Antenă

Antena cu unde scurte în Moosbrunn, Austria

O antenă , în telecomunicații , este un dispozitiv electric capabil să transmită și / sau să recepționeze unde electromagnetice .

Utilizarea lor este larg răspândită în legăturile radio , în comunicațiile radio dedicate (de exemplu, navigație aeriană și navală , walkie-talkie etc.), în rețelele fără fir de pe terminalele utilizatorilor și stațiile de bază ( WLAN , rețele celulare etc.), în infrastructurile de difuzare . și atât difuzarea de televiziune terestră, cât și cea prin satelit , în toate aplicațiile de teledetecție cu senzori activi și în aplicațiile radar .

fundal

Unele dintre primele antene rudimentare au fost construite în 1888 de Heinrich Hertz (1857-1894) în experimentele sale menite să demonstreze existența undelor electromagnetice, prezise de teoria lui James Clerk Maxwell . Cuvântul „antenă” pe care îl folosim atât de des astăzi provine totuși din primele experimente ale lui Guglielmo Marconi . De fapt, derivă din același cuvânt marin care indică stâlpul lung, transversal la catarg , care susține vela pătrată sau latină în vârf. Extinderea semnificației inițiale se datorează lui Marconi însuși (al cărui tată i-a dorit o carieră în marină) când a observat că, prin agățarea unuia dintre cele două terminale ale oscilatorului (în acel moment un cub sau o sferă de fier conservat) pe un pol înalt (precis o „antenă”), semnalele transmise (și recepționate) ar putea acoperi distanțe mult mai mari. Astfel a început, spre deosebire de „terminalul de masă”, să îl indice pe cel de sus ca „antenă (terminal)”.

Descriere

Exemplu de antenă Yagi

Acestea furnizează receptorului un semnal electric proporțional cu câmpul electromagnetic în care sunt scufundați sau invers, radiază, sub forma unui câmp electromagnetic, semnalul electric furnizat de un transmițător .

Prin urmare, acestea sunt acele dispozitive sau subsisteme care fac posibilă telecomunicațiile , adică comunicațiile la distanță care nu sunt cablate ( fără fir ) prin intermediul sistemelor de telecomunicații.

Principii fizice

Antena este o componentă electrică care permite, conform legii Biot-Savart , (numită după fizicienii francezi Jean-Baptiste Biot și Félix Savart ) iradierea sau recepția energiei electromagnetice . Conceptul poate fi afirmat în termeni simpli: un curent electric variabil în timp care trece printr-un conductor radiază un câmp electric din acesta, care la rândul său generează un câmp magnetic în conformitate cu legea menționată anterior; dacă, pe de altă parte, un conductor este scufundat într-un câmp electromagnetic, datorită principiului reciprocității , în el se induce un curent electric care variază în timp, conform aceleiași legi. Descrierea fizică și matematică a radiației electromagnetice de către antene folosește concepte și instrumente tipice electromagnetismului avansat.

Un principiu fundamental al electromagnetismului, numit „ principiu de reciprocitate ”, garantează, de asemenea, că orice antenă poate funcționa indiferent, în teorie, atât ca antenă de transmisie, cât și ca antenă de recepție (dacă este conectată respectiv la un emițător și la un receptor).

De obicei, dimensiunea și forma variază în funcție de frecvența pentru care au fost proiectate. Deși teoretic orice conductor poate acționa ca o antenă, performanța optimizată și caracteristicile direcționale particulare (dacă este necesar) pot fi obținute numai cu forme geometrice și dimensionale precise ale unuia sau mai multor conductori. Acest lucru ia în considerare marea varietate de antene pe care tehnologia le permite să le realizeze: deci o antenă omnidirecțională pentru unde medii va fi evident complet diferită de o antenă directivă pentru microunde .

Analiza de teren emisă

O diagramă animată a unei antene dipol care recepționează unde radio

Pentru fiecare tip de antenă, este posibil să se analizeze câmpul electromagnetic emis de curenții care o generează. În general, acest câmp poate fi împărțit în câmp de inducție și câmp de radiații : primul este cel care este înregistrat în zona cea mai apropiată de antenă, care acționează ca o interfață cu circuitul de alimentare și se caracterizează prin absența propagării putere reală, dar numai stocarea puterii reactive și prezența undelor evanescente care se estompează rapid în spațiu; în al doilea, există un transport eficient al puterii reale, adică câmpul se propagă la infinit sub formă de unde sferice care sunt atenuate ca 1 / r în funcție de starea de radiație la infinit și caracterizează interfața cu antena de recepție.

Pentru antenele cu surse electrice distribuite pe suprafețe mari, câmpul de radiație poate fi la rândul său împărțit în câmp apropiat și câmp îndepărtat. Pornind de la expresia câmpului radiat la o distanță mare, este posibil să se obțină modelul de radiație al antenei care poate fi, în principiu, împărțit în lobi principali și secundari pe tăieturi orizontale și verticale ale solidului radiației, care reprezintă, prin urmare, distribuția spațială a câmpului radiat de antenă pe aceste planuri. De obicei, în acest context sunt utilizate reprezentări matematice și grafice care utilizează coordonatele polare sferice .

Parametrii câmpului îndepărtat

Puterea radiată

Din orice antenă, este posibil să se calculeze puterea radiată prin integrarea vectorului Poynting (densitatea puterii electrice) $\,S=E\times H^{*}$ ${\ displaystyle \, S = E \ times H ^ {*}}$ $\, S = E \ ori H ^ *$ pe o suprafață închisă care conține antena.

Câștig și directivitate

Diagrama animată a antenei dipolare care radiază unde radio

Câștigul este o funcție a frecvenței de lucru și a geometriei antenei. Câștigul unei antene este măsurat prin comparație între antena considerată (în mod ideal) și o antenă izotropă (adică perfect omnidirecțională).

În practică, dipolul este adesea folosit ca antenă de referință, deoarece o antenă cu adevărat izotropă este o idealizare imposibilă din punct de vedere fizic, în timp ce se arată că dipolul are un câștig de 2,15 dB comparativ cu o sursă izotropă ideală.

Majoritatea antenelor reale radiază mai mult de o antenă izotropă în unele direcții și mai puțin în altele, permițând astfel o intensitate mai mare de iradiere (sau un semnal mai intens captat) în anumite direcții particulare utilizabile în aplicații de legături radio direcționale, aplicații radar sau atunci când recepționează de la o antenă de transmisie omnidirecțională de servire.

Câștigul este, prin urmare, dat de capacitatea antenei de a concentra câmpul electromagnetic într-o anumită direcție și este de obicei măsurat în direcția în care antena are emisia sau recepția maximă, ca număr adimensional (câștig maxim), altfel este un funcția coordonatelor polare sferice. Mai precis, câștigul este definit ca o funcție a direcției de observare, în timp ce termenul câștig singur este înțeles în mod obișnuit ca însemnând câștigul maxim sau maximul acestei funcții în direcția maximului. Produsul câștigului și puterea transmisă este un parametru cunoscut sub numele de EIRP .

Directivitatea unei antene într-o anumită direcție este definită în schimb ca raportul dintre intensitatea radiației radiate în acea direcție și puterea totală radiată în toate direcțiile. Diferența cu câștigul este că acesta din urmă în numitor prezintă puterea totală de intrare a antenei, care este doar parțial radiată și parțial disipată de conductorul antenei în sine. În ceea ce privește câștigul, directivitatea este, de asemenea, definită ca o funcție a direcției de observare și numai cu termenul de directivitate ne referim în mod obișnuit la valoarea maximă a acestei funcții în corespondență cu direcția maximă.

Exemplu de model de radiație polară a unei antene

În special, modelul de radiație este reprezentarea tridimensională a câștigului, dar de obicei se preferă să se ia în considerare mai confortabil diagramele secțiunilor sau tăieturile (tăiate) orizontale și verticale. Antenele cu câștig mare au, de obicei, și lobi laterali: reprezintă vârfuri minore de câștig comparativ cu câștigul lobului principal sau al „fasciculului”. Aceste butoane laterale limitează calitatea antenei generând posibile interferențe pe alte sisteme de comunicații radio sau pierderea directivității în sistemele în care puterea semnalului util transmis sau primit într-o anumită direcție trebuie să fie maximizată, cum ar fi de exemplu în sistemele radar și legăturile radio de legături radio. Figura prezintă un model de radiație bidimensională (care ar putea reprezenta o secțiune verticală sau o secțiune orizontală a spectrului de emisie). În roșu este reprezentat lobul principal ( lobul principal), albastru în opus (lobul lateral opus) în gri, în timp ce lobul lateral (lobul lateral).

Deschiderea fasciculului de antenă ( lățimea fasciculului ) este definită în schimb ca unghiul subtensionat către direcția câștigului maxim la -3 dB , adică unghiul în care câștigul este menținut la 3 dB față de valoarea maximă, adică la jumătate din putere. . Câștigul (amplificarea), diafragma și modelul de radiație ale unei antene sunt strâns legate.

Când o antenă are o directivitate / câștig constant în fiecare direcție a spațiului, se spune că este o antenă omnidirecțională , reprezentând de fapt un caz pur ideal. După cum sa spus anterior, dacă două antene radiază / comunică între ele, se aplică regula intersecției fasciculelor de antenă: la recepție, antena de recepție va putea prelua puterea electromagnetică care derivă din intersecția lobului principal al fasciculul antenei de transmisie și cel al fasciculului antenei de recepție.

Zona și înălțimea eficiente pentru recepția antenelor

Într-un mod complet analog cu ceea ce se întâmplă pentru antenele de transmisie, antenele receptoare se bucură de o anumită analogie cu conceptul de directivitate . Adică, ele sunt sensibile în moduri diferite la semnalele care vin din direcții diferite.

În mod similar cu ceea ce se întâmplă atunci, pentru antenele de transmisie este interesant să se definească doi parametri care caracterizează antenele de recepție: zona și înălțimea efectivă.

Dacă luăm în considerare $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ ca densitate de putere incidentă pe antenă, provenind dintr-o anumită direcție, în coordonate polare $(\theta ,\phi )$ ${\ displaystyle (\ theta, \ phi)}$ $(\ theta, \ phi)$ , zona efectivă va fi legată de acest parametru, în relația de caracterizare a puterii disponibile receptorului (partea utilizatorului) în condiții de potrivire a impedanței , între impedanța antenei $Z_{ANT}$ ${\ displaystyle Z_ {ANT}}$ ${\ displaystyle Z_ {ANT}}$ Și $Z_{U}$ ${\ displaystyle Z_ {U}}$ ${\ displaystyle Z_ {U}}$ a utilizatorului ( $Z_{U}=Z_{ANT}^{*}$ ${\ displaystyle Z_ {U} = Z_ {ANT} ^ {*}}$ ${\ displaystyle Z_ {U} = Z_ {ANT} ^ {*}}$ ):

$P_{U}=A_{EFF}(\theta ,\phi )\times p$ ${\ displaystyle P_ {U} = A_ {EFF} (\ theta, \ phi) \ times p}$ ${\ displaystyle P_ {U} = A_ {EFF} (\ theta, \ phi) \ times p}$

Spus $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ în cazul unei incidențe cu o sursă de câmp îndepărtat va fi egală cu $p={\frac {1}{2\eta 0}}|{\vec {E}}_{inc}|^{2}$ ${\ displaystyle p = {\ frac {1} {2 \ eta 0}} | {\ vec {E}} _ {inc} | ^ {2}}$ ${\ displaystyle p = {\ frac {1} {2 \ eta 0}} | {\ vec {E}} _ {inc} | ^ {2}}$ .

Un alt parametru care caracterizează antenele RX este înălțimea efectivă , care joacă un rol esențial, determinând relația de copolarizare a antenei cu câmpul electric incident, în calculul tensiunii fără sarcină pe bornele antenei:

$Vo={\vec {h}}_{eff}(\theta ,\phi )\bullet {\vec {E}}_{inc}$ ${\ displaystyle Vo = {\ vec {h}} _ {eff} (\ theta, \ phi) \ bullet {\ vec {E}} _ {inc}}$ ${\ displaystyle Vo = {\ vec {h}} _ {eff} (\ theta, \ phi) \ bullet {\ vec {E}} _ {inc}}$

Din formulă, rezultă că, cu aceeași direcție de incidență și intensitate a câmpului, tensiunea la bornele antenei RX variază între 0 și maxim, în funcție de modul în care antena este aranjată spre câmpul electric.

$Vo=|h_{eff}(\theta ,\phi )||E_{inc}|cos(\alpha p)=|h_{eff}(\theta ,\phi )||E_{inc}|\chi _{0}$ ${\ displaystyle Vo = | h_ {eff} (\ theta, \ phi) || E_ {inc} | cos (\ alpha p) = | h_ {eff} (\ theta, \ phi) || E_ {inc} | \ chi _ {0}}$ ${\ displaystyle Vo = | h_ {eff} (\ theta, \ phi) || E_ {inc} | cos (\ alpha p) = | h_ {eff} (\ theta, \ phi) || E_ {inc} | \ chi _ {0}}$

cu $\chi _{0}^{2}$ ${\ displaystyle \ chi _ {0} ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ chi _ {0} ^ {2}}$ a spus factorul de prejudecată . De sine $\chi _{0}^{2}=1$ ${\ displaystyle \ chi _ {0} ^ {2} = 1}$ ${\ displaystyle \ chi _ {0} ^ {2} = 1}$ , adică dacă înălțimea efectivă și câmpul incident sunt paralele, câmpul este copolarizat față de antenă, altfel dacă $\chi _{0}^{2}=0$ ${\ displaystyle \ chi _ {0} ^ {2} = 0}$ ${\ displaystyle \ chi _ {0} ^ {2} = 0}$ , adică, dacă înălțimea efectivă și câmpul incident sunt perpendiculare , câmpul este polarizat în raport cu antena.

Exemplu de antenă de televiziune

Circuit echivalent

Rezistența la radiații

Antena poate fi văzută și analizată ca un circuit electric echivalent cu parametrii care o caracterizează, cum ar fi un generator electric ca sursă de energie pentru radiația electromagnetică și alte componente ale circuitului electric. Rezistența la radiații, $\,R_{rad}$ ${\ displaystyle \, R_ {rad}}$ $\, R_ {rad}$ , este un parametru echivalent astfel încât, prin aplicarea unei tensiuni sinusoidale cu o valoare efectivă la bornele antenei $\,V$ ${\ displaystyle \, V}$ $\, V$ (care reține o tensiune sinusoidală ${\frac {Vmax}{\sqrt {2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {Vmax} {\ sqrt {2}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {Vmax} {\ sqrt {2}}}}$ ), puterea radiată este:
$P_{rad}={\frac {V^{2}}{R_{rad}}}$ ${\ displaystyle P_ {rad} = {\ frac {V ^ {2}} {R_ {rad}}}}$ $P_ {rad} = \ frac {V ^ {2}} {R_ {rad}}$ .

Rezistență la pierderi

Exact așa cum a fost făcut anterior, este posibil să se definească o rezistență la pierderi astfel încât:
$P_{diss}={\frac {V^{2}}{R_{diss}}}$ ${\ displaystyle P_ {diss} = {\ frac {V ^ {2}} {R_ {diss}}}}$ $P_ {diss} = \ frac {V ^ {2}} {R_ {diss}}$ .
Este posibil să se calculeze în mod echivalent puterea disipată de antenă, $\,P_{diss}$ ${\ displaystyle \, P_ {diss}}$ $\, P_ {diss}$ , ca diferență între puterea efectiv absorbită la terminale și puterea radiată $\,P_{rad}$ ${\ displaystyle \, P_ {rad}}$ $\, P_ {rad}$ . În acest fel am obținut un echivalent de circuit al antenei constituit din seria a două rezistențe; puterea disipată pe aceste rezistențe reprezintă cea transformată în fenomenele de iradiere și disipare. Dacă antena nu este rezonantă în circuitul echivalent, trebuie adăugată o reactanță de valoare adecvată.

Impedanță caracteristică

Exemplu de antenă radio amator monopol

Impedanța caracteristică a unei antene (sau impedanța de intrare a antenei) este impedanța pe care o antenă o are la bornele sale văzută ca un circuit electric echivalent. Partea reală a acestei impedanțe, adică partea rezistivă reală, este egală cu suma rezistenței la radiații și a rezistenței la disipare , în timp ce partea reactivă este egală cu reactanța antenei în sine. Fiecare tip de antenă are propria impedanță caracteristică pe care este necesar să o cunoaștem pentru a o adapta la linia de transmisie sau ghidul de undă metalic, adică pentru a ne asigura că unda care se propagă înainte este complet transmisă și nu este reflectată înapoi spre emițător cu pierderea eficienței și posibilele deteriorări ale componentelor transceiverului electronic. Coeficientul de reflexie $\Gamma$ ${\ displaystyle \ Gamma}$ $\Gamă$ ne oferă o măsură a cantității de undă care revine la generator. Pentru liniile de transmisie, în general, această cantitate este definită în modul următor (presupunând că direcția de propagare a undei este de-a lungul coordonatei $z$ ${\ displaystyle z}$ $z$ ):

$\Gamma (z)={\frac {V^{-}(z)}{V^{+}(z)}}$ ${\ displaystyle \ Gamma (z) = {\ frac {V ^ {-} (z)} {V ^ {+} (z)}}}$ $\ Gamma (z) = \ frac {V ^ - (z)} {V ^ + (z)}$

unde este $V^{+}(z)$ ${\ displaystyle V ^ {+} (z)}$ $V ^ + (z)$ Și $V^{-}(z)$ ${\ displaystyle V ^ {-} (z)}$ $V ^ - (z)$ reprezintă unda de tensiune progresivă și respectiv regresivă. Dacă indicăm cu $Z_{A}$ ${\ displaystyle Z_ {A}}$ $Z_A$ impedanța de intrare a antenei și cu $Z_{C}$ ${\ displaystyle Z_ {C}}$ $Z_C$ impedanța caracteristică a liniei putem defini coeficientul de reflexie ca

$\Gamma ={\frac {Z_{A}-Z_{C}}{Z_{A}+Z_{C}}}$ ${\ displaystyle \ Gamma = {\ frac {Z_ {A} -Z_ {C}} {Z_ {A} + Z_ {C}}}}$ $\ Gamma = \ frac {Z_A - Z_C} {Z_A + Z_C}$

În cazul în care antena este adaptată la linie, $\Gamma$ ${\ displaystyle \ Gamma}$ $\Gamă$ își asumă valoarea nulă (caz teoretic). În toate celelalte cazuri, se spune că antena este nepotrivită. În special, cele două valori limită ale coeficientului de reflecție sunt importante:

$\Gamma =1$ ${\ displaystyle \ Gamma = 1}$ $\ Gamma = 1$ indică un circuit deschis ( $Z_{A}$ ${\ displaystyle Z_ {A}}$ $Z_A$ tind la infinit)
$\Gamma =-1$ ${\ displaystyle \ Gamma = -1}$ $\ Gamma = -1$ indică un scurtcircuit ( $Z_{A}=0$ ${\ displaystyle Z_ {A} = 0}$ $Z_A = 0$ )

Într-un mod complet analog, este posibil să se definească așa-numitul Stationary Wave Ratio (ROS) sau, în engleză, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), care este un număr adimensional, mai direct măsurabil în raport cu coeficientul de reflexie și conectat la aceasta prin formula:

$\Gamma (z)={\frac {ROS-1}{ROS+1}}$ ${\ displaystyle \ Gamma (z) = {\ frac {ROS-1} {ROS + 1}}}$ $\ Gamma (z) = \ frac {ROS -1} {ROS + 1}$

Dacă presupunem $z$ ${\ displaystyle z}$ $z$ ca direcția de propagare a undei în linie și indicăm cu $V(z)\in \mathbb {C}$ ${\ displaystyle V (z) \ in \ mathbb {C}}$ $V (z) \ in \ mathbb {C}$ tensiunea undei ca coordonată spațială variază, putem defini ROS ca

$ROS={\frac {{\begin{smallmatrix}\operatorname {max} \\z\end{smallmatrix}}\left|V(z)\right|}{{\begin{smallmatrix}\operatorname {min} \\z\end{smallmatrix}}\left|V(z)\right|}}$ ${\ displaystyle ROS = {\ frac {{\ begin {smallmatrix} \ operatorname {max} \\ z \ end {smallmatrix}} \ left | V (z) \ right |} {{\ begin {smallmatrix} \ operatorname { min} \\ z \ end {smallmatrix}} \ left | V (z) \ right |}}}$ $ROS = \ frac {\ begin {smallmatrix} \ operatorname {max} \\ z \ end {smallmatrix} \ left | V (z) \ right |} {\ begin {smallmatrix} \ operatorname {min} \\ z \ end {smallmatrix} \ left | V (z) \ right |}$

Explicând $V(z)$ ${\ displaystyle V (z)}$ $V (z)$ ca suma fenomenelor propagative progresive și regresive, adică $V(z)=V^{+}(z)+V^{-}(z)$ ${\ displaystyle V (z) = V ^ {+} (z) + V ^ {-} (z)}$ $V (z) = V ^ + (z) + V ^ - (z)$ putem rescrie relația de mai sus după cum urmează:

$ROS={\frac {|V^{+}(z)|+|V^{-}(z)|}{|V^{+}(z)|-|V^{-}(z)|}}={\frac {1+|\Gamma (z)|}{1-|\Gamma (z)|}}$ ${\ displaystyle ROS = {\ frac {| V ^ {+} (z) | + | V ^ {-} (z) |} {| V ^ {+} (z) | - | V ^ {-} ( z) |}} = {\ frac {1+ | \ Gamma (z) |} {1- | \ Gamma (z) |}}}$ $ROS = \ frac {| V ^ + (z) | + | V ^ - (z) |} {| V ^ + (z) | - | V ^ - (z) |} = \ frac {1+ | \ Gamma (z) |} {1- | \ Gamma (z) |}$

Datorită modului în care este definit acest parametru, se poate concluziona că:

$ROS\in \mathbb {R}$ ${\ displaystyle ROS \ in \ mathbb {R}}$ $ROS \ in \ mathbb {R}$
$ROS\geq 1$ ${\ displaystyle ROS \ geq 1}$ $ROS \ ge 1$

Acest raport nu este altceva decât raportul dintre impedanța antenei și cea a cablului, punând întotdeauna impedanța mai mare numărătorului. Practic:

$ROS={\begin{cases}{\frac {Z_{A}}{Z_{C}}}&{\mbox{se }}Z_{A}>Z_{C}\\{\frac {Z_{C}}{Z_{A}}}&{\mbox{se }}Z_{A}<Z_{C}\\\end{cases}}$ ${\ displaystyle ROS = {\ begin {cases} {\ frac {Z_ {A}} {Z_ {C}}} și {\ mbox {se}} Z_ {A}> Z_ {C} \\ {\ frac { Z_ {C}} {Z_ {A}}} și {\ mbox {se}} Z_ {A} <Z_ {C} \\\ end {cases}}}$ $ROS = \ begin {cases} \ frac {Z_A} {Z_C} & \ mbox {se} Z_A> Z_C \\ \ frac {Z_C} {Z_A} & \ mbox {se} Z_A <Z_C \\ \ end {cases}$

De exemplu, un dipol deschis cu o impedanță de 72 ohmi pe un cablu de 50 ohmi are un SWR de 72/50 = 1,44. Același SWR se obține prin conectarea unei antene cu o impedanță caracteristică de 34,7 ohmi la același cablu. SWR se măsoară cu Rosmeterul și nu trebuie să depășească niciodată valoarea 3 pentru a nu genera tensiuni dăunătoare pe emițător pentru componente. Unele impedanțe caracteristice:

dipol deschis : 72 ohmi;
dipol închis : 300 ohmi;
planul de masă (120 °): 50 ohm;
V inversat (60 °): 50 ohm;
Marconi 1/2 val (luat calculat) cu coborâre la 1/7 din centru: 600 ohm.

Impedanța caracteristică a unei antene poate fi ușor adaptată la cablu prin utilizarea transformatoarelor de impedanță speciale (vezi și balunuri și tunere ) care pot fi alcătuite din secțiuni de linie rezonante cu frecvența caracteristică a antenei sau prin deplasarea atacului linia de cădere din centrul antenei în sine. La urma urmei, chiar și o antenă rezonantă nu este altceva decât un transformator de impedanță care adaptează impedanța de ieșire a unui emițător sau receptor (foarte adesea 50 ohmi) cu cea a spațiului (tipic 377 ohmi).

Răspunsul în frecvență

Antena văzută ca un sistem fizic are, de asemenea, propriul său răspuns de frecvență $F(j\omega )$ ${\ displaystyle F (j \ omega)}$ ${\ displaystyle F (j \ omega)}$ din care este posibil să se deducă lățimea de bandă în care operează precum și distribuția de frecvență a câștigului. Frecvențele în care există vârful de răspuns reprezintă frecvențele optime de radiație / recepție la care antena funcționează cel mai eficient.

Polarizare

Câmpul emis de fiecare antenă de transmisie este de obicei polarizat într-un anumit mod și puterea primită de antena de recepție este cu atât mai mare cu cât polarizarea acesteia din urmă este adaptată la cea a antenei de transmisie ( adaptare la polarizare ).

Eficienţă

După cum sa menționat anterior, eficiența antenei poate fi definită ca raportul adimensional dintre puterea radiată și puterea de intrare acceptată de la cablul de alimentare de la antena însăși. Deoarece puterea acceptată de antenă de la sursa de alimentare este, în condiții de potrivire a impedanței între antenă și cablul de alimentare, suma puterii radiate efectiv în spațiul liber, a puterii disipate în căldură de materialul conductor al antenei și din puterea reactivă stocată pe materialul antenei în sine, acest raport este, prin definiție, întotdeauna mai mic sau egal cu unul (caz ideal). La aceasta se adaugă și eficiența de potrivire a polarizării dintre antena de transmisie și antena de recepție.

Arătând

Toate antenele non-omnidirecționale sau antenele cu o anumită directivitate sau câștig al modelului de radiație într-o anumită direcție trebuie să fie „îndreptate” cu exactitate în direcția dorită de transmisie / recepție prin proceduri de indicare adecvate; cu cât indicarea este mai eficientă, cu atât performanța sistemului de comunicații radio este mai mare în ceea ce privește puterea electromagnetică transmisă / recepționată și, prin urmare, și în ceea ce privește calitatea semnalului în ceea ce privește raportul semnal / zgomot ; în mod obișnuit, indicarea este cu atât mai critică și mai sensibilă la erorile de dezaliniere, cu cât sistemul de comunicații radio în cauză este mai directiv și mai invers. În virtutea acestui fapt, este, de asemenea, posibil să se definească un parametru al eficienței de indicare a antenei de transmisie / recepție. Arătarea este necesară, de exemplu, în legăturile radio între punctele fixe, prin recepționarea antenelor, cum ar fi antenele de televiziune, în ceea ce privește antena de difuzare omnidirecțională și în antenele de telecomunicații prin satelit orientate către satelitul de transmisie / recepție. Sistemele adoptate pentru indicare pot fi manuale prin sprijinul personalului calificat sau automatizate în cazul telecomunicațiilor prin satelit.

Tipuri de antene

Antena echipată cu reflector parabolic și utilizată în câmpul radar .

Există o vastă tipologie de antene, fiecare proiectată și construită corespunzător pornind de la utilizarea respectivă. Din punct de vedere al aplicației, se pot distinge antene pentru recepția de televiziune, antene pentru emițător-recepție prin satelit și telecomunicații prin satelit, antene pentru legături radio , antene pentru stații de bază radio în rețele celulare , antene pentru aplicații spațiale, antene pentru aplicații comune ( mobil telefoane , telefoane fără fir , modemuri Wi-Fi / puncte de acces , radiouri etc.), antene radar .

Datorită puterii reduse la recepție datorită atenuării mediului radio, toate antenele receptoare au un amplificator (alimentat) în lanțul de recepție capabil să amplifice în mod corespunzător semnalul recepționat. În urma compartimentării în funcție de caracteristicile tehnice.

Antene liniare

Marconi Antenna (Monopole Antenna)

Antena verticală este compusă dintr-un singur element vertical, a cărui lungime este egală cu ¼ din lungimea de undă a semnalului de transmis. Antena verticală, spre deosebire de dipol, are nevoie de un plan de masă , adică un „plan” reflectorizant, astfel încât să fie un element dublu pentru emițător sau receptor. În antenele pentru instalații fixe, de obicei realizate din fibră de sticlă , planul de la sol este simulat prin plasarea radial a unei serii de conductori în raport cu axa antenei. Impedanța caracteristică a acestei antene variază de la 37 ohmi pentru planurile de la sol la 90 de grade față de elementul radiant la 72 ohmi dacă unghiul ar fi 180 de grade și are un câștig fix de 3,3 (5,19 db). În mod normal, planurile de la sol sunt înclinate cu aproximativ 120 de grade față de elementul radiant pentru a avea o impedanță caracteristică de 50 ohmi, potrivită pentru conectarea antenei la cablurile coaxiale utilizate în mod normal și evitarea posibilelor nepotriviri cu privire la impedanța tipică a transmițătorilor . Un exemplu tipic îl constituie antenele pentru aparatele de radio bidirecționale montate pe mașini, caz în care însă antena nu are nevoie de niciun conductor radial la baza elementului său radiant, deoarece corpul metalic acționează ca un plan de sol.

Dipol electric

Același subiect în detaliu: Antena dipol .

Tipul particular de antenă („turnichet”) bazat pe utilizarea a doi dipoli încrucișați (sus) și a două elemente reflectorizante (pasive) în partea de jos. Concepute pentru comunicații prin satelit, cei doi dipoli sunt alimentați în mod normal cu o schimbare de fază adecvată pentru a transmite sau a primi cu polarizare circulară, deoarece polarizarea, dacă este liniară, a sateliților non-geosincroni datorită mișcării lor față de Pământ este aleatorie.

Cel mai simplu tip de antenă se numește dipol : este o pereche de fire rectilinii, iar forma sa simplă, de asemenea, simplifică tratamentul său matematic. Mai mult, tocmai pentru că este simplu de studiat și ușor de construit, este adesea folosit ca termen de comparație pentru toate celelalte tipuri de antene. Aparține categoriei antenelor cu fir . În special, este alcătuit din două bucăți de cablu electric, fiecare dintre ele având o lungime de undă. Lungimea totală a dipolului este deci ½ undă. În cazul a 10 m lungimea teoretică a dipolului este de 5 m. Având în vedere lungimile acestor tipuri de antene, dipolii sunt dispuși în mod normal orizontal spre sol sau pentru a forma un V inversat cu un unghi de aproximativ 60º, în acest din urmă caz dipolul are o impedanță de aproximativ 50 ohmi (potrivit pentru un cablu tipic coaxial) și omnidirecționalitate mai mare în comparație cu dipolul răspândit orizontal care radiază în principal în doar două direcții.

Antenele dipolice au un model de radiație aproape perfect sub forma unui "8" în sensul că radiază în principal spre firul perpendicular atât în față, cât și înapoi și sunt utilizate în transmisie în difuzare ( difuzare ) (de exemplu, radio și TV ). Acestea sunt poziționate preferențial pe stâlpi înalți sau pe vârful dealurilor sau munților pentru a obține o acoperire spațială mai mare, fără interferențe din cauza prezenței obstacolelor fizice. Pe de altă parte, când dipolul montat într-o configurație V inversată, așa cum s-a menționat mai sus, diagrama de iradiere se schimbă datorită faptului că cele două brațe nu mai sunt orizontale, transmit parțial și în direcția firului și, prin urmare, menținând întotdeauna cu cât emisia este mai mare în față și în spatele acesteia, se produce o anumită iradiere și către celelalte puncte. Prin urmare, ating o omnidirecționalitate discretă, chiar dacă nu ajung niciodată să egaleze în acest sens antenele verticale care radiază uniform la 360 de grade.

Buclă electrică (dipol magnetic)

Un exemplu de antenă claxon.

Le antenne cosiddette "loop magnetico" sono costituite da un cerchio con una apertura (in genere nella parte alta) nella quale è inserito un condensatore variabile il quale provvede a sintonizzare l'antenna alla frequenza di utilizzo. Per comodità di comprensione potremmo paragonare la loop magnetica ad un dipolo ripiegato in cerchio ove le due estremità anziché finire libere in aria finiscono ai capi del condensatore variabile. Queste antenne sono caratterizzate da un basso rumore e da una marcata direttività che si esprime nella direzione del cerchio e non perpendicolare ad esso, come invece avviene nel dipolo.

In pratica si tratta di un circuito risonante a induttanza (il cerchio) e capacità (il condensatore) particolarmente curato per presentare il più elevato fattore di merito possibile. Questo fa sì che il rendimento di tale antenna sia prossimo a quello del dipolo ma mantenendo dimensioni oltremodo ridotte. Si pensi ad un dipolo che risuoni sugli 80 metri di lunghezza d'onda il quale è lungo circa 40 metri (metà onda) ebbene ha circa lo stesso guadagno di una loop magnetica di soli 3 o 4 metri di diametro.

Particolare da rilevare è che ai capi del condensatore variabile, a causa dell'elevato fattore di merito, si generano tensioni elevatissime sull'ordine di migliaia di volt. Per tale motivo in genere vengono usati condensatori sotto vuoto i quali meglio sopportano elevate tensioni senza generare scariche elettriche tra le lamine dovute appunto alla ionizzazione dell'aria interposta tra le stesse. Essendo sotto vuoto non avvengono quelle dannose scintille tra le lamine del condensatore. Ovviamente tale condensatore deve essere motorizzato con meccanismi a moto ridotto e comandabili a distanza per poter di volta in volta far risuonare l'antenna alla frequenza di utilizzo.

Antenne ad apertura

Riflettore parabolico: l'antenna vera e propria (illuminatore) è presente all'interno del dispositivo posto nel fuoco.

Si tratta di antenne nelle quali l'irradiazione del campo elettromagnetico è realizzata mediante una apertura praticata in una struttura chiusa. Sono antenne ad apertura le antenne a tromba , ma anche una semplice guida d'onda metallica troncata può essere considerata tale ( Cantenna ), e le antenne a fessure (slot). Osservando l'andamento dell'area efficace di un'antenna ad apertura, si nota come essa sia strettamente legata alla sua area geometrica, mentre il guadagno di queste antenne cresce con il quadrato della frequenza, a differenza di quanto accade per le antenne filiformi, rendendo questo tipo di antenne adatte per ottenere elevate direttività. Sono antenne ad apertura anche le antenne paraboliche dove l'illuminatore è spesso un'antenna a tromba e lo stesso riflettore della parabola può essere visto, secondo il principio di equivalenza, come un'apertura su cui scorrono le correnti (elettriche e magnetiche) irradianti il campo elettromagnetico.

Antenne ad elica

Antenna ad elica per comunicazioni WLANa 2.4 GHz

L'antenna ad elica, realizzata per la prima volta dal fisico statunitense Kraus nel 1946, presenta una struttura geometrica realizzata da un filo conduttore avvolto su una superficie cilindrica di materiale isolante o semplicemente avvolta in aria. L'antenna a elica monofilare viene caratterizzata a seconda dei suoi parametri geometrici che ne determinano anche il suo funzionamento. La conoscenza dei parametri geometrici risulta quindi fondamentale per il progetto e la realizzazione dell'antenna desiderata.

In sostanza le eliche monofilari si differenziano per il modo di radiazione, dove per modo di radiazione si intende la forma del pattern relativo al campo lontano irradiato. I principali modi di funzionamento sono quello normale e quello assiale. Il modo normale è caratterizzato dall'avere il massimo di radiazione in direzione normale all'asse dell'elica, mentre quello assiale lungo l'asse. I funzionamenti NMHA ( normal mode helix antenna ) e AMHA ( axial mode helix antenna ) sono strettamente legati alla struttura geometrica dell'elica e alla lunghezza complessiva del conduttore avvolto. L'elica è infatti in grado di irradiare in modo normale quando risulta rispettata la condizione D<<λ, che di solito implica anche L<<λ, ovvero quando la lunghezza di una spira è corta rispetto alla lunghezza d'onda.

Il funzionamento in modo normale permette un pattern di radiazione sostanzialmente isotropico, in quello assiale invece si ha un'alta direttività in direzione assiale dell'antenna con alti valori di guadagno. Un importante vantaggio delle antenne ad elica è dovuto al fatto che è possibile con essa raggiungere condizioni di risonanza, utili per un buon adattamento, con dimensioni d'antenna assai ridotte di λ/2, che costituisce la minima dimensione per un'antenna filiforme di tipo risonante. Infatti l'energia di tipo capacitivo che caratterizza le antenne filiformi corte può venire compensata dall'energia di tipo induttivo legata alla presenza delle spire. Questo vantaggio è mitigato dalla limitata larghezza di banda di frequenze a cui la risonanza si verifica.

Antenne a schiera

Una schiera di antenne (anche chiamate antenna array) è, per definizione, un insieme o allineamento di antenne non necessariamente tutte identiche, disposte linearmente (su una linea) o planarmente (su un piano), equi-orientate, alimentate in generale con ampiezza e fase distinte per ogni elemento della schiera. Una schiera può essere di tipo "passivo" ovvero con un solo radiatore e gli altri elementi passivi che svolgono funzioni di direttori e/o riflettori oppure di tipo "attivi" dove ciascun elemento è radiante. Il vantaggio di usare una configurazione a schiera sta nella possibilità di ottenere un diagramma di radiazione configurabile quasi a piacere, variando le ampiezze e le fasi delle singole antenne componenti.

Esempio di antenna direttiva Yagi-Uda

Antenne di questo tipo sono utilizzate ad esempio per la ricezione TV da casa ( antenna Yagi ) proprio perché è possibile ottenere elevate direttività e orientarle così nella direzione ottimale desiderata cioè quella dell'antenna a dipolo trasmittente a radiodiffusione. Inoltre è possibile progettare array per ottenere lobi principali e lobi nulli in posizioni desiderate. Esistono anche array programmabili, in grado cioè di modificare il loro diagramma di radiazione (in particolare il puntamento del fascio principale) modificando l'alimentazione degli elementi che lo compongono, in particolare la fase ( phased array ) ed utilizzate ad esempio nei " radar da inseguimento" operando una scansione elettronica dello spazio circostante o anche in talune applicazioni spaziali dove spostare fisicamente un'antenna o un array di antenne è un'azione spesso difficilmente praticabile anche se meccanicamente automatizzata.

Antenne a larga banda

Antenne di stazioni radio base per telefonia cellulare

Sono antenne a "larga banda" le antenne che possono irradiare e ricevere su una banda di frequenza maggiore rispetto alle antenne cosiddette "canalizzate". Sebbene un'antenna possa ricevere ed emettere sull'intero spettro elettromagnetico essa lo fa più efficacemente in corrispondenza dell'adattamento di impedenza tra guida d'onda metallica di alimentazione ed antenna stessa in modo da annullarne tutte le possibili riflessioni, effetto che via via diminuisce allontanandoci dalla condizione o frequenza di risonanza: per una determinata frequenza di emissione in ricezione il radiatore elementare adattato alla guida d'onda d'alimentazione è un dipolo a lambda/2.

La risposta in frequenza del singolo radiatore adattato ha un massimo in corrispondenza della frequenza centrale di risonanza e diminuisce più o meno rapidamente procedendo verso i bordi; componendo l'antenna con N elementi di diversa lunghezza si ottiene allora un'antenna ad array logperiodica ; se in essa si sommano le singole risposte in frequenza dei vari radiatori elementari, ciascuna centrata ad una determinata frequenza ma parzialmente sovrapposte tra loro nelle code, si ottiene una risposta in frequenza complessiva dell'antenna sufficientemente piatta ovvero uniforme su tutto l'ampio spettro di frequenze desiderato, che è una condizione altamente desiderabile per evitare/limitare anche la distorsione del segnale a banda larga, altrimenti elevata con l'utilizzo di un singolo radiatore. Altro tipo di antenna a larga banda è l' antenna biconica . Il loro uso è diffuso come antenne di ricezione nelle telediffusioni essendo i rispettivi segnali a larga banda in quanto espressione di sorgenti informative di tipo VBR.

Antenne integrate

Lo stesso argomento in dettaglio: Antenna a microstriscia .

Antenna a microstriscia

Le antenne integrate a microstriscia hanno un elemento radiante detto patch è montato su un substrato dielettrico delimitato inferiormente da un piano metallico detto ground . Tali antenne, dette antenne a patch, irradiano per effetto dei bordi del patch che nella sua struttura completa di substrato e ground può essere visto come un condensatore piano che irradia energia elettromagnetica per effetto dei bordi se opportunamente alimentato da una guida d'onda o una microstriscia. Tali antenne hanno l'indubbio vantaggio di essere antenne di dimensioni molto piccole, quindi non ingombranti e dal peso e costo minimo, utili quindi per tutta una serie di applicazioni: dalla telefonia cellulare (sia per stazioni radiobase che terminali mobili) alle applicazioni spaziali. Per ovvi motivi la ricerca verso la miniaturizzazione, la multifunzionalità nonché l'abbattimento dei costi delle antenne è uno dei campi più attivi nella ricerca sulle antenne.

Progettazione di antenne

La progettazione di antenne si fa in genere specificando il tipo di diagramma di radiazione desiderato ovvero la distribuzione nello spazio del campo elettrico e magnetico irradiato o captato, invertendo poi le relazioni base dell'irradiazione e risalendo così alla distribuzione delle correnti elettriche e magnetiche necessarie alla sua generazione.

Bibliografia

( EN ) Constantine A. Balanis, Antenna Theory, Analysis and Design
Angelo Barone, Il manuale delle antenne , Edizioni CD, 1971.
Antenne riceventi e trasmittenti , in Elettronica Handbooks , Gruppo Editoriale Jackson, 1988, ISBN 88-256-0065-8 .

Voci correlate

Altri progetti

Wikiquote contiene citazioni sull' antenna
Wikizionario contiene il lemma di dizionario « antenna »
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sull' antenna

Collegamenti esterni

Antenna , su Treccani.it – Enciclopedie on line , Istituto dell'Enciclopedia Italiana .
Antenna / Antenna (altra versione) / Antenna (altra versione) / Antenna (altra versione) , in Enciclopedia Italiana , Istituto dell'Enciclopedia Italiana .
( EN ) Antenna , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Telecomunicazioni , su scuolaelettrica.it .
Antenne Wireless: dalla teoria alla pratica Principi di funzionamento e tipologie d'antenna
Fisica delle onde radio e dei trasduttori radio-elettrici (antenne radio) , su radiondistics.altervista.org .
Reciprocità delle Antenne Approfondimenti sul principio della reciprocità delle antenne con esempi wi-fi.
Radiatore lungo multipli di ½ onda , su digilander.libero.it .

Controllo di autorità	Thesaurus BNCF 1671 · LCCN ( EN ) sh85005511 · GND ( DE ) 4002210-9 · BNF ( FR ) cb11941864c (data) · NDL ( EN , JA ) 00560275

Portale Elettrotecnica

Portale Scienza e tecnica

Portale Telefonia

V · D · M Antenne
Isotropica	Antenna isotropa
Omnidirezionale	Antenna coassiale · Antenna a dipolo · Discone antenna · Folded unipole antenna · Ground-plane antenna · Antenna ad elica · J-pole antenna · Traliccio di trasmissione · Antenna a monopolo · Antenna random wire · Rubber Ducky antenna · T2FD Antenna · Whip antenna
Direzionale	AWX antenna · Beverage antenna · Cantenna · Collinear antenna · Antenna frattale · Ground dipole · Antenna ad elica · Horizontal curtain · Antenna a tromba · Inverted vee antenna · Antenna logperiodica · Antenna a spira · Antenna a microstriscia · Patch antenna · Phased array · Antenna parabolica · Plasma antenna · Quad antenna · Reflective array antenna · Regenerative loop antenna · Rhombic antenna · Antenna a settore · Short backfire antenna · Slot antenna · Antenna turnstile · Vivaldi-antenna · Antenna Yagi
Per applicazioni specifiche	ALLISS · Ecoantenna · Rectenna · Wullenweber