1. Introduzione alle antenne
Un'antenna è una struttura di transizione tra lo spazio libero e una linea di trasmissione, come mostrato nella Figura 1. La linea di trasmissione può avere la forma di una linea coassiale o di un tubo cavo (guida d'onda), che viene utilizzato per trasmettere energia elettromagnetica da una sorgente ad un'antenna o da un'antenna a un ricevitore. La prima è un'antenna trasmittente, la seconda è un'antenna ricevente.
Figura 1 Percorso di trasmissione dell'energia elettromagnetica (sorgente-linea di trasmissione-spazio libero dall'antenna)
La trasmissione del sistema d'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 la conduzione e le perdite dielettriche associate alla struttura dell'antenna, mentre Rr rappresenta la resistenza alla 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-dielettrico 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 della linea di trasmissione e di riflessione (disadattamento), la potenza massima viene fornita all'antenna in adattamento coniugato.
Figura 2
A causa della mancata corrispondenza tra la linea di trasmissione e l'antenna, l'onda riflessa dall'interfaccia si sovrappone all'onda incidente dalla sorgente all'antenna per formare un'onda stazionaria, che rappresenta la concentrazione e l'immagazzinamento di energia ed è un tipico dispositivo risonante. Un tipico modello di onda stazionaria è mostrato dalla linea tratteggiata nella Figura 2. Se il sistema di antenna non è progettato correttamente, la linea di trasmissione può agire in larga misura come elemento di accumulo di energia, piuttosto che come guida d'onda e dispositivo di trasmissione di 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 bassa perdita, mentre le perdite dell'antenna possono essere ridotte riducendo la resistenza di perdita rappresentata da RL nella Figura 2. Le onde stazionarie possono essere ridotte e l'accumulo di energia nella linea può essere ridotto al minimo adattando l'impedenza di l'antenna (carico) con l'impedenza caratteristica della linea.
Nei sistemi wireless, oltre a ricevere o trasmettere energia, le antenne sono solitamente necessarie per aumentare l'energia irradiata in determinate direzioni e sopprimere l'energia irradiata in altre direzioni. Pertanto, oltre ai dispositivi di rilevamento, le antenne devono essere utilizzate anche come dispositivi direzionali. Le antenne possono essere di varie forme per soddisfare esigenze specifiche. Può essere 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 dell'antenna può ridurre i requisiti di sistema e migliorare le prestazioni complessive del sistema. Un classico esempio è la televisione, dove la ricezione delle trasmissioni può essere migliorata utilizzando antenne ad alte prestazioni. Le antenne stanno ai sistemi di comunicazione come gli occhi stanno agli esseri umani.
2. Classificazione delle antenne
1. Antenna filare
Le antenne a filo sono uno dei tipi più comuni di antenne perché si trovano quasi ovunque: automobili, edifici, navi, aeroplani, veicoli spaziali, ecc. Esistono varie forme di antenne a filo, come linea retta (dipolo), anello, spirale, come mostrato nella Figura 3. Le antenne a telaio non devono solo essere circolari. Possono essere rettangolari, quadrati, 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 giocando un ruolo sempre più importante a causa della crescente domanda di forme di antenne più complesse e dell'utilizzo di frequenze più elevate. Alcune forme di antenne ad apertura (antenne a corno piramidali, coniche e rettangolari) sono mostrate nella Figura 4. Questo tipo di antenna è molto utile per applicazioni su aerei e veicoli spaziali perché possono essere montate molto comodamente sul guscio esterno dell'aereo o del veicolo spaziale. Inoltre, possono essere ricoperti con uno strato di materiale dielettrico per proteggerli dagli ambienti difficili.
Figura 4
3. Antenna a microstriscia
Le antenne a microstriscia divennero molto popolari negli anni '70, principalmente per applicazioni satellitari. L'antenna è costituita da un substrato dielettrico e una patch metallica. Il patch metallico può avere molte forme diverse e l'antenna patch rettangolare mostrata nella Figura 5 è la più comune. Le antenne a microstriscia hanno un profilo basso, sono adatte per superfici planari e non planari, sono semplici ed economiche da produrre, hanno un'elevata robustezza se montate su superfici rigide e sono compatibili con i design MMIC. Possono essere montati sulla superficie di aerei, veicoli spaziali, satelliti, missili, automobili e persino dispositivi mobili e possono essere progettati in modo conforme.
Figura 5
4. Antenna a schiera
Le caratteristiche di radiazione richieste da molte applicazioni potrebbero non essere raggiunte da un singolo elemento dell'antenna. Gli array di antenne possono far sì che la radiazione proveniente dagli elementi sintetizzati produca la massima radiazione in una o più direzioni specifiche, un tipico esempio è mostrato nella 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, una forma comune di antenna è l'antenna parabolica mostrata nella Figura 7. Questo tipo di antenna ha un diametro di 305 metri o più e una dimensione così grande è necessaria per ottenere l'elevato guadagno richiesto per trasmettere o ricevere segnali di milioni di metri. miglia di distanza. Un'altra forma di riflettore è un riflettore angolare, come mostrato nella Figura 7 (c).
Figura 7
6. Antenne per lenti
Le lenti vengono utilizzate principalmente per collimare l'energia diffusa incidente per impedirne la diffusione 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 utilizzati nella maggior parte delle applicazioni come le antenne con riflettore parabolico, soprattutto alle frequenze più alte, e 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 mostrate nella Figura 8.
Figura 8
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Orario di pubblicazione: 19 luglio 2024
