MICROONDE

MICROONDE (App. III, 11, p. 105)

L'uso di apparati a m. si è grandemente esteso nell'ultimo quindicennio. Sono stati grandemente perfezionati dispositivi già noti e sono stati realizzati dispositivi completamente nuovi. Analogamente, si sono avute nuove applicazioni, oltre a un grande sviluppo delle applicazioni tradizionali delle m. (radar, ponti radio).

Tecnica delle microonde. - Con lo sviluppo della tecnica dei circuiti miniaturizzati (sviluppo comune a tutti i settori delle applicazioni elettroniche), si osserva, anche nel campo delle m., un ritorno a concetti e tecniche propri dei circuiti a costanti concentrate. In molti casi, cioè, gli elementi circuitali tornano a essere piccoli rispetto alla lunghezza d'onda dell'oscillazione eccitante, e sono così ancora valide per essi, pur a frequenze di m., le approssimazioni tipiche dei campi elettrici o magnetici quasi statici. È il processo inverso a quello che si è osservato quando, al crescere delle frequenze, si sono cominciati ad avere circuiti o componenti di dimensioni non trascurabili a paragone della lunghezza d'onda eccitatrice.

Un criterio circa l'applicabilità di una trattazione quasi statica a un determinato problema a frequenza di m., può aversi, per es., considerando l'equazione vettoriale cui devono obbedire i vettori intensità del campo elettrico, E, e intensità del campo magnetico, H, di un'onda elettromagnetica sinusoidale:

dove ∇² indica l'operatore di Laplace e λ rappresenta la lunghezza d'onda corrispondente, nello spazio libero, alla frequenza eccitatrice. Tale equazione non è generale (richiede in particolare l'omogeneità e l'isotropia del mezzo), ma tuttavia si presta a rappresentare una larghissima classe di casi pratici. Ebbene, se si considera un elemento circuitale in cui si abbiano forti variazioni spaziali dei campi su distanze dell'ordine di D, si può osservare che i termini laplaciani sono dell'ordine di 1/D², laddove il termine derivante dalle variazioni temporali è dell'ordine di (2π/λ)². Dunque, qualitativamente, l'errore che si commette trascurando il secondo termine delle equazioni è dell'ordine di (D/λ)² e, se D è sufficientemente piccolo rispetto a λ, si potranno ritenere validi, nei limiti dell'errore sopraddetto, concetti e soluzioni validi per campi statici. Le equazioni approssimate divengono allora ∇²E = 0, ∇²H = 0, che sono le equazioni (di Laplace) dei campi elettrostatico e magnetostatico.

Fondamentale per la miniaturizzazione dei circuiti a m. è l'uso delle linee a striscia, che hanno preso il posto delle linee di trasmissione ordinarie (cavi coassiali) e delle guide d'onda, perlomeno nelle applicazioni di bassa potenza (dell'ordine di 0,1 W), fino a frequenze dell'ordine di 20 GHz.

Le linee a striscia possono assumere varie configurazioni, ma le più importanti sono quelle raffigurate, in sezione trasversale, in fig. 1, A, B. Si tratta di strutture planari, derivate dalla tecnica dei circuiti stampati ordinari e ottenute, come quelli, con tecniche di fotoincisione. Il conduttore è ordinariamente rame oppure oro e il dielettrico può essere teflon, fibra di vetro impregnata di teflon, polistirolo, polietilene, o svariate altre resine sintetiche dotate di buone caratteristiche meccaniche e di bassissime perdite dielettriche. Vastamente usata è anche l'allumina, Al₂O₃, che, fra l'altro, ha il vantaggio di consentire la realizzazione di circuiti particolarmente piccoli, in virtù della sua elevata costante dielettrica relativa ε_r (pari a 9,6): infatti, le dimensioni delle linee a striscia dipendono inversamente da √ε_r. La linea di fig. 1, A è denominata microstriscia e quella di fig. 1, B linea a striscia bilanciata o simmetrica.

Il calcolo delle caratteristiche di tali linee, fra cui fondamentali l'impedenza caratteristica e la costante di propagazione, è molto difficile per la struttura a microstriscia, ed è anche abbastanza complicato nell'altro caso. I risultati sono stati ottenuti anche con metodi numerici, o semiempirici, o addirittura sperimentali.

Con la tecnica delle linee a striscia si realizzano direttamente sul substrato isolante vari componenti circuitali, quali filtri, risonatori, accoppiatori direzionali, circuiti ibridi, ecc., di dimensioni estremamente ridotte rispetto ai corrispondenti dispositivi realizzati in guida d'onda o in cavo coassiale.

Per la tecnica dei circuiti miniaturizzati è stato necessario realizzare elementi circuitali a costanti concentrate (resistori, condensatori, induttori) capaci di funzionare a frequenze di microonde. In particolare, esistono condensatori variabili, utilissimi per la sintonia dei circuiti, funzionanti fino a frequenze di molti GHz.

Lo sviluppo di dielettrici magnetizzabili, noti col nome generico di ferriti (v. magnetismo, in questa App.), ha poi consentito la realizzazione di elementi circuitali non reciproci, di fondamentale importanza tecnica.

Le ferriti, essendo isolanti e avendo basse perdite elettriche e magnetiche (a differenza dei materiali ferromagnetici tradizionali), possono essere usate fino alle frequenze delle m. e consentono di realizzare dispositivi le cui proprietà sono diverse a seconda del verso in cui si propaga attraverso essi l'energia (non reciprocità). Il comportamento non reciproco è legato alla proprietà dello spin elettronico di effettuare un moto di precessione intorno a un campo magnetico statico applicato al materiale, con un verso di rotazione determinato dalla direzione del campo statico: se l'azione esercitata dal campo a radiofrequenza sullo spin ha verso concorde con quello naturale di precessione, si ha una forte interazione fra onda e ferrite; altrimenti, l'interazione è debolissima. Questo fatto fondamentale viene sfruttato variamente per ottenere il voluto comportamento non reciproco.

Dispositivi non reciproci fondamentali sono l'isolatore e il circolatore, i cui simboli sono rappresentati in fig. 2, A, B rispettivamente. L'isolatore consente la propagazione dell'onda con minima attenuazione (dell'ordine di 0,5 dB) in un verso (dalla bocca 1 alla 2, in fig.) e offre invece una forte attenuazione (20 dB o più) in verso opposto. Il circolatore, analogamente, consente l'accoppiamento fra le varie bocche (3, o più) in un determinato verso ciclico, mentre nel verso opposto si ha disaccoppiamento.

Generazione e ricezione di microonde. - Nel campo dei tubi elettronici s'è avuto lo sviluppo dei tubi a campi incrociati e degli oscillatori a onda regressiva. I primi sono concettualmente derivati dal magnetron, e, come in questo tubo, il moto degli elettroni avviene sotto l'effetto contemporaneo di un campo elettrico e di un campo magnetico statici ortogonali fra loro (campi incrociati). Si possono realizzare varie forme di amplificatori e di oscillatori, i quali hanno in comune con il capostipite magnetron l'alto rendimento e l'elevata potenza; l'amplificazione è invece bassa rispetto a quella dei tubi a onda viaggiante. Gli oscillatori a onda regressiva sono dei tubi a onda viaggiante in cui si realizza l'interazione del fascio elettronico con un'onda la cui velocità di gruppo ha verso opposto a quello della velocità degli elettroni del fascio; questo fa sì che il tubo sia intrinsecamente un oscillatore. Variando la velocità del fascio, con una semplice e rapida sintonia di tensione, si può variare la frequenza emessa entro ampi limiti, dell'ordine di 2:1 e anche più.

Una grandissima evoluzione si è avuta nel campo dei dispositivi a semiconduttori. Un enorme progresso nella tecnologia del silicio, e anche di altri semiconduttori più moderni, quale l'arseniuro di gallio, ha consentito la massiccia introduzione del transistore nei circuiti a microonde. Sono disponibili in commercio transistori capaci di funzionare a frequenze di qualche GHz, e transistori sperimentali sono stati fatti funzionare a frequenza dell'ordine di 30 GHz (lunghezza d'onda dell'ordine del cm).

Una delle più grandi scoperte nel campo della fisica dei semiconduttori, probabilmente la massima dopo quella dell'effetto transistore, è stata la scoperta della possibilità di far insorgere oscillazioni a frequenze di m. in particolari semiconduttori a cui si applichi un campo elettrico statico di opportuna ampiezza (effetto Gunn).

Le circostanze che dànno origine alle oscillazioni sono anche note come effetti di massa, poiché la loro origine risiede nella "massa" stessa del materiale, cioè nelle proprietà intrinseche del cristallo semiconduttore, e non, come in tutti gli altri dispositivi, nelle proprietà di una giunzione fra due differenti tipi di semiconduttore, o fra un semiconduttore e un altro materiale (per es., un metallo). Il particolare comportamento di questi semiconduttori (fra cui l'arseniuro di gallio, l'unico che ha attualmente importanza commerciale) è legato alla struttura della banda di conduzione, che ammette due (o più) distinti stati energetici per gli elettroni. Nello stato a energia minore, gli elettroni hanno alta velocità, mentre nello stato a energia maggiore gli elettroni sono più lenti. Se si applica un campo elettrico d'intensità via via crescente, un numero sempre maggiore di elettroni acquista un'energia sufficiente a trasferirsi nello stato a più alta energia e a più bassa velocità: al disopra di un certo valore critico, la velocità media v degli elettroni decresce, anziché crescere, al crescere dell'intensità E del campo elettrico, come raffigurato in fig. 3 per l'arseniuro di gallio. La conduttività ha lo stesso andamento e mostra pertanto un tratto a conduttività differenziale negativa. Un diodo costituito da un sottile cristallo di arseniuro di gallio racchiuso fra due contatti ohmici, accoppiato opportunamente a una guida o a una cavità, e alimentato da un generatore di corrente continua, può dunque cedere energia a radio frequenza, comportandosi come un dipolo attivo. Uno schema di montaggio di diodo Gunn in un circuito a m., è rappresentato in fig. 4.

La frequenza base di funzionamento, f₀, di un oscillatore tipo Gunn è legata allo spessore s del semiconduttore e alla velocità v di trascinamento delle cariche attraverso il cristallo, polarizzato nel tratto a pendenza negativa della caratteristica, dalla relazione: f₀ = v/s. Dalla fig. 3 si vede che la velocità è all'incirca 1,5•10⁵ m/sec; dunque lo spessore attivo del cristallo dev'essere dell'ordine di 15μ per funzionamento a lunghezza d'onda dell'ordine di 3 cm. A seconda di come è progettato il circuito, però, si possono avere vari modi di funzionamento, con frequenze di oscillazione che si scostano anche molto da f₀.

Oltre ai diodi Gunn, sono stati sviluppati molti altri diodi a semiconduttore per m., vastamente usati nelle applicazioni. I diodi a valanga generano forti potenze, impulsive o a onda continua, fino a lunghezze d'onda millimetriche. I varactor, capacità variabili con la tensione applicata, servono per moltiplicatori di frequenza, amplificatori parametrici (per ricevitori a bassissimo rumore), commutatori, controlli di sintonia di circuiti. I diodi tunnel, o diodi Esaki, si usano per oscillatori locali, amplificatori per piccoli segnali, circuiti a scatto velocissimi (≈ 5•10^-11 sec). I diodi PIN servono per attenuatori e modulatori. I diodi Schottky servono per commutazioni veloci, e rimpiazzano vantaggiosamente i diodi a punta di contatto come mescolatori e rivelatori fino a lunghezze d'onda centimetriche (v. elettronica, in questa Appendice).

Sono attualmente disponibili strumenti grandemente evoluti, per la ricerca sperimentale e i controlli industriali. Oltre a quelli ricordati nell'articolo precedente, citiamo l'analizzatore di spettro, che fornisce la distribuzione di ampiezza spettrale di segnali modulati; il riflettometro a eco, che analizza linee di trasmissione e discontinuità con la tecnica impulsiva; l'analizzatore di reti, che consente misurazioni di grande rapidità e precisione su circuiti a m., anche con l'utilizzazione di un calcolatore asservito.

Applicazioni industriali e scientffiche delle microonde. - Le m. vengono usate in forni a riscaldamento dielettrico per essiccamento e in forni per cottura dei cibi, per la quale ultima applicazione esistono sia impianti industriali sia apparecchi per uso domestico, grandemente diffusi in certi paesi. Le frequenze assegnate al riscaldamento dielettrico sono (per gli SUA) 0,915 - 2,45 - 5,85 - 10,6 - 18 GHz. Altri impieghi d'interesse industriale (oltre al radar e le telecomunicazioni) sono altimetri, radiofari, ausili al traffico ferroviario e stradale (tachimetri, controllo della distanza di sicurezza, dispositivi di frenatura automatica), allarmi antifurto, indicatori di livello.

In medicina, le m. vengono usate per trattamenti termici (diatermia), approfittando del fatto che la radiazione, specie a lunghezze d'onda decimetriche, può penetrare in profondità nei tessuti e riscaldarli internamente senza eccessiva sollecitazione termica per la pelle. Gli effetti biologici delle m. sono studiati sia per le applicazioni mediche, sia dal punto di vista della sicurezza per chi opera in ambienti dove è presente radiazione. Originariamente, e per molto tempo, si è creduto che tali effetti fossero di natura esclusivamente termica, ed è stato fissato un livello di densità di radiazione di sicurezza di 1 ÷ 10 mW/cm² per esposizione continuativa. Più recentemente, si sono cominciati a osservare fenomeni (per es., sul sistema nervoso) forse non di origine termica e che potrebbero portare ad abbassare il livello ammissibile anche di un fattore mille.

Nel campo scientifico, le m. si sono diffuse come mezzo d'indagine sulla struttura della materia; esistono in commercio spettrometri di grande versatilità e comodità d'uso. Si realizzano campioni di tempo e di frequenza basati su transizioni di livelli elettronici che cadono nel campo delle m., come accade con i vapori di metalli alcalini; in particolare, campioni di tempo e di frequenza a vapori di cesio sono vastamente diffusi e su essi è basata la definizione internazionale del tempo (v. tempo, in questa Appendice). Onde millimetriche vengono usate per l'esame di plasmi ad alta densità elettronica, per es., per i gas di scarico di motori a razzo o per esperimenti di fusione controllata. M. di grandissima potenza vengono usate per fornire energia alle particelle in certi tipi di acceleratori (v. acceleratore, in questa Appendice); sono importanti infine per la radioastronomia.

Bibl.: B. Lax, K. J. Button, Microwave ferrites and ferrimagnetics, New York 1962; H. A. Wheeler, Transmission line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet, in IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Transactions on MTT (Microwave Theory and Techniques), marzo 1965; M. A. R. Gunston, Microwave transmission-line impedance data, Londra 1972; S. M. Michaelson, Human exposure to nonionising radiant energy - Potential hazards and safety standards, in Proc. IEEE, apr. 1972; Harlan Howe Jr., Stripline circuit design, Dedham, Mass., 1974.