I dispositivi per la protezione dalle scariche atmosferiche nelle antenne

11/6/2019

IMPORTANTE: tutte le informazioni e le esperienze riportate in questo articolo sono frutto dell'attività di progettazione, sviluppo e realizzazione di antenne custom professionali svolta da ElettroMagnetic Services Srl con il metodo AntennaSuMisura. Per saperne di più, clicca qui.

 

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Quali sono i dispositivi di protezione adottabili nell'impianto d'antenna e nell'antenna stessa?

 

NOTApuoi liberamente scaricare, stampare e conservare la versione in formato PDF di questo articolo scritto dall'Ing. Francesco Zaccarini cliccando qui.

 

I DISPOSITIVI DI PROTEZIONE ESTERNI ALL’ANTENNA

Sebbene in questa sede ci si focalizzi soltanto sulle antenne, possiamo dire che il primo dispositivo di protezione dell’antenna è rappresentato dalla struttura sulla quale essa è montata, ovvero dal modo in cui essa è efficacemente protetta da questi eventi atmosferici.

Per quanto riguarda l’antenna vera e propria, una protezione di tipo esterno è rappresentata da quei dispositivi che, installati sulla linea di trasmissione in prossimità dell’antenna od in altri punti lungo la linea stessa, eliminano l’accumulo di carica e/o introducono un percorso preferenziale (a bassa induttanza) verso terra.

Tali dispositivi sono:

- Scaricatori (lightning arrestors)

- Stub in corto circuito od elementi reattivi

- Resistenze di scarica (bleeding resistors).

 

Scaricatori (Lightning arrestors)

Gli scaricatori sono dei dispositivi che utilizzano due elettrodi opportunamente dimensionati, in aria od inseriti in una capsula riempita di gas inerte, che permettono il formarsi di un arco voltaico quando tra i due conduttori la differenza di potenziale eccede un limite prefissato.

Tale dispositivo è sempre installato in un punto dell’antenna non soggetto a tensioni RF elevate, quale ad esempio il punto di alimentazione dove l’impedenza nominale è di solito standardizzata sui 50 Ω.

Nel caso di impianti d’antenna a frequenza più elevata si utilizzano degli scaricatori coassiali che sfruttano il principio della scarica di gas. Sul mercato sono disponibili diversi modelli, sia con diverse connettorizzazioni sia con pastiglie a scarica di gas sostituibili e caratterizzate da differenti parametri d’intervento.

Rispetto agli scaricatori in aria, quelli facenti uso di pastiglie a scarica di gas (GDT - Gas Discharge Tube) hanno parametri elettrici più stabili e sfruttano la ionizzazione del gas all’interno della pastiglia per passare da una condizione di elevata impedenza ad uno stato di conduzione del gas ionizzato, caratterizzato da una resistenza dell’ordine di una quindicina di ohm.

Nella versione in formato PDF dell’articolo scritto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente cliccando qui, è possibile trovare le foto di uno scaricatore in aria ed uno scaricatore a gas.

 

Stub in corto circuito od elementi reattivi

Sfruttando le proprietà delle linee di trasmissione od un componente discreto (induttanza), è possibile realizzare un corto circuito per la corrente continua che nello stesso tempo presenti un’elevata impedenza per le correnti RF presenti nella linea di trasmissione connessa all’antenna.

Utilizzando un tratto di linea (o stub) in corto circuito lungo un quarto della lunghezza d’onda nella linea e connesso in parallelo al connettore d’antenna (od in un altro punto della linea di discesa opportunamente scelto), è possibile realizzare un dispositivo per collegare a terra l’elemento radiante senza pregiudicarne l’adattamento.

Da un punto di vista teorico, per ottenere una maggiore larghezza di banda utile è necessario realizzare lo stub con un’impedenza caratteristica maggiore rispetto a quella nominale della linea a cui viene collegato, in genere 50Ω. Da un punto di vista pratico però vi sono dei limiti fisici di realizzabilità di una linea coassiale di impedenza troppo elevata, dovendo costruire un conduttore centrale molto sottile. Nel caso in cui la realizzazione di uno stub in quarto d’onda risulti poco pratica, ad esempio nelle bande HF od a frequenza inferiore, quest’ultimo può essere sostituito con un induttore di valore opportuno (RF choke), posto in parallelo alla linea od al connettore d’ingresso dell’antenna.

Se confrontato con lo stub in corto circuito, un induttore presenta comunque una reattanza elevata non solo per la corrente RF all’antenna ma anche rispetto a qualsiasi transitorio con un andamento rapidamente variabile nel tempo. Per tale motivo viene di solito utilizzato in sostituzione della resistenza di scarica per evitare l’accumulo di carica elettrostatica sui conduttori d’antenna.

Nella versione in formato PDF dell’articolo scritto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente cliccando qui, è possibile trovare un esempio di scaricatore con stub in quarto d’onda in parallelo ed il grafico che rappresenta l’andamento della larghezza di banda al variare dell’impedenza caratteristica della linea con cui è realizzato lo stub.

 

Resistenze di scarica (bleeding resistors).

Nel caso in cui non si utilizzi uno stub od un’induttore, l’electrostatic charge buildup descritto nel precedente paragrafo viene eliminato inserendo un resistore di valore R molto maggiore rispetto all’impedenza della linea o dell’antenna.

L’insieme di antenna, linea e resistore diventa in questo caso un circuito RC, con il valore di R tale per cui la velocità di scarica sia maggiore del tasso di accumulo della carica elettrostatica sui conduttori d’antenna.

Nei sistemi d’antenna di grandi dimensioni, in genere questo dispositivo viene accoppiato ad uno scaricatore ad arco.

 

I DISPOSITIVI DI PROTEZIONE INTEGRATI NELL’ANTENNA

Se con un multimetro si misura la resistenza tra i due contatti del connettore d’ingresso di un’antenna di commercio, quasi sempre si legge un valore prossimo a 0 Ω. Per la corrente continua quindi ai morsetti d’antenna c’è un vero e proprio corto circuito, e questo permette di proteggere gli apparati radioelettrici ad essa collegati per la maggior parte degli eventi atmosferici sopra descritti.

Rispetto a quanto esposto nel paragrafo precedente, i dispositivi che implementano questa protezione e che sono integrati nell’antenna presentano due caratteristiche peculiari, tali da non renderli trasparenti al corretto funzionamento dell’antenna stessa.

Per questi dispositivi si può infatti affermare che:

- fanno parte dell’elemento radiante o della rete di ripartizione/adattamento;

- hanno anche altre funzioni, come ad esempio quella di supporto meccanico.

E’ possibile quindi distinguere i seguenti casi.

 

Elemento radiante in corto circuito.

Numerose tipologie di elementi radianti sono fisicamente in corto circuito, essendo questa una caratteristica propria dell’elemento stesso. Inoltre essendo queste antenne ad onda stazionaria, in alcuni casi vi è un punto sul conduttore caratterizzato da una tensione RF nulla che può quindi essere messo direttamente a massa sulla struttura di supporto dell’antenna.

Un’attenta analisi della distribuzione di corrente (e di tensione RF) su di una determinata struttura radiante, permette in sede di progetto di scegliere dei punti che possono essere opportunamente messi a terra senza interferire con le caratteristiche di radiazione ed adattamento dell’antenna.

Escludendo alcuni determinati casi, come può essere ad esempio il dipolo ripiegato, non sempre la distribuzione di tensione su di un radiatore ha un andamento intuitivo, pertanto, per determinare la corretta collocazione del punto di massa, è consigliabile far uso di appropriati software di simulazione elettromagnetica.

Nella versione in formato PDF dell’articolo scritto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente cliccando qui, è possibile trovare due esempi pratici con relative foto: un dipolo ripiegato ed un’antenna a patch.

 

Elemento radiante con balun in corto circuito.

Spesso nell’antenna e/o negli elementi radianti che la compongono vi sono degli elementi circuitali che implementano un corto circuito per la corrente continua e che, allo stesso tempo, hanno anche una funzione diversa, necessaria al funzionamento dell’antenna.

Nella versione in formato PDF dell’articolo scritto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente cliccando qui, è possibile trovare l’esempio di un array logaritmico e di un dipolo semplice montato in un pannello. In entrambe i casi è possibile notare come elementi necessari al funzionamento delle antenne, la linea bifilare di alimentazione nel primo caso ed il supporto meccanico nel secondo, possono anche implementare la funzione di corto circuito.

 

Stub di cortocircuito (od RF choke) integrati nell’antenna.

Vi sono alcuni casi in cui l’antenna o gli elementi radianti utilizzati per la schiera non sono stati pensati per essere già in corto circuito, quindi è necessario inserire nell’antenna dei componenti distribuiti (stub in l/4) o discreti (RF choke).

Nel caso di stub l/4 in corto circuito, in genere si tiene conto di una delle sue proprietà fondamentali, consistente nel fatto che, se tagliato per la frequenza f0 di centro banda, esso introduce una reattanza di tipo induttivo per f<f0 e viceversa una reattanza capacitiva per f>f0.

Ne segue che, in funzione della curva di impedenza che l’antenna presenta, grazie a questo sistema si può introdurre una compensazione in banda delle componenti reattive dell’elemento stesso.

In questo caso però non è possibile giocare sull’impedenza caratteristica dello stub (tanto più bassa è maggiore sarà la compensazione in banda), dal momento che in genere si utilizza del cavo coassiale standard od al più, per evidenti limiti realizzativi, una microstriscia da 25÷75 Ω.

Nella versione in formato PDF dell’articolo scritto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente cliccando qui, si riporta l’esempio, con relativa foto, di uno stub in cavo coassiale saldato in parallelo al punto di alimentazione di un elemento radiante su PCB.

 

Balun e trasformatori di impedenza a costanti concentrate.

Come già accennato, le antenne utilizzate su frequenze più basse delle VHF sono generalmente costituite da conduttori filiformi, isolati rispetto al suolo e di dimensioni tali da poter essere caricati a differenze di potenziale ragguardevoli.

In questi casi, nel punto di alimentazione si fa uso di un balun a trasformatore, realizzato mediante un doppio avvolgimento su di un nucleo in materiale ferromagnetico, di solito di forma toroidale.

Questi dispositivi, che generalmente implementano sia una funzione di simmetrizzazione delle correnti d’antenna che di trasformazione d’impedenza tra l’elemento radiante e la linea di alimentazione, possono essere realizzati con uno schema che mette in corto circuito i due conduttori del cavo coassiale ad esso collegato.

In accordo con questo schema, due conduttori della linea coassiale vengono messi in corto circuito attraverso un’induttanza avvolta su di un nucleo toroidale.

Questo dispositivo quindi, oltre ad essere necessario al funzionamento dell’antenna, implementa una protezione dalle scariche elettrostatiche e risulta efficace per evitare l’electrostatic charge buildup.

Per quanto riguarda la protezione dai transitori (LEMP), l’induttanza dell’avvolgimento può presentare comunque un’alta impedenza e quindi una protezione aggiuntiva costituita da uno scaricatore coassiale è consigliabile.

Nella versione in formato PDF dell’articolo scritto dall’Ing. Francesco Zaccarini, scaricabile liberamente cliccando qui, si riporta la foto di un esempio di un trasformatore di questo tipo, avvolto su un nucleo toroidale: in questo caso si tratta di un “unun” (ingressi ed uscita entrambi sbilanciati) progettato per accoppiare due antenne nella banda di frequenza da 3 a 30 MHz.

 

CONCLUSIONI

Dopo aver passato in rassegna, nella prima parte dell’articolo, i vari tipi di eventi atmosferici potenzialmente pericolosi per gli impianti di telecomunicazioni, in questa seconda parte sono stati presi in esame i principali dispositivi di protezione che possono essere sia installati in prossimità delle antenne sia integrati in esse.

A meno che non si faccia riferimento ad antenne di enormi dimensioni, già realizzate per gestire in ingresso livelli di potenza considerevoli (ad esempio nel broadcasting in onde corte e medie), i dispositivi di protezione integrati nelle antenne non forniscono una protezione certa da eventi di fulminazione diretta, che scaricano forti correnti verso terra con esiti distruttivi.

Nel progetto di un’antenna custom, qualora richiesto, viene integrato un dispositivo di protezione che neutralizzi l’accumulo di cariche elettrostatiche e metta a terra gli elementi radianti senza compromettere le caratteristiche elettriche dell’antenna stessa.

Tali dispositivi si rivelano sufficienti per la maggior parte delle applicazioni, specie nel caso in cui vengano adottati unitamente ad altri sistemi di protezione della struttura sulla quale l’antenna è montata, cosicché quest’ultima non diventi il percorso preferenziale della corrente di fulminazione.

Nel caso in cui gli elementi radianti di un’antenna non siano fisicamente a massa, è importante valutare caso per caso l’opportunità di predisporre un cortocircuito per la corrente continua integrato nell’antenna stessa.

Vi possono essere infatti alcune applicazioni particolari che devono necessariamente avere o non avere l’antenna “in corto”.

A tal proposito si considerino i due esempi reali che seguono.

 

Antenna in corto circuito per la corrente continua.

Necessario nel caso di applicazioni in particolari ambienti operativi, soggetti a scariche elettriche che non necessariamente possono essere attribuibili ad eventi atmosferici, come un’antenna TETRA per applicazioni ferroviarie, che deve essere installata sul tetto di un vagone o locomotore ferroviario in prossimità del pantografo che prende la corrente dalla linea elettrica soprastante.

 

Antenna in circuito aperto per la corrente continua.

Antenna connessa ad uno stadio amplificatore/preamplificatore la cui porta d’uscita non è disaccoppiata dall’alimentazione mediante un condensatore serie. Ciò può essere essenzialmente dovuto a tre motivi:

necessità di inserire un’alimentazione phantom nel cavo d’antenna con conseguente rischio di corto circuito;

particolare scelta, diciamo pure poco ortodossa, di progetto dell’apparato;

presenza di altre parti, estese e fisicamente a massa, nell’antenna che non rendono necessario inserire un corto circuito nella linea di alimentazione, non direttamente connessa all’elemento radiante.

Questi ultimi casi meriterebbero un approfondimento maggiore, dato che l’argomento sconfina nei criteri di progetto di un’antenna in funzione della sua particolare applicazione.

In questa sede ci si limiterà a dire che anche questo aspetto può essere rilevante e meritevole di una approfondita disamina nel momento in cui ci si accinge a sviluppare un’antenna su misura.

 

Se ti interessa e vuoi approfondire l'argomento, trovi l'articolo completo redatto dall'Ing. Francesco Zaccarini in questo documento tecnico di 10 pagine in formato PDF da scaricare, stampare e conservare. 

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

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