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Direttività e guadagno d'antenna

Figura 1: Confronto dell'area illuminata dall'antenna direzionale con una superficie sferica,
(Nota: il raggio della sfera deve essere uguale alla distanza del rettangolo dal punto centrale).

Figura 1: Confronto dell'area illuminata dall'antenna direzionale con una superficie sferica,
(Nota: il raggio della sfera deve essere uguale alla distanza del rettangolo dal punto centrale).

Direttività e guadagno d'antenna

Il guadagno d'antenna G descrive la direttività D e l'efficienza η di un'antenna come una quantità facile da gestire.

Direttività di un'antenna

La direttività di un'antenna è il rapporto tra la densità di potenza S (potenza irradiata per unità di superficie) dell'antenna reale nella sua direzione principale e un ipotetico, ma reale radiatore isotropo inesistente, che irradierebbe ugualmente in tutte le direzioni. La densità di potenza del radiatore isotropo è quindi la potenza irradiata uniformemente distribuita su una superficie sferica. Ogni antenna reale ha una direttività più o meno pronunciata. La direttività è definita dal rapporto tra la densità di potenza dell'antenna reale nella sua direzione principale e la densità di potenza del radiatore isotropo:

D = S   S = densità di potenza dell'antenna reale
Si = densità di potenza dell'antenna omnidirezionale isotropa
(1)
Si

Un'antenna direzionale concentra la sua potenza irradiata solo su una piccola parte della superficie della sfera. Questa proporzione di area può anche essere messa in rapporto alla superficie sferica totale. Quest'area è calcolata con l'aiuto del radiante [rad] delle due semilarghezze. (Questo radiante contiene il raggio del cerchio unitario ed è ridotto del raggio della superficie della sfera). L'altezza e la larghezza di questa area efficace sono definite come multipli della lunghezza d'onda utilizzata.

D =  AKugel 4π r2 = = 4π · Aeff   AKugel = superficie totale di una sfera
Aeff = b·h = area effettiva sulla superficie della sfera.
θAz = semilarghezza in azimut, in [rad].
θEl = semilarghezza dell'angolo di elevazione, in [rad].
b = larghezza della superficie
h = altezza della superficie
(2)
Aeff θAz · θEl λ/b · λ/h λ2

Qui però c'è un'imprecisione, perché l'area Aeff = b·h è su un piano e non su una superficie sferica curva. Questa imprecisione è tanto minore quanto più piccola è l'area b·h rispetto alla superficie sferica, cioè quanto migliore è la direttività dell'antenna. Per angoli di apertura fino a 20° questa imprecisione può essere ignorata.

Guadagno di un'antenna

La direttività è una parte essenziale del guadagno di un'antenna. Per un guadagno reale dell'antenna, guadagni e perdite devono essere compensati. Per ogni antenna, la potenza irradiata di un'antenna è proporzionale alla potenza di trasmissione iniettata, che può essere misurata abbastanza facilmente sulla linea di alimentazione dell'antenna. Tuttavia, una parte di questa potenza di trasmissione si perde all'interno dell'antenna nelle sue resistenze ohmiche. Queste perdite sono definite come l'efficienza di un'antenna. Se ci fosse un'antenna ideale senza queste perdite, il guadagno dell'antenna sarebbe uguale alla sua direttività.

Il guadagno dell'antenna è inferiore alla direttività per il fattore dell'efficienza:

G = η· D (3)

Questo fattore di efficienza η può anche essere chiamato il fattore specifico dell'antenna Ka. Questo dà la seguente equazione per il guadagno dell'antenna:

G = 4π · Aeff · Ka (4)
λ2

Un guadagno d'antenna non deve sempre essere maggiore di 1. Ci sono anche antenne con un guadagno d'antenna inferiore a 1. Per lo più si tratta di antenne di misura in cui è importante realizzare un guadagno d'antenna uniformemente grande su una gamma di frequenza molto ampia per essere in grado di confrontare i risultati di misura da bande di frequenza diverse tra loro.