Vorrei conoscere la struttura interna di una antenna trasmittente per la telefonia mobile e il principio di funzionamento

L’antenna è un dispositivo capace di irradiare e convogliare nella
direzione voluta dello spazio libero, energia sottoforma di onda
elettromagnetica. Quando è utilizzata in ricezione, ha lo scopo di
raccogliere energia dal fronte d’onda elettromagnetico in arrivo.

Moltissimi e variegati sono i tipi di antenne in funzione della frequenza
e delle modalità di irradiare o captare energia. In modo grossolano,
possiamo dividere le antenne in tre categorie: le antenne con conduttore
lineare, le antenne a guida d’onda e le antenne di tipo ottico. Per tutte
vale il principio di reciprocità perciò, per ogni tipo d’antenna, le
proprietà valide in trasmissioni sono valide in ricezione. In pratica
una stessa antenna può essere utilizzata per trasmettere o per ricevere
come avviene appunto nei telefonini.

Dalle basse frequenze fino alle frequenze UHF si utilizzano antenne
con conduttore lineare, le quali a loro volta si dividono in diverse
categorie. Se non si hanno pretese di irradiare in modo direttivo e
di ricevere da tutte le direzioni con l’angolo più ampio possibile,
com’è appunto il caso del telefonino, l’antenna più semplice da realizzare è il
mezzo dipolo.

Il principio di funzionamento si basa sul fatto che un conduttore
percorso da corrente variabile produce onde elettromagnetiche
alle quali è associata una certa energia che si propaga nello
spazio libero a velocità della luce (equazioni di Maxwell). In
nota troverai una semplice spiegazione di come si forma
un campo elettrico e magnetico su una bacchetta di conduttore
aperto.(1). Un semplice richiamo sul funzionamento delle
antenne per cellulari lo trovi su una mia

precedente risposta
.

In pratica un pezzo di filo rigido di metallo verticale funge da
semidipolo. Per un’ottima efficienza la lunghezza dell’antenna
dovrebbe avvicinarsi ad un valore pari alla lunghezza d’onda
d’utilizzo (lambda). Lunghezze improponibili per i sempre
più miniaturizzati cellulari:
ricordiamo che le frequenze d’uso dei cellulari (900 Mhz e 1800Mhz)
corrispondono a lunghezze d’onda di 32 e 16 cm (2).

Un buon compromesso è l’antenna di lunghezza 1/4 lambda a 900 Mhz a cui
corrisponde 1/2 lambda a 1800Mhz. E’ sufficiente una mezza dozzina di
centimetri per ottenere una buona antenna ad uso dei
cellulari.

La struttura degli antennini è molto varia; si passa da antenne
esterne al telefonino, a bacchette di metallo più o meno retrattili a
modelli flessibili in gomma dove all’interno della mescola è inserito
il filo conduttore. Con la miniaturizzazione dei telefonini e con
l’incremento del numero delle celle in area urbana, l’antenna dei
cellulari ha perso sempre di più la sua importanza e molti modelli
hanno integrato l’antennino sul substrato del circuito stampato
all’interno del telefonino, riducendo ulteriormente le
dimensioni (3).

Nei sistemi cellulari la trasmissione avviene con la polarizzazione
verticale, cioè il campo elettrico è normale al suolo. Per ottenere
il massimo segnale, l’antenna di ricezione deve avere la stessa
polarizzazione dell’antenna trasmittente (4).


(1) Principio di funzionamento

Consideriamo una linea con estremità aperta alimentata da un generatore
G che genera un’oscillazione sinusoidale avente lunghezza d’onda minore rispetto
alla lunghezza della linea. All’istante t quando chiudiamo l’interruttore,
abbiamo un’onda diretta, tensione (Vd) e corrente (Id), che va dal
generatore ai morsetti della linea B, D. Il valore della corrente dipende
dalle costanti elettriche del filo (induttanza, capacità)


Ai morsetti, poiché il circuito è aperto e la legge di Ohm impone
corrente nulla e tensione massima, nasce un’onda riflessa con tensione
(Vr) e corrente (Ir) che partendo dal carico va verso il generatore.
Sulla linea si ha quindi una doppia propagazione: onda diretta verso
il carico (Vd, Id), e onda riflessa verso il generatore (Vr, Ir).
La tensione e corrente risultanti lungo la linea dipendono dalla fase
relativa che i vettori hanno in quel punto: dove i vettori sono in
fase la risultante ha un valore massimo Vd+Vr (ventre) dove sono in
opposizione la risultante ha un valore nullo (nodi) Vd-Vr. Si stabilisce
cosi lungo la linea, una successione di valori assoluti di tensioni e
correnti variabili che prendono il nome d’onde stazionarie.


Valutando la distanza a partire dai morsetti B e D in un generico punto
della linea a distanza 1/4 lambda, punti A, C dal morsetto, la tensione e
la corrente presente sono dati dalla somma vettoriale della tensione
relativa all’onda diretta e riflessa. A differenza dell’onda progressiva
che si muove lungo la linea con velocità V, l’onda stazionaria è una
curva che fornisce i valori assoluti nei vari punti della linea e perciò
fissa nel tempo.

Ogni tronco di conduttore crea intorno a se un campo elettromagnetico
ma poiché la linea è formata da due conduttori paralleli, molto vicini
e percorsi da correnti opposte, il campo risultante è in sostanza nullo
e non si può avere radiazione apprezzabile.

Vediamo che cosa succede se apriamo i conduttori dell’ultimo tronco
di lunghezza
lambda quarti ruotandoli di 90° in senso opposto. I tronchi AB e CD si
portano nelle posizioni AB’ e CD’ e le correnti che le attraversano, che
erano opposte ora sono in fase. Otteniamo un unico tratto A e B percorso
di corrente e capace di irradiare. Abbiamo realizzato il tipo di antenna
che prende il nome di dipolo a mezz’onda.


La corrente, e quindi il campo magnetico H, è massima al centro
dell’antenna mentre il campo elettrico è massimo agli estremi.
Eliminando il mezzo dipolo, CD e connettendo un capo del generatore al
semidipolo e l’altra al piano di massa del circuito stampato si ottiene
la classica antenna verticale.



(2) La lunghezza d’onda si ottiene dividendo la velocità
della luce per la frequenza.


(3) A lunghezze inferiori di un quarto d’onda lo stilo
si comporta ancora come antenna ma rispetto alla lunghezza ottima il
segnale captato o irradiato è minore, tanto minore quanto è più alto il
fattore d’accorciamento rispetto un quarto lambda.


(4) Quando il segnale ricevuto è riflesso e non
diretto l’affermazione non è più valida, poiché la polarizzazione
dell’onda in arrivo puo essere diversa da quella di partenza.

Nel caso di ricezione del solo segnale diretto (collegamento
in visibilità ottica tra la stazione radio base ed il telefonino),
possiamo verificare che posizionando il telefonino orizzontalmente il
livello di ricezione diminuisce rispetto alla condizione verticale.

Per il concetto di polarizzazione di un’onda si veda la

risposta di Luca Boschini
.