Un’antenna trasmittente converte i segnali elettrici in onde elettromagnetiche, gestendo tipicamente livelli di potenza da 10W a 50kW. Un’antenna ricevente cattura queste onde e le riconverte in segnali elettrici, operando solitamente a bassa potenza, come da -50 dBm a -20 dBm.
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Utilizzo
Le antenne trasmittenti sono utilizzate nelle stazioni radio, nelle torri del segnale TV e nelle stazioni base per comunicazioni mobili. Le antenne trasmittenti delle stazioni radio FM operano nella banda da 88 a 108 MHz e la potenza di trasmissione può raggiungere i 5.000 watt o più. Questa potenza può coprire un raggio di circa 80 chilometri, garantendo che gli utenti entro questo raggio possano ricevere chiaramente il segnale. La potenza dell’antenna trasmittente della stazione base di comunicazione mobile è compresa tra 20 watt e 100 watt in base alla necessità di coprire l’area; la potenza della stazione base è maggiore nelle zone suburbane o rurali, mentre è minore in città perché le stazioni base sono dense.
L’antenna ricevente di una TV domestica può ricevere segnali da torri televisive distanti da pochi chilometri a decine di chilometri. Nel caso della televisione digitale, l’utente utilizza un’antenna ricevente con una sensibilità compresa tra 25 e 35 dBi, e tale antenna può ricevere onde elettromagnetiche in un intervallo di intensità del segnale da 1μV a 50μV. Il prezzo dell’antenna ricevente domestica varia generalmente da 200 a 600 yuan.
Capacità di gestione della potenza
Le antenne trasmittenti utilizzate per la radiodiffusione a onde medie hanno una potenza fino a 50 kilowatt, mentre le piccole antenne trasmittenti per uso domestico hanno una potenza di poche decine di watt, come le antenne dei router Wi-Fi che operano tra 0,1 watt e 1 watt. Il design dell’antenna del router è ottimizzato anche per diverse bande di frequenza, come la banda a 2,4 GHz, adatta per un raggio di copertura più ampio, e la banda a 5 GHz, che ha una velocità di trasferimento dati superiore.
La potenza del segnale dell’antenna ricevente per TV satellitare può essere elaborata tra -50 dBm e -20 dBm, e la sensibilità di un’antenna satellitare con un diametro di 1,8 metri può superare i 45 dBi.
I materiali comunemente usati per le antenne trasmittenti includono rame e lega di alluminio; la conduttività del filo di rame è di 5,96 × 10^7 S/m, molto più alta di altri materiali comuni. Un’antenna trasmittente ad alta potenza per una stazione radio può costare centinaia di migliaia di yuan e la sua durata di vita è di 10-15 anni.
Un’antenna ricevente per esterni standard può durare da otto a 12 anni e il prezzo varia da 300 a 1.000 yuan, a seconda delle specifiche e del materiale dell’antenna. La durata dell’antenna ricevente per interni è generalmente di 5-8 anni e il prezzo è relativamente basso, tra 100 e 300 yuan.
Il costo di installazione dell’antenna trasmittente di una stazione radio può raggiungere centinaia di migliaia o addirittura milioni di yuan, e la potenza dell’antenna trasmittente potrebbe dover essere superiore di oltre il 30% rispetto a quella di una zona pianeggiante per superare gli ostacoli del terreno. I costi di manutenzione ammontano a decine di migliaia di dollari all’anno per ispezioni regolari, calibrazione delle apparecchiature e sostituzione delle parti danneggiate.
Il costo di installazione dell’antenna ricevente per TV satellitare varia da 500 a 2.000 yuan, a seconda del luogo di installazione e della difficoltà di ricezione del segnale. I costi di manutenzione sono più contenuti e gli utenti domestici generalmente devono solo regolare la direzione dell’antenna ogni pochi anni, con un costo di circa 100-200 yuan.
Considerazioni sul design
Una tipica antenna trasmittente per trasmissioni AM utilizza un’antenna omnidirezionale a polarizzazione verticale; per le stazioni radio AM con una potenza superiore a 10 kW, l’altezza dell’antenna è compresa tra 100 e 200 metri. L’altezza dell’antenna deve essere un quarto della lunghezza d’onda del segnale per garantire una trasmissione efficiente. Operando nella banda dei 1000 kHz, l’altezza dell’antenna è di circa 75 metri.
Le antenne trasmittenti per segnali TV ad altissima frequ (UHF) sono tipicamente progettate come antenne ad array, che possono focalizzare la potenza di trasmissione in una direzione specifica per aumentare l’intensità del segnale e ridurre la perdita di energia in altre direzioni. Le antenne TV UHF trasmettono potenza tra 5 kW e 20 kW, e le dimensioni dell’array variano in base alle specifiche esigenze di copertura; la lunghezza dell’array di alcune grandi torri TV urbane può superare i 50 metri.
I segnali ad alta frequenza (come i segnali radio FM e televisivi) richiedono antenne relativamente corte; la radio FM, con una gamma di frequenza da 88 a 108 MHz, ha una lunghezza d’onda di circa 3-4 metri, quindi la lunghezza tipica di un’antenna è un quarto o metà lunghezza d’onda, ovvero tra 0,75 metri e 2 metri. Le dimensioni delle antenne per segnali a bassa frequenza, come le antenne per trasmissioni a onde lunghe, operano nella gamma di frequenza da 30 a 300 kHz, con lunghezze d’onda tra 1 km e 10 km.
Prendendo come esempio l’antenna ricevente TV domestica, il segnale TV nella banda UHF (da 470 a 862 MHz) utilizza una lunghezza d’onda dell’antenna da 30 a 60 cm, quindi la dimensione dell’antenna ricevente è compresa tra 10 cm e 30 cm. L’antenna ricevente per TV satellitare opera nella banda di frequenza superiore a 10 GHz e il diametro della parabola ricevente varia da 60 cm a 1,8 m, a seconda della potenza del segnale satellitare e della posizione geografica del punto di ricezione.
L’antenna trasmittente utilizza rame o alluminio come materiale principale; il rame ha una conduttività elettrica di circa 5,96 × 10^7 S/m, una delle più alte tra i metalli comuni. Sebbene la conduttività dell’alluminio sia di soli 2,38 × 10^7 S/m, rimane un materiale comune per le antenne trasmittenti ad alta frequenza grazie alla sua leggerezza e resistenza alla corrosione. Per le stazioni trasmittenti a onde corte ad alta potenza da 50 kW, le prestazioni di dissipazione del calore del materiale dell’antenna sono molto importanti e devono essere controllate da sistemi di raffreddamento ad aria o a liquido.
Le torri e le antenne devono essere progettate per resistere a venti superiori a 200 chilometri orari. Secondo gli standard del settore, un’antenna trasmittente efficiente deve essere in grado di mantenere prestazioni stabili per 20-30 anni, e i costi di manutenzione rappresentano il 10%-15% del costo dell’apparecchiatura; le comuni antenne hanno funzioni di protezione dalle interferenze radio e schermatura elettromagnetica, con prezzi che variano tra 100 e 300 yuan.
Guadagno dell’antenna
Il guadagno dell’antenna è un’importante misura della capacità di un’antenna di dirigere la radiazione o ricevere onde elettromagnetiche, ed è espresso in dBi (guadagno relativo a un’antenna isotropa) o dBd (guadagno relativo a un’antenna a dipolo). Una tipica antenna trasmittente omnidirezionale ha un guadagno di 3 dBi, il che significa che può focalizzare il segnale orizzontalmente e aumentare l’intensità del segnale rispetto a un’antenna isotropa. Le antenne direzionali ad alto guadagno possono focalizzare l’energia in una direzione specifica, con guadagni possibili da 10 dBi a 20 dBi. Alcune antenne trasmittenti ad alto guadagno per il Wi-Fi raggiungono i 12 dBi e possono coprire distanze di centinaia di metri.
Nel campo della radiodiffusione, una tipica antenna trasmittente FM ha solitamente un guadagno di 10 dBi, che garantisce la copertura del segnale in un raggio da 50 km a 100 km, a seconda della potenza di trasmissione. Nel caso di una stazione radio che trasmette a 5.000 watt, un’antenna con guadagno di 10 dBi può mantenere la qualità del segnale su lunghe distanze. Nelle stazioni base di comunicazione mobile, il guadagno dell’antenna trasmittente è solitamente compreso tra 14 dBi e 18 dBi. Tali antenne ad alto guadagno possono ottenere una copertura accurata in città, migliorando la stabilità e l’efficienza della comunicazione. Prendendo come esempio una tipica stazione base urbana, una stazione con una potenza di trasmissione di 50 watt ha un guadagno dell’antenna di 16 dBi, in grado di coprire un raggio di diversi chilometri.
Una tipica antenna ricevente satellitare ha un guadagno da 30 dBi a 45 dBi: maggiore è il guadagno, più forte è il segnale ricevuto e maggiore è la sua chiarezza. In Europa, un’antenna ricevente satellitare di 1,2 metri di diametro ha un guadagno compreso tra 38 dBi e 40 dBi, il che garantisce che l’attenuazione del segnale sia mantenuta entro limiti accettabili anche in caso di maltempo. Se il guadagno dell’antenna ricevente è inferiore a 30 dBi, potrebbe non ricevere un segnale TV nitido durante i temporali.
Per le antenne riceventi per TV digitale domestica, il guadagno è compreso tra 15 dBi e 25 dBi. Un’antenna per TV digitale da 200 yuan, con un guadagno di 20 dBi, può ricevere segnali TV a decine di chilometri di distanza. Il prezzo di un’antenna da 25 dBi è di circa 500 yuan, adatta per utenti che vivono in zone remote.
Le antenne omnidirezionali che coprono un’area vasta hanno solitamente un guadagno basso, con un valore tipico da 2 dBi a 5 dBi, adatto per scenari che richiedono la copertura simultanea di segnali in più direzioni, come i router Wi-Fi domestici. Un’antenna Wi-Fi con guadagno di 2 dBi può coprire un raggio di circa 30 metri, mentre un’antenna con guadagno di 5 dBi può arrivare a 50 metri o più. Molti router ad alte prestazioni utilizzano antenne con guadagno da 5 dBi a 9 dBi per garantire la copertura dell’intera casa e del giardino.
Le antenne direzionali aumentano la copertura focalizzando i segnali in una sola direzione. Prendendo come esempio la comune antenna direzionale parabolica, il suo guadagno è solitamente superiore a 20 dBi ed è in grado di coprire una distanza di diversi chilometri o più. Alcune antenne direzionali utilizzate per trasmissioni Wi-Fi a lunga distanza possono raggiungere un guadagno di 24 dBi, consentendo la trasmissione del segnale per diversi chilometri su aree aperte. Nelle telecomunicazioni o nelle comunicazioni radio, le antenne direzionali ad alto guadagno sono particolarmente comuni. Alcune antenne utilizzate nelle comunicazioni militari o spaziali, ad esempio, possono raggiungere guadagni da 30 dBi a 40 dBi e possono trasmettere efficacemente segnali per centinaia di chilometri, garantendo la ricezione di un forte feedback del segnale anche in ambienti estremi.
