Antenna periodica a schiera di dipoli Log: Una guida completa

La tecnologia avanza a passi da gigante nel mondo di oggi. Le comunicazioni svolgono un ruolo fondamentale in questa rapida crescita e le antenne sono uno dei componenti più importanti. Le antenne a dipolo periodico logico (LPDA) sono importanti nei moderni sistemi di trasmissione e telecomunicazione. Le antenne a dipolo periodico logico sono antenne direzionali con più elementi disposti secondo uno schema specifico. La lunghezza degli elementi dell'antenna diminuisce generalmente verso la parte anteriore dell'antenna e, con elementi di lunghezza diversa, sono in grado di captare frequenze diverse, rendendole così ideali per le applicazioni che richiedono soluzioni di comunicazione robuste e versatili in diverse frequenze. Vengono chiamate antenne periodiche logiche poiché l'impedenza di queste antenne è una funzione logaritmica periodica della loro frequenza. Le antenne periodiche log sono generalmente utilizzate per applicazioni in cui le diverse frequenze devono essere trasmesse o ricevute a diverse angolazioni e a diverse frequenze, come le trasmissioni televisive, il monitoraggio a banda larga e i sistemi di misura, ecc.

Storia e sviluppo dell'antenna LPDA

Si ritiene che l'antenna periodica log sia stata inventata dall'ingegnere elettrico americano Dwight E. Isbell e il suo collega Raymond DuHamel nel periodo 1957-1958 e pubblicarono un documento al riguardo. In seguito il concetto fu ulteriormente sviluppato da Paul Mayes. Il concetto di antenna periodica log è stato brevettato dall'Università dell'Illinois negli Stati Uniti in seguito al lavoro di questi inventori. Tuttavia, si ritiene anche che sia stato inventato da John Dunlavy nel 1952, ma che non gli sia stato dato il giusto credito in quanto inventato come missione segreta mentre lavorava per l'Aeronautica Militare degli Stati Uniti.

Caratteristiche di progetto dell'antenna Log Periodic

Le antenne periodiche logiche sono composte da più elementi di dipolo di diversa lunghezza e spaziatura disposti in una configurazione lineare o planare. In genere, sono disposte in modo tale che la lunghezza degli elementi diminuisca verso la parte anteriore dell'antenna e con una fase alternata tra loro a intervalli specifici che seguono una funzione logaritmica della frequenza. Questi elementi d'antenna sono tipicamente realizzati in materiali conduttivi, come l'alluminio o il rame, e montati parallelamente su entrambi i lati di una struttura di supporto che di solito è realizzata in materiale non conduttivo. Le caratteristiche delle prestazioni dell'antenna log periodica dipendono dalla lunghezza, dalla spaziatura, dalla differenza di fase e dalla progressione logaritmica degli elementi.

Le antenne periodiche logiche funzionano in base al principio dell'inversione di fase dipendente dalla frequenza. Ogni elemento risuona a una frequenza diversa e, all'aumentare della frequenza, l'elemento risonante si sposta verso gli elementi più piccoli, creando un segnale simile a un'onda che si muove lungo la struttura centrale. Questo meccanismo fornisce una risposta in frequenza a banda larga con un guadagno e un'impedenza costanti nelle antenne periodiche log.

Parametri chiave

Considerando i parametri chiave delle prestazioni delle antenne log-periodiche, esse sono in grado di operare in più bande di frequenza. Le antenne log-periodiche possono operare in un'ampia gamma di frequenze, da pochi megahertz a diversi gigahertz, a seconda della loro progettazione. Le antenne log-periodiche sono utilizzate per avere un guadagno relativamente elevato grazie al loro schema di radiazione e alla loro direzionalità. Sono in grado di operare con un guadagno di picco di circa 10-11dBi e il guadagno varia generalmente tra 5 e 15 dBi. La portata operativa di un'antenna log periodica dipende da tutti questi fattori, quali la frequenza, il guadagno e i fattori ambientali, nonché da eventuali ostacoli o interferenze. Nella maggior parte dei casi, le antenne log periodiche utilizzano normali connettori femmina di tipo N e sono generalmente montate su palo o albero. Tuttavia, queste caratteristiche possono variare in base al tipo di antenna periodica log, poiché sono disponibili anche in design molto compatti simili a pannelli.

Caratteristiche principali dell'antenna periodica log

Alcune delle caratteristiche principali di un'antenna log-periodica sono l'ampia gamma di frequenze, il guadagno direzionale e il design compatto.

• Gamma di frequenza a banda larga

Le antenne periodiche logiche, grazie alla presenza di elementi conduttori di diversa lunghezza, hanno la capacità di operare in un'ampia gamma di frequenze. La loro copertura su un ampio spettro di frequenze le rende un'opzione di antenna adatta a varie applicazioni di comunicazione e RF. Ciò consente agli utenti di utilizzare una singola antenna per comunicare su vari canali a diverse frequenze. Le antenne log periodiche sono quindi estremamente utili nelle applicazioni in cui l'ambiente operativo è dinamico o cambia rapidamente, in quanto possono garantire una comunicazione stabile e ininterrotta in tali scenari.

• Guadagno direzionale

Le antenne periodiche log hanno un guadagno stabile, che rappresenta un vantaggio fondamentale. Sono in grado di mantenere un guadagno direzionale elevato e stabile anche quando la frequenza varia o fluttua. Le antenne log periodiche sono quindi in grado di fornire un guadagno direzionale costante in diverse bande di frequenza. Grazie all'elevato guadagno direzionale, sono in grado di indirizzare i segnali verso una direzione specifica, aumentando così la portata della comunicazione in quella direzione. Questa caratteristica rende le antenne log periodiche ideali per le applicazioni che richiedono una comunicazione efficace e precisa a lungo raggio.  

• Design compatto

Le antenne periodiche log hanno un design e una struttura semplici. Sono generalmente di dimensioni compatte e quindi possono essere facilmente utilizzate in applicazioni con limitazioni di spazio. Possono essere utilizzate comodamente sia in applicazioni statiche che mobili. Le antenne periodiche log sono relativamente facili da produrre e installare grazie al loro design compatto.

Tipi di antenne periodiche logiche

Le antenne periodiche logiche sono disponibili in diverse forme e frequenze. Di seguito sono illustrati quattro dei tipi più comuni di antenne.

• Schiera di dipoli periodici logici (LPDA)

È il tipo più comune di antenna log periodica. Come suggerisce il nome, le antenne LDPA hanno un array di elementi d'antenna a dipolo disposti in lunghezza crescente e montati su entrambi i lati di un braccio di supporto. Gli elementi dell'antenna sono collegati in parallelo a una linea di alimentazione e il dipolo più lungo funge da riflettore. L'antenna LPDA è generalmente alimentata dal semipolo più corto attraverso una singola porta. Le LPDA presentano generalmente impedenze di ingresso, VSWR e caratteristiche di radiazione uniformi in un'ampia gamma di frequenze. Questo tipo di antenne log periodiche è tipicamente utilizzato per la ricezione televisiva e le applicazioni radiofoniche.

• Antenna monopolare log-periodica

Le antenne monopolo periodiche logiche sono molto simili alle LPDA. In questa variante, i monopoli sono utilizzati al posto di

dipoli nelle antenne e generalmente montate su un piano di massa conduttivo. Questo design offre prestazioni migliori in termini di guadagno ed è comunemente utilizzato nei sistemi di comunicazione a terra.

• Antenna planare log-periodica

Questo tipo di antenna periodica log ha gli elementi di antenna stampati su un substrato planare simile a un PCB. Grazie al loro design compatto, sono ideali per essere utilizzate in dispositivi di piccole dimensioni con limitazioni di spazio e per applicazioni mobili. Sono inoltre comunemente utilizzate in applicazioni radar e a microonde.

• Antenna Log-Periodica a filo

Come le altre antenne log periodiche, anche le antenne log periodiche a filo hanno più elementi d'antenna. Tuttavia, invece dei tipici elementi solidi, queste antenne sono costituite da elementi d'antenna realizzati con fili sostenuti da un telaio rigido o da una struttura a braccio.

Antenne log-periodiche vs. antenne Yagi

Le antenne LPDA e Yagi sono abbastanza simili. Tuttavia, presentano alcune differenze fondamentali che le rendono uniche sia in termini di struttura fisica e design che di parametri prestazionali.

Le antenne periodiche log hanno tipicamente una struttura triangolare e sono composte da più elementi d'antenna di diversa lunghezza e distanza l'uno dall'altro, disposti in un array specifico su entrambi i lati di una struttura simile a un boom. Le antenne Yagi hanno una struttura più lineare, con i loro elementi d'antenna multipli, generalmente della stessa lunghezza a differenza delle antenne periodiche log, disposti in un array lungo una struttura a braccio. Grazie agli elementi d'antenna di lunghezza simile, le antenne Yagi sono considerate leggermente più facili da costruire e fabbricare rispetto alle antenne periodiche log. Le antenne periodiche log sono leggermente più complesse da progettare e costruire, poiché le diverse lunghezze degli elementi, la loro spaziatura e le differenze di fase devono essere calcolate e implementate con precisione. Inoltre, le antenne Yagi sono generalmente più ingombranti delle antenne log periodiche. Tuttavia, le antenne log periodiche sono relativamente più facili da installare rispetto alle antenne yagi, poiché queste ultime richiedono un allineamento più preciso per ottenere prestazioni ottimali in una direzione specifica.

Considerando i parametri di prestazione, sia le antenne periodiche log che le antenne Yagi sono disponibili in un'ampia gamma di bande di frequenza. Le antenne periodiche log operano generalmente in gamme di frequenza comprese tra 30 e 4200 MHz, mentre le antenne Yagi operano tra 30 e 3000 MHz. Le antenne periodiche log hanno un diagramma di radiazione più ampio e quindi un guadagno inferiore e sono poco direzionali rispetto alle antenne Yagi. Le antenne Yagi sono altamente direzionali e hanno una larghezza di banda stretta, quindi hanno un guadagno molto più elevato in una direzione specifica. I segnali di un'antenna Yagi sono focalizzati in un'area di copertura con un angolo compreso tra 45 e 90 gradi, mentre le antenne log periodiche sono in grado di avere un'area di copertura molto più ampia grazie a elementi d'antenna di lunghezza e spaziatura diverse.

Le antenne periodiche log e le antenne Yagi variano anche in termini di applicazioni. Le antenne periodiche log sono solitamente utilizzate in applicazioni che richiedono la trasmissione e la ricezione di segnali in più direzioni e su più frequenze contemporaneamente. Sono utilizzate nelle applicazioni LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M, ecc. Le antenne Yagi sono più adatte per i sistemi di comunicazione punto-punto, come nelle applicazioni di radiotrasmissione, domestiche e commerciali, poiché sono altamente direzionali e hanno un elevato guadagno verso una direzione specifica.

I costi di installazione iniziale e di manutenzione delle antenne Yagi e delle antenne log periodiche sono relativamente simili. Tuttavia, le antenne log periodiche sono generalmente considerate più versatili, in quanto possono essere utilizzate per casi d'uso che richiedono frequenze diverse. Le antenne Yagi necessitano di una manutenzione più regolare per mantenere le loro prestazioni in una direzione ad un livello ottimale.

Vantaggi delle antenne periodiche log

Le antenne periodiche log sono un tipo di antenna estremamente versatile utilizzato in vari sistemi di comunicazione grazie ai loro vantaggi principali in termini di prestazioni. Di seguito sono illustrati alcuni di questi vantaggi.

• Ampia larghezza di banda

Le antenne periodiche log sono in grado di coprire un'ampia gamma di frequenze e possono operare su più bande di frequenza grazie alla loro ampia larghezza di banda senza bisogno di sintonizzazioni o regolazioni. Pertanto, le antenne periodiche log sono considerate versatili, in quanto una singola antenna può sostituire diverse antenne progettate per gamme di frequenza diverse. Per questo motivo, le antenne periodiche log sono versatili e convenienti.

• Modello di radiazione direzionale

Le antenne log-periodiche hanno un modello di radiazione direzionale. Sono quindi in grado di concentrare l'energia in una direzione specifica, il che le rende ideali per le comunicazioni a lunga distanza. Il diagramma di radiazione delle antenne log-periodiche ha bassi lobi laterali, il che significa che irradiano la maggior parte della loro energia nella direzione desiderata e riducono al minimo lo spreco di energia in altre direzioni. Il loro schema direzionale le rende più resistenti alle interferenze di altri segnali indesiderati e di eventuali ostacoli. Ciò contribuisce a migliorare il rapporto segnale/rumore.

• Guadagno elevato

Le antenne log-periodiche hanno in genere un guadagno maggiore grazie al loro schema di radiazione direzionale. Pertanto, hanno la capacità di trasmettere e ricevere segnali su distanze maggiori e con grande efficienza. Nei sistemi di comunicazione, un guadagno elevato è un parametro cruciale per mantenere segnali forti e stabili su un raggio più ampio.

• Dimensioni compatte

Le antenne periodiche log possono essere utilizzate in applicazioni con limitazioni di spazio, poiché sono generalmente progettate per essere piccole e compatte rispetto ad altri tipi di antenne. Sono ideali per essere utilizzate in applicazioni fisse e mobili.

Nel complesso, le antenne log-periodiche offrono vantaggi fondamentali come l'ampia gamma di frequenze, l'elevato guadagno, il diagramma di radiazione direzionale e le dimensioni compatte, che le rendono un'opzione versatile e conveniente per varie applicazioni nel campo delle comunicazioni e delle trasmissioni.

Svantaggi e limiti

Sebbene le antenne log periodiche presentino alcuni vantaggi fondamentali, come sempre ci sono anche alcune limitazioni.

• Progettazione e costruzione complesse

Poiché le antenne periodiche log sono costruite per operare su più frequenze diverse, la loro progettazione deve essere precisa. È necessario prendere in considerazione la lunghezza degli elementi dell'antenna, la loro spaziatura e collocazione, la differenza di fase tra gli elementi, ecc. A causa della complessità della progettazione e della costruzione, le antenne periodiche log tendono a essere relativamente costose.

• Montaggio e manutenzione

L'installazione e la manutenzione di un'antenna log periodica possono essere un po' complesse e richiedere molto tempo, dal momento che si tratta di elementi multipli che richiedono una spaziatura e un posizionamento precisi. Inoltre, per garantire che l'antenna funzioni costantemente nel suo stato ottimale, con una trasmissione e una ricezione del segnale stabili e precise, è necessaria una manutenzione regolare delle antenne log periodiche.

• Interferenza

Soprattutto nelle applicazioni all'aperto, le antenne log periodiche tendono a essere soggette alle interferenze di altri segnali e a qualsiasi ostacolo fisico. Possono anche essere influenzate dalle condizioni atmosferiche, come i forti venti, che le rendono suscettibili al carico del vento.

Applicazioni delle antenne periodiche log

Come discusso nel corso dell'articolo, le antenne log periodiche sono estremamente versatili e quindi utilizzate in varie applicazioni in diversi settori. Di seguito sono illustrati alcuni dei casi d'uso più comuni.

• Trasmissioni televisive e radiofoniche

Le antenne periodiche log sono comunemente utilizzate per le trasmissioni radiotelevisive per ricevere e trasmettere segnali, in quanto sono in grado di operare in un'ampia gamma di frequenze, consentendo così di fornire contenuti su più canali e stazioni. Grazie alle caratteristiche progettuali e prestazionali delle antenne log periodiche, è possibile utilizzare una singola antenna per più bande di frequenza.

• WiFi

Le antenne periodiche log sono comunemente utilizzate anche per stabilire reti WiFi. Possono essere utilizzate per trasmettere e ricevere segnali per applicazioni WiFi, in quanto sono in grado di fornire una connessione Internet wireless stabile e forte.

• Reti cellulari

Simili alle reti WiFi, sono utilizzati anche nelle reti cellulari per trasmettere e ricevere segnali dai ripetitori, consentendo la comunicazione mobile. La loro direzionalità e il loro guadagno permettono di concentrare i segnali in una determinata direzione, consentendo così di stabilire connessioni su lunghe distanze.

• Potenziatori di segnale

Le antenne periodiche log sono comunemente utilizzate anche nei sistemi di amplificazione del segnale. Il loro elevato guadagno e la loro direzionalità aumentano la forza e la portata dei segnali per una migliore ricezione e trasmissione, rendendole ideali per i booster di segnale.

• Sistemi di antenna distribuita (DAS)

Le antenne periodiche log sono comunemente utilizzate anche per le installazioni DAS. La loro ampia larghezza di banda, l'elevato guadagno e la direzionalità sono utili per migliorare la copertura wireless e la capacità dei sistemi di comunicazione in grandi edifici, stadi, aeroporti e altre aree pubbliche.

Installazione e manutenzione

Il processo di installazione di un'antenna periodica log inizia con la scelta del sito. Per garantire prestazioni ottimali, è importante scegliere una posizione con un minimo di ostruzioni e interferenze. È necessario prendere in considerazione anche altre condizioni atmosferiche e fattori ambientali. Le antenne periodiche log sono generalmente montate su un palo o un albero per ridurre al minimo le ostruzioni nei percorsi del segnale. È importante montare le antenne in modo sicuro per garantire la stabilità e il corretto allineamento. È necessario utilizzare cavi coassiali e connettori di alta qualità per ridurre al minimo la perdita di segnale durante la trasmissione. Un altro fattore da considerare è la corretta messa a terra, fondamentale per proteggere l'antenna da eventuali sovratensioni elettriche. È essenziale posizionare l'antenna con il giusto orientamento e allinearla correttamente per garantire prestazioni ottimali verso una direzione specifica in una gamma di frequenze desiderata. Infine, è importante condurre prove sufficienti e metterla a punto apportando le regolazioni necessarie per ottenere una qualità ottimale e prestazioni affidabili di un'antenna log periodica.

Casi di studio

Le antenne periodiche log sono utilizzate in molti settori industriali e hanno diversi casi d'uso, come si capisce nel corso dell'articolo. Di seguito sono descritti alcuni scenari e applicazioni reali delle antenne log periodiche.

• Trasmissione

Le antenne periodiche log sono in grado di coprire un ampio spettro di frequenze grazie alla loro struttura con diversi elementi d'antenna allungati e differenze di fase e quindi sono comunemente utilizzate sia nelle trasmissioni radiofoniche che televisive. Le antenne periodiche log sono quindi ampiamente utilizzate sia nelle aree urbane che in quelle remote per trasmettere segnali su vari canali, fornendo una copertura efficiente e stabile.

• Militare e difesa

Le antenne periodiche log sono ampiamente utilizzate nell'industria militare e della difesa per varie applicazioni di difesa e sicurezza. Sono comunemente utilizzate in aerei, satelliti, sistemi radar, apparecchiature militari ecc. per la trasmissione e la ricezione dei segnali. Le antenne periodiche logiche sono in grado di fornire comunicazioni affidabili su un'ampia larghezza di banda e un'elevata direzionalità, rendendole ideali per le missioni critiche e le operazioni di sorveglianza in ambito militare. Nel settore militare e della difesa, il personale dell'esercito utilizza dispositivi alimentati da antenne log periodiche per rimanere in contatto in diverse località operative. Ciò è possibile grazie all'affidabilità e alla stabilità dei segnali trasmessi e ricevuti dalle antenne log periodiche. Sono inoltre ampiamente utilizzate per applicazioni di sorveglianza nelle missioni militari e di difesa. Sono in grado di trasmettere e ricevere segnali rapidamente, il che le rende importanti nelle missioni critiche. Le antenne log periodiche consentono lo scambio di dati in tempo reale tra sensori remoti, droni e centri di comando. Ciò consente al personale dell'esercito di prendere decisioni ben informate in applicazioni critiche in ambito militare e di difesa.

• Guerra elettronica

Le antenne periodiche logiche sono anche parte integrante dei sistemi di guerra elettronica. Il loro elevato guadagno direzionale e il trasferimento mirato del segnale possono essere fondamentali per identificare i dispositivi nemici e per intercettare e disturbare i segnali di comunicazione nemici. Nella guerra elettronica, le antenne log-periodiche sono utilizzate come parte di sistemi per intercettare, disturbare o proteggere le comunicazioni, sfruttando le loro capacità a banda larga e le prestazioni direzionali. Questo può essere fondamentale in guerra per contrattaccare efficacemente i segnali di comunicazione nemici e ottenere un vantaggio tattico sul campo di battaglia.

Conclusione

Le antenne periodiche log sono un componente cruciale nel panorama della moderna tecnologia delle antenne. Le antenne periodiche logiche sono disponibili in varie forme, dimensioni e configurazioni e tra queste le antenne Log Periodic Dipole Array sono in prima linea come tipo di antenna periodica logica più utilizzata. Le antenne LPDA funzionano in modo tale che l'impedenza dell'antenna sia una funzione logaritmica periodica della sua frequenza operativa. Sono in grado di facilitare un'ampia gamma di applicazioni, dalle trasmissioni televisive ai sistemi WiFi e cellulari, fino alle applicazioni militari e di difesa più critiche. La capacità delle antenne log periodiche di operare in un'ampia gamma di frequenze, la loro capacità direzionale e il loro design compatto le rendono un dispositivo versatile e una soluzione conveniente per i consumatori che desiderano migliorare i propri sistemi di comunicazione.