CLASSIFICAZIONI DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

Tutte le varie frequenze interessanti le trasmissioni radio-televisive sono state classificate in un'assemblea internazionale delle Radio e Telecomunicazioni tenutasi ad Atlantic City nel 1947.

Nella tabella che segue è riportata la suddivisione delle onde radio nelle varie bande di frequenza, con le relative denominazioni secondo lo standard IEEE(Institute of Elechtrical and Electronic Engineers ) Organizzazione professionale USA -, adottato dall'ITU (International Telecommunication Union - Agenzia delle Nazioni Unite-) appunto nel 1947.Lo spettro è suddiviso in nove bande di frequenza, designate da numeri interi consecutivi

Lo spettro è suddiviso in nove bande di frequenza, designate da numeri interi consecutivi

E' d'uso comune distinguere anche tra:

• radio-frequenze(le frequenze fino a 220 MHz);
• microonde(le frequenze al di sopra di 220 MHz).

Nella pratica le radio-onde vengono suddivise in:

• onde lunghe(comprendendo le VLF e le LF);
• onde medie(corrispondenti alle MF);
• onde corte(corrispondenti alle HF);
• onde ultracorte(corrispondenti alle frequenze superiori e cioè VHF, UHF, SHF, EHF).

Le spettro delle microonde viene ulteriormente suddiviso in bande che vengono contraddistinte da una lettera dell'alfabeto, come nella tabella che segue:

I pedici che appaiono nei simboli delle bande Ku e Ka stanno per "under" e "above" , indicando la posizione in frequenza rispettivamente al di sotto e al di sopra della banda K .

ANTENNE RICETRASMITTENTI

In un'apparecchiatura radio l'antenna è un elemento molto importante. L'antenna del trasmettitore emette nello spazio energia ad alta frequenza mentre l'antenna del ricevitore intercetta questa energia trasformandola in elettricità. Se l'antenna non è esattamente della giusta lunghezza, ossia accordata sulla frequenza utilizzata, le onde radio non possono essere emesse efficacemente e possono perfino essere bloccate. In impieghi ordinari, una buona antenna trasmittente può essere anche una buona antenna ricevente e servire a tutte e due le funzioni.

Quando perviene sull'antenna, il segnale, si trasforma in energia elettromagnetica perché, in base alle equazioni di Maxwell, una perturbazione del campo elettrico dovuta alla continua variabilità data dalla frequenza, determina una continua variazione del campo magnetico e viceversa, dando così luogo a un'onda detta appunto elettromagnetica costituita da anelli di campo magnetico che si alternano con anelli di campo elettrico ad essi perpendicolari e viceversa.

Secondo la teoria quantistica tutte le particelle possono assumere un comportamento di tipo ondulatorio, anche se tale comportamento può essere sperimentalmente osservato solo per particelle subatomiche. Ad esempio, come conseguenza della natura ondulatoria dell'elettrone, la struttura dell'atomo può essere spiegata in termini di un sistema di onde stazionarie. Poiché il dualismo onda-particella è un aspetto molto importante della fisica moderna, molti degli sviluppi attuali si fondano sulla teoria delle onde e della propagazione per onde.

L'antenna costituisce la terminazione di una linea a radiofrequenza.

Lungo la linea viaggiano un'onda di tensione e di corrente che giunte all'antenna determinano su di questa un'onda stazionaria di tensione e di corrente i cui diagrammi sono rappresentati in basso nel caso di un'antenna hertziana.

Moto ondulatorio Meccanismo di trasporto di energia che non implica trasferimenti di materia. Sebbene non sia necessario che la materia si sposti da un punto a un altro durante la propagazione ondosa, molti tipi di moti ondulatori possono avvenire solo in presenza di materia. In ogni punto della traiettoria dell'onda ha luogo uno spostamento periodico, o oscillazione, intorno a una posizione media. Esempi di moto ondulatorio sono le vibrazioni delle molecole dell'aria, responsabili della propagazione del suono nell'atmosfera, e le onde del mare dovute a oscillazioni delle molecole d'acqua. In ognuno di questi casi le particelle materiali oscillano intorno alla loro posizione di equilibrio, ed è solamente l'energia quindi che si muove con continuità in una sola direzione Onde di questo tipo, ossia che si propagano con oscillazione di materia, sono dette meccaniche perché l'energia viene trasmessa attraverso un mezzo meccanico. Le onde elettromagnetiche, che consistono in variazioni periodiche dell'intensità del campo magnetico ed elettrico, possono invece propagarsi nello spazio vuoto

La velocità di un'onda nella materia dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo. In un'onda trasversale che si propaga lungo una corda fissa, ad esempio, la velocità dipende dalla tensione della corda, e dalla sua massa per unità di lunghezza. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è costante ed è pari a circa 300.000 km/s nel vuoto, ma si riduce nella materia.

Le onde si dicono trasversali o longitudinali a seconda che la direzione di oscillazione sia parallela o perpendicolare rispetto alla direzione di propagazione. Un'onda longitudinale può essere solo meccanica: essa risulta infatti da successive compressioni (stati di densità e pressione massimi) e rarefazioni (stati di densità e pressione minimi) del mezzo. Le onde sonore ne sono un esempio tipico. Esempi di onde trasversali sono invece quelle che si propagano lungo una corda tesa o le onde elettromagnetiche, come la luce, i raggi X, o le onde radio.

La lunghezza d'onda è la distanza tra due creste successive per le onde trasversali, e la distanza tra due compressioni successive o due rarefazioni successive per le onde longitudinali. La frequenza dell'onda è data dal numero di vibrazioni compiute in un secondo; la velocità di propagazione è pari al prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza. L'elongazione massima di una vibrazione per le onde meccaniche è detta ampiezza dell'onda; mentre nel caso delle onde elettromagnetiche l'ampiezza rappresenta il valore più intenso del campo magnetico o del campo elettrico.

Ci sono antenne direzionali e antenne non direzionali.
Le antenne direzionali possono essere utilizzate quando una delle parti in comunicazione ha postazione fissa. La direzionalità, oltre a consentire una trasmissione efficiente a bassa emissione, evita emissioni indesiderate nell'ambiente evitando la diffusione delle onde radio in altri sensi. Le onde radio che si irradiano in un senso specifico sono denominate beam (fascio).
Le antenne non direzionali invece irradiano le onde radio indesiderabili nell'ambiente oltre a raccogliere il rumore da ogni senso. Tuttavia, con le antenne non direzionali la comunicazione è possibile in qualsiasi senso si trovino le parti in comunicazione e ciò le rende adatte nelle applicazioni mobili.
Le antenne direzionali includono le antenne di allineamento Yagi-Uda, le antenne a parabola e simili. Le antenne non direzionali includono le antenne a frusta e simili.
Il seguente diagramma illustra la direttività delle antenne. Anche se qui non è indicato, le onde radio si irradiano in tre dimensioni. Gli schemi direzionali del diagramma mostrano la relativa intensità della resistenza massima in tutti i sensi del campo, indicando così la direttività del campo elettrico.

Nello schema sopra riportato, vediamo che con l'antenna a frusta (ship) le onde radio si irradiano in modo uguale in ogni senso, e quindi parliamo di antenna non direzionale. Con l'antenna di allineamento Yagi-Uda e l'antenna a parabola, le onde radio si irradiano in un senso specifico, e quindi parliamo di antenne direzionali (antenne a fascio)

Lobo principale, lobo laterale e lobo posteriore
Se prendiamo come esempio l'antenna di allineamento Yagi-Uda , il fascio più grande di radiazione nel senso prospettato è il lobo principale e nel senso opposto la radiazione indesiderabile è denominata lobo laterale. Un lobo laterale nel senso frontale al lobo principale è denominato retro lobo.

Rapporto FB
Se guardiamo il modello direzionale Yagi-Uda, vediamo che questo genera un lobo principale e un lobo posteriore. Il rapporto fra il lobo principale ed il lobo posteriore denominato rapporto FB (Front/Back) esprime il livello di direttività dell'antenna, e questo livello è indicato in decibel (dB). Di conseguenza più è grande questo valore, migliori sono le prestazioni dell'antenna.

Un' antenna verticale a stilo ha un diagramma di radiazione che nel piano orizzontale è una circonferenza e pertanto irradia in tutte le direzioni del piano orizzontale.

Non è così per le antenne direttive le quali manifestano una direzione preferenziale di trasmissione, come ad esempio l'antenna Yagi costituita da più dipoli allineati.

E' possibile costituire quindi sistemi di antenne a stilo organizzate in allineamenti paralleli e complanari allo scopo di aumentarne la direttività, concentrando la maggior parte della loro energia elettromagnetica emessa, in una direzione, o in alcune direzioni preferenziali.

Sono detti broadside gli allineamenti di N dipoli a mezz'onda, eccitati in fase, nei quali l'emissione ha luogo perpendicolarmente al piano delle antenne, distanti l/2 fra loro ed in numero pari.

In questi allineamenti, il campo totale è N volte più intenso di quello di un solo dipolo.

Sono detti endfire, gli allineamenti nei quali l'emissione ha luogo lungo l'asse dei dipoli.

Appartengono a questa categoria, le antenne Yagi, anche se vengono usate in ricezione.

Sono detti collineari gli allineamenti nei quali n dipoli a mezz'onda sono posti tutti su una stessa retta ed in questo caso il diagramma d'irradiazione è di forma circolare, cioè lo stesso di quello di una sola antenna, però n volte più intenso.

Sono usate nei ripetitori radiotelevisivi.

Le cortine di antenne sono poi costituite da allineamenti broadside e collineari insieme, quindi da n righe e N colonne di antenne ed il guadagno è uguale a: G = 1,65 n N.

Se si vuole raddoppiare ulteriormente l'intensità del campo, si può mettere uno schermo costituito da una rete metallica dietro la cortina di dipoli e parallelamente ad essa, a distanza l/4.

Le cortine di antenne con schermo sono state usate come antenne trasmittenti per i primi radar perché molto direttive.

SCELTA DELL'ANTENNA

Nella scelta dell'antenna, le caratteristiche di direttività e di guadagno sono elementi importanti che richiedono particolare attenzione. Inoltre a seconda delle specifiche, l'unità di guadagno è espressa variamente in dBd, dB, e dBi e ciò può indurre in confusione.
Oltre a questo, poiché l'antenna è fatta di metallo e non ha un circuito per l'amplificazione elettrica, il fatto che si possa parlare di antenna con guadagno può sembrare un pò strano.
Le antenne possono concentrare in ingresso l'energia in un determinato senso, ma ci sono differenze nel metodo di concentrazione secondo il tipo e fra antenne differenti. E cioè, antenne che spandono l'energia in tutti i sensi, altre che spandono l'energia verso il senso dell'altra parte in comunicazione, e antenne direttive che concentrano l'energia in modo efficiente. Per definire le differenze nella gamma delle antenne possiamo parlare di guadagno, più è alto il guadagno più forte diventa la direttività, più forte é la direttività e maggiore sarà la difficolta di allineamento.
Il guadagno in antenna è espresso come "rapporto di potenza ricevuta nel senso del massimo campo elettrico quando la stessa potenza è immessa da un'antenna sotto test e ad un'antenna di riferimento".
Per esprimere il guadagno di un'antenna ci sono due metodi, uno per mezzo di un'antenna isotropa come riferimento, l'altra usando un altro tipo di antenna (solitamente un'antenna a dipolo a semi onda di lunghezza L/2) come riferimento.

Quando come riferimento si usa un'antenna isotropa, il guadagno è denominato guadagno assoluto e l'unità usata è dBi. Quando si usa come riferimento una antenna a dipolo a semi onda (L/2), il guadagno è denominato guadagno relativo e l'unità usata è dBd.

Con il guadagno relativo, il rapporto di guadagno assoluto dell'antenna utilizzata come riferimento e del guadagno assoluto dell'antenna in questione è equivalente. Siccome il guadagno assoluto dell'antenna a dipolo di lunghezza (L/2) è 2,14 dBi, il guadagno relativo Gr dBd di un'antenna con guadagno assoluto di Ga dBi di Ga è dato dal guadagno relativo Gr dBd  = guadagno assoluto Ga dBi - 2,14 dB.
In altre parole fra dBd e dBi il rapporto è 0 dBd  = si ottiene 2,14 dBi.
Se una antenna specifica è 2,14 dBi, significa che è equivalente ad una antenna ideale a dipolo di lunghezza a semi onda.

Per guadagno in antenna, le espressioni dBd e dB significano la stessa cosa, dBd è l'espressione convenzionalmente più usata. Le antenne isotrope sono antenne teoretiche, virtuali, che irradiano le onde con uguale intensità in tutti i sensi e hanno direttività sferica.

Impedenza corrispondente

Nel connettere un'antenna ad un circuito ad alta frequenza è necessario fornire efficientemente l'alimentazione e assicurarsi che non si prospettino problemi di riflessione delle onde radio. La riflessione si verifica quando l'impedenza della fonte del segnale e l'impedenza dell'antenna non si abbinano, il loro raffronto è denominato impedenza corrispondente. La riflessione è la situazione in cui una parte del segnale inviato in direzione dell'antenna ritorna verso la fonte del segnale e se questo è unito al segnale inerente, si possono presentare effetti contrari. La specifica di un'antenna includerà sempre "l'impedenza di ingresso: 50 ohm " o simili, così l'impedenza corrispondente dovrà essere ottenuta sul circuito di collegamento in modo da abbinare questo valore. È necessario inoltre abbinare questo valore sulla base dell'impedenza del cavo usato. L'impedenza del cavo è decisa sempre per unità di impedenza e capacità, in ogni caso i cavi presenti sul mercato indicano sempre questo dato. Ci sono poi vari metodi di verificare l'impedenza corrispondente. Tuttavia, poichè è un argomento molto implicato, si consiglia di far riferimento ad un manuale competente in questa materia. Onde stazionarie Quando due onde con lunghezza d'onda e ampiezza uguali viaggiano alla stessa velocità nello stesso mezzo, si forma un'onda stazionaria. Ad esempio, se si annoda un'estremità di una corda a un muro e si scuote l'altra estremità, si ha dopo poco la sovrapposizione dell'onda diretta e di quella riflessa dal muro. Ammesso che la riflessione sia perfettamente efficiente, l'onda riflessa risulta sfasata di mezza lunghezza d'onda rispetto all'onda diretta. Per il fenomeno dell'interferenza le oscillazioni della corda in ogni punto sono date dalla somma algebrica delle singole onde. I punti in cui i massimi dell'una incontrano i minimi dell'altra rimangono fermi, e prendono il nome di nodi. A metà strada tra un nodo e l'altro le onde si sovrappongono in fase, e l'ampiezza dell'onda risultante è il doppio di quella dell'onda diretta; tali punti si chiamano ventri. La corda risulta divisa dai nodi in una serie di tratti lungo ciascuno una lunghezza d'onda, entro i quali la corda oscilla trasversalmente. Le corde degli strumenti musicali generano onde stazionarie; una corda di violino, ad esempio, vibra generando un'onda stazionaria con i nodi agli estremi, simultaneamente a una con tre nodi di cui uno al centro, a un'altra con quattro nodi, e così via. La vibrazione a due nodi produce la nota fondamentale, tutti gli altri modi di vibrazione generano le armoniche successive. Le onde stazionarie si formano quando una linea non è adattata e di conseguenza parte o tutta la potenza diretta verso il carico, dipendentemente dall’entità del disadattamento, è riflessa verso il generatore. In questa situazione la potenza dissipata dal carico è minore di quella che potrebbe dissipare se la linea fosse adattata cioè se fosse presente lungo la linea solo l’onda progressiva, detta anche onda incidente. Per poter quantificare la potenza persa per disadattamento ed allargare l’interesse della risposta ai non specialisti occorre rispondere alle seguenti domande: Che cos’è una linea di trasmissione? Quando una linea si dice adattata? Come si quantifica il disadattamento? Che cos’è una linea di trasmissione? Una linea di trasmissione appare come un oggetto con due coppie di morsetti: Questi oggetti sono diversi dai classici doppi bipoli: amplificatori, trasformatori, impianti elettrici, eccetera. In questi quadripoli l’uscita dipende istante per istante dall’ingresso, ed in condizioni di linearità la dipendenza è di proporzionalità. Ciò significa che nei classici doppi bipoli il tempo di propagazione è considerato nullo. Quando l’oggetto con una o due coppie di morsetti ha dimensioni geometriche comparabili con la lunghezza d’onda dei segnali considerati non è più possibile ritenerlo né bipolo né doppio bipolo, ma rientra nella disciplina delle linee di trasmissione perché diventa determinante il tempo di propagazione del segnale. Nelle linee di trasmissione il tempo di propagazione è essenziale . Come per ogni oggetto vi sono due modi per ricavare le caratteristiche: rilievo sperimentale o calcolo matematico a partire dalla sua costituzione interna. Ricavate le caratteristiche in un modo qualsiasi si può studiare come l’oggetto si comporta inserito in un sistema. Comunque ci si arrivi il risultato non cambia. Per rendere l’argomento più gradevole diamo le conclusioni dei seguenti esperimenti: L’onda elettromagnetica si propaga lungo la linea con una certa velocità u. Quindi ad esempio se applicata all’ingresso non è presente istantaneamente anche all’uscita.1 Il segnale può transitare in entrambi i sensi.2 Ne segue che in una sezione il segnale è la somma vettoriale delle tensioni. La linea è particolarmente semplice da studiare quando è presente un solo segnale, detto onda incidente verso il carico. In una linea infinitamente lunga o molto lunga è pensabile di avere un solo segnale. Infatti il segnale di un eventuale generatore alla fine della linea non ci arriva mai o arriva dopo un tempo così lungo che l’esperimento è già finito ed era presente solo il segnale trasmesso al generatore all’inizio della linea. Nella linea infinitamente lunga, trascurando le perdite, si osserva che il rapporto tra tensione vi e corrente ii è costante. In pratica è come se il generatore fosse terminato con una resistenza apparente che non si vede, non è dissipativa, il cui valore (in Ohm) è indipendente dalla frequenza, ma dipende esclusivamente dalle caratteristiche geometriche della linea e dalla costante dielettrica dell’isolante, che determinano i valori di induttanza L e di capacità C per unità di lunghezza dx. La radice quadrata del rapporto (L/C) ha la dimensione di una pura resistenza che prende il nome di resistenza caratteristica della linea Ro.3 Poiché la linea infinitamente lunga si comporta come se fosse una resistenza Ro, si potrà sostituire il tratto di linea con un Resistore di carico Rc uguale al valore di Ro, senza che nulla cambi. Quando una linea si dice adattata? Quando è terminata con un resistore Rc, uguale al valore di Ro. La linea si comporta come se fosse infinitamente lunga, abbiamo un unica onda elettromagnetica che si propaga, con velocità u, dal generatore al carico e si manifestano lungo i fili tensioni e correnti. Ciò si esprime dicendo che la linea è adattata. La tensione e la corrente sul carico sono uguali alla tensione e corrente lungo la linea. Come si quantifica il disadattamento. Tutte le volte che Rc è diversa da Ro le cose si complicano perché abbiamo riflessione, cioè oltre al segnale che si propaga dal generatore al carico si ha anche un segnale che si propaga dal carico al generatore, tensione e corrente riflessa vr, ir. Le entità dei valori riflessi dipendono da quanto Rc è diversa da Ro. La tensione lungo la linea non è più costante, ma è uguale alla somma vettoriale (legge delle tensioni) mentre la corrente è uguale alla differenza vettoriale tra le correnti (legge delle correnti). Si formano lungo la linea onde stazionarie di tensione e di corrente. La tensione stazionaria vs è massima quando il vettore della tensione incidente e in fase con il vettore della tensione riflessa ed è minima quando vi e vr sono in opposizione. Lo stesso vale per le correnti. Chiamasi SWR (Standing Wave Ratio) il rapporto tra il valore massimo e minimo dell’onda stazionaria. In italiano si indica con ROS (Rapporto Onda Stazionaria).     è sempre un numero reale compreso tra 1 e infinito. Potenza persa per onde stazionarie in funzione del disadattamento Un altro modo per quantificare quanto la linea è disadattata o adattata è il coefficiente di riflessione Γ cioè il rapporto tra la tensione riflessa e la tensione incidente. è reale o complesso a seconda che la linea sia terminata con una resistenza Rc o con una impedenza Zc. Il quadrato del coefficiente di riflessione indica il rapporto tra la potenza riflessa e quella incidente, esprime quindi la frazione della potenza massima che la linea potrebbe erogare se adattata e che non è utilizzata dal carico poiché riflessa4 Appare evidente che SWR e Γ sono legati e sono due modi diversi per dire la stessa cosa. È facilmente verificabile che: Dalla relazione si nota che la riflessione è dipendente dal carico ed è indipendente dal generatore. Note 1) Data la presenza del dielettrico la velocità di propagazione dell’onda lungo la linea è minore rispetto allo spazio libero. u = c/(εr)0.5. In pratica nei cavi il tempo di propagazione è circa 5-7 nS per metro. 2) Nei sistemi lineari i singoli segnali si comportano come se fossero indipendenti l’uno dall’altro. Tutti circuiti formati da resistenze, condensatori ed induttanze senza nucleo ferromagnetico, sono lineari. Siccome i fili sono formati da questi oggetti, le linee si comportano linearmente. Cioè i segnali possono percorrere in senso opposto senza interferire fra loro. La linearità è un fenomeno abbastanza comune nei circuiti elettrici, ma non è per nulla un fenomeno naturale generale: due treni non possono viaggiare in senso opposto sullo stesso binario senza interferire. 3) È anche detta impedenza caratteristica Zo forse perché sulle linee reali, cioè con perdite dissipative, abbiamo in serie all’induttanza la resistenza r del filo e la conduttanza g in parallelo alla capacità tra i fili dovute al non perfetto isolamento del dielettrico. Sembrerebbe quindi che l’impedenza caratteristica del cavo reale sia: ma poiché alle radiofrequenze anche per linee reali l’impedenza caratteristica del cavo si riduce alla sola resistenza caratteristica. I cavi coassiali sono venduti con due valori di resistenza caratteristica: 50 e 75 Ohm. 4) Per i valori estremi di Rc, 0 Ohm linea in corto circuito e linea aperta Rc=∞, tutta la potenza incidente ritorna verso il generatore, Pi=Pr. Nel caso di trasmettitori che, tramite linee alimentano le antenne, per evitare che si danneggiano in caso di sconnessioni del carico, sono dotati di protezioni contro valori di potenza riflessa superiore al 10% di quell¡¯incidente. La norma europea ETSI 300-384 richiede per le linee di trasmissione che la potenza nominale sia erogata su un carico che presenti un disadattamento massimo τ=0.16, corrispondente ad una potenza riflessa pari ad un quarantesimo della potenza incidente, ovvero 2.5%. Termino con un concetto noto ma poco diffuso. L'immediatezza dell'accensione del lampadario di casa ,dopo aver chiuso l'interruttore, è data dalla velocità dell'onda e non certo dalla migrazione degli elettroni lungo filo. Se potessimo colorare gli elettroni in prossimità dell'interruttore, noteremmo che impiegherebbero ore per raggiungere la lampadina. Le cariche elettriche, hanno tante cose da fare, sono sottoposte ad una forza e quindi ad un'accelerazione dovute alla presenza del campo elettrico. Si muovono in un reticolo cristallino urtano e rallentano disperdendo l'energia accumulata e riaccelerano nuovamente in direzione nel campo esterno. È l'onda del campo elettrico che nella sua propagazione mette in fibrillazione, se ci sono, i successivi elettroni che man mano incontra lungo la linea a velocità prossima a quella della luce.

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