Che cos'è un'antenna a pannello?

La comunicazione wireless si è sviluppata a passi da gigante negli ultimi tempi. Oggi sul mercato è disponibile un'ampia gamma di antenne per diverse applicazioni. Le antenne a pannello sono un tipo di antenna utilizzata per ottenere una potenza e una direzione del segnale ottimali. Fondamentalmente, un'antenna a pannello è costituita da un dipolo posto davanti a un riflettore piatto e viene utilizzata in molte applicazioni, dalle reti cellulari alla banda larga wireless. Le antenne a pannello sono versatili grazie al loro design minimalista e alla loro capacità di essere utilizzate sia per applicazioni fisse che portatili, sia in ambienti interni che esterni.

In questo articolo vi forniamo una comprensione completa della loro definizione di base, degli aspetti progettuali dettagliati, dei principi operativi, delle caratteristiche principali, degli usi, dei tipi, del confronto con altre antenne e delle linee guida per l'installazione.

Progettazione e struttura dell'antenna a pannello

Il progetto e la struttura di un'antenna a pannello dipendono da diversi fattori, come la gamma di frequenze, il guadagno e l'ampiezza del fascio, polarizzazione, e adattamento dell'impedenza. Le antenne a pannello possono avere diversi design, come antenne patch, antenne a microstriscia, antenne a slot, ecc. Alcuni dei materiali più comunemente utilizzati per il substrato sono FR-4, Rogers e Teflon. Quando si determinano il progetto e la struttura di un'antenna a pannello, è necessario considerare anche fattori ambientali come la durata, la resistenza agli agenti atmosferici e le opzioni di montaggio. Le antenne a pannello sono costituite da più elementi o pannelli per la trasmissione o la ricezione di segnali in una direzione specifica, disposti a griglia. In genere hanno una forma rettangolare o quadrata che crea una superficie più ampia e contribuisce ad aumentare il guadagno dell'antenna. Il design compatto e minimalista le rende versatili per molti casi d'uso.

Come funzionano le antenne a pannello

Le antenne a pannello sono costituite da più elementi radianti disposti in un array specifico in un pannello piatto e questi elementi sono collegati a una rete di alimentazione per fornire potenza all'antenna. Gli elementi radianti di un'antenna a pannello sono generalmente di forma rettangolare o quadrata e le prestazioni complessive e la direzionalità dell'antenna dipendono dalla disposizione e dalla configurazione degli elementi radianti.

Caratteristiche principali delle antenne a pannello

Copertura direzionale

Le antenne a pannello hanno generalmente un'ampiezza di fascio ridotta e quindi irradiano e ricevono segnali in una direzione specifica. Questo è un antenna altamente direzionale focalizzando la trasmissione e la ricezione del segnale in un'area specifica. Per questo motivo, le antenne a pannello sono ampiamente utilizzate nei sistemi di comunicazione wireless punto-punto e punto-multipunto. L'area di copertura di un'antenna a pannello è inferiore a causa della sua elevata direzionalità. Per coprire un'area di copertura di 360 gradi è necessario distribuire più antenne a pannello. Tuttavia, grazie all'elevata direttività e alla stretta larghezza del fascio, sono in grado di trasmettere e ricevere segnali su lunghe distanze.

Guadagno elevato

Poiché le antenne a pannello hanno un'apertura di fascio stretta e focalizzata su una regione specifica, il guadagno delle antenne a pannello è solitamente più elevato. Tuttavia, è possibile trovare antenne a pannello con un guadagno da 6-10 dB a circa 23 dB. L'elevato guadagno delle antenne a pannello le rende più resistenti alle interferenze e quindi ideali per i sistemi di comunicazione punto-punto anche a lunga distanza.

Larghezza di fascio

Le antenne a pannello sono generalmente altamente direzionali e quindi hanno una larghezza di fascio stretta e focalizzata. Ciò consente alle antenne a pannello di trasmettere e ricevere segnali su distanze maggiori con interferenze minime. Inoltre, l'ampiezza di fascio stretta e altamente focalizzata garantisce una potenza del segnale elevata, costante e affidabile. Tuttavia, a causa della larghezza di fascio ridotta, le antenne a pannello sono in grado di fornire una copertura solo in una direzione limitata e specifica.

Opzioni di polarizzazione

Le antenne a pannello sono disponibili in diverse polarizzazioni per soddisfare vari requisiti di prestazione. Le antenne a pannello possono avere una polarizzazione verticale, orizzontale o una combinazione dei due. Nella polarizzazione verticale, il campo elettrico è orientato verticalmente e questa è la modalità di polarizzazione più comune utilizzata nei sistemi di comunicazione tradizionali. Nella polarizzazione orizzontale, il campo elettrico è orientato orizzontalmente e viene utilizzato quando è necessario evitare interferenze con i sistemi polarizzati verticalmente. Nella polarizzazione doppia o combinata, l'antenna supporta sia la polarizzazione orizzontale che quella verticale oppure supporta la polarizzazione con un angolo specifico. Questo tipo di polarizzazione è comunemente utilizzato per i sistemi MIMO (Ingresso multiplo Uscita multipla).

Design compatto

Le antenne a pannello hanno generalmente un design molto semplice e minimalista. A differenza di Antenne YagiLe antenne a pannello sono meno ingombranti. Il loro design piatto e compatto ne facilita l'installazione e occupa meno spazio. Il design delle antenne a pannello riduce la dipendenza da parti meccaniche e quindi l'usura. Le antenne a pannello sono anche stampate come circuiti stampati e possono essere utilizzate anche in dispositivi elettronici di piccole dimensioni.

Facilità di installazione

Grazie al design compatto, le antenne a pannello sono facili da installare e montare nella maggior parte degli ambienti. Il design snello delle antenne a pannello fa sì che possano integrarsi perfettamente in qualsiasi ambiente senza essere invadenti. Le antenne a pannello sono disponibili come dispositivi plug-and-play e sono quindi molto più comode da installare rispetto alle antenne tradizionali.

Versatilità

Le antenne a pannello sono estremamente versatili, in quanto possono essere prodotte per funzionare con un'ampia varietà di gamme di frequenza, guadagni, polarizzazioni, ecc. Il loro design compatto consente inoltre di installarle facilmente in applicazioni interne o esterne. Le antenne a pannello possono essere utilizzate come antenna singola o come array di antenne a pannello, a seconda del caso d'uso. La capacità di adattarsi e personalizzarsi in base al caso d'uso rende le antenne a pannello estremamente utili nei sistemi di comunicazione.

Uso interno ed esterno

Le antenne a pannello possono essere utilizzate sia per applicazioni interne che esterne. Oggi sono disponibili sul mercato antenne a pannello costruite specificamente per applicazioni interne o esterne. Le antenne a pannello per interni sono solitamente montate a parete o posizionate su superfici piane come scrivanie o scaffali. Hanno una forma tipicamente rettangolare e sono dotate di antenne interne multiple che consentono di ricevere e trasmettere segnali in una direzione specifica. Un'applicazione comune delle antenne a pannello per interni è quella dei ripetitori di segnale all'interno degli edifici per migliorare la potenza e la qualità del segnale. Le antenne a pannello per esterni sono progettate per essere montate all'aperto per migliorare la potenza del segnale e la copertura di una rete wireless. Grazie alla loro larghezza di fascio ridotta, sono più tolleranti alle interferenze e sono comunemente utilizzate nei sistemi di comunicazione wireless come Wi-Fi, cellulari, RFID, ecc. Le antenne a pannello per esterni sono generalmente montate su superfici come tetti, pali e pareti. Le antenne a pannello per esterni sono costruite in modo da essere più durevoli e resistenti alle condizioni atmosferiche più avverse senza perdere le loro prestazioni.

Gamma di frequenza

Le antenne a pannello possono operare su un'ampia gamma di frequenze, rendendole versatili per diverse applicazioni. La loro capacità di focalizzare i segnali ad alta frequenza in direzioni specifiche migliora le prestazioni dell'antenna. Alcune delle bande di frequenza comuni per le antenne a pannello sono 2,4 GHz, utilizzata per le reti WiFi (IEEE 802.11b/g/n) e altre applicazioni ISM (industriali, scientifiche e mediche), 5GHz, utilizzata per le reti WIFI (IEEE 802.11a/n/ac/ax) e altre applicazioni ad alta frequenza, 6 GHz, utilizzata per le reti Wi-Fi (IEEE 802.11ax e 802.11be) e 24 GHz e oltre, generalmente utilizzata per le applicazioni 5G a onde millimetriche.

A cosa serve un'antenna a pannello?

Come si è detto nel corso dell'articolo, le antenne a pannello sono versatili e quindi vengono utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni. Di seguito sono illustrati alcuni casi d'uso.

Comunicazione cellulare

Le antenne a pannello sono collocate nelle stazioni base cellulari per fornire copertura a un'area specifica. Di solito sono montate su torri o edifici e vengono puntate nella direzione in cui è necessaria la copertura. Grazie all'elevato guadagno e all'alta direzionalità delle antenne a pannello, la stazione base sarà in grado di fornire una copertura forte e costante agli utenti di quell'area. Le antenne a pannello sono in grado di trasmettere e ricevere segnali tra le stazioni base con un'elevata qualità e precisione grazie alla larghezza del fascio focalizzato.

Reti WiFi

Le antenne a pannello sono utilizzate nelle reti WiFi per fornire connettività agli utenti in un'area specifica. Sono utilizzate nelle connessioni punto-multipunto per trasmettere e ricevere dati su lunghe distanze. Con le antenne a pannello, il segnale può essere focalizzato in una direzione specifica e quindi può fornire una migliore larghezza di banda, una maggiore potenza del segnale, una connettività efficiente e affidabile per la rete WiFI. È possibile utilizzare più antenne a pannello per reti WiFi in aree di copertura più ampie. Montando le antenne a pannello in una posizione elevata, gli utenti saranno in grado di ricevere il segnale WiFi in modo costante senza molte ostruzioni, garantendo così una connettività di alta qualità.

Comunicazione punto a punto

Questa è una delle principali applicazioni delle antenne a pannello. Le antenne a pannello sono utilizzate per stabilire connessioni punto-punto tra due luoghi, come ad esempio tra due edifici all'interno di un campus, nei collegamenti di backhaul tra due stazioni base, ecc. Le caratteristiche principali delle antenne a pannello, come l'elevata direzionalità, l'alto guadagno e la larghezza di fascio ridotta, le rendono ideali per queste applicazioni punto-punto.

Trasmissione

Le antenne a pannello sono utilizzate per la radiodiffusione grazie al loro elevato guadagno e alla loro direttività. Le antenne a pannello sono in grado di sopportare un maggior numero di interferenze e di trasmettere segnali in un'ampia banda di frequenza, il che le rende ideali per le reti di trasmissione. È possibile utilizzare più antenne a pannello per fornire una copertura di trasmissione a un'area più ampia.

Reti di sicurezza pubblica

Le antenne a pannello possono essere utilizzate per i sistemi di sicurezza pubblica e di pronto intervento. Sono in grado di fornire una copertura per una vasta area e quindi di facilitare una comunicazione coerente anche in ambienti remoti o difficili. Le antenne a pannello sono ideali per le comunicazioni a lunga distanza e per fornire un'elevata tolleranza alle interferenze richieste in queste reti di sicurezza pubblica.  

Applicazioni dell'Internet degli oggetti (IoT)

Le antenne a pannello sono disponibili in bande di frequenza elevate e sono utili nelle applicazioni IoT in quanto consentono una comunicazione affidabile e veloce. Il loro design compatto e la facilità di installazione e manutenzione le rendono ideali per le applicazioni IoT.

Tipi di antenne a pannello

Antenna a schermo piatto

Sono note anche come antenne patch panel. Queste antenne hanno una forma sottile e compatta e di solito hanno un dipolo posizionato davanti a un pannello riflettore piatto. Le antenne a pannello piatto sono leggere e possono essere facilmente montate su un'ampia gamma di superfici. Il loro design e la loro struttura semplice le rendono adatte ad applicazioni sia portatili che fisse. Questo tipo di antenna a pannello opera tipicamente a frequenze molto elevate ed è comunemente utilizzata nei sistemi di comunicazione wireless, come le reti Wi-Fi, per fornire una copertura direzionale su un'area specifica. Le antenne a pannello piatto sono in grado di facilitare una connessione di rete affidabile e ad alta velocità.

Antenna a pannello a settori

Un'antenna a pannello settoriale ha di solito un'ampiezza di fascio più stretta, tipicamente sul piano azimutale con un'ampiezza di fascio di 3 dB, che fornisce una direzionalità in settori o angoli specifici come 60, 90 o 120 gradi. Sono comunemente utilizzate nelle reti cellulari, soprattutto nelle stazioni base, per fornire copertura a un'area o a un settore specifico e sono per lo più utilizzate in applicazioni esterne. Nella loro struttura, sono antenne lunghe e strette con guadagni elevati e di solito consistono in un array di dipoli posizionati davanti a un riflettore. Le prestazioni dell'antenna dipendono dalle dimensioni e dalla forma del riflettore, nonché dall'altezza di installazione dell'antenna.

Antenna patch a microstriscia

Sono note anche come antenne patch. Le antenne patch panel a microstriscia sono tra le più piccole e compatte tra le antenne disponibili sul mercato. Queste antenne sono stampate su un substrato piatto costituito da un materiale dielettrico generalmente noto come PCB (Printed Circuit Boards). Grazie al loro design minimalista e alle dimensioni compatte, questi tipi di antenne sono utilizzati nella maggior parte dei dispositivi elettronici come telefoni cellulari, dispositivi GPS e sistemi di comunicazione wireless.

Vantaggi e svantaggi dell'antenna a pannello

Vantaggi

Copertura a lungo raggio: Le antenne a pannello hanno un'elevata direzionalità e possono quindi essere utilizzate per trasmettere e ricevere segnali su lunghe distanze.

Interferenze minime: L'elevata direzionalità e l'ampiezza del fascio focalizzato riducono al minimo l'interferenza di altri segnali. Ciò migliora le prestazioni complessive. In questo modo, la comunicazione è più veloce, stabile e costante.

Facilità di installazione: Grazie al design minimalista e compatto, è facile da installare e montare sulla maggior parte delle superfici. Le antenne a pannello stampate sono facili da integrare nei dispositivi elettronici. Le antenne a pannello sono disponibili anche come opzioni "plug and play" che ne facilitano l'installazione in diverse applicazioni.

Costo ridotto: Le antenne a pannello hanno un basso costo di fabbricazione e sono generalmente più facili da mantenere.

Versatilità: le antenne a pannello sono estremamente versatili in quanto possono essere prodotte e disponibili sul mercato in un'ampia gamma di frequenze e con diversi schemi di polarizzazione e radiazione. Le antenne a pannello possono essere utilizzate sia in ambienti interni che esterni, sia in applicazioni fisse che portatili.

Svantaggi

Area di copertura limitata: A causa della stretta larghezza del fascio, per coprire un'area di 360 gradi saranno necessarie più antenne a pannello.

Requisiti di allineamento: Quando le antenne a pannello vengono allineate, devono essere orientate in modo ottimale per ottenere le massime prestazioni e questo può richiedere competenze professionali. Il posizionamento, l'orientamento e l'allineamento sono fondamentali per ottimizzare le prestazioni di un'antenna a pannello.

Perdite di energia: Le antenne a pannello patch a microstriscia possono presentare perdite dielettriche e di conduttore durante la trasmissione del segnale.

Perché l'antenna a pannello è ideale per le applicazioni punto-punto

Le antenne a pannello sono spesso utilizzate nei sistemi di comunicazione punto-punto e sono progettate per trasmettere e ricevere segnali in una direzione specifica. Le antenne a pannello sono in grado di focalizzare il segnale in una direzione specifica grazie alla loro elevata direzionalità, all'alto guadagno e alla larghezza di fascio ridotta. Ciò consente di ottenere una migliore potenza del segnale e una connettività costante e affidabile nel sistema di comunicazione, rendendole ideali per i sistemi di comunicazione punto-punto. Grazie alla larghezza di fascio stretta, le antenne a pannello sono soggette a interferenze minime, utili anche nei sistemi di comunicazione punto-punto.

Antenna a pannello SISO vs antenna a pannello MIMO

Le antenne a pannello SISO utilizzano una singola antenna per la trasmissione e la ricezione di segnali e Antenne a pannello MIMO utilizzano più antenne contemporaneamente per la trasmissione e la ricezione del segnale. Le antenne a pannello SISO sono più semplici da usare e meno costose rispetto alle antenne a pannello MIMO. Anche l'elaborazione del segnale è molto più semplice nelle antenne a pannello SISO rispetto alle antenne a pannello MIMO.

Le antenne a pannello SISO sono generalmente utilizzate in applicazioni meno complesse in cui è necessario ridurre al minimo le dimensioni, il costo e la complessità del sistema, mentre le antenne a pannello MIMO sono utilizzate in applicazioni che richiedono un'elaborazione del segnale complessa e avanzata, elevate velocità di trasmissione dei dati, un'area di copertura elevata e una migliore qualità del segnale. Le antenne a pannello MIMO sono più efficienti e affidabili, ma sono molto più costose delle antenne a pannello SISO.

Pertanto, in base ai requisiti di prestazione dell'applicazione, è necessario decidere se sia meglio un'antenna a pannello SISO o un'antenna a pannello MIMO per il caso d'uso specifico.

Installazione e allineamento

Quando si installa un'antenna a pannello, occorre innanzitutto decidere la posizione più adatta. Nella scelta del luogo è importante considerare i fattori ambientali, come l'effetto del vento e la capacità dell'antenna di resistere alle condizioni atmosferiche, alla corrosione, ecc.

L'ideale è una posizione elevata con interferenze minime e una linea di vista libera. È inoltre importante assicurarsi che l'antenna a pannello sia montata su una superficie o una posizione sufficientemente stabile da sostenere l'antenna. Le antenne a pannello devono essere installate e configurate seguendo le linee guida del produttore, in quanto ogni antenna è diversa da un produttore all'altro. È fondamentale assicurarsi che l'antenna sia montata in modo sicuro e stabile, in modo che l'orientamento e il posizionamento rimangano stabili e costanti.

Durante il montaggio, i cavi devono essere fissati per evitare danni, disconnessioni o connessioni allentate. Infine, l'antenna deve essere testata per verificarne le prestazioni.

Differenza tra antenna a pannello e antenna Yagi

Comprensione antenna yagi vs antenna a pannello L'antenna a pannello e l'antenna Yagi sono entrambe antenne direzionali. Tuttavia, presentano alcune differenze fondamentali nella forma e nel design, nei parametri di prestazione e nelle applicazioni.

Le antenne a pannello sono generalmente piatte e di forma rettangolare, con un design molto semplice e minimalista. Hanno un pannello piatto con un elemento radiante all'interno. Le antenne Yagi sono composte da diversi elementi, tra cui un elemento guidato, un riflettore e uno o più direttori disposti in uno specifico schema lineare. Le antenne a pannello hanno una larghezza di banda molto più ampia e un guadagno inferiore rispetto alle antenne Yagi.

Tra questi due tipi di antenne, le antenne a pannello sono più adatte per applicazioni che richiedono un'area di copertura più ampia e le antenne Yagi per applicazioni che richiedono comunicazioni a lunga distanza. Le antenne a pannello sono più utilizzate in applicazioni interne, come le reti WiFi nelle case e negli uffici, mentre le antenne Yagi sono generalmente utilizzate in applicazioni esterne, come le stazioni base cellulari e la ricezione televisiva.

Differenza tra antenna a cupola e antenna a pannello

Le antenne a cupola sono antenne omnidirezionali mentre le antenne a pannello sono antenne direzionali e questa è la differenza principale. Le antenne a cupola sono utilizzate in applicazioni che richiedono la trasmissione e la ricezione dei segnali in un'area di copertura di 360 gradi. Le antenne a cupola hanno in genere un guadagno inferiore e un'ampiezza del fascio più ampia rispetto alle antenne a pannello. Possono essere utilizzate per fornire copertura ad aree aperte in modo uniforme in tutte le direzioni. Le antenne a pannello, invece, hanno un'ampiezza di fascio ridotta e un guadagno più elevato che le rende adatte a fornire copertura a un'area mirata. Le antenne a cupola sono soggette a maggiori interferenze durante la comunicazione rispetto alle antenne a pannello.

Conclusione

Le antenne a pannello sono una delle antenne più versatili disponibili per i moderni sistemi di comunicazione. Le antenne a pannello hanno un elevato guadagno e un'alta direttività che le rendono ideali per i sistemi di comunicazione punto-punto e per le comunicazioni a lungo raggio. Le antenne a pannello sono solitamente piatte e di forma rettangolare o quadrata e il loro design semplice e compatto ne consente l'utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni, dai piccoli dispositivi elettronici alle stazioni base cellulari. Le antenne a pannello possono essere utilizzate come antenne singole o come antenne multiple in configurazione MIMO, in base alle prestazioni richieste da un'applicazione.

La comprensione del design, delle caratteristiche, dell'installazione e del principio di funzionamento delle antenne a pannello sarà fondamentale per ottenere le prestazioni ottimali di un'antenna a pannello. Con il continuo progresso tecnologico, l'utilità delle antenne a pannello per mantenere una solida infrastruttura di comunicazione rimane significativa.