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Antenna

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Antenna ad onde corte a Moosbrunn in Austria

Esempio di antenna Yagi

Le antenne sono dispositivi in grado di convertire (o, più precisamente, trasdurre) il campo elettromagnetico che captano in un segnale elettrico, oppure di irradiare, sotto forma di campo elettromagnetico, il segnale elettrico con il quale vengono alimentati. Un principio fondamentale dell'elettromagnetismo, detto principio di reciprocità, garantisce che qualsiasi antenna possa indifferentemente funzionare sia come antenna trasmittente che come antenna ricevente.

Anche se in via teorica qualunque oggetto elettricamente conduttore si comporta da antenna, il fenomeno di trasduzione proprio dell'antenna è rilevante solo per forme e dimensioni dell'oggetto ben precise: le caratteristiche geometriche di un'antenna ne definiscono caratteristiche e prestazioni. Questo dà conto della varietà di dispositivi che la tecnologia realizza: così un'antenna omnidirezionale per onde medie sarà costruttivamente del tutto differente da un'antenna direttiva per microonde. Il tipo più semplice di antenna è detto dipolo: è una coppia di fili rettilinei, e la sua forma semplice rende semplice anche la relativa trattazione matematica. Inoltre, proprio perché semplice e facile da costruire viene usato spesso come termine di paragone per tutte le altre antenne.

Caratteristiche delle antenne

Esempio di diagramma di radiazione di un'antenna

Il guadagno (amplificazione), l'apertura e il diagramma di radiazione di una antenna sono strettamente connessi.

Il guadagno di una antenna è misurato per confronto tra l'antenna considerata e (idealmente) un'antenna isotropa (cioè perfettamente omnidirezionale). Nella pratica come antenna di riferimento si usa spesso il dipolo, perché una antenna realmente isotropa è un'idealizzazione fisicamente impossibile, mentre si dimostra che il dipolo ha un guadagno di 2,15 dB rispetto ad una sorgente isotropa ideale. La maggior parte delle antenne reali irradiano più di un'antenna isotropa in alcune direzioni e meno in altre, permettendo quindi una maggiore intensità di irradiazione (o un segnale captato più intenso) in certe particolari direzioni. Il guadagno è quindi dato dalla capacità dell'antenna di concentrare il campo elettromagnetico in una data direzione, ed è solitamente misurato nella direzione in cui l'antenna ha la massima emissione o ricezione, come un numero adimensionale.

 

L'apertura di un'antenna è l'angolo sotteso alla direzione del massimo guadagno a -3dB, cioè l'angolo in cui il guadagno si mantiene entro 3dB dal valore massimo; il diagramma di radiazione è la rappresentazione tridimensionale del guadagno, ma solitamente si preferisce più comodamente considerare i diagrammi di sezioni orizzontali e verticali. Antenne ad alto guadagno solitamente presentano dei lobi laterali. Essi rappresentano dei picchi minori del guadagno rispetto al lobo principale (il "fascio"). Questi lobi laterali limitano la qualità dell'antenna se questa è usata in sistemi in cui si deve determinare la direzione del segnale, come ad esempio nei sistemi radar. Nella figura è rappresentato un diagramma di radiazione a due dimensioni (che potrebbe rappresentare una sezione verticale o una sezione orizzontale dello spettro di emissione). In rosso è rappresentato il fascio (main lobe) e, in blu, i lobi laterali (side lobe).

Resistenza di radiazione

 

Esempio di antenna televisiva

Di una qualsiasi antenna è possibile calcolare la potenza irradiata integrando il vettore di Poynting (densità di potenza elettrica) S = ExH * su una superficie chiusa che contiene l'antenna.

La resistenza di radiazione (Rrad) è un parametro equivalente tale che, applicando ai morsetti dell'antenna una tensione sinusoidale di valore efficace V (cioè \frac{{V}\sin(\omega t)}{\sqrt2}), la potenza irradiata risulta:
P_{rad}=\frac{V^{2}}{R_{rad}}.
È possibile equivalentemente calcolare la potenza dissipata dall'antenna (Pdiss) come la differenza tra la potenza effettivamente assorbita ai morsetti e la potenza irradiata Prad.
Esattamente come è stato fatto precedentemente, è possibile definire una resistenza di perdita tale che:
P_{diss}=\frac{V^{2}}{R_{diss}}.
Abbiamo ottenuto in questo modo un equivalente circuitale dell'antenna costituito dalla serie di due resistenze; la potenza dissipata su queste resistenze rappresenta quella trasformata nei fenomeni di irraggiamento e dissipazione. Nel caso in cui l'antenna non sia risonante nell'equivalente andrà aggiunta una reattanza di valore appropriato.

Impedenza caratteristica

L'impedenza caratteristica di un'antenna (o impedenza in ingresso all'antenna) è l'impedenza che un'antenna presenta ai suoi terminali. Ogni tipo di antenna ha la sua impedenza caratteristica che è necessario conoscere per poterla adattare alla linea di trasmissione, cioè fare in modo che l'onda che si propaga venga completamente trasmessa e non riflessa.

Il coefficiente di riflessione Γ ci dà una misura della quantità di onda che torna verso il generatore. Per linee di trasmissione in generale questa quantità è definita nel seguente modo (assunto che il verso di propagazione dell'onda sia lungo la coordinata z):

\Gamma(z) = \frac{V^+(z)}{V^-(z)}

dove V + (z) e V (z) rappresentano rispettivamente l'onda di tensione progressiva e regressiva.

Se indichiamo con ZA l'impedenza in ingresso all'antenna e con ZC l'impedenza caratteristica della linea possiamo definire il coefficiente di riflessione come

\Gamma = \frac{Z_A - Z_C}{Z_A + Z_C}

Nel caso in cui l'antenna sia adattata alla linea Γ assume valore nullo. In tutti gli altri casi si dice che l'antenna è disadattata. In particolare sono importanti i due valori limite del coefficiente di riflessione:

Γ = 1 indica un circuito aperto (ZA tendente all'infinito)

Γ = − 1 indica un corto circuito (ZA = 0)

In maniera del tutto analoga è possibile definire il Rapporto d'Onda Stazionaria (ROS) o, in inglese, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR). Se assumiamo z come verso di propagazione dell'onda in linea e indichiamo con V(z) \in \mathbb{C}la tensione dell'onda al variare della coordinata spaziale, possiamo definire il ROS come

ROS =
\frac{\begin{smallmatrix}\operatorname{max}\\z\end{smallmatrix}\left|V(z)\right|}
{\begin{smallmatrix}\operatorname{min}\\z\end{smallmatrix}\left|V(z)\right|}

Esplicitando V(z) come somma dei fenomeni propagativi progressivo e regressivo, cioè V(z) = V + (z) + V (z) possiamo riscrivere il rapporto di cui sopra nel seguente modo:

ROS =
\frac{|V^+(z)| + |V^-(z)|}{|V^+(z)| - |V^-(z)|} =
\frac{1+|\Gamma(z)|}{1-|\Gamma(z)|}

Per come è definito questo parametro si può concludere che:

ROS \in \mathbb{R}

ROS \ge 1

Tale rapporto non è altro che il rapporto tra l'impedenza dell'antenna e quella del cavo, mettendo sempre al numeratore l'impedenza maggiore. In pratica:

ROS =
\begin{cases}
\frac{Z_A}{Z_C} & \mbox{se }Z_A > Z_C\\
\frac{Z_C}{Z_A} & \mbox{se }Z_A < Z_C\\
\end{cases}

Per esempio, un dipolo aperto con impedenza pari a 72 Ohm su un cavo da 50 Ohm presenta un ROS di 72/50 = 1.44. Lo stesso ROS si ottiene collegando allo stesso cavo un'antenna che abbia un'impedenza caratteristica di 34.7 Ohm. Il ROS si misura col Rosmetro e non dovrebbe mai superare il valore di 3 per non generare sul trasmettitore tensioni dannose per la componentistica. Alcune impedenze caratteristiche:

Dipolo aperto 72 Ohm

Dipolo chiuso 300 Ohm

Ground plane (120 gradi)50 Ohm

Inverted V (60 gradi) 50 Ohm

Marconi 1/2 onda (presa calcolata) con discesa ad 1/7 dal centro 600 Ohm

L'impedenza caratteristica di un'antenna si può agevolmente adattare al cavo mediante l'uso di appositi trasformatori di impedenza (Vedi anche balun e accordatori) che possono essere costituiti da tratti di linea risonanti con la frequenza caratteristica dell'antenna o spostando l'attacco della linea di discesa dal centro dell'antenna stessa. In fondo, anche un'antenna risonante non è altro che un trasformatore d'impedenza che adatta l'impedenza di uscita di un trasmettitore o di un ricevitore (molto spesso 50 ohm) con quella dello spazio (tipica 377 ohm)

 

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