Riconoscibili per il loro design a filo/asta sottile, le antenne a frusta prendono il loro nome distintivo per il movimento flessibile a frusta che esibiscono quando vengono colpite. Anche se semplici nell'aspetto, queste antenne sono utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni, dalle radio portatili ai sistemi di comunicazione avanzati. Le antenne a frusta, le cui radici risalgono agli albori della radiocomunicazione, hanno svolto un ruolo importante nel campo delle comunicazioni wireless.
Questo articolo vuole esplorare le caratteristiche uniche, i tipi, i casi d'uso e gli aspetti tecnologici delle antenne a frusta che le rendono indispensabili nel panorama della communicazione wireless. Inoltre, si propone di fornire indicazioni chiave da considerare quando si sceglie e si installa un'antenna a frusta per garantirne le prestazioni ottimali.
Introduzione alle antenne a frusta
L'antenna a frusta è stata introdotta nel processo di sviluppo di un sistema di comunicazione radio portatile durante la Seconda Guerra Mondiale. L'esigenza di un dispositivo di communicazione affidabile e compatto ha contribuito in modo significativo a concretizzare l'attuale design dell'antenna a frusta. Questi miglioramenti hanno poi portato all'adozione diffusa delle antenne a frusta nei sistemi portatili a radiofrequenza (RF) nelle applicazioni civili del dopoguerra, rivoluzionando la communicazione personale e commerciale.
Essendo un elemento fondamentale nei sistemi di comunicazione RF, l'antenna a frusta è tipicamente costituita da una sottile asta/filo flessibile con l'estremità inferiore collegata a un trasmettitore o a un ricevitore. Poiché l'antenna è montata verticalmente, agisce come segnali irradiando in ogni direzione su un piano orizzontale, ad eccezione del suo punto cieco conico.
Utilizzato principalmente in alta frequenza (HF), ad altissima frequenza (VHF) e ad altissima frequenza (UHF), le antenne a frusta sono disponibili in varie lunghezze: quelle più corte sono abbinate a radio portatili e walkie-talkie, mentre le versioni più lunghe sono montate su tetti e tralicci radiofonici, con funzione di antenne per stazioni base.
Progettazione e struttura di un'antenna a frusta
La struttura di base di un'antenna a frusta è costituita da un filo o da un'asta dritta e flessibile, in genere realizzata in un materiale conduttivo come l'acciaio o l'alluminio. Tuttavia, per operazioni come le radio portatili, può anche essere implementata come una serie di tubi metallici interconnessi che possono essere ritirati quando non vengono utilizzati.
Gli elementi di una tipica antenna a frusta comprendono,
1. Nucleo conduttivo:
Un filo solido o a trefoli in acciaio inossidabile, acciaio rivestito di rame o materiali simili all'alluminio.
2. Guaina protettiva
La guaina flessibile in gomma o plastica, oltre a fungere da superficie protettiva, offre un'ottima protezione:
- Isolamento, per evitare il contatto accidentale con l'elemento conduttore.
- In alcuni casi, aumenta la flessibilità dell'antenna.
Tuttavia, questa caratteristica è presente soprattutto nelle antenne a frusta che funzionano in condizioni avverse.
3. Connettore di base:
Questo collega l'antenna a frusta alla radio o all'hardware di montaggio. In genere si utilizzano perni filettati, connettori BNC o SMA, a seconda dell'applicazione.
4. Bobina di caricamento:
Antenne a frusta progettate per applicazioni compatte; incorporano una bobina di carico vicino alla base. Questa bobina aumenta la lunghezza elettrica effettiva dell'antenna senza aumentarne le dimensioni fisiche.
La lunghezza dell'antenna è un altro vincolo importante nella progettazione di antenne a frusta. La lunghezza dell'antenna corrisponde alla lunghezza d'onda della sua gamma di frequenze operative. Le antenne più lunghe sono utilizzate per le frequenze più basse (come le HF e le VHF) e quelle più corte per le frequenze più alte. La lunghezza varia da 1/10 di lunghezza d'onda a 5/8 di lunghezza d'onda, mentre quella più diffusa è di 1/4 di lunghezza d'onda.
Tuttavia, alcune antenne a frusta di lunghezza ridotta utilizzano tecniche come bobine di carico o cappelli capacitivi per aumentare la lunghezza elettrica senza aumentare la lunghezza fisica, a causa di considerazioni pratiche.
Il tipo di materiale utilizzato in un'antenna a frusta influisce sulla conduttività, sul peso e sulla resistenza alla corrosione dell'antenna, contribuendo in ultima analisi alle sue prestazioni e alla sua durata. Alcuni tipi di materiali utilizzati sono,
- Acciaio:
L'acciaio offre un'eccellente combinazione di resistenza e durata, che lo rende una scelta resistente.
- Alluminio:
La combinazione di buona conduttività e leggerezza ne fa una scelta popolare per i dispositivi portatili.
- Fibra di vetro:
Poiché offre una combinazione di forza, flessibilità e resistenza agli agenti atmosferici, è più spesso utilizzata per le fruste più lunghe, montate su veicoli e strutture.
Tipi di antenna a frusta
Antenna a frusta monopolare
È il tipo di antenna a frusta più semplice e diffuso. Consiste in un singolo conduttore rettilineo montato perpendicolarmente a un piano di massa (la carrozzeria metallica di un veicolo o un sistema di fili di contrappeso che funge da seconda metà del sistema d'antenna). La sua popolarità è dovuta al fatto che:
- Design semplice ed economico
- Lunghezza tipica di un quarto di lunghezza d'onda
- Schema di radiazione omnidirezionale sul piano orizzontale
Le antenne a frusta monopolari sono particolarmente efficaci per applicazioni come autoradio, ricetrasmettitori portatili e stazioni base che richiedono un'ampia area di copertura e in cui le dimensioni non sono un vincolo significativo.
Antenna per anatre di gomma
Si tratta di una versione accorciata e flessibile dell'antenna a frusta monopolare. Progettata appositamente per la portabilità e la durata, le sue caratteristiche principali includono:
- Dimensioni compatte, di solito significativamente più corte di un quarto di lunghezza d'onda
- Rivestito in una guaina di gomma o di plastica per garantire protezione e flessibilità.
- Una bobina di carico incorporata per compensare la lunghezza ridotta
Sebbene le antenne a papera di gomma siano eccellenti in termini di portabilità e robustezza, ciò comporta un compromesso tra la loro efficienza e le loro dimensioni compatte. Tuttavia, per molte applicazioni portatili, quali dispositivi palmari come walkie-talkie, radio portatili e alcuni router Wi-Fi, questo compromesso è accettabile, dato il significativo miglioramento dell'usabilità e della durata.
Antenna a frusta con montaggio a molla
Le antenne a frusta con montaggio a molla sono progettate appositamente per operare in ambienti in cui vi è il rischio di subire sollecitazioni fisiche o impatti. La sua caratteristica distintiva, la base flessibile a molla, permette all'antenna di piegarsi e di tornare alla posizione originale, rendendola adatta a mantenere prestazioni costanti in ambienti difficili, dove un'antenna rigida potrebbe guastarsi o essere frequentemente disallineata.
L'antenna a frusta con montaggio a molla è utilizzata esclusivamente in applicazioni montate su veicoli, in particolare per i veicoli fuoristrada e le macchine edili, dove è richiesta una notevole durata e resistenza ai danni causati da collisioni o ostacoli bassi.
Antenna a frusta montata sul veicolo
Questo tipo di antenna a frusta è stato appositamente progettato per garantire l'aerodinamica, la resistenza al vento e alle intemperie e la facilità di montaggio su automobili, camion e altri veicoli. Le sue caratteristiche uniche includono:
- Una varietà di opzioni di montaggio come supporti magnetici, supporti a foro passante e supporti a clip
- Meccanismi di inclinazione o di ripiegamento per lo spazio in aree a bassa altezza
Spesso più lunghe delle antenne portatili, queste antenne sono utilizzate soprattutto per le radio CB, i radioamatori e i sistemi di communicazione delle flotte.
Antenna a frusta telescopica
Queste antenne sono caratterizzate da una serie di tubi a incastro che ne consentono la regolazione della lunghezza, rendendole adatte alle operazioni multibanda. Le loro caratteristiche principali includono:
- Capacità di estendersi o ritrarsi a lunghezze diverse
- Compattezza che li rende ideali per lo stoccaggio o il trasporto
La natura regolabile delle antenne telescopiche consente agli utenti di manipolarne la lunghezza per una gamma di frequenze, rendendole particolarmente utili nei ricevitori portatili a onde corte, nelle radio scanner e nelle antenne TV che operano su un'ampia gamma di frequenze.
Antenna a frusta Stubby
Le antenne a frusta Stubby sono la versione ultracompatta delle antenne a frusta e sono quindi il candidato ideale per le applicazioni di dimensioni critiche. Si caratterizzano per la loro:
- Lunghezza estremamente ridotta
- Induttanza fortemente caricata, che compensa la sua breve lunghezza.
Utilizzate principalmente per applicazioni in UHF e a frequenze più elevate, queste antenne a frusta sono utilizzate soprattutto nei moderni smartphone, nei dispositivi Bluetooth e in alcune apparecchiature radio tattiche.
Sebbene le antenne stubby offrano una compattezza senza pari, hanno l'efficienza più bassa tra i tipi di antenna a frusta. Tuttavia, questo compromesso è compensato dalla significativa riduzione delle dimensioni che offre in molte applicazioni di elettronica di consumo ad alta frequenza.
Gamma di frequenza e applicazioni
Radio CB (26.965 - 27.405 MHz)
La radio Citizens Band (CB) è una delle applicazioni più note delle antenne a frusta. Operando nella gamma di crossover HF/VHF, le radio CB sono ampiamente utilizzate in:
- L'industria del trasporto su strada per la communicazione tra autisti
- Appassionati di fuoristrada per il coordinamento delle attività
- Co1TP14Comunicazione di emergenza durante i disastri naturali
- Operazioni commerciali locali per il coordinamento del team a breve termine
Le antenne a frusta per CB sono in genere più lunghe a causa della gamma di frequenze più bassa, spesso intorno ai 2,6 metri per le antenne a quarto d'onda. Tuttavia, anche le antenne più corte e caricate sono adatte per un montaggio più pratico sui veicoli.
Banda VHF (30 - 300 MHz)
Le antenne a frusta hanno un'ampia gamma di applicazioni che rientrano nella banda delle frequenze molto alte (VHF). Alcune di esse includono
- VHF marino (156 - 174 MHz): Utilizzato per la comunicazione da nave a nave e da nave a terra.
- Trasmissione FM (88 - 108 MHz): Anche se non vengono utilizzate per la trasmissione, molte radio FM portatili utilizzano antenne a frusta per la ricezione.
- Servizi di emergenza: La polizia, i vigili del fuoco e le ambulanze utilizzano spesso le bande VHF con antenne a frusta montate sui veicoli.
Sebbene le antenne a frusta che operano nella gamma VHF siano generalmente più corte delle antenne CB, sono comunque abbastanza lunghe da essere visibili su veicoli o dispositivi portatili.
Banda UHF (300 MHz - 3 GHz)
Le antenne a frusta sono implementate anche nella banda UHF (Ultra High Frequency), dove operano molte moderne tecnologie wireless. Alcuni dei suoi casi d'uso includono:
- Reti cellulari (700 MHz - 2,6 GHz): I telefoni cellulari utilizzano spesso antenne interne a frusta.
- Wi-Fi (2.4 GHz e 5 GHz): Le piccole antenne a frusta sono utilizzate in molti router e dispositivi Wi-Fi.
- GPS (1.57542 GHz): Per i ricevitori GPS nei veicoli o nelle attrezzature esterne.
- Trasmissione TV UHF (470 - 890 MHz): Anche se non vengono utilizzati per la trasmissione, molti televisori portatili utilizzano antenne telescopiche a frusta per la ricezione.
Le antenne a frusta UHF sono in genere molto più corte delle antenne a frusta VHF, spesso lunghe solo pochi centimetri, il che le rende ideali per la realizzazione di dispositivi compatti.
IoT e reti di sensori wireless
L'Internet of Things (IoT) e le reti di sensori wireless si affidano ad antenne efficienti e compatte per consentire una connettività continua. Operando principalmente nelle bande UHF e HF, queste tecnologie utilizzano spesso antenne a frusta per l'efficienza, le dimensioni e l'economicità che offrono. Alcuni casi d'uso comuni includono:
- LoRaWAN: Operando a frequenze quali 433 MHz, 868 MHz e 915 MHz (a seconda della regione), LoRaWAN utilizza piccole antenne a frusta per garantire una comunicazione a lungo raggio e a bassa potenza.
- Zigbee e Bluetooth: Tipicamente operanti nella banda ISM 2,4 GHz, questi protocolli traggono vantaggio dall'uso di antenne a frusta in dispositivi compatti e robusti per la communicazione a corto raggio.
- NB-IoT e LTE-M: Le soluzioni IoT basate su cellulari, che operano in bande cellulari con licenza, spesso utilizzano antenne a frusta per mantenere connessioni affidabili con un consumo energetico minimo.
Applicazioni specializzate
Le antenne a frusta sono utilizzate anche in settori altamente specializzati, tra cui alcuni casi d'uso specifici:
- Commelecomunicazioni militari: Le radio tattiche utilizzano robuste antenne a frusta progettate per operare su una gamma di bande di frequenza, garantendo una communicazione affidabile e robusta.
- Aerospaziale: I sistemi di comunicazione per aerei utilizzano antenne a frusta per il loro design aerodinamico, per garantire una trasmissione efficiente dei dati in presenza di disturbi dell'aria e del vento.
- Stazioni meteorologiche: I sistemi di monitoraggio meteorologico a distanza dipendono spesso da antenne a frusta per la trasmissione di dati ambientali su lunghe distanze.
Vantaggi delle antenne a frusta
Le antenne a frusta offrono diversi vantaggi che le rendono popolari in un'ampia gamma di applicazioni.
Semplicità ed economicità:
- Il loro design semplice li rende facili da produrre.
- Relativamente poco costoso rispetto ad altri tipi di antenna.
Modello di radiazione omnidirezionale:
- Ideale per le applicazioni mobili in cui l'orientamento cambia spesso.
- Efficace per trasmettere e ricevere da più direzioni.
Durata e resistenza agli agenti atmosferici:
- La struttura semplice li rende resistenti ai fattori ambientali.
- Può essere facilmente protetto dalle intemperie con rivestimenti o guaine protettive.
- Le versioni con montaggio a molla offrono un'eccellente resistenza alle sollecitazioni fisiche.
Basso impatto visivo:
- Il profilo sottile le rende meno evidenti di molti altri tipi di antenna.
- Può essere facilmente nascosto o integrato nelle strutture esistenti.
Portabilità:
- Leggeri e facili da trasportare, soprattutto nelle versioni telescopiche.
- Ideale per le operazioni sul campo e per i sistemi di comunicazione mobile.
Svantaggi delle antenne a frusta
Sebbene le antenne a frusta offrano una notevole quantità di vantaggi, presentano anche alcune limitazioni, come ad esempio:
Guadagno limitato: Il diagramma di radiazione omnidirezionale dell'antenna a frusta comporta un guadagno ridotto rispetto alle antenne direzionali, il che la rende meno adatta alle comunicazioni punto-punto a lungo raggio.
Suscettibilità al rumore: Poiché l'antenna può captare interferenze da tutte le direzioni, richiede un filtraggio aggiuntivo per gli ambienti RF rumorosi.
Vincoli di lunghezza: Le applicazioni a bassa frequenza richiedono antenne a frusta più lunghe, che potrebbero non essere pratiche. Anche i progetti di antenne a frusta accorciate compromettono l'efficienza per le dimensioni.
Dipendenza dal piano di terra: Le prestazioni dell'antenna dipendono in larga misura da un piano di massa adeguato, pertanto una messa a terra non corretta può causare un funzionamento inefficiente e inadeguato.
Potenza di gestione limitata: Il suo profilo sottile può limitare la capacità di gestione della potenza, rendendolo inadatto ad applicazioni di trasmissione ad alta potenza.
Antenna a frusta vs. antenna a dipolo
Le antenne a frusta e a dipolo sono alcuni dei tipi di antenna più utilizzati. Le loro differenze in termini di struttura, dimensioni e funzionalità operative le rendono applicabili a diversi casi d'uso. Di seguito viene riportato un confronto delle caratteristiche principali che ne evidenziano la distinzione.
| Caratteristica | Antenna a frusta | Antenna a dipolo |
| Struttura | Elemento singolo con piano di massa | Due elementi symmetrici |
| Dimensione | Tipicamente lungo un quarto di lunghezza d'onda | Di solito è lunga mezza lunghezza d'onda |
| Piano di terra | Richiede un piano di massa | Non richiede un piano di massa |
| Modello di radiazione | Omnidirezionale in azimut (piano orizzontale) | Schema a otto in azimut |
| Impedenza | In genere 30-50 ohm (con piano di massa) | Vicino a 70 ohm |
| Applicazioni | Commelecomunicazioni mobili, dispositivi portatili | Installazioni fisse, applicazioni a banda larga |
| Facilità di installazione | Generalmente è più facile da installare, soprattutto nelle applicazioni mobili. | Richiede più spazio e spesso strutture di supporto |
Antenna a frusta vs. antenna a stilo
Le antenne Stubby, essendo un'alternativa compatta alle antenne a frusta convenzionali, offrono vantaggi unici quando le dimensioni e la durata sono una priorità. Pertanto, anche se esistono delle somiglianze tra i due tipi, esistono delle variazioni dovute alle differenze di progettazione. Di seguito è riportato un confronto tra le antenne a frusta e le antenne stubby che ne illustra le peculiarità.
| Caratteristica | Antenna a frusta | Antenna Stubby |
| Dimensione | Varia da pochi centimetri a diversi metri | In genere sono lunghi pochi centimetri |
| Gamma di frequenza: | Può essere progettato per un'ampia gamma di frequenze | Generalmente utilizzato per le frequenze più alte (UHF e superiori) |
| Efficienza | Generalmente più efficiente, soprattutto alle frequenze più basse | Meno efficiente a causa della lunghezza elettrica ridotta |
| Larghezza di banda: | Spesso ha una larghezza di banda più ampia | Larghezza di banda tipicamente più stretta |
| Applicazioni: | Versatile, utilizzato in diverse applicazioni | Utilizzato principalmente quando la compattezza è fondamentale (ad esempio, dispositivi portatili) |
| Durata: | Può essere più suscettibile ai danni fisici a causa della lunghezza. | Generalmente più robusti grazie alle dimensioni compatte |
| Estetica: | Più visibile e può influire sull'estetica del dispositivo | Meno invadente, più adatto a dispositivi dal design elegante |
Un'antenna a frusta ha bisogno di un piano di massa?
Un'antenna a frusta ha bisogno di un piano di massa per funzionare al meglio. I requisiti principali che richiedono un piano di massa sono i seguenti:
- Equilibrio elettrico:
Poiché un'antenna a frusta è più o meno la metà di un'antenna a dipolo, il piano di massa funge da "metà mancante". In questo modo si crea un'immagine speculare dell'antenna che mantiene l'equilibrio elettrico e il funzionamento efficiente.
- Schema di irradiazione:
Un piano di massa adeguato garantisce un diagramma di radiazione omnidirezionale sul piano orizzontale senza distorsioni che possono provocare un'intensità del segnale non uniforme e una copertura ridotta.
- Corrispondenza di impedenza:
Il piano di massa aiuta l'antenna a frusta a raggiungere la corretta impedenza d'ingresso, assicurando un efficiente trasferimento di potenza che altrimenti potrebbe portare a una perdita di segnale e a prestazioni ridotte dell'antenna.
I tipi di piani di massa associati alle antenne a frusta possono essere classificati come piani di massa naturali e artificiali.
I piani di terra naturali comprendono le carrozzerie dei veicoli, i tetti metallici e talvolta la Terra stessa, se utilizzata come superficie riflettente.
I piani di massa artificiali sono principalmente fili radiali, dischi metallici o altre superfici conduttive che creano un piano di massa efficace nelle installazioni fisse.
In assenza di un piano di massa convenzionale, è possibile utilizzare le seguenti alternative come piano di massa efficace,
- Fili di contrappeso:
Fili radiali disposti intorno alla base dell'antenna, che costituiscono un sostituto funzionale del piano di massa.
- Caricamento delle bobine:
Le bobine di induttanza allungano elettricamente l'antenna, compensando la mancanza di un piano di massa, ma ciò comporta una leggera riduzione delle prestazioni dell'antenna.
- Antenne No-Ground-Plane (NGP):
Si tratta di antenne appositamente progettate per ridurre al minimo la dipendenza dal piano di massa.
Un piano di massa ben definito garantisce prestazioni ottimali dell'antenna a frusta. Pertanto, la comprensione della sua importanza e delle alternative disponibili è essenziale per garantire una communicazione affidabile ed efficiente in diverse applicazioni.
Installazione e montaggio
Un'antenna a frusta correttamente installata garantisce un funzionamento ottimale per un lungo periodo di tempo. Di seguito sono riportate alcune considerazioni da fare quando si installa e si monta un'antenna a frusta.
1. La posizione
- Un sito con ostruzioni fisiche minime consente una migliore propagazione del segnale.
- Si noti inoltre che il posizionamento dell'antenna vicino ad altre antenne, linee elettriche o grandi oggetti metallici può causare disturbi RF.
2. Metodi di montaggio
- Supporti magnetici: Si tratta di tipi di montaggio rapidi e portatili, che li rendono adatti a installazioni temporanee, ma sono meno affidabili in condizioni di alta velocità o difficili.
- Supporti permanenti: Questi supporti richiedono la foratura della superficie di montaggio, il che li rende un'opzione stabile per l'uso a lungo termine.
- Supporti a clip: Particolarmente utili come installazioni temporanee, questi supporti possono essere facilmente fissati senza modificare la superficie di montaggio.
3. Considerazioni sul piano di terra
- Assicurare un ottimo contatto elettrico tra l'antenna e il piano di massa.
- Per le installazioni su superfici non metalliche si devono utilizzare piani di terra artificiali come lamiere o fili radiali per simulare l'effetto di messa a terra.
4. Installazione dei cavi
- Utilizzare un cavo coassiale di alta qualità e a bassa perdita per ridurre al minimo la perdita di segnale.
- Assicuratevi che i cavi siano il più corti possibile ed evitate curve strette che potrebbero degradare il segnale.
6. Considerazioni sulla sicurezza
- Evitare l'installazione in prossimità di linee elettriche aeree o di ostacoli bassi, soprattutto per le antenne alte.
- Assicurarsi che l'antenna sia fissata saldamente per evitare che si stacchi durante gli spostamenti o in condizioni atmosferiche avverse.
7. Messa a punto e test
- Dopo l'installazione, utilizzare un misuratore SWR (Standing Wave Ratio) per misurare le prestazioni dell'antenna e regolare di conseguenza la lunghezza o la posizione dell'antenna, se necessario, per ottenere valori SWR ottimali e un funzionamento efficiente.
Conclusione
Nel dinamico panorama delle commomunicazioni wireless, le antenne a frusta svolgono un ruolo importante, offrendo soluzioni versatili per un'ampia gamma di applicazioni. Nonostante il loro design snello e semplice, queste antenne si distinguono come componenti indispensabili, grazie alla loro adattabilità, economicità e facilità di manutenzione, che le rendono parte integrante dei moderni sistemi di communicazione. La loro capacità di funzionare in diversi ambienti e gamme di frequenza ne evidenzia ulteriormente l'importanza pratica.
Nonostante alcune limitazioni, come la dipendenza da un piano di massa e i limiti di guadagno, le antenne a frusta continuano a dimostrare la loro importanza. La loro impareggiabile affidabilità, semplicità e flessibilità garantisce una connettività continua dei dispositivi e supporta l'innovazione in innumerevoli applicazioni, dai sistemi radio tradizionali alle tecnologie IoT emergenti, consolidando il loro posto nel mondo in evoluzione della tecnologia wireless.
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