Guida alla progettazione RF    Che cos'é un'antenna?

<<BACK  NEXT>>

<<TOP

In un'apparecchiatura radio l'antenna è un elemento molto importante. L'antenna del trasmettitore emette nello spazio energia ad alta frequenza mentre l'antenna del ricevitore intercetta questa energia trasformandola in elettricità.
Se l'antenna non è esattamente della giusta lunghezza, ossia accordata sulla frequenza utilizzata, le onde radio non possono essere emesse efficacemente e possono perfino essere bloccate. In impieghi ordinari, una buona antenna trasmittente può essere anche una buona antenna ricevente e servire a tutte e due le funzioni 

I moduli radio dotati di antenna fissa hanno sicuramente una antenna efficiente, in alcuni casi secondo le normative non è possibile sostituirla. Tuttavia, se state progettando un'apparecchiatura che include anche lo sviluppo dell'antenna, o se state utilizzando un modulo solo per la parte ricevente, è possibile usare una antenna di guadagno (gain antenna), per fare ciò è necessario informarsi in dettaglio sulle normative e sulle specifiche riguardanti le antenne.

Qui di seguito forniamo un profilo delle antenne
 

Il meccanismo dell'antenna

Nella sezione precedente abbiamo introdotto la formula per calcolare la lunghezza d'onda delle onde radio. In sintesi, un'antenna sarà più efficiente se avrà una lunghezza pari alla metà della lunghezza d'onda utilizzata.
Per esempio, se state usando una frequenza a 433 MHz, la lunghezza dell'onda è di circa 70 centimetri, quindi un'antenna per essere efficiente dovrà avere una lunghezza di circa 35 centimetri.

Poiché il trasmettitore deve emettere le onde radio usando una potenza limitata e la ricevente deve intercettare efficientemente le onde radio emesse, con la giusta lunghezza d'antenna le onde radio trasmesse realizzano una condizione di risonanza alla massima emissione di energia e questo vale anche per la parte ricevente. Inoltre per migliorare ulteriormente le prestazioni l'antenna dovrebbe essere mantenuta il più diritta possibile e non dovrebbe essere piegata a cerchio.

Oggi le apparecchiature tendono ad essere sempre più compatte e per questo si fa uso sempre più frequentemente di antenne con una ¼ lunghezza (L/4). La funzione di una antenna a ¼ L/4 è la stessa di una antenna a dipolo L/2, ma siccome da un lato la funzione è quella di commutare a terra, la lunghezza dell'antenna è divisa in due facendo un ¼ L.   Le antenne a frusta dei moduli radio, quelle dei telefoni mobili etc. usano questo meccanismo quando serve la funzione di terra (ground).

Tipi di antenna

Modello di antenne direzionali

Ci sono antenne direzionali e antenne non direzionali.
Le antenne direzionali possono essere utilizzate quando una delle parti in comunicazione ha postazione fissa. La direzionalità, oltre a consentire una trasmissione efficiente a bassa emissione, evita emissioni indesiderate nell'ambiente evitando la diffusione delle onde radio in altri sensi. Le onde radio che si irradiano in un senso specifico sono denominate beam (fascio).
Le antenne non direzionali invece irradiano le onde radio indesiderabili nell'ambiente oltre a raccogliere il rumore da ogni senso. Tuttavia, con le antenne non direzionali la comunicazione è possibile in qualsiasi senso si trovino le parti in comunicazione e ciò le rende adatte nelle applicazioni mobili.
Le antenne direzionali includono le antenne di allineamento Yagi-Uda, le antenne a parabola e simili. Le antenne non direzionali includono le antenne a frusta e simili.
Il seguente diagramma illustra la direttività delle antenne. Anche se qui non è indicato, le onde radio si irradiano in tre dimensioni. Gli schemi direzionali del diagramma mostrano la relativa intensità della resistenza massima in tutti i sensi del campo, indicando così la direttività del campo elettrico.

Lobo principale, lobo laterale e lobo posteriore
Se prendiamo come esempio l'antenna di allineamento Yagi-Uda , il fascio più grande di radiazione nel senso prospettato è il lobo principale e nel senso opposto la radiazione indesiderabile è denominata lobo laterale. Un lobo laterale nel senso frontale al lobo principale è denominato retro lobo.

Rapporto FB
Se guardiamo il modello direzionale Yagi-Uda, vediamo che questo genera un lobo principale e un lobo posteriore. Il rapporto fra il lobo principale ed il lobo posteriore denominato rapporto FB (Front/Back) esprime il livello di direttività dell'antenna, e questo livello è indicato in decibel (dB). Di conseguenza più è grande questo valore, migliori sono le prestazioni dell'antenna.

Poichè lo schema direzionale mostra la resistenza di campo, usiamo 20 log per il calcolo.

Antenne di guadagno

Nella scelta dell'antenna, le caratteristiche di direttività e di guadagno sono elementi importanti che richiedono particolare attenzione. Inoltre a seconda delle specifiche, l'unità di guadagno è espressa variamente in dBd, dB, e dBi e ciò può indurre in confusione.
Oltre a questo, poiché l'antenna è fatta di metallo e non ha un circuito per l'amplificazione elettrica, il fatto che si possa parlare di antenna con guadagno può sembrare un pò strano.
Le antenne possono concentrare in ingresso l'energia in un determinato senso, ma ci sono differenze nel metodo di concentrazione secondo il tipo e fra antenne differenti. E cioè, antenne che spandono l'energia in tutti i sensi, altre che spandono l'energia verso il senso dell'altra parte in comunicazione, e antenne direttive che concentrano l'energia in modo efficiente. Per definire le differenze nella gamma delle antenne possiamo parlare di guadagno, più è alto il guadagno più forte diventa la direttività, più forte é la direttività e maggiore sarà la difficolta di allineamento.
Il guadagno in antenna è espresso come "rapporto di potenza ricevuta nel senso del massimo campo elettrico quando la stessa potenza è immessa da un'antenna sotto test e ad un'antenna di riferimento".
Per esprimere il guadagno di un'antenna ci sono due metodi, uno per mezzo di un'antenna isotropa come riferimento, l'altra usando un altro tipo di antenna (solitamente un'antenna a dipolo a semi onda di lunghezza L/2) come riferimento.

Quando come riferimento si usa un'antenna isotropa, il guadagno è denominato guadagno assoluto e l'unità usata è dBi. Quando si usa come riferimento una antenna a dipolo a semi onda (L/2), il guadagno è denominato guadagno relativo e l'unità usata è dBd.

Con il guadagno relativo, il rapporto di guadagno assoluto dell'antenna utilizzata come riferimento e del guadagno assoluto dell'antenna in questione è equivalente. Siccome il guadagno assoluto dell'antenna a dipolo di lunghezza (L/2) è 2,14 dBi, il guadagno relativo Gr dBd di un'antenna con guadagno assoluto di Ga dBi di Ga è dato dal guadagno relativo Gr dBd  = guadagno assoluto Ga dBi - 2,14 dB.
In altre parole fra dBd e dBi il rapporto è 0 dBd  = si ottiene 2,14 dBi.
Se una antenna specifica è 2,14 dBi, significa che è equivalente ad una antenna ideale a dipolo di lunghezza a semi onda.

Per guadagno in antenna, le espressioni dBd e dB significano la stessa cosa, dBd è l'espressione convenzionalmente più usata. Le antenne isotrope sono antenne teoretiche, virtuali, che irradiano le onde con uguale intensità in tutti i sensi e hanno direttività sferica.

Impedenza corrispondente

Nel connettere un'antenna ad un circuito ad alta frequenza è necessario fornire efficientemente l'alimentazione e assicurarsi che non si prospettino problemi di riflessione delle onde radio. La riflessione si verifica quando l'impedenza della fonte del segnale e l'impedenza dell'antenna non si abbinano, il loro raffronto è denominato impedenza corrispondente. La riflessione è la situazione in cui una parte del segnale inviato in direzione dell'antenna ritorna verso la fonte del segnale e se questo è unito al segnale inerente, si possono presentare effetti contrari.
La specifica di un'antenna includerà sempre "l'impedenza di ingresso: 50 ohm " o simili, così l'impedenza corrispondente dovrà essere ottenuta sul circuito di collegamento in modo da abbinare questo valore. È necessario inoltre abbinare questo valore sulla base dell'impedenza del cavo usato. L'impedenza del cavo è decisa sempre per unità di impedenza e capacità, in ogni caso i cavi presenti sul mercato indicano sempre questo dato.
Ci sono poi vari metodi di verificare l'impedenza corrispondente. Tuttavia, poichè è un argomento molto implicato, si consiglia di far riferimento ad un manuale competente in questa materia.

Onde  polarizzate orizzontalmente ed onde  polarizzate verticalmente

Le onde radio irradiate dalle antenne verticalmente rispetto alla terra sono denominate onde verticali. Nello stesso modo, con le antenne disposte orizzontalmente il campo elettrico è orizzontale rispetto alla terra, così queste ultime vengono definite onde orizzontali. Oltre a queste anche le onde polarizzate circolarmente si usano, per radiodiffusioni satellitare etc. In ogni caso se il piano di polarizzazione di entrambe le antenne non si abbina, le onde radio non potranno essere trasmesse e ricevute.

Materia dell'antenna

Poiché le correnti ad alta frequenza attraversano le antenne, è necessario che queste siano fatte in materiale metallico con specifiche di bassa resistenza. Tuttavia, l'argento e l'oro non sono adatti dalla prospettiva del costo industriale, mentre l'acciaio arrugginisce ed è troppo pesante tale da non essere adatto per le antenne. L'alluminio che ha proprietà di bassa resistenza e basso costo è usato ordinariamente come materiale per le antenne, anche se normalmente viene usato spesso per antenne relativamente grandi.
Per apparecchiature compatte quali i telefoni mobili ed i moduli radio, sono usate più comunemente leghe di memoria (titanio-nichel) o di acciaio inossidabile, o antenne dielettriche. Inoltre vengono utilizzate anche antenne semplici fatte di cavo o realizzate sul piano del circuito.

Come utilizzare le antenne

• Le antenne dovrebbero essere fissate sulla parte esterna dell'apparecchiatura, possibilmente sulla parte superiore.

• L'antenna dovrebbe essere fissata in una posizione tale da trovarsi il più distante possibile dal corpo umano. Poiché le onde radio superiori ai 750 MHz sono assorbite facilmente dal corpo umano è necessario prestare attenzione a questo dato. Le antenne di apparecchiature destinate al contatto con il corpo umano dovrebbero essere distanziate di almeno 2 - 3 centimetri dalla parte di contatto.

• Il contenitore nel quale deve essere incorporata una apparecchiatura radio deve essere di materiale plastico ABS. Poichè il metallo ha proprietà di attenuazione sulle onde radio, nel caso sia necessario l'utilizzo di un contenitore metallico, solo l'apparecchiatura radio dovrebbe alloggiare all'interno del contenitore metallico, mentre l'antenna dovrebbe essere collocata all'esterno. Inoltre, è opportuno accertarsi che il modulo radio e il contenitore metallico abbiamo lo stesso potenziale elettrico.

• L'antenna dovrebbe essere mantenuta il più diritta possibile e non dovrebbe essere piegata a cerchio.

• Il piano di polarizzazione delle onde radio deve abbinarsi ad entrambe le antenne.

• Se l'antenna è situata esternamente, usare sempre un cavo coassiale e combinare l'impedenza giusta.

  Antenne dei telefoni mobili 

Quando l'antenna di un telefono mobile è estesa si tratta di antenna a frusta (asta) L/4, ma quando è ritratta con la bobina posta nella punta si trasforma in un'antenna elicoidale. Rispetto all'antenna a frusta, la sensibilità dell'antenna elicoidale è inferiore, per questo i telefoni mobili utilizzano un''antenna estesa.  L'antenna tipo F con solo funzioni di ricevente è posta nella parte interna del telefono, le antenne interne ed esterne ricevono usando la diversità spaziale e le funzioni interne per il controllo di alimentazione etc. sono applicate al segnale. Poichè si tratta di applicazione mobile, la direttività non è direzionale.
La frequenza delle onde radio usate nei telefoni mobili (in Giappone), è 800 MHz in uscita e 900 MHz in entrata. Se calcoliamo la lunghezza dell'antenna (a parte l'antenna elicoidale) per l'uso della frequenza mediata a 850 MHz, la lunghezza di onda L per 850 MHz è

di conseguenza una antenna L/4 di circa 9 centimetri.

Ci sono telefoni mobili che usano la banda a 800 MHz e quelli che usano la banda a 1.500 MHz. L'antenna a 1500MHz è più corta. Ci sono poi anche telefoni mobili nella banda a 800 MHz con antenne corte. Ci sono inoltre antenne in cui, una volta estesa, l'antenna elicoidale superiore è collegata elettricamente, transformandosi in un'antenna L/2 di lunghezza di onda .

·           Estendere completamente l'antenna durante l'uso del telefono mobile, e accertarsi di non coprirla in nessun modo.

·           Poichè c'è un'antenna interna nella parte superiore del telefono, tenere il telefono dalla parte inferiore.

·           Tenere l'antenna quanto più lontano possibile dal vostro corpo.

·           Se le condizioni del segnale sono disturbate, muoversi o fare una rotazione.

·           Utilizzare sempre un'antenna di lunghezza adatta. Non modificare o sostituire l'antenna.

·           Non utilizzare un portatelefono con montaggi o parti metalliche.

·           Assicurarsi che l'antenna sia posta in modo verticale.

·           Sconsigliamo antenne con illuminazione o lampeggio.

<<TOP

<<BACK  NEXT>>