Oltre i fili: le antenne si evolvono e si adattano per soddisfare le esigenze dei collegamenti wireless

Le antenne sono dei dispositivi davvero meravigliosi. Potremmo dire che hanno qualcosa di magico, ma sicuramente sono indispensabili per il nostro mondo wireless. Da quando attorno al 1880 Heinrich Hertz usò per la prima volta uno spinterometro - un tipo rudimentale di antenna - per inviare segnali come energia senza fili attraverso un tavolo, la progettazione e l'implementazione delle antenne è stata fondamentale per il successo dei dispositivi wireless e dei collegamenti di comunicazione supportati (Figura 1).

Figura 1: Questa è una versione moderna della disposizione utilizzata da Heinrich Hertz per indagare i misteriosi fenomeni che oggi conosciamo, come la trasmissione di energia attraverso campi elettromagnetici senza fili. (Immagine per gentile concessione di Lesics Engineers Pvt. Ltd.)

Quindi, cosa fa esattamente un'antenna? Dal punto di vista della fisica e dell'energia, è un trasduttore tra l'energia elettrica di un circuito rappresentata da volt e ampere e un campo elettromagnetico (EM) nello spazio libero caratterizzato dalle equazioni di Maxwell. Entreremo più a fondo negli aspetti della fisica in un blog successivo. Per ora, ci basta sapere che presentano reciprocità e sono indipendenti dal punto di vista direzionale, poiché sono capaci di irradiare energia elettrica da un circuito verso lo spazio libero e anche di catturare quella di un campo elettromagnetico ambientale e passarla a un circuito.

Un'antenna può essere un semplice spezzone di filo o una configurazione incredibilmente complessa con molti elementi, disposizioni geometriche accurate e interconnessioni sofisticate. Anche le dimensioni possono variare da pochi millimetri a enormi array che occupano diversi ettari e dipendono dalla frequenza, dalla potenza e da altre caratteristiche di prestazioni richieste, così come i vincoli di spazio del sistema che supportano.

Come tutti i componenti, inizialmente sono caratterizzate da diversi parametri di livello superiore, seguiti da molti secondari. Ovviamente, in alcune applicazioni anche un attributo secondario può essere molto importante. Tra i principali attributi di interesse ci sono:

• Frequenza operativa: il centro della frequenza o della banda su cui l'antenna fornisce prestazioni utili.
• Larghezza di banda: la larghezza dello spettro nel quale funziona l'antenna e se si tratta di un disegno a banda singola o multipla.
• Efficienza: la capacità di irradiare o catturare energia elettromagnetica.
• Radiazione: il modello in un piano orizzontale di 360⁰ (azimut) e verticale (elevazione) (Figura 2).

Figura 2: Tra i numerosi attributi di interesse di un'antenna ci sono i diagrammi di radiazione orizzontale e verticale. (Immagine per gentile concessione di VCEguide)

Non esiste una classifica semplicistica di buono/migliore/ottimale per ciascuno di questi fattori. Ad esempio, alcune applicazioni hanno bisogno di più larghezza di banda rispetto ad altre, per soddisfare al meglio i requisiti applicativi.

Mentre l'antenna ideale sembrerebbe un carico puramente resistivo alla sua frequenza operativa (tipicamente 50 o 75 Ω), l'impedenza della maggior parte delle antenne reali ha anche una componente reattiva. Allo stesso tempo, l'uscita del trasmettitore che pilota l'antenna (o il ricevitore collegato ad essa) ha la sua impedenza reattiva non resistiva. La combinazione di queste due realtà spesso richiede l'adattamento di queste impedenze.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, "impedenze adattate" non significa che queste impedenze siano uguali. Significa invece che l'impedenza sorgente e quella di carico sono coniugati complessi l'uno dell'altro, una condizione che risulta nel massimo trasferimento di energia tra di essi. Come per le antenne, esistono innumerevoli disposizioni, componenti e tecniche per implementare la trasformazione di impedenza e fornire l'adattamento, compreso l'utilizzo di componenti passivi discreti (Figura 3).

Figura 3: Questo circuito balun rappresentativo utilizza condensatori e resistori per fornire l'adattamento di impedenza a un'antenna che ha componenti di impedenza sia resistiva che induttiva. (Immagine per gentile concessione di ResearchGate)

Per il collegamento trasmettitore-antenna, l'obiettivo è quello di portare il rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione vicino all'unità, il che significa trasferire energia in modo efficiente senza che quella riflessa torni alla sorgente.

Non lasciatevi scoraggiare

Dati i tipi e le configurazioni praticamente infinite delle antenne, l'argomento potrebbe sembrare troppo ostico. Fortunatamente, viene in soccorso un punto basilare da non dimenticare: quasi tutte le antenne sono costruite a partire da uno di due blocchi fondamentali. Abbiamo così l'antenna marconiana (monopolare) "sbilanciata" monoelemento con un piano di massa reale (o virtuale) e caratterizzata dal disegno a filo lungo o a frusta (Figura 4) e l'antenna a dipolo bilanciata, senza riferimento a terra (Figura 5). Questi elementi di base sono spesso usati da soli, ma sono anche impiegati per formare configurazioni di antenne più grandi e complesse.

Figura 4: La disposizione dell'antenna a filo lungo o a frusta è un progetto monoelemento che utilizza un piano di massa (qui, il tetto dell'auto, a sinistra); lo schema dell'antenna mostra la sua semplicità (a destra). (Immagine per gentile concessione di Lihong Electronic, Electronics Notes)

Figura 5: Il dipolo di base è un'antenna filare bilanciata e simmetrica senza riferimento a terra (sinistra), come illustrato dal suo diagramma (destra). (Immagine per gentile concessione di TCARES.net, Tutorials Point)

Un adattatore chiamato balun (abbreviazione di bilanciato-sbilanciato) implementa una transizione elettrica tra un circuito sbilanciato a terra e un dipolo bilanciato, senza riferimento a terra, se necessario, e può anche adattare l'impedenza (in ohm (Ω)) per ottenere una corrispondenza resistiva tra sorgente/ricevitore e antenna (Figura 6).

Figura 6: Questo balun passivo trasforma un'impedenza sbilanciata di 50 Ω in una bilanciata di 300 Ω. (Immagine per gentile concessione di Pinterest)

Al passo con l'evoluzione delle applicazioni in frequenza, complessità e flessibilità, anche i sistemi d'antenna si sono trasformati. Ad esempio, i punti di accesso 5G usano antenne multiple disposte a schiera di fase dove i singoli elementi dell'antenna sono pilotati elettronicamente dalla variazione di fase dei loro ingressi. È un'evoluzione della tecnologia originariamente utilizzata per i radar militari che servì a sostituire il movimento meccanico dell'intero gruppo antenna.

Altre antenne sono minuscoli risonatori dielettrici in ceramica, antenne miniaturizzate chip-scale con piani di massa metallizzati. Altre ancora usano il circuito stampato del prodotto finale come piano di massa (a terminazione singola) o elementi di antenna a dipolo.

Data la complessità delle antenne e delle loro possibili configurazioni, come si fa a selezionare quella più idonea per la propria applicazione? Si inizia con le migliaia di antenne di tutte le dimensioni e caratteristiche prestazionali che sono disponibili come articoli di serie o standard di catalogo. Queste antenne sono corredate da schede tecniche dettagliate che riportano le loro prestazioni e caratteristiche testate nel mondo reale.

Se è richiesto un disegno di antenna specifico per soddisfare dimensioni, frequenza o prestazioni particolari, possono venire in aiuto i moderni strumenti di simulazione e modellazione estremamente potenti. Questi risolutori del campo elettromagnetico possono modellare le prestazioni del campo elettrico e magnetico (i campi E e H, rispettivamente) di quasi ogni configurazione di antenna (Figura 7).

Figura 7: Strumenti avanzati di modellazione del campo elettromagnetico possono valutare quantitativamente le prestazioni di configurazioni di antenne semplici e complesse. (Immagine per gentile concessione di Altair Engineering, Inc.)

Oggi, questi strumenti sono sufficientemente sofisticati da tener conto dei problemi delle antenne del mondo reale, come gli effetti di "fringing" del campo elettromagnetico alle estremità degli elementi e il loro spessore non nullo. Possono anche modellare gli effetti dei componenti e delle superfici adiacenti, così come le inevitabili correnti parassite.

In genere, questi programmi di modellazione possono analizzare ma non creare, mentre alcuni possono anche aiutare a progettare l'antenna necessaria offrendo alternative e suggerendo modifiche. I ricercatori stanno aggiungendo a questi programmi l'intelligenza artificiale (IA) che permetterà loro di concepire, esplorare e analizzare molte configurazioni possibili per soddisfare gli obiettivi di prestazioni specificati. Possono anche indicare gli eventuali compromessi necessari come parte del processo di selezione di un disegno finale.

Conclusione

Le antenne possono essere gli elementi più semplici di un progetto o i più sofisticati e diversi, a seconda dell'applicazione e delle priorità. Con l'aumento delle frequenze operative e l'affollamento dello spettro, le antenne devono fare di più e meglio, nonostante i nuovi vincoli, le priorità più impegnative e la ponderazione da applicare ai loro molteplici parametri di prestazioni e capacità. Restate sintonizzati mentre esploriamo più a fondo questo argomento.

Letture consigliate

"Antenne: disegno, applicazione e prestazioni"

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

"La scelta dell'antenna dipende da molti fattori"

https://www.digikey.com/en/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

"Capire le specifiche e il funzionamento dell'antenna, Parte 1"

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

"Capire le specifiche e il funzionamento dell'antenna, Parte 2"

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

"Applicazione di antenne su chip e patch per risolvere variabili e problemi delle radiofrequenze multibanda"

https://www.digikey.com/en/articles/applying-chip-patch-antennas-diversity-multiband-rf-issues