Come misurare la larghezza di banda di una antenna

[IW5AFV]

Ottimo Dario, sei vicino alla soluzione: ora manca solo individuare i numeri giusti sulla misura....

Avanti così !

Paolo IW5AFV

[I2MZC]

Ho fatto molte antenne nella mia vita per uso professionale e le misure che si facevano erano le seguenti: preciso che erano antenne su frequenze superiori ai 100 MHZ, ma il concetto non cambia. Quando colleghi un'antenna a un network o a un ponte riflettometrico, hai sul display un grafico che porta sulle ordinate un valore in dB del segnale riflesso e sulle ascisse la frequenza di spazzolamento, per cui la banda passante va dal punto in cui il segnale riflesso passa oltre i 20 dB e poi risale sopra ai 20 dB. Ci si assicura che quel segnale corrisponda all'antenna in misura avvicinando o una mano o una piastra metallica all'antenna stessa. Sistema semplice e sicuro.
Altra storia è il diagramma di radiazione che non ha nessun legame con la banda passante, A questo proposito si monta l'antenna su un sistema rotante e con un illuminatore a distanza si traccia il diagramma corrispondente.
Ho avuto due occasioni un po' diverse dalla solita routine, una quando abbiamo fatto l'antenna per le boe del Telepass delle autostrade, quel ricetrasmettitore a 5,8 GHz che legge le scatolette a bordo vettura. Per non interferirsi tra le corsie adiacenti, la misura veniva fatta nel modo seguente: si montava una boa fissa in trasmissione all'altezza di 4 metri, poi veniva disegnato con un gesso sull'asfalto sottostante il perimetro del lobo di radiazione.
Poi si montava su un carrellino uno spectrum analizer e relativa antenna girata verso l'alto e si percorreva la traccia andando dentro e fuori alla riga e si dovevano trovare tutti i valori richiesti. Solo a misure finite l'antenna veniva omologata.
Un'altra occasione fu l'omologazione di una antenna parabolica per uso ricetrasmittente verso un satellite. Poiché chi fa le specifiche molte volte non ha chiaro il problema su cui sta lavorando, vennero prese le vecchie specifiche usate la tempo dei sevizi in analogico. A quei tempi per avere un segnale broacasting ci voleva un rapporto segnale/disturbo di 50 dB, per avere questo valore si andava su con potenze tra i 2 e i 4 KW e antenne di 2-3 metri. Un segnale sotto 40 dB poteva interferire notevolmente, per cui fu specificato che le antenne paraboliche dovevano avere un lobo che scendesse sotto i 25dB a (non ricordo precisamente) ma mi pare 5-6 gradi. Quando si passò al digitale dove gli stessi valori di S/N si possono avere con valori di 15-20 dB sopra al rumore e l'interferenza non avviene per segnali sotto i 20-30 dB, furono mantenuti gli stessi parametri, molto difficili da ottenere con antenne di diametro sotto gli 80 cm. Le misure veniva fatte in Francia alla Turbie, sopra Montecarlo e con i francesi non era facile spuntarla. Ma tutto fu risolto tecnicamente ma non con gli enti statali.....

I2Mzc Carlo

[IW5AFV]

Carlo, interessante narrazione delle tue passate esperienze. Ma per quanto riguarda la banda passante dici che coincide con i punti a -20dB di potenza riflessa?
Grazie di averci spiegato che il diagramma di radiazione non ha alcun legame con la banda passante.
Paolo IW5AFV

[I2MZC]

Io ho sempre preso i 20 dB come riferimento ma non è una regola fissa. Come tutte le curve di risonanza la larghezza di banda dipende dalle caratteristiche richieste. Prendi per esempio la risposta di una media frequenza: a 6 dB può essere per esempio di 3 KHz ma a 10 dB può essere di 10 KHz e via dicendo. Non è come in un filtro a quarzo che ha una risposta rettangolare (quasi). Dipende dal fattore di merito del circuito (Q) che stai misurando e le antenne hanno un andamento abbastanza largo. Ci sono antenne anche molto strette, come le patch multielementi ma non è il nostro caso.

I2MZC Carlo

[I5 HGM]

Buonasera a tutto il gruppo, provo ad esporre la mia idea su questo argomento.
Come ha scritto Dario se si misura il ROS si ha una idea della banda dell'antenna, pero per trovare la banda secondo me invece del ROS bisogna considerare le perdite di ritorno, che in pratica dicono quanta potenza torna indietro dall'antenna rispetto a quella di ingresso. Per chi come me non ha molta conoscenza delle formule matematiche può usare la tabellina che trasforma il ROS nelle perdite di ritorno, o return loss. Allora, siccome la banda si misura a -3dB, cioè alle frequenze in cui la potenza trasmessa è la metà di quella trasmessa a centro banda, vuol dire che a quelle frequenze l'altra metà torna indietro. E quindi queste frequenze sono quelle in cui si misura una perdita di ritorno di 3dB.
Caro Carlo I2MZC, Ho letto con interesse la descrizione dei lavori che hai eseguito, anche io ormai molto anni fa mi occupavo di antenne radar per navi militari in una importante ditta fiorentina, per misurare il lobo ed il guadagno delle antenne si adoperava la piattaforma girevole con il generatore di segnali montato a circa 500 metri di distanza per avere il lobo formato a 10 ghz

[IW5AFV]

Bravo Gino, hai dato la risposta giusta!
Sicuramente il tuo trascorso nel reparto progetto antenne e la familiarità con la vasta strumentazione che possiedi ti ha facilitato il compito!
Il metodo è proprio questo: misurare la potenza che viene riflessa in rapporto a quella inviata all'antenna al variare della frequenza (return loss); il resto della potenza viene irradiata e in base a questa valore si può determinare la banda passante.
Questo naturalmente quando si trascurano le perdite dell'antenna, ma per la maggior parte delle nostre antenne questo metodo di calcolo della banda è sufficientemente accurato.
Per quanto riguarda della banda a -3dB, vale quanto hai spiegato tu; ma il metodo vale anche per calcolare per esempio la banda a -6dB, o a -1dB, anche se bisogna fare qualche conto in più.
Ad esempio, per la banda a -6dB bisogna considerare che alle frequenze corrispondenti ai punti a -6dB, la potenza irradiata è il 25% di quella irradiata a centro banda. Quella riflessa quindi è il 75% e corrisponde ad un return loss di circa 1.2dB.
Invece per la banda a -1dB la potenza irradiata è circa il 79%, e quella riflessa è circa il 21% che corrisponde ad un return loss è circa 6.8dB.
I punti in cui il return loss è 20dB, come suggerito da Carlo determinerebbero una banda a -0.04dB, quindi non si può parlare di banda.... di fatto siamo a centro banda!
Per semplificare i conti si può stampare una tabellina che lega tutti questi numeri al return loss e al ROS che si può trovare in rete, oppure utilizzare un tool come ad esempio questo https://northeastrf.com/return-loss-calculator/
Spero che quanto detto possa essere utile agli amici lettori; comunque sono disposizione per esaminare eventuali pareri contrari.

Paolo IW5AFV

Paolo IW5AFV

[iz0mfi]

Però capisco la coincidenza dei risultati per le antenne risonanti o a costanti distribuite specie per v-shf ma intuisco qualche incompletezza quando per esempio bisogna caratterizzare la banda di una antenna a stilo con sistema di adattamento puntuale, parte reale/parte immaginaria alla base rispetto lo stesso stilo con un sistema di riduzione del ros che potrebbe essere anche il famigerato 9:1 della canna da pesca; si potrebbe essere presi dall'impulso di preferire quest'ultima per non parlare delle loop o delle notch strutturali per le HF avio che presentando resistenze di frazioni di ohm, per poter consentire una certa banda passante sufficiente almeno alla ssb, vengono scelte delle reti di adattamento ottimizzate a passi di frequenza opportuna proprio in tal senso. La questione è difficile e molti costruttori di antenne professionali statunitensi preferiscono appunto garantire un certo return loss per banda spingendo di più in potenza però spesso questi sistemi HF coprono distanze decisamente più corte e instabili rispetto invece a sistemi d'antenna adattati meglio, però gli americani hanno tanti satelliti ..

[I2MZC]

Paolo, le misure fatte con parametri S, S12 e S21, o i dB di rapporto su un ponte riflettometrico o la misura del SOS, sono equivalenti e portano allo stesso risultato, come misurare una distanza in miglia nautiche, o terrestri, o in Kilometri, la distanza non cambia.

I2MZC Carlo

[IW5AFV]

Buongiorno Marco, il problema di riuscire a misurare la banda di una antenna dalle misure di riflessione era sorto proprio dopo aver realizzato una loop. Sappiamo che la loop, se ha basse perdite, ha un Q elevatissimo e quindi una banda molto stretta.
Stretta si, ma quanto? Allora ragionando con alcuni amici radioamatori, siamo giunti alla conclusione che vi ho descritto. In buona sostanza non vedo perchè il metodo della misura del return loss non debba funzionare anche per antenne che usano trasformatori 9:1 o appunto che hanno resistenze di radiazione estremamente basse come la loop. Le reti di adattamento, tipo il trasformatore, il controloop della loop, o i tuner in generale, PURCHE' SIANO FORMATI DI ELEMENTI PURAMENTE REATTIVI, servono appunto per mandare in aria la massima potenza fornita dal generatore: la potenza che torna indietro (return loss) NON E' DOVUTA alla rete di adattamento, ma dall'impedenza che presenta l'insieme antenna -rete di adattamento.
Comunque quello che affermo non è oro colato, è frutto di ragionamenti e calcoli matematici condivisi tra alcune persone; se qualcuno trova su un testo attendibile sarò contento di cospargermi il capo di cenere e di aver imparato una cosa nuova.
Carlo, non ho capito cosa vuoi dire: certo che le misure fatte con lo S11 o con il ROS sono equivalenti, qualcuno dei partecipanti aveva forse detto il contrario? Il succo della discussione era solo come era possibile calcolare la banda dalle misure di riflessione, in particolare quale valore di return loss, o ROS doveva essere considerato.

Paolo IW5AFV

[iz0mfi]

Ma certo Paolo infatti, come hai scritto appositamente in maiuscolo, i componenti che realizzano le reti di adattamento non sono mai elementi puramente reattivi che proprio in situazioni di rapporti di trasformazione molto elevati a volte di 1:1000 introducono quelle componenti resistive che moltiplicato 1000 aumentano il return loss e allargano la banda ma poi parte della potenza trattata sia in tx che in rx viene spesso assorbita dai componenti reattivi che realizzano la rete che in certe applicazioni viene dissipata in contenitori a bagno d'olio. Purtroppo anche i trasformatori ibridi per realizzare i 9:1 presentano spesso delle perdite resistive per colpa sia delle ferriti che delle tecniche realizzative degli avvolgimenti ma quando le antenne sono realizzate con tecniche a costanti distribuite e adattatori a stub ben realizzati, il metodo del return loss sono sicuro che sia vincente Grazie davvero per questi sassetti nel laghetto 73' Marco