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 sotto forma di linea coassiale o di 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, mentre la seconda è un'antenna ricevente.
Figura 1 Percorso di trasmissione dell'energia elettromagnetica (sorgente-linea di trasmissione-antenna-spazio libero)
La trasmissione del sistema di antenne 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 è 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 conduttive e 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 trascurando le perdite dovute alla linea di trasmissione e alla riflessione (disadattamento), la potenza massima viene fornita all'antenna in condizioni di adattamento coniugato.
Figura 2
A causa del disadattamento 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 una concentrazione e un accumulo di energia ed è un tipico dispositivo risonante. Un tipico schema di onda stazionaria è mostrato dalla linea tratteggiata nella Figura 2. Se il sistema di antenne non è progettato correttamente, la linea di trasmissione può agire in larga misura come un elemento di accumulo di energia, anziché come una guida d'onda e un 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 minimizzate selezionando linee di trasmissione a bassa perdita, mentre le perdite dell'antenna possono essere ridotte diminuendo 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 minimizzato adattando l'impedenza dell'antenna (carico) all'impedenza caratteristica della linea.
Nei sistemi wireless, oltre a ricevere o trasmettere energia, le antenne sono generalmente necessarie per amplificare 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 assumere diverse forme per soddisfare esigenze specifiche. Possono essere costituite da un filo, un'apertura, un elemento radiante (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. 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 quelle lineari (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 via della 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 antenna più complesse e dell'utilizzo di frequenze più elevate. Alcuni esempi di antenne ad apertura (piramidali, coniche e a tromba rettangolare) sono illustrati nella Figura 4. Questo tipo di antenna è particolarmente utile per applicazioni aeronautiche e spaziali, in quanto può essere facilmente montata sulla superficie esterna del velivolo o del veicolo spaziale. Inoltre, può essere rivestita con uno strato di materiale dielettrico per proteggerla da ambienti ostili.
Figura 4
3. Antenna a microstriscia
Le antenne a microstriscia 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 diverse forme, e l'antenna a patch rettangolare mostrata in Figura 5 è la più comune. Le antenne a microstriscia hanno un profilo sottile, sono adatte a superfici piane e non piane, 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 aerei, veicoli spaziali, satelliti, missili, automobili e persino dispositivi mobili e possono essere progettate in modo conforme.
Figura 5
4. Antenna a schiera
Le caratteristiche di radiazione richieste da molte applicazioni potrebbero non essere ottenute con un singolo elemento di antenna. Gli array di antenne possono sintetizzare la radiazione degli elementi per produrre la massima radiazione in una o più direzioni specifiche; un esempio tipico è mostrato nella Figura 6.
Figura 6
5. Antenna a riflettore
Il successo dell'esplorazione spaziale ha portato anche al rapido sviluppo della teoria delle antenne. Data la 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 in 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 a milioni di chilometri di distanza. Un'altra forma 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 diffusa incidente, impedendone la propagazione in direzioni di radiazione indesiderate. Modificando opportunamente la geometria della lente e scegliendo il materiale più adatto, è possibile convertire varie forme di energia divergente in onde piane. Trovano impiego in numerose applicazioni, come le antenne a riflettore parabolico, soprattutto alle alte frequenze, mentre alle basse frequenze le loro dimensioni e il loro peso diventano considerevoli. Le antenne a lente sono classificate in base ai materiali di costruzione o alla forma geometrica, alcuni dei quali sono illustrati nella Figura 8.
Figura 8
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Data di pubblicazione: 19 luglio 2024
