Un'antenna è un dispositivo che funge da interfaccia tra un circuito elettrico e lo spazio, progettato per trasmettere e ricevere onde elettromagnetiche in un determinato intervallo di frequenza in base alla propria dimensione e forma. È realizzato in metallo, principalmente rame o alluminio, le antenne trasmittenti possono convertire la corrente elettrica in radiazione elettromagnetica e viceversa. Ogni dispositivo wireless contiene almeno un'antenna.
Onde radio della rete wireless
Quando sorge la necessità di una comunicazione wireless, è necessaria un'antenna. Ha la capacità di inviare o ricevere onde elettromagnetiche per comunicare dove non è possibile installare un sistema cablato.
L'antenna è l'elemento chiave di questa tecnologia wireless. Le onde radio sono facilmente create e ampiamente utilizzate per le comunicazioni interne ed esterne grazie alla loro capacità di passare attraverso gli edifici e di percorrere lunghe distanze.
Caratteristiche principali delle antenne trasmittenti:
- Poiché la trasmissione radio è omnidirezionale, è necessario un abbinamento fisicotrasmettitore e ricevitore è richiesto.
- La frequenza delle onde radio determina molte caratteristiche di trasmissione.
- A basse frequenze, le onde possono facilmente attraversare gli ostacoli. Tuttavia, il loro potere diminuisce con il quadrato inverso della distanza.
- Le onde a frequenza più alta hanno maggiori probabilità di essere assorbite e si riflettono sugli ostacoli. A causa del lungo raggio di trasmissione delle onde radio, l'interferenza tra le trasmissioni è un problema.
- Sulle bande VLF, LF e MF, la propagazione delle onde, dette anche onde di terra, segue la curvatura della Terra.
- La portata massima di trasmissione di queste onde è dell'ordine di diverse centinaia di chilometri.
- Le antenne trasmittenti vengono utilizzate per trasmissioni a bassa larghezza di banda come le trasmissioni con modulazione di ampiezza (AM).
- Le trasmissioni in banda HF e VHF sono assorbite dall'atmosfera vicino alla superficie terrestre. Tuttavia, parte della radiazione, chiamata skywave, si propaga verso l'esterno e verso l' alto verso la ionosfera nell' alta atmosfera. La ionosfera contiene particelle ionizzate formate dalla radiazione solare. Queste particelle ionizzate riflettono le onde del cielo sulla Terra.
Propagazione delle onde
- Propagazione in linea di vista. Tra tutti i metodi di distribuzione, questo è il più comune. L'onda percorre la distanza minima che può essere vista ad occhio nudo. Successivamente, è necessario utilizzare il trasmettitore dell'amplificatore per aumentare il segnale e trasmetterlo nuovamente. Tale propagazione non sarà regolare se c'è qualche ostacolo nel suo percorso di trasmissione. Questa trasmissione viene utilizzata per trasmissioni a infrarossi o microonde.
- Propagazione dell'onda terrestre da un'antenna trasmittente. La propagazione dell'onda al suolo avviene lungo il contorno della Terra. Tale onda è chiamata onda diretta. L'onda a volte si piega a causa del campo magnetico terrestre e colpisce il ricevitore. Tale onda può essere chiamata onda riflessa.
- Un'onda che si propaga nell'atmosfera terrestre è nota come onda terrestre. L'onda diretta e l'onda riflessa insieme danno un segnale alla stazione ricevente. Quando l'onda raggiunge il ricevitore, il ritardo si interrompe. Inoltre, il segnale viene filtrato per evitare distorsioni e amplificazioni per un'uscita chiara. Le onde vengono trasmesse da un punto e da dove vengono ricevute da molte antenne ricetrasmittenti.
Sistema di coordinate di misurazione dell'antenna
Quando si osservano modelli piatti, l'utente si troverà di fronte a indicatori dell'azimut del piano e dell' altezza del piano del modello. Il termine azimut ricorre solitamente in relazione a "orizzonte" o "orizzontale", mentre il termine " altitudine" di solito si riferisce a "verticale". Nella figura, il piano xy è il piano azimutale.
La configurazione del piano azimutale viene misurata quando viene effettuata una misurazione spostando l'intero piano xy attorno all'antenna del ricetrasmettitore in prova. Un piano di elevazione è un piano ortogonale al piano xy, come il piano yz. Il piano altimetrico percorre l'intero piano yz attorno all'antenna in prova.
I campioni (azimut ed elevazioni) sono spesso visualizzati come grafici in polarecoordinate. Ciò offre all'utente la possibilità di visualizzare facilmente come l'antenna si irradia in tutte le direzioni, come se fosse già "puntata" o montata. A volte è utile disegnare schemi di radiazione in coordinate cartesiane, specialmente quando ci sono più lobi laterali nei modelli e dove i livelli dei lobi laterali sono importanti.
Caratteristiche di comunicazione di base
Le antenne sono componenti essenziali di qualsiasi circuito elettrico in quanto forniscono l'interconnessione tra un trasmettitore e lo spazio libero o tra lo spazio libero e un ricevitore. Prima di parlare dei tipi di antenne, è necessario conoscerne le proprietà.
Antenna Array - Il dispiegamento sistematico di antenne che funzionano insieme. Le singole antenne in un array sono generalmente dello stesso tipo e posizionate in stretta prossimità, a una distanza fissa l'una dall' altra. L'array consente di aumentare la direttività, il controllo dei fasci principali di radiazione e dei fasci laterali.
Tutte le antenne sono a guadagno passivo. Il guadagno passivo è misurato in dBi, che è correlato a un'antenna isotropica teorica. Si ritiene che trasmetta energia allo stesso modo in tutte le direzioni, ma non esiste in natura. Il guadagno di un'antenna dipolo a semionda ideale è 2,15 dBi.
EIRP, o l'equivalente potenza isotropa irradiata di un'antenna trasmittente, è una misura della potenza massima che un'antenna isotropa teorica irradierebbe nella direzioneguadagno massimo. L'EIRP tiene conto delle perdite da linee elettriche e connettori e include il guadagno effettivo. EIRP consente di calcolare la potenza reale e le intensità di campo se si conoscono il guadagno effettivo del trasmettitore e la potenza di uscita.
Guadagno antenna nelle direzioni
È definito come il rapporto tra il guadagno di potenza in una data direzione e il guadagno di potenza dell'antenna di riferimento nella stessa direzione. È prassi comune utilizzare un radiatore isotropo come antenna di riferimento. In questo caso, un emettitore isotropico sarà senza perdite, irradierà la sua energia in modo uguale in tutte le direzioni. Ciò significa che il guadagno di un radiatore isotropico è G=1 (o 0 dB). È comune utilizzare l'unità dBi (decibel relativi a un radiatore isotropico) per il guadagno relativo a un radiatore isotropo.
Il guadagno, espresso in dBi, si calcola con la seguente formula: GdBi=10Log (GNumerico / GIsotropico)=10Log (GNumerico).
A volte un dipolo teorico viene utilizzato come riferimento, quindi l'unità dBd (decibel relativi al dipolo) verrà utilizzata per descrivere il guadagno relativo al dipolo. Questo blocco viene in genere utilizzato quando si tratta di amplificare antenne omnidirezionali a guadagno più elevato. In questo caso, il loro guadagno è maggiore di 2,2 dBi. Quindi se l'antenna ha un guadagno di 3 dBu, il guadagno totale sarà di 5,2 dBi.
Ampiezza del fascio di 3 dB
Questa larghezza del fascio (o metà della larghezza del fascio di potenza) dell'antenna è solitamente specificata per ciascuno dei piani principali. L'ampiezza del fascio di 3 dB in ciascun piano è definita come l'angolo tra i punti del lobo principale che viene ridotto di 3 dB dal guadagno massimo. Beamwidth 3 dB - l'angolo tra le due linee blu nell'area polare. In questo esempio, la larghezza del fascio di 3 dB su questo piano è di circa 37 gradi. Le antenne ad ampia larghezza di fascio hanno tipicamente un basso guadagno, mentre le antenne ad ampia larghezza di fascio hanno un guadagno maggiore.
Quindi, un'antenna che dirige la maggior parte della sua energia in un raggio stretto, in almeno un piano, avrà un guadagno maggiore. Il rapporto front-to-back (F/B) viene utilizzato come misura di merito che tenta di descrivere il livello di radiazione dal retro di un'antenna direzionale. Fondamentalmente, il rapporto front-to-back è il rapporto tra il guadagno di picco nella direzione in avanti e il guadagno di 180 gradi dietro il picco. Naturalmente, su una scala DB, il rapporto front-to-back è semplicemente la differenza tra il guadagno di picco in avanti e il guadagno di 180 gradi dietro il picco.
Classificazione dell'antenna
Ci sono molti tipi di antenne per varie applicazioni come comunicazioni, radar, misurazioni, simulazione di impulsi elettromagnetici (EMP), compatibilità elettromagnetica (EMC), ecc. Alcune di esse sono progettate per funzionare in bande di frequenza strette, mentre altriprogettato per emettere/ricevere impulsi transitori. Specifiche dell'antenna di trasmissione:
- Struttura fisica dell'antenna.
- Bande di frequenza.
- Modalità app.
I seguenti sono i tipi di antenne in base alla struttura fisica:
- filo;
- apertura;
- riflettente;
- lente dell'antenna;
- antenne a microstriscia;
- antenne massicce.
I seguenti sono i tipi di antenne trasmittenti a seconda della frequenza di funzionamento:
- Frequenza molto bassa (VLF).
- Bassa frequenza (LF).
- Frequenza media (MF).
- Alta frequenza (HF).
- Frequenza molto alta (VHF).
- Frequenza ultra alta (UHF).
- Altissima frequenza (SHF).
- Onde microonde.
- Onde radio.
Le seguenti antenne trasmittenti e riceventi in base alle modalità di applicazione:
- Connessione punto a punto.
- Applicazioni di trasmissione.
- Comunicazioni radar.
- Comunicazioni satellitari.
Caratteristiche del design
Le antenne trasmittenti creano radiazioni a radiofrequenza che si propagano nello spazio. Le antenne riceventi eseguono il processo inverso: ricevono le radiazioni a radiofrequenza e le convertono nei segnali desiderati, come suoni, immagini nelle antenne trasmittenti televisive e un telefono cellulare.
Il tipo più semplice di antenna è costituito da due aste di metallo ed è noto come dipolo. Uno dei tipi più comuni èun'antenna unipolare costituita da un'asta posta verticalmente su una grande tavola metallica che funge da piano di terra. Il montaggio sui veicoli è solitamente un monopolo e il tetto metallico del veicolo funge da terreno. Il design dell'antenna trasmittente, la sua forma e dimensione determinano la frequenza operativa e altre caratteristiche di radiazione.
Uno degli attributi importanti di un'antenna è la sua direttività. Nella comunicazione tra due bersagli fissi, come nella comunicazione tra due stazioni di trasmissione fisse, o nelle applicazioni radar, è necessaria un'antenna per trasmettere direttamente l'energia di trasmissione al ricevitore. Al contrario, quando il trasmettitore o il ricevitore non è fermo, come nelle comunicazioni cellulari, è necessario un sistema non direzionale. In questi casi è necessaria un'antenna omnidirezionale che riceva tutte le frequenze in modo uniforme in tutte le direzioni del piano orizzontale, e nel piano verticale la radiazione sia irregolare e molto piccola, come un'antenna trasmittente HF.
Trasmissione e ricezione di sorgenti
Il trasmettitore è la principale fonte di radiazioni RF. Questo tipo è costituito da un conduttore la cui intensità fluttua nel tempo e la converte in radiazione a radiofrequenza che si propaga nello spazio. Antenna ricevente - un dispositivo per la ricezione di frequenze radio (RF). Esegue la trasmissione inversa eseguita dal trasmettitore, riceve la radiazione RF, la converte in correnti elettriche nel circuito dell'antenna.
Le stazioni televisive e radiofoniche utilizzano antenne trasmittenti per trasmettere determinati tipi di segnali che viaggiano nell'aria. Questi segnali vengono rilevati dalle antenne riceventi, che li convertono in segnali e vengono ricevuti da un dispositivo appropriato come TV, radio, telefono cellulare.
Le antenne di ricezione radiofoniche e televisive sono progettate per ricevere solo radiazioni a radiofrequenza e non producono radiazioni a radiofrequenza. I dispositivi di comunicazione cellulare, come stazioni base, ripetitori e telefoni cellulari, dispongono di antenne di trasmissione e ricezione dedicate che emettono energia a radiofrequenza e servono reti cellulari in conformità con le tecnologie delle reti di comunicazione.
Differenza tra antenna analogica e digitale:
- L'antenna analogica ha un guadagno variabile e opera nella gamma di 50 km per DVB-T. Più l'utente è lontano dalla sorgente del segnale, peggiore è il segnale.
- Per ricevere la TV digitale - l'utente riceve una buona immagine o una buona immagine. Se è lontano dalla sorgente del segnale, non riceve alcuna immagine.
- L'antenna digitale trasmittente ha filtri integrati per ridurre il rumore e migliorare la qualità dell'immagine.
- Il segnale analogico viene inviato direttamente al televisore, mentre il segnale digitale deve essere prima decodificato. Ti consente di correggere errori e dati come la compressione del segnale per più funzionalità come Canali Extra, EPG, Pay TV,giochi interattivi, ecc.
Trasmettitori dipolo
Le antenne a dipolo sono il tipo omnidirezionale più comune e diffondono l'energia a radiofrequenza (RF) a 360 gradi orizzontalmente. Questi dispositivi sono progettati per essere risonanti a metà o un quarto di lunghezza d'onda della frequenza applicata. Può essere semplice come due lunghezze di filo, oppure può essere incapsulato.
Dipole è utilizzato in molte reti aziendali, piccoli uffici e uso domestico (SOHO). Ha un'impedenza tipica per abbinarla al trasmettitore per il massimo trasferimento di potenza. Se l'antenna e il trasmettitore non corrispondono, si verificheranno riflessi sulla linea di trasmissione, che degraderanno il segnale o addirittura danneggeranno il trasmettitore.
Messa a fuoco diretta
Le antenne direzionali concentrano la potenza irradiata in fasci stretti, fornendo un guadagno significativo in questo processo. Anche le sue proprietà sono reciproche. Le caratteristiche di un'antenna trasmittente, come impedenza e guadagno, si applicano anche a un'antenna ricevente. Questo è il motivo per cui la stessa antenna può essere utilizzata sia per inviare che per ricevere un segnale. Il guadagno di un'antenna parabolica altamente direzionale serve ad amplificare un segnale debole. Questo è uno dei motivi per cui vengono spesso utilizzati per le comunicazioni a lunga distanza.
Un'antenna direzionale comunemente usata è un array Yagi-Uda chiamato Yagi. Fu inventato da Shintaro Uda e dal suo collega Hidetsugu Yagi nel 1926. L'antenna yagi utilizza diversi elementi performando una matrice diretta. Un elemento pilotato, solitamente un dipolo, propaga l'energia RF, gli elementi immediatamente prima e dietro l'elemento pilotato irradiano nuovamente l'energia RF dentro e fuori fase, amplificando e rallentando rispettivamente il segnale.
Questi elementi sono chiamati elementi parassiti. L'elemento dietro lo schiavo è chiamato riflettore e gli elementi davanti allo schiavo sono chiamati direttori. Le antenne Yagi hanno larghezze di fascio che vanno da 30 a 80 gradi e possono fornire più di 10 dBi di guadagno passivo.
L'antenna parabolica è il tipo più familiare di antenna direzionale. Una parabola è una curva simmetrica e un riflettore parabolico è una superficie che descrive una curva durante una rotazione di 360 gradi: una parabola. Le antenne paraboliche sono utilizzate per collegamenti a lunga distanza tra edifici o grandi aree geografiche.
Radiatori sezionali semidirezionali
L'antenna patch è un radiatore semidirezionale che utilizza una striscia di metallo piatta montata sopra il suolo. La radiazione dalla parte posteriore dell'antenna viene effettivamente ritagliata dal piano di massa, aumentando la direttività in avanti. Questo tipo di antenna è anche noto come antenna a microstriscia. Di solito è rettangolare e racchiuso in una custodia di plastica. Questo tipo di antenna può essere prodotto con metodi PCB standard.
L'antenna patch può avere una larghezza del fascio da 30 a 180 gradi eil guadagno tipico è di 9 dB. Le antenne sezionali sono un altro tipo di antenna semidirezionale. Le antenne settoriali forniscono un diagramma di radiazione settoriale e sono generalmente installate in un array. La larghezza del fascio per un'antenna di settore può variare da 60 a 180 gradi, con 120 gradi tipici. In un array partizionato, le antenne sono montate una vicino all' altra, fornendo una copertura completa a 360 gradi.
Realizzare l'antenna Yagi-Uda
Negli ultimi decenni, l'antenna Yagi-Uda è stata visibile in quasi tutte le case.
Si può vedere che ci sono molti direttori per aumentare la direttività dell'antenna. L'alimentatore è un dipolo piegato. Un riflettore è un elemento lungo che si trova all'estremità di una struttura. Le seguenti specifiche devono essere applicate a questa antenna.
| Elemento | Specifiche |
| Lunghezza elemento controllato | da 0,458λ a 0,5λ |
| Lunghezza del riflettore | 0, 55λ - 0,58λ |
| Durata regista 1 | 0.45λ |
| Lunghezza del regista 2 | 0.40λ |
| Durata regista 3 | 0.35λ |
| Intervallo tra i direttori | 0.2λ |
| Riflettore per la distanza tra i dipoli | 0.35λ |
| Distanza tra dipoli e direttore | 0,125λ |
Di seguito sono riportati i vantaggi delle antenne Yagi-Uda:
- Alto guadagno.
- Alta concentrazione.
- Facilità di gestione e manutenzione.
- Si spreca meno energia.
- Copertura di frequenza più ampia.
I seguenti sono gli svantaggi delle antenne Yagi-Uda:
- Pronto al rumore.
- Soggetto a effetti atmosferici.
Se si seguono le specifiche di cui sopra, è possibile progettare l'antenna Yagi-Uda. Lo schema direzionale dell'antenna è molto efficiente, come mostrato in figura. I piccoli lobi vengono soppressi e la direttività del battito principale viene aumentata aggiungendo i direttori all'antenna.
