Un'antenna è un trasduttore posto tra una linea di trasmissione in cui scorre della corrente elettrica variabile nel tempo e un campo elettromagnetico in cui l'energia si propaga nello spazio libero. In altri termini, si tratta di un’interfaccia tra onde guidate all’interno di una linea di trasmissione dotata di un’impedenza caratteristica Zo (ad esempio 50 Ohm) e onde che sono invece libere di veicolare la loro energia nello spazio, dove l’impedenza caratteristica del vuoto vale circa 377 Ohm.
Connessa ad un trasmettitore ne irradia l'energia trasportata da onde elettromagnetiche, mentre collegata ad un ricevitore gli invia sotto forma di segnale elettrico la porzione di energia elettromagnetica radiante intercettata. È quindi un dispositivo bidirezionale che rende possibili le telecomunicazioni senza fili.
La antenne possono essere classificate sommariamente come omnidirezionali o direttive. Le prime, come ad esempio un semplice dipolo o monopolo verticale, irradiano energia in misura approssimativamente uguale in tutte le direzioni orizzontali. Le seconde concentrano invece l'energia disponibile in direzioni specifiche, offrendo prestazioni migliori in termini di qualità del collegamento radio (e con minori interferenze da sorgenti indesiderate), soprattutto se si devono coprire lunghe distanze. Inoltre, le antenne direttive sono fondamentali per la localizzazione accurata di bersagli nelle applicazioni radar. Un'antenna direttiva comprende di solito più elementi separati da quello connesso alla sorgente di segnale (a parte il caso delle antenne a elica o quelle a microstriscia), come ad esempio riflettori parabolici, lenti dielettriche o elementi parassiti lineari (come avviene tipicamente in un'antenna Yagi-Uda).
Le atenne inoltre si possono classificare in base alla grandezza: in tal caso, si distinguono le macroantenne, microantenne e nanoantenne; queste ultime fanno parte delle nanotech.
Grazie a queste proprietà l'utilizzo di antenne è diffuso nei ponti radio, nelle radiocomunicazioni dedicate (es. navigazione aerea e navale, walkie-talkie ecc.), nelle reti wireless su terminali utenti e stazioni radio base (WLAN, reti cellulari ecc.), nelle infrastrutture di radiodiffusione e telediffusione sia terrestri che satellitari, in tutte le applicazioni di telerilevamento a sensori attivi e nelle applicazioni radar, sia militari che civili.
Storia
Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Ørsted scoprì che l’ago di una bussola veniva deflesso se nelle vicinanze c’era un conduttore attraversato da corrente elettrica, rivelando così la presenza di un campo magnetico creato dalle cariche elettriche in movimento. Poco dopo i fisici francesi Jean-Baptiste Biot e Félix Savart svolsero esperimenti quantitativi su questo fenomeno, giungendo a formulare la relazione matematica tra correnti elettriche continue e campi magnetici statici nello spazio intorno a un conduttore (la legge di Biot-Savart). I risultati di ulteriori studi intorno a questi argomenti (André-Marie Ampère, Michael Faraday, Carl Friedrich Gauss, ecc.) portarono nel 1867 il fisico inglese James Clerk Maxwell a formulare un insieme di quattro equazioni che descrivono compiutamente le interazioni fra correnti elettriche e campi elettromagnetici.
Tra il 1885 e il 1889 il fisico tedesco Heinrich Hertz eseguì numerosi esperimenti presso il Politecnico di Karlsruhe per verificare quanto teorizzato da Maxwell circa il trasporto di energia nello spazio tramite onde elettromagnetiche. A questo scopo costruì, come primo esemplare, un apparato dotato di due semplici antenne, di cui una a dipolo per la trasmissione, e l'altra a singola spira (un loop) in ricezione. Con questo apparato Hertz riuscì a confermare che le onde elettromagnetiche (così come la luce visibile) si propagano obbedendo alle leggi di Maxwell.
Tuttavia, lo scienziato non intuì le applicazioni che avrebbero potuto scaturire dai risultati dei suoi lavori, considerandoli solo come esercizi di interesse accademico. Sarebbero poi stati altri (fra i quali Guglielmo Marconi a partire dal 1890) a trarne ispirazione per lo sviluppo di soluzioni di carattere pratico.
La parola "antenna" che oggi usiamo così comunemente proviene dai primi esperimenti di Marconi. Deriva infatti dalla stessa parola marinaresca che indica il lungo palo, trasverso rispetto all'albero, che sostiene in alto la vela quadra o latina. L'estensione dal significato originale è dovuta allo stesso Marconi (il cui padre desiderava per lui una carriera in Marina) quando osservò che, appendendo uno dei due terminali connessi al generatore di alta tensione (un Rocchetto di Ruhmkorff) ad un palo sufficientemente alto (appunto una "antenna") e collegando l'altra estremità a terra, i segnali trasmessi (e ricevuti) potevano coprire distanze molto maggiori rispetto all'utilizzo del dipolo di Hertz. Iniziò così, in contrapposizione al "terminale a terra", a indicare quello superiore come il "(terminale) antenna". Nel luglio del 1896 Marconi depositò il brevetto di questo suo dispositivo., realizzando per primo un cosiddetto monopolo, noto anche come antenna marconiana.
Marconi proseguì lo sviluppo di antenne e sistemi per la telegrafia senza fili a grandi distanze, fra cui spicca, nel 1901, il primo collegamento radio attraverso l'Atlantico, da Poldhu in Cornovaglia all'isola canadese di Terranova, con un'antenna di ricezione estesa fino ad un'altezza di circa 120 m mediante un aquilone.
Nel 1909 questi lavori gli valsero il Premio Nobel per la fisica.
Lo scoppio della prima guerra mondiale nel 1914 diede un impulso allo sviluppo della tecnologia delle antenne, e con gli anni le semplici strutture usate inizialmente (dipoli, monopoli o spire) furono seguite da schiere di antenne, da radiatori a tromba, da antenne paraboliche, antenne a lente (per le frequenze più elevate) e antenne stampate (a microstriscia). Dagli anni ’60 in poi, i progressi nella tecnologia dei computer e delle tecniche di calcolo numerico e del relativo software hanno avuto un notevole impatto sullo sviluppo tecnologico delle antenne, consentendo di analizzare e progettare strutture altrimenti intrattabili per via della loro complessità.
Descrizione
Un'antenna fornisce ad un ricevitore un segnale elettrico la cui ampiezza è proporzionale all'intensità del campo elettromagnetico in cui è immersa; viceversa, irradia sotto forma di campo elettromagnetico l'energia di un segnale elettrico generato da un trasmettitore.
Le antenne sono quindi quei dispositivi o sottosistemi bidirezionali che rendono possibili le telecomunicazioni senza fili, ovvero le comunicazioni a distanza non cablate (wireless) che nello spazio vuoto avvengono alla velocità della luce. Possono essere classificate come omnidirezionali o direzionali. Le prime irradiano energia in misura approssimativamente uguale in tutte le direzioni orizzontali, mentre le seconde concentrano l'energia disponibile in alcune direzioni privilegiate, consentendo prestazioni migliori in termini di efficienza (e con minori interferenze da sorgenti indesiderate). Le antenne direzionali sono elementi fondamentali per la localizzazione di bersagli nelle applicazioni radar.
Principi fisici
Il campo elettromagnetico è una proprietà dello spazio prodotta dal moto di una carica elettrica. Una carica stazionaria produce solo un campo elettrico, mentre una carica in moto rettilineo uniforme produce ciò che si definisce un campo magnetico. In ambedue i casi non viene irradiata energia verso l'esterno. Al contrario, una carica elettrica che subisce un'accelerazione (ad esempio, in moto rettilineo oscillante con ritmo sinusoidale) emette energia sotto forma di un campo elettromagnetico radiante in cui le componenti elettrica (campo E) e magnetica (campo B) si manifestano su piani fra loro perpendicolari. Il piano in cui oscilla il campo elettrico (E) viene definito come piano di Polarizzazione della radiazione elettromagnetica.
L'antenna è un componente elettrico che consente, per la legge di Biot-Savart, (dal nome dei fisici francesi Jean-Baptiste Biot e Félix Savart) l'irradiazione o la ricezione di energia elettromagnetica. Il concetto si può enunciare in termini semplici: una corrente elettrica variabile nel tempo t che attraversa un conduttore irradia dallo stesso un campo elettrico, che a sua volta genera un campo magnetico secondo la legge citata; se invece un conduttore è immerso in un campo elettromagnetico, per il principio di reciprocità, in esso si induce una corrente elettrica variabile nel tempo secondo la medesima legge. La descrizione fisica e matematica dell'irradiazione elettromagnetica da parte delle antenne fa uso di concetti e strumenti propri dell'elettromagnetismo avanzato.
Un principio fondamentale dell'elettromagnetismo, detto "principio di reciprocità", garantisce inoltre che qualsiasi antenna possa indifferentemente funzionare, in linea teorica, sia come antenna trasmittente che come antenna ricevente (se connesso rispettivamente ad un trasmettitore e ad un ricevitore).
In genere, dimensioni e forma variano in base alla frequenza per la quale sono state progettate. Sebbene in linea teorica qualunque conduttore possa comportarsi da antenna, un rendimento ottimizzato e particolari caratteristiche di direzionalità (se richieste) possono essere ottenute solo con precise forme geometriche e dimensionali di uno o più conduttori. La loro struttura dipende inoltre anche dalla larghezza di banda richiesta dal servizio a cui sono dedicate. Questo dà conto della grande varietà di antenne che la tecnologia consente di realizzare: così, un'antenna omnidirezionale per onde medie sarà ovviamente del tutto differente da un'antenna direttiva per microonde.
Analisi di campo emesso
Per ciascun tipo di antenna, è possibile analizzare il campo elettromagnetico emesso dalle correnti che lo generano. In generale, questo campo può essere suddiviso in campo di induzione e campo di radiazione: il primo è quello che si registra nella zona più prossima all'antenna, che fa da interfaccia con il circuito elettrico di alimentazione ed è caratterizzato da assenza di propagazione di potenza reale, ma solo immagazzinamento di potenza reattiva e presenza di onde evanescenti che si attenuano rapidamente nello spazio; nel secondo, si ha effettivo trasporto di potenza reale cioè il campo si propaga all'infinito sotto forma di onde sferiche che si attenuano come 1/r secondo la condizione di radiazione all'infinito e caratterizzano l'interfaccia con l'antenna ricevente.
Per antenne con sorgenti elettriche distribuite su superfici estese, il campo di radiazione può essere a sua volta suddiviso in campo vicino (near field) e campo lontano (far field). A partire dall'espressione del campo irradiato a grande distanza è possibile ricavare il diagramma di radiazione dell'antenna che si può, in linea di massima, suddividere in lobo principale e lobi secondari su tagli orizzontali e verticali del solido di radiazione che rappresenta dunque la distribuzione spaziale del campo irradiato dall'antenna su tali piani. Tipicamente in tale contesto si utilizzano rappresentazioni matematiche e grafiche che fanno uso delle coordinate polari sferiche.
Parametri di campo lontano Potenza irradiata Di una qualsiasi antenna, è possibile calcolare la potenza irradiata integrando il vettore di Poynting (densità di potenza elettrica) su una superficie chiusa che contiene l'antenna.
Guadagno e direttività
Il guadagno è una funzione della frequenza di lavoro e della geometria dell'antenna. Il guadagno di una antenna è misurato per confronto tra l'antenna considerata (idealmente) e un'antenna isotropa (cioè perfettamente omnidirezionale).
Nella pratica come antenna di riferimento si usa spesso il dipolo, perché una antenna realmente isotropa è un'idealizzazione fisicamente impossibile, mentre si dimostra che il dipolo ha un guadagno di 2,15 dB rispetto ad una sorgente isotropa ideale.