Antenne Caricate. Risonanze di un monopolo. f ris =15 MHz l=(!/4)=5m 2200"# 1500"# 36"=R dip /2# f k =kf ris

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Sabrina Grossi
7 anni fa
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1 Antenne Caricate Risonanze di un monopolo f ris =15 MHz l=(!/4)=5m HF 2200"# 1500"# 36"=R dip /2# 53 # f k =kf ris

2 Risonanze di un monopolo pattern di radiazione f=15 MHz f=30 MHz BW minore f=45 MHz f=60 MHz Antenne multi-banda trappole Si ottengono inserendo delle impedenze di carico (trappole) a costanti concentrate o distribuite lungo i conduttori dell antenna Si sfrutta la proprietà di antirisonanza della trappola Alla frequenza di antirisonanza la trappola è un circuito aperto (Z IN! ") trap Bipolo LC antirisonante Z IN! L j 1 "! LC Z IN = 2 "! 1 f aris = 2! LC Z L =0 (c.c.) Linea di trasmissione cortocircuitata (stub) Z IN = Z Z Z + jz0tg! L + jz tg! L L Z 0 IN = jz0tg! L 0 L (Z L =0) Z "! L =! 4 IN Lontano dall antirisonanza la trappola funge da carico reattivo modificando quindi la Z IN dell antenna e la distribuzione di corrente sul conduttore (quindi il pattern di radiazione)

3 Antenne multi-banda trappole: esempio Si supponga di voler realizzare un sistema con 3 bande di funzionamento: f 1 =15 MHz, f 2 =20 MHz, f 3 =30 MHz A tale scopo può esere utilizzato un unico monopolo con due trappole (ad esempio bipoli LC) L effetto delle trappole è quello di tagliare il monopolo (in questo caso accorciarlo) alle frequenze f 2 e f 3 in modo da risultare lungo rispettivamente: l 2 =! 2 /4=3.75m, l 3 =! 3 /4=2.5m l k =# k /4! = c Per tagliare il monopolo le due trappole dovranno trovarsi in condizione di antirisonanza alle frequenze f 2 e f 3 (circuito aperto per la corrente) Vanno dimensionati opportunamente i valori di L e C: f c: vel. della luce nel vuoto L k C k = 1 2! f k = " k 2!c Posso ad esempio fissare un valore di L e calcolare il relativo C per ottenere l antirisonanza Antenne multi-banda correnti su monopolo caricato f 1 =15 MHz f 2 =20 MHz f 3 =30 MHz l 1 =! 1 /4=5m A A l 2 =! 2 /4=3.75m A B B B l 3 =! 3 /4=2.5m A: non antirisuona B: non antirisuona A: antirisuona B: non antirisuona A: non antirisuona B: antirisuona

4 15 A B HF E stato visto come ottenere antenne multi-banda mediante l utilizzo di trappole opportunamente dimensionate e posizionate lungo il conduttore Nell esempio del monopolo caricato i due bipoli LC decompongono l antenna in 3 sotto-antenne con stesse caratteristiche di funzionamento: Monopoli a /4 Riepilogo Im[Zin]! 0 Re[Zin] <100 # Un tale sistema risulta compatto (è richiesta una sola antenna)

5 Antenne a larga banda Tipiche antenna a larga banda vengono realizzate usando antenne a filo caricate con trappole (in genere bipoli RLC parallelo) Oltre al caricamento dell antenna, per allargare la banda si utilizzano: Bipolo RLC Rete di adattamento reattiva (matching network) Attenuatore costante in banda Trasformatore di impedenza (Adatta la Zin media dell antenna all impedenza di linea) Transformer Tipico sistema a larga banda R diminuisce il Q del sistema Diminuisce il Q del sistema VSWR(f) Modifica Im[Z IN ] Antenne a larga banda La geometria dell antenna a filo di partenza va scelta in maniera opportuna Le geometrie che ben si prestano ad essere caricate consentono una molteplicità di cammini di corrente alle varie frequenze Alle varie frequenze è come se operassero antenne di forma diversa + Esempi: Fissata una geometria di antenna, i numerosi parametri (soprattutto elettrici) che compongono il sistema a larga banda sono ottimizzati tramite Algoritmi Genetici

6 Applicazione dei GAs alle antenne HF a larga banda Scelta della geometria d antenna: Monopolo ripiegato Esempio 2m Bipoli RLC 12m Vanno indicati i segmenti caricabili Matching network Si supponga di voler ottimizzare il sistema a larga banda nelle seguenti ipotesi: Banda HF (2-30 MHz) Utilizzo di bipoli RLC (le trappole hanno tutte la stessa topologia) Numero di trappole fissato (es. N trap =5) I numerosi parametri da ottimizzare vengono determinati in modo da minimizzare il VSWR e massimizzare il guadagno a =90 e l efficienza Applicazione dei GAs alle antenne HF a larga banda Individuo Sistema a larga banda! = {!!,..., } 1, 2! K " trappola trasformatore Matching network attenuatore L 1 L 2 L 3 C 1 C 2 N imp A B( ) nei vincoli Numero parametri: N = 5* = 27 cromosoma Le grandezze osservabili considerate in questo esempio sono: VSWR, guadagno all orizzonte ed efficienza Ciascuna di esse dipende dalla particolare combinazione di parametri!" g(!) = {g 1 (!), g 2 (!),..., g k (!)}

7 Funzione obiettivo L ottimizzatore determina i parametri nel tentativo di minimizzare la seguente funzione obiettivo, dipendente dalle grandezze osservabili: F= $0! (n) FVSWR = #VSWR ( f n ) % s0!" VSWR ( f n ) $0! F&( n ) = # 2(& ( f n ) % &0 )!" & ( f n ) $0! FG( n ) = # G0 % G ( f n )!" G0 Nf 1 Nf![w n =1 (n) (n) 1 VSWR F if VSWR ( f n ) < s0 otherwise if & ( f n ) < &0 otherwise + w2( n ) F"( n ) + w3( n ) FG( n ) ] w1( n ) + w2( n ) + w3( n ) = 1 s0 = 3.5!0 = 50 if G ( f n ) > G0 0<F<1 G0 = 1 Le soglie sono scelte sulla base delle specifiche di progetto otherwise ESECUZIONE ESEMPIO GA Complicando la funzione obiettivo è possibile controllare ulteriori grandezze Applicazione: antenne HF a larga banda nei sistemi navali Twin whip Fan LPDA Discage Discone Whip Molteplici antenne a bordo CRITICITA Ingombro elevato Interferenze Impianto di alimentazione complesso

8 Applicazione: antenne HF a larga banda nei sistemi navali Prestazioni in banda HF Unico sistema di antenna compatto sistema di alimentaz. Laboratorio di antenne Attività di ricerca in ambito navale 2m 4 cm Prototipo scala 1: cm 3 12 m 2 1 Prototipo scala 1:1

9 Laboratorio di antenne Attività di ricerca in ambito navale Fregata lunghezza = 120 m larghezza = 17 m altezza = 12.6 m lunghezza = 180 m larghezza= 33 m altezza = 12 m

10 Analisi di applicabilità a varie classi di problemi Antenne a geometria frattale caricate (multi/larga banda) i carichi sono circuiti LC o interruttori Antenne riconfigurabili o SSA (self-structuringantennas) i carichi in questo caso sono degli interruttori Analisi di applicabilità a varie classi di problemi Antenne interstiziali caricate per applicazioni mediche modificano la distribuzione della SAR (campo vicino) nel tessuto Caricamento per il controllo degli effetti di co-location (coupling) Antenna PIFA multi-banda

11 Analisi di applicabilità a varie classi di problemi spirale Antenne caricate a polaizzazione circolare (CP) patch elica

12 Validazione del Software ed esempi applicativi Esempio 3: SSA - 25 switch source tra tetto e griglia Validazione del Software ed esempi applicativi 95 MHz 100 MHz 105 MHz 110 MHz

13 Esempio 4: monopolo HF dual-band su veicolo Validazione del Software ed esempi applicativi source - 1 carico LC serie - rete reattiva a 3 componenti (filtro passa-basso) Esempio 5: Antenna a larga banda su nave Validazione del Software ed esempi applicativi - 3 carichi LC serie - trasformatore

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