Spiegazione del concetto di guadagno di un'antenna

Se c’è una cosa che risulta difficile da spiegare in parole semplici anche al più esperto degli ingegneri (in tlc) è cosa si intenda per “guadagno” di un’antenna. Di solito la normativa in materia stabilisce che “L’energia effettivamente irradiata (Effective Radiated Power o ERP) non dovrà superare …” considerando il valore in entrata sull’antenna moltiplicato per il guadagno della stessa. Alla base sembrerebbe esserci il principio in virtù del quale, dato che si parla di guadagno, le antenne sarebbero in grado di creare magicamente la potenza al loro interno. Purtroppo non è questo il caso. Esaminando un’antenna, essa è costituita con materiali di base quali oro, argento, rame oppure alluminio. Questi materiali non sono in grado di creare da soli potenza.

Prima di addentrarci in ulteriori spiegazioni va data la definizione di alcuni termini riguardanti il guadagno di un’antenna:

decibel (dB) : Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} unità di misura della perdita o guadagno. Il guadagno ha un valore positivo, mentre la perdita ha un valore negativo, che è pari a

10*log(Pout/Pin)

Guadagno di un'antenna : Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} l’incremento relativo massimo della radiazione, espresso con un valore in dB, sul valore standard, l’antenna base, costituita da un dipolo di ½ della lunghezza d’onda, che costituisce il punto di riferimento per misurare tutte le altre antenne. Tale riferimento è conosciuto come 0dBD (dipolo di riferimento zero decibel). Un’antenna con una potenza irradiata effettiva di due volte quella assorbita avrà perciò un guadagno di 10*log(2/1) = 3dBD.

Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} Attenzione: esiste un secondo riferimento usato in materia di guadagno di un’antenna che serve semplicemente per attribuire ad un'antenna un guadagno maggiore di quello che in realtà essa realizza. È conosciuto come dBi e rappresenta il guadagno di un'antenna paragonato ad un’ideale antenna isotropica - che irradia ugualmente in tutte le direzioni con una configurazione sferica. Tale guadagno incrementa quello di riferimento di 2.14dB valore pari all’incremento di di un dipolo su un’antenna isotropica. Maggiori dettagli nell'articolo "Cheating with Antenna Gain"

Radiation Pattern : Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} è una rappresentazione grafica dell'intensità della radiazione in base all'angolo rispetto alla perpendicolare. Il grafico è di solito circolare, l'intensità indicata dalla distanza dal centro in base all'angolo corrispondente.

Tutti i pattern di radiazione in questa pagina rappresentano la vista laterale di un’antenna montata verticalmente.

Radiation Angle: Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} convenzionalmente si definisce l’apertura del fascio come l'angolo tra due punti (sullo stesso piano) in cui la radiazione dimezza la sua potenza (3dB al di sotto della massima emissione). Un bravo ingegnere è in grado di capire la qualità di un’antenna da questo solo parametro, l’angolo di radiazione ampio oppure stretto.

Copertura : Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} l’area di spazio circostante individuata d al raggio dal luogo in cui è collocata l’antenna in cui il segnale radio è ad un livello tale da poter essere ricevuto.

Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} Prendiamo per cominciare un’antenna dipolo standard da ½ lunghezza d’onda, sospesa in uno spazio vuoto (ignoriamo qualsiasi altra cosa nei dintorni come il punto di montaggio dell’antenna che potrebbe influire su di essa). Il pattern di radiazione di tale antenna è tipicamente “a ciambella” come illustrato nella figura a fianco.

Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} Poiché i materiali di cui è costituita l’antenna non possono creare potenza di per sé, l’unica alternativa è di focalizzare l’energia dispersa, come quella ad es. diretta verso il cielo, su di una direzione orizzontale più utile. Come si può vedere nella fotografia a fianco, la dispersione dell’energia in direzioni non utili è stata focalizzata al centro, con il risultato di raddoppiare l’energia irradiata lungo il piano richiesto con un guadagno di 3dB.

Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} Come si è visto il metodo mediante il quale un'antenna deve essere fatta per avere un "guadagno" consiste nel focalizzare la radiazione (ad es. prendendo la ciambella di irradiazione ed appiattendola in una frittella) ottenendo così il risultato di intensificare la radiazione lungo l'asse orizzontale. Antenne con radiazione omni-direzionale e guadagni di oltre 9dB sono poco pratiche a causa del fatto che la focalizzazione è direttamente correlata alla lunghezza dell’antenna (in lunghezze d'onda). C'è, comunque, un ulteriore metodo di focalizzazione, intensificando la radiazione solo in una direzione.

Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} Collocando un apposito riflettore su un lato del dipolo, tutta l’energia che quest’ultimo avrebbe irradiato nella direzione del riflettore stesso, viene ora riflessa dal lato opposto nella direzione del dipolo stesso. In questo modo tutta l’energia irradiata dal dipolo viene indirizzata solamente da un lato dell’emisfero, dando luogo ad un raddoppio di energia in questa zona e ad un guadagno di 3 dB.

Un’ulteriore focalizzazione può essere ottenuta mediante l’uso di “indirizzatori” ed ulteriore più alto guadagno è ottenibile rendendo sempre più piccolo l’angolo di irradiazione, in modo da indirizzare tutta l’energia in un’unica direzione. In questo modo si può ottenere in pratica un guadagno fino a 20 dB. Tuttavia l’angolo effettivo di irradiazione di questo tipo di antenna è piccolo (tipicamente ± 10 gradi).

Con le antenne direzionali, vi è un dato ulteriore da tenere a mente.

Front-Back Ratio : l’elemento utilizzato nella maggior parte delle antenne direzionali è il dipolo con il classico schema di irradiazione a ciambella perpendicolare al suo asse. Normal 0 14 false false false IT X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Tabella normale"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family:"Times New Roman"; mso-bidi-theme-font:minor-bidi; mso-fareast-language:EN-US;} L'idea , come si è visto, è quella di prendere questo modello di radiazione a ciambella e concentrarla in un fascio davanti alla parte anteriore dell'antenna . Il riflettore è di solito un unico elemento , talvolta una serie dielementi . Anche se parabolico , il riflettore non riuscirà a fermare ogni traccia di energiaemessa nella sua direzione. Parte di essa sarà irradiata verso la parte posteriore dello stesso riflettore, riuscendo ad attraversarlo ( o, in caso di ricezione , riuscirà a bypassare il riflettore ed essere intercettata dal dipolo ). Ricordiamo che nello spazio libero il dipolo è di per sé sensibile alla radiazione proveniente dal retro del riflettente quanto lo è a quella nella direzione anteriore che viene lasciata libera, avendo una naturale tendenza a continuare con il modello di propagazione a ciambella .

Anche una solida lastra di metallo come riflettore non potrà isolare completamente la parte anteriore dalla parte posteriore a causa della " diffrazione". A causa delle irregolarità del metallo parte del segnale riuscirà ad aggirare i margini del riflettore verso la parte posteriore di esso (o nel caso della ricezione da dietro a raggiungere il dipolo).
Il rapporto tra questa differenza fronte-retro è definita in riferimento alla direzione anteriore (voluta) di propagazione dell’antenna ed è usualmente misurata in dB.

In conclusione:

Le antenne non creano magicamente in qualche modo energia, ma semplicemente focalizzano il segnale in radio frequenza RF irradiato secondo modelli di diffusione più ristretti cosicché si ha l’impressione che ci sia più potenza proveniente dall’antenna nella direzione richiesta. Come si può capire, “guadagno” da un lato costituisce “perdita” dall’altro. Maggiore è il guadagno di un’antenna, minore l'angolo effettivo di utilizzazione. Questa è la parte che si dimentica, cioè che si sottrae potenza da una direzione, aggiungendola nella direzione desiderata. Questo influisce direttamente sulla scelta dell’antenna per uno specifico uso. Scegliere l’antenna corretta su direttamente la scelta dell'antenna per un specifica funzione. Per scegliere l'antenna corretta fare riferimento a questo link: "Choosing the correct antenna".