Antenne OMNIDIREZIONALI: dimensioni meccaniche e guadagno

04/10/2018

Ecco la formula per stimare il guadagno reale di un’antenna omnidirezionale partendo dalle dimensioni meccaniche indicate nel datasheet

 

NOTA: puoi liberamente scaricare, stampare e consevare la versione in formato PDF di questo articolo cliccando qui.

 

Se nella tua attività utilizzi antenne omnidirezionali, ti sarà capitato spesso di dover scegliere la soluzione più adatta alla tua applicazione visionando i dati indicati nei vari datasheet.

 

E ti sarà sicuramente capitato qualche volta di incappare in antenne scadenti, incapaci di confermare le prestazioni promesse nelle schede tecniche.

 

Ovviamente la colpa non è stata tua, ma sappiamo bene che, tra i tanti produttori di antenne seri ed affidabili, si nascondono aziende che non hanno nessuna remora ad indicare valori di guadagno generosi per riuscire a vendere qualche pezzo in più.

 

Vogliamo ora dare il nostro contributo per combattere questa brutta abitudine, fornendoti uno strumento pratico per valutare l’attendibilità delle varie schede tecniche ed individuare così i costruttori di antenne più affidabili.

 

Nella versione in formato PDF dell’articolo redatto dall’Ing. Francesco Zaccarini, liberamente scaricabile cliccando qui, trovi infatti la formula che ti permette di stimare il guadagno reale di un’antenna omnidirezionale, partendo dalla frequenza operativa e dalle dimensioni meccaniche indicate nel datasheet.

 

Ma vediamo come è stato possibile arrivare alla definizione di questa formula.

 

ANTENNE OMNIDIREZIONALI SEMPLICI

 

Partiamo innanzitutto dalla definizione di antenna omnidirezionale: un’antenna si definisce omnidirezionale quando irradia in modo uniforme in tutte le direzioni nel piano orizzontale.

Lo scarto tra le due direzioni di massimo e di minimo nel corrispondente diagramma di radiazione è inferiore ai 3 dB (tipicamente minore di 1 dB).

Nella maggioranza delle antenne omnidirezionali si impiegano elementi radianti caratterizzati da una simmetria rotazionale attorno all’asse verticale (asse z). Inoltre tali strutture vengono alimentate in modo da garantire una distribuzione di corrente il più possibile uniforme in ogni sezione dell’elemento perpendicolare all’asse z.

Nelle antenne omnidirezionali semplici, ovvero costituite da un solo elemento radiante, la distribuzione di corrente si mantiene in fase su tutta la lunghezza del conduttore stesso, che quindi assume dimensioni comprese tra 0.5λ e 1λ.

Per queste due lunghezze risonanti i valori di guadagno teorici sono noti in letteratura, essendo rispettivamente:

 

2.15 dBi per 0.5λ

 

3.82 dBi per 1λ

 

Quindi, nel caso di un’antenna semplice, con dimensioni massime pari ad una lunghezza d’onda λ, i valori di guadagno reali sono facilmente stimabili.

 

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ANTENNE OMNIDIREZIONALI COLLINEARI

 

Per ottenere un guadagno maggiore, le antenne omnidirezionali vengono costruite sovrapponendo degli elementi radianti semplici (tipicamente dipoli in λ/2 o λ) in modo da formare una schiera (o array) monodimensionale, ovvero un’antenna composita la cui dimensione totale può estendersi anche per più lunghezze d’onda. Si parla quindi di omnidirezionali di tipo collineare, costituite da un numero N di sorgenti elementari, di solito dipoli, alimentate in fase.

L’aumento del guadagno si ottiene restringendo il diagramma di radiazione, ovvero il lobo principale, nel piano verticale. In questo stesso piano il diagramma di radiazione dell’antenna composita è perciò dato dal prodotto del diagramma di radiazione del singolo dipolo moltiplicato per il cosiddetto fattore di gruppo (o di array).

Per lo scopo di questo articolo è sufficiente dire che nelle antenne collineari alimentate uniformemente ed in fase, il fattore di gruppo dipende esclusivamente dalla mutua posizione dei singoli dipoli e dal loro numero.

E’ inoltre necessario tenere conto di un importante vincolo, relativo al valore massimo di spaziatura, che deve essere compreso tra 0.5λ e . Per valori di spaziatura maggiori di λ, infatti, si ha un rapido aumento dei lobi laterali e conseguente diminuzione del guadagno dell’array.

 

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MASSIMO GUADAGNO OTTENIBILE

 

Senza addentrarci nella teoria degli array, seguiamo un approccio più semplice con lo scopo di stimare il guadagno teorico di un’antenna collineare composta da una schiera di N dipoli con spaziatura S.

Mediante l’utilizzo di un software di calcolo elettromagnetico, abbiamo inizialmente preso in considerazione un’antenna collineare di due dipoli ed abbiamo calcolato il valore teorico del guadagno in funzione di S, i cui valori variano da 0.5λ a .

Dal risultato ottenuto si evince che il massimo valore di guadagno si ottiene per spaziature dell’ordine di 0.9λ÷1λ. E’ possibile inoltre affermare che per una spaziatura S di 0.75λ otteniamo un valore teorico di guadagno entro 0.5 dB dal valore massimo.

Supponiamo ora di ripetere lo stesso calcolo per antenna collineari di dimensioni maggiori, ovvero con un numero di dipoli che varia da 2 a 10, considerando, per ogni configurazione, valori di spaziatura utilizzabili nella pratica e quindi compresi tra 0.5λ e .

A questo punto, ponendo in relazione il valore di guadagno ottenuto rispetto alla lunghezza totale dell’array, analizzando i risultati ottenuti al variare del numero di dipoli che compongono la schiera dell’antenna collineare, è possibile trarre la seguente importante conclusione:

 

Il massimo guadagno ottenibile da un’antenna collineare non dipende dal numero di elementi radianti utilizzati, ma dalla lunghezza totale dell’array. Naturalmente tale principio è valido a patto che la spaziatura dei singoli dipoli sia compresa tra 0.5λ e 1λ.

 

Appare quindi evidente l’inaffidabilità di certi valori di guadagno dichiarati in schede tecniche di antenne omnidirezionali un po’ troppo corte per poter confermare tali prestazioni nella pratica.

 

Per una descrizione dettagliata del metodo, con le formule utilizzate ed i diagrammi ottenuti, ti rimando al documento tecnico di 10 pagine redatto dall’Ing. Francesco Zaccarini, in un pratico formato PDF da scaricare, stampare e conservare. Troverai anche una semplice formula, con alcuni esempi pratici, per stimare il guadagno reale della prossima antenna omnidirezionale che vuoi acquistare a partire dai dati indicati nella scheda tecnica.

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

Email: [email protected]icservices.com

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