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Antenna fessurata

alimentazione

Figura 1: La lunghezza di una fessura determina la frequenza di risonanza, la larghezza della fessura determina l'ampia larghezza di banda del radiatore a fessura.

alimentazione

Figura 1: La lunghezza di una fessura determina la frequenza di risonanza, la larghezza della fessura determina l'ampia larghezza di banda del radiatore a fessura.

Antenna fessurata

I radiatori a fessura o antenne fessurate sono antenne utilizzate nell'intervallo di frequenza compreso tra circa 300 MHz e 25 GHz. Sono spesso utilizzati nei radar di navigazione, di solito come array alimentato da una guida d'onda. Ma anche le vecchie antenne di grandi impianti phased-array utilizzavano questo principio, perché i radiatori a fessura sono un metodo molto economico per la scansione di frequenza degli array. Le antenne a fessura sono costituite da una fessura allungata di circa λ/2, tagliata in una piastra conduttrice (si consideri un foglio conduttore infinito) ed eccitata al centro. Questa fessura si comporta, secondo il principio di Babinet, come un radiatore risonante. Jacques Babinet (1794 - 1872), fisico e matematico francese, formulò il teorema secondo cui due schermi complementari producono modelli di diffrazione simili (principio di Babinet). Questo principio mette in relazione i campi irradiati e l'impedenza di un'antenna a fessura o ad apertura con quelli di un'antenna a dipolo. La polarizzazione di un'antenna a slot è lineare. I campi dell'antenna a fessura sono quasi uguali a quelli dell'antenna a dipolo, ma le componenti del campo sono invertite: la fessura verticale ha un campo elettrico orizzontale e il dipolo verticale ha un campo elettrico verticale.

L'impedenza dell'antenna fessurata (Zs) è legata all'impedenza dell'antenna a dipolo complementare (Zd) dalla relazione:

Zd · Zs = η2/4 where Zs = impedenza dell'antenna fessurata
Zd = impedenza dell'antenna a dipolo complementare
η  = impedenza intrinseca dello spazio libero.
(1)

Ne consegue che Zs = 485 Ω.

La larghezza di banda di una fessura rettangolare stretta è uguale a quella del relativo dipolo ed è pari alla metà della larghezza di banda di un dipolo cilindrico con un diametro pari alla larghezza della fessura. La Figura 2 mostra diverse antenne a fessura di forma rettangolare che aumentano la larghezza di banda dell'antenna a fessura.

Figura 2: Varie antenne a fessura a banda larga.

Figura 2: Varie antenne a fessura a banda larga.

Sebbene la teoria richieda una superficie conduttrice infinita, la deviazione dal valore teorico è piccola quando la superficie è più grande del quadrato della lunghezza d'onda. L'alimentazione dell'antenna a slot può essere realizzata con una comune linea bifilare. L'impedenza dipende dal punto di alimentazione, come in un dipolo. Il valore di 485 Ω si applica solo a un punto di alimentazione al centro. Un cambiamento del punto di alimentazione dal centro al bordo diminuisce costantemente l'impedenza.

L'applicazione delle antenne a fessura può essere versatile. Possono sostituire i dipoli, ad esempio, se è richiesta una polarizzazione perpendicolare all'estensione longitudinale del radiatore. Se si usa un dipolo per alimentare un'antenna parabolica per generare un lobo a ventaglio orientato verticalmente ma polarizzato orizzontalmente, il dipolo deve essere orientato orizzontalmente. Ciò significa che le superfici dei bordi del riflettore parabolico non saranno illuminate a sufficienza, ma molta energia sopra e sotto il riflettore andrà persa. Inoltre, la lunghezza del dipolo è estesa in un piano, in cui è necessario un punto come sorgente di radiazione per il fuoco del riflettore parabolico. Se il dipolo viene sostituito da un'antenna a fessura, questi svantaggi non si presentano.

Fessure nelle guide d'onda

Figura 3: Varie disposizioni di fenditure in una guida d'onda.

Figura 3: Varie disposizioni di fenditure in una guida d'onda.

Le antenne fessurate nelle guide d'onda rappresentano un modo economico per progettare array di antenne. La posizione, la forma e l'orientamento delle fessure determinano il modo in cui (o se) irradiano. La Figura 3 mostra una guida d'onda rettangolare con un'istantanea disegnata con linee rosse della distribuzione schematica della corrente sulle pareti della guida d'onda. Se si praticano delle fessure nelle pareti, il flusso di corrente sarà più o meno influenzato a seconda della posizione della fessura. Se le fessure sono sufficientemente strette, le fessure B e C (Fig. 3) avranno poca influenza sulla distribuzione della corrente. Questi due slot non irradiano (o irradiano molto poco). Gli slot A e D rappresentano delle barriere al flusso di corrente. Questo flusso di corrente agisce quindi come un sistema di eccitazione per la fessura, che funge da radiatore. Quando l'onda nella guida d'onda avanza, queste linee disegnate migrano nella direzione di propagazione. La fessura ottiene un potenziale di tensione sempre alternato ai bordi della fessura (a seconda della frequenza nella guida d'onda). L'energia irradiata dalla fessura può essere modificata avvicinandola o allontanandola dal bordo. Le fessure A e D (come illustrato nella Figura 3) presentano l'accoppiamento più forte con l'energia RF trasportata nella guida d'onda. Per ridurre questo accoppiamento, ad esempio, la fessura A può essere avvicinata a una delle pareti più corte della guida d'onda. La rotazione delle fessure avrebbe lo stesso effetto (un angolo tra gli orientamenti di A e B o C e D). L'accoppiamento di questa fessura ruotata è un fattore di circa sin2θ dell'angolo di rotazione θ.

Antenne a guida d'onda fessurata

Figura 4: Geometria di base di un'antenna a guida d'onda fessurata (i radiatori a fessura si trovano sulla parete più larga della guida d'onda rettangolare).

Figura 4: Geometria di base di un'antenna a guida d'onda fessurata (i radiatori a fessura si trovano sulla parete più larga della guida d'onda rettangolare).

Diversi radiatori a fessura in una guida d'onda formano un'antenna di gruppo. La guida d'onda viene utilizzata come linea di trasmissione per alimentare gli elementi. Per irradiare nella fase corretta, tutte le fessure singole devono essere tagliate alla distanza d'onda valida per l'interno della guida d'onda. Questa lunghezza d'onda differisce dalla lunghezza d'onda nello spazio libero ed è una funzione del lato più largo a di una guida d'onda rettangolare. Di solito, questa lunghezza d'onda viene calcolata per la modalità TE₁₀ mediante:

a  = lunghezza del lato più largo delle guide d'onda rettangolari
λh = lunghezza d'onda „guidata“ (all'interno della guida d'onda)
λ  = lunghezza d'onda nello spazio libero
(2)

Figura 5: Geometria di base di un'antenna a guida d'onda a fessura con antenne a fessura ruotate sulla parete più stretta.

Figura 5: Geometria di base di un'antenna a guida d'onda a fessura con antenne a fessura ruotate sulla parete più stretta.

La lunghezza d'onda all'interno della guida d'onda è maggiore rispetto allo spazio libero. La distanza dei radiatori a fessura nel gruppo viene regolata a questa lunghezza d'onda a un valore leggermente superiore alla lunghezza d'onda λ nello spazio libero. Il numero e le dimensioni dei lobi laterali sono influenzati in modo così sfavorevole. Le scanalature sono solitamente fissate a sinistra e a destra in modo eccentrico (con accoppiamento ridotto). Se montato sul lato stretto della guida d'onda, può accadere che la lunghezza del radiatore della fessura di risonanza sia inferiore alla parete. In questo caso, la fessura può essere guidata anche intorno agli angoli e poi anche leggermente sul lato A della guida d'onda. In pratica, queste fessure sono tutte coperte da un sottile materiale isolante (per la protezione dell'interno) della guida d'onda. Questo materiale non è igroscopico e deve essere protetto dagli agenti atmosferici.

Un singolo radiatore a fessura stretta può funzionare anche a frequenze ±5 … ±10% oltre la frequenza di risonanza. Per le antenne array, questo non è così facilmente possibile. Un'antenna di questo gruppo è fissata fortemente a una singola frequenza, determinata dalla spaziatura di λh, per la quale l'antenna è stata ottimizzata. Se la frequenza viene modificata, queste distanze non sono corrette e le prestazioni dell'antenna diminuiscono. La differenza di fase che si crea tra gli elementi dell'antenna viene sommata sull'intera lunghezza dell'antenna fino a raggiungere valori non più tollerabili. L'antenna inizia a „pizzicare gli occhi“, cioè il pattern dell'antenna punta in una direzione diversa dall'asse centrale ottico. Questo effetto può essere sfruttato anche per ottenere un brandeggio elettronico del fascio d'antenna in funzione della variazione della frequenza di trasmissione.