Capire le antenne: polarizzazione, guadagno, etc.

Le antenne sono componenti essenziali di tutte le apparecchiature radio e in quest’articolo vogliamo capirne le caratteristiche principali. Le prime antenne furono costruite nel 1888 dal fisico tedesco Heinrich Hertz nei suoi pionieristici esperimenti per dimostrare l’esistenza delle onde previste da James Clerk Maxwell. Hertz posizionò le antenne a dipolo nel punto focale dei riflettori parabolici sia per la trasmissione che per la ricezione. A partire dal 1895, Guglielmo Marconi iniziò lo sviluppo di antenne pratiche per la telegrafia senza fili a lunga distanza, per la quale ricevette un premio Nobel.

In ingegneria radio, un’antenna è l’interfaccia tra le onde radio che si propagano attraverso lo spazio e le correnti elettriche che si muovono in conduttori metallici, utilizzate con un trasmettitore o un ricevitore. Nella trasmissione, un trasmettitore radio fornisce una corrente elettrica ai terminali dell’antenna e l’antenna irradia energia dalla corrente sotto forma di onde elettromagnetiche (onde radio). In ricezione, un’antenna intercetta una parte della potenza di un’onda radio per produrre una corrente elettrica ai suoi terminali, che viene applicata ad un ricevitore da amplificare.

Un’antenna è una schiera di conduttori (elementi), collegati elettricamente al ricevitore o al trasmettitore. Le antenne possono essere progettate per trasmettere e ricevere onde radio in tutte le direzioni orizzontali allo stesso modo (antenne omnidirezionali), o preferibilmente in una direzione particolare (antenne direzionali, ad alto guadagno o “a fascio”). Un’antenna può includere componenti non collegati al trasmettitore, riflettori parabolici, trombe o elementi parassiti, che servono a dirigere le onde radio in un fascio o altro schema di radiazione desiderato.

Alcuni comuni tipi di antenne per radio amatoriali.

Le antenne sono caratterizzate da una serie di misure prestazionali a cui un utente è di solito interessato nella selezione o progettazione di un’antenna per una particolare applicazione. Un diagramma importante in tal senso è quello delle caratteristiche direzionali nello spazio che circonda l’antenna: il diagramma di radiazione. Esso è un diagramma dell’intensità di campo relativa delle onde radio emesse dall’antenna a diverse angolazioni nel campo lontano. In genere è rappresentato da un grafico tridimensionale o da grafici polari delle sezioni trasversali orizzontale e verticale.

Il diagramma di radiazione di un’antenna isotropica ideale, che si irradia equamente in tutte le direzioni, assomiglia a una sfera. Molte antenne non direzionali, come i monopoli e i dipoli, emettono la stessa potenza in tutte le direzioni orizzontali, con la potenza che cade ad angoli più alti e più bassi; questo si chiama diagramma omnidirezionale e quando tracciato sembra un toro o una ciambella. In generale, la radiazione di molte antenne mostra un diagramma caratterizzato da massimi o “lobi” a vari angoli, separati da angoli in cui la radiazione scende a zero.

Diagrammi di radiazione di un’antenna direttiva Yagi.

In un’antenna direzionale progettata per proiettare le onde radio in una direzione particolare, il lobo in quella direzione è progettato più grande degli altri ed è chiamato “lobo principale”. Gli altri lobi di solito rappresentano radiazioni indesiderate e sono chiamati “laterali”. I diagrammi polari (e quindi l’efficienza e il guadagno) delle antenne Yagi sono più stretti se l’antenna è sintonizzata per un intervallo di frequenza più stretto, ad es. l’antenna raggruppata rispetto alla banda larga. Vedi anche il nostro articolo Qual è la miglior antenna per uno scanner? , che puoi trovare qui.

La polarizzazione di un’antenna e la sua importanza    

Cosa può accadere se le antenne alle estremità opposte di un collegamento radio VHF o UHF non utilizzano la stessa polarizzazione? I due campi componenti di un’onda elettromagnetica (EM), il campo elettrico e il campo magnetico, oscillano ciascuno con specifici orientamenti spaziali. Cioè, i campi variano da valori positivi a negativi in una direzione particolare mentre si muovono nello spazio libero. Inoltre, le direzioni di oscillazione dei due campi componenti sono perpendicolari l’una all’altra.

Un modello semplificato di una forma d’onda elettromagnetica.

L’orientamento delle oscillazioni del campo EM viene definito polarizzazione. La normale convenzione è quella di utilizzare l’orientamento del campo elettrico come riferimento per la descrizione della polarizzazione. Quindi, ad esempio, se il campo elettrico sta oscillando su e giù mentre accelera, diciamo che il segnale è polarizzato verticalmente. Se invece il campo elettrico oscilla a destra e sinistra mentre si propaga, diciamo che il segnale è polarizzato orizzontalmente.

Potete immaginare che il campo elettrico possa oscillare in qualsiasi orientamento da perfettamente verticale a perfettamente orizzontale, rispetto alla superficie terrestre. E il campo magnetico sarà sempre lì con esso, mantenendo un’oscillazione ruotata di 90 gradi dalle oscillazioni del campo elettrico. Naturalmente, la radiazione a radiofrequenza (RF) è un tipo di radiazione elettromagnetica, quindi ha una polarizzazione caratteristica che descrive la direzione oscillante del componente del campo elettrico.

Ora potresti chiedere: “Come faccio a sapere la polarizzazione dei miei segnali RF, o come posso controllarla, e perché me ne importa?”. La polarizzazione dei segnali RF è determinata dall’orientamento dell’antenna – almeno, è determinata dall’orientamento dell’elemento guida dell’antenna, dove si collega la linea di alimentazione (la cosiddetta feedline). Il campo elettrico emanerà dalla tua antenna con oscillazioni avanti e indietro lungo la lunghezza del tuo elemento radiante. È così per tutte le antenne lineari come quelle a ¼ d’onda verticali, a per i dipoli a ½ onde e per le Yagi direzionali.

Esempio di antenna orientata per avere polarizzazione orizzontale o verticale.

Quindi, se si tiene l’antenna in verticale, la polarizzazione del segnale sarà verticale. Se si tiene l’antenna orizzontale rispetto al terreno, la polarizzazione del segnale sarà orizzontale. Tenete l’antenna a 45 gradi e le oscillazioni del campo elettrico corrisponderanno a tale orientamento. L’antenna a ¼ d’onda verticale posta sul tetto della tua auto produrrà segnali polarizzati verticalmente. Il dipolo a filo per la banda di 10 metri stretto e livellato tra un paio di alberi irradierà forme d’onda polarizzate orizzontalmente. Lo Yagi portatile a 3 elementi per i contatti satellitari è polarizzato con l’orientamento dell’elemento guida centrale.

Normalmente, le comunicazioni VHF e UHF FM simplex e anche le comunicazioni del ripetitore FM vengono condotte utilizzando la polarizzazione verticale. Normalmente, le comunicazioni single bandband (SSB) e CW su VHF e UHF saranno condotte con polarizzazione orizzontale. E importa che le stazioni alle estremità opposte di tali comunicazioni in linea di vista stiano usando la stessa polarizzazione!

Infatti, affinché un segnale radio induca tensioni su un’antenna ricevente con la massima intensità possibile, il segnale radio e l’antenna devono avere una polarizzazione identica, in modo che il campo elettrico del segnale e la lunghezza dell’elemento dell’antenna siano allineati tra loro. Maggiore è la differenza di polarizzazione tra segnale e antenna ricevente, più deboli sono le correnti indotte nell’antenna, a causa della relativa mancanza di allineamento.

Esiste anche una polarizzazione circolare, in cui l’angolo di polarizzazione cambia con la propagazione dell’onda in una rotazione oraria o antioraria. Vedi questa eccellente illustrazione. Con una propagazione debole del segnale mediante riflessione ionosferica, la polarizzazione dei segnali diventa spesso randomizzata, rendendo impossibile una corrispondenza coerente tra polarizzazione e ricezione dell’antenna. Quindi, si hanno segnali deboli sia per la distanza sia per la polarizzazione casuale.

La polarizzazione lineare e quella circolare a confronto.

La polarizzazione delle antenne a “loop” – come quad, delta loop e altre – è determinata dalla posizione del punto di feed dell’elemento guida. La risposta alla domanda iniziale, “Cosa può accadere se le antenne alle estremità opposte di un collegamento radio VHF o UHF non utilizzano la stessa polarizzazione?” è dunque la seguente: i segnali potrebbero essere significativamente più deboli.

Il guadagno di un’antenna e la sua scala di misura

Il guadagno di un’antenna – che dipende dalla sua geometria e dalla frequenza di lavoro – è definito rispetto a un’antenna di riferimento. In tal senso, è comune esprimere il confronto tra il guadagno dell’antenna in esame e un dipolo a semionda, ed in tal caso il guadagno è indicato in decibel con l’unità di riferimento dBd (l’ultima “d” per “dipolo”). Anche un’antenna isotropica è considerata un punto di riferimento comune, ed in tal caso il guadagno rispetto ad essa è indicato con dBi (“i” per isotropico).

Ricordiamo che un aumento o una riduzione di 3 dB equivale a un fattore di confronto di 2. Quindi, un’antenna che offre 3 dBi di guadagno fornirà il doppio della potenza del segnale (nel suo modello di trasmissione del lobo principale) rispetto alla stessa trasmissione con un’antenna isotropica teorica che irradia equamente in tutte le direzioni, come una sfera. Se la specifica dell’antenna indica 6 dBd, fornisce un guadagno del lobo principale 4 volte superiore a quello di un’antenna a dipolo.

Un’antenna ground plane a 1/4 d’onda auto-costruita, che ha un guadagno di 3 dB.

Qual è la differenza di guadagno tra un’antenna Yagi a 3 elementi e un’antenna a dipolo? Circa 6 dB. Nei corsi per radiotecnici si imparano due regole pratiche sui decibel che ti fanno superare l’esame e ti forniscono una comprensione rudimentale del loro utilizzo: un raddoppio o dimezzamento della potenza equivale a una variazione di circa 3 dB; una variazione di potenza di 10 volte equivale a una variazione di 10 dB. Queste due regole tendono a coprire circa il 90% degli scenari tipici di applicazione per la maggior parte dei radioamatori, dai novizi a quelli di livello intermedio.

Ma vediamo se riusciamo a comprendere meglio i decibel, la loro utilità nella radio amatoriale e nell’elettronica e come usarli con un po’ più di raffinatezza. I decibel sono usati per fare confronti tra due misure. La misura più comune per il confronto nella radio amatoriale, per la quale vengono utilizzati i decibel, è la potenza o l’intensità del segnale. Una tipica antenna Yagi a 3 elementi fornirà un aumento di circa 6 dB nella potenza del segnale (guadagno) rispetto alla potenza del segnale di un’antenna dipolo.

Dunque, è un confronto con l’antenna a dipolo, che è lo standard con cui viene confrontato lo Yagi. Nessuno standard per il confronto non implica alcun uso di decibel. “Ma perché” ti chiederai, “si usa una unità strana come il decibel per fare paragoni, invece che semplici numeri?”. La risposta è “per comodità”, anche se potresti non considerare i decibel così utili se non hai lavorato un po’ con essi.

Il guadagno di un’antenna in generale aumenta con la direzionalità.

Supponiamo che tu usi un trasmettitore da 100 watt per inviare un segnale a diverse migliaia di chilometri oltre l’orizzonte sulla banda dei 10 m. Il segnale viene ricevuto da una stazione in Australia che genera una tensione sull’antenna ricevente di circa 10 µV (10 microvolt o 0,000010 volt). Entrando nell’impedenza dell’antenna australiana da 50 ohm, ciò genera una potenza del segnale di circa 2 pW (2 picoWatt o 0,000000000002 Watt). Si ha una vasta gamma di valori di potenza da considerare: da 100 W a 2 pW.

Se volessimo confrontare l’intensità del segnale trasmesso con l’intensità del segnale ricevuto, il confronto è simile al seguente: (100 W / 0.000000000002 W) = 50.000.000.000.000 volte più grande. Questo è un grande gruppo di zeri che segue il 5 e ci dicono che la potenza del segnale trasmesso è 50 trilioni (5 x 10^13) volte maggiore della potenza del segnale ricevuto. Vedi quanto possono essere difficili questi confronti convenzionali quando entriamo in grandi differenze di valori?

E questo non è nemmeno un esempio estremo, quindi a volte abbiamo bisogno di confrontare i valori in una gamma molto ampia di potenziali magnitudini, ed i confronti decimali convenzionali sono un po’ goffi per tali confronti a causa della necessità di tenere traccia di tutti quegli zeri. I decibel offrono una soluzione più elegante per confrontare i valori in una vasta gamma di magnitudini e sono ampiamente utilizzati nell’ingegneria RF, nelle applicazioni elettriche e semplicemente nelle operazioni radioamatoriali.

I decibel sono il modo standard in cui i radioamatori confrontano la potenza del segnale o caratterizzano il guadagno dell’antenna, indipendentemente dal numero di zeri coinvolti. Il decibel, infatti, è un’unità logaritmica. Un logaritmo è l’inverso di un esponente e potresti pensare a un logaritmo come qualcosa che ti dice “quanti 10 sono stati moltiplicati insieme” in un numero. Dai un’occhiata alla tabella qui sotto.

Corrispondenza fra un ordine di grandezza (numero) e il suo logaritmo (in base 10).

Il valore decimale dei numeri è riportato nella colonna più a sinistra della tabella. La colonna centrale rappresenta il corrispondente numero di multipli del numero 10. Ad esempio, il numero 100 è uguale a 10 x 10. Il numero 1.000 è uguale a 10 x 10 x 10 e così via (la cifra 1 è sempre inclusa in anticipo per coerenza, in particolare per i valori frazionari come segue). Per valori decimali inferiori a 1 si applica lo stesso concetto, solo che la rappresentazione in “10” è ottenuta dividendo ripetutamente per una quantità di 10. Quindi 0,01 (un centesimo) corrisponde a 1 ÷ 10 ÷ 10.

Si noti che la colonna più a destra indica quanti 10 sono stati moltiplicati o divisi per ottenere il numero nella colonna più a sinistra. Per il numero 100 il logaritmo è 2, il che significa che due 10 vengono moltiplicati per ottenere 100. Per 1000 tre 10 vengono moltiplicati. Per i valori frazionari il numero di 10 divisi è rappresentato come un numero negativo. Questo numero di “10 multipli” nella colonna di destra è il logaritmo del numero di colonna di sinistra (in particolare, è il logaritmo in base 10, ma in questo articolo non vogliamo confonderemo il lettore con la matematica).

Quindi, qual è il logaritmo della potenza del nostro segnale trasmesso da 100 W? È facile, il logaritmo di 100 è 2. E quello del segnale 2 pW ricevuto? Il logaritmo del segnale debole è circa -12 (usando un calcolatore scientifico puoi prendere il logaritmo di 0,000000000002 e trovare il valore è -11,7, arrotondato allo 0,1 più vicino). Il logaritmo in base 10 di un numero è anche noto come “bel”, in onore di Alexander Graham Bell, rispetto all’unità (1). Il bel è un’unità che viene usata raramente, ma se la dividi in 10 parti hai l’unità dei decibel. Dieci decibel comprendono un bel o un multiplo di 10.

Due diverse rappresentazioni dei decibel.  

Ora possiamo renderci conto del potere dei decibel! Abbiamo detto in precedenza che un’antenna Yagi a 3 elementi fornisce un guadagno del segnale su un’antenna a dipolo di circa 6 dB. Cosa significa questo in termini di rapporto di potenza? Vediamo dal grafico o dalla tabella che 6 dB equivalgono a un aumento di potenza di circa 4x: il segnale direzionale dell’antenna Yagi sarà circa 4 volte maggiore del segnale del dipolo nella direzione del lobo principale dello Yagi o nella sua direzione di puntamento.

Che cosa succede se acquisti un cavo coassiale con una perdita caratteristica a 28 MHz di 2 dB per 30 metri di cavo e ne usi 30 metri per raggiungere l’antenna nella banda di 10 m? Quanta potenza trasmessa raggiungerà l’antenna? Dal grafico o dalla tabella possiamo stimare che -2 dB si traduca in un rapporto di potenza di circa due terzi, o circa 0,67. Pertanto, circa il 67% della potenza trasmessa raggiungerà l’antenna, il resto viene perso a causa del calore nel cavo. Usa solo la metà del cavo coassiale per raggiungere l’antenna e perdi solo la metà della potenza, o -1 dB, con un rapporto di potenza di circa l’80%.