I sistemi di comunicazione a microonde a punto sono la spina dorsale delle moderne infrastrutture di telecomunicazione, consentendo una trasmissione dati ad alta capacità su lunghe distanze. Al centro di questi sistemi sono antenne direzionali, che concentrano l'energia della radiofrequenza in un raggio stretto per massimizzare la resistenza del segnale e minimizzare le interferenze.

Le antenne direzionali sono essenziali nelle comunicazioni a microonde punto per il fatto che concentrano la potenza irradiata in una direzione specifica, aumentando la gamma efficace e riducendo la probabilità di interferenze da o verso altri sistemi.

Tre tipi principali di antenne direzionali dominano il paesaggio punto a punto del microonde. Le antenne paraboliche] utilizzano una superficie riflettente curva per collimare le onde da un corno di alimentazione, producendo molto alto guadagno (tipicamente 20–40 dBi) e le travi a trave strette (alcuni gradi).

Parametri e Trade-off di progettazione critica

La progettazione di un'antenna direzionale per i collegamenti a microonde a punto si basa su diversi parametri interconnessi. Gli ingegneri devono bilanciare questi parametri per soddisfare specifiche esigenze di budget del collegamento, vincoli normativi e ambienti operativi.

Gain e Beamwidth

Il guadagno di antenna è una misura di come efficacemente l'antenna concentra la potenza di frequenza radio in una direzione particolare rispetto ad un radiatore isotropico. È direttamente correlato alla dimensione di apertura e all'efficienza elettrica. Per i piatti parabolici, il guadagno (approssimato da G = (4πA eff) /λ2], dove A eff è l'apertura effettiva e λ aumenta la lunghezza d'onda

Rapporto anteriore-ritorno

Il rapporto tra F/B (tipo >30 dB per i piatti ad alte prestazioni) è fondamentale in ambienti congestionati per ridurre le interferenze e i collegamenti co-located o adiacenti. Riduce anche l'impatto dei segnali che arrivano dall'antenna, che possono causare un'attenta accoppiamento.

Polarizzazione e Discriminazione di polarizzazione

L'allineamento polarizzatore tra le antenne di trasmissione e ricezione è obbligatorio per un trasferimento di potenza efficiente. In punti a punto i collegamenti a microonde, la polarizzazione lineare (orizzontale o verticale) è comune, anche se la polarizzazione circolare può essere utile in determinate condizioni di pioggia o ghiaccio.

Abbinamento di impedenza e VSWR

L'antenna deve presentare un'impedenza di ingresso stabile (solitamente 50 Ω) sulla larghezza di banda di funzionamento; altrimenti, la potenza riflessa riduce l'efficienza e può danneggiare il trasmettitore. Rapporto di tensione in piedi (VSWR) quantifica la partita—una VSWR di 1,5:1 o inferiore è tipica per le antenne premium.

Fattori ambientali e di installazione

Anche l'antenna più perfetta elettricamente non mancherà se non è robusta per l'ambiente di distribuzione. I seguenti fattori sono centrali per le prestazioni del mondo reale.

Terra e linea di sicurezza

I collegamenti a microonde a punto si basano su una linea di vista non ostruita (LOS) tra antenne. Le caratteristiche del terreno come colline, edifici e vegetazione possono causare perdite di diffrazione e dissolvenza multipatico. Per garantire un funzionamento affidabile, gli ingegneri effettuano il percorso di profilazione utilizzando modelli di elevazione digitale e l'analisi della zona di Fresnel. La prima zona di Fresnel - una ellissoide che circonda la linea ottica - deve essere evitare di attenuazione del 60% di ostacoli passivi necessari.

Effetti atmosferici e Fade della pioggia

Le frequenze a microonde più elevate (soprattutto sopra i 10 GHz), le piogge e i gas atmosferici causano una significativa attenuazione. L'ITU-R fornisce modelli per la stima delle fade a pioggia basati sulle statistiche regionali della velocità di pioggia. Il design di Antenna deve tenere conto di queste perdite nel budget del collegamento, spesso richiedendo un maggiore guadagno o aperture più grandi per mantenere il margine di dissolvenza.

Carico del vento e stabilità meccanica

I venti alti possono spostare un'antenna a fascio stretto, con conseguente perdita di allineamento e di collegamento. La struttura dell'antenna deve essere abbastanza rigida da mantenere il punto di fascio all'interno di una frazione della sua larghezza di trave in condizioni di vento peggiore.

Tolleranze di allineamento

Per le antenne con larghezza di trave di 1–2°, l'allineamento meccanico deve essere estremamente preciso, in genere entro 0,1° a 0,5° a seconda del guadagno. Ciò richiede l'uso di obiettivi di avvistamento, inclinometri digitali, o anche strumenti di boresighting basati sul GPS.

Selezione dei materiali e costruzione

I materiali scelti per un'antenna direzionale influiscono direttamente sulle sue prestazioni elettromagnetiche, durata e costo.

Antenne di cenere paraboliche

Il riflettore è il componente più critico. Deve essere un paraboloide preciso con rugosità superficiale tipicamente inferiore a 1/16 della lunghezza d'onda operativa — a 18 GHz, questo significa deviazioni superficiali sotto 1 mm. I materiali comuni includono alluminio di sperone (peso leggero, buona precisione superficiale), vetroresina con rivestimento conduttivo (basso costo, resistente alla corrosione), e compositi in fibra di carbonio (carbone estremamente rigida e leggero ma costoso).

Antenne Yagi-Uda

Gli array Yagi per frequenze a microonde (ad esempio, 2.4–6 GHz) tipicamente utilizzano tubi in alluminio o rame per elementi. L'elemento pilota è un dipolo piegato o una corrispondenza gamma per il controllo dell'impedenza, mentre gli elementi parassitari (reflector e registi) sono precisamente distanziati e sintonizzati. La resistenza alla corrosione è importante perché Yagis è spesso esposto agli elementi; l'alluminio anodizzato o l'acciaio inossidabile devono essere in boom del carico rigido.

Antenne a raggi d'arto

Questi antenne utilizzano la tecnologia PCB (PCB) per le patch e le reti di alimentazione radianti. I substrati come Rogers 4350B o il polimero di cristallo liquido (LCP) offrono una bassa perdita e una stabile autorizzazione alla temperatura.

Test, verifica e manutenzione

Dopo la progettazione e la produzione, test approfonditi assicura che l'antenna soddisfi le specifiche.

Test di laboratorio

I test di portata di campo e di campo lontano[ misurano i modelli di radiazione, guadagnano, travi a raggi, rapporto F/B e polarizzazione. In una camera anecoica, l'antenna è montata su un posizionatore e illuminata da una sonda; i dati vengono elaborati per estrarre i modelli di campo lontano.

Ottimizzazione di campo e di collegamento

Durante l'installazione, viene utilizzato un analizzatore di spettro di campo e un contatore di potenza per verificare la resistenza del segnale ricevuto. Il disallineamento temporaneo viene corretto mediante la regolazione fine dell'antenna azimut e dell'altezza mentre monitora il livello o la velocità di errore del bit ricevuti. Molti sistemi moderni utilizzano il controllo automatico della potenza di trasmissione (ATPC) per regolare per dissolvenza, ma questo non sostituisce l'allineamento corretto.

Manutenzione periodica

Nel tempo, le prestazioni dell'antenna possono degradarsi a causa della corrosione, dell'accumulo di sporco o ghiaccio, dell'allentamento dell'hardware, o del strisciamento nella forma del riflettore. Un programma di manutenzione dovrebbe includere l'ispezione visiva, la pulizia del riflettore e radome, il ri-torquinamento dei bulloni, e il ricontrollamento dell'allineamento con un campo di avvistamento.

Disegni futuri in Progettazione di Antenna direzionale

La gamma di componenti per antenna a raggi ultra-alti è in grado di fornire una maggiore flessibilità e una maggiore flessibilità di funzionamento.

Conclusioni

Progettare antenne direzionali per comunicazioni a microonde a punto è una sfida ingegneristica multiforme che collega la teoria elettromagnetica, la scienza dei materiali e i vincoli di distribuzione pratici. Con un bilanciamento accurato dei margini di guadagno, larghezza di trave, rapporto frontale-back, polarizzazione e corrispondenza di impedenza, mentre anche la contabilità per fattori ambientali come il terreno, fade pioggia, carico del vento e tolleranze di allineamento, gli ingegneri possono creare fasi promettenti che forniscono l'alta capacità e l'affidabilità moderna.