Studio, realizzazione e caratterizzazione di un'antenna ad elica per collegamenti wi-fi

INTRODUZIONE 
 
 
L'ingegneria è una scienza applicata volta alla risoluzione di problematiche che occorrono nella 
soddisfazione dei bisogni umani; in generale, quindi, possiamo definire l'ingegneria come la 
Scienza delle soluzioni. All'inizio di un progetto infatti, un ingegnere deve capire quali sono i 
vincoli che condizionano il problema, sia esso la costruzione di un oggetto o un'applicazione più 
complessa. I vincoli includono le risorse disponibili, le prospettive per il futuro ed i limiti fisici o 
tecnici. A partire dalla conoscenza di tali vincoli, il compito di un ingegnere è quello di tradurre i 
requisiti in specifiche, disegni e controlli della qualità necessari a soddisfare i requisiti richiesti per 
un determinato campo di impiego e per la realizzazione di opere, prodotti, impianti o servizi. Gli 
ingegneri utilizzano gli strumenti principalmente della fisica (spesso si vede l'ingegneria 
tradizionale come l'applicazione della Fisica) e dalla matematica per trovare le soluzioni adatte ai 
problemi che affrontano. Applicano la statistica ed il metodo scientifico-empirico per derivare e 
verificare le loro soluzioni. Se esistono più soluzioni, essi valutano le scelte differenti di 
progettazione basandosi sull'analisi dei requisiti, delle prestazioni richieste e di soluzioni già 
sperimentate. I criteri di scelta tra soluzioni tecnicamente diverse tengono conto degli aspetti 
tecnico-economici e della sicurezza.  
In particolare l'Ingegneria delle Telecomunicazioni si occupa di tutte le problematiche 
relative alla trasmissione a distanza, alla caratterizzazione ed alla conservazione delle informazioni, 
rivolgendo particolare attenzione alle comunicazioni elettriche. Per quanto riguarda le applicazioni 
commerciali si possono distinguere principalmente due metodi di trasmissione: il primo utilizza lo 
spazio libero, ed è sfruttato per applicazioni quali la televisione, la radio, i telefoni cellulari e i 
satelliti; il secondo sfrutta invece strutture guidanti (cavo coassiale, fibra ottica, doppino telefonico 
in rame, ecc..) e si usa per il telefono tradizionale, Internet e tutte le comunicazioni che necessitano 
di elevate velocità di trasmissione. 
La nostra trattazione sarà rivolta alla progettazione, realizzazione e caratterizzazione di una 
antenna ad elica che opera in modalità assiale, adattata ad una frequenza di lavoro di 2.4 GHz che 
viene utilizzata per comunicazioni wireless a brevi distanze. Nel I capitolo introdurremo 
brevemente il concetto di antenna e descriveremo la rivoluzione introdotta dalla tecnologia Wi-Fi. 
Nel II capitolo poi analizzeremo i fondamenti teorici di una antenna ad elica sottolineando la 
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distinzione tra la modalità normale di radiazione e quella assiale. Nel III capitolo approfondiremo le 
caratteristiche radiative di una antenna ad elica che opera in modalità assiale mettendo in evidenza 
le condizioni necessarie per ottenere una polarizzazione circolare. Nel IV capitolo descriveremo poi 
la procedura da eseguire per realizzare una antenna ad elica che opera in modalità assiale. Infine nel 
V capitolo caratterizzeremo la nostra antenna facendo prima delle misure di impedenza di ingresso 
e del coefficiente di riflessione (S11) mediante un VNA per apprezzare se l’antenna è stata ben 
adattata e poi, effettuando delle misure in camera anecoica, riusciremo ad ottenere la 
caratterizzazione completa dell’antenna ad elica tramite il suo diagramma di radiazione. 
 
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CAPITOLO I 
 
INTRODUZIONE ALLE ANTENNE 
 
I.1 – Accesso alla conoscenza 
Le antenne sono dispositivi in grado di irradiare(antenne trasmittenti), o di captare,(antenne 
riceventi), energia elettromagnetica. Esse consentono la trasmissione a distanza delle informazioni, 
utilizzando la spazio come canale di comunicazione. Bisogna ricordare però che qualunque 
considerazione teorica fatta sulle antenne trasmittenti può essere utilizzata anche per le riceventi per 
il principio di reciprocità. Tale principio afferma, sotto ipotesi abbastanza generali, che le 
caratteristiche funzionali di un’antenna utilizzata in ricezione sono le stesse di quelle che avrebbe la 
stessa antenna utilizzata in trasmissione.  
 
        FigI.1: Schema semplificato di un sistema di trasmissione realizzato con antenne 
 
Il trasmettitore invia all’antenna energia elettrica, modulata dall’informazione, che l’antenna 
trasforma in onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio libero. Le modalità di 
trasmissione dell’onda elettromagnetica dipendono dalla frequenza di lavoro del trasmettitore e 
dalle caratteristiche dell’antenna. L’antenna ricevente svolge le funzioni opposte: essa, se non è 
“cieca” alla polarizzazione dell’onda incidente, capta quest’ultima convogliando il segnale su di una 
linea che conduce all’apparato ricevente. Nella pratica sono disponibili numerosi tipi di antenne in 
forma e dimensioni diverse, ognuna delle quali è stata progettata per operare in una determinata 
banda di frequenze con particolari caratteristiche di guadagno e direttività [1].  
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I.2 – La rivoluzione del Wi-Fi 
La tecnologia wireless, cioè "senza fili", è in grado di trasferire dati tra personal computer 
sfruttando un segnale basato su onde radio ad alta frequenza. La comunicazione è garantita dall'uso 
di opportuni dispositivi, interfacciati con i nostri pc desktop o notebook, atti a trasmettere e ricevere 
segnali radio. Nella configurazione minima, bastano due computer, entrambi dotati di  una scheda 
Wi-fi oppure di una scheda di rete collegata ad una antenna ad hoc, collocati a distanze di qualche 
decina di metri, per creare una rete senza fili. I due computer, se opportunamente configurati, 
saranno in grado di scambiarsi sistematicamente i dati; la configurazione è semplicissima, visto che 
alcuni sistemi operativi di ultima generazione prevedono Wi-fi come supporto nativo per le reti 
wireless. Le reti wireless presentano un notevole funzionamento soprattutto nella condivisione di 
accessi ad Internet con connessione sempre attiva, come quelli offerti dai  servizi ADSL o dai 
collegamenti in fibra ottica: in questo caso è necessaria una connessione ad un router, l'apparecchio 
che permette sia  la connessione alla rete Internet sia il collegamento alla rete locale. Collegando un 
Access Point Wi-fi  al router, qualsiasi computer dotato di scheda Wi-fi o di una scheda di rete 
collegata ad una antenna ad hoc, nel raggio di qualche decina di metri non solo dialoga con tutti gli 
altri PC, ma può anche accedere liberamente a Internet. Da non trascurare il fatto che Wi-fi è uno 
standard globale, funzionante dovunque, grazie all'utilizzo della banda radio 2.4 GHz, recentemente 
resa disponibile per applicazioni di questo tipo da parte di tutti i Paesi del mondo. 
Ma perché il Wi-fi è una così importante rivoluzione? Lo è perché è praticamente gratis, 
questo in quanto nonostante le compagnie telefoniche abbiano speso migliaia di miliardi di lire per 
ottenere le licenze UMTS, il Wi-fi, che ha potenzialità addirittura superiori all'UMTS, sfrutta una 
frequenza libera, che non necessita quindi di licenze statali. Il mondo wireless rappresenterà 
sicuramente il futuro delle reti locali garantendo maggiore flessibilità e portabilità dei sistemi 
all'interno delle reti aziendali e domestiche. E' veramente la chiave per raggiungere l'Internet 
ovunque, che è una delle premesse per arrivare a una società dell'informazione, nella quale le 
informazioni sono ovunque, disponibili rapidamente e a un costo minimo. In questa ottica si può 
pensare anche a applicazioni non immaginabili sino a ieri. All'estero, ad esempio, molte 
amministrazioni comunali hanno già provveduto a attrezzare con il Wi-fi le piazze più frequentate, i 
parchi e altri luoghi pubblici, cosa che, seppur lentamente, si sta diffondendo anche in Italia. In 
Italia -come già anticipato- stiamo per essere immersi da una specie di valanga Wi-fi, come è già 
successo in America, dove sono nate diverse società per fornire il servizio nelle più importanti città. 
In tanti stanno lavorando intorno al Wi-fi, soprattutto per ciò che riguarda gli "Hot Spot". Gli Hot 
Spot sono le famose antenne "pubbliche" (cioè sistemate in luoghi pubblici), la cui installazione è 
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stata da poco autorizzata. Tecnicamente noto come DM 259 del 28 Maggio 2003 di 
regolamentazione dei servizi Wi-Fi ad uso pubblico, il Decreto Gasparri apre in Italia l’era delle reti 
Wi-Fi Hot-Spot Pubbliche. Esso identifica la tecnologia: Wi-Fi su banda liberalizzata come 
tecnologia guida, ed identifica il luogo di erogazione del servizio Hot Spot: locali aperti al pubblico 
(Cinema, Teatri, Bar, etc.) e aree confinate a frequentazione pubblica (Aeroporti, Stazioni 
ferroviarie e marittime, centri commerciali, etc.) [2]. A dire il vero, di Hot Spot in Italia ce ne sono 
già, ma si tratta di elementi finora sperimentali e comunque limitati. L'Hot Spot pubblico ha la 
caratteristica di dare la possibilità di collegarsi alla rete a chiunque possieda un notebook o un 
palmare attrezzato. Il primo passo è certamente quello di sistemare dei punti Wi-fi nei maggiori 
alberghi e nei centri di congressi, cosa che peraltro all'estero è già la norma. Oltre agli alberghi, 
anche i bar e i punti di ritrovo, sono luoghi adatti alla nascita di questi "punti caldi" che cominciano 
a spuntare anche in Italia. Altri spazi che godrebbero di un grande sfruttamento sono, 
indubbiamente, le scuole, e ancora di più le università; questo permetterebbe infatti agli studenti di 
collegarsi alla rete attraverso il loro notebook, per scaricare materiali, prendere appunti, fare brevi 
ricerche. Rispetto al collegamento via telefonino, esistente già da qualche tempo, l’utilizzo di Hot 
Spot è più veloce e costa infinitamente meno. Grazie al fatto che la tecnologia Wi-fi può collegare 
un computer, oltre che a Internet, anche ad apparecchi come stampanti, palmari, DVDplayer, 
impianti hi-fi ed altro ancora, ci sarà un interessamento generale, non solo in ambito lavorativo, 
anzi, molto presto sarà possibile ascoltare in ogni stanza della casa i file MP3 contenuti nel 
computer fisso. In modo analogo, la centralina del riscaldamento e tutti gli elettrodomestici di casa 
possono essere telecontrollati da una apparecchiatura Wi-fi adatta allo scopo. Quindi grazie alla 
velocità, al minimo costo, e soprattutto all’espansione della tecnologia Wi-fi e al suo sfruttamento 
tramite gli Hot Spot, si potrà aprire una finestra interattiva sul mondo da qualunque luogo [3]. 
 
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