Viaggio nel mondo delle onde elettromagnetiche: come si producono le onde radio?

Riproduttori audio selettivi

di Saverio Spinelli – Continua il nostro Viaggio nel mondo delle onde elettromagnetiche che oggi ci porterà a scoprire come si producono le onde radio, dopo che proprio ieri con quest’articolo avevamo visto che cosa sono. La generazione delle onde radio avviene attraverso dispositivi ( trasmettitori),  in grado produrre una corrente elettrica alternata ad una  o più  determinate frequenze, che vengono denominate le “frequenze di lavoro” dell’apparato.

La  corrente generata dal trasmettitore va ad alimentare il sistema radiante, cioè l’antenna che, a sua volta,  genera un campo elettromagnetico che consente al segnale di propagarsi.

La lunghezza d’onda dell’onda elettromagnetica prodotta è determinata dalla frequenza di lavoro del trasmettitore, sulla quale  sono “accordati” i relativi circuiti.

Un paragone familiare: la chitarra, uno strumento che potremmo paragonare al trasmettitore.

Alle  corde della chitarra, ognuna delle quali è  in grado di generare una determinata nota (peraltro corrispondente ed una determinata frequenza audio), potrebbe essere paragonato il circuito del trasmettitore  che genera il segnale alla frequenza radio stabilita. Naturalmente c’è una  differenza: la chitarra genera direttamente una vibrazione dell’aria, cioè il suono, mentre il trasmettitore produce una corrente elettrica, che deve poi essere convertita dall’antenna in onda elettromagnetica.

L’antenna è uno strumento reversibile: cioè può essere usata sia come terminale di una sistema trasmittente, sia come primo stadio di un sistema ricevente (fatta salva la tecnologia di costruzione, che deve tener conto  della potenza di esercizio, che in trasmissione è ben più elevata che in ricezione); usata in ricezione, l’antenna rileva il campo elettromagnetico e  genera una tensione, ad esso proporzionale,  che si rende disponibile ai morsetti del ricevitore cui essa è collegata attraverso  un cavo.

Le antenne sono realizzate per operare su specifiche frequenze o porzioni di frequenze, nel senso che, alle frequenze stabilite presentano caratteristiche di efficienza massime.

Tornando ad una analogia in campo audio, consideriamo le tradizionali casse acustiche,   costituite da più altoparlanti, ognuno dei quali dimensionato per riprodurre al meglio specifiche tonalità.

E’ noto a tutti che in un sistema di riproduzione audio gli altoparlanti di piccolo diametro riproducono più fedelmente i toni acuti (quindi a frequenza audio più alte e relative lunghezze d’onda più piccole), mentre i riproduttori specifici per i toni bassi (quindi a frequenze audio più basse e relative lunghezze d’onda più grandi) hanno diametri maggiori.

In pratica c’è una correlazione tra dimensioni fisiche e tonalità riproducibile (la tonalità è caratterizzata comunque da  una frequenza, anche se audio,  cui corrisponde una determinata lunghezza d’onda).

Lo stesso accade per le antenne,  che vengono  dimensionate per lavorare con il massimo rendimento su una o più specifiche frequenze.

Ed anche nel caso delle antenne, la loro dimensione fisica è un parametro importante.

Per avere una adeguata efficienza,  cioè una elevata percentuale di potenza effettivamente irradiata rispetto a quella in essa immessa (ovvero, nel caso di utilizzo in ricezione,  la capacità di generare ai suoi morsetti una tensione più elevata a parità di campo rilevato),  un’antenna deve avere un elemento radiante di dimensioni pari ad almeno un quarto d’onda, meglio ancora se a mezz’onda.

Si comprende adesso perché le antenne hanno dimensioni così diverse, dovendo esse essere sempre proporzionate alla lunghezza d’onda di lavoro.

Fig. 16 dipolo ripiegato

Le antenne più semplici coincidono con il loro elemento  radiante; quelle più complesse hanno invece anche una serie di accessori atti ad aumentarne il guadagno, cioè la loro direttività.

La foto in Fig. 16,   17 e 18 raffigurano  delle  antenne semplici, costituite dal solo elemento radiante,  rispettivamente un  dipolo ripiegato a mezz’onda, un dipolo aperto  a mezz’onda  ed un’antenna verticale ad un quarto d’onda.

Per quanto detto, capitandoci di vedere un’antenna del tipo indicato nelle fig. 16 e 17, dalla lunghezza dell’elemento possiamo facilmente stabilire la frequenza di lavoro: per esempio, se l’elemento dell’antenna 16, da un estremo all’altro  è lungo un metro, possiamo dedurre facilmente  che  il dispositivo  opera sulla lunghezza d’onda di 2 metri.

Fig. 17 dipolo aperto a mezz’onda

Utilizzando inoltre la nostra unica formula,  indicata nel primo capitolo –  l = c/f  – in cui c è la velocità della luce( 300 x 108 m/s), f la frequenza ed l la lunghezza d’onda –  possiamo facilmente calcolare la frequenza di lavoro, che risulta così essere 150 MHz.

Pertanto,  se l’antenna in figura 17 è lunga 5 metri, significa che essa “risuona” sulla lunghezza d’onda dei 10 metri, cioè, come si evince dalla stessa formula,  30 MHz.

Anche nel caso dell’antenna verticale dell’immagine, con la stessa formula,  risulta facile risalire alla sua probabile frequenza operativa.

Fig. 18 antenna verticale

L’antenna è comunque un dispositivo passivo, cioè non apporta energia al segnale generato dal trasmettitore (oppure a quello rilevato);  tuttavia una delle sue caratteristiche più  importanti è il “guadagno”.

Questo parametro non indica però un incremento energetico (come invece nel caso di un dispositivo attivo, come un amplificatore), bensì serve a quantificare la sua direttività rispetto ad un elemento isotropico o ad altro dispositivo di riferimento.

In pratica, il guadagno di  un sistema d’antenna determina le sue caratteristiche di direttività, cioè la capacità di trasmettere gran parte dell’energia immessa  verso una sola direzione, ovvero, operando  in ricezione, il potere di discriminare segnali provenienti da una direzione stabilita, rispetto ad altri operanti sulla medesima frequenza.

Ancora un’analogia  con qualcosa di familiare: il vecchio megafono.

Fig. 19 un megafono passivo

Questo strumento, pur essendo privo di qualsiasi dispositivo di amplificazione, solo convogliando la voce in una determinata direzione, riesce a farle raggiungere distanze maggiori di quelle raggiungibili senza il suo utilizzo.

Ma ciò avviene a discapito  degli  ascoltatori situati ai lati o sul retro della fonte, in quanto la maggior parte della energia immessa (con la voce) è stata irradiata in una sola direzione.

Quindi, tanto più alto è il guadagno di un’antenna, tanto più lontano può giungere il segnale e, allo stesso modo tanto più debole è il minimo segnale che essa riesce a rilevare.

Inoltre c’è da dire ancora che la propagazione del segnale radio avviene con una attenuazione proporzionale al quadrato della distanza ricoperta.

  1. Cosa sono le onde elettromagnetiche?
  2. Cos’è lo spettro elettromagnetico?
  3. Come si fa a conoscere la temperatura delle stelle?
  4. Come si è scoperto che l’universo è in espansione?
  5. Cosa sono le onde radio?
  6. Come vengono prodotte le onde radio?
  7. Cosa hanno in comune antenne radio e telescopi?
  8. Quali antenne usano i radioamatori? E i sottomarini?
  9. Come si propagano le onde radio?
  10. Cosa sono le macchie solari?
  11. Cos’è la ionosfera?
  12. Quali sono gli effetti della ionosfera sulle onde radio?
  13. Che fine fanno le onde radio dirette verso il cielo?
  14. Cosa sono le onde corte?
  15. Un’onda radio può fare il giro del mondo?