Antenne

Ovvero,come un pezzo di metallo ci fa ascoltare la radio, vedere la TV, usare gli smartphones e tanto altro

Negli episodi precedenti del nostro viaggo nel mondo della radio, abbiamo visto la storia, abbiamo scoperto cosa sono le onde radio, e come queste si propagano fino a raggiungere i nostri stereo, smartphones, televisori, autoradio e tantissimi altri oggetti della nostra quotidianità.

Con questo nuovo episodio, incominceremo ad esplorare le apparecchiature e le tecniche.
Come funziona una radio? Come si trasmette e come si riceve? Come fanno la nostrae canzoni preferite a raggiungere le nostra autoradio senza bisogno di fili? Come fanno i nostri dati a viaggiare da un posto all’altro del globo in maniera quasi istantanea?

Simbolo di antenna utilizzato negli schemi elettrici

La prima cosa fondamentale e totalmente indispensabile per ogni apparecchiatura radio, è l’antenna.
Si tratta, sostanzialmente, di un dispositivo, fatto di materiale che conduce elettricità, in grado di captare le variazioni di campi elettromagnetici e trasformarli in segnali elettrici che poi verranno inviati ad un ricevitore.
Viceversa, l’antenna, è in grado di irradiare un campo elettromagnetico quando viene alimentata da un segnale elettrico fornito da un trasmettitore.

Il primo ad utilizzare la parola “antenna” fu Guglielmo Marconi che, nei suoi esperimenti che riprendevano gli studi di Hertz, collegando uno dei terminali dei suoi apparecchi, ad un palo metallico e l’altro a terra, si accorse di come le onde radio potessero coprire distanze maggiori.
Marconi, diede a questo “palo”, il nome marinaresco di un componente che regge la vela su gli alberi dei velieri, ovvero antenna.

Funzionamento

Animazione di un’antenna dipolo a mezz’onda che riceve la componente elettrica di un segnale radio producendo un segnale elettrico che andrà poi ad un ricevitore.

L’Antenna, come detto, è un conduttore elettrico in grado di trasformare un segnale elettrico in un campo elettromagnetico che sarà poi captato da altre antenne, a loro volta, queste antenne trasformeranno il campo elettromagnetico in un segnale elettrico che sarà poi elaborato da un ricevitore radio.

In linea teorica, l’antenna è in grado di captare tutte le onde radio e come vedremo nei prossimi episodi, sarà il ricevitore che lavorerà per isolare la frequenza che ci interessa ed estrapolarne le informazioni che l’onda radio porta con se.
Nella pratica, le caratteristiche di un’antenna, ovvero specialmente la forma e soprattutto le dimensioni, influenzano enormemente il funzionamento e le prestazioni, per questo esiste una grandissima varietà di antenne.

Le dimensioni contano!

I giganteschi tralicci che reggono i fili conduttori dell’antenna a T della stazione SAQ di Grimeton
La lunghezza del conduttore è di 1900 metri ad un’altezza di 127 metri.
La stazione opera a 17,2 kHz nelle VLF e quindi ha bisogno di grandissime antenne in quanto la lunghezza d’onda a quelle frequenze è di decine di km…
…Al contrario, questi Walkie Talkie, o meglio PMR (Professional Mobile Radio), operano ad una frequenza di 446 MHz, vale a dire una lunghezza d’onda di 67 cm, si accontentano quindi di piccolissime antenne lunghe pochi cm.

Nelle antenne, le dimensioni contano e variano in base alle frequenze che vogliamo utilizzare, sia per ricevere, ma soprattutto per trasmettere.
Come abbiamo visto nella puntata riguardante le onde radio, la frequenza e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali.
Al diminuire della frequenza, aumenterà la lunghezza d’onda.
Questo influisce sulle dimensioni delle antenne.
Intuitivamente quindi, le antenne più grandi, serviranno per le frequenze minori, mentre le frequenze più alte, bastano pochi metri o addirittura pochi cm.
Le antenne che avete sul tetto di casa vostra, hanno dimensioni anche inferiori al metro per esempio, dal momento che sono predisposte per le VHF della vecchia TV analogica e le UHF delle nuove trasmissioni digitali.

Semplificando enormemente, possiamo quindi dimensionare, in maniera matematica, le antenne in modo da accordarle su determinate lunghezze d’onda.
Possiamo avere, per esempio, antenne composte da due elementi conduttori lunghi entrambi 1/4 della lunghezza d’onda desiderata, ottenendo così un cosiddetto dipolo a mezz’onda come quello nella figura animata qui sopra.
Se per esempio ci serve una semplicissima antenna per ricevere e comunicare bene con i radioamatori nella banda che va dai 144 MHz ai 146 MHz, ci servirà sapere la lunghezza d’onda.
Per ricavare la lunghezza d’onda (λ, o per gli amici lambda), abbiamo una semplice formula matematica.
λ=v/f

Dove v è la velocità dell’onda elettromagnetica, ovvero la velocità della luce e f è la frequenza.
Ricaviamo quindi:
λ=300.000/145.000=2,0 m

Da notare che la velocità della luce (espressa in km/s) è stata arrotondata per semplificare il risultato e che abbiamo usato 145.000 kHz, vale a dire il centro della banda 144-146 MHz.
Il risultato è di 2 metri di lunghezza d’onda.

Per costruire il nostro dipolo a mezz’onda, avremo bisogno quindi di un conduttore lungo la metà della lunghezza d’onda, ovvero 1 metro.
Essendo però un dipolo, dobbiamo formare due spezzoni a un quarto d’onda l’uno, ovvero 50 cm di filo elettrico.

Il dipolo a mezz’onda però non è l’unica tipologia di antenna realizzabile, le combinazioni e le forme sono tantissime e più avanti vedremo le più comuni e i loro impieghi.

Guadagno e direttività

La sonda Voyager 1, lanciata nel 1979 è l’oggetto artificiale attualmente più lontano dalla Terra, a più di 21 miliardi di km dal nostro pianeta, riesce ancora oggi a comunicare con noi dall’esterno del sistema solare grazie alla sua antenna ad alto guadagno, un disco (in bianco) di 3,7 metri di diametro.

Come abbiamo detto, un’antenna è un dispositivo che irradia e riceve onde elettromagnetiche nello spazio.
La forma e le dimensioni ne influenzano il comportamento, sia in ricezione, che in trasmissione.
Ma per descrivere le “prestazioni” di un’antenna, bisogna avere un metro di giudizio.
Qui entra in campo il concetto di “antenna isotropa” , ovvero un dispositivo ideale, che irradia perfettamente in ogni direzione.
Nella realtà, per limiti fisici, l’antenna isotropa non è realizzabile.
Un semplice dipolo, costruito con un sottile filo elettrico, è quello che più ci si avvicina.
Prendendo come riferimento una sorgente isotropa ideale, possiamo calcolare quanto, la nostra antenna reale, irradia in determinate direzioni.
Possiamo quindi sapere il guadagno e la direttività.

Il guadagno (o meglio Gain) è sostanzialmente una misura di quanto l’antenna può irradiare in una determinata direzione, rispetto ad una sorgente isotropa, si esprime in decibel (Dbi, dove la i sta per indicare il riferimento isotropico) ed è una misura logaritmica, non lineare, può esprimere quindi valori molto ampi.

La direttività è invece il rapporto tra la l’intensità di radiazione in una determinata direzione e la potenza totale irradiata in ogni direzione.
Con questa misura, possiamo capire se la nostra antenna è fortemente direttiva, o no, ovvero se è più efficiente in una direzione specifica o se può irradiare o ricevere segnali in molte più direzioni.

Diagramma a lobi che indica la direzione (in gradi) di un’antenna Yagi.
Si può notare l’intensità di irradiazione che si sviluppa solo in una direzione.
Le antenne Yagi hanno quindi un buon guadagno e un’elevata direttività
Al contrario, un dipolo irradia in quasi tutte le direzioni e avrà un guadagno minore.

Polarizzazione

Chi di voi, non appassionati di radio, ha mai armeggiato con l’antenna della TV, ha già sentito parlare di questo termine, polarizzazione.
Se per esempio stai montando sul tetto l’antenna e devi direzionarla verso il ripetitore tv desiderato, dovrai sapere anche la polarità della trasmissione, che potrà essere verticale o orizzontale (di solito si indica con V o H in inglese).
Ma di cosa si tratta?
Come già ripetuto nelle scorse puntate, le onde elettromagnetiche sono formate da due componenti, una magnetica e una elettrica.
Questi due campi, sono fra loro perpendicolari, quindi, l’onda si svilupperà in due direzioni diverse.
La polarizzazione, ci indica in che direzione si sviluppa il campo elettrico dell’onda radio.
Questo è un parametro estremamente importante per le trasmissioni VHF-UHF in linea diretta, in quanto, se una trasmissione viene effettuata in polarizzazione verticale, sarà difficilmente ricevibile da un’antenna polarizzata orizzontalmente.
Per le trasmissioni a frequenze minori, dove il segnale si propaga rimbalzando sulla ionosfera (ne parliamo qui), la polarizzazione diventa un fattore trascurabile, in quanto rimbalzando sulla ionosfera, la direzione del campo elettrico cambierà.

Un altro fenomeno particolare, riguarda le trasmissioni indirizzate al di fuori dell’atmosfera, che attraversando la ionosfera senza essere riflesse a terra, saranno soggette ad una rotazione di polarizzazione per via dell’effetto Faraday.
Ricevere e trasmettere dai satelliti, diventa quindi molto difficile senza conoscere la polarizzazione.
Si utilizzano quindi antenne a polarizzazione circolare, in grado di ruotare la polarità del campo elettrico.

Classica antenna elicoidale a polarizzazione circolare per trasmissioni satellitari

Tipologie comuni di antenne

Come abbiamo visto, la geometria dell’antenna ne varia molto i parametri di funzionamento.
Per questo esistono tantissimi tipi di antenna, ognuno dedicato a determinati scopi o frequenze.
Per concludere questa breve introduzione alle antenne, una piccola carrellata di alcune tipologie comuni.

Yagi-Uda e Log-Periodica

Guardate il tetto della casa davanti a voi e troverete una Yagi!

Forse il più comune tipo di antenna familiare a tutti noi.
Ideata nel 1926 da Hidetsugu Yagi e Shintaro Uda, due professori e ingegneri dell’università imperiale di Tohoku.
Ottima antenna direttiva, è composta da un dipolo (driven element nella figura), un elemento riflettore (posto in coda all’antenna), e diversi elementi direttivi.
L’antenna viene alimentata tramite cavo coassiale collegato al dipolo che irradia il segnale attraverso il riflettore e gli elementi direzionali.
I primi radar, montati a bordo degli aerei nella seconda guerra mondiale, utilizzavano un sistema di antenne Yagi posizionate sul muso.
In base al montaggio, varia la polarizzazione.
Se gli elementi direzionali sono orizzontali, l’antenna avrà una polarizzazione orizzontale, altrimenti sarà verticale.
Esistono anche Yagi con elementi sia orizzontali che verticali e spesso vengono usate per le trasmissioni satellitari a livello radioamatoriale.
Possono essere usate anche più antenne Yagi insieme, formando quindi un sistema a schiera (o meglio Array)

Array di antenne del sistema radar sovietico P18

Dalle antenne Yagi, deriva un altro tipo di antenna molto comune chiamata Log-Periodica, dove la lunghezza degli elementi direzionali, varia secondo il logaritmo della frequenza.
Rispetto alle antenne Yagi, che hanno una frequenza fissa di funzionamento, le Log-Periodiche, possono lavorare su più bande.

Log-Periodica funzionante sia in VHF che in UHF)

Antenne ad apertura

L’antenna parabolica del Goldstone Deep Space Communication Complex in California nel deserto del Mojave, questo è un sito che fa parte del Deep Space Network, che gestisce le comunicazioni verso le sonde spaziali NASA

Un classico esempio di antenna ad apertura è l’antenna parabolica, usata per radiotelescopi, radar e trasmissioni satellitari.
Questo tipo di antenna è ormai presente ovunque nelle nostre città, sui balconi e sui tetti delle abitazioni.
Ma ad apertura, sono anche le antenne a slot, come quelle dei radar navali.
Sono antenne estremamente direzionali ad alto guadagno e altissima direttività, utilizzate per le microonde.

Dipoli e monopoli

Questa non è una vera e propria categoria, in quanto comprende tantissimi tipi di antenne di ogni tipo e forma.
Possiamo però dire che sono tra le più semplici e antiche, consistono in uno o più parti metalliche che conducono elettricità, anche semplici e sottili cavi elettrici, di lunghezza determinata dalla frequenza di utilizzo.

T-Antenna (in blu) del famoso transatlantico H.M.S. Titanic.
Consisteva in un monopolo composto da più fili collegato a gli impianti del marconista.
Con questa antenna fu trasmesso il celebre messaggio di soccorso in alfabeto morse.

In genere i dipoli e i monopoli sono aperti, ovvero terminano a determinate lunghezze, ma c’è una tipologia di antenna particolare che consiste in un anello conduttore chiuso.
Si tratta delle loop magnetiche.
L’antenna loop magnetica, è un anello conduttore collegato ad un condensatore variabile che ne regola la sintonia.
Ampiamente utilizzate in ambito militare, consentono di operare su frequenze molto basse, senza il bisogno di gigantesche antenne di svariati metri.
Il difetto di queste antenne, è la ridotta banda passante, ovvero, se non si sintonizza adeguatamente il condensatore sulla frequenza desiderata, l’antenna diventa completamente sorda e inutilizzabile, questo però consente di attenuare enormemente i disturbi indesiderati provenienti da segnali molto forti su frequenze adiacenti a quella di nostro interesse e poter così captare anche i segnali più deboli sulla frequenza desiderata.

Antenna loop magnetica di mia progettazione e realizzazione
Dettaglio del condensatore variabile sottovuoto e del suo meccanismo di controllo a distanza dell’antenna loop da me progettata e realizzata

La lista è lunga…

Elencare tutti i tipi di antenne in un articolo è impossibile, mi sono limitato ad alcuni esempi tra le più usate negli ambiti civili e radioamatoriali, ma tantissime altre antenne sono presenti anche nella nostra quotidianità.
Le antenne dei nostri apparecchi WI-FI, le antenne integrate nei nostri smartphones, le antenne dei ripetitori per le reti di telefonia mobile, che troviamo spesso sospese sopra alti piloni sparsi sul territorio, le antenne dei nostri telecomandi per aprire automobili e cancelli e chi più ne ha più ne metta.
Il discorso antenna, è molto lungo e complesso, questo articolo vuole essere solo un piccolo riassunto del funzionamento e delle tipologie di base.
Nelle prossime puntate, andremo a vedere come un ricevitore utilizza il segnale elettrico captato dalle nostre antenne e come fa questo segnale a portare le informazioni che ci servono da un apparecchio radio all’altro senza fili!

Stay Tuned!

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