IT9067524A1 - Antenna a microstriscia a polarizzazioni multiple, in particolare antenna elementare per una rete del tipo a lastra - Google Patents

Description

DESCRITTONE dell 'invenzione industriale dal titolo: "Antenna a microstriscia a polari ioni multiple, in particolare antenna elementare per una rete del tipo a lastra"

La presente invenzione riguarda un'antenna a microstriscia a polarizzazioni multiple, in particolare un'antenna elementare per una rete del tipo "a lastra".

Le reti del tipo "a lastra" sono reti piane di spessore molto piccolo, formate da una pluralità di antenne elementari non a risalto, che si estendono sulla superficie della lastra.

La tecnologia della microstriscia o "microstrip" si presta particolarmente bene alla realizzazione di tali. reti, che sono in tal caso essenzialmente costituite da un substrato metallizzato sulle due facce, recante motivi conduttori (microstrisce) di geometria appropriata, realizzati nelle metallizzazioni. delle facce. Per maggiori dettagli sulle antenne a microstriscia si potrà far riferimento in particolare all'opera di I.J. Bahl e P.Bhartia intitolata "Microstrip Antenna'", pubblicata nel 1780 da Artech House.

In un certo numero di circostanze pub essere interessante prevedere una polarizzazione circolare, in particolare nelle applicazioni radar in cui è noto che la polarizzazione circolare permette di eliminare gli echi prodotti da ostacoli a riflessione isotropa, ed in particolare gli echi di pioggia (provocati dalle goccioline d'acqua in sospensione nelle nubi). In effetti, l'onda emessa secondo una data polarizzazione circolare, ad esempio una polarizzazione circolare destra, viene sfasata di 180° per riflessione sull'ostacolo e viene rinviata con una polarizzazione invertita, circolare a sinistra in questo esempio. Risulta facile, a livello del ricevitore, sopprimere tale riflessione a mezzo di un eliminatore di interpolarizzazione.

Sono note diverse tecniche di polarizzazione circolare di antenne elementari,realizzate con la tecnologia della microstriscia, e che presentano peraltro tutte quante l'inconveniente di consentire soltanto una banda passante molto stretta intorno alla frequenza centrale su cui sono accordate

In particolare sono già stati fatti tentativi per eccitare due fessure ortogonali disposte simmetricamente a forma di croce a mezzo di un'alimentazione mediante accoppiatore del tipo a "T Wilkinson", cioè in cui le due fenditure sono alimentate mediante due vie le cui lunghezze rispettive differiscono di un quarto d'onda come descritto in particolare nell'opera di J.R. James* P.S. Hall e C. Wood intitolato "Microstrip Antenna Theory and Design", pubblicata, nel 19Θ1 presso Peter Pelegrinus Ltd., pagine H6P e P63.

Tuttavia, per il fatto che lo sfasamento deriva dalla differenza di percorso tra le due vie di alimentazione (differenza di un quarta d’onda), tale modo di eccitazione è per sua natura dissimmetrico e, soprattutto selettivo in frequenza, poiché la condizione di sfasamento di 90° non è più rispettata se ci si sposta dalla frequenza centrale per la quale sono state calcolate le lunghezze delle vie di alimentazione.

Un primo scopo dell’invenzione è di rimediare a tali limiti, proponendo una struttura di antenna a mi.crostri.scia a polarizzazione circolare che può essere utilizzata in una larga banda di frequenze.

tipicamente una banda la cui larghezza è dell'ordine del.20 % delia frequenza centrale di funzionamento .

Un secondo scopo della presente invenzióne e di proporre una struttura d'antenna che, sempre con tale caratteristica di larga banda, permetta, oltre alla polarizzazione circolare (destrorsa o sinistrorsa), una polarizzazione rettilinea (lineare) sovrapposta alla polarizzazione circolare, tipicamente una polarizzazione lineare verticale e/o orizzontale

Come si. vedrà, l'antenna secondo la presente .invenzione permette .in particolare, a partire da un unico elemento radiante e mediante semplice commutazione selettiva di vie di .ingresso del segnale, di ottenere a piacimento:

- una polarizzazione circolare destrorsa,

- una polarizzazione circolare sinistrorsa, - una polarizzazione rettilinea orizzontale, e - una polarizzazione rettilinea verticale.

Tale caratteristica di antenna a polarizzazioni multiple è parti.colarmente interessante per le antenne che assicurano simultaneamente due funzioni, ad esempio la funzione classica di sorveglianza -ottenuta mediante una polarizzazione circolare - e una funzione IFF (Identification Friend or Foe identificazione "amico" 0 "nemico") ottenuta mediante una polarizzazione rettilinea.

Si vedrà inoltre che. in caso di polarizzazione circolare, la struttura dell'invenz.ione realizza una simmetria di alimentazione perfetta, il che non avveniva con le antenne a fessure a croce secondo la tecnica anteriore più sopra menzionata.

L'antenna della presente .invenzione è un’antenna a microstrisela dello stesso tipo di quella descritta nell'opera precitata di James, Hall e Wood, e cioè un'antenna comprendente:

- su una faccia di un substrato un elemento radiante costituito da due fessure ortogonali disposte a croce, e

- sulla faccia opposta primi mezzi di eccitazione comprendenti due vie sfasate di un quarto d'onda accoppiate a ciascuna delle due fessure rispettivamente dell'elemento radiante, in modo da far irradiare quest'ultimo secondo una polarizzazione circolare.

Secondo l'invenzione, i primi mezzi di eccitazione comprendono un accoppiatore ibrido a 90”, simmetrico ed a larga banda, i cui due rami di uscita sono accoppiati alle due fessure rispettive dell'elemento radiante e di cui almeno uno dei rami di ingresso riceve un segnale da irradiare.

Si può in particolare applicare selettivamente il segnale da irradiare sull'uno o sull'altro dei rami di ingresso dell'accoppiatore ibrido a 90°, in funzione del. senso, destrorso o sinistrorso, scelta per la polarizzazione circolare.

In modo assai vantaggioso, l'antenna secando l'invenzione comprende inoltre secondi (e, preferibilmente, anche terzi) mezzi di eccitazione comprendenti, sulla faccia opposta a quella portante l'elemento radiante, una linea direttamente accoppiata ad una delle fessure (rispettivamente all'altra delle fessure) dell'elemento radiante cruciforme, in modo tale da far irradiare quest'ultimo secando una prima (e rispettivamente una seconda) polarizzazione rettilinea, orientata perpendicolarmente alla direzione della fessura così eccitata.

Di preferenza, per una data fessura dell'elemento radiante il punto di accoppiamento d.i tali secondi oppure terzi mezzi di eccitazione è situato sul lato opposto a quello del punto di accoppiamento dei primi mezzi di. eccitazione.

Per conferire una forma più compatta all'insieme, l'asse mediano dell'accoppiatore ibrido simmetrico a 90° può formare un angolo rispetto agli assi delle fessure dell'elemento radiante cruciforme.

Si può peraltro prevedere inoltre un direttore sotto forma di elemento passiva disposta, nella direzione dell'irraggiamento, davanti all'elemento radiante ad una certa distanza da questo.

Si vanno a descrivere esempi dettagliati di realizzazione della presente invenzione, con riferimento alle figure allegate.

La figura 1 è una vista di un primo modo di realizzazione dell'antenna secondo l'invenzione, generante una polarizzazione circolare destrorsa o sinistrorsa.

La figura 2 è una rappresentazione isolata dell'accoppiatore ibrido utilizzato nella struttura della figura 1.

L.a figura 3 è omologa alla figura 2, per una versione di dimensioni ridotte del medesimo accoppiatore ibrido (le figure P.e 3 sono nella medesima scala).

La figura 4 illustra parzialmente una rete reaiizzata a partire da antenne elementari quali quelle della figura 1.

La figura 5 è omologa alla figura 1, per un secondo modo di realizzazione della presente invenzione, generante, oltre alle polarizzazioni circolari destrorsa e sinistrorsa, una polarizzazione rettilinea orizzontale ed una polarizzazione rettilinea verticale.

Nella figura 1 è stata rappresentata, in vista da sopra (vale a dire a partire da un punto verso il quale l'antenna irradia), l'antenna secondo la presente invenzione che è costituita sostanzialmente da un elemento radiante cruciforme 10 formato da due fessure ortogonali, della medesima lunghezza, 11 e 12, che si incrociano al centro.

Tale elemento radiante cruciforme è realizzato mediante eliminazione locale del rame della metallizzazione di superficie di un substrato. Il substrato e le melaliizzazioni possono essere del tipo classico utilizzato della tecnologia della microstriscia, per esempio nelle metallizzazioni di rame con spessore di 35 Mm sulle due facce di una piastra di vetro-PTFE o di vetro-epoxy di spessore pari a 1,6 mm e con costante dielettrica € compresa tra 2,6 e 4, per un coefficiente di perdita tg 6 compreso tra 10 e 10

Tali due fessure definiscono dunque un elemento radiante cruciforme presentante quattro bracci 11a, 11b, 12a e 12b simmetrici e aventi tutti la medesima lunghezza al fine di ottenere la migliore circolarità possibile della polarizzazione; in effetti, qualsiasi dissimmetria introdurrebbe una ellitticità pregiudizievole ad una corretta utilizzazione dei segnali emessi o ricevuti con l'antenna.

Sull'altra faccia del substrato si.forma nella metallizzazione, parimenti per incisione. un accoppiatare che permette, in modo di per sé noto, di eccitare .le due fessure dell'elemento radiante cruciforme con uno sfasamento relativo di 90“ (quadratura).

In modo caratteristico della presente Invenzinne, l‘accoppiatore 20 è un accoppiatore del tipo "ibrido a 3 dB", detto anche "anello ibrido a 3 dB" o "scala a 3 dB".

Tale accoppiatore ibrido, di per sé noto, è stato illustrato isolatamente nella figura 2. Esso è essenzialmente costituito da due rami di ingresso 31 e 31' simmetrici (da un punto di vista radioelettri.co) e da due bracci di uscita, parimenti simmetrici 23 e 22*. Tali quattro bracci si raccordano a quattro segmenti 33, 24, 25 e 26 aventi ciascuna una lunghezza di circa un quarto d'onda (la lunghezza d'onda essendo considerata nel dielettrico del substrato, e non nell'aria). Tali segmenti 23 a 26 possono essere rettilinei, come illustrato nella figura 2 - e si parla allora generalmente di "accoppiatore a scala" - oppure curvilinei - e si parla allora piuttosto di "anello ibrido" - oppure assumereforme più complesse, come nel caso della figura 3, che si descriverà più in dettaglio nel seguito, i parametri importanti essendo la lunghezza e la larghezza delle linee di trasmissione formate da tali segmenti.

Le dimensioni dei rami di ingresso 21 e 21', dei rami d'uscita 22 e 22' e delle linee 25 e 26 sono tali che questi elementi sono tutti adattati sull'impedenza caratteristica dell'antenna e dei suoi circuiti associati, tipicamente 50Ω . Per contro, alle linee 23 e 24 si attribuisce una larghezza superiore, in modo da creare un disadattamento di impedenza. Tale disadattamento è tale che i segnali applicati sull'uno o sull'altro ramo d'ingresso 21 o 21' si trovano divisi e, per il fatto dei ritardi introdotti dalle linee in quarto d'onda 23a 26, vanno da dar luogo su ciascuno dei rami d'uscita 22 e 22' a segnali simili, di medesima ampiezza, ma sfasati di 90°.

La scelta di tale accoppiatore ibrido a 90* presenta un certo numero di vantaggi, in particolare il fatto che esso permette di mantenere, a differenza degli accoppiatori quali il T di Wilkinson, uno sfasamento di 90° quasi costante su una banda molto ampia di frequenze, tipicamente su una larghezza di banda del 20% con un RGS poco influenzato dalle variazioni di frequenza in tale banda; in altri termini, tale accoppiatore ibrido rimane perfettamente adattato anche se la frequenza varia intorno alla frequenza centrale per cui esso è stat calcolato.

Se si ritorna ora alla figura 1, si vede che si è combinato un siffatto accoppiatore ibrido all'elemento radiante cruciforme 10, mediante accoppiamento di ciascuno dei suoi rami di.uscita 22, SS' ad una delle due fenditure 11, 12. La disposizione precisa del punto di accoppiamento 27, 27' sulla fessura non è critica, come non lo è l'orientamento del ramo d'uscita 22 oppure 22' rispetto all'asse oppure D,, della fessura. Ciononostante, per guadagnare in termini di compattezza, si orienta di preferenza l'accoppiatore ibrido rispetto alla fessura nella maniera illustrata nella figura 1, cioè in modo che l'asse di simmetria dell 'accoppiatore formi un angolo rispetto egli assi e D2 delle fessure, potendo .in particolare, come nel caso illustrato costituire la bisettrice dell'angolo formato da e D2..1 rami d'uscita 22 e 22' dell'accoppiatore applicano così a due bracci adiacenti 12b e 11b, rispettivamente, segnali in quadratura. Per realizzare un adattamento ottimale si prolungano i rami 22, 22' con rispettivi tronchi 22, 22' di lunghezza λ /4 (lunghezza considerata, anche in questo caso, nel dielettrico) permettendo di riportare in fase al punto di accoppiamento l'energia di fuga che non è stata trasmessa direttamente alla fessura radiante. Così, se si applica un segnale sul ramo d'ingresso 21 dell'accoppiatore ibrido, si realizzerà, per il fatto dell'alimentazione simmetrica equi-ampiezza ma in quadratura, una polarizzazione circolare ruotata verso destra, mentre se si applica al segnale sul ramo d'ingresso 21' dell'accoppiatore ibrido si otterrà una polarizzazione circolare inversa, vale a dire ruotata verso sinistra.

Tale tipo di antenna elementare si presta particolarmente bene alla costituzione di una rete piana, come si è illustrato schematicamente nella figura 4. In tale figura sono state illustrate tre antenne elementari della rete o schiera, che pub comprenderne svariate decine o parecchie centinaia. Ciascun elemento radiante cruciforme 10 è associato ad un accoppiatore ibrido 20 che gli è proprio, i differenti accoppiatori essendo alimentati in modo appropriata, in modo di per sé noto, mediante circuiti ripartitori (che non sono stati illustrati).

Si vede che la configurazione dell'insieme elemento radiante/accoppiatore ibrido secondo la presente invenzione permette di avere una disposizione assai compatta, in particolare se si eccitano le fessure di sbieco, come si è sopra esposto, il che permette di avvicinare al massimo fra loro i diversi elementi radianti. Ora si sa che, in un'antenna a rete o schiera, se si vuole evitare l'apparizione di lobi pregiudizievoli per l'ottenimento di una larga copertura angolare, é necessario avvicinare i.l più possibile diversi elementi radianti, idealmente con una spaziatura non superiore ad una semi-lunghezza d'onda.

Vantaggiosamente si pub prevedere, in modo parimenti di per sé noto, un "patch" o tassello 30 facente la funzione di direttore o elemento radiante passivo, formato da una superficie metallica di dimensioni leggermente superiori,a quelle delle fessure e disposto di fronte all'elemento radiante cruciforme, ad una certa distanza da esso.

Un siffatto direttore è stato indicato con 30 nella figura 4; i. direttori possono essere di forme diverse, ad esempio con la forma di un quadrato le cui. diagonali sono parallele alle fessure (come nell'esempio illustrato), di un quadrato i cui lati sono paralleli,alle fessure, un cerchio, ecc.

Tali direttori procurano, oltre al loro effetto sul diagramma di radiazione dell'antenna elementare,. un ampliamento della larghezza d.i banda dell'elemento radiante, caratteristica particolarmente interessante nel caso presente.

Per accrescere ancora la compattezza dell'antenna, si possono ripiegare i segmenti 23 a HA dell'accoppiatore ibrido SO, come illustrato nella figura 3, conservando le medesime lunghezze e le medesime larghezze, per ciascuno dei segmenti, del caso di cui alla figura 2. Questa configurazione permette in particolare di. ridurre sensibilmente l'interasse x dei rami d'ingresso e di uscita dell'accoppiatore.

La figura .5 mostra un modo di realizzazione perfezionato della presente invenzione, che permette di fare radiare le fessure non solamente secondo delle polarizzazioni circolari destrorsa e sinistrorsa, ma parimenti secondo delle polarizzazioni rettilinee, verticale o orizzontale.

Le polarizzazioni, circolari, sono ottenute nella medesima maniera della figura 1, gli stessi riferimenti numerici essendo stati utilizzati, per contrassegnare elementi identici.

Per realizzare le polarizzazioni rettilinee, si sfrutta il fatto che l'elemento radiante 10 non è eccitato dall'accoppiatore ibrido 20 che per due dei suoi quattro bracci, vale a dire i bracci 11b e 12b nell'esempio illustrato. Gli altri due bracci 11a e 11b vengono allora utilizzati per realizzare una polarizzazione rettilinea a mezzo di linee a microstriscia,rispettivamente 40 e 50, alimentando, preferibilmente ancora di sbieco, i bracci 11a e 11a delle fessure 11 e 12.

Così, la linea 40, alimentata alla sua estremità 41, va ad eccitare la fessura verticale (con le convenzioni del disegno) 11 nel punto di accoppiamento 47 e produce una polarizzazione orizzontale; allo stesso modo la linea 50, alimentata alla sua estremità 51, va ad eccitare la fessura orizzontale 18 nel punto di accoppiamento 57 e produce una polarizzazione verticale. Tali linee 40 e 50 terminana. oltre ai punti di accoppiamento 47 e 57. con tronchi, in quarta d'onda 48 e 58 il cui ruolo è analogo a quello dei tronchi in quarto d'onda 88 e 88' delle vie di alimentazione nella polarizzazione circolare.

Si vede inoltre che si potrà ottenere, con un medesimo elemento radiante:

- una polarizzazione circolare destrorsa, se si applica il segnale alla via d'ingresso 21.

- una polarizzazione circolare sinistrorsa. se si applica .il segnale alla via d'ingresso 21', - una polarizzazione rettilinea orizzontale, se si applica il segnale alla via d'ingresso 41, e - una polarizzazione rettilinea verticale, se si applica il segnale alla via d'ingresso 51.

La selezione della polarizzazione desiderata putì essere ottenuta facilmente mediante commutazione delle diverse vie, ad esempio a mezzo di diodi PIN

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Antenna a microstriscia particolarmente antenne elementare per una rete o schiera del tipo a lastra, comprendente: su una faccia di un substrato, un elemento radiante (10) costituito da due fessure ortogonali (11, 12) disposte a croce, e - sulla faccia opposta, primi mezzi di eccitazione comprendenti due vie sfasate di un quarto d'onda accoppiate a ciascuna delle due fessure rispettive dell'elemento radiante, in modo da far irradiare quest'ultimo secondo una polarizzazione circolare, caratterizzata dal fatto che i primi mezzi di eccitazione (20) comprendono un accoppiatore ibrido a 90*, simmetrico ed a larga banda, i cui due rami di uscita (22, 22') sono accoppiati alle due fessure rispettive dell'elemento radiante e di cui almeno uno dei rami di ingresso (21, 21') riceve un segnale da irradiare.
2. 2. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui si applica selettivamente il segnale da irradiare sull'uno o sull'altro dei rami di ingresso di un accoppiatore ibrido a 90° in funzione del senso, destrorso o sinistrorso, scelto per la polarizzazione circolare.
3. 3. Antenna secondo la rivendicazione 1, comprendente parimenti secondi mezzi,di eccitazione (40) comprendenti, sulla faccia opposta a quella che porta l'elemento radiante, una linea direttamente accoppiata ad una (11) delle fessure dell'elemento radiante cruciforme, in modo da far irradiare quest’ultimo secondo una prima polarizzazione rettilinea, orientata perpendicolarmente alla direzione della fessura così eccitata.
4. 4. Antenna secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre terzi mezzi di eccitazione (50) comprendenti, sulla faccia opposta a quella portante l'elemento radiante, una linea direttamente accoppiata all'altra (12) delle fessure dell'elemento radiante cruciforme, in modo tale da far irradiare quest'ultimo secondo una seconda polarizzazione rettilinea, orientata perpendicolarmente alla prima.
5. Antenna secondo una delle rivendicazioni 3 o 4, in cui, per una data fessura, (11; 12) dell'elemento radiante, il punto di.accoppiamento (47; 57) dei secondi o dei terzi mezzi di eccitazione è situato sul lato (11a; 12a) opposto a quello (11fa; 12h) del punto di accoppiamento (27;27’)dei primi mezzi di eccitazione.
6. 6. Antenna secondo una delle rivendicazioni 1 a 5, nella quale l'asse mediano (Δ ) dell'accoppiatore ibrido simmetrico a 90* forma un angolo rispetto agli assi (D1, D2 ) delle fessure dell'elemento ra— diante cruciforme.
7. 7. Antenna secondo una delie rivertdicasioni,1 a 6, comprendente inoltre un elemento direttore passivo (30) a forma di tassello disposto, nella direzione di irradiazione davanti all'elemento radiante (10) e ad una certa distanza da questo.