www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Basics

Sistemi di alimentazione per antenna phased array

Foto di una tipica antenna radar di bordo: minuscoli elementi radianti sono montati linea per linea su una superficie circolare.

Figura 1: Radar utilizzato nel caccia Tornado

Antenne attive

Le antenne phased array attive sono quelle in cui la potenza di trasmissione è generata direttamente sull’antenna da molti moduli di trasmissione-ricezione a bassa potenza. Ne sono un esempio il radar utilizzato nel Tornado, l’AN/FPS-117 della Difesa Aerea e l’APAR della Marina.

Le antenne attive sono antenne phased array, in cui invece di una generazione centrale di potenza in alta frequenza, a ogni singolo radiatore è assegnato un amplificatore di potenza, che è opportunamente posizionato direttamente sul radiatore, cioè nell’antenna. Questo ha il vantaggio che gli sfasatori necessari devono elaborare solo piccole potenze.

L’antenna qui in figura, ad esempio, è composta da 428 elementi radianti attivi. Le antenne attive sono descritte in dettaglio nel capitolo Trasmettitore.

Antenne passive

Le antenne phased array passive sono suddivise:

Antenne passive phased array
Alimentazione a radiazione
Alimentazione a linea
Tipo a trasmissione
Tipo a riflessione
in serie
in parallelo
Antenne passive phased array
Alimentazione a radiazione
Alimentazione a linea
Tabella di organizzazione: classificazione delle antenne phased array passive.
Le antenne passive phased array si dividono in antenne alimentate a radiazione (a loro volta suddivise in tipo a trasmissione e a riflessione) e antenne alimentate a linea (a loro volta suddivise in alimentate in serie e in parallelo).
Antenne passive phased array
Alimentazione a radiazione
Alimentazione a linea

L’alimentazione di linea è di gran lunga il modo più comune di alimentare un’antenna phased array passiva. Per l’alimentazione in linea, è necessario un circuito a guida d’onda o una rete stripline per distribuire la potenza generata centralmente ai singoli elementi (esempio: PAR-80).

Un metodo meno utilizzato è l’alimentazione per radiazione, in cui la superficie dell’antenna viene irradiata con la potenza di trasmissione tramite un radiatore a cono. Questa viene poi captata da piccole antenne distribuite su un’area, influenzata in fase e quindi riemessa. (Esempio: Patriot).

Figura 2: Alimentazione in serie degli elementi radianti

La figura mostra l’alimentazione in serie degli elementi radianti di un’antenna phased array: tutti gli elementi radianti sono collegati a una linea di alimentazione a una certa ma sempre uguale distanza l’uno dall’altro.

Figura 2: Alimentazione in serie degli elementi radianti (immagine interattiva)

Alimentazione in serie di un’antenna passiva

Con l’alimentazione in serie delle antenne phased array, gli elementi radianti vengono alimentati con potenza di trasmissione uno dopo l’altro. Lo sfasamento crescente dovuto alla lunghezza della linea di alimentazione deve essere tenuto in considerazione quando si impostano i variatori di fase. Un cambio di frequenza non è possibile con un’alimentazione in serie.

Se si effettua comunque un cambio di frequenza, il computer deve ricalcolare anche lo sfasamento (oppure, nella pratica, utilizzare una tabella degli angoli di fase diversa).

Il disaccoppiamento dalla linea di alimentazione avviene tramite accoppiatori direzionali, impostati in modo tale da disaccoppiare solo una certa porzione della potenza totale. Spesso, l’entità di questa quota è determinata secondo un certo schema, ad esempio secondo una distribuzione gaussiana o binomiale. Questa distribuzione di potenza influisce sulla dimensione dei lobi laterali del diagramma dell’antenna.

Figura 3: Alimentazione parallela di elementi radianti

Il diagramma mostra l’alimentazione parallela degli elementi radianti di un’antenna phased array. La linea di alimentazione è continuamente divisa in due linee, in modo che alla fine il numero (di due-n) radiatori riceva tutti la stessa potenza e la stessa fase.

Figura 3: Alimentazione parallela di elementi radianti (immagine interattiva)

Alimentazione parallela di un’antenna passiva

Con l’alimentazione parallela delle antenne phased array, la potenza di trasmissione viene divisa equamente in fase in ogni nodo. Ogni elemento radiante ha quindi una linea di alimentazione della stessa lunghezza ed è quindi indipendente dalla frequenza. Alla fine, 2n radiatori ricevono tutti la stessa quantità di potenza nella stessa fase.

Le variazioni di frequenza non influiscono quindi sulle differenze di fase. Questo ha il vantaggio che il computer può ignorare la lunghezza delle linee di alimentazione quando calcola lo sfasamento e che la larghezza di banda della linea di alimentazione dell’antenna aumenta. Questo è un vantaggio per l’agilità della frequenza e consente la diversità di frequenza e la compressione degli impulsi.

Alimentazione a radiazione con tipo di trasmissione
Differenza di tempo di transito

Figura 4: Tipo di trasmissione con alimentazione a radiazione

Il diagramma mostra la funzione di un’antenna phased array come tipo di trasmissione.
Differenza di tempo di transito

Figura 4: Tipo di trasmissione con alimentazione a radiazione (immagine interattiva)

Un’antenna phased array alimentata a radiazione ha il vantaggio che la distribuzione della potenza ai singoli radiatori è già differenziata dal radiatore a tromba. Le regioni centrali ricevono un’illuminazione più intensa, mentre le regioni periferiche sono illuminate più debolmente, secondo una distribuzione gaussiana. Questa distribuzione di potenza riduce i lobi laterali del diagramma dell’antenna. Il tipo a trasmissione è un tipo di alimentazione per radiazione in cui la superficie dell’antenna viene illuminata da dietro attraverso il radiatore a cono con la potenza di trasmissione. Questa viene poi captata da piccole antenne, influenzata in fase e quindi irradiata nuovamente.

Tuttavia, lo spazio dietro l’antenna phased array è ostruito dal campo di alimentazione. D’altra parte, il radiatore a tromba non si trova di fronte all’antenna per formare ombre. Le differenze di tempo di propagazione tra i singoli radiatori sono tanto maggiori quanto più il radiatore primario è montato vicino al campo dell’antenna. Questi tempi di transito devono essere presi in considerazione nel controllo del variatore di fase. (Per questo motivo questo tipo di antenna è più simile a un’alimentazione in serie in termini di controllo e quindi ha anche i suoi limiti in termini di larghezza di banda dell’antenna).

Il complesso missilistico di difesa aerea Patriot utilizza un’antenna phased array come tipo di trasmissione.

Nella gamma delle onde millimetriche, il tipo di trasmissione sta vivendo una rinascita grazie all’utilizzo di un piccolo chip radar con antenna integrata come radiatore primario.

Alimentazione a radiazione con tipo a riflessione
Riflettore

Figura 5: Alimentazione a radiazione con tipo di riflessione

Il diagramma mostra la funzione di un’antenna phased array di tipo a riflessione.
Riflettore

Figura 5: Alimentazione a radiazione con tipo di riflessione (immagine interattiva)

Il tipo a riflessione è un tipo di alimentazione per radiazione in cui la superficie dell’antenna viene illuminata frontalmente da una tromba di alimentazione con la potenza di trasmissione. Questa viene poi captata da piccole antenne, influenzata in fase, riflessa su un piano di riflessione, influenzata nuovamente dai variatori di fase e quindi riemessa. (Esempio: AN/APQ-140)

Con il tipo a riflessione, dietro l’antenna c’è spazio sufficiente per alloggiare tutti i circuiti (ad esempio, il controllo del variatore di fase, l’alimentazione, ecc.) Il radiatore a tromba interferisce con questo aspetto. Esattamente nella migliore direzione di irradiazione (al centro) non solo forma un’ombra, ma raccoglie anche l’energia riflessa, creando così un’onda stazionaria nel sistema di alimentazione.

Ma dovrebbe trovarsi da qualche parte nel mezzo, altrimenti i tempi di propagazione agli elementi del radiatore saranno diversi. Se si accettano questi tempi di propagazione diversi e se ne tiene conto quando si controllano i variatori di fase, il radiatore a tromba può essere montato al di fuori della direzione del fascio, come nel caso di un’antenna offset. È quindi possibile utilizzare radiatori a tromba diversi per la trasmissione e la ricezione, commutando il controllo del variatore di fase, disaccoppiando così il percorso di trasmissione da quello di ricezione! Con questo tipo di controllo dello sfasamento, l’antenna assumerebbe anche la funzione di commutatore trasmissione-ricezione.