Appunti di Antenne - Parte 1

Antenne

Regione del visibile 400 nm = 700 nm

Caratterizzazione di Antenne

• "Dispositivo atto a radiare/captare onde elettromagnetiche"
• "A usually metallic device for radiating or receiving radiowaves"
• "A mean for radiating or receiving radiowaves"
• Radio onda: \( f \epsilon [1-1000 \space MHz] \)
• Microonda: \( f \epsilon [1 \space GHz \space to \space 100 \space GHz] \)

SUBSISTEMA ANTENNA:

spazio libero

campo EM guidato Tx - guidato

campo EM guidato, uscita Rx - campo EM irradiato, libero

traduttore EM, traduttore e reciproco, direzionali

saldo di radiazione (Antenna Pattern)

• L'Antennna è un dispositivo (sub-sistema) elettronico, traduttore reciproco e direzionale (angolomenti)

Tipologie di Sistemi Radio

1. Telecomunicazioni
   • Tx
   • Rx
   • Punto-Multipunto
   • Punto-Punto
   • Multipunto-Multipunto
2. TLC, radio difusione (broadcasting)

es. #2 PUNTO-PUNTO

Ponte Radio (Radio link)

SISO

es. #3 Multipunto-Multipunto (MIMO)

MIMO

Punto bidirezionale di informazione

3. Radioidentificazione (RFID: Radio Frequency Identification)

• collegamento punto-punto
• con RX passivo (riflette il segnale)

3. Teleindividuamento (rilievo a distanza)

• rilievo a distanza delle proprietà di un oggetto

- RADAR (radio detection and ranging)

• sistema Monostatico/Monoantenna, impulsato (lavora con impulsi di ms)
• onda viene retrodiffusa dall'ostacolo e captata dall'RX
• si può calcolare la distanza a cui l'oggetto si trova

v = Δx / Δt nel caso nostro x=2z

Δx=2τ-0=2z

posto t₀=0 ⇒ ΔE=E-0=t

t_misurato

⇒ z=ct/2 essendo v ≅ c (in aria)

c ⇒ stima della distanza fatta con Radar

MECCANISMI DI RADIAZIONE E-M

considero un filo di corrente elettrica

e c'è un flusso

di corrente di conduzione I_C

quella che è presente dove

alle estremità

che provoco una diff. di potenziale

asse in verso

dQ = e·dV = e·S·dz

per collettore la corrente

dQ_z = I_C ➔ I_C = e·S d_z

allora lungo z

=∫_dz I_S = eν_z

∫_z S = δE_z

H_p: f_z(z, t) - è tempo-costante

se a_z varia nel tempo

• d_z f_z(z, t) = d/dt (e f(z)) = e d_z

dt z = e:

β_z = a_z quuesto che causa

['accelerazione ⇔ radiazione']

e quando

p. e. si ha

per generatore AC

☞ radiazione EM se:

• 1) varia corrente in modo che a_z ≠ 0
• che avviene quando
• 1) l'interruttore è terminato

decelerazione

AC ↔ monopolo

diventi

nodo

correnti

zero

• 2) conduttore a sezione non uniforme:
• ❍ modifica di sezione
• c'è radiazione

E_∞ (τ) = C_E e^jKτ F(θ, φ)

H_∞ (τ) = 1/η₀ × E_∞ (τ)

con K = k

K_xx x₀ + K_yy y₀ + k_z z₀

⇒ Kτ = k_T ⋅ ? (K _z (Ω)) = K_xx W_xx + K_yy W_yy + k_z W_z = K_z z (k_T z₀) + K_z (k_T Ω) – k_T (Ω z)

Kτ = K_z τ

φ = E_∞, H_∞ formano una terna triangolare ↔

CALCOLO VETTORE DI POYNTING ASSOCIATO AL CAMPO LONTANO:

in generale P(ξ) = 1/2 |E(ξ) × H*(ξ)|

P_∞ = 1/2 η₀ |E_∞ (ξ) × E_∞ (ξ)

[W/m²]

nel campo lontano

P_∞ = |E_xx x₀ × E_∞ x₀|

= (η_∞ x₀ × E_∞ – |E_∞ z₀|) = 1/2η_z⁰

= 1/2η_z⁰ |E_xx 1/2 (E_∞ z₀) – E_∞ |

= 1/2η_z⁰

|E_∞|² BAC CAB

= 0 perché E = 1/Z₀

P_∞ (ξ) = 1/2η₀ |E_∞|² 1/Z₀

⇨

Il mezzo è non dissipativo (β ≈ 0) e non dispersivo (ϵ = ϵ_c)

p.e. posso considerare di avere vuoto omnicomo

o vernici

μ_r ≈ 1

ɛ_r ≈ ɛ

δ = 0

ɛ = 0

ζ = 0

δ = c

ζ = n₀ ≈ 376Ω

▶

P_∞ (ξ) = 1/2η₀ |E_∞|² c₀

Solido di Radiazione e.m.

si definisce Solido di radiazione :

spesso riportato in dB:

=>

=>

Diagrammi di Radiazione da Un(θ,φ)

• partendo dal solido di radiazione si intersecano dei piani notevoli
  • Un = Un(θ,φ) 3D => diagramma 2D
  • piano notevole m(θ,φ)

Piani di elevazione (sezioni) => hanno φ fissato

• a) φ = 0° ∀ 0 ≤ θ ≤ 180° =>
• b) φ = 180° ∀ 0 ≤ θ ≤ 180°

ricavo

calcolo

modulo

si può notare che:

3) Direttività di Antenna

Th1 definire D(θ,φ) in funzione della sola U(θ,φ)?

Th2 D(θ,φ) in funzione di U(θ,φ) e W_T?

Th4 D(θ,φ) in funzione di U_m(θ,φ) e Ω_A?

si dimostra che, dalla teoria delle radiazione e.m. di antenne ad apertura

onda piana TEM

si dimostra che

D_HL ∝ λ / D_pp²

(D_HL ∝ C_ill λ / D_pp)

α_ill: coefficiente di illuminazione sull'apertura

EX: calcolare D_M in funzione di α_ill?

per antenne a fascio simmetrico in modo approssimato

secondo Kraus

D_M = 4π / λ² ⋅ α_ill ⋅ A_ill

D_M = 4π / λ² ⋅ (D_PP1, D_PP2)

α_ill ⋅ α_ill ≥ 1

efficienza di illuminazione = η_a

si dimostra che η_a = 1 se l'illuminazione è costante

potenza dissipata su _RL (=> potenza trasmessa):

W_T = 1/2 |I_g|² R_L

W_T = |V_g|² / 8 |R_L + R_a|² R_L

qui vol si può definire:

R_e = W_T / 1/2 |I_g|²

= ∫₀ ^4π P_o(x, θ, φ) dΩ

R_e = ∫/ 4π U(θ, φ) dΩ

= 1/2 |I_g|²

Rinfrutta Realizzione

- Regioni di campo e.m. intorno all’antenna e irradiatori -

considero

campo

vicino

duo

non è TEM,

non va come 1/r

D_λ

(r, θ, φ) > 0

campo

Radiacho

Da

2π < λ/2

θ P(x, t) > 0

campo lontano

= campo TEM Radiale

P_o = Z₀

< P_oo(x, t) > > 0

c’è solo potenza

attiva / radiata

iso come 1/r²

quindi: 1) R ≈ D_λ² / λ

limiti di campo lontano = far Field

2) R ⩽ (D_λ, λ)

(limiti di campo Reattivo - Reactive Field)

3) Regione di Campo Vicino: ∀r,

R ⩽ r ⩽ ε_r

- Campo lontano e Campo Vicino trasportano potenza Radiativa (Attiva):

quindi R_bo ≠ 0

- In campo Reattivo ⟨P(x, t)⟩ = 0 ~ c’è solo pot. Reattiva

ed è direttamente dalla misura di X_a

Rinfrutta

X_a = >0 (induttiva)

= <0 (capacitiva)

(serie)

= 0 (Risonante) → (parallelo)