La direttività è un parametro fondamentale per un'antenna. Misura il diagramma di radiazione di un'antenna direzionale. Un'antenna che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni avrà una direttività pari a 1 (che equivale a zero decibel -0 dB).
La funzione delle coordinate sferiche può essere scritta come un diagramma di radiazione normalizzato:
[Equazione 1]
Un diagramma di radiazione normalizzato ha la stessa forma del diagramma di radiazione originale. Il diagramma di radiazione normalizzato viene ridotto di magnitudine in modo che il valore massimo del diagramma di radiazione sia pari a 1. (Il valore più grande è l'equazione [1] di "F"). Matematicamente, la formula per la direzionalità (tipo "D") è scritta come:
Questa potrebbe sembrare un'equazione direzionale complessa. Tuttavia, i diagrammi di radiazione delle molecole sono di grande valore. Il denominatore rappresenta la potenza media irradiata in tutte le direzioni. L'equazione è quindi una misura della potenza irradiata di picco divisa per la potenza media. Questo dà la direttività dell'antenna.
Paradigma direzionale
A titolo di esempio, consideriamo le due equazioni seguenti per il diagramma di radiazione di due antenne.
Antenna 1
Antenna 2
Questi diagrammi di radiazione sono rappresentati graficamente nella Figura 1. Si noti che la modalità di radiazione è funzione solo dell'angolo polare theta(θ). Il diagramma di radiazione non è funzione dell'azimut. (Il diagramma di radiazione azimutale rimane invariato). Il diagramma di radiazione della prima antenna è meno direzionale rispetto al diagramma di radiazione della seconda antenna. Pertanto, ci aspettiamo che la direttività della prima antenna sia inferiore.
Figura 1. Diagramma del diagramma di radiazione di un'antenna. Ha un'elevata direzionalità?
Utilizzando la formula [1], possiamo calcolare che l'antenna ha una direttività maggiore. Per verificare la comprensione, considerate la Figura 1 e il significato della direzionalità. Quindi, determinate quale antenna ha una direttività maggiore senza ricorrere alla matematica.
Risultati del calcolo direzionale, utilizzare la formula [1]:
Calcolo dell'antenna direzionale 1, 1,273 (1,05 dB).
Calcolo dell'antenna direzionale 2, 2.707 (4.32 dB).
Una maggiore direttività significa un'antenna più focalizzata o direzionale. Ciò significa che un'antenna ricevente 2 ha una potenza direzionale del suo picco 2,707 volte superiore a quella di un'antenna omnidirezionale. L'antenna 1 riceverà una potenza 1,273 volte superiore a quella di un'antenna omnidirezionale. Le antenne omnidirezionali sono utilizzate come riferimento comune, sebbene non esistano antenne isotropiche.
Le antenne dei telefoni cellulari dovrebbero avere una bassa direttività perché i segnali possono provenire da qualsiasi direzione. Al contrario, le parabole satellitari hanno un'elevata direttività. Una parabola satellitare riceve segnali da una direzione fissa. Ad esempio, se si acquista una parabola per la TV satellitare, l'azienda produttrice indicherà dove puntarla e la parabola riceverà il segnale desiderato.
Concluderemo con un elenco dei tipi di antenna e della loro direttività. Questo vi darà un'idea di quale direzionalità sia più comune.
Tipo di antenna Direttività tipica Direttività tipica [decibel] (dB)
Antenna dipolo corta 1,5 1,76
Antenna dipolo a semionda 1,64 2,15
Patch (antenna microstrip) 3.2-6.3 5-8
Antenna a tromba 10-100 10-20
Antenna parabolica 10-10.000 10-40
Come mostrano i dati sopra riportati, la direttività dell'antenna varia notevolmente. Pertanto, è importante comprenderla al momento di scegliere l'antenna migliore per la propria applicazione specifica. Se è necessario inviare o ricevere energia da più direzioni in un'unica direzione, è consigliabile progettare un'antenna a bassa direttività. Esempi di applicazioni per antenne a bassa direttività includono autoradio, telefoni cellulari e accesso wireless a Internet tramite computer. Al contrario, se si esegue il telerilevamento o il trasferimento mirato di potenza, sarà necessaria un'antenna altamente direzionale. Le antenne altamente direzionali massimizzano il trasferimento di potenza dalla direzione desiderata e riducono i segnali provenienti da direzioni indesiderate.
Supponiamo di volere un'antenna a bassa direttività. Come possiamo ottenerla?
La regola generale della teoria delle antenne è che per produrre una bassa direttività è necessaria un'antenna elettricamente piccola. In altre parole, se si utilizza un'antenna con una dimensione totale di 0,25-0,5 lunghezze d'onda, si minimizzerà la direttività. Le antenne dipolo a mezz'onda o le antenne a fessura a mezza lunghezza d'onda hanno in genere una direttività inferiore a 3 dB. Questa è la direzionalità più bassa che si possa ottenere in pratica.
In definitiva, non possiamo realizzare antenne più piccole di un quarto di lunghezza d'onda senza ridurne l'efficienza e la larghezza di banda. L'efficienza e la larghezza di banda dell'antenna saranno discusse nei capitoli successivi.
Per un'antenna con elevata direttività, avremo bisogno di antenne con diverse lunghezze d'onda. Ad esempio, le antenne paraboliche e le antenne a tromba hanno un'elevata direttività. Questo è dovuto in parte al fatto che hanno diverse lunghezze d'onda.
Perché? In definitiva, il motivo ha a che fare con le proprietà della trasformata di Fourier. Quando si calcola la trasformata di Fourier di un impulso breve, si ottiene uno spettro ampio. Questa analogia non è presente nella determinazione del diagramma di radiazione di un'antenna. Il diagramma di radiazione può essere pensato come la trasformata di Fourier della distribuzione di corrente o tensione lungo l'antenna. Pertanto, le antenne di piccole dimensioni hanno diagrammi di radiazione ampi (e bassa direttività). Antenne con ampia distribuzione uniforme di tensione o corrente Diagrammi molto direzionali (e alta direttività).
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Data di pubblicazione: 07-11-2023
