Che cos'è un'antenna monopolare? Una guida completa

L'antenna monopolare è una pietra miliare nel campo delle comunicazioni wireless. È uno di quei componenti che non si considerano spesso, ma è presente in ogni cosa, dal cellulare in tasca alla radio in auto. In questo articolo esploreremo il mondo delle antenne monopolari, evidenziando come si siano adattate per diventare un componente necessario della vita quotidiana.

All'inizio, comprendere le basi del funzionamento di un'antenna monopolare può sembrare difficile, ma noi siamo qui per renderlo semplice. L'efficienza e la semplicità sono le caratteristiche principali di queste antenne, che rappresentano un'opzione conveniente per una varietà di usi.

Questo articolo fornisce una rassegna completa delle antenne a monopolo, delle loro origini storiche, dei tipi di antenna, della struttura e degli elementi di progettazione, nonché dell'importante funzione che svolgono nelle moderne reti di comunicazione. Inoltre, vengono discussi i vantaggi, gli svantaggi e gli usi particolari delle antenne a monopolo. Studiamo come questi dispositivi catturano e inviano i segnali, permettendoci di rimanere connessi in molti modi diversi da quelli che pensiamo.

Storia dell'antenna monopolare

L'antenna monopolare, inizialmente concepita alla fine del XIX secolo, trae le sue origini dalle ricerche pionieristiche di Guglielmo Marconiche ha utilizzato le prime versioni dei concetti di monopolo per i suoi studi rivoluzionari sulla telegrafia wireless. Per oltre un secolo, le antenne a monopolo sono state essenziali nel settore delle comunicazioni wireless. Basate sulla ricerca di base della radiazione elettromagnetica, hanno iniziato la loro avventura nei primi anni del 1900. Queste antenne hanno rivoluzionato il modo in cui catturiamo e trasmettiamo i segnali grazie alla loro efficienza e semplicità, che le ha rese popolari in una varietà di applicazioni.

All'inizio, le antenne monopolari hanno svolto un ruolo fondamentale nelle prime fasi di sviluppo delle comunicazioni radio. Offrivano un metodo semplice per trasmettere e ricevere audio su lunghe distanze. L'uso delle antenne monopolari si è ampliato di pari passo con i progressi tecnologici. Sono state l'opzione preferita per le nuove tecnologie wireless grazie alla loro economicità e versatilità.

Le antenne monopolari sono cambiate nel tempo per soddisfare le esigenze di un mondo sempre più interconnesso. Ancora oggi sono una parte essenziale della tecnologia wireless, in quanto consentono una trasmissione accurata dei dati e una comunicazione internazionale. Il loro sviluppo riflette i progressi della tecnologia wireless, dimostrando la loro continua applicabilità nell'era digitale.

Che cos'è un'antenna monopolare?  

Un singolo elemento conduttore, in genere un filo o un'asta, posizionato sopra un piano di massa conduttivo, costituisce un'antenna monopolare, una forma di antenna radio. Questa antenna è un semplice dispositivo a filo singolo ampiamente utilizzato nei sistemi di comunicazione wireless per l'invio e la ricezione di segnali. Poiché la sua lunghezza è solitamente progettata per risuonare a una certa lunghezza d'onda del segnale trasmesso o ricevuto, è classificata come antenna risonante.

L'asta conduttrice di un'antenna a monopolo oscilla ristagnando onde di tensione e corrente lungo la sua lunghezza, funzionando principalmente come risonatore aperto per le onde radio. A seconda della lunghezza d'onda delle onde radio desiderate, la lunghezza dell'antenna può essere facilmente calcolata. L'antenna monopolare ha un guadagno medio di 3,7 dBi e opera nella gamma di frequenze 1,7-2 GHz.

Struttura e caratteristiche del design  

Grazie alle sue proprietà uniche, le antenne monopolari sono estremamente utili per un'ampia gamma di applicazioni, in particolare nei sistemi di posizionamento globale, dove la ricezione precisa del segnale è essenziale.

Elemento radiante: È l'elemento principale per l'invio e la ricezione delle onde elettromagnetiche e di solito è un'asta o un filo verticale. Il componente fondamentale di un'antenna monopolare è un singolo dispositivo conduttore, noto come monopolo, posizionato sopra un piano di massa. Questo concetto fornisce un'onda polarizzata verticalmente ed è semplice ma molto efficace. Il diagramma omnidirezionale delle antenne monopolari sul piano orizzontale è un componente cruciale che garantisce capacità di ricezione e trasmissione costanti, indipendentemente dall'orientamento dell'antenna rispetto ai segnali satellitari.

Piano di terra: Rete di fili o superficie conduttiva che migliora le prestazioni dell'elemento radiante fungendo da superficie riflessa. Per il modo in cui sono costruite, le antenne monopolari hanno bisogno di un piano di massa di grandi dimensioni per funzionare bene. Per garantire una superficie sufficiente a contrastare efficacemente l'elemento monopolare, questa esigenza spesso influisce sull'intero progetto del dispositivo.

Caratteristiche del design: Ciò include l'aggiunta di bobine di carico per ridurre al minimo le dimensioni fisiche senza influire sulle prestazioni, la modifica dell'altezza e la rastremazione per l'adattamento dell'impedenza. Le prestazioni dell'antenna sono fortemente influenzate dalla lunghezza del monopolo, che di solito è espressa come un quarto della lunghezza d'onda della frequenza. Questa misura è calcolata per fornire una risonanza ottimale e la massima ricezione possibile dei segnali wireless.

Tipi di antenne a monopolo  

Le antenne monopolari sono disponibili in diversi tipi, ognuno dei quali è adatto ad applicazioni specifiche:  

Antenna a frusta magnetica

Un tipo di antenna monopolare è l'antenna a frusta, estremamente flessibile per evitare facili rotture. Il nome di quest'antenna è stato ispirato dal movimento a frusta che essa mostra quando viene disturbata. La parte inferiore di questa antenna è semplicemente attaccata al trasmettitore o al ricevitore radio ed è costituita da un'asta o da un filo dritto e flessibile.

Queste antenne sono comunemente realizzate utilizzando una serie di tubi metallici telescopici ad incastro per radio portatili, che consentono di ripiegarli quando non vengono utilizzati. Le fruste più lunghe, che possono raggiungere gli 11 metri di lunghezza, sono realizzate principalmente per essere montate su automobili e altre strutture che includono un'asta flessibile in fibra di vetro con un'anima di filo. La lunghezza d'onda delle onde radio può essere utilizzata per calcolare la lunghezza ideale di questa antenna.

Sono le antenne monopolari più comunemente utilizzate nelle bande radio VHF, UHF e HF. Sono largamente utilizzate per stereo portatili, walkie-talkie, dispositivi abilitati al Wi-Fi, radio FM, telefoni cordless e radio portatili. Vi sono collegate sia le radio a 2 vie per auto e aerei che le autoradio.

Monopoli con piano di massa

La metà di un'antenna a dipolo viene posizionata ad angolo retto sopra un piano di massa conduttore per creare un'antenna monopolare sul piano di massa. Non trasmette segnali al di sotto del piano di terra, anche se funziona in modo simile a un'antenna a dipolo posizionata sopra di esso. Le efficaci caratteristiche di radiazione e la facilità d'uso di queste antenne le rendono popolari nelle reti Internet e nelle comunicazioni mobili. Le antenne monopolari sul piano di terra sono anche single-ended, il che le rende molto utili per il collegamento a ricetrasmettitori single-ended.

Monopoli a quarto d'onda

Quando si sostituisce un piano di massa infinito a una metà di un'antenna a dipolo a mezz'onda, l'altra metà del dipolo si "specchia" nel piano di massa. Il contrappeso è un altro nome per questo piano di massa. Questo è noto come monopolo a quarto d'onda.

Il monopolo si comporta come un dipolo a "mezz'onda" in tutti i sensi pratici. In altre parole, la resistenza di radiazione è la metà di quella di un dipolo a mezz'onda e presenta lo stesso schema di radiazione a forma di ciambella. È possibile utilizzare gli stessi metodi di caricamento e alimentazione e può essere piegato o curvato come un dipolo.

Monopoli elicoidali

Un'antenna elicoidale è costituita da almeno un filo conduttore attorcigliato a forma di elica. Le antenne create con almeno due o quattro fili elicoidali sono dette quadrifilari o bifilari, mentre quelle progettate con un solo filo elicoidale sono dette monofilari. I componenti elicoidali sono utilizzati per ottenere funzionalità a banda larga.  

Monopoli ripiegati

Questo tipo di antenna radiante a palo monopolare è utilizzata soprattutto dalle stazioni radiofoniche AM come antenna di trasmissione nello spettro delle onde medie. Il sistema di messa a terra di questa antenna, costituito da fili sotterranei, è collegato principalmente a un palo o a un'asta metallica verticale. In parole povere, il palo è racchiuso da fili verticali che sono collegati elettricamente in cima. Un anello metallico vicino alla base del pilone collega semplicemente questi fili e la linea elettrica di alimentazione del trasmettitore è collegata tra l'anello e la terra. Quando una stazione radio AM condivide una torre con altre antenne, come quelle per la trasmissione FM, questa è l'opzione ideale.

Monopoli accorciati con bobine di carico

Quando i vincoli di spazio impediscono l'uso di un'antenna a tutta lunghezza, soprattutto alle frequenze più basse, un "monopolo accorciato con bobina di carico" è un'antenna verticale (monopolo) fisicamente più corta di un tipico progetto a quarto d'onda. Tuttavia, aggiungendo un induttore (bobina di carico) in serie alla base, l'antenna viene fatta risuonare alla frequenza desiderata, "allungandola" elettricamente e consentendole di operare a una lunghezza fisica inferiore. In questo modo si vuole preservare la risonanza conservando lo spazio.  

Corrispondenza di impedenza  

L'antenna trasferisce efficacemente l'energia tra il dispositivo radiante e la linea di trasmissione attraverso l'adattamento dell'impedenza. L'adattamento di impedenza per le antenne a monopolo di solito comporta la modifica della lunghezza dell'elemento radiante o l'aggiunta di elementi come stub di sintonia, balun o reti di adattamento. Affinché l'antenna funzioni nel modo più efficiente possibile nella banda di frequenza prevista, deve essere realizzata con l'impedenza adatta all'ambiente dell'utente finale. Massima portata, basso consumo energetico, minore riscaldamento e flusso di dati affidabile sono i risultati di un'efficienza ottimale. Per garantire che la massima potenza venga erogata dal circuito RF all'antenna e che la quantità di energia riflessa sia minima, l'impedenza di ingresso dell'antenna deve essere impostata su 50 Ω.

L'antenna a monopolo ha bisogno di un piano di massa?  

No, nelle antenne a monopolo che operano a frequenze inferiori a 20 MHz, il piano di massa è tipicamente la Terra; in questo caso, l'antenna è un palo verticale che viene posizionato sul terreno ed è isolato elettricamente dal terreno da un isolante. La linea di alimentazione è collegata a una terra alla base dell'antenna da un lato e al palo dall'altro. Una rete radiale di fili interrati che si estende verso l'esterno da una terminazione vicina alla base dell'antenna è spesso utilizzata nelle antenne di trasmissione per ridurre la resistenza di terra. Per le trasmissioni radiofoniche nelle bande MF e LF, questo design viene utilizzato per le antenne di trasmissione con radiatore a palo. L'antenna a T e l'antenna a ombrello sono esempi di monopoli caricati capacitivamente dall'alto che vengono utilizzati per aumentare l'efficienza e la potenza irradiata, poiché il palo dell'antenna è elettricamente corto alle basse frequenze, con conseguente bassa resistenza di radiazione.

I piani di massa artificiali sono utilizzati per consentire l'installazione dell'antenna in superficie, poiché le dimensioni del piano di massa richiesto sono minori alle frequenze VHF e UHF. Un'antenna a frusta a quarto d'onda con un piano di massa costituito da tre o quattro fili o aste lunghe un quarto d'onda che irradiano orizzontalmente o diagonalmente dalla base collegata al lato terra della linea di alimentazione. Si tratta di un tipo comune di antenna monopolare a queste frequenze per il montaggio su tralicci o strutture. La superficie metallica della carrozzeria di un aereo o del tetto di un'automobile costituisce un eccellente piano di massa alle frequenze gigahertz. Le antenne per cellulari per auto sono costituite da brevi fruste montate sul tetto e le antenne di comunicazione per aerei sono spesso costituite da un breve conduttore in una carenatura aerodinamica che si estende dalla fusoliera. Questa è nota come antenna a lama. 

Le antenne a monopolo comprendono anche le antenne a frusta in gomma e a quarto d'onda utilizzate nelle radio FM portatili e nei walkie-talkie. Il lato di terra del trasmettitore in questi dispositivi portatili è semplicemente collegato alla connessione di terra sulla scheda del circuito; l'antenna non ha un piano di terra effettivo. La combinazione di antenna e massa può funzionare più come un'antenna a dipolo asimmetrica che come un monopolo, poiché la massa del circuito stampato è spesso più piccola dell'antenna. Un semplice piano di massa potrebbe essere costituito dalla mano e dal corpo della persona che li tiene in mano.

Modello di radiazione dell'antenna monopolare  

Per identificare chiaramente la funzione e la direttività dell'antenna, il diagramma di radiazione è una rappresentazione del fronte d'onda di emissione o ricezione dell'antenna che ne specifica la potenza. Quando l'antenna emette potenza, vengono influenzate sia le regioni del campo lontano che quelle del campo vicino. Da qualsiasi antenna, il diagramma di radiazione può essere rappresentato graficamente in funzione della distanza radiale e della posizione angolare.
Grazie al suo diagramma di radiazione omnidirezionale, l'antenna monopolare emette elettricità in tutte le direzioni verticali rispetto ad essa. Poiché la radiazione cade a zero in corrispondenza del picco dell'asse dell'antenna, la potenza irradiata dell'antenna varia con l'angolo di elevazione. Emette onde radio polarizzate verticalmente.

La densità di potenza irradiata a una determinata altezza è direttamente proporzionale alla distanza radiale della linea dalla sorgente a qualsiasi angolo di elevazione. Per una densità di potenza paragonabile a quella di un monopolo a quarto d'onda e isotropa in decibel, l'asse radiale viene modificato.

Qual è lo scopo di un'antenna monopolare? (Applicazioni)  

Le antenne monopolari sono utilizzate in diversi contesti, tra cui dispositivi portatili e sistemi montati su veicoli. Grazie alla loro versatilità e ai costi di produzione ragionevolmente bassi, sono un'opzione desiderabile per i produttori che desiderano aggiungere dispositivi di comunicazione wireless di qualità senza aumentare significativamente le dimensioni o modificare l'aspetto.

Dal punto di vista applicativo, le prestazioni costanti e affidabili delle antenne monopolari sono utili a clienti che vanno dai fornitori di servizi di navigazione alle persone che utilizzano servizi smartphone. La loro semplicità di fondo non ne diminuisce la potenza; anzi, sottolinea l'eleganza di un sistema ben progettato che fornisce costantemente e in modo efficiente una trasmissione accurata.

• Una varietà di settori, tra cui la scienza spaziale, la tecnologia radar, la ricerca biomedica, ecc. utilizzano antenne a monopolo.
• Il monopolo è comunemente usato come antenna risonante, con il suo stelo che agisce come risonatore aperto, specialmente per le onde radio, e fluttua attraverso onde stazionarie di tensione e corrente lungo la sua lunghezza. Pertanto, la lunghezza d'onda delle onde radio selezionate è l'unico fattore che determina la lunghezza dell'antenna.
• I sistemi di comunicazione wireless fanno grande uso di questo tipo di antenna.
• Per le applicazioni indossabili, viene costruita e utilizzata un'antenna monopolare pentagonale a basso profilo.
• Questa antenna è ampiamente utilizzata nelle radio AM/FM portatili, nelle automobili, ecc.
• Le applicazioni a doppia banda, multibanda e UWB (banda ultralarga) utilizzano tutte antenne a monopolo, incredibilmente efficaci, economiche e a basso profilo.

Antenna monopolo vs. antenna dipolo  

Le antenne a monopolo e a dipolo sono di tipo risonante, ma si differenziano per il design e l'applicazione:  

• Un'antenna monopolare utilizza un solo polo o elemento conduttivo ed è costituita da un'asta conduttrice diritta posizionata verticalmente su un piano di massa reale. Un'antenna a dipolo, invece, trasmette o riceve energia a radiofrequenza utilizzando due poli o parti conduttrici separate al centro.
• L'antenna a dipolo impiega un piano di massa sintetico costituito dai suoi elementi radiatori simmetrici, mentre l'antenna a monopolo dipende da un piano di massa, con il conduttore esterno di un cavo coassiale che funge da riferimento di massa.
• Il diagramma di irradiazione omnidirezionale di un'antenna monopolare offre una copertura coerente sul piano orizzontale. D'altra parte, gli elementi radianti dell'antenna a dipolo, sfasati di 180° rispetto ai conduttori interni ed esterni del cavo coassiale, forniscono un diagramma di radiazione verticalmente simmetrico.
• Mentre le antenne monopolari sono disponibili in un numero limitato di forme e varietà, i dipoli sono ampiamente utilizzati ed esistono in un'ampia gamma.

Vantaggi e svantaggi  

Vantaggi  

Le antenne monopolari sono l'opzione preferita per molte applicazioni di comunicazione wireless perché offrono una serie di vantaggi significativi rispetto a tipi di antenna alternativi. Si distinguono per la facilità d'uso, l'economicità e l'efficacia nella trasmissione e nella ricezione dei segnali, che le rendono essenziali per il funzionamento di un'ampia gamma di dispositivi.

• Dimensioni e design compatti - Sono noti per il loro design semplice. Questa facilità d'uso ne facilita l'integrazione in gadget come la tecnologia indossabile, gli smartphone e i sistemi di navigazione per auto. A differenza dei tipi di antenna più complessi, i monopoli possono funzionare in modo efficiente senza la necessità di grandi aree o strutture complesse. Grazie alle loro dimensioni ridotte, i produttori sono in grado di mantenere la portabilità e l'eleganza dei dispositivi senza sacrificare la qualità del segnale.

• Alta qualità del segnale - In ambienti urbani, dove le interferenze multi-path possono compromettere seriamente la qualità del segnale, le antenne monopolari sono molto efficaci. Grazie alla loro naturale capacità di ridurre il rumore e di mantenere un segnale forte, forniscono una connettività affidabile agli utenti che navigano in ambienti urbani difficili.

• Economico - A differenza di antenne più complicate, il loro design semplice elimina la necessità di materiali costosi e di procedure di produzione lunghe. Grazie alla loro economicità, le antenne monopolari sono una scelta auspicabile per i produttori che desiderano creare dispositivi di comunicazione wireless di alta qualità e a prezzi ragionevoli.

• Prestazioni elevate - Grazie ai loro modelli di radiazione vantaggiosi e alle capacità di larghezza di banda, le antenne monopolari offrono prestazioni nettamente superiori. Possono inviare e ricevere segnali dai satelliti in modo efficiente e con perdite trascurabili, garantendo dati geografici affidabili e precisi.

• Trasmissione efficiente - L'impedenza reattiva di un'antenna monopolare è relativamente alta per la maggior parte della sua gamma di frequenze. È possibile modificare l'impedenza senza sacrificare la sensibilità collocando un amplificatore attivo con un'alta impedenza di ingresso.

Svantaggi  

• Scarsa radiazione - Quando un'antenna monopolare irradia in modo uguale in tutte le direzioni lungo il piano orizzontale, significa che l'energia è distribuita in modo uniforme. Pertanto, l'intensità del segnale in ogni direzione non è molto forte, anche se questa caratteristica omnidirezionale è utile per le applicazioni che richiedono un'ampia copertura.

• Interferenze - Oggetti metallici vicini e il terreno possono causare riflessioni del segnale che interferiscono con il percorso del segnale primario. Queste riflessioni possono causare la ricezione o la trasmissione di segnali con polarizzazioni inaspettate (sia verticali che orizzontali), con conseguente potenziale degrado della qualità del segnale e interferenze multipath.

• Necessità di un piano di terra - Le antenne monopolari richiedono un piano di terra che di solito è proporzionale alla lunghezza d'onda operativa. Questo può portare a piani di massa grandi e ingombranti per le frequenze più basse, il che rende difficile l'implementazione in ambienti con spazio limitato o su dispositivi di piccole dimensioni.

• Errori di calibrazione - Può essere difficile calibrare antenne monopolo all'interno di camere schermate perché le loro impedenze possono differire di ordini di grandezza. Le misure effettuate troppo vicino al piano di massa o alla punta dell'antenna rischiano di essere imprecise.

Applicazioni nei sistemi di comunicazione  

Per garantire una connettività affidabile nella rete di comunicazione wireless, le antenne monopolari sono essenziali. Per garantire collegamenti di comunicazione affidabili, queste antenne sono essenziali perché possono ricevere e inviare segnali con uno schema orizzontale di 360 gradi. In ambienti urbani, dove gli ostacoli possono potenzialmente impedire il flusso del segnale, questa caratteristica è particolarmente utile.

• Le antenne monopolo sono oggi una parte fondamentale dello sviluppo e del funzionamento dei sistemi GNSS/GPS, grazie alla loro semplicità di progettazione e alla loro economicità. Riconoscendo la loro funzione essenziale nelle comunicazioni wireless, possiamo sfruttare il potenziale per ulteriori progressi nei servizi di geolocalizzazione, aumentandone l'affidabilità e l'accessibilità per gli utenti di tutto il mondo.

• Vengono utilizzate anche per trasmettere i segnali televisivi via etere, grazie alla loro facilità di funzionamento e all'efficienza dei modelli di emissione. Queste antenne garantiscono una trasmissione affidabile del segnale alle abitazioni e alle aziende, soprattutto nelle aree prive di connettività satellitare o via cavo.

• Poiché le antenne monopolari possono trasmettere i segnali in modo uniforme in tutte le direzioni orizzontali, sono spesso utilizzate nelle torri di trasmissione AM/FM. Grazie alla loro copertura omnidirezionale, le trasmissioni radiofoniche possono raggiungere efficacemente un vasto pubblico sia nelle aree urbane che in quelle rurali.

Conclusione  

In conclusione, grazie alla facilità d'uso, all'efficacia e alla versatilità, le antenne monopolari continuano a essere un componente fondamentale della tecnologia delle comunicazioni. La loro vasta gamma di utilizzi, dalla radiodiffusione alle reti wireless contemporanee, e la loro rilevanza storica ne evidenziano l'importanza nello sviluppo della tecnologia. I loro vantaggi le rendono preziose nel campo della comunicazione in rapida crescita. In questo articolo gli utenti potranno capire cos'è un'antenna monopolare e le sue caratteristiche di progettazione, confrontando i pro e i contro e le applicazioni per rendere le vostre soluzioni tecnologiche ancora migliori.