Tipi di antenne WiFi: Una guida completa

In questo mondo moderno e frenetico, tutto progredisce e i sistemi di comunicazione si sono evoluti. All'inizio ci si affidava a schemi di comunicazione cablati, ma grazie ai progressi della tecnologia si è passati alla comunicazione wireless. Oggi il WiFi è ovunque e le antenne WiFi sono una parte essenziale della nostra vita quotidiana. Sono quasi un compagno silenzioso per noi, che ci assicura di rimanere connessi ovunque andiamo.

Le comunicazioni wireless dipendono dall'energia in radiofrequenza, che viene trasmessa e ricevuta attraverso le antenne WiFi. Pertanto, la qualità delle antenne WiFi influisce direttamente sulla copertura e sulle prestazioni delle reti. Pertanto, la comprensione delle nozioni di base vi aiuterà a scegliere l'antenna corretta la prossima volta che ne avrete bisogno.

Vediamo ora più da vicino cosa sono esattamente le antenne Wifi. Un'antenna è un dispositivo che irradia onde radio quando riceve energia elettrica e può anche convertire le onde radio in energia elettrica. Nel contesto del WiFi, le antenne sono componenti cruciali e contribuiscono a trasmettere e ricevere segnali a radiofrequenza, consentendo ai dispositivi di connettersi a Internet. Possono inoltre fungere sia da trasmettitori che da ricevitori, consentendo una connessione fluida tra i dispositivi.

Le antenne WiFi sono essenziali nel nostro mondo wireless. I nostri dispositivi quotidiani come smartphone, computer e laptop si affidano alle antenne per inviare e ricevere dati. Nelle case e negli uffici, le antenne WiFi assicurano connessioni Internet fluide per le attività quotidiane come lo streaming video, la navigazione e i giochi. Inoltre, consentono di creare hotspot WiFi pubblici in luoghi come caffè, ristoranti e aeroporti. Le antenne WiFi svolgono un ruolo cruciale anche nel mondo dell'IoT (Internet of Things). Inoltre, queste antenne WiFi sono fondamentali per i servizi Internet wireless a lungo raggio. Le antenne WiFi alimentano la crescente tendenza dei sistemi audio wireless, consentendo ai dispositivi di comunicare senza bisogno di connessioni fisiche.

Dopo aver capito cosa sono le antenne WiFi e la loro importanza, analizziamo i fattori chiave che rendono queste antenne efficaci in diverse situazioni.

Capire i parametri dell'antenna WiFi

Le antenne WiFi sono definite da diversi parametri importanti, che ne determinano le prestazioni e l'idoneità a diversi compiti. Vediamo di suddividerli per facilitarne la comprensione.

Guadagno

Il guadagno di un'antenna misura la sua capacità di concentrare l'energia in una direzione specifica, rispetto a un'antenna teorica di riferimento chiamata radiatore isotropo. Un'antenna isotropa è un dispositivo che irradia energia in modo uguale in tutte le direzioni, ha un guadagno di 0 dBi (decibel su isotropo).

Il guadagno dell'antenna si misura in dBi e rappresenta l'efficienza dell'antenna nel dirigere le onde elettromagnetiche. Un guadagno maggiore significa che l'antenna può raggiungere distanze maggiori e fornire segnali più forti. Tuttavia, un dBi più alto non sempre significa migliore. Quando l'dBi dell'antenna aumenta, può inviare segnali più lontani, ma coprirà un'area più piccola. Immaginatevi come il fascio di una torcia elettrica: un guadagno maggiore significa un segnale più mirato, che potrebbe risultare in una minore copertura in altre direzioni.

Modello di radiazione

Radiazione è un termine utilizzato per rappresentare l'emissione del fronte d'onda all'antenna, specificandone l'intensità. Il diagramma di radiazione di un'antenna mostra come l'antenna trasmette l'energia a radiofrequenza in diverse direzioni. Questo diagramma è importante sia per la comunicazione che per la progettazione di sistemi efficaci. Di solito viene mostrato in sistemi di coordinate polari o cartesiane. Questi schemi ci aiutano a capire se l'antenna è in grado di concentrare l'energia in una direzione specifica o di diffonderla in modo uniforme. Ad esempio, il diagramma di radiazione di un router WiFi omnidirezionale assomiglia alla forma di una ciambella, poiché irradia onde radio con la stessa intensità in tutte le direzioni orizzontali. Un'antenna omnidirezionale è progettata per diffondere i segnali in modo uniforme in tutte le direzioni intorno ad essa.

Gamma di frequenza

Sappiamo che i dispositivi WiFi comunicano tra loro attraverso le onde radio. Le onde radio sono caratterizzate dalla loro frequenza, ovvero dal numero di cicli al secondo, misurati in Hertz (Hz). A seconda della tecnologia utilizzata, le antenne WiFi utilizzano diverse frequenze per trasmettere informazioni: 900 MHz, 2,4 GHz, 3,6 GHz, 4,9 GHz, 5 GHz e 60 GHz. Le frequenze più tipiche sono la banda 2,4 e 5 GHz, che corrispondono a lunghezze d'onda di 12,5 cm e 6 cm {lunghezza d'onda(m) = 3x 10⁸ms^-1/frequenza (Hz)}.

Le onde a bassa frequenza hanno lunghezze d'onda maggiori, che facilitano il passaggio attraverso ostacoli come muri e metalli, consentendo ai segnali di viaggiare più lontano. Ogni antenna WiFi è costruita per adattarsi esattamente alla frequenza e alla lunghezza d'onda del segnale trasmesso. In parole povere, un'antenna 2,4 GHz non può sostituire un'antenna 5 GHz e viceversa. Ma alcune antenne, come quelle a doppia banda, sono in grado di utilizzare entrambe le frequenze.

Connettore

Quando si parla di connettori per antenne WiFi, esistono diversi stili comunemente utilizzati. I connettori sono importanti per collegare antenne esterne a dispositivi WiFi come access point e router. I tipi più comuni includono,

• RP-SMA (Reverse Polarity SMA): è un connettore ampiamente utilizzato nei dispositivi consumer, con polarità invertita rispetto ai connettori SMA. Nei connettori RP-SMA, il maschio ha filettature esterne e un foro centrale (pin femmina), mentre la femmina ha filettature interne e un pin centrale (pin maschio). SMA sta per Subminiature version A. È un tipo di connettore coassiale a radiofrequenza.
• RP-TNC (TNC a polarità inversa): Anche questi connettori hanno una polarità invertita rispetto ai connettori TNC. In questo caso il pin centrale è maschio. I connettori RP-TNC si trovano nelle apparecchiature WiFi di livello aziendale. TNC è l'acronimo di connettore Neil Concelman filettato, un connettore RF di medie dimensioni filettato.
• Connettore di tipo N: È un connettore RF filettato utilizzato per collegare i cavi coassiali nelle applicazioni RF. Grazie al suo meccanismo di accoppiamento filettato, è più sicuro e affidabile in ambienti con vibrazioni elevate. Sono ampiamente utilizzati in ambienti esterni e industriali grazie alla loro robustezza e alla capacità di resistere alle intemperie.

Larghezza di fascio

L'ampiezza del fascio è la separazione angolare tra i punti del lobo principale in cui l'intensità del segnale diminuisce di 3dB rispetto al guadagno massimo. È composta dall'ampiezza del fascio orizzontale e dall'ampiezza del fascio verticale, che corrispondono agli angoli orizzontali e verticali del diagramma di radiazione dell'antenna. Una larghezza di fascio più stretta significa che l'antenna concentra l'energia in una direzione specifica, con conseguente maggiore portata e migliore resistenza alle interferenze.

Ora che abbiamo trattato i parametri chiave delle antenne WiFi, diamo un'occhiata ai diversi tipi di antenne WiFi e alle loro applicazioni specifiche.

Tipi di antenne WiFi

Esistono due tipi principali di antenne utilizzate nella nostra vita quotidiana. Una è omnidirezionale e l'altra è direzionale. Vediamo nel dettaglio i due tipi.

Omnidirezionale

Le antenne WiFi omnidirezionali sono progettate per irradiare i segnali in uno schema a 360 gradi, fornendo una buona copertura in tutte le direzioni, proprio come una lampadina a incandescenza illumina una stanza. Possono anche raccogliere segnali da tutte le direzioni. Tuttavia, possono avere una portata inferiore rispetto alle antenne direzionali. Le antenne omnidirezionali variano notevolmente per dimensioni e forma. Possono essere antenne a chip estremamente piccole che si montano direttamente su un circuito stampato e si misurano in millimetri. Sono comunemente utilizzate in ambienti interni ed esterni.

Esaminiamo ora in dettaglio i diversi tipi di antenne omnidirezionali, tra cui le antenne in fibra di vetro, a dipolo, a soffitto, magnetiche e patch.

Antenne in fibra di vetro: Sono i tipi di antenne più diffusi, realizzati in fibra di vetro. Si tratta di pali in fibra di vetro, avvolti da un vibratore in rame e rivestiti di materiale protettivo. Il guscio dell'antenna è in plastica rinforzata con fibra di vetro e la bobina dell'antenna in fibra di vetro si trova tipicamente nella parte superiore dell'antenna.

L'antenna in fibra di vetro utilizza la tecnologia di pressione del film ad alta temperatura e ad alta pressione. Si caratterizza per l'assenza di deformazioni, l'impermeabilità, l'antivento, la resistenza al calore e la forte tenuta. Queste antenne sono ampiamente utilizzate in campi come l'elettricità, il trasporto ferroviario, le applicazioni oceaniche e marittime, l'energia, i trasporti, le infrastrutture, i veicoli elettrici, la tecnologia delle costruzioni e molti altri.

Queste antenne sono note per la loro durata e il loro lungo ciclo di vita, che spesso supera i 15 anni. Essendo realizzate con materiali compositi non metallici, sono più resistenti alla corrosione di acidi, alcali e sali. Il design strutturale, che comprende molteplici strutture a nervature verticali e ad anello, consente a queste antenne di resistere alle condizioni atmosferiche più avverse. Inoltre, incorporando una rete di alluminio nella superficie riflettente, migliorano la riflessione delle onde e offrono protezione dai fattori ambientali. Tuttavia, le antenne in fibra di vetro presentano anche alcuni svantaggi. I cambiamenti ambientali possono causare distorsioni. Poiché queste antenne sono realizzate in fibra di vetro, possono invecchiare più rapidamente in ambienti con temperature più elevate. Alcuni materiali in fibra di vetro contengono carbonio, che può influire sulla conduttività e causare malfunzionamenti dell'antenna.

Antenna a dipolo: Le antenne a dipolo sono antenne di base costituite da due elementi conduttori e da una linea di alimentazione. Quando la corrente scorre attraverso la linea di alimentazione, l'antenna irradia energia elettromagnetica a una frequenza specifica. Queste antenne hanno in genere una maggiore larghezza di banda, che consente loro di supportare comunicazioni a più frequenze.

Offrono i seguenti vantaggi,

• Design strutturale semplice, che aiuta a controllare i costi.
• Ampia gamma di applicazioni, tra cui router e dispositivi mobili.
• Poiché hanno una forte direttività, aiutano a controllare la direzione di trasmissione e ricezione del segnale.
• Ricezione del segnale bilanciata.
• Disponibile in varie forme, come dipolo base, ripiegato e a mezz'onda.

Abbiamo parlato dei vantaggi delle antenne a dipolo, ora verifichiamo gli svantaggi.

• Per trovare il punto di ricezione migliore dobbiamo provare varie combinazioni di posizionamento dei pali.
• Difficile da gestire all'aperto quando le dimensioni aumentano.

Per quanto riguarda le applicazioni, vengono utilizzate nelle antenne WiFi 6/6E/7, nelle antenne cellulari 4G/5G LTE, nelle antenne industriali scientifiche e mediche e nelle antenne GNSS e GPS.

Antenna con montaggio a soffitto: È un dispositivo installato sul soffitto per ottimizzare il segnale wireless. Forniscono una copertura a 360 gradi e migliorano la forza e l'affidabilità dei segnali WiFi. L'uso di antenne omnidirezionali a soffitto può aiutare a eliminare le zone morte e a migliorare la qualità del segnale. Fornendo una connettività costante, assicurano che gli utenti rimangano connessi a Internet.

Vediamo i vantaggi delle antenne a soffitto,

• Sono posizionati a un'altezza maggiore, il che consente loro di fornire una migliore copertura del segnale rispetto ad altri tipi.
• Sono più attraenti dal punto di vista visivo.
• Essendo posizionati a soffitto, sono spesso lontani da potenziali fonti di interferenza.
• Facile da installare.

Vediamo gli svantaggi delle antenne a soffitto.

• Possono avere una portata limitata rispetto ad altre antenne.
• Una volta installata l'antenna a soffitto, la regolazione è molto impegnativa.
• Un altro vincolo evidente è il costo dell'antenna, un po' più alto rispetto ad altri tipi.

Antenna a montaggio magnetico: Come dice il nome stesso, è in grado di trattenere saldamente l'antenna grazie a forti magneti. Questo le rende adatte sia alle installazioni fisse che a quelle mobili. Inoltre, queste antenne magnetiche sono adatte per veicoli, involucri elettronici e alcuni sistemi di comunicazione temporanei.

Offrono i seguenti vantaggi,

• Sono ampiamente utilizzati in applicazioni in cui mobilità e flessibilità sono fondamentali.
• Questi supporti consentono un posizionamento sicuro e facilmente rimovibile, rendendoli ideali per veicoli e allestimenti temporanei.
• Ad esempio, le antenne GPS sui veicoli, le radio CB, i veicoli per i servizi di emergenza utilizzano queste antenne.

Ecco alcuni vincoli comuni,

• Scarsa qualità del segnale dovuta a un contatto superficiale insufficiente.
• Letture VSWR elevate.

Ma con un'accurata messa a punto e tecniche adeguate è possibile ottenere prestazioni eccellenti.

Diamo poi un'occhiata alle antenne direzionali, che concentrano i segnali in direzioni specifiche per una comunicazione a più lungo raggio.

Antenne direzionali

L'antenna direzionale è un tipo speciale di antenna che funziona concentrando i segnali in una particolare direzione. In questo caso, la potenza dell'antenna è più concentrata in una determinata direzione, in modo da poter inviare e ricevere segnali a distanze molto più elevate. A differenza delle antenne omnidirezionali, le antenne direzionali hanno un'area di copertura ridotta.

Esaminiamo ora in dettaglio i diversi tipi di antenne direzionali, tra cui l'antenna a pannello, l'antenna Yagi, l'antenna a settore e l'antenna parabolica a griglia/piatto.

Antenna a pannello: Un'antenna a pannello è un tipo di antenna direzionale che consiste in un dipolo posto davanti a un riflettore piatto. Sono tipicamente di forma rettangolare e piatta, progettate per fornire un fascio focalizzato di onde radio in una direzione specifica. Questa larghezza di fascio stretta aiuta a minimizzare l'interfaccia con altri segnali. La forma rettangolare contribuisce ad aumentare il guadagno. Sono utilizzati nei sistemi di comunicazione punto-punto. Sono spesso utilizzati nei collegamenti backhaul wireless, che collegano due o più nodi di rete. Inoltre, sono utilizzati anche nei sistemi punto-multipunto. Ad esempio, sono utilizzati nei punti di accesso wireless, che forniscono connettività Internet a più dispositivi in un'area specifica.

Se consideriamo i vantaggi delle antenne a pannello,

• Versatile per applicazioni fisse e mobili.
• Design snello e a basso profilo.
• Ampiezza del fascio più ampia.
• Funziona a frequenze altissime.

Ma hanno anche questi svantaggi,

• Campo d'azione limitato.
• Guadagno inferiore rispetto ad altre antenne direzionali.
• La maggiore complessità nella progettazione e nella manutenzione sono i principali limiti delle antenne a pannello.

Antenna Yagi: È un'antenna direzionale nota per la focalizzazione del segnale e l'elevato guadagno. È costituita da un elemento centrale a dipolo, che funge da sorgente principale, e da diversi elementi parassiti disposti lungo la sua lunghezza. Questi elementi parassiti ridiffondono i segnali leggermente sfasati rispetto all'elemento principale, contribuendo a rafforzare il segnale in una direzione. Ciò rende le antenne Yagi ideali per diverse applicazioni come la ricezione radiotelevisiva, la ricezione di segnali a lungo raggio e la comunicazione wireless.

Se consideriamo i vantaggi delle antenne yagi,

• Sono altamente direzionali.
• Facile da costruire
• Economicamente vantaggioso.
• Forniscono un forte guadagno di segnale.

Tuttavia, presentano anche questi svantaggi,

• Hanno una larghezza di banda e una gamma di frequenze limitate.
• I modelli a più alto guadagno possono essere piuttosto lunghi.

Antenna settoriale: Un'antenna settoriale è un'antenna direzionale che fornisce una copertura mirata in un'area definita. Il suo design comprende più elementi d'antenna disposti in modo ordinato. Per creare uno schema di radiazione orizzontale ampio e verticale stretto. Questo schema è necessario per ridurre al minimo le interferenze e migliorare la qualità del segnale.

Se guardiamo ai vantaggi di questi ultimi,

• Il vantaggio principale è la copertura direzionale.
• Offrono inoltre un'elevata scalabilità.
• Un altro vantaggio delle antenne settoriali è l'economicità e la facilità di installazione.

Tuttavia, uno svantaggio dell'uso di antenne settoriali è che sono necessarie più interfacce wireless e che le interferenze possono essere un problema.

Una connessione punto-punto necessita di un'antenna che diriga tutta l'energia a radiofrequenza (RF) in un'unica direzione. Il fattore limitante di questa antenna è principalmente la sua dimensione. Le antenne ad alto guadagno riducono la possibilità di interferenze con altri nodi o con le altre antenne dello stesso nodo, ma sono spesso di dimensioni notevoli.

Antenne a griglia/piatta parabolica: L'antenna parabolica è un dispositivo di alta precisione che utilizza un riflettore parabolico per focalizzare le onde radio su un punto specifico. Questa struttura le consente di ricevere e inviare segnali con un'elevata efficienza. Quando le onde radio colpiscono il disco, vengono riflesse verso il punto focale. La forma del disco è progettata in base a questa modalità. Le antenne paraboliche sono comunemente utilizzate nelle parabole satellitari, nei sistemi di comunicazione wireless e nei sistemi radar.  

Quando parliamo di vantaggi,

• Possono raggiungere un elevato guadagno grazie alla loro capacità di focalizzare l'energia elettromagnetica in un fascio stretto, il che li rende ideali per le comunicazioni a lunga distanza.
• Hanno un fascio altamente direzionale, che riduce al minimo le interferenze da sorgenti indesiderate.
• Inoltre, grazie al principio di reciprocità, può essere utilizzata sia come antenna trasmittente che come antenna ricevente.

Tuttavia, hanno diversi svantaggi,

• Possono essere costosi da produrre e acquistare.
• Hanno solo un'area di copertura limitata.
• Le antenne paraboliche devono essere allineate e puntate con precisione verso la sorgente desiderata.

Antenna patch: È una scelta popolare per le applicazioni dei lettori RFID. Prende il nome dal suo design a patch. È costituito da un patch metallico sospeso sul piano di massa, con componenti chiave quali patch radiante, substrato dielettrico, piano di massa e meccanismo di alimentazione.

Vediamo i vantaggi delle antenne Patch.

• Sono di dimensioni compatte.
• a basso profilo.
• Economicamente vantaggioso.

 Tuttavia, presentano anche alcuni limiti.

• Hanno un'efficienza inferiore, a causa delle perdite dielettriche e dei conduttori. Riducono il guadagno dell'antenna.
• Inoltre, hanno capacità di gestione della potenza limitate. Questo li rende meno ideali per le applicazioni ad alta potenza.

Finora abbiamo esplorato alcune nozioni di base sulle antenne WiFi, i loro parametri chiave e i loro tipi. Passiamo ora al confronto tra antenne WiFi esterne e interne.

Antenne WiFi esterne e interne

Le antenne WiFi sono disponibili in due configurazioni principali: interne ed esterne, ciascuna con i propri vantaggi e scenari di utilizzo. Per prima cosa analizziamo le antenne WiFi interne. Queste antenne WiFi sono integrate in dispositivi come router, computer portatili e cellulari. Le antenne WiFi interne non possono essere attaccate o staccate dal dispositivo, poiché sono incorporate nell'involucro del dispositivo stesso. Questi tipi di antenne sono progettati per risparmiare spazio e mantenere un buon aspetto del prodotto. Anche se possono essere meno potenti di alcune antenne esterne, i progressi tecnologici consentono a queste antenne di fornire buone prestazioni. Le antenne WiFi interne sono comunemente utilizzate nelle smart TV, nei dispositivi IoT e in alcuni prodotti elettronici di consumo. Un limite di queste antenne è che possono essere influenzate dall'involucro. Esistono diversi tipi di antenne WiFi interne, ciascuna progettata per svolgere compiti diversi. Le antenne a circuito stampato (PCB) sono direttamente incorporate nel dispositivo e offrono una soluzione economica e compatta per i dispositivi IoT e i cellulari. Le antenne a diversità utilizzano antenne multiple, utili per ridurre i disturbi del segnale in alcuni ambienti difficili. Come abbiamo già visto, le antenne a dipolo utilizzate internamente forniscono una copertura omnidirezionale bilanciata.

Le antenne WiFi esterne sono invece dispositivi progettati per migliorare la potenza del segnale e la portata di una rete WiFi e possono essere montate all'esterno del dispositivo. Le antenne esterne possono essere aggiunte o sostituite per migliorare la connettività. Vediamo alcune caratteristiche e vantaggi principali delle antenne WiFi esterne. Hanno la capacità di estendere l'area di copertura della rete WiFi. Queste antenne sono utili per ridurre i punti morti. Le antenne esterne sono disponibili in diversi tipi, tra cui direzionali e omnidirezionali. Molte antenne esterne sono regolabili e ruotabili. Sono utilizzate in diversi dispositivi, tra cui router, access point e adattatori WiFi. Possono essere montate su pareti, soffitti e scrivanie. In generale, le antenne WiFi esterne sono una soluzione pratica per migliorare la connettività wireless.

Le antenne WiFi interne ed esterne offrono pro e contro distinti e servono a scopi diversi. Capire la differenza tra loro aiuta a scegliere l'opzione migliore per una buona connessione. Ora diamo un'occhiata alle antenne WiFi MIMO multipolarizzate.

Antenna WiFi MIMO multipolarizzata

Prima di esaminare le antenne MIMO, diamo un'occhiata alla polarizzazione. Immaginate un'onda radio che si muove nell'aria come una serie di increspature che si muovono nell'acqua. Se queste increspature si muovono verso l'alto e verso il basso, si parla di polarizzazione verticale, mentre se si muovono da un lato all'altro, si parla di polarizzazione orizzontale. Affinché le antenne possano captare i segnali in modo efficiente, la loro polarizzazione deve corrispondere al segnale. È qui che le antenne MIMO (Multiple Input and Multiple Output) sono utili. Esse utilizzano più antenne per gestire più percorsi di segnale contemporaneamente. Con l'aiuto di più trasmettitori e ricevitori, le antenne MIMO consentono ai dispositivi di inviare e ricevere dati in modo più efficiente. Se parliamo di antenne MIMO, dobbiamo anche verificare le antenne SISO (single input, single output). Le antenne SISO hanno solo un trasmettitore e un ricevitore. Possono ricevere e inviare dati solo uno alla volta. Questo può limitare la velocità e l'affidabilità. Se si desidera la migliore velocità di trasmissione dei dati, le antenne WiFi MIMO sono sempre la scelta migliore.

Conclusione

Per concludere, se volete ottimizzare le prestazioni della vostra rete, dovete scegliere l'antenna WiFi giusta per la rete. I diversi tipi di antenne hanno scopi diversi. Le antenne interne sono adatte per l'uso quotidiano in piccoli dispositivi, mentre le antenne esterne offrono la migliore copertura e flessibilità per spazi più ampi. Se avete bisogno di una connessione affidabile e più veloce, le antenne MIMO sono la scelta migliore. Scegliendo l'antenna WiFi giusta per la vostra rete WiFi e per le vostre esigenze, potrete migliorare la copertura del segnale WiFi, ridurre le interferenze esterne e godere di una connessione più fluida e stabile.