Antenne bidirezionali per applicazioni WiFi, IoT e Smart Road

20/02/2019

IMPORTANTE: 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. Per saperne di più, clicca qui.

 

Come progettare e realizzare ottimi sistemi di antenne bidirezionali

 

NOTA: puoi liberamente scaricare, stampare e conservare la versione in formato PDF di questo articolo cliccando qui.

 

Per antenna bidirezionale si intende un sistema radiante, di tipo direttivo, la cui radiazione avviene attraverso due lobi o fasci principali, orientati in direzioni antiparallele.

Ancora oggi, in alcuni particolari casi in cui è necessario garantire la copertura di un’area la cui estensione è prevalente in una dimensione (longitudinale) rispetto all’altra (trasversale), si continuano ad utilizzare sistemi composti da due antenne distinte in configurazione back-to-back. Come potrai verificare leggendo questo articolo, si possono ottenere sensibili vantaggi sia economici che dal punto di vista delle prestazioni sostituendoli con configurazioni di antenne bidirezionali sicuramente più adatte ad applicazioni di questo tipo.

Passiamo ora ad un’analisi più approfondita delle varie tipologie.

 

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TIPOLOGIE DI ANTENNE BIDIREZIONALI

Da un punto di vista progettuale è possibile concepire e realizzare un’antenna bidirezionale secondo tre differenti tipologie:

Due antenne distinte, installate in configurazione back-to-back ed alimentate mediante un ripartitore esterno

Due elementi radianti integrati, ovvero montati in configurazione back-to-back con alcune parti in comune ed un singolo punto di alimentazione

Un singolo elemento radiante caratterizzato da un diagramma di radiazione bidirezionale

Vediamo ora pregi e difetti delle tre configurazioni.

N.B.: per una descrizione ed un confronto più accurato delle tre configurazioni, si rimanda all’articolo in formato PDF redatto dall’Ing. Francesco Zaccarini che può essere liberamente scaricato cliccando qui.

 

Caso A: due antenne distinte

Immaginiamo di avere due antenne identiche, ad esempio due elementi radianti montati su di un riflettore metallico con dimensioni pari a λ.  Ognuna di queste due antenne rappresenta un tipico pannello con un guadagno di 10 dBi ed una larghezza di fascio di 60° nel piano H.

Installiamo ora i nostri due pannelli in configurazione back-to-back ed alimentiamoli mediante due tratti di cavo coassiale di pari lunghezza, facenti capo ad un ripartitore.

Un’installazione pratica di questo tipo si avvale necessariamente di un supporto meccanico e di staffe di fissaggio a palo per ognuna delle due antenne: ne consegue che la distanza D tra le antenne non può essere definita a priori e può anche raggiungere dimensioni rilevanti rispetto a λ, specie se consideriamo bande di frequenza elevate (3.6 GHz oppure 5 GHz).

Da questo ne deriva che non è possibile definire precise caratteristiche di radiazione del sistema composto dalle due antenne. In particolare troviamo che, al variare della distanza D riscontriamo una sostanziale differenza del diagramma di radiazione, non tanto nella larghezza di fascio dei due lobi principali, ma nelle altre direzioni che risultano altrettanto importanti in molte applicazioni in cui è richiesta una buona copertura.

Come anticipato al termine del paragrafo precedente, nell’articolo completo dell’Ing. Francesco Zaccarini, è possibile avere un’idea più precisa di queste variazioni attraverso il confronto dei vari diagrammi di radiazione che si ottengono al variare di D.

Possiamo quindi concludere che, se in alcuni casi questa configurazione può comunque risultare soddisfacente, quando ci troviamo di fronte ad applicazioni in cui è necessario garantire una copertura ottimale ed un servizio più professionale, è consigliabile optare per una configurazione diversa, che permetta di definire caratteristiche di radiazione precise.

 

Caso B: elementi radianti integrati

In questo caso si prevede di integrare i due elementi radianti sulle facce opposte di un singolo riflettore metallico con dimensioni pari a λ.

Un’attività di questo tipo comporta i seguenti vantaggi rispetto al caso precedente:

-   I diagrammi di radiazione sono caratterizzati con precisione e riscontrabili anche in posizione operativa, dal momento che la distanza D tra le due antenne è fissa e definita.

-   Gli elementi radianti sono progettati con un singolo punto di alimentazione e valore di impedenza opportuno.

-   Le perdite dovute alla rete di alimentazione e ripartizione sono dimezzate.

Inoltre, in questa configurazione, è possibile utilizzare un radome di dimensioni ridotte rispetto alla configurazione precedente ed è possibile utilizzare un solo kit di staffe per il montaggio cosiddetto a bandiera.

 

Caso C: singolo elemento radiante bidirezionale

Questa terza tipologia consiste nella progettazione di un singolo elemento radiante, ad esempio su PCB, che implementa da solo le caratteristiche di radiazione desiderate.

Un’antenna di questo tipo presenta notevoli vantaggi dal punto di vista meccanico e costruttivo. Sono infatti da sottolineare sia il ridotto spessore che la semplicità costruttiva, visto che non ci sono sostanzialmente parti da assemblare se non il connettore, che può essere montato come un semplice componente SMD.

Inoltre, anche in questo caso, come nella precedente configurazione B, le perdite dovute alla rete di alimentazione e ripartizione sono dimezzate rispetto alla configurazione A.

Dal punto di vista delle caratteristiche di radiazione è opportuno tener conto del fatto che, per ottenere una direttività pari alle due configurazioni precedenti, è necessario realizzare una PCB di dimensioni maggiori rispetto al riflettore metallico di dimensioni pari a λ.

 

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ARRAY BIDIREZIONALI     

Nel momento in cui si dovesse palesare la necessità di realizzare sistemi bidirezionali più complessi, ad esempio con un guadagno maggiore o con diagrammi di radiazione con caratteristiche particolari, è possibile procedere con la realizzazione di array bidirezionali utilizzando più elementi radianti semplici, opportunamente disposti ed alimentati.

Se nel caso A ciò equivale a due array direttivi distinti, ad esempio due pannelli oppure due Yagi, nelle configurazioni B e C si progettano vere e proprie schiere di elementi radianti bidirezionali.

In questo modo (configurazioni B e C) è possibile implementare nell’antenna caratteristiche di radiazione ben precise e rigorosamente uguali per entrambi i fasci, quali ad esempio l’inclinazione degli stessi verso il basso (downtilt), oppure il loro orientamento verso una determinata direzione nel piano orizzontale (squint), oltre alla compensazione degli zeri nei diagrammi di radiazione nel piano orizzontale e/o verticale.

Per un esempio di array bidirezionali con foto e diagrammi di radiazione, si faccia riferimento all’articolo completo gratuito cliccando qui.

 

ESEMPI DI APPLICAZIONI 

-   WiFi: ottimizzare la copertura di particolari zone al fine di ridurre il numero di access point utilizzati, come ad esempio i magazzini e zone di stoccaggio materiale che presentano corridoi lunghi e stretti oppure terminal e zone di passaggio in aeroporti.

-   IoT: ottimizzazione della copertura lato concentratori per raggiungere un maggior numero di dispositivi Client sempre più miniaturizzati e con antenne di dimensioni sempre più ridotte

-   Smart Road: assicurare la connettività su tratti autostradali utilizzando sistemi di antenne in grado di garantire una copertura specifica per ottimizzare l’efficienza della rete

-   Telemetria e guida assistita: ottimizzare la copertura a bassa latenza in circuiti automobilistici per particolari applicazioni di telemetria, guida assistita od altro.

-   Gallerie e viadotti: la cui particolare conformazione richiede una tipologia di antenna che permetta di inviare il segnale esclusivamente nella direzione desiderata

In generale le antenne bidirezionali sono utilissime in tutte quelle situazioni in cui è richiesta la realizzazione di un sistema che garantisca una copertura particolare e specifica.

  

 

Se ti interessa e vuoi approfondire l'argomento, puoi leggere l'articolo completo redatto dall'Ing. Zaccarini. Un documento tecnico di 11 pagine in formato PDF, ricco di illustrazioni e grafici, da scaricare, stampare e conservare.

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

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