ANTENNE

1. PRIMO CONVEGNO VHF/U-SHF “CITTA’ DI POMPEI” ANTENNE Sistemi di accoppiamento IK7HIN MARCELLO SURACE Pompei, 23 febbraio 2013

2. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE • In telecomunicazioni un'antenna è un dispositivo atto a irradiare o a captare/ricevere onde elettromagnetiche. Le antenne sono dispositivi in grado di convertire un segnale elettrico in onde elettromagnetiche ed irradiarle nello spazio circostante o viceversa. Un po' di storia Alcune delle prime antenne rudimentali furono costruite nel 1888 daHeinrich Hertz (1857-1894) nei suoi esperimenti volti a dimostrare l'esistenza delle onde elettromagnetiche, previste dalla teoria diJames Clerk Maxwell. La parola "antenna" che oggi usiamo così comunemente proviene però dai primi esperimenti diGuglielmo Marconi. Deriva infatti dalla stessa parola marinaresca che indica il lungo palo, trasverso rispetto all'albero, che sostiene in alto lavela quadra o latina. L'estensione dal significato originale è dovuta allo stesso Marconi (il cui padre desiderava per lui una carriera in Marina) quando osservò che, appendendo uno dei due terminali dell'oscillatore (all'epoca un cubo o una sfera di ferro stagnato) su un alto palo (appunto una "antenna"), i segnali trasmessi (e ricevuti) potevano coprire distanze molto maggiori. Iniziò così, in contrapposizione al "terminale a terra", a indicare quello in alto come "(terminale) antenna".

3. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE

4. ANTENNE L'antenna marconiana, che prende il nome da Guglielmo Marconi, ha invece uno stilo a massa ed un altro lungo lamda/4, o, se si vuole essere più esatti, il 95% di lamda/4. L'antenna hertziana ha resistenza di radiazione uguale a 73 ohm, mentre quella marconiana ha resistenza di radiazione uguale a 36,5 ohm. IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE TIPI La prima antenna fu inventata da Hertz ed ha la forma indicata in figura. Oggi l'antenna che porta il suo nome è molto usata, ad esempio nei trasmettitori e ripetitori per cellulari e per sistemi radiotelevisivi, spesso non da sola, ma in cortine .La lunghezza di ognuno dei due stili è, in prima approssimazione, lamda/4 (l/4) , o meglio, tenendo conto di un fattore correttivo del 5% in meno, è il 95% di lamda/4 (l/4) .

5. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE • L'antenna costituisce la terminazione di una linea a radiofrequenza. Lungo la linea viaggiano un'onda di tensione e di corrente che giunte all'antenna determinano su di questa un'onda stazionaria di tensione e di corrente i cui diagrammi sono rappresentati qui sotto nel caso di un'antenna hertziana.

6. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Le antenne non irradiano energia elettromagnetica con la stessa intensità nelle varie direzioni circostanti. Il diagramma di radiazione indica l'intensità di potenza che viene irradiata nelle varie direzioni dall'antenna in esame. Per meglio realizzare questo studio si è definita un'antenna, detta isotropa o isotropica, inesistente nella realtà, ma che viene comodo usare come confronto per i diagrammi di radiazione di tutte le altre antenne. Questa ha la caratteristica di irradiare in ogni direzione con la stessa intensità ed ha quindi come diagramma di radiazione una sfera che, in una rappresentazione piana, diventa un cerchio. Il guadagno di un'antenna è definito come il rapporto fra la potenza irradiata dall'antenna in esame nella direzione di massima irradiazione e la potenza che irradierebbe un'antenna isotropa nella stessa direzione se fosse alimentata con la stessa potenza.

7. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Diagramma di irradiazione di un dipolo hertziano in 3D :

8. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Direttività Sappiamo che Il guadagno di un'antenna in una certa direzione è definita invece come il rapporto tra la potenza di radiazione irradiata in tale direzione e la potenza totale irradiata in tutte le direzioni dall’ antenna isotropa. La differenza con la direttività è che quest'ultima al denominatore presenta la potenza totale in ingresso all'antenna che è solo in parte irradiata e in parte dissipata dal conduttore dell'antenna stessa. Il guadagno è sempre inferiore alla direttività di un fattore pari proprio all’efficienza η (eta) dell’antenna: G(θ,φ) = η D(θ,φ) Dove G rappresenta il guadagno, ηl’efficienza <1 , D la direttività, θ,φi parametri che individuano il campo elettrico in un punto definito dalle direzioni θ, φ (angoli misurati rispetto ai tre assi x,y,z coordinate polari). η= Nirr / Ning I materiali di cui è costituita un’antenna (conduttori e dielettrici) non sono ideali e pertanto introducono delle perdite, che fanno sì che la potenza irradiata (Nirr) sia inferiore alla potenza erogata dal generatore in ingresso all’antenna (Ning). G e D sono rapporti di grandezze omogenee espressi in Db.

9. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Guadagno Un rapporto misurato in bel si definisce come il logaritmo in base 10 del rapporto stesso. Dire che un rapporto è di 1 bel equivale quindi a dire che il rapporto stesso è di 10:1. Il rapporto espresso in bel fra due numeri o due grandezze fisiche omogenee, N1 e N2, resta quindi definito come: per essere espresso in decibel, deve essere moltiplicato per 10: Esempio: Per un dipolo hertziano il rapporto tra potenze è di N1/N2 è 1,65, in decibel quanto vale? GdB = 10 x log10 1,65 = 10 x 0,2174 = 2,174 dBi Dove N1 è la potenza del dipolo nella direzione di max irradiazione e N2 è la potenza dell’antenna isotropa ed omnidirezionale.

10. ANTENNE Elemento attivo IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE L’antenna di tipo Yagi-Udaè la più diffusa, in assoluto. La configurazione più popolare è formata da un solo elemento attivo (dipolo semplice o ripiegato), con l’aggiunta di un numero di altri non direttamente eccitati (induttivi), detti anche parassiti. L’elemento posto dietro il dipolo funzione da riflettore (il più lungo) mentre gli altri (più corti), i direttori, sono posti in avanti. Questa antenna presenta una impedenza di 33+j7.5ohm (34ohm) ed ha un guadagno di circa 6-7dBi. I conduttori utilizzati hanno uno spessore di circa 0.0036l e possono essere realizzati in alluminio o ottone. Calcoli relativi al guadagno : 6= 10xlog10 (N1/N2)-> 6/10 = log10 (N1/N2) -> N1/N2 = 100,6 -> 3,98(rapporto tra la potenza irradiata nella direzione preferenziale dalla Yagi e la stessa potenza irradiata con l’antenna omnidirezionale). La progettazione di un'antenna Yagi equivale dal punto di vista matematico alla progettazione di un filtro complesso.

11. ANTENNE Doppio riflettore Riflettore (parassita) 3 Direttori (parassiti) IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Nella Yagi 5 o più elementi, i direttori sono tre o più, il riflettore è sempre 1 (o 2 se posti entrambi alla stessa distanza dal dipolo elemento attivo).

12. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE

13. ANTENNE La polarizzazione è appunto una proprietà che descrive la direzione in cui il campo elettrico e magnetico oscillano. IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Diagrammi di radiazione sul piano orizzontale Diagramma di radiazione sul piano verticale

14. ANTENNE a = 34, 54° IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Apertura del lobo di radiazione: Per convenzione si definisce l’angolo di apertura del lobo di radiazione , l’angolo formato dalle direzioni dove la potenza è pari al 50% del suo valore massimo lungo la direzione di massima potenza irradiata. Questo valore corrisponde a -3db. Vediamo l’esempio dell’antenna 8JXX2:

15. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE La larghezza di banda è l’intervallo di frequenza che un’antenna è in grado di ricevere o su cui è capace di irradiare mantenendo impedenza resistiva; La larghezza di banda di un’antenna è definita come quell’intervallo di frequenze all’interno delle quali le prestazioni dell’antenna (riferite a una determinata caratteristica) si mantengono entro un determinato standard. • Le antenne log-periodiche (o logaritmiche) sono costituite da una serie di dipoli, tutti alimentati, equiorientati ed allineati lungo un asse ortogonale ai dipoli. Il rapporto tra la lunghezza di un elemento e quella del successivo, nonché il rapporto tra la distanza tra due elementi e quella tra i due successivi, sono costanti (l’antenna scala in sé stessa periodicamente). Ogni dipolo risuona ad una determinata frequenza. A tale frequenza quel dipolo si comporta da dipolo alimentato, mentre gli altri sono circa passivi (a causa dell’alta impedenza che limita la corrente in ingresso) e fungono da riflettori e direttori. • Si ha dunque un comportamento simile a quello di una Yagi-Uda, ma questa volta su una banda larghissima (in teoria infinita se l’allineamento non fosse troncato). • In pratica, il dipolo più lungo determina la frequenza minima di funzionamento, mentre quello più corto determina la frequenza massima di funzionamento. Il campo è ancora polarizzato linearmente, come per il singolo dipolo.

16. ANTENNE IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE RICAPITOLANDO I parametri che definiscono un’antenna sono: • diagramma di radiazione; • apertura a -3 dB (lobo di radiazione); • direttività; • guadagno; • efficienza; • polarizzazione; • impedenza di ingresso; • larghezza di banda.

17. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Formula di accoppiamento antenne di DL6WU Guenter Hoch: Distanza = (l/2) / sin(a/2) Esempio:l/2 = C/2/n =149/144,3=1,032ma/2= 17,27° D = 1,032 / sin 17,27 =1,032/0,2968 = 3,47 m Si possono ottenere buoni risultati con distanze fino al 90% di quelle fornite dalla formula, se si vogliono le antenne più vicine.Distanze inferiori provocheranno una riduzione del fattore G/T.

18. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Che cosa è il fattore G/T? Per stazione ricevente intendiamo la parte terminale di un collegamento radio, costituita dall'antenna ricevente, dal ricevitore e dalla linea di trasmissione (se presente) necessaria per connettere questi due sistemi. Assegnata una stazione ricevente, per essa si definisce un fattore di merito G/T, nel senso già visto che il rapporto segnale/rumore del collegamento radio risulta essere proporzionale ad esso. Tuttavia il fattore G/T può essere valutato in un punto qualsiasi della stazione ricevente, risultando come vedremo invariante rispetto ad esso. Allora, come definizione generale, G indica il guadagno di potenza disponibile dell'insieme dei blocchi della catena ricevente che si trovano a monte del punto ove valutiamo il fattore di merito. Riguardo al termine T, esso assume il significato già detto di temperatura di rumore di sistema, valutata nel punto considerato. Essa quindi tiene conto del rumore che si genera internamente agli apparati della stazione ricevente e di quello esterno captato dall'antenna ricevente, ma come già detto, non considera quello generato dagli apparati trasmittenti, in quanto trascurabile rispetto al segnale utile: in tal senso quindi possiamo attribuire tale fattore di merito alla sola stazione ricevente.

19. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO 3,47 m 3,29 m IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Dove è riportato piano E ed H è da intendersi per un dipolo verticale, polarizzato verticalmente:E (elevation=verticale) e H (horizontal=orizzontale). E’ fondamentale rispettare la simmetria di alimentazione nel caso di accoppiamenti di più antenne yagi, per non rischiare alimentazione in controfase. Nella polarizzazione orizzontale invece: E (Elettric-plane = piano Azimutale)H (Magnetic-plane = piano Zenitale e/o di elevazione)

20. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Vi sono due sistemi di accoppiamento per due o più antenne per ottenere l’impedenza di 50 W pari all’uscita del TX/RX : Con accoppiatore. Con spezzoni di cavo coassiale a 75 W opportunamente tagliati. Caso a. Un accoppiatore coassiale è un trasformatore di impedenza per riportare 50 ohm al cavo di discesa dopo aver accoppiato due o più antenne ed è costituito da una linea lambda/4 determinata dalla formula: Zo = za x 50 dove za è l'impedenza determinata dal numero di antenne da accoppiare, es.: 25 ohm per due antenne e 12.5 ohm per quattro etc.Considerando che l'impedenza di una linea in aria (ambedue i tubi tondi) è determinata dalla formula: Zi =138 log D/d

21. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO d D 0,516 La lunghezza dell’accoppiatore sarà l/4 pari e nell’aria con fattore di velocità 1 per i 144 Mhz risulterà 0,516 m. La progettazione termina qui. IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE In entrambi i casi le formule da tenere presenti sono le seguenti: Zo = za x 50 (con za = 25 Wper 2 ant. accoppiate) Zo = 35,35 W;Zi = 138 log D/d;Zo=Zi ->35,35/138 =0,256= log D/d D/d =1,8 fissato D si ottiene d=D/1,8

22. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Caso b. Nel caso volessimo usare dei cavi l’impedenza necessaria per il trasformatore la otterremo combinando opportunamente cavi da 75 W.Un esempio pratico può essere il seguente: ammesso di lavorare con centro banda a 144,255 MHz avendo a disposizione un cavo il cui fattore di velocità sia 0,66 allora la misura di  λ/4  = ( 75 : 144, 255) x 0,66 = lunghezza cavo = 0,34 m, quindi dovrete tagliare uno spezzone di cavo la cui calza risulti di tale lunghezza, dopo aver liberato gli estremi sia dalla guaina sia dalla calza in eccesso..

23. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO 12,5 ohm massa 0,34 m = massa IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE Considerate la figura : dobbiamo collegare un sistema di 4 antenne direttive con Za = 12,5 W (potrebbero essere 4 Yagi 50/4= 12,5) ad una linea di alimentazione da 50 ohm:Zo = za x 50 =  25 W ;ci occorre allora un'impedenza intermedia di 25 ohm e la otterremo con tre spezzoni, che abbiamo preparato come descritto (1/4 onda) di cavo da 75 W (75 / 3) = 25 W 50 ohm

24. SISTEMI DI ACCOPPIAMENTO Per finire un “array” di 4 yagi x 11 elementi FR montato in portatile Dall’Apulia Vhf team (I7FFE, IK7MOI,IK7MCD, IK7HIN) nel lontano novembre 1996 in occasione del Marconi Memorial Contest CW Vhf sulla Murgia barese tra i trulli. (località Monte Serio m.441 s.l.m. in JN80OT). L’accoppiamento Antenne-TX/RX fu realizzato con cavi a 75 W del tipo RG216 a/u Mil M17. ROS 1: 1,1. Alcune immagini presenti sono di proprietà esclusiva del prof. Francesco Buffa, fonte: http:www.ilmondodelletelecomunicazioni.it IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE

25. GRAZIE DELL’ATTENZIONEinfo@ik7hin.it IK7HIN Marcello Surace: ANTENNE