Antenne professionali omnidirezionali per ambiente marino

7/2/2020

Antenne professionali omnidirezionali per applicazioni custom in ambiente marino

 

Tutte le informazioni e le esperienze riportate in questo articolo sono frutto dell'attività di progettazione, sviluppo e realizzazione di antenne custom professionali svolta da ElettroMagnetic Services Srl con il metodo AntennaSuMisura.

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1. INTRODUZIONE

L’argomento Antenne Omnidirezionali è sicuramente da includere tra quelli di maggiore discussione tra gli addetti ai lavori.

Capita infatti molto frequentemente che ci venga richiesto di verificare le prestazioni reali di un certo modello di antenna omnidirezionale, confrontandole con le specifiche indicate nella scheda tecnica redatta dal costruttore. E non di rado ci capita di riscontrare sostanziali differenze tra ciò che viene promesso nel datasheet e ciò che viene effettivamente misurato.

Abbiamo già affrontato in parte questo argomento nel TEP n.2 “Antenne omnidirezionali: dimensioni meccaniche e guadagno” (https://www.elettromagneticservices.com/news/antenne-omnidirezionali-dimensioni-meccaniche-e-guadagno-9), nel quale suggerivamo una formula molto semplice per stimare l’attendibilità del guadagno indicato dal costruttore, a partire dalle dimensioni meccaniche dell’antenna.

In mancanza di questa valutazione preliminare, il rischio di riscontrare una sostanziale differenza tra le prestazioni dichiarate nella scheda tecnica e quelle effettivamente garantite dall’antenna è reale e può portare a due differenti situazioni:  

l’antenna è comunque in grado di garantire le prestazioni minime richieste dal Cliente.

l’antenna non è in grado di garantire le prestazioni minime richieste dal Cliente.

Mentre nel primo caso possiamo affermare di trovarci di fronte ad un caso “asintomatico” e quindi privo di conseguenze, il secondo caso comporta sicuramente una serie di problemi e difficoltà per chi di fatto utilizza l’antenna. È in questi casi che si verifica sulla propria pelle ciò che distingue l’antenna professionale da un’antenna qualsiasi, ovvero la capacità di soddisfare realmente le specifiche dichiarate dal costruttore nella scheda tecnica.

Se non vi siete mai posti il problema di verificare se le prestazioni reali della vostra antenna omnidirezionale coincidano con quelle riportate nella scheda tecnica, è molto probabile che per la vostra attività non abbiate la necessità di utilizzare antenne professionali. Se, al contrario, avete l’esigenza di installare antenne in grado di assicurare determinate specifiche tecniche, allora l’utilizzo di prodotti professionali porterà notevoli benefici e vantaggi alla vostra attività.

Partendo dalla reale richiesta di un nostro Cliente, vogliamo analizzare in dettaglio alcuni aspetti importanti delle antenne omnidirezionali e di come è necessario procedere per garantire le specifiche tecniche richieste.   

 

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2. LE SPECIFICHE RICHIESTE DAL CLIENTE

Nel particolare caso che abbiamo deciso di prendere in esame, il Cliente ci richiede la realizzazione di due diverse antenne, omnidirezionali, operanti in una porzione di spettro piuttosto ampia nella banda UHF. Vediamo nel dettaglio i principali requisiti richiesti per ognuna delle due antenne.

Specifiche dell’antenna omnidirezionale n.1:

omnidirezionale a singolo ingresso per installazione in ambiente marino;

frequenza operativa 403-473 MHz;

dimensioni 330mm (Lunghezza) × 40mm (Diametro);

guadagno ottimizzato in base alle dimensioni a disposizione (minimo richiesto 1 dBi);

l’antenna va installata su di una piattaforma metallica ed è necessario minimizzare l’influenza della piattaforma sul valore di VSWR dell’antenna;

grado di protezione IP67.

 

Specifiche dell’antenna omnidirezionale n.2:

omnidirezionale a doppio ingresso, ovvero con due connettori indipendenti ed isolati, per installazione in ambiente marino;

frequenza operativa 403-473 MHz;

dimensioni 330mm (Lunghezza) × 40mm (Diametro);

guadagno ottimizzato in base alle dimensioni a disposizione (minimo richiesto 0 dBi);

l’antenna va installata su di una piattaforma metallica ed è necessario minimizzare l’influenza della piattaforma sulle prestazioni dell’antenna;

gradi di protezione IP68, con l’antenna che deve essere sommergibile ed in grado di resistere fino ad una profondità di 300 metri.

Non ci vengono comunicate altre particolari indicazioni in merito all’applicazione, che viene mantenuta riservata. Viene solo aggiunto che le antenne devono comunicare tra di loro e che i livelli di guadagno richiesti sono quelli minimi calcolati mediante un link budget per garantire il radiocollegamento. Nel caso in cui non fosse possibile ottenere il guadagno indicato in un modello, questa differenza dovrà essere compensata con un aumento di guadagno nell’altro modello.

Per questioni di riservatezza nei confronti di chi ci ha commissionato il progetto, non potremo indicare dettagli specifici relativamente alle soluzioni scelte. Il nostro scopo sarà invece quello di definire una modalità operativa che possa essere utilizzata tutte le volte in cui si deve scegliere l’antenna omnidirezionale ideale per la propria applicazione, sottolineando alcuni aspetti di cui a volte non si tiene conto, ma che risultano a nostro parere fondamentali.

 

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3. PROGETTAZIONE DI ELEMENTI RADIANTI OMNIDIREZIONALI IN BASE ALLE DIMENSIONI DISPONIBILI

Relativamente a questo punto, le due antenne presentano una sostanziale differenza: la richiesta di un singolo ingresso per l’ANTENNA N.1 e di un doppio ingresso per l’ANTENNA N.2.

Per quanto riguarda la progettazione dell’ANTENNA N.1, il discorso può sembrare a prima vista relativamente semplice, dal momento che lo spazio utilizzabile permette di avere a disposizione una buona gamma di soluzioni.

È però importante non farci sfuggire un particolare fondamentale: la larghezza di banda richiesta (70 MHz pari al 16%) e la necessità di assicurare livelli di VSWR e guadagno costanti per tutto il range di frequenza.

Capita così di misurare curve di guadagno che presentano un picco ad una certa frequenza per poi decadere notevolmente nelle prestazioni nel resto della banda operativa. Se questo può essere considerato un problema di poco conto nelle antenne a banda stretta, risulta invece un requisito critico per chi ha la necessità di utilizzare una banda più estesa.L’errore che molte volte si compie è infatti quello di considerare solamente il valore massimo di guadagno riscontrato all’interno dell’intera banda, senza valutarne l’andamento completo.

Nel nostro caso specifico, per realizzare un elemento radiante veramente ottimizzato per l’applicazione in esame, è stato opportuno progettare una struttura che tenesse conto anche di questo fattore, verificando attraverso opportune prove di laboratorio l’andamento di questi due parametri durante l’intera fase di sviluppo.

Per quanto riguarda l’ANTENNA N.2 il discorso si fa decisamente più difficile, in quanto viene introdotto un elemento che complica ulteriormente la situazione, ovvero la richiesta di due ingressi ed uno spazio decisamente ridotto. In questo caso devono infatti essere inseriti due elementi radianti anziché uno come nel caso precedente.

Quando ci si trova di fronte ad un problema di questo tipo, normalmente ci si affida ad accorgimenti tecnici che permettono di realizzare elementi radianti “corti”, con dimensioni fisiche inferiori rispetto ai classici dipoli λ/2 o λ.

Le soluzioni a disposizione sono varie e non è possibile definire a priori la migliore, in quanto deve necessariamente essere valutata caso per caso, confrontando le prestazioni che si riescono ad ottenere, più scadenti rispetto alle soluzioni tradizionali, con le specifiche esigenze di progetto.

Inoltre, per la definizione della soluzione più adatta, c’è un importante parametro da tenere in considerazione: l’isolamento tra le due porte. Infatti, per garantire un corretto funzionamento dell’antenna è necessario assicurare un sufficiente disaccoppiamento tra i due ingressi, che dovrà essere indicativamente nell’ordine dei 20 dB almeno.

Il discorso si fa quindi abbastanza complicato e, come spesso capita in questi casi, l’esperienza ed il know-how accumulati in precedenti progetti possono essere elementi decisivi nell’individuazione della strada migliore

In ultimo, è consigliabile porre la giusta attenzione anche su dettagli considerati a volte secondari, come la scelta del giusto cavo di collegamento. I cavi non sono tutti uguali e presentano caratteristiche molto diverse tra di loro. Un cavo di diametro opportuno e con dielettrico in PTFE può risultare determinante nel ridurre le perdite ed ottenere prestazioni migliori

 

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4. MINIMIZZARE L'INFLUENZA DELLA PIATTAFORMA METALLICA SULLE PRESTAZIONI DELL'ANTENNA

Come già sottolineato in precedenza, un’antenna professionale ha la caratteristica di soddisfare pienamente le specifiche indicate nella scheda tecnica. Inoltre, queste specifiche devono essere note sia al costruttore che all’utilizzatore.

È pertanto importante che le misure di caratterizzazione vengano realizzate in modo tale che le prestazioni ottenute in camera anecoica siano le stesse che verranno riscontrate dal Cliente nel momento in cui installa correttamente l’antenna. In caso contrario verrebbe automaticamente a cadere la definizione di antenna professionale.

La richiesta del nostro Cliente è da vedere proprio in quest’ottica. Si vuole avere la garanzia che il valore di VSWR dell’antenna rimanga pressoché invariato, indipendentemente dalla tipologia e dalle dimensioni della piattaforma metallica su cui verrà installata.

Questa richiesta viene normalmente soddisfatta mediante l’utilizzo di un balun, opportunamente progettato ed integrato nell’antenna.

In questo modo si ottiene un adeguato disaccoppiamento tra l’antenna ed il cavo, evitando lo scorrimento di corrente sulla calza esterna di quest’ultimo, minimizzando così l’influenza della piattaforma metallica sul valore di VSWR, che rimane pressoché identico.

Il problema della ripetibilità delle prestazioni nelle antenne omnidirezionali è molto sentito.

Cogliamo l’occasione per suggerire un paio di consigli che possono risultare utili nel momento in cui si decide di acquistare una qualsiasi antenna omnidirezionale.

- Verificare se l’antenna che si sta acquistando è provvista di piano di massa oppure se necessita di essere installata su una superficie metallica;

- Verificare se l’antenna che si sta acquistando è provvista di balun e quindi meno soggetta a variazioni delle proprie specifiche.

Se invece si ha la necessità di sviluppare e realizzare un’antenna custom, per garantire la ripetibilità delle misure, è buona norma tenere conto dell’installazione tipica dell’antenna, sia durante l’attività di progettazione che durante le misure di caratterizzazione finali.

In questo modo sarà possibile ottimizzarne le prestazioni e, allo stesso tempo, ottenere misure attendibili e riscontrabili dal Cliente nella successiva installazione in posizione operativa.

Inoltre, se l’attività che si deve affrontare riguarda la progettazione di un’antenna integrata, tenere conto “dell’ambiente” in cui questa antenna dovrà essere inserita, diventa una condizione imprescindibile per ottenere un prodotto in grado di soddisfare le richieste del Cliente.

Per chi fosse interessato al discorso delle progettazione di antenne integrate, rimandiamo ai seguenti approfondimenti tecnici:

-       TEP n.3 – Tipologie e progettazione delle antenne integrate per applicazioni wireless e IoT (https://www.elettromagneticservices.com/news/progettazione-e-tipologie-antenne-integrate-per-wireless-e-iot--10)

-       TEP n.4 – Antenne integrate: le specifiche elettriche sui datasheet e loro misura (https://www.elettromagneticservices.com/news/antenne-integrate-per-apparati-iot-parametri-elettrici-e-misure-11)

-       TEP n.11 – Industrializzazione delle antenne integrate (https://www.elettromagneticservices.com/news/antenne-integrate-su-pcb-progettazione-ed-industrializzazione-22)

 

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5. INSTALLAZIONE IN AMBIENTE MARINO

Entrambe le antenne omnidirezionali realizzate per questo progetto andranno installate in ambiente marino, che sappiamo essere particolarmente aggressivo e limitante per la durata del loro ciclo di vita.

Per soddisfare questo requisito è quindi necessario utilizzare materiali idonei, in grado di resistere ad ambienti così corrosivi.

Ecco gli accorgimenti che sono stati presi su entrambe le antenne:

Radome in VTR;

Flangia in alluminio trattato con primer epossidico e vernice anti-alga;

Tappo in materiale plastico resistente ai raggi UV;

Passacavi stagni sulla flangia con uscita diretta di pigtail in cavo coassiale alla base dell’antenna.

Per poter rendere l’ANTENNA N.2 sommergibile fino a 300 metri, ovvero ad una pressione di oltre 30 atm, ogni cavità presente all’interno del radome è stata riempita con una particolare resina epossidica.

La scelta di questa resina è stata fatta verificandone le caratteristiche dielettriche, per evitare che influenzi negativamente le specifiche elettriche dell’antenna. Particolare attenzione è stata inoltre posta relativamente alla zona di contatto della flangia alla piattaforma metallica. Qui è stato previsto un O-ring con apposita sede, per isolare e proteggere l’area in cui i cavi fuoriescono dalla base dell’antenna per mezzo dei passacavi. In ultimo, per impedire il depositarsi di alghe o altre impurità, il radome è stato ricoperto con uno strato di vernice anti alga, impiegata su natanti e motori fuoribordo al di sotto della linea di galleggiamento.

Tutti questi accorgimenti permetteranno alle antenne di operare per un tempo sufficientemente lungo in ambienti particolarmente aggressivi. 

 

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6. COME DOVREBBE ESSERE REDATTA L'OFFERTA

Il progetto di queste antenne è stato preso ad esempio in quanto rappresentativo di alcune esigenze tipiche di chi utilizza antenne omnidirezionali professionali.

Eccole qui riassunte:

- Il valore di guadagno indicato nelle schede tecniche delle antenne omnidirezionali non sempre rispecchia le reali prestazioni. È pertanto opportuno prendere delle precauzioni per stimare l’attendibilità dei vari datasheet. 

- L’attendibilità delle specifiche indicate in una scheda tecnica e la ripetibilità delle misure sono caratteristiche peculiari delle antenne professionali. Quando si richiede la progettazione di un’antenna custom è necessario verificare che vengano adottate adeguate precauzioni sia in fase di sviluppo che in fase di caratterizzazione.

- Se si eccettuano le antenne a banda particolarmente stretta, non sempre è sufficiente conoscere il valore di picco del guadagno, ma è opportuno verificare l’andamento della curva all’interno dell’intero range di frequenza.

- Quando è necessario inserire due elementi radianti all’interno di uno spazio ristretto, un parametro fondamentale di cui tener conto è l’isolamento tra i due ingressi.

- Quando si acquista un’antenna omnidirezionale è importante verificare se necessita di un piano di massa per funzionare correttamente e se l’installazione su di una superficie metallica può influenzarne le prestazioni (utilizzo di un balun).

- Quando si prevede di utilizzare antenne in ambiente marino è opportuno realizzarle con materiali adeguati, in grado di sopportare più a lungo climi particolarmente aggressivi e corrosivi.

- Nel momento in cui si ha il bisogno, per ragioni meccaniche, di riempire il contenitore di un’antenna con una resina epossidica, si raccomanda di prestare particolare attenzione alle caratteristiche tecniche per evitare che influenzi negativamente le specifiche elettriche dell’antenna.

 

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

Email: [email protected]