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anténna (telecomunicazioni)

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Descrizione generale

Complesso di apparati radioelettrici di trasduzione (elemento radiante e ricevente o captante, linea di trasmissione, elementi di accoppiamento) destinati all'irradiazione (o trasmissione) o alla captazione (o ricezione) di radioonde. Nel primo caso l'energia ad alta frequenza fornita da un trasmettitore viene trasformata in un campo elettromagnetico costituito da radioonde che si propagano dall'antenna nello spazio. Nel secondo caso l'antenna trasforma l'energia del campo elettromagnetico che la circonda in un segnale elettrico che viene applicato a un apparato radioricevente. Ogni antenna può indifferentemente funzionare come trasmittente e come ricevente. In pratica, tuttavia, si utilizzano, salvo casi particolari (per esempio, antenne per apparati ricetrasmittenti portatili) due classi ben distinte di antenne per i due impieghi suaccennati. La distinzione è di carattere essenzialmente costruttivo e legata quindi alle dimensioni pratiche di ingombro e al dimensionamento degli elementi costitutivi per renderli atti a trasdurre correttamente con buon rendimento la potenza in alta frequenza da trasmettere e ricevere a distanza. Le antenne impiegate per la trasmissione differiscono, spesso in modo notevole, da quelle impiegate per la ricezione in quanto devono irradiare grandi potenze; per le antenne di ricezione, che devono assorbire dallo spazio circostante potenze talvolta molto modeste, assumono carattere preminente i livelli di rumore e di altri disturbi. Tuttavia il determinante principale delle dimensioni delle antenne sia di trasmissione sia di ricezione è la lunghezza d'onda delle radioonde. § Per quel che riguarda la dispersione, e le relative conseguenze sull'ambiente e in particolare sull'uomo, delle radioonde emesse o ricevute dalle antenne vedi elettrosmog.

Componenti

Il complesso di un'antenna è costituito da: A) un conduttore radiante (o captante) – l'antenna vera e propria – che ha la funzione di irradiare (o di ricevere) le radioonde; da quest'elemento l'energia elettrica ad alta frequenza del circuito di antenna passa come onda elettromagnetica della stessa frequenza nello spazio (o viceversa); B) una linea di trasmissione destinata al trasporto sia dell'energia elettrica dal trasmettitore all'elemento radiante, sia dell'energia elettromagnetica captata al ricevitore; C) uno o più elementi di accoppiamento (accoppiatore di antenna, trasformatore di impedenza) che permettono di ottenere il massimo trasferimento di energia; D) un trasmettitore (o un ricevitore) che fornisce l'energia elettrica alla frequenza richiesta. Gli elementi di accoppiamento e la linea di trasmissione non sono sempre presenti. In questi casi il trasmettitore o il ricevitore vengono direttamente collegati allo stesso elemento funzionante come radiante o ricevente. Questo avviene generalmente in tutti gli impianti di antenna destinati a mezzi mobili e di modesto ingombro, mentre negli impianti fissi di antenna, specie se di forte potenza e di notevoli dimensioni, le linee di trasmissione e gli elementi di accoppiamento divengono ovviamente indispensabili.

Caratteristiche elettriche

Perché un'antenna irradi, le cariche elettriche confinate nel circuito devono muoversi di moto non uniforme sulla base del segnale generato dagli apparati di trasmissione; inoltre il campo elettromagnetico che viene irradiato nello spazio circostante non deve essere distorto o indebolito dal moto di cariche mobili presenti in zone prossime all'antenna. Per esempio, una linea bifilare che trasporta energia elettrica a corrente alternata non genera campo elettromagnetico sensibile in quanto gli effetti spaziali dei due conduttori che corrono paralleli e vicini tendono ad annullarsi l'un l'altro. Se la linea viene aperta ad angolo retto nel tratto terminale, le correnti e quindi il moto delle cariche, opposti nel tratto bifilare, assumono la stessa direzione, e la struttura acquista la capacità di irradiare radioonde. Si genera cioè nello spazio circostante un campo elettromagnetico che si propaga alla frequenza del moto delle cariche; analogamente nel caso di captazione le cariche elettriche del conduttore d'antenna vengono accelerate dal campo elettromagnetico esterno e determinano la corrente che circola nel ricevitore; in questo caso l'antenna può considerarsi come un generatore elettrico inserito nel circuito. Quando l'energia elettrica fornita dal trasmettitore, nel propagarsi lungo l'elemento radiante, si irradia gradualmente nello spazio in modo pressoché completo, si parla di onda progressiva; se invece l'energia è ancora intensa al punto terminale dell'antenna essa viene riflessa e dà origine a onde stazionarie. Nel primo caso l'energia fluisce liberamente in modo monodirezionale da un estremo all'altro , dove trova una resistenza di chiusura di valore pari all'impedenza caratteristica del sistema radiante. Nel secondo caso l'elemento radiante, alimentato dalla linea o direttamente dal trasmettitore, risuona su una frequenza di lavoro dipendente in modo ben determinato dalla dimensione lineare L dell'elemento radiante. L'energia ad alta frequenza si propaga infatti lungo l'elemento radiante e si riflette alle estremità, dando luogo a una distribuzione di onde stazionarie di tensione e di corrente lungo tutta la lunghezza dell'elemento radiante stesso. Questo può così risuonare in fondamentale (a mezz'onda) oppure in armonica quando la sua lunghezza fisica L è uguale a mezza lunghezza d'onda o a un multiplo intero di semilunghezze d'onda: L=n λ/2. La lunghezza d'onda λ è legata alla frequenza di lavoro f dalla relazione , dove c è la velocità di propagazione delle radioonde uguale alla velocità della luce. Al limite, la lunghezza dell'elemento radiante , può ridursi a un quarto d'onda in quanto il terreno riproduce specularmente un altro quarto d'onda immagine del primo. L'elemento radiante a mezz'onda viene detto comunemente dipolo ed è considerato l'elemento base dei sistemi radianti o riceventi in risonanza. I sistemi radianti a onda stazionaria si comportano come circuiti di sintonia a costanti distribuite. Le dimensioni fisiche dei materiali con cui essi vengono realizzati influenzano la distribuzione di dette costanti di modo che, per il calcolo delle dimensioni reali, occorre introdurre, nella formula succitata, delle costanti correttive variabili caso per caso. In pratica la lunghezza fisica dell'elemento radiante risulta inferiore di qualche per cento al valore teorico. Specie nel caso si desideri ridurre la lunghezza fisica dell'elemento radiante, è possibile sostituire uno o più tratti di conduttore con costanti (induttanze o capacità) di valore opportuno. Un elemento caratteristico del sistema radiante è la resistenza di radiazione che esso presenta nel punto di alimentazione con energia ad alta frequenza o, equivalentemente, di uscita del segnale radioelettrico captato. Essa si può definire come la resistenza Rr il cui valore moltiplicato per il quadrato della corrente I ad alta frequenza circolante nel punto di inserzione permette di ricavare il valore della potenza P irradiata o ricevuta dall'antenna secondo l'espressione: P=Rr I². Tale resistenza di radiazione è una costante di ogni sistema radiante e per un normale dipolo ha, in pratica, un valore vicino a 70 Ω. La conoscenza del valore della resistenza di radiazione di ogni sistema radiante è della massima importanza perché essa costituisce il dato di partenza per predisporre l'adattamento di impedenza tra il sistema radiante e la linea di trasmissione. La resistenza di radiazione Rr di un'antenna risuonante a mezz'onda, o dipolo alimentato al centro, ha il valore teorico di 73,13 Ω. In pratica il valore della Rr è influenzato sia dalle dimensioni del materiale adottato per la realizzazione dell'elemento radiante, sia dall'accoppiamento di detto elemento con gli oggetti circostanti o con altri conduttori disposti nelle vicinanze (al limite la terra stessa, anche se non sempre, può venire considerata un buon conduttore).

Caratteristiche di radiazione

Allo scopo di progettare nel modo migliore un radiocollegamento è necessario tenere presenti le caratteristiche di radiazione dell'antenna impiegata. Qualsiasi tipo di antenna non presenta mai infatti la stessa intensità di radiazione in tutte le direzioni. Inoltre, esiste sempre almeno una direzione secondo la quale l'intensità è quasi nulla. Allo scopo di avere come riferimento una misura dell'energia irradiata che valga in tutti i casi si procede di solito per confronto con un'antenna ideale che irradi in modo uniforme e in tutte le direzioni. Essa viene comunemente denominata radiatore isotropo. La misura è così ricondotta all'espressione del rapporto tra l'intensità di radiazione dell'antenna considerata in una data direzione e quella, nella medesima direzione, del radiatore isotropo, alimentato con la stessa potenza a radiofrequenza. Per rappresentare l'andamento dell'irradiazione al variare della direzione si ricorre a dei diagrammi di radiazione. Si dovrebbe ricorrere a una rappresentazione tridimensionale; in pratica si tracciano almeno due diagrammi in altrettanti piani opportunamente scelti. Per antenne che irradiano sulla superficie terrestre si fa riferimento al diagramma di radiazione sul piano orizzontale. Molto spesso si fa riferimento a un'antenna altrettanto ideale quanto il radiatore isotropo e definita appunto dipolo ideale. Questo è un elemento risonante in fondamentale con andamento di corrente costante lungo il conduttore. La radiazione da parte di un dipolo ideale è massima in direzione ortogonale all'asse del filo di antenna e decresce al diminuire dell'angolo, fino ad annullarsi nella direzione che coincide con l'asse stesso. La superficie solida che rappresenta questa distribuzione di campo ha forma toroidale . Nel caso del dipolo reale (più semplicemente dipolo: elemento radiante risonante in fondamentale) l'andamento non è più circolare, ma mostra una concentrazione di energia irradiata nel senso ortogonale all'asse del dipolo; in entrambi i casi si hanno due lobi di radiazione (o direzioni di intensità massima) in questa direzione, mentre nella direzione coincidente con quella dell'asse del dipolo si hanno annullamenti di radiazione. In un punto a una data distanza dall'antenna le cose vanno infatti come se la radiazione che lo raggiunge fosse la risultante della radiazione di tanti piccoli dipoli elementari in cui si può scomporre idealmente l'elemento radiante dell'antenna. Nel caso che essi lavorino su armoniche, se il numero di semionde è pari non si ha radiazione in direzione perpendicolare all'antenna; questa si avrà, invece, quando il numero suddetto è dispari. Meccanismi analoghi presiedono all'effetto direzionale nel caso di alcuni elementi radianti disposti in altro modo (per esempio paralleli l'uno all'altro) e diversamente alimentati . In base a queste considerazioni è possibile spiegare la disposizione dei numerosi elementi radianti che caratterizzano i sistemi radianti direzionali (per esempio antenna a cortina di dipoli). In questi sistemi assumono molta importanza le linee di trasmissione che non solo provvedono all'alimentazione degli elementi radianti, ma spesso realizzano anche i desiderati rapporti di fase tra i vari componenti del sistema. Qualsiasi riferimento alla direttività di un'antenna deve essere preferibilmente fatto per confronto con un campo generato da un radiatore isotropo cui sia applicata la stessa potenza a radiofrequenza che viene affidata all'antenna in esame. La superficie di riferimento per la radiazione di un radiatore isotropo è una sfera. Se il solido di radiazione dell'antenna in esame viene disposto con l'origine coincidente con il centro della suddetta sfera, esso resterà con parte della superficie disposta all'esterno e parte all'interno della sfera stessa. Parte della radiazione infatti sarà concentrata in alcune direzioni a spese di quella che non viene irradiata in altre. Prendiamo in considerazione il lato in cui si presenta un lobo in corrispondenza del quale si ha il massimo di radiazione. Dette G1 l'intensità di campo che comporterebbe un radiatore isotropo a una data distanza in tale direzione e G2 l'intensità, alla stessa distanza, dovuta all'antenna, l'espressione definisce il guadagno dell'antenna stessa. Questo guadagno, definito quindi come rapporto tra intensità di campo, equivale a un rapporto di tensione indotta delle antenne riceventi nei due casi. Molto più spesso però si esprime il guadagno in termini di rapporto di potenza. Ci si riferisce cioè al rapporto tra la potenza che risulta generata nell'antenna in esame e nel radiatore isotropo, per la direzione considerata. Ovviamente, quanto più è stretto angolarmente un lobo e minore il numero dei lobi presenti nel grafico di radiazione dell'antenna, tanto maggiore sarà il guadagno realizzato in quella direzione; maggiore, infatti, sarà la concentrazione di energia a spese di quella normalmente irradiata nelle altre direzioni. Di solito il guadagno viene rilevato sperimentalmente per confronto con un dipolo campione.

Classificazione

Le antenne possono venire classificate tenendo presente le caratteristiche fondamentali di lavoro. Come già accennato le antenne possono venire realizzate con elementi radianti non risonanti oppure risonanti in fondamentale (antenne a mezz'onda) o in armonica. Si tratta di due modalità di funzionamento ben distinte che influenzano profondamente il comportamento dell'antenna. Altro elemento di classificazione è costituito dalla direzionalità di radiazione dell'antenna. Essa può infatti venire definita come omnidirezionale (almeno in un piano di propagazione) quando l'energia viene irradiata uniformemente in tutte le direzioni (sono, per esempio, omnidirezionali le antenne per le stazioni di radio-diffusione); ad alta, media o bassa direzionalità, a seconda del guadagno che i lobi di radiazione permettono nella direzione considerata; a grafico di propagazione prestabilito, quando i lobi di radiazione sono orientati ad arte. Sono per esempio di questo tipo le antenne per la diffusione di programmi TV nei tratti costieri. Un terzo elemento di classificazione è dato dal servizio che un'antenna può permettere su una banda più o meno estesa di frequenze. In pratica si possono utilizzare antenne omnibanda o almeno tali da operare su una banda molto estesa di frequenze: come tali si comportano le antenne con elemento radiante non risonante; antenne a banda stretta: come tali si comportano tutte le antenne a elemento radiante risonante costituito da un filo singolo di sezione molto ridotta rispetto alla lunghezza; antenne a banda larga, antenne che operano su una banda di lavoro abbastanza estesa (per esempio le antenne che permettono la ricezione dei vari canali televisivi); antenne multibanda, che si ottengono collegando alla linea di trasmissione, con particolari artifici, vari elementi radianti risonanti su diverse bande oppure inserendo opportunamente delle costanti concentrate lungo l'elemento radiante in modo da provocarne la risonanza su più bande di frequenza. Con questi artifici un'antenna può permettere, con una disposizione compatta e semplificata, la trasmissione e la ricezione su varie bande di lavoro. Molte delle antenne per radioamatori permettono appunto di operare sulle varie bande a essi assegnate dalle convenzioni internazionali. Oggi la moltiplicazione delle stazioni emittenti ha comportato un sensibile numero dei ponti radio e un allargamento della loro banda di lavoro; ha quindi assunto sensibile importanza la tecnica delle antenne a larga banda, tra cui le antenne dette log-periodic, denominazione questa derivata dal fatto che si tratta generalmente di disposizioni periodiche di dipoli la cui lunghezza dipende dal logaritmo delle frequenze di lavoro. Per la loro semplicità costruttiva, robustezza e versatilità operativa, ma soprattutto per la larga banda di lavoro da esse consentita, queste antenne sono state adottate in pratica per svariati impieghi. Tipica, per esempio, è l'utilizzazione di antenne log-periodic quali “illuminatori” nel fuoco di antenne paraboliche per microonde. Nel campo delle altissime frequenze (UHF) le antenne log-periodic vengono impiegate anche per realizzare disposizioni riceventi monodirezionali che, sia pure con ridotto guadagno, risultano di modesto ingombro e ostacolo al vento e possono così venire opportunamente orientate con dei rotori di antenne telecomandati in modo da ottenere la captazione preferenziale di una delle numerose stazioni TV a disposizione, con il minimo di interferenza da parte delle altre. Secondo il tipo di installazione le antenne possono essere fisse od orientabili; tra queste ultime particolare importanza hanno le antenne a inseguimento: si tratta di antenne di grande direzionalità che vengono orientate automaticamente in modo da seguire nel loro spostamento attraverso lo spazio le fonti di radiosegnali (elementi riflettenti spaziali, palloni sonda, aeromobili, satelliti, ecc.).

Bande di utilizzazione: generalità

La disposizione e le dimensioni fisiche dei conduttori che realizzano un'antenna sono strettamente legate all'impiego pratico cui è destinato il radiocollegamento che viene realizzato con l'antenna e alla banda di frequenza che viene impiegata. Ci riferiremo quindi nell'esposizione che segue fondamentalmente alle varie bande di utilizzazione.

Bande di utilizzazione: per onde lunghe e medie

In queste bande vengono utilizzate le frequenze inferiori dello spettro delle radioonde (frequenza limite superiore di 1500 kHz). Date le notevoli dimensioni che verrebbe ad assumere il dipolo (varie centinaia di metri) si utilizza generalmente per l'antenna la disposizione in quarto d'onda. Anche con questa disposizione tuttavia si deve ricorrere a piloni o torri irradianti di notevole altezza opportunamente controventati da funi di acciaio la cui lunghezza viene interrotta in modo da dare luogo a tratti di conduttore non risonanti sulla frequenza di lavoro e quindi tali da non assorbire parte dell'energia irradiata, così che non ne risulti alterato il grafico di propagazione dell'antenna. L'altezza dell'elemento radiante viene generalmente ridotta con costanti concentrate (capacità all'estremo superiore o induttanze nel tratto inferiore del pilone radiante). L'alimentazione a radiofrequenza viene realizzata con linee di trasmissione: queste vengono connesse all'estremità inferiore del pilone che, allo scopo, poggia sul suolo tramite un enorme isolatore ceramico. Negli impianti più recenti invece il pilone viene connesso alla terra, la cui conducibilità viene migliorata con conduttori disposti radialmente e interrati di ca. un metro nel suolo; in questo caso l'alimentazione viene connessa al pilone mediante una sezione di adattamento d'impedenza. Con queste disposizioni in quarto d'onda si realizza un grafico di propagazione omnidirezionale con bassi angoli sull'orizzonte e si irradia con polarizzazione verticale. Sono queste le condizioni di radiazione per onda di terra più favorevoli per realizzare la diffusione di servizi di interesse generale come i programmi radio, i radiofari e la radioassistenza alla navigazione (Loran, Decca), emissioni di frequenze campione. Le antenne riceventi per queste bande vengono realizzate con semplici tratti di conduttore non risonante o a mezzo di circuiti risonanti realizzati con ferrite che, accoppiandosi prevalentemente alla componente magnetica irradiata, comportano una certa difesa dai disturbi atmosferici e industriali e una spiccata direttività che può migliorare in certi casi le condizioni di ricezione.

Bande di utilizzazione: per onde medio-corte e corte

Le onde medio-corte (da 1,5 a 4 MHz) vengono adibite prevalentemente al traffico marittimo a media distanza nonché ai radioaiuti alla navigazione tipo Loran e comportano l'impiego di antenne simili a quelle in quarto d'onda. Le bande delle onde corte (da 4 a 30 MHz) vengono invece prevalentemente impiegate per collegamenti a grande distanza e utilizzano generalmente disposizioni di dipoli tesi orizzontalmente sul terreno in modo da ottenere una buona direzionalità verso le direttrici di traffico desiderate. Il traffico commerciale impiega spesso antenne con disposizione a “V” o rombica con resistenza di terminazione e funzionamento a onda progressiva che permettono un'elevata direzionalità e un funzionamento praticamente aperiodico, su un vasto spettro di frequenze. Di tipo particolare (plurigamma) sono pure le antenne impiegate dai radioamatori; esse debbono operare con un'unica linea di trasmissione che alimenta un elemento radiante capace di irradiare su parte o tutte le varie bande assegnate nelle onde corte (1,75-3,5-7-14-21-28 MHz) scelte appositamente in armonica fra loro. Si tratta di disposizioni operanti in fondamentale e in armonica atte a irradiare prevalentemente con bassi angoli sull'orizzonte in modo da realizzare una buona propagazione per onde di cielo. Spesso vengono impiegate disposizioni di antenne fortemente direzionali che vengono fatte ruotare a piacere in modo da realizzare l'orientamento più favorevole. Queste antenne, impiegate sia per la trasmissione sia per la ricezione, permettono collegamenti di notevole qualità a grande distanza con ridotte potenze di emissione, caratteristica, questa, tipica dei radiocollegamenti di radioamatore. Le bande delle onde corte vengono utilizzate anche per emissioni di radiodiffusione a grande distanza. Si tratta di emissioni di propaganda o di prestigio che molte nazioni effettuano specie per i propri connazionali all'estero. Per questo servizio vengono impiegati trasmettitori di grande potenza (50-100 kW e più) che alimentano antenne con alta direzionalità e con alto guadagno realizzate con vere e proprie cortine di dipoli opportunamente alimentati da una serie di linee di trasmissione. Tali antenne vengono infatti denominate antenne a cortina.

Bande di utilizzazione: per onde ultracorte

Questa banda (da 30 a 300 MHz), specie nel campo dei 40-60 MHz, consente una propagazione per onda spaziale che supera abbastanza agevolmente anche ostacoli naturali di un certo rilievo. Per tale motivo la banda delle ultracorte viene impiegata per collegamenti tra mezzi mobili e basi fisse e utilizza prevalentemente antenne verticali a mezz'onda o a quarto d'onda, con propagazione omnidirezionale e polarizzazione verticale. Solo per alcune frequenze di questa banda, destinate ai ponti radio, si fa uso di antenne direzionali ad alto guadagno, dette antenne Yagi, realizzate con l'allineamento di un dipolo attivo, alimentato dalla linea di trasmissione, con una serie di dipoli passivi, cioè non alimentati, disposti davanti al primo; questi vengono detti direttori, mentre uno o due dipoli disposti sul retro del dipolo attivo si comportano come riflettori (vengono, appunto, chiamati così). Ogni elemento passivo, in pratica, capta parte del segnale irradiato dal dipolo attivo e lo reirradia in fase opportuna così da dare luogo a una notevole direzionalità e guadagno. Le antenne Yagi, per la loro semplicità e il costo ridotto, si prestano per la ricezione dei programmi televisivi, specie per un ristretto numero di canali. Dove invece il servizio è effettuato da un notevole numero di stazioni è necessario utilizzare antenne omnidirezionali con forte guadagno per i segnali provenienti da varie direzioni per onda spaziale nel piano orizzontale. La direzionalità di un'antenna TV tipo Yagi è di grande importanza non solo in quanto permette, come si è visto, un notevole guadagno e una buona difesa dai disturbi, specie di natura impulsiva di origine civile e industriale, ma anche perché riduce le interferenze dovute ai segnali che possono venire riflessi particolarmente da costruzioni metalliche ed edifici in cemento armato. Le antenne Yagi sono anche utilizzate come antenne riceventi direzionali portatili, compatte e abbastanza efficienti. Esse vengono disposte sopra l'apparato o nelle sue immediate vicinanze e orientate a mano così da captare in modo preferenziale l'emissione desiderata. Anche gli impianti collettivi di antenne vengono aggiornati non solo con centralini dotati di componenti elettronici ormai interamente allo stato solido, ma anche con antenne e filtri atti a separare in modo molto netto i programmi radio e TV desiderati in modo da evitare interferenze particolarmente fastidiose per la fedeltà di riproduzione. Questi nuovi orientamenti comportano però soluzioni complesse e costose. Per l'emissione dei segnali TV si impiegano due tipi di antenne. Il primo, con diagramma di radiazione omnidirezionale e forte guadagno sul piano orizzontale, viene impiegato in tutti i casi in cui la stazione trasmittente viene collocata al centro della zona da servire in un tratto sgombro o con pochi ostacoli naturali. In tal caso si impiega una serie di dipoli incrociati e sovrapposti con opportuna sfasatura nell'alimentazione (antenne Turnstile). In presenza, invece, di notevoli ostacoli naturali e di aree praticamente senza utenza vengono impiegate speciali antenne a diagramma di radiazione prestabilito. I dipoli di queste antenne vengono raggruppati e spaziati fra loro in modo da dar luogo a una concentrazione di radiazioni verso le zone più fittamente popolate. Un tipico esempio è dato dall'antenna della stazione TV di Portofino, in Liguria: , la sua propagazione è tale che la radiazione viene concentrata lungo la costa e rarefatta verso la montagna e il mare. I ricevitori TV portatili sono invece dotati di un'antenna a uno o due stili metallici per la banda VHF e di una cosiddetta antenna a quadro, realizzata con un cerchio o un rettangolo metallico, per la banda UHF (vedi televisione). Entrambe queste antenne, data l'instabilità di posizione insita nel funzionamento del televisore portatile, presentano una debole direzionalità e un ancor più basso guadagno, compensati dall'alta sensibilità del televisore stesso.

Bande di utilizzazione: per microonde

Questo intervallo di frequenza (da 300 a 10.000 MHz) è impiegato per lo più per ponti radio, radiolocalizzazione (radar) e radioaiuti alla navigazione, radioastronomia, trasmissione per via satellite. Accenneremo brevemente alle antenne relative a tali servizi, rinviando per altre notizie alle voci corrispondenti. A) Antenne per ponti radio. Debbono possedere una grande direzionalità sia per il notevole contributo economico che arreca il guadagno di antenna riducendo la potenza inviata all'antenna sia per la difesa che si realizza contro disturbi e interferenze. Si ottengono in pratica fasci di radioonde di 3º di massima apertura. Ciò comporta una notevole stabilità nell'orientamento dell'antenna e quindi uno studio particolare dei supporti dell'antenna stessa che deve venire sempre dislocata a una certa altezza dal suolo. Per tali motivi spesso si impiegano torri in cemento o tralicci metallici, di progettazione particolarmente accurata. Le frequenze impiegate per ponti radio si sono man mano portate verso valori sempre più elevati, fino a raggiungere il limite dei 30-40 GHz (30.000-40.000 MHz), permettendo un'ancor più ampia banda di informazioni trasferite. Con l'aumentare delle frequenze di lavoro si sono ridotte le dimensioni delle relative antenne paraboliche e ne è aumentato il guadagno. L'antenna più usata per queste frequenze è il cosiddetto riflettore a tromba (horn reflector). Nel fuoco di un'antenna parabolica viene disposta la bocca di un cono ottenuto per progressiva dilatazione della parte terminale di una guida d'onda . Si tratta di un'esecuzione di notevole semplicità, robustezza e ampiezza di banda che può venire indifferentemente impiegata per trasmissione e ricezione. Altrettanto robusta ma più complessa è la disposizione di un'antenna angolare,, che viene impiegata specie per alcune esecuzioni di ponte radio nella banda delle onde ultracorte. B) Antenne per radiolocalizzazione (radar). Vengono realizzate in modo simile a quelle paraboliche già descritte per i ponti radio con il nome di riflettori a tromba. Dato che l'energia a radiofrequenza deve venire concentrata in particolari piani dello spazio a seconda del tipo di radar, la superficie del paraboloide riflettore viene limitata allo stretto necessario anche per ridurre sia la superficie esposta al vento sia la massa. Entrambi questi fattori sono infatti di grande importanza perché le antenne radar debbono poter ruotare con moto uniforme oppure oscillare con regolarità su un asse verticale per realizzare una esplorazione continua della porzione di spazio assegnata al servizio radar. Le antenne che vengono così utilizzate sono anche dette antenne a buccia d'arancia in quanto la superficie riflettente, ad andamento parabolico, viene conservata nel piano orizzontale e ridotta nella dimensione verticale. Per l'uso di onde centimetriche in questo servizio, i riflettori parabolici hanno dimensioni ridotte e notevole guadagno, così da irradiare per impulsi grandi potenze e captare gli echi a radiofrequenza riflessi da ostacoli anche a notevole distanza. Col crescere della distanza e con le più stringenti prestazioni richieste acquista importanza la planarità delle microonde, realizzabile mediante una lente metallica che agisce come un ripetitore passivo associato all'antenna attiva . C) Antenne per radioastronomia. Sono antenne riceventi destinate a captare segnali debolissimi. Data l'energia estremamente ridotta dei segnali elettrici captati, sono necessarie dimensioni enormi per gli specchi parabolici captanti oppure un gran numero di questi specchi parabolici raccolti in batteria. La seconda soluzione è la più efficiente perché permette una maggiore superficie captante distribuita su tutta una serie di apparecchiature che, con l'aiuto della moderna tecnica elettronica, possono venire orientate molto più agevolmente in sincronismo verso la porzione di spazio su cui occorre condurre l'esplorazione radioastronomica. D) Antenne per telecomunicazioni spaziali. Sono antenne destinate al servizio di ricezione e trasmissione con satelliti artificiali; devono orientarsi automaticamente verso il satellite stesso e mantenere tale orientamento con largo margine di sicurezza. Poiché i satelliti operano a una distanza di ca. 36.000 km dalla superficie terrestre, occorre un'altissima direzionalità con conseguente altrettanto alto guadagno, per poter inviare al satellite un segnale sufficientemente intenso da garantire un buon servizio e da ricavare, in ricezione, dal campo elettromagnetico enormemente disperso rinviato dal satellite, un segnale elettrico sufficiente a pilotare gli speciali amplificatori dei servizi ausiliari delle stazioni telespaziali. Queste antenne, nonostante le notevoli dimensioni (ca. 10 m di diametro) vengono orientate con servomeccanismi in modo da seguire il satellite durante il lancio e restare continuamente puntate su esso durante il funzionamento (da qui il nome di antenne a inseguimento). Il satellite, invece, viene dotato di due distinti sistemi di antenne. Il primo viene utilizzato solo in fase di lancio ed è composto da una serie di semidipoli o dipoli lineari sporgenti all'esterno del satellite senza una specifica capacità direzionale, ma disposti in modo da assicurare in ogni caso un buon radiocollegamento quale che sia la posizione del satellite stesso durante il percorso che lo colloca nell'orbita desiderata. La seconda antenna è del tipo horn reflector e viene impiegata solo dopo che sia stato effettuato a buon fine il lancio e il satellite sia stato allocato in orbita con il corretto orientamento verso la Terra. La trasmissione dei segnali di telecomunicazione avviene dalla Terra al satellite su una frequenza di ca. 15-20 GHz; gli impianti elettronici del satellite amplificano e trasferiscono le bande delle informazioni su una frequenza di ca. 15-20 GHz che viene trasmessa a terra con la stessa antenna a tromba utilizzata per la ricezione dei segnali.

Altri tipi di antenne

Nei settori del telerilevamento radar e di telecomunicazione via satellite con i progressi nei circuiti elettronici analogici e digitali, negli elaboratori elettronici e nei circuiti a microonde, il campo di frequenza utilizzabile si sta ampliando verso le decine di GHz e i sistemi elettronici hanno sostituito nelle soluzioni avanzate quelli meccanici necessari in passato per cambiare la direttività delle antenne orientabili ad alta direzionalità. Contemporaneamente nuove soluzioni sono state mutuate dalla tecnica dei telescopi: nelle antenne a paraboloide la tromba si è spostata dietro il paraboloide stesso grazie a un riflettore passivo che convoglia l'energia emessa sul paraboloide principale. Si è così eliminata, fra l'altro, l'interferenza della tromba con l'onda elettromagnetica. L'antenna Gregory ha il riflettore passivo oltre il fuoco del paraboloide principale, mentre nell'antenna Cassegrain esso si colloca fra il fuoco e il paraboloide stesso. L'antenna Cassegrain ha guadagni sensibili (50-60 dB) e forte riduzione del primo lobo non utile a frequenze fino a 30 GHz e oltre; essa trova largo impiego nelle stazioni terrestri per comunicazione con satelliti geostazionari. Le antenne a schiera fasata (la cui versione più semplice è una schiera di dipoli) vengono oggi realizzate in modo puramente elettronico, cioè senza ricorrere a sistemi meccanici per spostare i radiatori elementari, che sono quindi fissi e che possono essere i tipi più vari (dipoli, antenne a elica, guide d'onda aperte o anche paraboloidi). La disposizione di questi elementi, il cui numero può raggiungere il migliaio, è su superfici piane (rettangolari o circolari) o su superfici cilindriche, che permettono angoli di scansione di 360º. Lo sfasatore elettronico, costituito da diodi a semiconduttori (o elementi a ferrite), permette di cambiare la fase e quindi la direttività dell'antenna e l'ampiezza del fascio nell'ordine dei microsecondi, mentre l'elaboratore ne programma il funzionamento. L'elaborazione elettronica dei segnali d'antenna ha portato infine a estendere il concetto di antenna a schiera fasata a un nuovo tipo, l'antenna a schiera sintetica e quindi allo sviluppo del radar ad apertura sintetica (SAR). Schematicamente l'antenna a schiera sintetica è a un solo radiatore e simula un'antenna a schiera fasata col moto, emettendo (e ricevendo) brevissimi impulsi in posizioni successive. In questo caso le maggiori difficoltà si incontrano, oltre che nella ricezione dell'informazione, nella sua elaborazione che diventa estremamente complessa per l'enorme mole di dati e per la precisione richiesta. I risultati e le prospettive sono peraltro notevoli. Col radar SAR è possibile ottenere un'elevatissima risoluzione anche con antenne a microonde di piccola dimensione, compatibili con la loro installazione su satelliti o aerei. Si possono ottenere, per esempio, da quote di centinaia di chilometri mappe di riflettività radar del terreno con una precisione dell'ordine della decina di metri. La tecnica SAR è in piena evoluzione lungo l'indirizzo citato dell'elaborazione del segnale e di quello delle tecniche di calibrazione dell'antenna.

Antenna centralizzata

È in pratica costituita da un'antenna per televisione o da una sola serie di antenne ciascuna destinata alla captazione di una determinata banda di trasmissioni televisive. Le antenne possono essere sia del tipo tradizionale (a elementi) sia del tipo parabolico per la ricezione diretta di trasmissioni emesse da satelliti. Un'antenna di tipo centralizzato fornisce un segnale che, amplificato se necessario, viene in seguito distribuito ai vari utenti attraverso una o più prese appositamente dislocate nei punti più opportuni in ogni appartamento. In pratica ogni segnale viene prelevato da ogni antenna con un'adatta linea di trasmissione. Se i segnali sono di sufficiente intensità (cioè, se la casa o il caseggiato sono sufficientemente vicini alle stazioni televisive emittenti) si provvede a mescolare fra loro i vari segnali da ogni antenna introducendoli in un miscelatore in maniera da poterli amplificare come se fossero un unico segnale. In caso contrario, i segnali vengono opportunamente amplificati mediante più amplificatori, a seconda del numero e del carico di alimentazione delle linee di discesa verso i locali di abitazione, e poi miscelati. Sia il miscelatore sia gli eventuali amplificatori vengono di solito disposti nel sottotetto dell'abitazione o in un piccolo locale appositamente previsto all'atto del progetto dell'edificio. Di qui partono una o più colonne di distribuzione generalmente realizzate in cavo coassiale che scendono lungo l'edificio e seguono l'andamento delle varie utenze. All'altezza di ogni appartamento viene derivato uno spezzone di linea che provvede a traslare il segnale fino a una o più prese per il segnale TV che vengono di solito incassate a parete. A queste prese viene collegato, con apposito connettore coassiale di innesto, uno spezzone di adatta lunghezza di cavo coassiale che termina in un demiscelatore che separa i segnali relativi alle diverse bande televisive. Dal demiscelatore escono i terminali destinati alla connessione al televisore. Si realizzano in pratica vari schemi di distribuzione a seconda del tipo di edificio . A) Prese collegate a catena che con varie colonne di discesa permettono la distribuzione più pratica, razionale ed economica del segnale. B) Prese in derivazione da linee principali. È il sistema meno vantaggioso che si deve seguire quando le colonne montanti debbono forzatamente seguire i vani scala con derivazioni in ogni piano. C) Prese su linee derivate da linee principali. Si ottengono le stesse caratteristiche quanto a economicità e praticità di impianto del sistema cosiddetto a catena. Questo sistema di distribuzione viene utilizzato negli stabili con pochi piani e un notevole sviluppo orizzontale. Le antenne centralizzate offrono rispetto alle antenne singole notevoli vantaggi: maggiore sicurezza di impianto contro gli elementi atmosferici ed eventuali incidenti; spese di manutenzione notevolmente inferiori; esecuzione professionale e quindi lunga durata; visione di notevole qualità in ogni punto della costruzione; buona estetica, specie se l'impianto, previsto nel progetto della costruzione, viene realizzato nel modo più razionale con opportune canalette per i cavi coassiali di distribuzione; notevole difesa dai disturbi di ogni tipo e da riflessioni che potrebbero alterare la visione. Per tutti questi motivi gli impianti centralizzati di antenne sono obbligatori per legge nei fabbricati di nuova costruzione e se ne favorisce l'installazione specie nei caseggiati di notevole mole. Gli impianti centralizzati di antenne possono permettere sia la ricezione di uno o più programmi televisivi, sia la ricezione di programmi radio a modulazione di frequenza e ampiezza. In quest'ultimo caso, l'impianto e i relativi miscelatori e demiscelatori e gli eventuali amplificatori di segnale vengono opportunamente previsti per questo servizio più complesso che tuttavia, data la ripartizione di costi insita nella natura dell'impianto stesso, non comporta un notevole aggravio di spesa. Per le antenne da interni è indispensabile un buon amplificatore di segnale.Per la ricezione televisiva diretta da satellite (DBS, Direct Broadcast Satellite) sono usate piccole antenne paraboliche generalmente di diametro pari a 18 pollici, montate in posizione fissa. In questo modo il diagramma di radiazione viene posizionato in modo che il suo massimo sia rivolto verso la zona della sfera celeste in cui è presente il satellite, permettendo una ricezione ottimizzata delle trasmissioni. Sono usate antenne paraboliche satellitari sia di tipo monoutente, sia di tipo centralizzato.