19 - Antenne - Parte Seconda
📘 Lezione 19 - Antenne (Parte Seconda)
Sezione intitolata “📘 Lezione 19 - Antenne (Parte Seconda)”📌 Panoramica
Sezione intitolata “📌 Panoramica”- Materia: Antenne direttive, Efficienza di radiazione, Balun, Misure sulle antenne
- Tempo di studio stimato: 90–110 minuti
- Prerequisiti: Concetti base sulle antenne (Lezione precedente), propagazione elettromagnetica
- Obiettivi di apprendimento:
- Comprendere i principi delle antenne direttive (Yagi, Array, Parabole) e calcolare l’ERP
- Valutare l’efficienza di radiazione, la resistenza di radiazione e le perdite (effetto pelle, perdite nel terreno)
- Imparare il ruolo essenziale del Balun / RF Choke
- Interpretare correttamente le misure strumentali (Analizzatori e VNA) tenendo conto delle linee di alimentazione
- Distinguere le esigenze di un sistema d’antenna tra trasmissione e ricezione
📖 Contenuti Teorici
Sezione intitolata “📖 Contenuti Teorici”1. 📡 Antenne Direttive (Guadagno ed ERP)
Sezione intitolata “1. 📡 Antenne Direttive (Guadagno ed ERP)”La modifica del lobo di radiazione di un’antenna non è solo un effetto indesiderato dovuto all’ambiente, ma può essere sfruttato per concentrare l’energia irradiata in una determinata direzione. Questo aumenta le probabilità di collegamento verso il nostro corrispondente.
Il Guadagno di un’antenna: Si definisce guadagno il rapporto tra l’intensità del campo emesso nella direzione del lobo principale e quella di un’antenna di riferimento (radiatore isotropico o dipolo ideale).
- Viene espresso in dBi (riferito al radiatore isotropico puntiforme)
- Può essere espresso in dBd (riferito al dipolo ideale)
Nota: la differenza tra i due valori è pari a 2,1 dB (0 dBd = 2,1 dBi).
Metodi per ottenere la direttività:
- Specchio parabolico: Una superficie riflettente pone l’elemento radiante nel suo fuoco, concentrando l’energia in un fascio parallelo all’asse.
- Antenna Yagi-Uda: Utilizza elementi “parassiti” passivi accoppiati per mutua induzione. Regolando le distanze e le lunghezze si sfasano le correnti per sommare i campi in una precisa direzione.
- Array / Collineari: Più elementi attivi alimentati con la giusta fase per sommare i fasci emessi. Un esempio sono le antenne Log-Periodiche.
🔹 ERP (Effective Radiated Power)
Sezione intitolata “🔹 ERP (Effective Radiated Power)”L’ERP indica la potenza che andrebbe applicata a un radiatore isotropico ideale per ottenere lo stesso campo generato dalla nostra antenna direttiva: $$ERP(W) = P_{tx}(W) \times Guadagno$$ (Se il guadagno è in dB, il moltiplicatore è $10^{\frac{G(dB)}{10}}$)
💡 Esempio Pratico: Immagina di trasmettere con 100W e di avere perdite nulle nel cavo. Usi un’antenna direttiva con guadagno di 3 dBd (che significa che raddoppia la potenza utile nella direzione puntata). L’ERP irradiata in quella direzione sarà pari a 200W! Per il tuo corrispondente, sarà come se tu usassi un’antenna a dipolo standard ma con un amplificatore da 200W.
2. ⚡ Efficienza di Radiazione e Perdite
Sezione intitolata “2. ⚡ Efficienza di Radiazione e Perdite”Affinché le cariche elettriche circolino correttamente, è necessario un “percorso di ritorno”. Nelle antenne sbilanciate serve un contrappeso, ma anche in quelle bilanciate (come il dipolo) accoppiamenti parassiti possono far fluire la RF sulla calza del cavo coassiale (correnti di modo comune).
Cos’è l’efficienza di radiazione? Nessuna antenna reale irradia il 100% della potenza fornita. L’efficienza $\eta_r$ è il rapporto percentuale tra la potenza effettivamente irradiata ($P_{ir}$) e quella fornita al punto di alimentazione ($P_{Tx}$).
$$ \eta_r = \frac{R_{rad}}{R_{rad} + R_{loss}} $$
Dove:
- $R_{rad}$ (Resistenza di radiazione): la componente utile, rappresenta la potenza irradiata.
- $R_{loss}$ (Resistenza di perdita): la somma delle perdite ohmiche e nel terreno.
Le cause principali di $R_{loss}$ includono:
- Effetto pelle (Skin effect): Aumentando la frequenza, la corrente RF scorre solo sulla superficie esterna del conduttore, riducendo la sezione utile e aumentando la resistenza elettrica ($R_c$). Filari sottili sono più colpiti rispetto ai tubi in alluminio.
- Perdite nel terreno ($R_g$): Antenne posizionate basse (sotto $\lambda/4$) inducono correnti in un terreno dissipativo. Le verticali necessitano sempre di molti radiali per limitare questa perdita.
3. 🔌 L’Uso del Balun
Sezione intitolata “3. 🔌 L’Uso del Balun”Per interfacciare un’antenna bilanciata e una linea sbilanciata (cavo coassiale), si usa il BALUN (Balanced to Unbalanced).
Un Balun svolge spesso tre funzioni chiave (specialmente il Balun di Corrente o Guanella Choke):
- Adattare l’equilibrio: Bilanciato verso sbilanciato.
- Adattamento di impedenza: Trasformare l’impedenza dell’antenna verso quella del cavo (es. 4:1, 9:1).
- Blocco RF (Choke): Impedire alle correnti RF di viaggiare sulla guaina esterna del cavo coassiale.
⚠️ Conseguenze Pratiche (RFI): Se la RF scende lungo la calza del cavo ed entra in stazione, potreste avere microfoni che “scottano”, computer che si bloccano o si riavviano da soli mentre trasmettete. Inoltre, in ricezione, il cavo capterà il rumore elettrico casalingo abbassando il vostro rapporto segnale/rumore. Un buon choke risolve molti di questi problemi!
4. 🎛️ SWR e Misure sulle Antenne
Sezione intitolata “4. 🎛️ SWR e Misure sulle Antenne”SWR non è sinonimo di efficienza! Come disse John Devoldere (ON4UN): “L’antenna con il miglior SWR è un buon carico fittizio”. Un basso ROS assicura solo il corretto trasferimento di potenza alla linea senza onde riflesse al generatore, ma se tale potenza viene dissipata in calore (alte perdite $R_{loss}$ e bassa $R_{rad}$), l’antenna non irradierà quasi nulla.
🔹 Misurazione con Analizzatori d’Antenna e VNA
Sezione intitolata “🔹 Misurazione con Analizzatori d’Antenna e VNA”Quando misuriamo l’impedenza dal fondo di un cavo coassiale, la lunghezza della linea trasforma l’impedenza. Se l’antenna non presenta esattamente 50 $\Omega$ puri e la linea non è un esatto multiplo di $\lambda/2$, lo strumento (analizzatore o VNA) misurerà valori diversi dall’impedenza reale ai morsetti dell’antenna, introducendo reattanze fittizie.
📏 Consiglio Pratico: Per avere la certezza assoluta delle letture, le misure vanno fatte direttamente ai morsetti dell’antenna (senza cavo), oppure si deve usare una linea di misurazione tagliata esattamente a mezz’onda (o multipli) della frequenza di interesse. Gli strumenti moderni (VNA) permettono inoltre di sottrarre matematicamente il cavo (funzione OSL o Port Extension).
5. 📉 Ottimizzazione TX vs RX
Sezione intitolata “5. 📉 Ottimizzazione TX vs RX”Spesso si crede che un’antenna ottima in trasmissione lo sia anche in ricezione, ma non sempre è così (soprattutto nelle bande HF inferiori).
- In TX (Trasmissione): L’obiettivo è massimizzare l’energia irradiata utile, quindi l’efficienza e il guadagno puntato ad angoli bassi (0°-20° per il DX).
- In RX (Ricezione): L’obiettivo è migliorare il Rapporto Segnale/Rumore (S/N). Un guadagno elevato in RX amplifica anche il forte rumore ambientale HF (che spesso supera il limite di sensibilità). L’approccio migliore è ottimizzare la direttività spaziale per minimizzare i segnali da angoli non voluti (attenuazione dei disturbi), a prescindere dal guadagno assoluto.
