1. Introduzione alle antenne
Un'antenna è una struttura di transizione tra lo spazio libero e una linea di trasmissione, come mostrato in Figura 1. La linea di trasmissione può essere costituita da una linea coassiale o da un tubo cavo (guida d'onda), utilizzata per trasmettere energia elettromagnetica da una sorgente a un'antenna, o da un'antenna a un ricevitore. La prima è un'antenna trasmittente, la seconda un'antenna ricevente.
Figura 1 Percorso di trasmissione dell'energia elettromagnetica (sorgente-linea di trasmissione-antenna-spazio libero)
La trasmissione del sistema di antenna nella modalità di trasmissione di Figura 1 è rappresentata dall'equivalente di Thevenin come mostrato in Figura 2, dove la sorgente è rappresentata da un generatore di segnale ideale, la linea di trasmissione è rappresentata da una linea con impedenza caratteristica Zc e l'antenna è rappresentata da un carico ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La resistenza di carico RL rappresenta le perdite di conduzione e dielettriche associate alla struttura dell'antenna, mentre Rr rappresenta la resistenza di radiazione dell'antenna e la reattanza XA viene utilizzata per rappresentare la parte immaginaria dell'impedenza associata alla radiazione dell'antenna. In condizioni ideali, tutta l'energia generata dalla sorgente del segnale dovrebbe essere trasferita alla resistenza di radiazione Rr, che viene utilizzata per rappresentare la capacità di radiazione dell'antenna. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, si verificano perdite conduttore-dielettriche dovute alle caratteristiche della linea di trasmissione e dell'antenna, nonché perdite causate dalla riflessione (disadattamento) tra la linea di trasmissione e l'antenna. Considerando l'impedenza interna della sorgente e ignorando le perdite per linea di trasmissione e riflessione (disadattamento), la potenza massima viene fornita all'antenna in condizioni di adattamento coniugato.
Figura 2
A causa della discrepanza tra la linea di trasmissione e l'antenna, l'onda riflessa dall'interfaccia si sovrappone all'onda incidente dalla sorgente all'antenna formando un'onda stazionaria, che rappresenta la concentrazione e l'accumulo di energia ed è un tipico dispositivo risonante. Un tipico schema di onda stazionaria è mostrato dalla linea tratteggiata in Figura 2. Se il sistema di antenna non è progettato correttamente, la linea di trasmissione può fungere in larga misura da elemento di accumulo di energia, piuttosto che da guida d'onda e dispositivo di trasmissione dell'energia.
Le perdite causate dalla linea di trasmissione, dall'antenna e dalle onde stazionarie sono indesiderabili. Le perdite di linea possono essere ridotte al minimo selezionando linee di trasmissione a basse perdite, mentre le perdite di antenna possono essere ridotte riducendo la resistenza di perdita rappresentata da RL in Figura 2. Le onde stazionarie possono essere ridotte e l'accumulo di energia nella linea può essere minimizzato adattando l'impedenza dell'antenna (carico) all'impedenza caratteristica della linea.
Nei sistemi wireless, oltre a ricevere o trasmettere energia, le antenne sono solitamente necessarie per potenziare l'energia irradiata in determinate direzioni e sopprimerla in altre. Pertanto, oltre a fungere da dispositivi di rilevamento, le antenne devono essere utilizzate anche come dispositivi direzionali. Le antenne possono essere di varie forme per soddisfare esigenze specifiche. Possono essere costituite da un filo, un'apertura, una patch, un insieme di elementi (array), un riflettore, una lente, ecc.
Nei sistemi di comunicazione wireless, le antenne sono uno dei componenti più critici. Una buona progettazione delle antenne può ridurre i requisiti di sistema e migliorarne le prestazioni complessive. Un esempio classico è la televisione, dove la ricezione delle trasmissioni può essere migliorata utilizzando antenne ad alte prestazioni. Le antenne sono per i sistemi di comunicazione ciò che gli occhi sono per gli esseri umani.
2. Classificazione delle antenne
1. Antenna a filo
Le antenne a filo sono tra i tipi di antenna più comuni perché si trovano praticamente ovunque: automobili, edifici, navi, aerei, veicoli spaziali, ecc. Esistono varie forme di antenne a filo, come ad esempio a linea retta (dipolo), ad anello, a spirale, come mostrato in Figura 3. Le antenne ad anello non devono essere necessariamente circolari. Possono essere rettangolari, quadrate, ovali o di qualsiasi altra forma. L'antenna circolare è la più comune per la sua struttura semplice.
Figura 3
2. Antenne ad apertura
Le antenne ad apertura stanno assumendo un ruolo sempre più importante a causa della crescente domanda di forme di antenne più complesse e dell'utilizzo di frequenze più elevate. Alcuni tipi di antenne ad apertura (antenne a tromba piramidali, coniche e rettangolari) sono illustrate nella Figura 4. Questo tipo di antenna è molto utile per applicazioni aeronautiche e spaziali perché può essere montato comodamente sul guscio esterno dell'aeromobile o del veicolo spaziale. Inoltre, può essere ricoperto con uno strato di materiale dielettrico per proteggerlo dagli ambienti più difficili.
Figura 4
3. Antenna microstrip
Le antenne a microstrip sono diventate molto popolari negli anni '70, principalmente per applicazioni satellitari. L'antenna è costituita da un substrato dielettrico e da una patch metallica. La patch metallica può avere molte forme diverse e l'antenna patch rettangolare mostrata in Figura 5 è la più comune. Le antenne a microstrip hanno un profilo basso, sono adatte a superfici planari e non planari, sono semplici ed economiche da produrre, presentano un'elevata robustezza se montate su superfici rigide e sono compatibili con i progetti MMIC. Possono essere montate sulla superficie di aeromobili, veicoli spaziali, satelliti, missili, automobili e persino dispositivi mobili e possono essere progettate in modo conforme.
Figura 5
4. Antenna Array
Le caratteristiche di radiazione richieste da molte applicazioni potrebbero non essere ottenute da un singolo elemento di antenna. Gli array di antenne possono sfruttare la radiazione degli elementi sintetizzati per produrre la massima radiazione in una o più direzioni specifiche; un esempio tipico è mostrato in Figura 6.
Figura 6
5. Antenna riflettore
Il successo dell'esplorazione spaziale ha portato anche al rapido sviluppo della teoria delle antenne. A causa della necessità di comunicazioni a lunghissima distanza, è necessario utilizzare antenne ad altissimo guadagno per trasmettere e ricevere segnali a milioni di chilometri di distanza. In questa applicazione, un tipo di antenna comune è l'antenna parabolica mostrata in Figura 7. Questo tipo di antenna ha un diametro di 305 metri o più, e queste dimensioni sono necessarie per ottenere l'elevato guadagno necessario per trasmettere o ricevere segnali a milioni di chilometri di distanza. Un altro tipo di riflettore è il riflettore angolare, come mostrato in Figura 7 (c).
Figura 7
6. Antenne a lente
Le lenti vengono utilizzate principalmente per collimare l'energia incidente diffusa per evitare che si diffonda in direzioni di radiazione indesiderate. Modificando opportunamente la geometria della lente e scegliendo il materiale giusto, possono convertire varie forme di energia divergente in onde piane. Possono essere utilizzate nella maggior parte delle applicazioni, come le antenne a riflettore parabolico, soprattutto alle frequenze più alte, mentre le loro dimensioni e il loro peso diventano molto grandi alle frequenze più basse. Le antenne a lente sono classificate in base ai materiali di costruzione o alle forme geometriche, alcune delle quali sono illustrate in Figura 8.
Figura 8
Per saperne di più sulle antenne, visita:
Data di pubblicazione: 19/07/2024
