Antenne a filo. Università di Bologna II Facoltà di Ingegneria - Cesena

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1 Antenne a filo Università di Bologna II Facoltà di Ingegneria - Cesena

2 Dipolo J i I() î per Lunghea del dipolo dipolo infinitesimo ( << λ) dipolo corto ( ) dipolo elettromagnetico λ 10 ( λ) λ 50 λ 10 3-

3 Dipolo infinitesimo : I() I 0 E ( P) E( r, θ, φ) H P jη I j I λ jβr jβr ( ) H( r, θ, φ) sin θ iφ 0 λ 0 e sin θ e r r i θ A jη/λ I I 0 B(θ,φ) sin θ ( ) ( ) î,î î, î e h θ φ 3-3

4 3-4 Dipolo infinitesimo : grandee caratteristiche Densità di potena irradiata: Intensità di radiaione: Potena irradiata: Funione direttività: Funione di radiaione: f(θ) sen(θ) Resistena di radiaione: r sen I ) S(r, θ λ η θ θ λ η θ r sen I ) ( I irr I 3 P λ ηπ 1.76 db 3 D sen 3 ) d( θ θ irr 80 3 R λ π λ πη

5 Dipolo infinitesimo : grandee caratteristiche Potena dissipata: R J R 0 3 Rendimento η tipicamente << 1 P J R 0 I 3 0 ( β) Funione guadagno: g(θ)η d(θ) (Gη D tipicamente < 1) Funione area efficace: a e ( θ) η 3λ 8π sen θ A e η 3λ 8π 3-5

6 Dipolo Infinitesimo: superficie di radiaione r f(θ) senθ indipendente da φ superficie di rivoluione attorno all asse ρ 3-6

7 f( θ ) Dipolo a λ/: λ/ superficie di radiaione π cos cosθ senθ indipendente da φ superficie di rivoluione attorno all asse ρ D db 3-7

8 Caso > λ Se > λ compaiono nuove direioni di irraggiamento Esempio: superficie e diagramma di radiaione per 1.5λ: θ 3-8

9 Antenne a schiera Definiione generale: Date n sorgenti (antenne) disposte nello spaio, esse costituiscono una Schiera di Antenne se: 1. Le n antenne sono uguali ed ugualmente orientate (ad es. se sono dipoli, devono essere tutti uguali e paralleli);. Vale l ipotesi di disaccoppiamento delle sorgenti: jδ Ik Λk e k I0, Λk, δk R ; I0 C 3-9

10 Schiere lineari uniformi (1/) Una schiera si dice lineare uniforme se: 1. Le n antenne sono allineate lungo una assegnata direione (detta di allineamento) ed equidistanti: d + d k dk 0 k 0 + Il vettore è detto vettore di allineamento ed il suo modulo rappresenta la distana fra gli elementi della schiera; d 0 d 1 Z d k P(r,θ,φ) Y. Le alimentaioni di elementi consecutivi risultano sfasate di una quantità δ costante, e cioè, Λ k 1 e δ k k δ X 3-10

11 Schiere lineari uniformi (/) E 0 ( r, θ, φ) F( θ, φ) E ( r, θ, φ) F(θ,φ) : fattore complesso di schiera: F F ( ) ( ) jk β î θ, φ e r δ k j ( ) ( n 1) u sin( nu) π δ θ, φ e con u cos Ψ sin( u) λ 3-11

12 Esempi di schiere: broadside Schiera uniforme broadside di 5 dipoli a me onda, aventi come direione di allineamento λ/ l Applicaioni: radar di sorvegliana (lobo principale a ventaglio (fan-beam)) 3-1

13 3-13 Esempi di schiere: broadside ( ) φ θ π φ θ π θ θ π φ θ sin sin sin sin sin 5 sin sen cos cos 5 1, f

14 Esempi di schiere: broadside Piano E (,): fattore di schiera dipolo e SCHIERA 1 1 Piano H (,): dipolo 1 l fattore di schiera e SCHIERA l Piano verticale (,): solo lobi secondari 3-14

15 Es. di schiere: broadside (n5) 3-15

16 Esempi di schiere: end-fire Schiera uniforme end-fire di 5 dipoli a me onda, aventi come direione di allineamento λ/4 l Applicaioni: riceione televisiva (media direttività e basso costo) 3-16

17 Esempi di schiere: end-fire f ( θ, φ) 1 5 π cos cosθ senθ 5π sen ( 1 sin θsin φ) 4 π sen ( 1 sin θsin φ)

18 Esempi di schiere: end-fire Piano H (,): fattore di schiera e SCHIERA dipolo 1 l 1 l Piano E (,): fattore di schiera dipolo SCHIERA Piano verticale (,): solo lobi secondari 3-18

19 Es. di schiere: end-fire ottima (n5) 3-19

20 Schiere planari Definiione: un arra planare è costituito da (m n) antenne elementari disposte in un piano a formare una matrice di m righe e n colonne, in P modo che gli elementi di ogni riga e di ogni colonna rappresentino una schiera lineare (con sfasamenti d e d θ caratteristici, rispettivamente, di ogni r riga ed ogni colonna) 1 3 n m 3 φ distana: sfasamento: δ distana: sfasamento: δ 3-0

21 Schiere planari Offrono ulteriori gradi di libertà Diagrammi di radiaione ad elevata simmetria e piccoli lobi secondari Adatte per la scansione elettronica Applicaioni: radar e comunicaioni 3-1

22 Schiere planari F F Rispetto alla schiera monodimensionale le cose si complicano solo formalmente Due direioni di allineamento: e (ad esempio) Fattore complesso di schiera lungo : M 1 m 0 Λ m ep M 1 [ jm( β l î δ )] Λ ep jm( β l sen θ cos φ δ ) r m 0 Fattore complesso di schiera lungo : N 1 n 0 Λ n ep N 1 [ ] Fattore complesso di schiera planare: F F F m [ jn( β l î δ )] Λ ep[ jn( β l sen θsenφ δ )] r n 0 n 3-

23 Schiere circolari Schiera con elementi equidistanti e disposti su di una circonferena di raggio ρ ρ ˆρ k n k rˆ φ k Ψ k R k (r, θ, φ) φ φ k φ k π (k/n) k0,1,,,n-1 Schiera Circolare Offrono ulteriori gradi di libertà Diagrammi di radiaione ad elevata simmetria e piccoli lobi secondari Applicaioni: radar e direction-finding 3-3

24 Riepilogo Antenne a Schiera Relaione generale che descrive il comportamento di una schiera di antenne ( r, θ, φ) F( θ, φ) E ( r, θ, φ) E 0 E ( r,θ,φ) ( r,θ,φ) E 0 F( θ,φ) : campo complessivo irradiato nel punto (r,θ,φ) : campo irradiato nel punto (r,θ,φ) dal singolo elemento : fattore complesso di schiera dipende dal numero degli elementi, dalla loro disposiione geometrica, e dalle costanti (complesse) di proporionalità fra le densità di corrente impressa (cioè dai valori di Λ k e δ k ). 3-4

25 Riepilogo Antenne a Schiera Valgono inoltre i seguenti risultati: ( θ, φ) F( θ, φ) I ( θ, φ) IR R0 ( θ, φ) R ( θ, φ) ( θ, φ ) I F( θ, φ) ( θ, φ ) f f 0 IR M M F M M d ( θ, φ) f ( θ, φ) F F( θ, φ) ( θ, φ ) M M f 0 Funione di radiaione del Fattore di schiera normaliato della schiera di elementi isotropi ( θ, φ) ( θ, φ) Il campo irradiato complessivo ha la stessa polariaione del campo irradiato dal singolo elemento che compone la schiera 3-5

26 Riepilogo Antenne a Schiera La direttivita D della schiera aumenta al crescere del numero n di elementi La disposiione geometrica degli elementi determina le (eventuali) proprietà di simmetria e di invariana del fattore di schiera F(θ,φ) : - Se gli elementi radianti appartengono ad un piano, F(θ,φ) è simmetrica rispetto al piano - Se gli elementi radianti sono allineati, F(θ,φ) è invariante per rotaioni attorno alla direione di allineamento 3-6

27 Riepilogo Antenne a Schiera REGOLA di KRAUSS: il valore della funione di radiaione di una schiera di antenne può essere determinato, per ogni direione, moltiplicando il valore della funione di radiaione del singolo elemento radiante per il valore della funione di radiaione di una schiera di elementi isotropici, posiionati ed eccitati come gli elementi della schiera reale. diagramma di radiaione del singolo elemento diagramma di radiaione della schiera di elementi isotropici diagramma di radiaione complessivo 3-7

28 Antenne adattative ( smart ) Fasi delle sorgenti Controllo fase dell alimentaione degli elementi radianti di una schiera Controllo direione della maggior parte del campo irradiato dalla schiera 3-8

29 Antenne adattative Condiione di sfasamento affinché ψ 0 [0,π] sia la direione di massimo della schiera u πl λ cos ψ δ ψψ 0 0 δ πl λ cos ψ 0 Variando con continuità lo sfasamento tra gli elementi, si ottiene un antenna a scansione continua Questa operaione è realiata elettronicamente mediante l uso di sfasatori a ferrite o a diodi 3-9

30 Schiere lineari a scansione elettronica Superficie di radiaione di schiera con elementi allineati lungo l asse e direione di massimo θ 0 60 θ

31 Antanne adattative: beamforming network Applicaioni: direction finding 3-31