Che cos'è un'antenna passiva? Guida completa

Le antenne passive, semplici ma efficienti nel loro design, sono in grado di ricevere e trasmettere segnali se opportunamente configurate, basandosi interamente sul loro design strutturale senza alimentazione esterna. Questo articolo ne analizza le considerazioni progettuali, le gamme di frequenza operativa e i vantaggi rispetto alle antenne attive. Elaborando questi concetti fondamentali relativi alle antenne passive, l'articolo si propone di aiutare gli utenti a prendere decisioni informate sulla scelta delle antenne passive sia per gli usi quotidiani che per quelli specialistici.

Conoscere le antenne passive

Le antenne passive funzionano senza bisogno di una fonte di alimentazione esterna, poiché non utilizzano amplificatori di segnale integrati. Interamente dipendenti dal loro design strutturale, queste antenne sono soluzioni semplici ma efficienti per la trasmissione del segnale in una varietà di applicazioni che vanno dalla ricezione televisiva alla communicazione satellitare.

A differenza di antenne attive Le antenne passive, che utilizzano componenti attivi come diodi a cristallo, transistor e diodi a fascio, impiegano i loro elementi d'antenna come loop e dipoli per una trasmissione efficace. Quando un segnale elettromagnetico passa attraverso i suoi elementi, induce una corrente alternata che viene trasmessa a un dispositivo di ricezione collegato per un'ulteriore elaborazione. Il segnale CA indotto corrisponde all'informazione che trasporta e, poiché l'antenna è progettata per risuonare a intervalli di frequenza prestabiliti, è in grado di gestire solo le frequenze previste, rifiutandone altre. Le antenne passive possono trasmettere segnali quando sono collegate a un trasmettitore, convertendo i segnali elettrici in onde elettromagnetiche per la propagazione.

Anche se le antenne passive possono essere soggette a interferenze in ambienti difficili, la loro semplicità di progettazione riduce al minimo problemi come l'intermodulazione.

Tipi di antenne passive

Esiste un'ampia gamma di antenne passive, ognuna delle quali è stata progettata per rispondere a specifici requisiti di comunicazione wireless. Di seguito sono riportati alcuni tipi di common:

• Antenna a pannello

Queste antenne sono caratterizzate da una forma piatta, rettangolare e simile a un pannello. Poiché queste antenne producono un fascio di segnali a radiofrequenza direzionale, sono in grado di gestire applicazioni che richiedono una distribuzione mirata del segnale. Le antenne a pannello sono tipicamente utilizzate per formare connessioni punto-punto e multi-punto nelle stazioni base cellulari e nelle reti Wi-Fi in presenza di un'elevata densità di utenti, per ottenere prestazioni di rete ottimali e ridurre le interferenze.

• Antenna Yagi

L'antenna Yagi o Yagi - Uda è costituita principalmente da un elemento guidato, un riflettore e una serie di direttori, tutti disposti in modo perpendicolare per formare un elemento lungo. Questa configurazione consente alle antenne Yagi di creare un diagramma di radiazione altamente direzionale. La direzionalità offre un guadagno eccellente in una direzione, mantenendo al minimo i disturbi indesiderati. Poiché le antenne Yagi eccellono per direzionalità e capacità di guadagno superiore, vengono utilizzate per le trasmissioni televisive in ambienti rurali e per le attività di communicazione wireless a lungo raggio.

• Antenna a settore

Le antenne a settore forniscono una copertura su un settore angolare che di solito va da 60 a 180 gradi. Ciò consente ai fornitori di servizi di combinare più antenne di questo tipo per ottenere una copertura a 360 gradi. Queste antenne eccellono nel fornire una migliore distribuzione del segnale in aree mirate e sono quindi utilizzate nelle reti cellulari, nelle stazioni base e nelle reti Wi-Fi. In confronto, le antenne Sector forniscono una larghezza di fascio più ampia rispetto alle antenne Yagi e in genere hanno un guadagno paragonabile o leggermente inferiore alle antenne a pannello, a seconda del loro design.

• Antenna a dipolo

Queste antenne hanno un design tra i più semplici, che consiste in due elementi conduttivi posizionati al centro con la linea di alimentazione posta a un punto centrale equidistante. Con un diagramma di radiazione toroidale e un guadagno moderato, queste antenne sono tipicamente utilizzate nelle applicazioni radio FM/AM, nelle antenne televisive e in vari sistemi di communicazione. Inoltre, l'antenna a dipolo viene spesso utilizzata come punto di partenza per progetti molto più complessi, come il dipolo ripiegato e il log period.

• Antenna monopolare

Un'antenna monopolare consiste in un conduttore a forma di tondino montato su un piano di massa conduttivo, che è fondamentale per formare il diagramma di radiazione desiderato e garantire una trasmissione efficiente del segnale. Pertanto, questo tipo di antenna può essere considerato anche come un'antenna semidipolare montata su una superficie conduttiva. Semplici e compatte nel loro design, queste antenne forniscono una copertura uniforme in tutte le direzioni orizzontali. Ciò le rende un'ottima scelta per le commomunicazioni mobili, i sistemi di commomunicazione per veicoli e le applicazioni a bassa frequenza.

• Antenna PCB

Le antenne per circuiti stampati (PCB) sono direttamente integrate nella scheda PCB. Pertanto, queste antenne sono la scelta ideale per le applicazioni in cui lo spazio è limitato. L'assenza di costi di produzione aggiuntivi rende le antenne PCB un'ottima soluzione economica per diverse applicazioni, tra cui dispositivi IoT, smartphone, router Bluetooth e Wi -Fi.

Considerazioni sulla progettazione di antenne passive

La progettazione di un'antenna passiva, simile a quella di un'antenna attiva, comprende molti aspetti che influenzano le prestazioni e l'efficienza dell'antenna. Di seguito sono elencate alcune caratteristiche importanti da considerare nella progettazione di antenne passive:

• Tipo di applicazione: Stazionaria o mobile

L'applicazione prevista gioca un ruolo importante nella progettazione dell'antenna. Le antenne stazionarie, come quelle delle stazioni radio base, si concentrano su stabilità, robustezza ed elevato guadagno. D'altro canto, le antenne mobili, come quelle posizionate sulle automobili o sui telefoni cellulari, devono essere leggere e piccole e avere un diagramma di radiazione più ampio per mantenere una migliore connettività in diverse direzioni e situazioni.

• Uso interno ed esterno

Le antenne per interni sono progettate per essere esteticamente gradevoli, pur mantenendo al minimo il rischio di interferenze. Essendo protette dagli elementi ambientali, non necessitano di materiali robusti. Le antenne per esterni, invece, devono resistere a sollecitazioni ambientali come vento, pioggia ed esposizione ai raggi UV. Pertanto, devono essere dotate di involucri protettivi con materiali resistenti alla corrosione.

• Numero di dispositivi supportati

Le antenne progettate per gestire più dispositivi devono gestire più traffico e mantenere l'integrità del segnale. Ad esempio, le antenne dei router Wi-Fi utilizzano tecnologie come MIMO (Multiple Input Multiple Output) per fornire simultaneamente il segnale a più dispositivi. Al contrario, le antenne per un singolo dispositivo, come quelle utilizzate nei telecomandi, sono progettate in modo più modesto.

• Strategie di riduzione della perdita di segnale

La riduzione al minimo della perdita di segnale è una caratteristica essenziale nella progettazione di antenne passive. Un'opzione è l'impiego di antenne direzionali che producono un guadagno maggiore senza richiedere un'amplificazione aggiuntiva. Una strategia alternativa consiste nel passare dai tradizionali cavi coassiali ai cavi in fibra ottica. Poiché le fibre ottiche sono in grado di coprire lunghe distanze con una perdita di segnale minima, sono perfette per le applicazioni che richiedono un cablaggio esteso.

Componenti chiave nella progettazione di antenne passive

Il buon funzionamento delle antenne passive dipende da diversi componenti chiave. Alcuni dei componenti chiave nella progettazione di antenne passive sono i seguenti:

• Elemento radiante

L'elemento radiante è il cuore della progettazione di un'antenna passiva. L'elemento radiante è responsabile della generazione e dell'assorbimento delle onde elettromagnetiche. È calibrato sulla frequenza operativa del sistema e ottimizzato in termini di dimensioni e materiali per ottenere la massima efficienza. La forma dell'elemento radiante, come un dipolo, un monopolo o un patch, non solo determina il diagramma di radiazione dell'antenna, ma anche la polarizzazione e il guadagno.

• Stazione base

La stazione base funge da nodo centrale che collega le antenne a strutture di comunicazione più grandi. Sebbene non sia un componente diretto del progetto dell'antenna, la stazione base è in grado di garantire interscambi di segnale impercettibili, fornendo prestazioni affidabili e costanti sia per le applicazioni mobili che per quelle fisse.

• Piano di terra

I piani di massa sono realizzati appositamente per gestire la gamma di frequenze e l'applicazione previste per l'antenna. È responsabile di migliorare la direttività e l'efficienza dell'elemento radiante dell'antenna riflettendo le onde elettromagnetiche. Inoltre, nelle antenne monopolari, il piano di massa completa il percorso della corrente, migliorando il modello di radiazione.

• Linea di alimentazione

Le linee di alimentazione fungono da collegamento tra l'antenna, il trasmettitore e il ricevitore e facilitano la trasmissione del segnale, garantendo al contempo una perdita minima del segnale. Anche se i cavi coassiali sono utilizzati esclusivamente come linee di alimentazione, per progetti compatti come le antenne per circuiti stampati si utilizzano invece linee a microstriscia. L'adattamento dell'impedenza tra la linea di alimentazione e l'antenna consente di ridurre al minimo la riflessione di potenza, garantendo un trasferimento efficiente dell'energia.

Applicazioni delle antenne passive

La semplicità, l'economicità e la durata attribuite alle antenne passive ne fanno un uso diffuso in diversi settori. Alcune delle sue applicazioni più diffuse sono le seguenti:

• Telecommelecomunicazioni e radiodiffusione

Nelle reti mobili, gli array di antenne passive sono utilizzati con le torri cellulari per la copertura di vaste aree, per garantire una trasmissione e una ricezione affidabili del segnale. Analogamente, i sistemi Wi-Fi utilizzano antenne passive compatte, come i dipoli, per fornire accesso wireless a Internet in case, uffici e spazi pubblici. Nel settore delle trasmissioni radiotelevisive, le antenne Yagi sono ampiamente utilizzate per ricevere i segnali televisivi terrestri, offrendo un guadagno e una direzionalità eccellenti.

• Satellite Communicazione

Le antenne paraboliche sono utilizzate esclusivamente nelle stazioni di terra per la communicazione satellitare, per garantire alta direttività e guadagno. Le antenne passive compatte sono incorporate nei dispositivi GPS, per aiutare la navigazione degli utenti con dati precisi sulla posizione. Inoltre, anche i satelliti per il monitoraggio meteorologico utilizzano antenne passive per la trasmissione di informazioni meteorologiche alle stazioni di terra, al fine di supportare previsioni meteo e studi climatici accurati.

• IoT e dispositivi intelligenti

La crescita dell'Internet of Things (IoT) ha aumentato in modo significativo la domanda di antenne passive compatte ed efficienti. Smartwatch, fitness tracker e sistemi di smart home si affidano spesso ad antenne PCB e monopolari per consentire la connettività attraverso i protocolli Bluetooth, Wi-Fi o Zigbee. Per le applicazioni IoT industriali, le antenne passive sono utilizzate per trasmettere dati tra macchinari e sistemi centralizzati, migliorando l'affidabilità delle prestazioni e ottimizzando i processi.

• Applicazioni automobilistiche

Le antenne passive vengono impiegate nei sistemi di accesso senza chiave, consentendo una communicazione sicura tra il veicolo e il portachiavi. Inoltre, le tecnologie emergenti come la communicazione Vehicle-to-Everything (V2X) utilizzano queste antenne per facilitare l'interazione tra veicoli, infrastrutture e pedoni, migliorando la sicurezza stradale e la gestione del traffico.

Da LF a UHF: capire la versatilità delle antenne passive

Un'antenna passiva si comporta in modo diverso e svolge ruoli diversi in diverse gamme di frequenza. Le frequenze basse, medie e alte coprono un'ampia gamma di bande e la progettazione e la qualità di questa antenna passiva dipendono dalla banda. Di seguito viene fornito un riepilogo delle caratteristiche dell'antenna passiva, delle gamme di frequenza di lavoro per le bande LF, MF, HF, VHF, UHF e microonde e delle applicazioni per ciascuna banda:

• Bassa frequenza (LF) e media frequenza (MF):

Le bande LF e MF, che operano nell'intervallo da 30 kHz a 3 MHz, sono note per le loro lunghezze d'onda, che richiedono l'uso di grandi strutture d'antenna per ottenere prestazioni efficaci. Sebbene queste frequenze non siano ideali per i dispositivi compatti, eccellono nella comunicazione a lungo raggio grazie alla loro capacità di percorrere grandi distanze con perdite minime. Le antenne MF sono utilizzate principalmente nei sistemi di navigazione marittima e aeronautica, come i fari non direzionali (NDB), che aiutano la navigazione a lunga distanza sull'acqua e su terreni difficili. La loro capacità di propagarsi sulla superficie terrestre con un'attenuazione minima le rende essenziali per le applicazioni critiche per la sicurezza, dove la communicazione affidabile è fondamentale su aree estese.

• Alta frequenza (HF):

Le bande HF, che vanno da 3 MHz a 30 MHz, sono famose per la loro capacità di facilitare la communicazione a lungo raggio, soprattutto grazie alla riflessione dei segnali sulla ionosfera. Questa caratteristica permette ai segnali di viaggiare ben oltre la linea di vista, consentendo una communicazione globale. Le bande HF trovano ampia applicazione nelle trasmissioni internazionali, nei radioamatori e nella communicazione militare, dove la connettività a lunga distanza è essenziale senza la necessità di sistemi satellitari. La capacità unica di riflettere la ionosfera rende le antenne HF, come i dipoli o gli array Yagi-Uda, adatte alla propagazione delle onde del cielo, che è particolarmente vantaggiosa per la communicazione a distanza e la trasmissione ad alta frequenza.

• Altissima frequenza (VHF) e Ultra alta frequenza (UHF):

Le frequenze VHF (da 30 MHz a 300 MHz) e UHF (da 300 MHz a 3 GHz) consentono la communicazione in linea di vista perché le lunghezze d'onda più corte facilitano la progettazione di antenne più compatte. In queste gamme di frequenza, le antenne tendono a essere più piccole e più efficienti per le applicazioni mobili, compresi i dispositivi palmari. Le bande VHF sono spesso utilizzate nelle trasmissioni radiofoniche FM, nelle trasmissioni televisive e nei sistemi di controllo del traffico aereo, dove la communicazione a raggio moderato e la resistenza al rumore atmosferico sono essenziali. Le bande UHF svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di communicazione contemporanei, come le trasmissioni televisive, il GPS, i telefoni cellulari e le reti Wi-Fi. Le antenne UHF offrono una maggiore larghezza di banda, consentendo velocità di trasferimento dei dati e connessioni più affidabili nelle reti digitali di communicazione e nelle reti mobili.

• Bande a microonde (da 3 GHz a 300 GHz):

Le frequenze a microonde richiedono l'uso di antenne altamente direzionali, come le parabole e le antenne a tromba, perché possono trasmettere segnali su lunghe distanze con perdite minime. Queste frequenze svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi radar, nella communicazione satellitare e nella trasmissione di dati ad alta capacità tramite relè radio a microonde. Le microonde sono particolarmente utili negli scenari che richiedono una comunicazione punto-punto, come i sistemi satellitari, i radar militari e le telecomunicazioni avanzate. L'elevata direttività e la capacità di trasmettere grandi volumi di dati rendono le antenne a microonde essenziali per i sistemi di communicazione sia civili che della difesa.

Antenna passiva vs antenna attiva

Mentre le antenne passive si limitano a trasmettere i segnali ricevuti al ricevitore, le antenne attive sono dotate di un amplificatore a basso rumore (LNA) integrato che migliora la potenza del segnale. La decisione di utilizzare un tipo di antenna piuttosto che un altro dipende da vari fattori, tra cui la potenza del segnale, la lunghezza del cavo, la disponibilità di energia e le esigenze specifiche dell'applicazione. Di seguito è riportata una tabella comparativa che illustra le principali differenze tra antenne passive e attive.

Abbinare le vostre esigenze con il giusto tipo di antenna

La scelta di un tipo di antenna appropriata, attiva o passiva, è una decisione molto importante per garantire le massime prestazioni dell'applicazione. Riconoscere le differenze tra queste due forme aiuterà a prendere una decisione consapevole.

Le antenne passive sono dispositivi semplici che consistono unicamente in un elemento progettato per ricevere segnali senza alcun circuito di amplificazione aggiuntivo. Non necessitano di un'alimentazione esterna perché non sono dotate di componenti integrati come gli amplificatori a basso rumore (LNA). Le antenne passive sono solitamente utilizzate quando l'antenna può essere portata vicino al ricevitore, dove l'attenuazione del segnale è ridotta al minimo. Questa semplicità si traduce spesso in costi inferiori e consumi ridotti, rendendo le antenne passive adatte ad applicazioni con cavi di breve durata e ambienti in cui la potenza del segnale è adeguata.

Le antenne attive, invece, incorporano un LNA integrato che amplifica il segnale ricevuto prima di trasmetterlo al ricevitore. Questa amplificazione compensa la degradazione del segnale che può verificarsi su lunghe tratte di cavo o in ambienti con interferenze significative. Le antenne attive necessitano di un'alimentazione per l'amplificatore, di complessità e di possibili guasti, ma possono rappresentare un enorme miglioramento della qualità del segnale in condizioni difficili. Sono particolarmente utili in situazioni in cui l'antenna può essere collocata a grande distanza dal ricevitore o in presenza di una forte attenuazione del segnale.

La lunghezza dei cavi, il rumore ambientale, la disponibilità di energia e la complessità del sistema devono essere presi in considerazione nella scelta tra antenne passive e attive. Per le installazioni con lunghe tratte di cavo e/o forti interferenze, un'antenna attiva può fornire il potenziamento del segnale richiesto e mantenere le prestazioni in linea con gli standard. D'altra parte, per le reti con cavi di lunghezza ridotta e basse interferenze, possono prevalere i vantaggi di semplicità e robustezza dell'antenna passiva.

In generale, nella scelta dell'antenna è necessario considerare i compromessi tra la semplicità e l'economicità delle antenne passive e le prestazioni e la complessità delle antenne attive, confrontando i due approcci per determinare il tipo di antenna più appropriato per una determinata applicazione. Valutando attentamente i requisiti della vostra applicazione, sarete in grado di decidere il tipo di antenna corretto da utilizzare.

Conclusione

Le antenne passive forniscono soluzioni versatili per un'ampia gamma di applicazioni, il che le rende un elemento chiave della communicazione wireless moderna. Anche se dipendono esclusivamente dalla loro struttura per la trasmissione del segnale, le loro applicazioni vanno dalla facilitazione delle trasmissioni globali all'abilitazione di dispositivi IoT compatti. Adattando il loro design a requisiti e ambienti specifici, le antenne passive continuano a essere una soluzione vitale e adattabile per il progresso della connettività wireless.