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Titolo: antenne 5: schiere di antenne

Ariecchime! Vai con la quinta puntata
(sta diventando un sceneggiato fiume, chi si ricorda "E le stelle stanno
a guardare", "La cittadella", "Il mulino sul Po" eccetera eccetera? Ero
*molto* piccolo, ma me li ricordo ancora... però preferivo Nero Wolfe!
fine dell'inciso, sento già qualcuno che dice "ma che bacucco!"... a
stamattina ho ben 3, diconsi tre, capelli bianchi, sigh!)
Se vogliamo aumentare il guadagno di un'antenna, o aumentarne la
direttività, cose che come abbiamo visto vanno di pari passo, come
dobbiamo fare? Una prima, ovvia possibilità è quella di concentrare il
campo nelle sole direzioni volute, usando uno o più specchi o facsimili
di specchi: lo vedremo in alcune delle prossime puntate.
Un'altra strada, di cui parliamo qui, è quella di usare più antenne,
facendo in modo che i loro campi interagiscano opportunamente; un
sistema di questo genere si chiama schiera di antenne e presenta alcune
caratteristiche *molto* interessanti. Ma cominciamo dal caso più
semplice, prendendo due sole antenne uguali tra loro; per semplificare
al massimo, consideriamo due antenne isotropiche, cioè, per chi si fosse
posto all'ascolto soltanto ora, che irradiano nello stesso modo in tutte
le direzioni; poniamole nello spazio vuoto, ad una certa distanza D tra
loro; infine, per completare la semplificazione, alimentiamole in fase
tra loro.
Prima di proseguire, diamo alcuni nomi che ci serviranno nel seguito; le
due antenne, che possiamo supporre puntiformi, e d'ora in poi chiameremo
*elementi* della schiera, sono congiunte da una retta, che chiameremo
*asse* dell'antenna; chiamiamo *centro* dell'antenna il punto centrale
del segmento che congiunge i due elementi. Ancora, chiamiamo *piano
mediano* il piano che passa per il centro dell'antenna ed è
perpendicolare all'asse.
Siamo pronti: consideriamo allora le onde emesse (in fase) dagli
elementi; quando arrivano su di un qualsiasi punto del piano mediano,
esse hanno percorso esattamente la stessa strada, quindi, essendo
partite in fase, sono ancora in fase, e si sommano tra loro. Se ora ci
poniamo in una qualsiasi altra direzione, le onde ci arriveranno dopo
aver compiuto percorsi diversi, e quindi non più in fase tra loro; se la
differenza di percorso non è uguale ad esattamente un multiplo di
lunghezza d'onda, il risultato è che la loro somma è minore di quanto
non sarebbe sul piano mediano; in particolare, se la differenza di
percorso è pari ad un multiplo dispari di mezza lunghezza d'onda, le
onde arrivano in opposizione di fase e la loro somma è zero (in realtà,
a causa della differenza di percorso, l'ampiezza delle onde è
leggermente diversa, quindi lo 'zero' non è proprio proprio zero, ma se
ci poniamo a distanza sufficiente dall'antenna, la differenza d'ampiezza
è molto piccola, tale da poter essere tranquillamente trascurata).
Ricapitolando: in certe direzioni l'irradiazione è massima, in altre è
minima: abbiamo ottenuto un'antenna direttiva, con dei lobi di radazione
la cui forma e disposizione dipende dalla distanza tra gli elementi del
sistema. Una schiera di questo genere, che irradia prevalentemente sul
suo piano di mezzeria, si chiama *broad-side array*.
Poniamo ora che la distanza D tra gli elementi sia pari esattamente ad
una mezz'onda, che è una situazione standard; è facile convincersi che
ora le posizioni in cui i campi prodotti dai due elementi sono sfasati
di mezzo periodo, e quindi si annullano, si trovano esattamente lungo la
congiungente degli elementi, cioè lungo l'asse dell'antenna; infatti le
onde prodotte dall'elemento 1 arrivano sull'elemento 2 dopo aver
percorso mezz'onda, e da qui in poi le due onde prodotte dagli elementi
viaggiano insieme, mantenendo uniformemente e costantemente nulla la
somma.
Cambiamo ora le carte in tavola: diamo alle due antenne un'alimentazione
reciprocamente sfasata di mezzo periodo. Ora, in tutti i punti del piano
mediano, le onde arrivano costantemente in controfase, per cui, su tutto
il piano, la risultante netta è zero; viceversa, lungo l'asse
dell'antenna i campi sono costantemente in fase, e si sommano dando la
risultante massima possibile. La schiera così ottenuta è detta *end-fire
array* (e già comincia a somigliare ad una Yagi-Uda...).
Osserviamo subito una cosa molto importante: cambiando le sole
alimentazioni (praticamente, aggiungendo una mezz'onda di linea),
abbiamo ruotato di 90° i lobi di radiazione della schiera!
Altra osservazione: togliamo l'alimentazione all'elemento 1 e
cortocircuitiamolo (altrimenti la corrente non passa). Ad un esame
superficiale si potrebbe pensare che l'effetto dell'elemento si annulli,
ma non è così. In realtà, il campo prodotto dall'elemento 2 giunge
all'elemento 1, sfasato esattamente di mezzo periodo, e quindi fa
scorrere su di esso una corrente equivalente ad un'alimentazione sfasata
di mezzo periodo. Il sistema si comporta quindi ancora come una schiera
end-fire, salvo che l'irradiazione dell'elemento 1 è un po' più debole
di quella dell'elemento 2; a causa di ciò, lo zero sul piano mediano
diventa "un po' meno zero", cioè il piano d'irradiazione nulla si
deforma, e l'irradiazione in una direzione è un po' più intensa che
nell'altra.
Cosa succede alle impedenze degli elementi? Ciascun elemento è
sottoposto al proprio campo, ma anche al campo generato dall'altro
elemento, e, in funzione delle fasi delle alimentazioni e della distanza
tra gli elementi, intorno all'elemento il campo potrà sommarsi o
sottrarsi secondo i casi. Quindi l'impedenza varia secondo la
disposizione degli elementi e la loro alimentazione; però su questo
argomento, piuttosto complesso, non scenderemo in ulteriori dettagli.
Prendiamo ora un caso un po' più complicato: aggiungiamo un terzo
elemento alla schiera end-fire vista sopra, disponendolo lungo, l'asse
spaziando tutti gli elementi di mezza lunghezza d'onda, ed alimentandoli
ciascuno in controfase rispetto a quello adiacente; il centro
dell'antenna si trova ora in corrispondenza dll'elemento centrale, che
giace sul piano mediano. Sull'asse dell'antenna i campi continuano
ancora  a sommarsi, quindi abbiamo ancora i lobi di radiazione
principali disposti lungo esso. Però, sull'asse mediano, si hanno i due
due campi degli elementi esterni che si sommano, mentre il campo
dell'elemento centrale si sottrae; l'intensità è minore, ma non è più
zero. Si ha cioè un lobo secondario di radiazione. I lobi principali e
secondario sono separati da due superfici coniche, con vertice nel
centro dell'antenna e simmetriche rispetto al piano mediano. Aumentando
la complessità dell'antenna, il numero di lobi cresce di uno per ogni
elemento aggiunto, però contemporaneamente l'intensità dell'irradiazione
nei lobi secondari decresce; in altre parole, la direttività
dell'antenna cresce!
Ovviamente, non c'è limite alla complicazione che si può introdurre, nel
senso che si può pensare di aggiungere elementi in numero illimitato;
però in pratica, non è detto che convenga, in quanto, all'aumentare del
numero di elementi, la direttività aumenta solo fino ad un certo limite,
poi cresce molto lentamente ed infine non cresce più; in altre parole,
con le schiere non si possono realizzare antenne 'superdirettive'.
Un'ultima nota: le antenne broad-side (per motivi che qui non ci sognamo
neanche vagamente di affrontare), sono più direttive delle end-fire.
Tutto il ragionamento fatto sopra è vero nel caso delle antenne
isotropiche; se invece usiamo antenne reali, come ad esempio i dipoli,
il diagramma di radiazione tipico della schiera si deforma per tenere
conto del diagramma tipico dell'antenna elementare usata; in altre
parole, il guadagno in ogni direzione è dato dal prodotto del guadagno
proprio dell'antenna per quello tipico della schiera, cosicchè i lobi
possono essere rafforzati in certe direzioni, ed attenuati in altre.
Anche per oggi basta! La prossima puntata sarà sulla più importante
delle antenne: il dipolo!
Ciao a tutti.
--
73 es 51 de i3hev, op. mario
http://digilander.iol.it/hamweb
http://digilander.iol.it/esperantovenezia

...beh, consolati: anche se ricordo solo vagamente il mulino del Po, ho la
barba quasi tutta bianca e forse quattro capelli bianchi!! :-))
(tanto per segnalarti che qualcuno ha letto la quinta puntata ed è in attesa
della sesta!)
--
73 de IK2VTJ, Piero.
http://www.infinito.it/utenti/ardf.it
http://www.qsl.net/ik2vtj