La Resistenza di Irradiazione

La Resistenza di Irradiazione è un concetto assai poco intuitivo e le varie definizioni che spesso si leggono, o sono completamente errate, o sono incomplete.

La maggior parte delle persone ritiene che la Rrad sia la componente resistiva dell'impedenza, espressa come Z = R +J Ohm, di un'antenna, nel suo punto di alimentazione. Su questo "erratissimo" concetto, sono state "inventate" antenne totalmente inefficienti, ma spacciate come miracolose soluzioni, con lunghezze ridottissime e piani di terra del tutto insufficienti.

Che la Rrad coincida con la componente resistiva dell'impedenza d'antenna è quindi un falso totale ed è anche facile dimostrarlo.

L'impedenza di una verticale a quarto d'onda, ad esempio, dipende dal punto di alimentazione.

Dato un piano di terra ipoteticamente perfetto, sappiamo che l'impedenza di una verticale a quarto d'onda, alimentata alla base, corrisponde a circa 37 Ohm.

Tuttavia, nessuno ci obbliga ad alimentare così la nostra verticale ed infatti, potremmo non volerla isolare dai radiali, magari perchè si tratta di un palo autoportante immerso in un plinto di cemento armato.

Tra le varie ipotesi, una potrebbe essere quella di alimentarla con un conduttore che, correndo parallelamente alla verticale, si colleghi all'estremità superiore, trasformandola in un "mezzo" dipolo ripiegato.

Nel punto di alimentazione di questa verticale, che funzionerà esattamente come quella alimentata in serie, troveremmo un'impedenza di circa Z = 75 +j Ohm (*), tuttavia, la Rrad non sarebbe cambiata affatto.

(*) Z = 75 Ohm supponendo che il diametro della verticale e quello del conduttore che la alimenta siano uguali.

  

Per spiegare cosa sia la Resistenza di Irradiazione, è necessario accennare all'irradiazione, dal punto di vista fisico.

Applicando una corrente elettrica a radiofrequenza ad un’antenna, si provoca un’accelerazione degli elettroni ed è questa accelerazione che, a sua volta, provoca la creazione del campo elettromagnetico.

L’onda radio così prodotta, trasporta energia, ma questa energia, è ovviamente ricavata dagli elettroni. La perdita di energia subita dagli elettroni, nel creare il campo elettromagnetico, può allora essere vista come la resistenza che si oppone al movimento degli stessi elettroni, durante la creazione dell’onda.

Rappresentando ciò con una formula, avremmo:       
Rrad = P/I²  

Dove:

P = potenza del campo effettivamente generato

I = corrente effettivamente circolante nel sistema

Tornando all’esempio della verticale, la corrente circolante nel sistema, è limitata dalla Rrad e dalle perdite (resistive), che sono sia nell’elemento radiante che nel piano di terra.

Pertanto, dato che la Rrad  abbiamo visto essere una grandezza fisica intrinseca, legata alle dimensioni dell’antenna, nulla possiamo fare per aumentare l’efficienza intrinseca dell’antenna, relativamente alla sua Rrad.

Possiamo ridurre le perdite “ohmiche” che si sommano alla Rrad e che limiterebbero ulteriormente la corrente circolante, quindi l’efficienza complessiva dell’antenna, ma la Rrad, rimarrà comunque quella intrinseca, propria di quell’elemento.

Nel grafico qui sotto, ricavato da un Antenna Engineering Handbook dei primi anni 50, è possibile farsi un’idea di quella che è la resistenza di irradiazione per un’antenna verticale molto corta e caricata capacitivamente in punta. Un antenna che si può considerare percorsa da una corrente pressoché uguale in tutta la sua lunghezza.

Trappole ed Antenne Trappolate

TRAPPOLE

La “trappola”, nelle antenne per radioamatori, sia dipoli che verticali, è un circuito LC (parallelo), che funziona sia come circuito isolante (alla risonanza) che come “carica” elettrica dell’elemento, quando la sua reattanza ha un valore +J.

Deve necessariamente essere un circuito con poche perdite, quindi con “Q” elevato (banda stretta), altrimenti, essendo fisicamente piccola, la potenza da dissipare sarebbe eccessiva. Alla risonanza, equivale ad un circuito aperto, sviluppando ai suoi capi tensioni molto elevate, dell’ordine delle migliaia di Volt.

La considerazione di cui sopra è sufficiente a sfatare il mito secondo il quale un’antenna trappolata/caricata rende poco rispetto alla equivalente monobanda. Non è infatti plausibile che un’antenna per trasmissione possa avere sugli elementi componenti elettrici dimensionati in modo tale da dissipare in calore molta energia, senza danneggiarsi irreversibilmente, sia per questioni di peso, che di costo. Verosimilmente, un dipolo trappolato in grado di sostenere 1KW RMS non dissiperà più del 20% della potenza applicata, una perdita che equivale a circa 1dB.   

Pertanto, un dipolo/verticale trappolato con circuiti LC ad alto Q, ha una resa simile quella del dipolo semplice, a fronte di una banda passante minore. Anzi, qualora le dimensioni contenute del dipolo consentano un’installazione migliore, ad esempio ad un’altezza dal suolo ideale, piuttosto che di compromesso, per bassi angoli di irradiazione, il risultato sarà nettamente a favore dell’antenna più compatta, anche di parecchi decibel.

  

La banda limitata di un dipolo trappolato ed il Q elevato del circuito LC ha invece un impatto significativo sul guadagno delle antenne direzionali di tipo yagi con elementi parassiti, dove l’efficienza viene drasticamente compromessa dalla presenza di trappole. Non è un problema di energia dissipata nelle trappole, ma di Q.  

Come è noto http://i4jmy.blogspot.it/2016/03/come-funziona-lantenna-yagi.html un’antenna direzionale ad elementi parassiti, si basa sulla somma vettoriale del campo elettromagnetico, ottenuta dalla re-irradiazione (opportunamente sfasata) degli elementi parassiti. Lo sfasamento necessario a produrre guadagno e direzionalità, viene ottenuto variando la reattanza degli elementi, allungandoli od accorciandoli opportunamente e collocandoli ad un’opportuna distanza dal dipolo alimentato. Lo svantaggio principale delle antenne yagi è la banda passante ristretta, cioè l’alto “Q”, imputabile al fatto che l’allungamento, o l’accorciamento degli elementi parassiti, provoca un decremento della potenza re-irradiata, man mano che ci si allontana dalla frequenza in uso.  Credo sia intuitivo che inserire in un’antenna yagi componenti ad alto Q come le trappole, non possa che peggiorare la situazione in modo rilevante, visto che la trappola/carica restringerà ulteriormente la banda passante dell’elemento parassita, con effetti simili a quelli che si otterrebbero, impiegando direttori molto corti, o molto lunghi.