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Come leggere un diagramma di irradiazione

da | 5 Gen, 21 | Design, RF/Wireless |

L’irradiazione è il termine usato per rappresentare l’emissione o la ricezione del fronte d’onda dell’antenna, specificandone l’intensità. In ogni progetto RF si può notare sempre un particolare grafico che rappresenta la radiazione dell’antenna. Esso è il diagramma di radiazione e permette facilmente di risalire alle caratteristiche e alla direttività di un’antenna. Vediamo di comprendere bene la funzione di questo prezioso grafico.

Modello di radiazione in 2D

Il diagramma di radiazione può essere una funzione matematica o una rappresentazione grafica del campo lontano, per:

in funzione della direzione di partenza dell’onda elettromagnetica. Un diagramma di radiazione può rappresentare diverse grandezze come, ad esempio, il guadagno, la direttività o il campo elettrico. Queste informazioni possono essere rappresentate in diversi modi. In genere viene visualizzata l’ampiezza della funzione e di solito essa è normalizzata secondo diversi criteri. Il pattern può essere espresso in decibel. Il modello bidimensionale prevede il piano orizzontale e quello verticale. La figura 1 mostra un diagramma di radiazione omnidirezionale nei piani H e V.

Figura 1: un esempio di diagramma nei piani orizzontale e verticale

Se si realizza un trasmettitore o un ricevitore, specialmente se esso necessita delle dovute certificazioni, è indispensabile dimostrare che i segnali inviati non stiano interferendo su altre bande e che i segnali siano trasmessi con le corrette potenze e nelle giuste frequenze. A seconda della tipologia di progetto, le antenne possono assumere diverse forme e dimensioni. Oggi esistono software che aiutano i progettisti a realizzare le loro antenne e, soprattutto, a simularle con la produzione di ottimi diagrammi di irradiazione. Ovviamente nella realtà vi saranno oggetti esterni che varieranno le condizioni di funzionamento, ma ottenere inizialmente un’idea di massima è molto importante. In un tipico diagramma di radiazione, con elementi direzionali, si possono osservare diversi gradi di radiazione e di livelli di potenza. Con l’aggiunta di elementi supplementari all’antenna, miglioreranno alcuni parametri a discapito, ovviamente, di altri. Un diagramma può contenere i seguenti lobi, come si può evincere dalla figura 2:

  • lobo di radiazione principale: è il picco più intenso della radiazione. Questa è la parte in cui esiste la massima energia irradiata. La direzione di questo lobo indica la direttività dell’antenna;
  • lobo minore: qualsiasi lobo di radiazione diverso dal lobo principale;
  • lobo laterale: è il lobo di radiazione in qualsiasi altra direzione diversa da quella prevista;
  • lobo posteriore: è il lobo di radiazione opposto a quello principale. Qui si spreca una notevole quantità di energia.

Figura 2: i tipi di lobi

Come si può vedere nel diagramma, i cerchi concentrici rappresentano i livelli di potenza misurati in dB. Si cerca di ridurre i lobi nelle direzioni laterali, minori e posteriori mentre la preferenza del segnale dovrebbe seguire la direzione del lobo principale, obiettivo basilare e dominante di una antenna. I lobi al di fuori di quello principale rappresentano le aree in cui l’energia viene maggiormente sprecata. Se si deve trasmettere o ricevere un segnale che è posizionato a 200° gradi dall’emittente e il raggio di trasmissione è largo 20°, si può puntare l’antenna tra 180° e 220°. Nel caso di un’antenna omnidirezionale non è necessario puntarla, tuttavia, la potenza potrebbe non essere adeguata. Un aumento di direttività dell’antenna presuppone una implementazione di ulteriori elementi parassiti, per aumentare il guadagno, in modo da ridurre i lobi meno interessanti e prediligendo il lobo principale. Se i lobi minori vengono eliminati e questa energia viene deviata in una direzione (cioè verso il lobo maggiore), la direttività dell’antenna viene aumentata, il che porta a prestazioni migliori.

Il diagramma di irradiazione di un’antenna estremamente direttiva

Con le antenne direttive si può letteralmente concentrare il segnale radio nella direzione desiderata, a patto di utilizzare un numero elevato di elementi parassiti. I diagrammi analitici permettono di ottenere risultati molto interessanti. La figura 3 mostra un’antenna estremamente complessa, realizzata per la banda dei 2 metri, a 144 MHz. Solo per curiosità, elenchiamo alcuni parametri elettrici di tale antenna:

  • frequenza di risonanza: 144 Mhz;
  • impedenza: 49.1 + j 2 Ohm;
  • SWR a 50 Ohm: 1:1.05;
  • efficienza: 100%;
  • guadagno: 22.5 dB;
  • rapporto F/B: 14.11.

Figura 3: un’antenna direttiva molto complessa

La comprensione dei due diagrammi (orizzontale e verticale) spesso non è di immediata comprensione e occorre avere un po’ di pratica con la geometria solida tridimensionale. In figura 4 sono visualizzati i due quadranti H e V che evidenziano le caratteristiche di trasmissione o di ricezione dell’antenna e mettono in luce le sue capacità direttive.

Figura 4: i diagrammi di irradiazione nel piano orizzontale e verticale

Ma se si vuol meglio comprendere la reale direttività dell’antenna, è meglio affidarsi a una rappresentazione 3D della potenza del segnale, sia in entrata che in uscita. Il pattern 3D fornisce, in un’unica soluzione, l’intero comportamento dell’antenna e dal momento che il solido generato è diversamente colorato e può essere ruotato, permette la piena visione del lavoro svolto dall’antenna, come si può ben osservare in figura 5. Inoltre, la visualizzazione contemporanea dell’elemento radiante al pattern colorato, fornisce una perfetta visione d’insieme. La legenda multicolore permette un rapido rintracciamento dei valori del guadagno, in ogni parte del dispositivo.

Figura 5: un solido 3D di irradiazione aiuta a capire perfettamente il comportamento dell’antenna

Conclusioni

Oggi abbiamo la fortuna di poter disporre di ottimi software di modellazione di antenne e alcuni sono addirittura gratuiti. Attualmente quelli utilizzati da numerosi amatori sono i seguenti:

  • 4NEC2;
  • EZNEC;
  • MININEC;
  • MMANA-GAL.
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