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Antenne - Tipologie

Materiale didattico per il corso di Impatto ambientale dei campi elettromagnetici della Prof. Marta Cavagnaro, all'interno del quale sono affrontati i seguenti argomenti: tipologie di antenna; il dipolo di Hertz; il dipolo corto; dipolo lineare; dipolo mezz'onda; dipolo ripiegato; dipolo sleeve; antenne a dipolo conico; antenne lineare su ground; antenne... Vedi di più

Esame di Impatto ambientale dei campi elettromagnetici docente Prof. M. Cavagnaro

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ESTRATTO DOCUMENTO

Antenne a dipolo conico (biconiche)

• L’antenna a dipolo conico (o biconica) è un dipolo i cui due rami

sono costituiti da due tronchi di cono, che possono essere

pieni, cavi, o realizzati mediante una griglia di conduttori

• Rispetto ad un’antenna a dipolo lineare risonante hanno una

larghezza di banda notevolmente maggiore

Antenne lineari su ground

• La teoria delle antenne a dipolo lineari, fin qui presentata,

presuppone che l’antenna operi in spazio libero (ovvero che non

ci siano ostacoli quanto meno nella zona di campo reattivo)

• Spesso, però, si è costretti a montare l’antenna in prossimità

di un corpo conduttore

– le antenne a traliccio per radio diffusione in onde medie poggiano

sul terreno (che è un buon conduttore)

– le antenne dei telefoni cellulari sono montate sullo chassis del

telefono che è metallico

Antenne a monopolo lineare su ground

• Nei casi in cui l’antenna lineare si trova in prossimità di un piano ℓ

conduttore, anziché utilizzare un dipolo conviene utilizzare un

monopolo

• In pratica si conserva solo il ramo superiore del dipolo

• L’effetto del piano conduttore può essere schematizzato a

mezzo di correnti “immagine” dal lato opposto del piano

• Dunque il monopolo su ground è equivalente a un monopolo e alla

sua immagine, rimuovendo questa volta il ground

• Si torna, quindi, ad avere una struttura equivalente dipolare ℓ

2

Antenne a monopolo lineare su ground:

diagramma di radiazione e impedenza

• Nell’ipotesi di piano di massa su cui è montato il dipolo indefinitamente

esteso, l’antenna è equivalente ad un dipolo di lunghezza doppia

• Pertanto il diagramma di radiazione è lo stesso del dipolo equivalente

• La potenza irradiata è metà di quella del dipolo equivalente (la potenza

irradiata nel semispazio sottostante il piano è fittizia)

• Per l’osservazione precedente, la resistenza di radiazione è metà di quella

del dipolo equivalente ⎛ ⎞

1 2

=

P R I ⎟

⎜ irr A

⎝ ⎠

2

Per esempio, per un monopolo /4 su ground, la resistenza di radiazione è

λ

circa pari a 36.5 Ω

• Analogamente, a parità di efficienza il guadagno del monopolo è doppio di

quello del dipolo equivalente (e.g. per un monopolo /4 su ground G =

λ max

2*1.64 = 3.28)

• Spesso il piano di massa è limitato (p. es. chassis del telefono cellulare) e

quindi il diagramma di radiazione è leggermente distorto

• Nel caso di monopoli montati sul terreno, per limitare le perdite dovute

alla bassa conducibilità del terreno, si usa seppellire una raggiera di fili

radiali per aumentare l’efficienza

Antenne Yagi-Uda e log-periodiche

• Tutte le antenne lineari finora esaminate sono caratterizzate da una

simmetria cilindrica che ne rende il diagramma di radiazione isotropo

sul piano equatoriale

• Questa caratteristica le rende comode quando si vuole ricevere un

segnale indipendentemente dalla direzione di arrivo (p. es. telefono

cellulare), ma rende il loro guadagno molto basso

• In applicazioni in cui si può “puntare” l’antenna verso il trasmettitore

(p. es. antenna ricevente TV montata sul tetto) conviene avere

antenne direttive sia sul piano orizzontale che su quello verticale

• Due antenne molto utilizzate, con siffatte caratteristiche, sono

Le antenne Yagi-Uda

Le antenne

log-periodiche

Antenne Yagi-Uda: realizzazione

• Le antenne Yagi-Uda sono costituite da un dipolo mezz’onda

alimentato, un dipolo passivo leggermente più lungo

(riflettore) alle sue spalle, uno o più dipoli passivi più corti

(direttori) davanti, tutti equiorientati ed allineati lungo un

asse ortogonale ai dipoli Dipoli direttori

passivi

Dipolo riflettore

passivo Dipolo mezz’onda

alimentato

Antenne Yagi-Uda: principio di

funzionamento e caratteristiche

Teoria delle antenne a schiera....

• Il campo eccitato dal dipolo alimentato induce correnti sui dipoli passivi

• Queste correnti alterano il diagramma di radiazione rispetto a quello

del singolo dipolo

• Progettando opportunamente la lunghezza e la spaziatura dei vari

elementi si ottiene un’antenna direttiva, sia sul piano E che sul piano H,

con massima radiazione lungo l’asse dell’allineamento

• Il campo è ancora polarizzato linearmente, come per il singolo dipolo

• A causa del forte accoppiamento mutuo, la resistenza di radiazione del

dipolo alimentato cala molto rispetto ai 73 del dipolo isolato (si ha

Ω

generalmente R 20 )

≤ Ω

R

• Per aumentare l’efficienza si usa dunque in genere un dipolo ripiegato

( resistenza di radiazione maggiore) come elemento attivo

• L’antenna funziona su una banda molto stretta (utilizza dipoli risonanti)

• Utilizzando 8 10 elementi si ottengono guadagni di circa 14 dBi

÷

Antenne Yagi-Uda: diagramma di radiazione

tipico Il lobo principale ha le stesse

caratteristiche di direttività

(apertura a –3 dB) sia sul

piano verticale che su quello

orizzontale

Antenne log-periodiche (logaritmiche):

realizzazione

• 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 se stessa periodicamente)

Antenne log-periodiche: principio di

funzionamento e caratteristiche

• 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

• I diagrammi di radiazione sui piani E ed H sono simili a quelli di

un’antenna Yagi-Uda

Antenne a spira

• Le antenne a spira sono realizzate mediante un conduttore di

forma circolare

• Generalmente vengono utilizzate spire “piccole”, ovvero la cui

circonferenza è molto inferiore a λ

• Il più tipico utilizzo delle antenne a spira è come sensori di

campo magnetico (dualmente ai dipoli corti, utilizzati come

sensori di campo elettrico)

Antenne ad elica

• Le antenne ad elica sono realizzate

avvolgendo un conduttore cilindrico

a

di raggio secondo un’elica di passo

S D

e diametro

• Normalmente vengono utilizzate

nella versione “monopolo” su

ground

• Le antenne ad elica sono molto

utilizzate, vista la loro compattezza,

come antenne esterne per telefoni

cellulari

• Grazie alla possibilità di operare

in modo normale ed assiale sono

ideali per i telefoni cellulari

satellitari

Antenne ad elica: funzionamento in

“modo normale”

• Un’antenna ad elica opera in modo

normale se la lunghezza

complessiva del conduttore è molto

inferiore a λ

• In questo modo di funzionamento si

ha un massimo di radiazione in

direzione normale all’asse ed un

minimo lungo l’asse

• Il diagramma di radiazione è molto

simile a quello di un dipolo corto

• L’elica in “modo normale” può

essere schematizzata come una

serie di dipoli elettrici e di spire

• Il campo elettrico irradiato ha

dunque sia componente tangenziale

che circonferenziale ed è in genere

polarizzato ellitticamente

Antenne ad elica: funzionamento in

“modo assiale”

• Un’antenna ad elica opera in modo

D

assiale se il diametro dell’elica ( ) ed il

S

suo passo ( ) sono comparabili con la

lunghezza d’onda λ

• In questo modo di funzionamento si ha

un massimo di radiazione lungo l’asse

dell’antenna con alcuni lobi secondari

angolati rispetto all’asse

• Il campo è in genere a polarizzazione

ellittica

• È possibile ottenere una polarizzazione

circolare, soprattutto nel lobo

principale, facendo in modo che la

C D

circonferenza dell’elica ( = ) sia

π

S

circa pari a ed il passo sia circa

λ

pari a /4

λ

Antenne ad apertura: trombe

• Le antenne ad apertura sono realizzate praticando delle aperture

(fori), da cui viene irradiato il campo, in una parete metallica

• Le più comuni sono quelle realizzate lasciando aperta la terminazione

rastremata di una guida rettangolare (trombe piramidali) o circolare

(trombe coniche)

• Sono utilizzate come antenne di riferimento o come illuminatori

(feeders) di antenne a riflettore

Antenne a riflettore

• Le antenne a riflettore utilizzano le proprietà riflettenti di

superfici conduttrici di apposita forma per indirizzare il campo

irradiato da un illuminatore (feeder) in opportune direzioni

• Le più utilizzate sono le antenne a riflettore parabolico che

utilizzano la proprietà di “collimazione” del fascio offerta da una

superficie parabolica quando illuminata dal suo fuoco

Tipi di antenne a paraboloide

feed frontale Cassegrain

feed fuori asse

Gregorian

Antenne planari

• Le antenne planari (o antenne a “patch”) sono realizzate

mediante un “patch” di conduttore stampato su un dielettrico

metallizzato sulla faccia opposta

• Sono antenne molto compatte che si integrano facilmente

all’interno di dispositivi elettronici (p. es. i telefoni cellulari)

Antenne planari: principio di funzionamento

• Il patch di cui è costituita l’antenna funge da “risonatore”

planare

• In pratica è presente un campo

elettromagnetico “intrappolato”

tra la metallizzazione del patch

e il piano di ground

• In corrispondenza dei bordi

del patch è quindi come

se fossero localizzate delle

fenditure che si comportano

in modo simile ad una apertura

• Le caratteristiche del

campo irradiato dipendono

dalla configurazione del

campo sotto il patch,

controllabile con opportune

tecniche di alimentazione

Allineamenti (cortine) di antenne

• Spesso nei sistemi di comunicazione

radio è necessario avere antenne con

fascio molto direttivo

• Lo studio delle antenne lineari ha

mostrato come “allungando” l’antenna

la direttività aumenti

• Per realizzare un’antenna equivalente

molto estesa è comodo allineare N

radiatori elementari (p. es. dipoli

mezz’onda) lungo una curva (p. es. un

asse o una circonferenza) con passo d

• La struttura così realizzata viene

detta allineamento (array)

Allineamenti lineari di antenne: fattore

di allineamento

• Gli allineamenti si studiano ipotizzando che i singoli radiatori siano “poco”

influenzati dalla presenza degli altri e continuino quindi a comportarsi come

se fossero isolati

• Il campo irradiato si caratterizza, come al solito, nella regione di campo

lontano (si noti che r va calcolata considerando l’intera estensione dell’array

F

e non il singolo elemento, ovvero )

D (N – 1) d

• Ipotizzando che l’allineamento sia lungo un asse con passo d (allineamento

lineare) e che per il generico radiatore dell’allineamento la corrente di

α

j

=

alimentazione sia data da: I I e i

i i

• Detto il diagramma di radiazione in campo del singolo radiatore si

|N (θ,ϕ)|

ottiene che il diagramma di radiazione dell’allineamento diventa

N

∑ ( )

α + ψ

j k i d cos

θ ϕ ψ ψ =

N ( , ) F

( ) con F

( ) I e i

⊥ i

=

i 1

• Regola di Krauss: il ddr di un array si può ottenere moltiplicando il diagramma

del radiatore tipo per il ddr di un array di radiatori isotropi posizionati ed

eccitati come gli elementi della schiera reale.

• F(ψ), dove è l’angolo fra la direzione di osservazione e l’asse

ψ

dell’allineamento, è detto fattore di allineamento (array factor)

Fattore di allineamento per un allineamento

lineare uniforme

• Il più semplice allineamento lineare è quello lineare uniforme

• In tale allineamento tutti gli elementi sono alimentati con corrente

di pari modulo ( ) e con un eventuale sfasamento tra un elemento e

I

0 ( )

il successivo proporzionale a d: α

− j i d

=

I I e

i 0

• In tal caso il fattore di allineamento assume la seguente forma

[ ]

( )

N ψ α

N k d

sin cos 2

( )

∑ ψ α

cos

j k i d

ψ ψ

= ⇒ =

F I e F I

( ) ( ) [ ]

( )

0 0 ψ α

k d

sin cos 2

=

1

i

• Si ha un lobo principale e una serie di lobi secondari

• La direzione di puntamento del fascio può essere variata

ψ

max

scegliendo opportunamente lo sfasamento di alimentazione ( )

α d

α ψ α ψ

= ⇒ =

k cos d k d cos

max max

• La larghezza del fascio è inversamente proporzionale all’estensione

dell’allineamento

• Il fascio si può stringere aumentando oppure . Se si aumenta d

N d

eccessivamente, però, compaiono nuovi lobi principali (grating lobes)

“Grating lobes”

• In un allineamento lineare uniforme si è trovato:

[ ]

( )

ψ α

sin N k cos d 2

ψ =

F ( ) I [ ]

( )

0 ψ α

sin k cos d 2

per cui la direzione di massimo del diagramma di radiazione risulta

dalla relazione: δ α ψ

= =

d k d cos max

con sfasamento fra elementi adiacenti dell’allineamento.

δ

Più in generale, le possibili direzioni di massimo corrispondono ai valori

di per i quali:

ψ δ λ

⎛ ⎞

ψ δ π ψ

− = ⇒ = +

k d m m

cos 2 cos ⎜ ⎟

max max π

⎝ ⎠ d

2

La soluzione per (riportata prima) è l’unica possibile soluzione se

m=0

per il secondo membro risulta maggiore di 1. Altrimenti

m=±1 grating lobes

compaiono altri lobi principali che prendono il nome di .

Allineamenti lineari uniformi: angolazione del

fascio principale

λ/2 λ/2

N = 6 d = N = 6 d =

α ⇒ ψ α ⇒ ψ

d = 0° d = 90°

= 90° = 60° e 300°

max max

dB

dB 0

0 330 30

330 30 0

0 -5

-5 -10

-10 -15

-15 60

60 -20

-20 -25

-25 -30

-30 -35

-35 -40 90

-40 90 240 120

240 120 210 150

210 150 180

180

Allineamenti lineari uniformi: restringimento

del fascio principale

λ/2 λ/2

N = 6 d = N = 10 d =

α ⇒ ψ α ⇒ ψ

d = 0° d = 0°

= 90° = 90°

max max

dB dB

0 0

330 30 330 30

0 0

-5 -5

-10 -10

-15 -15

60 60

-20 -20

-25 -25

-30 -30

-35 -35

-40 -40

90 90

240 120 240 120

210 150 210 150

180 180

Allineamenti lineari uniformi:

lobi di grating λ/2 λ

N = 6 d = N = 6 d = 2

α ⇒ ψ α ⇒ ψ

d = 0° d = 0°

= 90° = 90°

max max

dB dB

0 0

330 30 330 30

0 0

-5 -5

-10 -10

-15 -15

60 60

-20 -20

-25 -25

-30 -30

-35 -35

-40 -40

90 90

240 120 240 120

210 150 210 150

180 180


PAGINE

58

PESO

2.07 MB

AUTORE

Atreyu

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE DISPENSA

Materiale didattico per il corso di Impatto ambientale dei campi elettromagnetici della Prof. Marta Cavagnaro, all'interno del quale sono affrontati i seguenti argomenti: tipologie di antenna; il dipolo di Hertz; il dipolo corto; dipolo lineare; dipolo mezz'onda; dipolo ripiegato; dipolo sleeve; antenne a dipolo conico; antenne lineare su ground; antenne a monopolo lineare su ground; antenne Yagi - Uda e log - periodiche; antenne a spira; antenne ad elica; antenne ad apertura; antenne a riflettore; antenne planari; allineamento di antenne; grating lobes; antenne a pannello per stazioni radio base.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria delle comunicazioni
SSD:
A.A.: 2012-2013

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Impatto ambientale dei campi elettromagnetici e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università La Sapienza - Uniroma1 o del prof Cavagnaro Marta.

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