Antenne a slot spiegate: impedenza, polarizzazione e prestazioni nella comunicazione wireless

Un'antenna a fessura è un tipo di antenna formata da una fessura o un foro stretto tagliato in una superficie conduttiva.In genere operando nell'intervallo di frequenza da 300 MHz a 30 GHz, le antenne a slot offrono una struttura e una funzione uniche.Gli slot sono in genere metà della lunghezza d'onda della frequenza che trasmettono o ricevono e il loro design consente radiazioni efficienti.A differenza delle antenne di dipolo, le antenne a slot sono note per la loro robustezza, una maggiore gestione della potenza e la capacità di essere incorporati nelle superfici metalliche, rendendole adatte per applicazioni in comunicazione satellitare, radar e aerospaziale.

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Figura 1. Panoramica delle antenne di slot

Cos'è un'antenna a slot?

Un'antenna a fessura è essenzialmente un foro o una fessura stretta tagliata in una superficie conduttiva.La lunghezza dello slot è di circa la metà della lunghezza d'onda del segnale che trasmette o riceverà.In termini più semplici, pensa allo slot come a una "finestra" in cui le onde elettromagnetiche possono passare attraverso, con la larghezza dello slot che colpisce la larghezza di banda dell'antenna.Le antenne a slot vengono utilizzate su una vasta gamma di frequenze, in genere da 300 MHz a 30 GHz, che le colloca nelle gamme di frequenza ultra-alte a super-alte.

Come appare un'antenna a slot?

Osservando la struttura di base, un'antenna a fessura è costituita da un foglio di metallo (in cui viene tagliato lo slot), un piano di terra (che funge da superficie di riferimento per l'antenna) e spesso alcuni slot.Questi slot sono generalmente di forma rettangolare e la lunghezza degli slot è in genere impostata su metà della lunghezza d'onda della frequenza utilizzata.Se guardi da vicino un diagramma di base dell'antenna, vedrai che la lunghezza combinata di tutti gli slot è uguale a 2λ (due volte la lunghezza d'onda), che è la chiave per il suo funzionamento.

Ad esempio, ogni slot ha una lunghezza λ/2 e con quattro slot, la lunghezza totale aggiunge fino a 2λ (4 × λ/2).Questo design aiuta a ottimizzare la capacità dell'antenna di irradiare in modo efficace i segnali.

Figura 2. Struttura etichettata dell'antenna slot

Come funziona un'antenna a slot?

Le antenne a slot funzionano basate sul principio di Babinet, che è un po 'come una regola di "immagine speculare".Il principio afferma che due strutture complementari-come l'antenna di slot e un'antenna di dipolo a mezza onda-produceranno lo stesso modello di diffrazione, ma in modi opposti.L'antenna slot e un dipolo a mezza onda condividono un design simile, ma la differenza è nel modo in cui sono costruiti.Se dovessi "rispecchiare" lo slot in un materiale conduttore, otterresti un'antenna di dipolo a mezza onda.Quindi, in un certo senso, l'antenna slot può essere considerata come "opposto" della sua antenna di dipolo complementare.

Come fa un'antenna a slot irradia segnali?

Guardando il modello di radiazione di un'antenna a slot, la direzione dei campi elettrici e magnetici è importante per capire come funziona.Quando l'antenna slot è posizionata in orizzontale, il campo elettrico si allinea con l'asse Y e il campo magnetico si allinea con l'asse x.Ciò si traduce in un segnale polarizzato verticalmente.Se l'antenna viene posizionata verticalmente, la polarizzazione del segnale passerà a orizzontale.

Figura 3. Antenna slot e la sua antenna di dipolo complementare

Questo comportamento contrasta con un'antenna di dipolo.Quando un dipolo è orientato in orizzontale, irradierà una polarizzazione del segnale orizzontale e, se viene posizionato in verticale, produrrà una polarizzazione verticale.In termini semplici, la polarizzazione di un'antenna a slot è inversamente proporzionale al suo orientamento.Quindi, se si trasforma l'antenna slot da orizzontale a verticale, capovolge la polarizzazione del segnale.Un dipolo, d'altra parte, mantiene una relazione diretta tra il suo orientamento e la polarizzazione del segnale.

Differenze chiave tra antenne di slot e dipolo

Le antenne a slot e le antenne di dipolo differiscono in diversi modi, influenzando le loro prestazioni, design e applicazioni.Di seguito è riportato una rottura delle loro principali differenze:

Intervallo di comunicazione: le antenne a slot generalmente supportano le distanze di comunicazione più lunghe a causa della loro natura direzionale e dell'alta efficienza, rendendole adatte alle applicazioni che richiedono una copertura estesa.Al contrario, le antenne di dipolo sono più adatte alla comunicazione a corto a medio raggio.

Stabilità meccanica: un'antenna a fessura è in genere integrata in una superficie metallica, come una fusoliera di aeromobili o un piano di terra, rendendola meccanicamente più forte e più durevole.Le antenne di dipolo, in particolare i tipi di filo sottile o di frusta, sono più fragili e inclini alla piegatura o alla rottura sotto stress fisico.

Larghezza di banda: le antenne a slot offrono spesso una larghezza di banda più ampia, che consente loro di supportare più frequenze e diverse applicazioni.Le antenne di dipolo, d'altra parte, hanno una larghezza di banda più stretta, limitando la loro flessibilità nella selezione di frequenza.

Considerazioni sulle dimensioni: le antenne a slot tendono ad essere più grandi a causa della loro dipendenza da una superficie conduttiva per il funzionamento.Questo può essere un fattore limitante per i progetti compatti.Le antenne di dipolo, in confronto, sono in genere più piccole e più leggere, rendendole più facili da integrare nei sistemi vincolati nello spazio.

Intervallo di frequenza: le antenne a slot funzionano efficacemente tra 300 MHz e 30 GHz, coprendo un ampio spettro utilizzato in applicazioni ad alta frequenza come la comunicazione radar e satellitare.Le antenne di dipolo, al contrario, funzionano meglio nella gamma da 20 MHz a 2,2 GHz, rendendole più comuni in applicazioni a bassa frequenza come la trasmissione FM e la comunicazione a onde corte.

Applicazioni di antenne a slot

Le antenne a slot sono ampiamente utilizzate in vari settori a causa della loro efficienza, radiazioni direzionali e adattabilità.Di seguito sono riportate alcune applicazioni del mondo reale:

Imaging medico:

Le antenne a slot svolgono un ruolo chiave nei dispositivi di scansione a raggi X e TC.Aiutano a catturare segnali a microonde generati dal sistema, garantendo risultati di imaging accurati.

Funzionano in combinazione con cristalli piezoelettrici, che convertono i segnali elettrici in vibrazioni meccaniche a fini di imaging.

La loro capacità di gestire una vasta gamma di frequenze garantisce uscite di scansione precise e dettagliate.

Comunicazione satellitare:

Utilizzato nei piatti satellitari per la trasmissione del segnale e la ricezione tra satelliti e stazioni di terra.

La natura ad alto guadagno delle antenne a slot garantisce una comunicazione a lunga distanza efficiente, cruciale per una rete satellitare stabile.

Aiutano a ridurre al minimo la perdita del segnale e massimizzare l'efficienza nella trasmissione TV e sulla trasmissione dei dati diretti a casa (DTH).

Sistemi radar:

Si trovano comunemente nella sorveglianza militare, nel controllo del traffico aereo e nel monitoraggio meteorologico.

Il loro modello di radiazione direzionale consente un rilevamento e il monitoraggio precisi degli oggetti.

Le tecniche di polarizzazione avanzate migliorano la loro capacità di distinguere tra bersagli e rumore di fondo.

Network di sensori wireless (WSNS):

Integrato in dispositivi IoT e reti wireless industriali per raccolta e trasmissione di dati senza soluzione di continuità.

La loro capacità di funzionare in modo efficiente su lunghe distanze li rende ideali per applicazioni come il monitoraggio ambientale, il monitoraggio delle risorse e la comunicazione della griglia intelligente.

Aerospaziale e difesa:

Installato in velivoli militari, satelliti e droni per una comunicazione sicura e resistente alle interferenze.

Utilizzato nei sistemi di guerra elettronici per rilevare, inceppare o contrastare i segnali nemici.

Montato sui droni per missioni di ricognizione e sorveglianza a basso rischio.

Vantaggi delle antenne di slot

Le antenne a slot offrono molteplici vantaggi che li rendono una scelta eccellente per molti sistemi di comunicazione wireless:

Gestione ad alta potenza: a differenza delle antenne tradizionali, le antenne a slot possono resistere a livelli elevati di potenza senza surriscaldamento o degrado.Questa funzione è cruciale per le applicazioni che richiedono un funzionamento continuo in trasmissione ad alta potenza.

Interferenza minima con antenne vicine: a causa del loro basso accoppiamento reciproco, le antenne a slot possono essere posizionate vicino ad altre antenne senza causare interferenze significative.Ciò è particolarmente utile nei sistemi multi-antenna, come array radar e reti satellitari.

Integrazione in PCB e schede elettroniche: le antenne a slot possono essere direttamente incorporate in circuiti stampati (PCB), riducendo la necessità di componenti di antenne esterne.Ciò li rende ideali per dispositivi elettronici compatti come moduli di comunicazione wireless e attrezzature mediche portatili.

Flessibilità e affidabilità: la loro solida costruzione e la capacità di essere incorporate nelle superfici metalliche li rendono altamente durevoli in ambienti estremi.Le antenne a slot sono ampiamente utilizzate in applicazioni industriali e militari in cui l'affidabilità è un requisito chiave.

Design economico: il semplice design strutturale di antenne a slot le rende più convenienti da produrre rispetto a tipi di antenne più complessi.I loro bassi requisiti di manutenzione riducono ulteriormente i costi operativi a lungo termine.

Svantaggi delle antenne di slot

Nonostante i loro vantaggi, anche le antenne di slot hanno alcune limitazioni che dovrebbero essere considerate:

Peso più pesante: poiché le antenne a slot sono in genere integrate in superfici metalliche o guide d'onda, possono essere più pesanti rispetto alle tradizionali antenne a base di filo.Ciò può rappresentare sfide nelle applicazioni sensibili al peso, come nei piccoli droni o dispositivi di comunicazione portatili.

Efficienza di radiazione inferiore: le antenne a slot tendono ad avere perdite più elevate a causa del loro design, in particolare se implementate in guide d'onda caricate dielettriche.Ciò può avere un impatto sull'efficienza complessiva del sistema, che richiede una potenza aggiuntiva per raggiungere la potenza del segnale desiderata.

Problemi di polarizzazione incrociata: le antenne a slot possono presentare un alto grado di polarizzazione incrociata, che può portare a una ridotta chiarezza del segnale in alcune applicazioni.Sono necessarie accurate considerazioni di progettazione per ridurre al minimo gli effetti di polarizzazione indesiderati, in particolare nei sistemi di radar e di comunicazione sensibili.

Impedenza di un'antenna di slot

L'impedenza di un'antenna a slot svolge un ruolo fondamentale nella definizione della distribuzione della tensione e del comportamento del campo elettrico all'interno dell'antenna.Questa impedenza determina quanto efficiente le correnti che circolano attorno allo slot contribuiscono alle radiazioni.

Relazione tra antenna slot e impedenza dell'antenna dipolo

Figura 4. Impedenza reale e immaginaria delle antenne di slot

L'impedenza di un'antenna di slot è matematicamente correlata all'impedenza della sua antenna di dipolo complementare.La relazione è espressa dalla formula:

Dove:

= Impedenza dell'antenna slot

= Impedenza dell'antenna di dipolo complementare

= Impedenza intrinseca dello spazio libero (in genere o circa 376,7Ω)

Esempio di calcolo

Dato:

Impedenza dell'antenna di dipolo

Impedenza intrinseca dello spazio libero

Usando la formula:

Sostituendo i valori:

Pertanto, l'impedenza dell'antenna slot è di circa 487Ω.

In che modo l'impedenza influisce sull'attenuazione

L'attenuazione si riferisce alla riduzione della potenza del segnale mentre si propaga attraverso un mezzo.L'impedenza di un'antenna influenza l'attenuazione influenzando l'efficienza della trasmissione del segnale.

Fattori che influenzano l'attenuazione

L'attenuazione è influenzata da:

Caratteristiche medi di trasmissione - Materiali come aria, sostanze dielettriche o conduttori influenzano la perdita del segnale.

Frequenza del segnale: le frequenze più alte tendono a sperimentare una maggiore attenuazione.

Distanza di propagazione - Più un segnale più lontano viaggia, più energia perde.

Ostacoli nel percorso: barriere fisiche come edifici, alberi e pareti causano riflesso, diffrazione e assorbimento.

Impatto dell'alta impedenza

Un'antenna a slot con maggiore impedenza migliora l'efficienza del segnale riducendo l'attenuazione.Questo si verifica perché:

Riduce al minimo la perdita di potenza attraverso le riflessioni.

Migliora la corrispondenza dell'impedenza, portando a un migliore trasferimento di energia.

Riduce l'interferenza dagli ostacoli mantenendo un segnale più forte.

Componenti di campo di un'antenna slot

Il principio di Babinet afferma che i componenti di campo di un'antenna a slot e la sua antenna di dipolo complementare sono strettamente correlati ma scambiati.Questo significa:

Il campo elettrico (e-field) del dipolo corrisponde al campo magnetico (campo H) dell'antenna slot.

Il campo magnetico (campo H) del dipolo corrisponde al campo elettrico (campo elettronico) dell'antenna slot.

Per distinguere tra loro, viene utilizzata la notazione:

I componenti del campo di antenna slot sono rappresentati con un pedice "S".

I componenti del campo di antenna di dipolo sono rappresentati con un pedice "C".

Equazioni dei componenti sul campo

La relazione tra i campi è data da:

Ciò significa che se conosci l'intensità del campo di un'antenna, puoi calcolare la forza del campo della sua antenna complementare.

Considerazioni chiave

La polarizzazione è invertita tra le due antenne.

Per mantenere l'efficienza è necessaria una corretta corrispondenza di impedenza.

Le caratteristiche direzionali differiscono, il che influisce sul loro uso in applicazioni pratiche.

Esempi risolti

Esempio 1: componente del campo magnetico di un'antenna slot

Dato:

Componente di campo elettrico dell'antenna di dipolo:

Impedenza intrinseca dello spazio libero:

Usando l'equazione:

Sostituire i valori:

Pertanto, la componente del campo magnetico dell'antenna slot è -14,1 A/m.

Esempio 2: componente del campo elettrico di un'antenna di dipolo

Dato:

Componente di campo magnetico dell'antenna slot:

Impedenza intrinseca dello spazio libero:

Riorganizzare l'equazione da risolvere per :

Sostituire i valori:

Pertanto, il componente del campo elettrico dell'antenna di dipolo è -5,7 × 10¹¹ V/m.Il segno negativo indica la polarizzazione opposta tra le due antenne.