Spiegazione del concetto di guadagno di un’antenna

Mi sono trovato spesso a discutere di antenne ,sia per lavoro che in radio con altri colleghi Radioamatori , che si meravigliavano del fatto che spesso antenne che promettevano un altissimo guadagno funzionavano peggio di altre con guadagno Ø (tipo Dipolo o GP) o del perchè in alcune postazioni ripetitirici preferivo montare dipoli o Jpole invece delle supermega quadruple  5/8 🙂 . Ho sempre consigliato di buttare un occhio ai  diagrammi di radiazione per raffrontarli alle proprie esigenze. Ad esempio un ripetitore posto sulla vetta di una montagna  avrà bisogno di un antenna che abbia un lobo il piu’ omogeneo possibile su 360°  ed un angolo di radiazione non troppo alto , visto che deve irradiare verso valle, se invece è posto sul versante di una montagna a metà quota (vedi postazioni sul Vesuvio) servirà un antenna che irradia su 180° verso valle (tipo dipoli accoppiati), se invece mi trovo in pianura e voglio arrivare lontano installero’ antenne con lobi accentuati verso l’ alto .Ovviamente questi sono solo esempi , spero che il seguente articolo raccolto in rete possa spiegare meglio di me cio’ che ho assimilato in tanti anni di radio ed esperienze tecniche .

Se c’è una cosa che risulta difficile da spiegare in parole semplici anche al più esperto degli ingegneri (in tlc) è cosa si intenda per “guadagno” di un’antenna. Di solito la normativa in materia stabilisce che “L’energia effettivamente irradiata (Effective Radiated Power o ERP) non dovrà superare …” considerando il valore in entrata sull’antenna moltiplicato per il guadagno della stessa. Alla base sembrerebbe esserci   il principio in virtù del quale, dato che si parla di guadagno, che le antenne sarebbero in grado di creare magicamente la potenza al loro interno. Purtroppo non è questo il caso. Esaminando un’antenna, essa è costituita con materiali di base quali oro, argento, rame oppure alluminio. Questi materiali non sono in grado di creare da soli potenza.

Prima di addentrarci in ulteriori spiegazioni   va data la definizione di alcuni termini riguardanti il guadagno di un’antenna:

decibel (dB) : Il guadagno ha un valore positivo, mentre la perdita ha un valore negativo, che è pari a  : 10*log(Pout/Pin)

Guadagno di un’antenna  l’incremento relativo massimo della radiazione, espresso con un valore in dB, sul valore standard di un antenna base, costituita da un dipolo di ½ della lunghezza d’onda, che costituisce il punto di riferimento per misurare tutte le altre antenne. Tale riferimento è conosciuto come 0 dBD (dipolo di riferimento zero decibel). Un’antenna con una potenza irradiata effettiva di due volte quella assorbita avrà perciò un guadagno di 10*log(2/1) = 3dBD.

Attenzione: esiste un secondo riferimento   usato in materia di guadagno di un’antenna che serve semplicemente per attribuire ad un’antenna un guadagno maggiore di quello che in realtà essa realizza. È conosciuto come dBi e rappresenta il guadagno di un’antenna paragonato ad un’ideale antenna isotropica – che irradia ugualmente in tutte le direzioni con una configurazione sferica. Tale antenna non esiste, ma può essere calcolata matematicamente e la differenza tra esso ed una dipolo ½ onda è di 2,14 dB.

Radiation Pattern : è una rappresentazione grafica dell’intensità della radiazione in base all’angolo rispetto alla perpendicolare. Il grafico è di solito circolare, l’intensità indicata dalla distanza dal centro in base all’angolo corrispondente.

Tutti i pattern di radiazione in questa pagina rappresentano la vista laterale di un’antenna montata verticalmente.

Radiation Angle: convenzionalmente si definisce l’apertura del fascio come l’angolo tra due punti (sullo stesso piano) in cui la radiazione dimezza la sua potenza (3dB al di sotto della massima emissione). Un bravo ingegnere è in grado di capire la qualità di un’antenna da questo solo parametro, l’angolo di radiazione ampio oppure stretto.

Copertura : area di spazio circostante individuata dal raggio dal luogo in cui è collocata l’antenna in cui il segnale radio è ad un livello tale da poter essere ricevuto.

Antenne

Prendiamo per cominciare un’antenna dipolo standard da ½ lunghezza d’onda, sospesa in uno spazio vuoto (ignoriamo qualsiasi altra cosa nei dintorni come il punto di montaggio dell’antenna che potrebbe influire su di essa). Il pattern di radiazione di tale antenna è tipicamente “a ciambella” come illustrato nella seguente foto.

Pattern1

Poiché i materiali di cui è costituita l’antenna non possono creare potenza di per sé, l’unica alternativa è di focalizzare l’energia dispersa, come quella ad es. diretta verso il cielo, su di una direzione orizzontale più utile. Come si può vedere nella fotografia sotto, la dispersione dell’energia in direzioni non utili è stata focalizzata al centro, con il risultato di raddoppiare l’energia irradiata lungo il piano richiesto con un guadagno di 3dB.

Pattern2

Questa focalizzazione può essere ulteriormente intensificata in modo tale da ottenere un guadagno da 6dB (4 volte) a 9dB (8 volte). La risultante è mostrate sotto.

Pattern3

Come si è visto il metodo mediante il quale un’antenna deve essere fatta per avere un “guadagno” consiste nel focalizzare la radiazione (ad es. prendendo la ciambella di irradiazione ed appiattendola in una frittella) ottenendo così il risultato di intensificare la radiazione lungo l’asse orizzontale. Antenne con radiazione omni-direzionale e guadagni di oltre 9dB sono poco pratiche a causa del fatto che la focalizzazione è direttamente correlata alla lunghezza dell’antenna (in lunghezze d’onda). C’è, comunque, un ulteriore metodo di focalizzazione, intensificando la radiazione solo in una direzione.

Collocando un apposito riflettore su un lato del dipolo, tutta l’energia che quest’ultimo avrebbe irradiato nella direzione del riflettore stesso, viene ora riflessa dal lato opposto nella direzione del dipolo stesso. In questo modo tutta l’energia irradiata dal dipolo viene indirizzata solamente da un lato dell’emisfero, dando luogo ad un raddoppio di energia in questa zona e ad un guadagno di 3 dB.

Pattern4

Un’ulteriore focalizzazione può essere ottenuta mediante l’uso di “indirizzatori” ed ulteriore più alto guadagno è ottenibile rendendo sempre più piccolo l’angolo di irradiazione, in modo da indirizzare tutta l’energia in un’unica direzione. In questo modo si può ottenere in pratica un guadagno fino a 20 dB. Tuttavia l’angolo effettivo di irradiazione di questo tipo di antenna è piccolo (tipicamente ± 10 gradi).

Pattern5

Con le antenne direzionali, vi è un dato ulteriore da tenere a mente.

Front-Back Ratio : l’elemento utilizzato nella maggior parte delle antenne direzionali è il dipolo con il classico schema di irradiazione a ciambella perpendicolare al suo asse. L’idea , come si è visto, è quella di prendere questo modello di radiazione a ciambella e concentrarla in un fascio davanti alla parte anteriore dell’antenna . Il riflettore è di solito un unico elemento , talvolta una serie di elementi . Anche se parabolico , il riflettore non riuscirà a fermare ogni traccia di energia emessa nella sua direzione. Parte di essa sarà irradiata verso la parte posteriore dello stesso riflettore, riuscendo ad attraversarlo ( o, in caso di ricezione , riuscirà a bypassare il riflettore ed essere intercettata dal dipolo ). Ricordiamo che nello spazio libero il dipolo è di per sé sensibile alla radiazione proveniente dal retro del riflettente   quanto lo è a quella nella direzione anteriore che viene lasciata libera, avendo una naturale tendenza a continuare con il modello di propagazione a ciambella .

Anche una solida lastra di metallo come riflettore non potrà isolare completamente la parte anteriore dalla parte posteriore a causa della ” diffrazione”. A causa delle irregolarità del metallo parte del segnale   riuscirà ad aggirare i margini del riflettore verso la parte posteriore di esso (o nel caso della ricezione da dietro a raggiungere il dipolo).
Il rapporto tra questa differenza fronte-retro è definita in riferimento alla direzione anteriore (voluta) di propagazione dell’antenna ed è usualmente misurata in dB.

Vorrei aggungere un ulteriore esempio:

Ho installato da qualche anno sulla collina dei Camaldoli situata nella citta di Napoli a 450 slm, un ripetitore UHF,  che volevo coprisse bene la citta ,anche in portatile e la provincia in mezzo mobile . L’antenna si trova a circa 8 metri dal suolo. La prima antenna provata è stata la sirio CX70 con 2dBd di guadagnao col seguente Pattern:

Jpole_2.jpg

Funzionava egregiamente in citta , ma qualche amico della provincia di Caserta ricordava il segnale piu forte di un altro ponte situato ai Camaldoli  che montava una X300 . Allora ho deciso di provare  una Sirio SPO -50 con 3dBd di guadagno col seguente diagramma :Coll2.jpg

I segnali in lontananza sono ovviamente aumentati , ma molte zone appena sotto la collina lamentavano notevoli attenuazioni .(Spiegabili dal disegno) .

Visto che il ponte era nato per lavorare prevalentemente in citta ,ovvero in  mezzo ai palazzi, ho deciso quindi di rimontare la piccola e democratica J-pole , voglio inoltre precisare che le due Sirio sono entrambe antenne robuste e cortocircuitate ,quindi meno suscettibili a  fenomeni temporaleschi e scariche elettriche, mentre la nostra cara X300 no.

 

In conclusione:

Le antenne non creano magicamente in qualche modo energia, ma semplicemente focalizzano il segnale in radio frequenza RF irradiato secondo modelli di diffusione più ristretti cosicché si ha l’impressione che ci sia più potenza proveniente dall’antenna nella direzione richiesta. Come si può capire, “guadagno” in un punto costituisce “perdita” in un altro punto. Maggiore è il guadagno di un’antenna, minore l’angolo effettivo di utilizzazione. Questa è la parte che si dimentica, cioè che si sottrae potenza da una direzione, aggiungendola nella direzione desiderata.

Immagginate che la potenza sia una torta , possiamo fare 4 fette grosse e le diamo a solo 4 persone , oppure facciamo tante fettine piccole e le diamo a tutti. Questo influisce direttamente sulla scelta dell’antenna per uno specifico uso. Scegliere quindi l’antenna corretta a secondo delle specifiche esigenze.

 

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Google photo

Stai commentando usando il tuo account Google. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...