Simulazione diagr. radiaz. antenne

[MarcoD]

Scrivo alcuni enunciati di cui non sono sicuro, per aprire una discussione e riceverne conferma o confutazione.

Il diagramma della irradiazione antenna, rappresenta la intensità della densità di potenza a una distanza costante del radiatore, oppure il campo elettrico lontano?
So che le due grandezza sono legate fra loro: densità di potenza = campo elettrico al quadrato diviso per 377 ohm (impedenza caratteristica del vuoto).
Quale delle due è normalmente rappresentata nei simulatori?

Il guadagno (Gi) di una antenna è il rapporto fra la densità di potenza nella direzione di massimo irraggiamento e la densità di potenza dell’antenna isotropica, oppure (Gd) riferito alla densità di potenza massima di un dipolo risonante.
Come lo si può ricavare dal diagramma di radiazione?

[IsidoroKZ]

Di solito il diagramma di radiazione è dato in decibel rispetto al guadagno massimo, e a seconda che voglia il campo o la densità di potenza dividi per 20 o per 10 prima di entrare nell'esponenziale.
Visto che fai riferimento a simulazioni, bisogna guardare che cosa dice il manuale.

Se il guadagno è riferito al dipolo o all'isotropo te lo devono dire a parte, dal diagramma non lo si può capire. La scelta Gd oppure Gi cambia solo il fattore di scala, ma non la forma, perché si riferisce solo il guadagno massimo al dipolo o all'isotropico, non tutto il grafico.

[MarcoD]

Grazie per la risposta IsidoroKZ

Ho un altro dubbio:
Nello spazio libero, sul piano orizzontale (asse Z = 0), un dipolo verticale irradia quanto il corrispondente monopolo risonante posto su un piano di massa conduttivo ideale?

Un dipolo verticale ha un irradiamento a forma di toro ( ciambella con il buco di diametro interno nullo), dovrebbe avere una impedenza di carico della alimentazione di 72 ohm.
Se penso di tagliare la ciambella lungo il piano xz e sostituire il piano con una superficie conduttiva ideale ottengo per simmetria la parte superiore della ciambella, La resistenza di carico dovrebbe venire dimezzata ( 36 ohm).
A parità di corrente nella base dell’antenna la Potenza P = R x I^2 si dimezza con il dimezzarsi della resistenza. L’energia irradiata dall’antenna dovrebbe essere la stessa.
E’ corretto?

[IsidoroKZ]

Avevo scritto qualche giorno fa una risposta, poi mi sono dimenticato di inviarla (

Nello spazio libero, sul piano orizzontale (asse Z = 0), un dipolo verticale irradia quanto il corrispondente monopolo risonante posto su un piano di massa conduttivo ideale?

Sì, irradia come il dipolo nel semispazio in cui c'è il monopolio. Il piano metallico ideal deve essere ideale è di estensione infinita!

Un dipolo verticale ha un irradiamento a forma di toro ( ciambella con il buco di diametro interno nullo), dovrebbe avere una impedenza di carico della alimentazione di 72 ohm.
Se penso di tagliare la ciambella lungo il piano xz e sostituire il piano con una superficie conduttiva ideale ottengo per simmetria la parte superiore della ciambella, La resistenza di carico dovrebbe venire dimezzata ( 36 ohm).

Sì, l'impedenza di alimentazione si dimezza.

A parità di corrente nella base dell’antenna la Potenza P = R x I^2 si dimezza con il dimezzarsi della resistenza. L’energia irradiata dall’antenna dovrebbe essere la stessa.

Sì, la potenza si dimezza e anche l'enera irradiata si dimezza perché trasmetti su un solo semispazio (il piano di ground deve essere infinito). Se il piano smetallico su cui è montato il monopolio non ha estensione infinita, quanto detto prima è solo un'approssimazione.

[MarcoD]

Mi è venuta voglia di comunicare ancora altre mie considerazioni di cui sono abbastanza certo:

L’antenna elementare di riferimento è il monopolo sottile risonante (lungo circa ¼ d’onda) che presenta una impedenza resistiva di 35 ohm, oppure il corrispondente dipolo lungo ½ onda che presenta una impedenza di 70 ohm.

Se il monopolo si allunga rispetto alla lunghezza d’onda, il diagramma di radiazione si abbassa sull’orizzonte, ossia funziona meglio per comunicazioni sul suolo.
L’ impedenza di carico tende a crescere, nasce una componente induttiva serie e cresce la componente resistiva e fino a raggiungere un valore molto alto quando l’antenna è lunga ½ lunghezza d’onda. Il vantaggio della alta impedenza è che all’estremo dell’antenna scorre meno corrente, per cui la resistenza del piano di massa (teoricamente infinito e perfettamente conduttore, quindi resistenza nulla) diventa meno importante.

Se il monopolo si accorcia rispetto alla lunghezza d’onda, il diagramma di radiazione si alza sull’orizzonte, tende ossia funziona peggio per comunicazioni sul suolo, forse un poco meglio per ricevere satelliti quasi sulla testa. La componente resistiva scende, fino a valori di circa qualche ohm, mentre cresce la componente reattiva capacitiva fino a supponiamo 500 ohm.
Se di solito il cavo coassiale e il generatore hanno una impedenza di 50 ohm, nasce la necessità di adattare l’impedenza dell’antenna per potere trasferire il massimo della potenza possibile.
Per antenne lunghe si utilizza un autotrasformatore in salita in rapporto spire / tensione 1 a 3 o 1 a 5 che in impedenza corrisponde a 1 a 9 o a 1 a 25.

Per le antenne corte, occorre prima mettere un induttore in serie alla base dell’antenna per compensare l’impedenza capacitiva, poi per esempio un trasformatore in discesa con rapporto 3 a 1 per adattare la resistenza da 50 a circa 5,5 ohm.
Si possono anche adoperare degli autotrasformatori risonanti che sono composti da induttore e condensatori variabili nella configurazione a “ LC” o a CL” , oppure con L variabile solo a scatti con configurazione CLC a “ T “ o a “ pi greco”.

In teoria viene tutto perfettamente compensato, in pratica abbiamo trascurato la resistenza interna dell’induttore serie e le perdite dell’autotrasformatore.
Anche il monopolo metallico non è ideale, ma presenta una certa resistività che dissipa una parte della potenza applicata.
Esiste anche un “effetto pelle” per cui la corrente scorre solo sulla superficie del monopolo, ciò equivale a un monopolo di sezione minore rispetto e quindi maggiore resistenza rispetto a quella a frequenza basse.
Rispetto alla teoria che, per progettare, tende a semplificare i fenomeni, la realtà è sempre peggio.
In conclusione, se possibile, è meglio adoperare antenne a ¼ o ½ onda risonanti.
Oppure aggiungere elementi di antenna davanti al radiatore (direttori) o dietro il radiatore (riflettori), queste sono le antenne Yagi.

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