ANTENNA

ANTENNA

(App. II, I, p. 188; III, I, p. 103; IV, I, p. 130)

Negli anni Ottanta l'importanza dell'a. nel sistema radar e di comunicazione è andata via via aumentando, passando, in termini di costo, dal 10% della fine degli anni Settanta all'attuale 50÷60%, con più che un raddoppio in termini di peso. Ciò è dovuto all'aumentata complessità del ''sistema antenna'', cui attualmente vengono richieste molte più funzioni, in condizioni operative complesse, come nel caso dei satelliti e con livelli di prestazione molto più elevati.

Un esempio significativo è dato dal satellite di comunicazione INTELSAT VI che pesa 2000 kg, con un carico utile (payload) di 600 kg, 300 dei quali dedicati alle a. la cui progettazione ha richiesto l'equivalente di più di 100 anni/uomo.

Le a. a variazione di fase a potenza distribuita (active phased arrays) per radar terrestri multifunzionali, le a. multifascio (multi beam antennas) e a fascio sagomato (contoured beam antennas) per i satelliti di telecomunicazione, le grandi a. planari attive a variazione di fase per i radar ad apertura sintetica (SAR, Synthetic Aperture Radar) per i satelliti di telerilevamento, le leggerissime a. planari di piccole dimensioni (60 × 60 cm) per la ricezione diretta del segnale televisivo da satellite, hanno richiesto, negli anni Ottanta, un notevole sforzo innovativo e uno sviluppo tecnologico tale da far ritenere che esse siano ancora lontane dalla fase di maturità tecnologica. Le richieste degli anni Ottanta sono riassumibili nell'allargamento della banda di frequenza di funzionamento (riuso di frequenza), nell'uso di bande di frequenza più elevate, tipicamente fino a 30 GHz, nell'aumento di efficienza (maggiore guadagno), nella possibilità d'irradiare potenze più elevate, nell'ottenimento di strutture compatte e di spessore limitato, atte a essere ripiegate su se stesse per facilitarne il montaggio su satelliti che debbono essere di dimensioni compatibili con il volume messo a disposizione dai lanciatori (Ariane, Space Shuttle, Atlas Centaur e altri).

Allargamento della banda di frequenza. − Tale requisito, tipico per le a. dei sistemi di comunicazione via satellite, è nato agli inizi degli anni Settanta e si è fatto pressante nella decade successiva. Sfruttando la proprietà del campo elettromagnetico irradiato di poter essere polarizzato linearmente, il problema è stato risolto irradiando con la stessa a. due campi elettromagnetici ortogonali e quindi indipendenti, talché l'a. risulta equivalente a due a. e la banda di frequenza utilizzabile risulta raddoppiata. Condizione indispensabile perché i due modi operativi siano realmente indipendenti è che le loro polarizzazioni siano effettivamente lineari pure e ortogonali.

Nel caso di a. a riflettore, con illuminatore nel fuoco della parabola e centrato rispetto all'apertura, ciò equivale ad avere illuminatori a loro volta ''puri'', cioè in grado d'irradiare fasci con elevato grado di purezza di polarizzazione. Tali sorgenti sono tipicamente trombe circolari a pareti corrugate.

Nel caso in cui la sorgente che illumina il riflettore debba essere fuori dall'apertura (off-set), la condizione di purezza di polarizzazione si ottiene utilizzando un sistema ottico a doppio riflettore. Entrambi i tipi di a. descritte sono stati montati sul satellite europeo di comunicazione (ECS, European Communication Satellite) lanciato nella seconda metà degli anni Settanta.

La discriminazione di polarizzazione è anche usata per trasmettere e ricevere contemporaneamente con una sola a. su due bande di frequenza diverse e anche distanti fra loro, come nel caso delle a. di comunicazione a 11÷14 GHz dei satelliti INTELSAT, l'a. a diffusione televisiva TVB1 a 12÷18 GHz e le a. di comunicazione a 20÷30 GHz del satellite OLYMPUS.

Tuttavia i sistemi ottici a singolo riflettore illuminati offset, molto usati sui satelliti di comunicazione per la loro semplicità e affidabilità, danno luogo, proprio per la loro geometria, a distorsioni del piano di polarizzazione, incompatibili con le necessità del riuso di polarizzazione. Per ovviare a questo inconveniente si usano riflettori doppi sovrapposti, a superficie conduttiva anziché continua, realizzata con griglie metalliche. Le griglie filtrano la polarizzazione spuria e riflettono solo la componente utile.

Sempre nell'intento di utilizzare al meglio lo spazio prezioso occupato dall'a. sul satellite, si è cercato di far convivere bande di frequenza anche molto diverse. Soluzione tipica, adottata sull'a. del satellite VOYAGER, è l'uso di subriflettori dicroici, cioè sensibili alle differenze di frequenza, in grado di funzionare da superfici riflettenti per una banda di frequenza e di essere trasparenti in un'altra (v. fig.).

Aumento di efficienza. - Nel campo dei satelliti di comunicazione l'esigenza di avere segnali a terra più elevati è stata soddisfatta, nella scorsa decade, essenzialmente aumentando il guadagno d'a. e quindi aumentandone le dimensioni e restringendo il fascio irradiato. Per continuare a coprire lo stesso settore (per es. l'Italia) esso è stato settorializzato, affidando ciascun settore a un fascio e irradiando, per economia di spazio, più fasci con lo stesso riflettore, illuminato da più sorgenti (a. multifascio di ITALSAT); la copertura globale viene attualmente ottenuta non più sfruttando un unico fascio di selezione circolare o ellittica (come nel caso di ECS od OLYMPUS), ma sommando fra loro fasci molto più stretti, ottenuti da una stessa a. e coprenti l'intero territorio, ottenendo così un fascio sagomato (contoured beam) che segue i confini geografici o delle terre emerse. Esempio di questo approccio sono le a. di comunicazione a 4÷6 GHz del satellite INTELSAT VI che coprono, con fasci sagomati, le due Americhe, l'Europa e l'Africa, o singolarmente l'America del Nord (USA e Canada) o l'Europa. La somma dei fasci avviene tramite una rete formatrice che distribuisce il segnale, con opportuna fase e ampiezza, agli illuminatori. Tipicamente le reti formatrici di fascio contengono divisori di potenza, sfasatori e, nel caso di reti per fasci riconfigurabili, sfasatori variabili e commutatori.

I satelliti sono altresì in grado di dare una dettagliata mappa dello stato della terra (stato dei ghiacci, del moto ondoso, del tipo di colture o, semplicemente, dei rilievi terrestri) con notevole dettaglio, grazie ai sistemi di telerilevamento basati sui radar ad apertura sintetica, che si avvalgono di grandi a. planari a 1, 5, 10 GHz. Un esempio è costituito dal doppio sistema a 1 e 5 GHz ad a. ad array attivo a variazione di fase della NASA, da montare nello Space Shuttle insieme all'array di guide fessurate a 10 GHz.

Tali a. sono dette attive, in contrapposizione alle a. di tipo passivo o convenzionali, in quanto incorporano nella rete formatrice, a ridosso di ciascun elemento radiante o a gruppi di elementi radianti, amplificatori di segnale, ottenendo così un sistema di generazione di potenza distribuita. In tal modo è possibile gestire e irradiare potenze molto elevate nelle reti formatrici, cosa impossibile nel caso di una sola sorgente che alimenta una rete passiva, sia per mancanza di una tale sorgente, sia perché l'elevata potenza brucerebbe i primi stadi della rete.

Queste a. hanno struttura planare, a spessore molto sottile, resa possibile dall'uso di elementi radianti costituiti da conduttori piatti di varia forma (quadrati, rettangolari, circolari, ad anello, a croce, ecc.) ottenuti per fotoincisione su grandi superfici, che includono parte della rete di alimentazione. Date le dimensioni esse, durante il lancio, sono ripiegate su se stesse e vengono dispiegate in orbita, mediante complessi meccanismi.

Nel campo delle a. dispiegabili in Europa sono in corso studi tendenti a rendere compatibili riflettori di grandi dimensioni (10÷20 m), necessari per consentire la comunicazione fra satelliti ed entità mobili (autocarri, autobus, treni, ecc.) a bassa frequenza (tipicamente 1÷2 GHz), con i lanciatori disponibili. Due sono le configurazioni allo studio: il riflettore ripiegabile a ombrello (unfurlable reflector) con superficie riflettente, costituita da una sottile rete di dacron metallizzata; oppure, il riflettore ottenuto da una speciale struttura a involucro chiuso, originariamente floscio, che viene gonfiata in orbita a formare una parabola. Il tessuto è costituito da speciali resine che polimerizzano e irrigidiscono all'azione del sole. Vedi tav. f.t.