Che cos'è un'antenna attiva? La guida completa

La tecnologia delle antenne si è evoluta in modo significativo con le antenne attive, che integrano componenti elettronici attivi, tra cui amplificatori, filtri e unità di elaborazione del segnale, per fornire prestazioni migliori. Le antenne attive sono più efficaci in situazioni in cui la potenza del segnale è un problema, perché utilizzano l'elettronica integrata per migliorare i segnali, a differenza delle antenne passive, che utilizzano solo il loro design fisico per catturare i segnali.

Le antenne attive consentono di ricevere efficacemente il segnale in una gamma di frequenze più ampia grazie agli amplificatori integrati; tuttavia, il potenziamento supplementare può causare l'invio di un segnale a una potenza di uscita superiore a quella consentita. Per questo motivo le antenne attive sono solitamente utilizzate per ricevere segnali e non per trasmetterli. Inoltre, poiché alcune antenne direzionali aggiungono già un guadagno incorporato, il guadagno supplementare di un'antenna attiva può essere inutile e persino dannoso per alcuni sistemi. Questo articolo esplora i tipi, le funzioni, i vantaggi, gli usi e le difficoltà delle antenne attive. Le confronta inoltre con le antenne passive e include casi di studio pertinenti.

Che cos'è un'antenna attiva e come funziona?

Un'antenna attiva è un dispositivo che amplifica o modifica i segnali fondendo l'architettura dell'antenna convenzionale con componenti elettronici attivi. L'antenna può fare di più che ricevere e trasmettere segnali grazie all'incorporazione di componenti attivi come processori di segnale o amplificatori a basso rumore (LNA).

L'amplificatore è un componente di un'antenna attiva. Grazie a questo amplificatore, che rafforza i segnali RF che l'antenna riceve, è possibile ottenere un cavo più lungo senza sacrificare la qualità del segnale. Inoltre, l'amplificatore migliora il rapporto segnale/rumore amplificando i segnali desiderati in modo più efficace, spesso in combinazione con un filtro per ridurre al minimo le interferenze. Per questo motivo, le antenne attive sono perfette per l'uso in luoghi come città o fabbriche in cui sono presenti molte interferenze elettromagnetiche.

Le antenne attive possono anche essere utilizzate per superare le perdite di segnale dovute a splitter o ad altre apparecchiature di distribuzione o per compensare le perdite di segnale in lunghe tratte di cavo. Per questo motivo, sono utili in applicazioni come i sistemi microfonici wireless e la distribuzione televisiva via cavo. Tutto sommato, le antenne attive offrono un mezzo per migliorare la qualità e la ricezione del segnale in una varietà di applicazioni, rendendole uno strumento prezioso per diversi settori.

Principio di funzionamento

Di solito, un circuito amplificatore è collegato a un piccolo elemento d'antenna, come una spira o un dipolo, per creare un'antenna attiva. L'elemento dell'antenna riceve i deboli segnali in entrata, che vengono amplificati dal circuito amplificatore. Il ricevitore o il resto del sistema radio riceve poi il segnale amplificato.

Una batteria o un alimentatore collegato all'antenna può alimentare l'amplificatore di un'antenna attiva. L'energia necessaria al funzionamento dell'amplificatore e all'amplificazione dei segnali è fornita da questa fonte di alimentazione.

La funzionalità principale di un'antenna attiva comprende:

1. Ricezione del segnale: L'antenna riceve le onde elettromagnetiche.
2. Amplificazione: I componenti attivi incorporati amplificano i segnali deboli per migliorare la chiarezza e la potenza.
3. Elaborazione del segnale: Le antenne attive avanzate possono elaborare il segnale per filtrare il rumore o le frequenze indesiderate.
4. Trasmissione del segnale: In modalità di trasmissione, i componenti attivi assicurano una propagazione efficiente amplificando la potenza del segnale.

Grazie all'integrazione di questi componenti attivi, le antenne attive possono funzionare in modo più efficace in ambienti difficili, come quelli caratterizzati da forti interferenze o segnali deboli.

Tipi di antenne attive

Le antenne attive possono essere classificate in base al design e all'applicazione. Di seguito sono riportati i principali tipi e le relative definizioni.

1. Antenne riceventi attive: Questi tipi di antenne sono progettati per amplificare i segnali in arrivo e sono utilizzati solo nei sistemi di comunicazione in cui la potenza del segnale è un fattore critico.
2. Antenne di trasmissione attive: Includono amplificatori incorporati per aumentare la potenza dei segnali trasmessi, garantendo una maggiore portata e affidabilità. Tuttavia, le antenne attive sono utilizzate principalmente per la ricezione dei segnali.
3. Antenne intelligenti: Dotate di algoritmi di elaborazione del segnale, queste antenne possono orientare i fasci in modo dinamico per concentrarsi sulle direzioni desiderate.
4. Antenne Phased Array: Composte da elementi multipli con segnali a controllo di fase, queste antenne consentono di modellare e orientare il fascio senza movimenti meccanici.
5. Antenne attive a banda larga: Queste antenne operano su un'ampia gamma di frequenze, rendendole adatte a sistemi di comunicazione multifrequenza.

Vantaggi delle antenne attive

Le antenne attive offrono diversi vantaggi rispetto alle antenne passive tradizionali. Quando l'antenna deve essere utilizzata con molti dispositivi o in luoghi con scarsa ricezione, le antenne attive offrono un modo affidabile e pratico per ricevere segnali di alta qualità.

Alcuni dei principali vantaggi delle antenne attive sono i seguenti.

• Migliore qualità del segnale - Di solito le antenne attive sono dotate di amplificatori integrati che rafforzano il segnale, migliorandone la ricezione e la qualità. Ciò è particolarmente utile in luoghi in cui i segnali sono deboli o lontani. L'integrazione degli LNA garantisce una ricezione amplificata del segnale, rendendole efficaci in ambienti con segnali deboli.

• Portata estesa - Rispetto alle antenne passive, le antenne attive possono ricevere segnali da una distanza maggiore grazie all'amplificazione che offrono. I componenti attivi aumentano la potenza del segnale trasmesso, estendendo l'area di copertura. Nelle zone rurali o isolate, dove le torri di trasmissione sono molto lontane, questo può essere estremamente utile.
• Ricezione multidirezionale - A seconda del loro design, le antenne attive possono essere omnidirezionali, consentendo di ricevere segnali da più direzioni. Grazie alla ricezione omnidirezionale o multidirezionale, non è più necessario modificare costantemente l'antenna per trovare il segnale ottimale.
• Efficienza energetica - Nonostante le loro capacità avanzate, le moderne antenne attive sono progettate per consumare una quantità minima di energia, rendendole adatte alle applicazioni portatili.

• Dimensioni compatte - Rispetto alle antenne tradizionali, le antenne attive sono in genere più compatte e più piccole. Per questo motivo, è ora possibile collocarle su pareti, finestre o persino in ambienti interni e l'installazione è più semplice. Integrando gli elementi attivi direttamente nell'antenna, è possibile ridurre le dimensioni complessive del sistema.

• Funzionalità dinamiche - Le antenne intelligenti e phased array offrono funzionalità quali il beamforming, migliorando l'efficienza di communicazione.

• Minori interferenze - Poiché le antenne attive hanno amplificatori e capacità di elaborazione del segnale incorporati, sono meno vulnerabili alle interferenze provenienti da apparecchiature o strutture elettriche adiacenti. Possono produrre un segnale più preciso eliminando i disturbi non necessari.

• Compatibilità con vari dispositivi - Numerose antenne attive sono realizzate per funzionare con una serie di dispositivi, come dispositivi di streaming, TV e radio. Grazie alla loro adattabilità, sono un'opzione pratica per diversi ambienti e applicazioni.

• Facilità di installazione - L'installazione e la configurazione delle antenne attive è generalmente semplice. Per aiutare a determinare la posizione migliore, spesso includono hardware di montaggio, istruzioni dettagliate e, a volte, anche indicatori di potenza del segnale integrati.

• Uso futuro - Con lo sviluppo della tecnologia, è sempre più probabile che le antenne attive supportino nuovi standard e frequenze di trasmissione. Ciò implica che l'acquisto di un'antenna attiva ora garantisce la compatibilità con i prossimi progressi o modifiche della tecnologia di trasmissione.

Applicazioni delle antenne attive

Le antenne attive sono essenziali per migliorare l'affidabilità, la qualità e la portata del segnale in una serie di applicazioni di comunicazione wireless. Di seguito sono elencate le applicazioni in cui le antenne attive vengono utilizzate per vari scopi.

1. Miglioramento della ricezione televisiva: Utilizzato nelle trasmissioni radiotelevisive per migliorare la qualità e la copertura del segnale. Nei luoghi in cui vi sono interferenze o scarsa potenza del segnale, è possibile utilizzare antenne attive per migliorare la qualità della ricezione televisiva.
2. Comunicazione wireless co1TP15: I router Wi-Fi e altri dispositivi di communicazione wireless utilizzano antenne attive per inviare e ricevere segnali.
3. Infrastruttura di telecomunicazione: Le stazioni base e le altre apparecchiature di telecomunicazione utilizzano antenne attive per inviare e ricevere segnali per la communicazione mobile.
4. Reti cellulari: Le reti cellulari utilizzano antenne attive per aumentare la copertura e la potenza del segnale. Utilizzate anche nell'infrastruttura 5G per migliorare la connettività.
5. Navigazione GPS: Per ricevere i segnali dai satelliti e fornire dati precisi sulla posizione, i sistemi GPS necessitano di antenne attive.
6. Sistemi radar: I sistemi radar utilizzano antenne attive per inviare e ricevere onde radio al fine di tracciare e rilevare gli oggetti.
7. Comunicazione satellitare co1TP15: I sistemi di communicazione satellitare utilizzano antenne attive per inviare e ricevere messaggi da e verso i satelliti. Utilizzati anche negli aerei per la navigazione e la communicazione.
8. Applicazioni militari: Per una connessione affidabile e sicura, i sistemi di comunicazione co1TP15 militari utilizzano antenne attive. Si applicano ai sistemi radar, alla sorveglianza e alle reti di communicazione sicure.
9. Internet degli oggetti (IoT): I dispositivi IoT utilizzano antenne attive per facilitare la communicazione e la connettività wireless.

Confronto con le antenne passive

Il tipo più elementare di sistema di antenna è quello passivo. Con questi sistemi, i segnali wireless attraversano il sistema senza alcuna interferenza aggiuntiva dopo essere passati dalla rete al controller. Le antenne passive sono in grado di utilizzare solo la potenza del segnale in entrata; non sono in grado di amplificare il segnale. Sono più adatte a situazioni in cui il costo è un fattore chiave, poiché sono più facili e meno costose da realizzare.

In un sistema di antenna attiva, invece, il segnale viene potenziato in qualche modo prima della distribuzione. Di solito si utilizza un amplificatore collegato al controllore, ma si possono utilizzare anche tecniche alternative di potenziamento del segnale. Per aumentare la funzionalità, ad esempio, si utilizzano occasionalmente connessioni in fibra ottica. Le antenne attive sono solitamente utilizzate in luoghi con un'alta densità di utenti e in aree urbane dense, dove ostruzioni come alberi ed edifici indeboliscono il segnale. Per compensare la perdita di segnale causata da queste ostruzioni, possono aumentarlo, garantendo una connessione solida e affidabile.

Le antenne passive sono spesso utilizzate nelle regioni meno popolate, con un'elevata potenza del segnale e poche ostruzioni. Sono in grado di fornire una connettività affidabile senza richiedere l'amplificazione del segnale.
In conclusione, le antenne passive sono più adatte per i luoghi meno urbani con una robusta potenza di segnale, mentre le antenne attive, in particolare i sistemi phased array, svolgono un ruolo cruciale nell'affrontare le sfide dello spettro ad alta frequenza del 5G nelle aree urbane.

Sfide e limiti

Nonostante i loro vantaggi, le antenne attive devono affrontare alcune sfide:

Negli edifici di grandi dimensioni, molti tipi di sistemi di antenna sono utili. In fin dei conti, in questo tipo di edifici è più probabile che le comunicazioni wireless subiscano interferenze. Le dimensioni di un edificio, tuttavia, possono giocare a sfavore di un sistema di antenne. L'attenuazione è il processo per cui il segnale si indebolisce quando i cavi trasportano i dati su distanze sempre maggiori. Per invertire questo processo sono necessarie antenne attive. Esse rafforzano il segnale e consentono di trasmettere a distanze maggiori. Le antenne attive sono quindi molto utili nei grandi edifici. In queste situazioni, sono in grado di risolvere immediatamente i problemi legati alle dimensioni dell'edificio.

1. Dipendenza dal potere: Le antenne attive richiedono una fonte di alimentazione, il che può rappresentare una limitazione in ambienti remoti o con problemi di alimentazione.
2. Complessità: L'integrazione di componenti attivi aumenta la complessità della progettazione e della produzione.
3. Costo: I costi di produzione più elevati possono rendere le antenne attive meno accessibili per i progetti a budget limitato.
4. Problemi di affidabilità: I componenti attivi sono più soggetti a guasti rispetto agli elementi passivi e richiedono un controllo di qualità rigoroso.
5. Gestione delle interferenze: La gestione delle interferenze nei sistemi di antenne attive ad alta densità può essere impegnativa.

Casi di studio

• Distribuzione della rete 5G

Quando si tratta di implementare le reti 5G, le antenne attive sono state essenziali. Ad esempio, nelle aree urbane, le antenne phased array con funzionalità di beamforming hanno reso possibile la trasmissione di dati ad alta velocità e con una minore latenza.

• Sistemi radar militari

I vantaggi strategici nelle applicazioni di difesa sono garantiti dalle maggiori prestazioni dei sistemi radar avanzati che utilizzano antenne attive nell'identificazione di bersagli poco osservabili.

• Satellite Communicazione

I satelliti con antenne attive offrono connessioni di communicazione affidabili anche in condizioni atmosferiche sfavorevoli, sottolineando la loro importanza per la connettività e la ricerca spaziale.

• Antenna GPS

Le antenne attive sono utilizzate nelle antenne GPS presenti negli smartphone e nei sistemi di communicazione satellitare, dove è essenziale mantenere la potenza del segnale su lunghe distanze.

• Router wireless

L'antenna Wi-Fi presente nei router wireless è un altro esempio di antenna attiva. La portata della rete wireless viene aumentata e il segnale Wi-Fi viene amplificato con l'aiuto dell'antenna attiva.

Conclusione

Combinando filtraggio e amplificazione in un pacchetto di dimensioni ridotte, le antenne attive hanno cambiato completamente l'elaborazione del segnale e la communicazione. Sono essenziali negli usi moderni, da quelli militari alle telecomunicazioni, grazie alla loro capacità di aumentare la potenza del segnale, di ridurre il rumore e di adattarsi dinamicamente a circostanze mutevoli. L'importanza delle antenne attive nei futuri sistemi di communicazione aumenterà grazie ai continui miglioramenti tecnologici che promettono di risolvere le limitazioni attuali, come il costo e la dipendenza dalla potenza.

Quando si sceglie tra antenne attive e passive, è necessario prendere in considerazione una serie di criteri, tra cui il prezzo, l'applicazione e il numero di dispositivi supportati. Alcune antenne passive possono essere meno costose delle loro controparti attive a causa dell'assenza di un amplificatore, anche se le antenne attive sono solitamente più compatte e possono ridurre il rumore e le interferenze. Questo articolo fornisce una rassegna completa delle antenne attive.