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L'INVENZIONE

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TRASMETTITORI
LE ANTENNE

Per antenna, si intende un dispositivo che é correlato alla risonanza quindi che può contribuire attivamente alla selezione di frequenza.

Non sono considerate antenne, nel senso stretto del termine, i "pezzi di filo", gli stili estensibili o simili, la cui denominazione piú corretta dovrebbe essere captatore.

Vi chiederete il perché, ed é presto detto. Se dobbiamo fornire al ricevitore un sistema che abbia al termine una impedenza definita, tipicamente 50 ohm, talvolta 600 ohm, allora solo un'antenna, in qualche modo risonante, potrà fornire tale parametro.

Fatta chiarezza su questo concetto base vediamo in cosa può tradursi praticamente quanto richiesto.

E fondamentale capire come installare correttamente l'antenna.

Basterebbe una parola: ALTA, PIÙ ALTA. Così é risolto ogni problema. In verità non solo alta, ma sopratutto libera da ostacoli circostanti.

Se si risiede in campagna, l'antenna, supponiamo una verticale, va bene posta anche un metro sopra il terreno, ma a patto che non vi siano case attorno.

Alta sul tetto, sempre, se si risiede in città.

Prestare attenzione alla protezione dalle scariche statiche che si formano su tutti i tipi di antenna ma, chissà perché si formano di piú sulle verticali.

Per quanto riguarda l'installazione, comunque é differente per ogni tipologia di antenna, tuttavia é importante ricordare che le onde elettromagnetiche si propagano nell'etere in modo chiaro e preciso e, se l'antenna viene posta in punti coperti o comunque circondati da abitazioni e/o in vicinanza di altre antenne trasmittenti in bande diverse e contrastanti, la resa sarà del tutto inferiore rispetto alla norma.

Le varie tipologie di antenne si caratterizzano anche in base al loro guadagno (espresso in DB).

Qui vengono analizzate le seguenti tipologie di antenne:

  1. DIPOLO 1/2 ONDA
  2. WINDOM
  3. VERTICALI
  4. FOLDED DIPOLE
  5. GROUND PLANE



Dipolo 1/2 onda

Il dipolo in posizione definitivaÈ l'antenna classica, di paragone e confronto di tutti i sistemi riceventi. Composta da un conduttore, filo o tubo, la cui lunghezza é circa ½ onda, interrotto al centro per prelevare il segnale. Il punto centrale é definito di alimentazione e l'impedenza alla risonanza é di 73 ohm.

Dal punto di vista dell'alimentazione si raccorda ad un cavo da 75 ohm che raggiunge il morsetto d'antenna del ricevitore.

Poiché l'antenna é bilanciata, anche il cavo dovrebbe essere in piattina da 75 ohm, ma l'uso di un cavo coassiale, che é sbilanciato, consente un buon trasferimento del segnale captato verso il radioricevitore senza molti problemi.

Il dipolo ha alcune particolarità non trascurabili. Ad esempio funziona ancora bene alle frequenze armoniche dispari; se di lunghezza ½ onda a 75 metri (risonante cioé su 4 MHz) funzionerà bene anche sui 25 metri (pari a 12 MHz) e così via, mantenendo anche un'impedenza accettabile.

Si possono appaiare due o tre dipoli stesi a ventaglio e con il punto di alimentazione comune. Le lunghezze ovviamente saranno diverse: per tre dipoli si avranno quindi tre risonanze dirette ed altre tre in armoniche: non é male per dei semplici pezzi di filo.

La minima frequenza di risonanza per un dipolo é ad un certo punto bloccata dalla lunghezza e si può considerare limite la frequenza di 1,6 MHz (pari a 190 metri circa) per la quale il dipolo deve essere lungo ben 85 metri: una misura difficilmente installabile, impossibile in città (ma non nei DX Camp, N.d.R.).

Del dipolo vi sono anche versioni appositamente studiate per uso multibanda. Una di queste é dovuta all'Ing. Varney G5RV e così conosciuta. È un dipolo lungo 31 metri con alimentazione centrale. Richiede poi una linea di discesa in scaletta a 400-600 ohm o in piattina da 300 ohm, lunga circa 10 metri. A questo punto il valore medio di impedenza é prossimo a 70 ohm sul range di frequenze da 3,5 MHz (pari a 85 metri) a 29 MHz (pari a 10 metri), e quindi vi si può connettere un cavo a 75 ohm che raccorderà il ricevitore. È un'ottima ed efficiente antenna, il cui solo problema sta nel fatto che il tratto di discesa a 300 ohm deve essere verticale, libero e lontano da ostacoli: non può essere fissato al muro!

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Windom

Un'altra antenna con spiccata attitudine multibanda é la WINDOM. Si tratta di un dipolo con alimentazione fuori centro, la cui lunghezza é ½ onda alla frequenza piú bassa e ha risonanze armoniche e evidenti. Il punto di alimentazione é circa 1/3 della lunghezza: una windom lunga 40 metri sarà composta da un braccio lungo 13,3 metri e da un altro di 26,6 metri circa. Avrà risonanza sulle bande dei 10, 20, 40 e 80 metri circa. L'impedenza al punto di alimentazione é circa 300 ohm per cui, di solito, si utilizza un adatto trasformatore con rapporto 6:1 ed in discesa un cavo da 50 ohm.

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Verticali

Le antenne verticali sono, in pratica, dei mezzi dipoli e quindi vanno considerate con gli stessi criteri.

Un punto fondamentale é che per funzionare bene devono usufruire di un piano di terra vero o artificiale; vero, nel caso siano montate in giardino o nell'orto, nel quale sono infisse puntazze di tipo elettrico per terre, poi raccordate alla base e alla calza del cavo di alimentazione; artificiale se l'antenna é montata a tetto. La terra artificiale si potrà realizzare con una rosa di fili disposti a raggera attorno alla base a cui saranno connessi oppure, se il tragitto é breve, raccordati alla base del sistema di armatura dell'edificio. in ogni modo un sistema di terra é necessario altrimenti l'antenna non entra in risonanza.

Quando la verticale é risonante presenta un'impedenza di 35-40 ohm se la sua altezza é ¼ d'onda, sarà quindi effettuata una discesa in cavo coassiale da 50 ohm. Anche la verticale presenta risonanze alle armoniche dispari come il dipolo.

Da notare che potendo installare una verticale lunga 15,5 metri si avrebbe lo stesso comportamento relativo alla G5RV e il cui valore di impedenza sarebbe, senza uso della piattina, prossimo a 150 ohm per lo stesso range di frequenze. Se la si realizzasse lunga 7,75 metri, la frequenza piú bassa sarebbe la banda dei 41 metri (pari a 7,1 MHz). 

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Folded Dipole (dipolo ripiegato)

Il dipolo ripiegato é una delle antenne piú usate, forse la piú usata in assoluto, in quanto fa parte della stragrande maggioranza delle antenne Yagi-Uda per TV. Il principio di funzionamento é abbastanza semplice; se pensiamo un comune dipolo, e gli disponiamo parallelamente, molto vicino (di solito a centesimi di lunghezza d'onda) un altro dipolo cortocircuitato al centro, il secondo dipolo é percorso da una corrente indotta dal primo e, data l'estrema vicinanza, le due correnti sono praticamente uguali.

Da un punto molto distante quindi si vede il campo di due dipoli che irradiano nello stesso modo; poiché essi sono molto vicini e le loro correnti sono praticamente in fase, il campo totale é sostanzialmente la somma dei due campi. Poiché la potenza va con il quadrato del campo (come del resto va con il quadrato della tensione e della corrente), la potenza irradiata a parità di corrente é quattro volte maggiore di quella del dipolo singolo, e poiché P=RxI, é evidente che si deve avere una resistenza di radiazione quadrupla rispetto a quella appunto del dipolo singolo.

Dal momento che quest'ultimo ha resistenza di radiazione intorno ai 72 ohm , si vede che il dipolo ripiegato ha resistenza di radiazione di circa 290 ohm , che normalmente si arrotondano a 300 ohm (il 3%, in elettronica, é una differenza trascurabile, salvo quando si tratti di costi di produzione...).

Il diagramma di irradiazione della struttura così ottenuta é praticamente uguale a quello del dipolo, perché sia la distanza che lo sfasamento tra le due antenne sono praticamente zero. In sostanza, si può pensare al dipolo ripiegato come ad una schiera formata da due dipoli (quasi) coincidenti.

Gli estremi dei due dipoli presentano sempre la stessa tensione, perché le alimentazioni sono in fase; quindi si può usare un conduttore metallico per collegare fisicamente gli estremi stessi, semplificando molto il mantenimento del parallelismo tra i due dipoli costituenti il sistema.

Perché usare il dipolo ripiegato? Ci sono parecchi validi motivi:

  1. la resistenza di radiazione elevata garantisce un'alta efficienza anche in presenza di perdite non proprio contenute;
  2. nel caso di antenne a schiera end-fire, come le Yagi-Uda, la resistenza di radiazione si abbassa all'aumentare del numero di elementi, per cui usare un dipolo ripiegato mantiene piú elevata la resistenza di radiazione finale, semplificando l'adattamento (e, come sopra, riducendo il fattore di perdita);
  3. la costruzione meccanica dà notevole robustezza all'assemblaggio, che risulta quindi piú solido di altre antenne;
  4. la costruzione é semplice ed economica, perché si può ottenere da un unico profilato metallico piegato opportunamente (da cui il nome di dipolo ripiegato);
  5. il centro del dipolo cortocircuitato presenta sempre tensione nulla, quindi può essere messo a terra senza tante storie... in particolare, può essere avvitato senza problemi ad un tubo metallico (il 'boom' o 'boma' dell'antenna), cosa che non si può fare con il dipolo semplice;
  6. per potenze modeste, od antenne solo riceventi, si può utilizzare una discesa bilanciata in linea bifilare, usando la piattina in politene da 300 W , che ha perdite relativamente basse e costa poco (ma ormai é difficile da trovare!).

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Antenne ad un solo braccio: la Ground-Plane

Se poniamo una lampada sopra uno specchio (perfetto), ad una certa distanza da esso, da sopra lo specchio vediamo due lampade; in maniera del tutto analoga, se appoggiamo verticalmente su uno specchio un braccio di dipolo (cioé uno stilo semplice), vediamo due bracci, cioé un dipolo intero.

Possiamo approfittare di questo fatto per realizzare un'antenna lunga solo la metà di quanto dovrebbe essere, usando uno specchio riflettente al posto dell'altra metà. Lo specchio in questione non é altro che un piano conduttore sufficientemente esteso; il piú comune tra i piani conduttori é la terra, per cui questo viene spesso chiamato 'piano di terra'.

ground plane Il campo elettrico irradiato dal singolo braccio é la metà di quello complessivo prodotto dal dipolo, per cui la potenza irradiata dovrebbe essere un quarto; però lo specchio rimanda in su tutta la potenza che viene irradiata verso il basso (il mezzo lobo inferiore), perciò, nel complesso, la potenza irradiata sopra al piano di terra é la metà di quella prodotta da un dipolo intero a parità di corrente (mentre sotto al piano di terra é zero!). Di conseguenza, la resistenza di radiazione é la metà di quella che del dipolo semplice, vale a dire circa 36 ohm (per questo motivo un tempo si suggeriva di alimentare questo tipo di antenne con due cavi di impedenza caratteristica pari a 75 ohm in parallelo tra loro). L'efficienza di queste antenne é quindi di principio relativamente piú bassa di quella del dipolo semplice, a parità di materiali utilizzati. Ma la principale diminuzione d'efficienza é causata dalla qualità dello specchio impiegato; infatti, se questo non é perfettamente conduttore, la riflessione é solo parziale, ed una parte significativa della potenza va persa nello scaldare lo specchio stesso. Per questo motivo si usano vari metodi per migliorare l'efficienza del piano di terra; nel caso di frequenze molto alte, é possibile usare un disco metallico solido, ma a frequenze basse le dimensioni rendono proibitiva questa soluzione (l'antenna ground-plane é spesso usata in onde medie e lunghe). Allora si ricorre ad un insieme di conduttori, interrati o sospesi, che permettano di abbassare le perdite del terreno riducendone la resistenza elettrica; nelle esecuzioni professionali, i conduttori possono essere due-trecento, e talvolta di piú, oppure può essere usata una rete metallica interrata a qualche centimetro di profondità. Nelle esecuzioni amatoriali, questo tipo di soluzione é chiaramente inattuabile. Si deve quindi accettare un compromesso ragionevole, che si basa sul seguente ragionamento: alcuni radiali posti orizzontalmente e connessi elettricamente in un punto centrale, possibilmente spaziati ad angoli regolari, costituiscono una linea di trasmissione radiale, cioé nella quale le onde elettromagnetiche viaggiano in direzione radiale dal centro alla periferia e viceversa. Se questa linea é lunga esattamente un quarto d'onda, si comporta come un trasformatore a lambda quarti, e fa vedere all'ingresso (cioé al centro) il reciproco dell'impedenza di carico; se la linea é aperta all'estremità, si vede il reciproco di un circuito aperto, cioé un cortocircuito (o quasi). Le perdite sono allora abbastanza contenute e il tutto può funzionare (relativamente) bene; naturalmente, sempre che i radiali siano in numero sufficiente a simulare decentemente una linea radiale... e tre non é un numero sufficiente!

C'é anche da dire che, poiché bisogna adattare l'impedenza dell'antenna ai fatidici 50-75 ohm , la resistenza introdotta dalle perdite del piano di terra, alzando l'impedenza totale, può far comodo, qualora l'efficienza non sia importante; ma non lamentatevi poi se il vicino col dipolo riceve benissimo la stazione DX che voi non sentite proprio.  

Essa viene utilizzata molto ache per quanto riguarda la ricezione della banda f.m., mw ed lw. Il lobo di radiazione di un dipolo disposto verticalmente é praticamente parallelo al suolo; quello della ground-plane é invece chiaramente rialzato, in quanto la potenza viene riflessa in su dallo specchio; per limitare questo inconveniente, si usa inclinare in giú i radiali rispetto all'orizzontale; con ciò, cambiando l'angolo di riflessione, si riesce ad abbassare il lobo fino a quella ventina di gradi circa che fa comodo per il DX; però, in cambio, si aumentano le perdite del piano di terra, che in effetti diventa piú piccolo.

Le antenne ground-plane, se proprio non se ne può fare a meno, si possono anche accorciare, come nel caso dei dipoli caricati, al prezzo di una (rilevante) diminuzione dell'efficienza. L'accorciamento però si può applicare allo stilo verticale, ma se viene applicato ai radiali introduce una ulteriore perdita di qualità nel piano di terra (che già abbiamo visto essere piú o meno insoddisfacente di suo), per cui é proprio meglio evitarlo.

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