Le comunicazioni wireless crescono a un ritmo incredibilmente veloce. Secondo Statista, il numero di utenti di smartphone è quasi quadruplicato nell'ultimo decennio. Ormai quasi tutti i settori implementano dispositivi wireless e le infrastrutture intelligenti, l'Internet of Things, i veicoli intelligenti e l'industria dell'intrattenimento sono tra i campi la cui esistenza è affidata a sistemi di antenna avanzati. Questo articolo identifica i principi fondamentali dei sistemi di antenna, i diversi tipi di antenne e il futuro delle antenne avanzate.
Quattro caratteristiche dei moderni tipi di antenna
Gli attuali sistemi di antenna avanzati consentono la trasmissione e la ricezione di onde elettromagnetiche con maggiore efficienza, qualità del segnale e copertura estesa. Per progettare questi sistemi in modo da ottenere prestazioni ottimali, gli ingegneri considerano quattro caratteristiche fondamentali delle antenne per ogni specifica applicazione.
La frequenza elettromagnetica
La frequenza delle radiazioni elettromagnetiche può essere regolata. Questo livello misurabile è chiamato RF (frequenza radio), che occupa bande di frequenza specifiche dello spettro elettromagnetico. Le antenne convertono i segnali elettrici in onde elettromagnetiche per la trasmissione e la ricezione. La frequenza delle onde dipende dall'applicazione.
Ad esempio, le antenne radar over-the-horizon a lunga distanza possono trasmettere e ricevere onde elettromagnetiche a bassa frequenza, da 3 a 30 MHz, mentre le antenne 5G trasmettono e ricevono frequenze molto più elevate, da 450 MHz a 7 GHz e da 25 GHz a 52 GHz.
Larghezza di banda dell'antenna
Le antenne semplici elaborano una singola frequenza, mentre i sistemi di antenna più avanzati gestiscono una gamma di frequenze elettromagnetiche. Tale gamma corrisponde alla "larghezza di banda" dell'antenna, che definisce l'ampiezza dello spettro tra le bande di frequenza più basse e più alte supportate dall'antenna.
Le antenne con una larghezza di banda bassa sono molto efficienti, semplici e meno soggette a interferenze. Tuttavia, la capacità di adattarsi all'evoluzione degli standard di comunicazione è molto ridotta e, sostanzialmente, operano in una gamma di frequenze limitata.
Le antenne a elevata larghezza di banda offrono una maggiore flessibilità su molte bande simultanee e sono generalmente compatte. Tuttavia, sono più soggette a interferenze e richiedono una progettazione meticolosa e sistemi di interpretazione del segnale che le rendono costose e complesse.
Guadagno d'antenna
Il "guadagno" dell'antenna può essere regolato per dirigere e concentrare l'energia irradiata in una direzione specifica. Misurato in decibel (dB), il guadagno determina l'efficacia dei segnali trasmessi o ricevuti dall'antenna. Le antenne per la radiodiffusione trasmettono segnali radio a diversi ricevitori simultaneamente a distanze variabili, con conseguenti valori di guadagno molto elevati, che vanno da decine a centinaia di decibel. Al contrario, le antenne Wi-Fi domestiche sono progettate per coprire un raggio d'azione limitato e raramente hanno un guadagno superiore a 10 decibel. Intuitivamente, maggiore è il valore di guadagno dell'antenna, maggiore è la potenza richiesta per produrre il segnale.
Polarizzazione del segnale
La polarizzazione dell'antenna indica l'orientamento del componente del campo elettrico dell'onda elettromagnetica creata o ricevuta dall'antenna. Può essere utilizzata per aumentare le prestazioni di un'antenna punto-punto. La polarizzazione può essere di tre tipi: verticale (lineare), orizzontale (lineare) e circolare.
- Le antenne a polarizzazione verticale sono comunemente utilizzate nei sistemi di trasmissione, dato che molte antenne riceventi sono orientate verticalmente, come ad esempio le antenne per il settore automotive.
- L'orientamento orizzontale è spesso utilizzato nelle comunicazioni punto-punto a lunga distanza, poiché questi segnali sono meno suscettibili alle condizioni atmosferiche, come la pioggia, che possono disperdere il segnale e ridurne l'integrità.
- Le antenne a polarizzazione circolare sono comunemente utilizzate nei sistemi di comunicazione satellitare. Possono essere utilizzate indipendentemente dall'orientamento o dalla rotazione delle antenne riceventi, che sono spesso soggetti a variazione a causa del movimento dell'antenna.
Tipi fondamentali di antenne
Le antenne comuni sono di diverso tipo, ognuno con caratteristiche uniche che le rendono adatte ad applicazioni specifiche e inadatte ad altre.
Antenne dipolo
Le antenne dipolo, come la Pulse Electronics W5017, sono il tipo di antenna più riconoscibile e sono comunemente utilizzate nelle trasmissioni radiotelevisive e nei sistemi di comunicazione wireless come i router Wi-Fi. In genere, hanno una larghezza di banda ridotta, ottimizzata per una frequenza specifica, e un guadagno moderato, che va da 2dB a 6dB. Data la natura lineare, possono funzionare in polarizzazione sia verticale che orizzontale.
Antenne paraboliche a riflessione
Le antenne paraboliche a riflessione, come la 2867885, sono comunemente chiamate "antenne paraboliche", dato il loro uso quotidiano nei sistemi di comunicazione satellitare, ma possono essere utilizzate anche per comunicazioni punto-punto a lungo raggio. Possono avere una larghezza di banda da moderata ad ampia, supportando così un numero maggiore di frequenze rispetto a un'antenna dipolo. Sono note per il guadagno elevato, che va da 20 dB a 100 dB, e possono supportare sia la polarizzazione lineare che quella circolare.
Antenne ad array
Le antenne ad array sono costituite da più elementi d'antenna singoli disposti in un particolare schema. Controllando intenzionalmente la fase e l'ampiezza di ciascun elemento dell'antenna, le antenne array possono fornire un beamforming e indirizzare il fascio del segnale verso il ricevitore per migliorare la qualità del segnale. Questi sistemi di antenne variano a seconda dell'applicazione e possono raggiungere larghezze di banda da moderate ad ampie. Possono fornire un guadagno moderato da 10 dB a 30 dB e possono adattarsi sia alla polarizzazione lineare (orizzontale o verticale) che a quella circolare. La polarizzazione di un'antenna ad array varia tuttavia in funzione della polarizzazione dei singoli elementi dell'antenna. Le antenne ad array sono spesso visibili in cima alle torri di telecomunicazione e nelle aree urbane densamente popolate. Questi sistemi di antenne ad array consentono di realizzare infrastrutture di comunicazione complesse come le antenne 5G, le infrastrutture MIMO (multi-input e multi-output) e altro ancora.
Antenne patch
Trattandosi di antenne a profilo molto basso, le antenne patch, come la Abracon APAGM2704A-C2G, sono utilizzate nei dispositivi portatili e in altri dispositivi di comunicazione wireless. Queste antenne sono composte da un patch metallico piatto montato su un substrato dielettrico che può essere progettato per supportare sia la polarizzazione lineare che quella circolare. Le antenne patch hanno tipicamente un guadagno moderato, che va da 2 dB a 9 dB, e possono raggiungere una larghezza di banda da moderata ad ampia a seconda della configurazione.
Sistemi d'antenna avanzati del futuro
Se i fondamenti fisici che consentono di realizzare i diversi tipi di antenne wireless non cambieranno mai, i sistemi che controllano, ottimizzano e amplificano l'efficacia della comunicazione via antenna continueranno a crescere in termini di capacità. L'uso di diversi tipi di antenna dipende dalla frequenza, dalla larghezza di banda, dal guadagno e dalla polarizzazione della funzione dell'antenna. I moderni sistemi wireless sono costituiti dai tipi di antenna elencati in precedenza, oltre che da antenne appositamente costruite che si basano sugli stessi tipi fondamentali di antenne. Le capacità complessive di qualsiasi sistema wireless possono essere drasticamente influenzate dall'antenna utilizzata, ma possono anche essere manipolate dal sistema di controllo del segnale.
Molte applicazioni avanzate della tecnologia delle antenne utilizzano sistemi di controllo complessi, come i sistemi MIMO, beamforming, antenna distribuita, multiplexing e con diversità spaziale. Queste applicazioni utilizzano gli stessi attributi fondamentali identificati in questo articolo, ma possono migliorare drasticamente le prestazioni di comunicazione nei sistemi di comunicazione wireless attuali e futuri. Per ulteriori informazioni su questo argomento, consulta il nostro articolo sulle applicazioni avanzate della tecnologia delle antenne.
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