La direttività è un parametro fondamentale di un'antenna. Misura la forma del diagramma di radiazione di un'antenna direzionale. Un'antenna che irradia in modo uniforme in tutte le direzioni avrà una direttività pari a 1 (equivalente 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 è ridotto di magnitudine in modo tale che il valore massimo del diagramma di radiazione sia uguale a 1. (Il 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 complicata. Tuttavia, i diagrammi di radiazione delle molecole sono di fondamentale importanza. 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 media. Questo fornisce la direttività dell'antenna.
Paradigma direzionale
A titolo di esempio, si considerino le due equazioni seguenti per il diagramma di radiazione di due antenne.
Antenna 1
Antenna 2
Questi diagrammi di radiazione sono rappresentati 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 a quello della seconda antenna. Pertanto, ci aspettiamo che la direttività sia inferiore per la prima antenna.
Figura 1. Diagramma di radiazione di un'antenna. Presenta un'elevata direzionalità?
Utilizzando la formula [1], possiamo calcolare che l'antenna ha una direttività maggiore. Per verificare la tua comprensione, pensa alla Figura 1 e a cosa sia la direzionalità. Quindi determina quale antenna ha una direttività maggiore senza usare alcun calcolo matematico.
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 ha una potenza direzionale di 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 comunemente utilizzate come riferimento, 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 i segnali da una direzione fissa. Ad esempio, se si acquista una parabola per la TV satellitare, l'azienda indicherà la direzione in cui puntarla e la parabola riceverà il segnale desiderato.
Concluderemo con un elenco dei tipi di antenna e della loro direzionalità. Questo vi darà un'idea di quale direzionalità sia più comune.
Tipo di antenna Direttività tipica Direttività tipica [decibel] (dB)
Antenna a dipolo corta 1,5 1,76
Antenna a dipolo a mezza onda 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 di un'antenna varia notevolmente. Pertanto, è importante comprendere la direttività quando si sceglie l'antenna più adatta alla propria specifica applicazione. Se è necessario inviare o ricevere energia da più direzioni in un'unica direzione, è opportuno 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 effettuano telerilevamento o trasferimento di energia mirato, sarà necessaria un'antenna ad alta direttività. Le antenne ad alta direttività massimizzano il trasferimento di energia dalla direzione desiderata e riducono i segnali provenienti da direzioni indesiderate.
Supponiamo di voler realizzare un'antenna a bassa direttività. Come possiamo fare?
La regola generale della teoria delle antenne è che per ottenere una bassa direttività è necessaria un'antenna elettricamente piccola. Ovvero, se si utilizza un'antenna con una dimensione totale di 0,25 - 0,5 lunghezze d'onda, si minimizzerà la direttività. Le antenne a dipolo a mezza onda o le antenne a fessura a mezza lunghezza d'onda hanno in genere una direttività inferiore a 3 dB. Questo è il valore minimo di direttività ottenibile nella 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 delle antenne saranno trattate nei capitoli successivi.
Per ottenere un'antenna con elevata direttività, sono necessarie antenne di diverse lunghezze d'onda. Ad esempio, le antenne paraboliche e le antenne a tromba presentano un'elevata direttività, in parte perché occupano molte lunghezze d'onda.
Perché accade questo? In definitiva, la ragione è legata alle proprietà della trasformata di Fourier. Quando si applica la trasformata di Fourier a 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 considerato 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). Le antenne con un'ampia distribuzione uniforme di tensione o corrente hanno diagrammi di radiazione molto direzionali (e alta direttività).
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Data di pubblicazione: 7 novembre 2023
