6 CAPITOLO 1. Introduzione

Figura 1.1: Schematizzazione del comportamento di un’antenna in trasmis-sione (a) e in ricezione (b). Nel caso in cui l’onda guidata sia relativa adun modo TEM in una linea di trasmissione, si puo’ passare da corrente etensione a campi elettromagnetici e viceversa.

1.1.1 Panoramica su vari tipi di antenne

Presentiamo adesso una breve panoramica delle piu comuni tipologie di an-tenne in uso. Una distinzione che e possibile operare e quella tra antenne nondirettive e antenne direttive: le antenne direttive hanno dimensioni lineariD comparabili con la lunghezza d’onda λ e sono tipicamente utilizzate allefrequenze piu basse (fino alle microonde) per impieghi di radiodiffusione, dicomunicazioni mobili o di misura. Le antenne direttive, invece, consentonodi irradiare la densita di potenza elettromagnetica in modo spazialmenteselettivo, e a tal fine devono essere necessariamente di dimensioni grandirispetto alla lunghezza d’onda. Il loro impiego (tipicamente in un rangedi frequenza che va dalle microonde alle onde millimetriche) comprendeponti radio, radar ad apertura sintetica (SAR) ed alcune applicazioni dicomunicazioni wireless e spaziali.

Antenne filari e loop

Un’antenna filare e geometricamente assimilabile ad un conduttore cilindri-co la cui sezione e piccola rispetto alla lunghezza d’onda. La configurazione

1.1. Concetti di base 7

piu nota e quella del dipolo elettrico, di dimensioni pari a mezza lunghez-za d’onda, alimentato da una tensione � − gap (Fig.1.2). Una variante al

Figura 1.2: Antenna filare alimentata a ∆− gap.

dipolo e il monopolo (Fig.1.3), ovvero un’antenna costituita da un cilindrometallico sottile, di lunghezza λ/4, posto su un piano di massa. Tale anten-na viene anche detta antenna marconiana e viene alimentata attraverso uncavo coassiale il cui conduttore esterno e collegata al piano di massa e la cuianima interna e collegata al cilindro metallico. Il vantaggio del monopolorispetto al dipolo e che il primo puo essere alimentato con un generatoresbilanciato, mentre il secondo, poiche deve possedere correnti uguali sui duerami, necessita di una alimentazione bilanciata tipicamente piu complicata,costosa e limitata in banda.Componendo antenne a dipolo e possibile modificare le caratteristiche ra-diative, generando una direttivita piu spinta in una prefissata direzione. Eil caso delle antenne Yagi-Uda, tipicamente impiegate per la ricezione tele-visiva (vedi Fig.1.4).Altri tipi di antenne tipicamente impiegate a bassa frequenza quali ad es-empio l’antenna a loop (Fig.1.5), costituita da un conduttore ripiegato incircolo alimentato in modo sbilanciato.Salendo in frequenza, le antenne costituzionalmente risonanti (lunghe ap-

8 CAPITOLO 1. Introduzione

Figura 1.3: Antenna marconiana alimentata in coassiale.

Figura 1.4: Antenna Yagi-Uda.

1.1. Concetti di base 9

Figura 1.5: Loop.

prossimativamente λ/2), hanno dimensioni fisiche sempre piu piccole, e ciocomporta problemi di limitazione di potenza gestibile in TX. Per chiarirequesto punto supponiamo di avere un’antenna filare risonante trasmittentealla frequenza di 10 GHz, cioe di lunghezza circa pari a λ/2 = 1, 5 cm espessore di una frazione di millimetro: e intuitivo pensare che un’antennacosı sottile e corta rischierebbe di fondere se alimentata da una potenza ec-cessiva, a causa della conducibilita finita del conduttore e alla impossibilitadi smaltire il calore per la scarsa superficie. Per questo motivo, entrandonel campo delle microonde, e necessario cambiare tecnologia di costruzione,soprattutto per le antenne in TX; per quanto riguarda invece la ricezione,e consentito l’uso di antenne strutturalmente piu piccole poiche le potenzein gioco sono di entita limitata.

Antenne a larga banda

Le antenne a larga banda sono costruite in modo da avere caratteristicheradiative 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 spiraleconica (Fig.1.9). I concetti di base delle antenne a larga banda sarannodiscussi successivamente.

10 CAPITOLO 1. Introduzione

Figura 1.6: Antenna logperiodica.

Figura 1.7: Array di antenne ad elica.

1.1. Concetti di base 11

Figura 1.8: Antenna a spirale.

Figura 1.9: Antenna a spirale conica logaritmica.

12 CAPITOLO 1. Introduzione

Antenne ad apertura

Le antenne ad apertura sono una classe di antenne definibili tramite unadistribuzione di campo elettromagnetico su di una superficie planare dettaapertura. Questa puo essere corrispondente all’interfaccia di guide d’ondarastremate aperte in spazio libero o sul piano ideale passante per il bordo diriflettori parabolici. Questo tipo di antenna e oggi molto diffuso a causa dellacrescente domanda di antenne per frequenze superiori al GHz (gamma dellemicroonde). In aggiunta, l’apertura radiante puo essere protetta dall’inter-azione con l’ambiente esterno da speciali coperture dielettriche (radomes).

Come anticipato, gli esempi piu tipici di antenne ad apertura sono itrombini (horn) (cfr.Fig.1.11, e i riflettori parabolici (Fig.1.13, Fig.1.14).

Figura 1.10: Antenna a horn.

L’horn non e altro che una guida d’onda che viene rastremata con con-tinuita individuando una sezione piramidale troncata (o a tronco di cono,se la guida di partenza e a sezione circolare, come in Fig.1.12). La guidad’onda permette la propagazione di un campo modale che gradualmente sitrasforma nellospazio rastremato fino ad essere lanciato nello spazio liberoattraverso l’apertura.

L’antenna a riflettore parabolico e composta essenzialmente da un riflet-tore metallico sagomato a forma di paraboloide di rotazione e alimentato nelfuoco da una antenna non molto direttiva (spesso un horn) o mediante unsubriflettore iperbolico a sua volta eccitato da sorgente focale (si parla in talcaso di configurazioni Cassegrain, cfr.Fig.1.14); tali antenne si usano nellagamma di frequenza 5− 100GHz. Tra i vari impieghi dei riflettori parabol-ici sono da menzionare quelli relativi alle applicazioni radioastronomiche. I

1.1. Concetti di base 13

Figura 1.11: Trombini rettangolari.

Figura 1.12: Trombino circolare corrugato.

14 CAPITOLO 1. Introduzione

Figura 1.13: Antenna a riflettore.

radio-telescopi usano le antenne di dimensioni piu grandi che esistano poichenecessitano di direttivita eccezionali, angoli di fascio estremamente stretti euna vasta gamma di frequenze operative simultaneamente operanti con lostesso riflettore.

Nelle Fig.1.15-1.18, sono mostrati in sequenza l’osservatorio radio astro-nomico di Green Bank (West Virginia), quello di Medicina (BO), l’interfer-ometro di Socorro (New Mexico) e il radio telescopio di Arecibo (Portorico).

Antenne stampate

Sono antenne di sviluppo relativamente recente, introdotte negli anni �70 eampiamente impiegate solo negli ultimi 15 anni. Sono caratterizzate da unastruttura metallica radiante (patch) stampata su di un substrato dielettricoposto su un piano di massa (Fig.1.19). I vantaggi di basso peso e costo e diintegrabilita con reti di alimentazione stampate, rendono queste antenne es-tremamente appetibili su una vasta gamma di applicazioni nelle microonde.La forma del patch varia a seconda delle applicazioni; tra le forme piu co-muni vi e quella quadrata o rettangolare, ma si incontrano anche elementicircolari, anulari, a croce etc....

1.1. Concetti di base 15

Figura 1.14: Antenna a riflettore con illuminatore Cassegrain.

16 CAPITOLO 1. Introduzione

Figura 1.15: National Radio Astronomy Observatory - Green Bank, WestVirginia.

1.1. Concetti di base 17

Figura 1.16: Osservatorio radioastronomico di Medicina.

18 CAPITOLO 1. Introduzione

Figura 1.17: Osservatorio radioastronomico di Arecibo - Portorico.

Figura 1.18: Very large telescope interferometer - Socorro, New Mexico.

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 conun certo ordine, al fine di avere un sistema radiante con elevata direttivitae altre caratteristiche di fascio. Si possono avere schiere a una, due o (piuraramente) tre dimensioni a seconda che i radiatori siano disposti lungo unalinea, su una superficie, o in un volume.

Alcuni tipi di antenne ad array sono mostrate nelle Fig.1.20-1.24.

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.

1.1. Concetti di base 21

Figura 1.23: Array di slot.

Figura 1.24: Array di horn.