ANTENNA

ANTENNA (App. II, 1, p. 188; III, 1, p. 103)

I più importanti progressi realizzati nel campo delle a. durante gli ultimi anni riguardano probabilmente le a. a variazione di fase (Phased-array antennas): tali a. hanno la caratteristica di variare la direzione di massima irradiazione o ricezione, in modo puramente elettronico, ossia senza modificare meccanicamente la struttura irradiante o ricevente.

Il principio di funzionamento è molto semplice, ed è noto sin da quando furono concepite le prime a. direttive. Si consideri infatti, per fissare le idee, l'allineamento piano indicato in fig.1, in cui i radiatori elementari sono stati indicati con 1, 2,..., n. Se si assume per semplicità che la distanza d fra i singoli radiatori sia la stessa, che la differenza di fase fra le correnti di due elementi contigui sia costante e uguale a ϕ, e che la corrente circolante nell'n-esimo elemento abbia un coefficiente di ampiezza A_n, potremo scrivere, per una componente complessa E(ϑ) del campo elettrico:

dove ϑ è l'angolo rispetto alla normale all'allineamento, k = 2π/λ, e λ è la lunghezza d'onda.

La [1] fornisce il campo massimo per il valore zero dell'esponente, ossia per un angolo ϑ₀ per cui si abbia:

Dalla [2] risulta evidente che l'angolo ϑ₀ dipende da ϕ. Se, per es., d = λ/2, per ϕ =0 si ha ϑ₀ = 0 e per ϕ = 90° si ha ϑ₀ =30°.

In virtù della reciprocità esistente tra a. riceventi e trasmittenti, le considerazioni di cui sopra si applicano integralmente alle a. riceventi. In tal caso l'angolo ϑ₀ sarà l'angolo corrispondente al massimo segnale ricevuto.

Tutto ciò era noto da molto tempo, ma la pratica realizzazione di a. a variazione di fase ha assunto l'importanza attuale solo con il perfezionamento di due elementi fondamentali: lo sfasatore elettronico, costituito in generale da componenti a ferrite o da diodi a semiconduttori, che permette in tempi dell'ordine dei microsecondi di cambiare la fase degli elementi che compongono l'a.; e il calcolatore elettronico, che permette di programmare il funzionamento dell'a. in tempi brevissimi e secondo le istruzioni fornite. Inoltre, poiché tali a. operano in generale a frequenze molto elevate, i perfezionamenti raggiunti nel campo delle microonde hanno molto contribuito al loro sviluppo.

L'importanza che le a. a variazione di fase hanno nelle applicazioni radar e in altri campi, come quello delle comunicazioni a mezzo di satelliti, dipende dalla loro caratteristica fondamentale, e cioè che il fascio può essere puntato in direzioni diverse in tempi dell'ordine dei microsecondi e può anche essere allargato e ristretto in tempi dello stesso ordine. In tal modo, con una sola apparecchiatura, si possono ricercare e seguire diversi bersagli contemporaneamente.

I singoli elementi che compongono la cortina possono essere guide d'onda aperte, dipoli, a. a elica, a. dielettriche o anche paraboloidi. In alcune applicazioni, come nei radar, il numero degli elementi che compongono l'a. può raggiungere le migliaia. I radiatori possono essere disposti o su di una superficie piana di forma rettangolare o circolare, oppure su di una superficie cilindrica, e in tal caso, se l'asse del cilindro è verticale, è possibile avere un angolo di scansione azimutale di 360°.

Nella fig. 2 si è rappresentata una porzione di a. a variazione di fase, con gli elementi disposti su di un piano e costituiti da guide d'onda aperte all'estremità. Nella figura è visibile il sistema che alimenta i singoli radiatori, con i relativi sfasatori a ferrite. La fig. 3 mostra un sistema di 4 a. di tale tipo, per l'inseguimento radar di missili. I numerosissimi elementi irradianti di ognuna delle 4 a. (a in fig.) sono disposti su di una superficie piana e circolare in modo da poter avere un'ampia scansione intorno all'asse di simmetria della configurazione.

Un altro tipo di a. per microonde oggi sempre largamente usato sia nelle comunicazioni sia nella radioastronomia e nei radar è l'a. con riflettore paraboloidico, detta brevemente a. parabolica.

Interessanti progressi sono stati realizzati nell'illuminazione del paraboloide. Se un paraboloide viene illuminato da un radiatore primario costituito, per es., da una tromba, la guida d'onda che porta l'energia alla tromba interferisce con il campo reirradiato dal paraboloide. Per evitare ciò viene usata la disposizione indicata in fig. 4A e 4B. Ne derivano le a. tipo Cassegrain e Gregorian. La tromba o l'illuminatore è ora situato dietro il paraboloide e l'energia elettromagnetica passa attraverso l'apertura praticata al centro del paraboloide principale P₁. Un riflettore passivo P₂ riflette l'energia sul paraboloide principale. Se si ammette che l'energia incidente su P₂ sia trasportata da un'onda piana, il riflettore P₂ dovrà anch'esso essere un paraboloide e il suo fuoco dovrà coincidere con quello del riflettore principale. Se il fuoco F dei due paraboloidi è a destra di P₂ si ha l'a. Cassegrain, se è a sinistra si ha l'a. Gregorian.

Quanto sopra è giustificato dall'ipotesi che il radiatore primario sia a distanza infinita e dal metodo dell'ottica geometrica, che però è valido per lunghezze d'onda infinitesime. In pratica pertanto il riflettore P₂ assume forme più vicine a un iperboloide.

Per evitare che l'energia riflessa da P₂ interferisca con l'illuminatore principale causando disadattamenti nel sistema che porta l'energia, si usa spostare P₂ in modo che il suo asse non coincida con quello di P₁.

La stessa a. parabolica può essere usata a frequenze diverse, naturalmente con guadagni diversi. Come esempio citiamo l'a. del Defence research telecommunication establishment, Ottawa, Canada. È un'a. tipo Cassegrain con un paraboloide principale P₁ di 30 piedi (circa 9 m) di diametro e il paraboloide secondario P₂ di 3 piedi.

Bibl.: R. C. Hansen, Microwave scanning antennas, vol. III, New York e Londra, 1966; L. Young, Advances in microwaves, voll. 3, ivi 1968; Noach Amitay e altri, Theory and analysis of phased array antenna, ivi 1972; J. R. Codgell e altri, High resolution millimeter reflector antennas, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Transactions on antennas and propagation, vol. AP 18, n. 4, luglio 1970; L. Stark, Microwave theory of phased array antennas, A review. Proceedings of IEEE, vol. 82, n. 12, dic. 1974.