un antenna isotropa? [SI] [NO]... T12.14 Quanto vale teoricamente l impedenza d ingresso di un dipolo ripiegato (folded dipole)? [a] 73 Ω [b] 36,5 Ω. [c] 292 Ω T12.15 Un antenna televisiva di tipo Yagi è dimensionata per ricevere in una banda di frequenza centrata su 300 MHz. Quali possono essere le lunghezze l a, l r, l d, rispettivamente del dipolo attivo, del riflettore e dei direttori? [a] l a =50 cm; l r =52,5 cm; l d =47,5 cm [b] l a =50 cm; l r =47,5 cm; l d =52,5 cm.. [c] l a =47,5 cm; l r =49,9 cm; l d =45,1 cm.. T12.16 Quale valore teorico assume la resistenza d ingresso di un antenna ground plane, nel caso in cui l inclinazione dei conduttori radiali sia di 90? [a] 365 Ω... [b] 73 Ω...

6 [c] 292 Ω.. T12.17 Un trasmettitore da 5 W impiega un antenna direttiva con guadagno di 30 db. Quale dovrebbe essere la potenza P T0 del trasmettitore equivalente (cioè che produce la stessa intensità di campo in un determinato punto nella direzione di massima radiazione) dotato di antenna isotropa?... Risposte: T a) I due campi sono inscindibili, perché concorrono entrambi a formare una singola entità, rappresentata dal campo e. m. b) Le onde e. m. non sono longitudinali, ma trasversali, in quanto i vettori E e H giacciono su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione. c) La propagazione delle onde e. m. può avvenire anche nel vuoto assoluto, al contrario delle onde meccaniche, come le onde acustiche, per le quali la propagazione è possibile soltanto in presenza di un mezzo elastico. d) Soltanto nel vuoto la velocità di propagazione delle onde e. m. è costante per tutte le frequenze. Nei mezzi materiali, invece, il valore dell indice di rifrazione (e quindi quello della velocità di propagazione) può essere funzione della frequenza. e) Ai fenomeni citati va aggiunto quello dell interferenza, che può verificarsi quando nella propagazione si sovrappongono due o più onde. f) La definizione fa riferimento al campo elettrico, più facilmente misurabile di quello magnetico (quest ultimo, per un onda polarizzata verticalmente, giace costantemente in un piano orizzontale). T12.2 Nel punto A la potenza emessa si trova distribuita sulla superficie di una sfera di raggio r A = 1 km, per cui si ha: S A = P t / 4πr A 2 = 12,56 / (4π 10 6 )= 1 µw / m 2 Passando al punto B, la distanza dalla sorgente raddoppia e quindi la densità di potenza si riduce ad un quarto:

7 S B = S A / 4 = 0,25 µw / m 2 T [b] Il prodotto EH (densità di potenza) è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente, mentre il rapporto E / H (impedenza caratteristica) è costante. Ciò significa che le intensità di E e di H variano nella stessa proporzione, in ragione inversa della distanza. T Dalle (21.6) e (21.1) si deduce: Pertanto si ha: E H = µ ε = cµ B µ H E / c / = B = 1, / = Wb / m 2 ovvero, in picotesla ( 1T = 1 Wb / m 2 ): B = 50 pt T [a] Essendo n 2 > n 1 non può aversi riflessione totale, qualunque sia l angolo di incidenza. T a) [s] [i] Le perdite al suolo sono basse, per cui l onda superficiale può coprire distanze notevoli. La propagazione ionosferica avviene per riflessioni multiple negli strati più bassi della ionosfera. b) [s] [i] Di giorno prevale la propagazione superficiale (ma per distanze minori, rispetto alle onde lunghe); di notte è più sensibile la propagazione ionosferica. c) [i] L onda spaziale può raggiungere distanze notevoli, essendo interessati gli strati più alti della ionosfera. d) [t] La propagazione è simile a quella delle onde luminose e avviene nella parte bassa dell atmosfera (troposfera), per onda diretta o riflessa dal suolo. T Dalla (21.20) si ha all incirca: d = 4,12 2 h 50 km Raddoppiando l altezza delle antenne si ha un aumento di circa il 40 % della loro distanza massima ( 2h 1, 4 h ). T12.8 [c] [d] Le onde ultracorte possono bucare la ionosfera, perché il loro indice di rifrazione equivalente ha valore prossimo all unità.

8 T a) Prevale il fading per cammini multipli (multipath fading). b) La causa prevalente di fading è legata alle variazioni casuali che interessano gli strati della ionosfera. c) Oltre al fading per interferenza fra onda diretta e onda riflessa dal suolo, nel campo delle microonde sono possibili fading a lungo periodo, legati alle variazioni delle condizioni climatiche. T12.10 Le dimensioni delle antenne dipolari sono confrontabili con le lunghezze d onda dei segnali irradiati o captati. Esprimendo le frequenze in MHz ed ignorando il fattore di velocità, si ha dalla (22.16): a) l 300 / 10-2 = m b) l 300 / 15 = 20 m c) l 300 / 300 = 1m T a) Il diagramma di radiazione non è riferito alla potenza irradiata, ma all ampiezza del vettore E (campo elettrico) dell onda e. m. nelle varie direzioni del piano considerato. b) Si tratta di un antenna ideale, corrispondente ad una sorgente puntiforme posta nello spazio libero. Le superfici a campo costante sono sfere con centro in corrispondenza dell antenna. c) Nel diagramma polare costituente il diagramma di radiazione, basta individuare le due direzioni in cui il modulo (intensità del campo elettrico) è pari al 70 % circa di quello relativo alla direzione di massima irradiazione. L attenuazione corrispondente è di 3 db. d) Nei sistemi di telecomunicazione circolari, l omnidirezionalità dell antenna è necessaria solo sul piano orizzontale, per poter raggiungere tutti gli utenti presenti nell area di copertura del trasmettitore. e) Espresso in db, l FBR di un antenna omnidirezionale è nullo (perché log 1 = 0). f) In pratica si impiegano, sia antenne a larga banda, in grado di irradiare o captare un ampia gamma di frequenze, sia antenne a banda stretta che viceversa devono operare solo in prossimità della frequenza di risonanza. g) Con le antenne di tipo superficiale è agevole ottenere buone caratteristiche di guadagno e direzionalità. T Assumendo un coefficiente di velocità K = 0,95 si ha una lunghezza d onda: e quindi un altezza efficace [v. (22.19)]: λ[m] = 300 K / f[mhz] = 47,5 m

9 l e = λ / π = 1,5 m T12.13 [NO] Il dipolo verticale è omnidirezionale solo nel piano orizzontale (diagramma di radiazione circolare, con centro sull asse del dipolo). In un piano verticale passante per il dipolo, il diagramma di radiazione ha invece un diagramma di radiazione ad otto, con massima irradiazione in direzione perpendicolare all asse del dipolo. L angolo di apertura dei due lobi del diagramma è di circa 78. T12.14 [c] Il dipolo ripiegato equivale a due dipoli in parallelo, fra i quali si ripartisce equamente la corrente di segnale. Nel dipolo in parallelo in cui si ha la presa di alimentazione, si ha quindi una corrente dimezzata, rispetto a quella che, a parità di potenza, si avrebbe in un dipolo semplice. Dalla relazione R = P / I 2 si ricava pertanto una resistenza di radiazione quadrupla rispetto a quella di un semplice dipolo hertziano, e cioè: 4 x 73 = 292 Ω T [c] La risposta [a] è inesatta, perché non tiene conto del fattore di velocità. La risposta [b] è del tutto sbagliata, perché assegna al direttore una lunghezza inferiore a quella dei riflettori. T [b] Se i conduttori radiali, aventi lunghezza λ / 4, vengono disposti parallelamente al palo di sostegno (quindi con inclinazione di 90 rispetto al piano ortogonale alla direzione del dipolo marconiano), si viene a formare un dipolo hertziano (λ/4 + λ/4 = λ/2), avente resistenza di radiazione pari a 73 Ω. T Poiché 30 db corrispondono ad un rapporto di potenze pari a 10 3, si ha: 3 PT 0 = GPT = 5 10 W = 5 kw Nella letteratura tecnica il prodotto GP T è normalmente riferito come EIRP, Equivalent Isotropically Radiated Power.