1.1.1 Panoramica su vari tipi di antenne

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Geraldo Pace
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1 6 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.1: Schematizzazione del comportamento di un antenna in trasmissione (a) e in ricezione (b). Nel caso in cui l onda guidata sia relativa ad un modo TEM in una linea di trasmissione, si puo passare da corrente e tensione a campi elettromagnetici e viceversa Panoramica su vari tipi di antenne Presentiamo adesso una breve panoramica delle più comuni tipologie di antenne in uso. Una distinzione che è possibile operare è quella tra antenne non direttive e antenne direttive: le antenne direttive hanno dimensioni lineari D comparabili con la lunghezza d onda λ e sono tipicamente utilizzate alle frequenze più basse (fino alle microonde) per impieghi di radiodiffusione, di comunicazioni mobili o di misura. Le antenne direttive, invece, consentono di irradiare la densità di potenza elettromagnetica in modo spazialmente selettivo, e a tal fine devono essere necessariamente di dimensioni grandi rispetto alla lunghezza d onda. Il loro impiego (tipicamente in un range di frequenza che va dalle microonde alle onde millimetriche) comprende ponti radio, radar ad apertura sintetica (SAR) ed alcune applicazioni di comunicazioni wireless e spaziali. Antenne filari e loop Un antenna filare è geometricamente assimilabile ad un conduttore cilindrico la cui sezione è piccola rispetto alla lunghezza d onda. La configurazione

1.1 Panoramica su vari tipi di antenne Presentiamo adesso una breve panoramica delle più comuni tipologie di antenne in uso.

2 1.1. Concetti di base 7 più nota è quella del dipolo elettrico, di dimensioni pari a mezza lunghezza d onda, alimentato da una tensione gap (Fig.1.2). Una variante al Figura 1.2: Antenna filare alimentata a gap. dipolo è il monopolo (Fig.1.3), ovvero un antenna costituita da un cilindro metallico sottile, di lunghezza λ/4, posto su un piano di massa. Tale antenna viene anche detta antenna marconiana e viene alimentata attraverso un cavo coassiale il cui conduttore esterno è collegata al piano di massa e la cui anima interna è collegata al cilindro metallico. Il vantaggio del monopolo rispetto al dipolo è che il primo può essere alimentato con un generatore sbilanciato, mentre il secondo, poiché deve possedere correnti uguali sui due rami, necessita di una alimentazione bilanciata tipicamente più complicata, costosa e limitata in banda. Componendo antenne a dipolo è possibile modificare le caratteristiche radiative, generando una direttività più spinta in una prefissata direzione. È il caso delle antenne Yagi-Uda, tipicamente impiegate per la ricezione televisiva (vedi Fig.1.4). Altri tipi di antenne tipicamente impiegate a bassa frequenza quali ad esempio l antenna a loop (Fig.1.5), costituita da un conduttore ripiegato in circolo alimentato in modo sbilanciato. Salendo in frequenza, le antenne costituzionalmente risonanti (lunghe ap-

Tale antenna viene anche detta antenna marconiana e viene alimentata attraverso un cavo coassiale il cui conduttore esterno è collegata al piano di massa e la cui anima interna è collegata al

3 8 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.3: Antenna marconiana alimentata in coassiale. Figura 1.4: Antenna Yagi-Uda.

4 1.1. Concetti di base 9 Figura 1.5: Loop. prossimativamente λ/2), hanno dimensioni fisiche sempre più piccole, e ciò comporta problemi di limitazione di potenza gestibile in TX. Per chiarire questo punto supponiamo di avere un antenna filare risonante trasmittente alla frequenza di 10 GHz, cioè di lunghezza circa pari a λ/2 =1, 5 cm e spessore di una frazione di millimetro: è intuitivo pensare che un antenna così sottile e corta rischierebbe di fondere se alimentata da una potenza eccessiva, a causa della conducibilità finita del conduttore e alla impossibilità di smaltire il calore per la scarsa superficie. Per questo motivo, entrando nel campo delle microonde, è necessario cambiare tecnologia di costruzione, soprattutto per le antenne in TX; per quanto riguarda invece la ricezione, è consentito l uso di antenne strutturalmente più piccole poiché le potenze in gioco sono di entità limitata. Antenne a larga banda Le antenne a larga banda sono costruite in modo da avere caratteristiche radiative e di impedenza uniformi su un range di frequenza di una ottava. Tra queste sono da menzionare le antenne Log-periodiche ad array di dipoli (Fig.1.6), le antenne ad elica (Fig.1.7), a spirale planare (Fig.1.8) e a spirale conica (Fig.1.9). I concetti di base delle antenne a larga banda saranno discussi successivamente.

è intuitivo pensare che un antenna così sottile e corta rischierebbe di fondere se alimentata da una potenza eccessiva, a causa della conducibilità finita del conduttore e alla impossibilità di

5 10 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.6: Antenna logperiodica. Figura 1.7: Array di antenne ad elica.

6 1.1. Concetti di base 11 Figura 1.8: Antenna a spirale. Figura 1.9: Antenna a spirale conica logaritmica.

7 12 CAPITOLO 1. Introduzione Antenne ad apertura Le antenne ad apertura sono una classe di antenne definibili tramite una distribuzione di campo elettromagnetico su di una superficie planare detta apertura. Questa può essere corrispondente all interfaccia di guide d onda rastremate aperte in spazio libero o sul piano ideale passante per il bordo di riflettori parabolici. Questo tipo di antenna è oggi molto diffuso a causa della crescente domanda di antenne per frequenze superiori al GHz (gamma delle microonde). In aggiunta, l apertura radiante può essere protetta dall interazione con l ambiente esterno da speciali coperture dielettriche (radomes). Come anticipato, gli esempi più tipici di antenne ad apertura sono i trombini (horn) (cfr.fig.1.11, e i riflettori parabolici (Fig.1.13, Fig.1.14). Figura 1.10: Antenna a horn. L horn non è altro che una guida d onda che viene rastremata con continuità individuando una sezione piramidale troncata (o a tronco di cono, se la guida di partenza è a sezione circolare, come in Fig.1.12). La guida d onda permette la propagazione di un campo modale che gradualmente si trasforma nellospazio rastremato fino ad essere lanciato nello spazio libero attraverso l apertura. L antenna a riflettore parabolico è composta essenzialmente da un riflettore metallico sagomato a forma di paraboloide di rotazione e alimentato nel fuoco da una antenna non molto direttiva (spesso un horn) o mediante un subriflettore iperbolico a sua volta eccitato da sorgente focale (si parla in tal caso di configurazioni Cassegrain, cfr.fig.1.14); tali antenne si usano nella gamma di frequenza 5 100GHz. Tra i vari impieghi dei riflettori parabolici sono da menzionare quelli relativi alle applicazioni radioastronomiche. I

Questa può essere corrispondente all interfaccia di guide d onda rastremate aperte in spazio libero o sul piano ideale passante per il bordo di riflettori parabolici.

8 1.1. Concetti di base 13 Figura 1.11: Trombini rettangolari. Figura 1.12: Trombino circolare corrugato.

9 14 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.13: Antenna a riflettore. radio-telescopi usano le antenne di dimensioni più grandi che esistano poiché necessitano di direttività eccezionali, angoli di fascio estremamente stretti e una vasta gamma di frequenze operative simultaneamente operanti con lo stesso riflettore. Nelle Fig , sono mostrati in sequenza l osservatorio radio astronomico di Green Bank (West Virginia), quello di Medicina (BO), l interferometro di Socorro (New Mexico) e il radio telescopio di Arecibo (Portorico). Antenne stampate Sono antenne di sviluppo relativamente recente, introdotte negli anni 70 e ampiamente impiegate solo negli ultimi 15 anni. Sono caratterizzate da una struttura metallica radiante (patch) stampata su di un substrato dielettrico posto su un piano di massa (Fig.1.19). I vantaggi di basso peso e costo e di integrabilità con reti di alimentazione stampate, rendono queste antenne estremamente appetibili su una vasta gamma di applicazioni nelle microonde. La forma del patch varia a seconda delle applicazioni; tra le forme più comuni vi è quella quadrata o rettangolare, ma si incontrano anche elementi circolari, anulari, a croce etc...

simultaneamente operanti con lo stesso riflettore. Nelle Fig.1.15-1.

10 1.1. Concetti di base 15 Figura 1.14: Antenna a riflettore con illuminatore Cassegrain.

11 16 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.15: National Radio Astronomy Observatory - Green Bank, West Virginia.

12 1.1. Concetti di base 17 Figura 1.16: Osservatorio radioastronomico di Medicina.

13 18 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.17: Osservatorio radioastronomico di Arecibo - Portorico. Figura 1.18: Very large telescope interferometer - Socorro, New Mexico.

14 1.1. Concetti di base 19 Figura 1.19: Patch rettangolare. Antenne a schiera - (ARRAY) Si definisce schiera (array) un insieme di radiatori disposti nello spazio con un certo ordine, al fine di avere un sistema radiante con elevata direttività e altre caratteristiche di fascio. Si possono avere schiere a una, due o (più raramente) tre dimensioni a seconda che i radiatori siano disposti lungo una linea, su una superficie, o in un volume. Alcuni tipi di antenne ad array sono mostrate nelle Fig

fine di avere un sistema radiante con elevata direttività e altre caratteristiche di fascio.

15 20 CAPITOLO 1. Introduzione Figura 1.20: Antenne a patch stampate in configurazione ad array. Figura 1.21: Array di fessure su guida d onda rettangolare. Figura 1.22: Array di fessure in guida - particolare.

16 1.1. Concetti di base 21 Figura 1.23: Array di slot. Figura 1.24: Array di horn.

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