L'antenna a 'barattolo'

Le pagine di questa sezione, "L'antenna a "barattolo", sono sono tratte dal sito http://www.airgate.it

di Simone Branchini , 15/7/2002

Introduzione

Vediamo un esempio di antenna che ci consente di irradiare il segnale fornito da un Access Point o da una scheda 802.11b in maniera più efficiente. In effetti questo tipo di antenna altro non è che una transizione tra un cavo coassiale e una guida d'onda. Essendo un lato della guida aperto il segnale non può fare altro che venire irradiato in aria. Questo genere di antenna è molto semplice da realizzare, compatto e può costituire l'elemento irradiante atto ad illuminare un riflettore parabolico.

L'antenna è costituita da un cilindro vuoto simile a un barattolo di pomodori pelati in cui viene montato un connettore coassiale da pannello con il conduttore centrale allungato (generalmente un connettore N da pannello ma a questa frequenza ha ancora qualche senso anche un TNC) Una volta realizzata non bisogna fare altro che puntare l'apertura verso la nostra controparte e ecco realizzato un buon collegamento.

Per la nostra banda consideriamo una frequenza media di 2.45 GHz, il diametro del barattolo deve essere di circa 100 mm ma comunque va bene che si mantenga tra 90 and 110 mm. Cerchiamo di reperire un barattolo di queste dimensioni. Anni fà i barattoli del caffee avevano dimensioni simili. Le pareti e il fondo devono essere lisce. Nel caso che l'orlo di apertura avesse delle irregolarità o delle sporgenze verso l'interno consiglio di eliminarle battendo con un martello sul bordo dopo aver posizionato il barattolo su una controbattuta.

Poca teoria sulle guide d'onda

Utilizzo la lettera L per indicare la generica lunghezza d'onda (in greco LAMBDA).

A differenza del cavo coassiale un segnale si propaga in una guida per riflessione sulle pareti conduttrici.
Ci sono tre differenti lunghezze d'onda che caratterizzano il comportamento di una guida d'onda. Le chiamiamo Lo, Lc e Lg.

Lo è la lunghezza d'onda in aria  Lo(in mm) = 300 / f(in GHz).
Lc è la lunghezza d'onda di taglio, corrisponde alla frequenza più bassa che riesce 
        a propagarsi nella guida e dipende dal diametro Lc = 1,706 x D (la c stà per cut-off, taglio)
Lg è la lunghezza d'onda nella guida ed è una funzione di Lo e Lc  (la g stà per guide, guida)

Una guida d'onda che è chiusa ad un estremo si comporta come un cavo coassiale cortocircuitato ad un capo. Un segnale che entra nella guida la percorre fino alla chiusura e qui si riflette indietro sommandosi a quello in ingresso e generando così un campo di onde stazionarie, vi saranno allora dei punti in cui in segnale e più elevato e altri in cui si annullerà quasi del tutto:

Se misurassimo l'intensità con una sonda muovendoci lungo l'asse individueremmo dei punti di massimo e dei punti di minimo che si ripetono dopo un certo intervallo. Nel punto di chiusura il segnale è nullo e lo stesso minimo si ripete a distanza di mezza lunghezza d'onda. Il primo massimo invece è a un quarto di onda dalla parete di chiusura e si ripete ovviamente dopo mezz'onda anch'esso. Il punto di massimo è il miglior punto per estrarre il segnale sul cavo coassiale. Infatti l'area di massimo è abbastanza distesa e la posizione di estrazione non è eccessivamente critica.

Bisogna notare però una cosa, la lunghezza d'onda delle onde stazionarie Lg non è la stessa dello stesso segnale in aria Lo. Tubi di grande diametro di comportano come spazio libero e quindi Lg e Lo tendono a corrispondere, ma progressivamente con il restringersi del tubo Lg aumenta sempre di più fino a che tenderà al valore infinito. Questo è il punto in cui il segnale non si può più propagare nella guida. La guida d'onda si comporta come un filtro passa alto la cui lunghezza d'onda di taglio è Lc = 1.706 x D.   Lo viene calcolata dalla frequenza nominale: Lo(in mm) = 300 / f(in GHz). Il valore degli inversi di Lo, Lc e Lg formano un triangolo rettangolo su cui vale il teorema di Pitagora:

(1/Lo)² = (1/Lc)² + (1/Lg)²

che risolvendo fornisce

Lg = 1 / radicequadrata((1/Lo)² - (1/Lc)²)

Nell'antenna il connettore è posizionato in un punto di massimo e quindi a distanza Lg/4 dal fondo di chiusura. La lunghezza del tubo andrebbe selezionata in modo che un punto di massimo coincida anche con l'orlo di apertura, tipicamente si seleziona 3/4xLg dal fondo ma questa cosa non riveste un'importanza primaria.

Passiamo al dimensionamento

Come detto la lunghezza non ha un'importanza primaria ma sarebbe bene che fosse 3/4 Lg o superiore. Allunghiamo in conduttore centrale del connettore N utilizzando un tondino di ottone da 4 mm fino a raggiungere Lo/4 dalla massa del connettore. Lo dipende solo dalla frequenza nominale. Lo = 122 mm a  2.45 GHz  quindi Lo / 4 = 31 mm (è un poco accorciato perchè sia risonante!).

Lg come detto dipende dal diametro del tubo e nella tabella seguente riporto alcuni valori:
 

Nel caso montassimo un connettore N dobbiamo praticare un foro da 12 mm centrato a  Lg / 4 di distanza dal fondo. Per fissare la flangia dobbiamo anche fare quattro fori da 3 mm per le viti. Il conduttore centrale abbiamo detto che và portato a Lo/4 quindi 31 mm saldandoci un tondino di ottone (ma anche rame anche se più tenero) da 4 mm di diametro. Per un migliore e più pratico fissaggio si può realizzare un foro da 3 mm su uno dei lati del tondino in modo da poterlo infilare sul conduttore centrale del connettore prima di procedere alla saldatura.
Il connettore N và fissato con quattro viti da 3 mm inserite dall'interno verso l'esterno in modo che i dadi vengano a trovarsi all'esterno. Nella guida deve esserci il minor numero di masse metalliche possibile che possa influenzare il corretto funzionamento del monopolo radiante. Il punto di fissaggio del connettore và impermeabilizzato con sigillante siliconico per prevenire infiltrazioni e ossidazione dei contatti. Nel punto più basso della guida va praticato un forellino che permetta lo scarico della condensa.

Il lato aperto può essere chiuso con un tappo plastico ma il materiale và prima testato in un forno a microonde valutando che non subisca un riscaldamento anche dopo qualche minuto di forno acceso (mettete nel forno anche una tazza piena d'acqua per non fare lavorare il forno senza carico). Se non si scalda vuol dire che il materiale non presenta perdite resistive.
Io utilizzo un setto di polistirolo, lo si può recuperare da molti imballaggi.

Se le condizioni d'uso lo necessitano verniciate il barattolo per prevenire l'ossidazione. Usate vernice a spruzzo (una bomboletta và benissimo) facendo in modo che lo strato sia sottilissimo e senza scolature.

Il montaggio sul palo può essere eseguito con una fascia metallica che circonda il tubo in modo da prevenire deformazioni e ammaccature. Il materiale di fissaggio si trova in una qualunque ferramenta.