Temperatura d’antenna, G/T e misure delle antenne
Temperatura di brillanza e d'antenna, temperatura di sistema e fattore di merito G/T con esempio, camere anecoiche e poligoni compatti, misure in campo vicino, metodo delle tre antenne dimostrato, efficienza.
Un’antenna non riceve solo il segnale: riceve anche il rumore termico di tutto ciò che “vede”, il cielo, il suolo, il Sole. E un’antenna progettata va misurata, il che è meno semplice di quanto sembri, perché la misura stessa coinvolge altre antenne e lo spazio attorno. In questa lezione vediamo la temperatura d’antenna, la temperatura di sistema e il fattore di merito G/T con un esempio, le camere anecoiche e i poligoni di misura, le misure in campo vicino, e il metodo delle tre antenne per il guadagno con la sua dimostrazione.
La temperatura d’antenna
Ogni corpo a temperatura 
emette rumore termico (lezione sul rumore nei ricevitori di Comunicazioni elettriche). Un’antenna puntata verso un corpo assorbente alla temperatura consegna al ricevitore una potenza di rumore 
, come una resistenza a quella temperatura. In generale l’antenna vede regioni a temperature diverse, pesate dal proprio diagramma: la temperatura d’antenna è la media della temperatura di brillanza del cielo e del suolo, pesata con il diagramma di radiazione,
![\[ T_A = \frac{\oint T_B(\theta, \varphi)\,F(\theta, \varphi)\,d\Omega}{\oint F(\theta, \varphi)\,d\Omega} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-14162038ec4b9dbfe67b97c9a3f74bb6_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Il cielo sereno tra 1 e 10 GHz, guardato verso lo zenit, è freddissimo: pochi kelvin, il fondo cosmico più un po’ di atmosfera. Il suolo è a circa 290 K. Una parabola puntata verso un satellite vede soprattutto cielo freddo, ma i lobi secondari e lo sbordamento (lezione sulle aperture) raccolgono un po’ di suolo caldo: valori tipici di 
sono 20-50 K. Puntata verso il Sole, la temperatura d’antenna sale a decine di migliaia di kelvin, e il collegamento si interrompe per qualche minuto: è il transito solare che i gestori dei satelliti prevedono due volte l’anno.
La temperatura di sistema e G/T
Al rumore dell’antenna si somma quello del ricevitore, descritto dalla sua temperatura equivalente 
. La temperatura di sistema è 
, e il rapporto segnale-rumore di un collegamento è proporzionale a
![\[ \frac{G}{T_{sys}} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-33a7520d34f78469ef7d140f364bc5f6_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
il fattore di merito di una stazione ricevente, espresso in dB/K: raddoppiare il guadagno o dimezzare la temperatura di sistema ha lo stesso effetto.
Esempio. La parabola da 35,5 dBi della lezione sulle aperture, con 
K e un convertitore a basso rumore con 
K (figura di rumore circa 0,7 dB): 
K, cioè 19 dBK, e 
dB/K. Ecco perché sulle antenne riceventi a basso rumore conta tanto l’amplificatore montato sul fuoco: con un ricevitore da 290 K si perderebbero quasi 6 dB.
Dove si misura un’antenna
Per misurare il diagramma bisogna essere in campo lontano, oltre 
(lezione sul campo lontano), e senza riflessioni che si sommino al campo diretto. Le soluzioni sono:
- poligoni all’aperto, con le antenne su torri alte per allontanare il suolo, usati per le antenne grandi alle frequenze basse;
- camere anecoiche: stanze schermate rivestite di piramidi di materiale assorbente, che riflettono meno di un millesimo della potenza incidente. L’antenna in prova ruota su un posizionatore, mentre un’antenna fissa trasmette, e si registra la potenza ricevuta in funzione dell’angolo;
- poligoni compatti: un grande riflettore parabolico trasforma l’onda sferica di una sorgente vicina in un’onda piana in una zona di prova, simulando il campo lontano in pochi metri;
- misure in campo vicino: una piccola sonda scandisce il campo su un piano o un cilindro a pochi lunghezze d’onda dall’antenna, in ampiezza e fase, e il campo lontano si calcola con la trasformata di Fourier spaziale (la stessa relazione tra apertura e diagramma della lezione sulle aperture). È il metodo usato per le grandi schiere dei radar e dei satelliti.
L’impedenza e l’adattamento si misurano invece con un analizzatore di reti vettoriale, che misura il coefficiente di riflessione 
in funzione della frequenza: la banda dell’antenna è l’intervallo in cui 
resta sotto −10 dB.
La misura del guadagno
Il metodo più comune è il confronto: si misura la potenza ricevuta con l’antenna in prova e con un’antenna campione di guadagno noto, tipicamente una tromba (lezione sulle aperture), nella stessa posizione. Il rapporto delle potenze dà il rapporto dei guadagni. Ma come si conosce il guadagno dell’antenna campione con precisione, senza un’altra antenna campione? Con il metodo delle tre antenne, che non ne richiede nessuna.
Teorema. Misurando a coppie, alla distanza 
, le tre perdite di collegamento tra tre antenne, e ponendo 
, i guadagni in dB sono
![\[ G_1 = \frac{A_{12} + A_{13} - A_{23}}{2} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-03afe68ae3b9794bbb66bc40db1ebb45_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
e analoghi per 
e 
.
Dimostrazione. Per la formula di Friis, in dB, 
, quindi 
. Le tre misure danno il sistema lineare 
, 
, 
. Sommando le prime due e sottraendo la terza: 
. ∎
Il metodo richiede solo misure di potenza relative, una distanza e una frequenza note, antenne adattate e con la stessa polarizzazione, ed è la base delle tarature di guadagno nei laboratori metrologici, con incertezze di pochi centesimi di decibel.
L’efficienza
L’efficienza di radiazione delle antenne piccole, come quelle dei dispositivi indossabili, si misura con il metodo di Wheeler: si confronta la resistenza d’ingresso dell’antenna libera con quella dell’antenna chiusa in una piccola scatola metallica, che impedisce la radiazione lasciando le perdite. Oppure si misura direttamente la potenza totale irradiata in una camera riverberante, una stanza metallica con pareti riflettenti e un agitatore che rimescola il campo: il contrario esatto della camera anecoica.
