Quali fattori determinano il guadagno dell'antenna?

Il guadagno dell'antenna (dBi/dBd) misura quanto efficacemente un'antenna concentra la potenza irradiata in una direzione specifica rispetto a un riferimento isotropo (dBi) o dipolo (dBd). È funzione di geometria, fisica e ambiente.

1. Progettazione e geometria dell'antenna

• Tipo: piatto parabolico (25–40+ dBi), Yagi (6–20 dBi), Patch (6–9 dBi), Dipolo (2,15 dBi), Monopolo (0–5 dBi), Array phasato (scalabile).
• Dimensione / Apertura (rispetto a λ): Guadagno ∝ (Area fisica / λ²) × Efficienza. Apertura maggiore = fascio più stretto = guadagno maggiore.
• Forma e precisione superficiale: precisione del paraboloide (errore RMS < λ/20) critica per l'alto guadagno. Le deformazioni disperdono energia.
• Configurazione array: spaziatura elementi (tipicamente 0,5–1λ), phasing (spostamento di fase progressivo) e numero di elementi (N) determinano il fattore array. Guadagno ≈ 10log₁₀(N) + guadagno elemento (ideale).

2. Frequenza di esercizio

• Il guadagno dipende dalla frequenza. Un'antenna di dimensioni fisse ha maggior guadagno a frequenze più alte (λ più piccolo → dimensioni elettriche maggiori).
• Compromesso banda vs guadagno: progetti a banda stretta raggiungono picco di guadagno maggiore.

3. Proprietà dei materiali

• Conduttività: rame, alluminio, placcatura oro riducono le perdite ohmiche (I²R). Superconduttori → perdite quasi zero (criogenico).
• Costante dielettrica (εᵣ) & Tangente di perdita (tan δ): materiali substrato (PCB, radome, lente) influenzano perdite d'onda superficiale e adattamento d'impedenza.

4. Fattori ambientali

• Piano di terra / Effetti terra: teoria dell'immagine — riflessione terra si somma costruttivamente (aumento guadagno) o distruttivamente (nulli) a seconda di altezza/λ e conduttività del suolo.
• Ostruzioni vicine: edifici, torri, vegetazione disperdono/assorbono → riducono il guadagno effettivo nelle direzioni interessate.
• Struttura di montaggio: albero, torre, carrozzeria veicolo diventano parte del sistema antenna — alterano schema/guadagno.

5. Meccanismi di perdita (riducono il guadagno realizzato)

• Perdita ohmica (conduttore): conduttività finita → calore.
• Perdita dielettrica: assorbimento del substrato/isolante.
• Perdita di disadattamento (Return Loss): disadattamento d'impedenza al punto di alimentazione (VSWR > 1:1) riflette potenza. VSWR 1,5:1 = 0,18 dB perdita; 2:1 = 0,51 dB.
• Perdita di rete di alimentazione: linee di alimentazione corporate, ibridi, spostatori di fase negli array.

Equazione di progetto (Antenne ad apertura)

G = η × (4πA / λ²) dove η = efficienza di apertura (0,5–0,8 tipico), A = area fisica.

Massimizzare il guadagno = apertura grande e precisa + materiali a bassa perdita + buon adattamento + ambiente favorevole. Ogni dB costa dimensioni, peso, complessità o banda.