MICROONDE E ONDE MILLIMETRICHE. Segnali con frequenze tra f=300 MHz e f=300 GHz e lunghezze d onda tra λ=1 m e λ=1 mm.

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Adamo Oliva
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1 MICOONDE rogramma del corso (a.a. 1/11): 1) guide d onda metalliche e risonatori ) teoria dei circuiti a microonde 3) strutture periodiche e filtri 4) componenti passivi per le microonde 5) introduzione ai componenti attivi Docente: Daniele Modotto (modotto@ing.unibs.it) Lucidi delle lezioni scaricabili dal sito: it Testi per consultazione: D.M. ozar, Microwave Engineering, Wiley, 4.. Sorrentino, G. Bianchi, Ingegneria delle microonde e radiofrequenze, McGraw-Hill, 6. C.G. Someda, Electromagnetic waves, CC ress, 6.. Ludwig, G. Bogdanov, F circuit design: theory and applications,, rentice Hall, 8. 1

per le microonde 5) introduzione ai componenti attivi Docente: Daniele Modotto (modotto@ing.unibs.it) Lucidi delle lezioni scaricabili dal sito: http://nora.

2 MICOONDE E ONDE MILLIMETICHE Segnali con frequenze tra f=3 MHz e f=3 GHz e lunghezze d onda tra λ=1 m e λ=1 mm. oiché la lunghezza d onda è confrontabile con le dimensioni dei circuiti non è possibile usare il formalismo sviluppato per i circuiti a parametri concentrati (leggi di Kirchhoff): è necessario ricorrere allo studio completo del campo elettromagnetico FEQUENZA f (Hz) rad dio AM VH HF TV rad dio FM MICOONDE lontano o infraros sso rarosso inf luce visibile LUNGHEZZA D ONDA λ (m)

parametri concentrati (leggi di Kirchhoff): è necessario ricorrere allo studio completo del campo elettromagnetico.

3 Vantaggi e potenzialità dei sistemi a microonde Ad alte frequenze è possibile allocare una maggiore larghezza di banda; la banda disponibile è una piccola percentuale della frequenza della portante. Il guadagno di un antenna aumenta al diminuire della lunghezza d onda. AEA EFFICACE=GUADAGNO λ 4π A eff = G λ 4π Le microonde possono essere convogliate in fasci di limitata larghezza/apertura angolare migliorando la direttività di un collegamento punto-punto e la risoluzione dei sistemi radar. w zλ 1 π w ( z ) = w + π w z >> λ ϑ = π w ( ) z = z 1+ λ π w λ z semi-apertura angolare di un fascio Gaussiano 3

AEA EFFICACE=GUADAGNO λ 4π A eff = G λ 4π Le microonde possono essere convogliate in fasci di limitata larghezza/apertura angolare migliorando la

4 esempio di antenna per le microonde: antenna a tromba (horn) H z distribuzione ib i del campo magnetico trasverso sulla bocca radiante la tromba è alimentata tramite una guida metallica a sezione rettangolare che supporta la propagazione del solo modo TE 1 H E x y E distribuzione del campo elettrico sulla bocca radiante 4

tramite una guida metallica a sezione rettangolare che supporta la propagazione

5 I segnali a lunghezza d onda inferiore al metro non sono riflessi dalla ionosfera; sono possibili comunicazioni punto-punto e trasmissioni con i satelliti. La ionosfera contiene particelle ionizzate dalla radiazione solare: regione composta da plasma caratterizzato da numero di ioni per unità di volume N ω ω ε 1 p ω = permittività del plasma ( ) e ε ω p = q m Nq mε carica dell elettrone massa dell elettrone Un onda piana si può propagare attraverso il plasma solo se ω > ω p Segnali con frequenza inferiore agli 8 MHz sono riflessi dalla ionosfera e possono propagarsi oltre l orizzonte geometrico. Molte risonanze molecolari, atomiche e nucleari si hanno per frequenze superiori ai 3 MHz. Segnali ad alta frequenza possono essere utilizzati per realizzare sensori (radiometri) e sistemi di telerilevamento. 5

= q m Nq mε carica dell elettrone massa dell elettrone Un onda piana si può propagare attraverso il plasma solo se ω > ω p Segnali con frequenza inferiore agli 8 MHz sono riflessi dalla ionosfera e

6 Andamento dell attenuazione nell atmosfera in funzione della frequenza (polarizzazione orizzontale) adiometro f=55 GHz adiometro f= GHz adar f=35 GHz adar=135 GHz er frequenze inferiori ai 1 GHz l attenuazione nell atmosfera può essere trascurata. 6

adiometro f= GHz adar f=35 GHz adar=135 GHz er frequenze

7 Gamma frequenze Designazione Applicazioni 3-3 khz VLF Very Low Frequency 3-33 khz LF adiofari Low Frequency 3-3 khz MF Trasmissioni AM Medium Frequency 3-3 MHz HF Citizen s band High Frequency 3-3 MHz VHF Trasmissioni FM Very High Frequency Tl Televisione ii 3-3 MHz UHF Televisione 3-3 GHz SHF 3-3 GHz EHF Ultra High Frequency Super High Frequency Extreme High Frequency Comunicazioni satellitari Telefonia mobile adar Comunicazioni satellitari adar adar

High Frequency Tl Televisione ii 3-3 MHz UHF Televisione 3-3 GHz SHF 3-3 GHz EHF Ultra High Frequency Super High

8 Alcuni esempi di applicazioni Televisione (VHF) 5-88 MHz Televisione (UHF) MHz Telefonia mobile GSM 9 MHz, 18 MHz, 19 MHz Telefonia mobile AMS MHz Telefonia mobile terza generazione UMTS MHz, 11- MHZ GS (Global ositioning System) MHz e 17.6 MHz Bluetooth.4 GHz WLAN (Wireless Local Area Network) 9-98 MHz, GHz, GHz DBS (Direct Broadcast Satellite) GHz adar per traffico aereo 1- GHz adar per corto raggio, traffico a terra -4 GHz, 7-4 GHz adar per meteorologia 4-8 GHz US Ultra Wide Band (UWB) radio GHz US Industrial, Scientific and Medical bands (ISM): 9-98 MHz, GHz, GHz 8

4 GHz WLAN (Wireless Local Area Network) 9-98 MHz,.4-.484 GHz, 5.75-5.85 GHz DBS (Direct Broadcast Satellite) 11.7-1.

9 Designazione delle bande tra 1 e 4 GHz (IEEE, ITU) Frequenza Lunghezza d onda d Designazione i (GHz) (cm) L S C X Ku K Ka onde millimetriche 9

5 S 4-8 7.5-3.75 C 8-1.4 3.75-.4 X 1.4-18.4-1.67 Ku 18-6.

10 icevitore radio super-eterodina a singolo stadio antenna F amp mixer filtro passa-banda IF amp X BF demodulatore f F f OL f IF OL oscillatore locale La sintonizzazione si ottiene variando la frequenza f OL segnale d informazione Cavi, guide d onda, connettori. Filtri, isolatori. Dispositivi attivi: amplificatori, oscillatori, mixer. 1

sintonizzazione si ottiene variando la frequenza f OL segnale d informazione Cavi,

11 ADA: adio Detection and anging g Il trasmettitore invia un segnale che viene in parte riflesso da un oggetto lontano (target) ed il segnale riflesso viene rilevato da un ricevitore adeguatamente sensibile. La distanza del target può essere calcolata misurando il tempo impiegato dal segnale per arrivare al ricevitore (tempo di volo). Se l antenna trasmittente è sufficientemente direttiva (lobo principale stretto) la posizione del target può essere calcolata con precisione. Nel radar monostatico la stessa antenna è usata per trasmettere e ricevere, nel radar bistatico si usano due antenne diverse (migliore isolamento tra trasmettitore e ricevitore). oscillatore locale OL 1 C 3 ricevitore antenna con guadagno G σ TAGET Circolatore: la potenza fluisce dalla porta 1 alla porta dalla porta alla porta 3 mentre le porte 1 e 3 sono isolate. 11

Se l antenna trasmittente è sufficientemente direttiva (lobo principale stretto) la posizione del target può essere calcolata con precisione.

12 calcoliamo la potenza del segnale riflesso che raggiunge il ricevitore (radar monostatico) T S potenza trasmessa potenza retro-diffusa (scattered) potenza ricevuta formula di Friis radio-collegamento tra antenne = G G T λ 4π T 4π intensità che incide T sull oggetto S IN = G sezione di diffusione (radar d cross-section) ) σ = S S S IN l oggetto si comporta come una sorgente e la potenza retro-diffusa all antennaantenna trasmittente è: λ T 1 G λ σ = Aeff S = G σ G = T = 3 4 4π 4π 4π ( 4π ) equazione del radar persona σ=1 m, aereo di linea σ=1 m, uccello σ=.1 m 1

sezione di diffusione (radar d cross-section) ) σ = S S S IN l oggetto si comporta come una sorgente e la potenza retro-diffusa all

13 antenna switch SCHEMA DI UN ADA AD IMULSI mixer amplificatore di potenza f f IF trasmettitore ricevitore LNA mixer rilevatore, elaborazione e display impulsi generati segnale trasmesso segnale ricevuto trasmissione τ Δt ricezione T eco del target durata dell impulso τ frequenza di ripetizione dell impulso f = 1 T.1 1 khz distanza del target Δt c 13

segnale trasmesso segnale ricevuto trasmissione τ Δt ricezione T eco del target durata

14 SCHEMA DI UN ADA DI TIO DOLE AD ONDA CONTINUA target in movimento con velocità v f circolatore f f ± f d f mixer f d filtro passa-banda rilevatore, elaborazione e display la fase del segnale riflesso dal target (a distanza ) e ricevuto dal radar è se il target si allonta dal radar con velocità v ϕ = π f t ϕ = 4π ( + vt) λ π f la frequenza del segnale in ricezione è variata 1 ϕ v f a causa dell effetto Doppler ± fd = = f ± f π t c t ππ λ 14

distanza ) e ricevuto dal radar è se il target si allonta dal radar con velocità v ϕ = π f t ϕ = 4π ( + vt) λ

15 ADA COSS-SECTION SECTION (CS): dipende dall orientamento reciproco tra antenna e target e anche dalla frequenza e dalla polarizzazione dell onda incidente σ = S S IN si consideri come semplice esempio la sezione di diffusione di una sfera formata da metallo ideale ed avente raggio a regione di ayleigh regione ottica σ a λ 4 σ π a σ π a le oscillazioni sono dovute alla rapida variazione della differenza di fase tra le componenti riflesse π a λ 15

diffusione di una sfera formata da metallo ideale ed avente raggio a regione di ayleigh regione ottica σ a λ 4 σ

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