pag.89-100 INTRODUZIONE ALLE ANTENNE · PDF filegrowth of the digital ... Per un ambiente di...

89

S ommario: la richiesta di banda larga nelle

reti di telecomunicazioni ha avuto, in questi

ultimi anni, un’impennata prevedibile dopo lo svi-

luppo delle moderne tecniche di trasmissione digi-

tale che ha consentito l’offerta di contenuti multi-

mediali molto attraenti. Nelle applicazioni che

richiedono la mobilità, il mezzo radio è insostitui-

bile ma le disponibilità dello spettro sono limitate.

E’ d’obbligo quindi sfruttare al meglio questa risor-

sa scarsa e preziosa. La tecnica delle antenne adat-

tative fornisce uno strumento per rendere otti-

mizzabile e dinamica la capacità delle antenne nel

discriminare spazialmente le sorgenti utili o per

illuminare solo le zone interessate al collegamen-

to. Il principio di base, che viene brevemente

richiamato, è quello delle schiere di antenne con

parametri di alimentazione controllabili.

L’applicazione sembra immediata ma la sfida tec-

nologica è ancora aperta.

Abstract: the demand for bandwidth in tele-

communication networks has increased in

recent years in a predictable way, considering the

growth of the digital transmission techniques that

allowed the provision of very attractive multime-

dia content. Radio is irreplaceable for every mobi-

le application but spectrum is limited. So it is an

obligation to exploit carefully this scarce and most

valuable resource. Adaptive antennas provide a

tool for optimizing in a dynamic way antennas abi-

lity to select spatially only the wanted transmitters

or to light only the wanted receivers. The basic

principle is that of antenna arrays with control of

feeding parameters. Despite the apparent easy

application to adaptive systems, technological

challenge is still open.

La Comunicazione - numero speciale BANDA LARGA

EElliioo RReessttuucccciiaa

(Ministero Sviluppo Economico - Dipartimento per le Comunicazioni - ISCTI)

IINNTTRROODDUUZZIIOONNEE AALLLLEE AANNTTEENNNNEE AADDAATTTTAATTIIVVEEUna tecnica innovativa in ausilio all’uso ottimale dello spettro radio

per l’accesso alla rete tlc a banda larga

AADDAAPPTTIIVVEE AANNTTEENNNNAASS:: AANN IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

An innovative technique to improve the radio spectrum

optimal use for broadband wireless access

11 IInnttrroodduuzziioonnee

Le tecniche di comunicazione via radio si sono

evolute in questo ultimo mezzo secolo in modo

rapido e sostanziale.

Queste hanno vissuto il contemporaneo svilup-

po della tecnologia dei dispositivi ottici e delle

fibre ottiche che ha consentito l’offerta di banda

larghissima di trasmissione e la conseguente offer-

ta di grande capacità, in termini di quantità di infor-

mazione trasmessa nell’unità di tempo, stimolando

la proliferazione di servizi di comunicazione sem-

pre più ricchi di prestazioni innovative ambiziose.

Le comunicazioni via radio, che tradizionalmen-

te coprivano le necessità delle medie e grandi

distanze e marginalmente le necessità delle brevi

distanze, si sono viste gradatamente sottrarre

importanza dall’agguerrita concorrenza dei sistemi

su supporto fisico.

Neanche la rivoluzione dirompente delle tecni-

che digitali, nei sistemi di modulazione e demodu-

lazione radio come anche nei sistemi di processa-

mento dei segnali, è riuscita a vincere la battaglia

della concorrenza con il supporto fisico, essendo la

limitazione della risorsa spettrale un fattore deter-

minante ed inevitabile.

Le grandi infrastrutture di connessione in fibra

ottica a lunga distanza sia nazionali che internazio-

nali hanno relegato i collegamenti in ponte radio a

microonde a sistemi di supporto e di riserva, i col-

NNOO

TTEE

legamenti radio intercontinentali in onda corta

sono stati gradatamente dismessi e sostituiti dai

sistemi via satellite e dai numerosi collegamenti via

cavo transoceanici sottomarini.

I centri di radiodiffusione sonora a grande

distanza in onda corta, come anche quelli in onda

media per la copertura di aree regionali, sono sem-

pre meno numerosi a causa dei timori sollevati di

recente in merito ai possibili effetti dell’esposizio-

ne a forti campi elettromagnetici delle zone abita-

te in prossimità dei centri di trasmissione e dell’al-

to costo che rappresentano per gli enti gestori.

A ciò si aggiunge l’interesse via via decrescente

che tali trasmissioni riscuotono in un pubblico che

trova più facile reperire gli stessi contenuti, con

qualità migliore, navigando in internet.

Il mezzo radio però continua oggi ad essere uti-

lizzato intensamente nei contesti nei quali non è

ancora economicamente utile sostituirlo, come ad

esempio nel caso di quei collegamenti, per lo più di

limitata lunghezza, all’interno della rete pubblica e

privata di telecomunicazione, in ambito urbano e

semi-urbano, per i quali è difficile e costosa la posa

di cavi.

Un altro esempio è quello della radiodiffusione

televisiva per cui è indispensabile la pervasività del

segnale destinato ad una pluralità di utenti il più

variamente distribuiti sul territorio e non ancora

servita da una rete in cavi sufficientemente capilla-

re.

Ma vi è un caso in cui il mezzo radio è insosti-

tuibile e che gli è fondamentalmente naturale : il

servizio mobile, nell’ambito del quale viene oggi

massicciamente utilizzato.

Si è visto quindi ribaltare la situazione prece-

dente riguardo le comunicazioni via radio, che pur

essendo ancora utilizzate per coprire le medie e

grandi distanze hanno assunto maggiore popolari-

tà per coprire le necessità delle brevi distanze ed

in particolare per permettere libertà di movimen-

to all’utente.

Ciò è testimoniato dall’enorme successo otte-

nuto dalla telefonia radiomobile cellulare che con-

sente a chiunque, dotato di un apparecchio porta-

tile di piccole dimensioni, di mantenersi connesso

alla rete pubblica quasi dappertutto ed in movi-

mento sul territorio nazionale ed anche all’estero,

grazie a collegamenti a breve distanza che si per-

dono e si ricostituiscono tra una cella e l’altra in

modo trasparente per l’utente.

Un altro caso ancora in pieno sviluppo è quello

dei cosiddetti sistemi “wireless” che permettono

l’accesso alla rete anche a larga banda (BWA,

Broadband Wireless Access) che significa l’accesso

a servizi come la connessione internet, la telefonia,

la trasmissione multimediale audio-video ecc.

E’ in questo contesto che l’evoluzione delle tec-

niche ha determinato una nuova forma del sistema

complessivo di telecomunicazione via radio rispet-

to alle forme tradizionali dei decenni scorsi.

22 LL’’aacccceessssoo aallllaa rreettee aa llaarrggaa bbaannddaa

La diffusione di apparati WAS/RLAN (Wireless

Access Systems / Radio Local Area Networks) a

basso costo per la connessione di personal com-

puter fra loro ed alla rete pubblica di tlc, con dis-

ponibilità tra l’altro di connessione internet e di

posta elettronica, ha avuto uno sviluppo rapidissi-

mo e di conseguenza le bande di frequenze previ-

ste per tale uso si sono, in alcuni casi, rivelate insuf-

ficienti a smaltire il traffico richiesto con le presta-

zioni attese.

E’ questo il caso delle bande 2400-2483.5 MHz,

5150-5350 MHz e 5470-5725 MHz in cui, nel

rispetto dei requisiti tecnici e d’impiego imposti, si

opera in regime di libero uso.

Il piano nazionale di ripartizione delle frequen-

ze prevede che i servizi operanti in queste bande

“devono accettare i disturbi pregiudizievoli che

possono verificarsi a causa delle citate applicazio-

ni. Ogni misura praticamente possibile deve esse-

re adottata per assicurare che le irradiazioni delle

apparecchiature usate per tali applicazioni siano

minime....” ed inoltre che “tali utilizzazioni non

debbono causare interferenze ai collegamenti dei

servizi presenti in tabella, né possono pretendere

protezione da tali utilizzazioni.”

Le apparecchiature radio devono quindi funzio-

nare con tali limitazioni per un’utenza che diviene

sempre più esigente e sempre meno tollerante

verso i fuori servizio, le interruzioni o i rallenta-

menti nella trasmissione dei dati.

Benché di piccola potenza e apparentemente di

prestazioni ridotte, molte delle loro funzioni sono

gestite in modo automatico da microcontrollori il

cui software risponde alle esigenze dei protocolli

di comunicazione previsti da standard concordati a

livello internazionale.

Tutto ciò porta ad escogitare strategie proget-

tuali ardite per strappare qualche decibel di miglio-

90

NNOO

TTEE Elio Restuccia


91

ramento sulle prestazioni complessive dei sistemi

di ricetrasmissione nella continua lotta tra veloci-

tà di trasmissione e impegno di banda compatibil-

mente con la robustezza nei confronti del rumore

e con la sensibilità disponibile del ricevitore e gio-

cando il miglior compromesso tra inquinamento

dello spettro radio e potenza trasmessa.

Una velocità di trasmissione più elevata richie-

de, a parità di banda disponibile e di ambiente in

cui avviene la propagazione, uno schema di modu-

lazione più complesso e di conseguenza un miglio-

re rapporto segnale rumore, dove qui per rumore

si intende quello complessivo costituito dalla

somma del rumore del ricevitore più quello pro-

veniente dall’esterno compreso il contributo di

eventuali segnali interferenti.

Questo può richiedere a sua volta una potenza

irradiata maggiore lato trasmissione oppure un

ricevitore con livello del segnale di soglia più basso

lato ricezione o ambedue le cose.

Il livello di potenza irradiata lato trasmissione,

inteso come prodotto della potenza fornita dal

trasmettitore per il guadagno d’antenna, è limitato

dalla normativa per cui gli studi sul miglioramento

delle prestazioni di sistema si concentrano sulle

caratteristiche del ricevitore e sulle tecniche di

codifica, in particolare quelle di canale, che com-

portano anche algoritmi di correzione degli errori

sempre più potenti.

Moltissimi studi sono stati fatti in questi campi

ed hanno permesso, in tempi moderni, grandi passi

avanti.

Ma la lotta non è terminata e si svolge anche su

altri fronti.

Un fronte su cui si rivolge l’attenzione è quello

della prima interfaccia con cui il ricevitore o il tra-

smettitore è connesso al resto del canale trasmis-

sivo e cioè l’antenna.

Per i sistemi radio il canale trasmissivo è costi-

tuito in modo preponderante dallo spazio, tra l’an-

tenna trasmittente e l’antenna ricevente, in cui si

propaga il segnale elettromagnetico interagendo

con tutto ciò che vi si trova dentro.

La casistica è estremamente varia ed articolata.

Per un ambiente di tipo outdoor, volendo sem-

plificare, vi è il caso rurale, semiurbano ed urbano,

mentre per un ambiente di tipo indoor vi sono

categorie assimilabili a capannoni industriali, grandi

ambienti affollati come stazioni ferroviarie e aero-

stazioni, ambienti d’ufficio, ambienti domestici,

locali interrati ecc.

In tali ambienti si possono trovare altri utenti

che utilizzano la stessa banda per lo stesso servi-

zio, sorgenti di rumore a spettro limitato, a spettro

allargato ed altre sorgenti d’interferenza disposti

in modo fisso o mobile rispetto all’antenna rice-

vente e che sono viste da questa lungo direzioni in

genere differenti.

A tutto ciò si aggiunge l’effetto dei cammini

multipli percorsi dal segnale utile verso il ricevito-

re seguendo strade diverse.

I cammini multipli sono provocati da fenomeni

di riflessione, rifrazione o diffrazione da parte del

mezzo trasmissivo o da parte degli oggetti incon-

trati nel corso della propagazione e che, una volta

giunti a destinazione, combinandosi fra loro e con

il segnale diretto, possono essere causa di degrado

della qualità di trasmissione.

Anche i segnali da cammini multipli sono visti

dall’antenna ricevente provenire da direzioni diver-

se.

Ecco quindi nascere l’idea di proteggere il siste-

ma ricevente mediante l’uso di un’antenna, o

meglio di un ssiisstteemmaa dd’’aanntteennnnaa ddiinnaammiiccoo, che adat-

ti le proprie caratteristiche di direttività alla parti-

colare situazione, al fine di ottimizzare la qualità

del segnale ricevuto.

Tutto ciò seguendo in tempo reale l’eventuale

evoluzione nel tempo della configurazione d’insie-

me dei segnali ricevuti utili e di quelli indesiderati.

Lo stesso criterio di adattabilità può essere

esteso al sistema d’antenna di trasmissione in base

a previsioni effettuate a priori, o meglio in base ad

informazioni scambiate con il corrispondente rice-

vitore, per la migliore sagomatura del diagramma

di radiazione sempre al fine di massimizzare la qua-

lità del collegamento.

Su queste considerazioni si basa il concetto

delle cosiddette aanntteennnnee aaddaattttaattiivvee.

33 LLee sscchhiieerree ddii aanntteennnnee

Il principio che viene sfruttato per la sagomatu-

ra dinamica del diagramma di radiazione dei siste-

mi d’antenna è quello, già consolidato e approfon-

ditamente studiato in passato [1] [2] [3] [4] [5],

delle schiere o cortine di antenne semplici di cui di

seguito si riporta molto brevemente qualche

cenno.

INTRODUZIONE ALLE ANTENNE ADATTATIVE

(ADAPTIVE ANTENNAS: AN INTRODUCTION)

NNOO

TTEE


92

NNOO

TTEE

33..11 SScchhiieerraa ddii dduuee aanntteennnnee iissoottrrooppee

Si parte dal caso più semplice di due antenne

isotrope, che irradiano quindi ciascuna in modo

eguale in tutte le direzioni, disposte in spazio libe-

ro, ad una distanza d fra loro, lungo un asse X, ali-

mentate da correnti alla stessa frequenza.

Si esamina la distribuzione del campo elettro-

magnetico complessivo nei punti dello spazio

attorno, individuati dalla distanza D dal centro del

sistema d’antenna e dall’angolo Φ che la direzione

di D forma con l’asse X.

Ci si accorge che tale distribuzione non è come

quella di un’antenna isolata ma dipende, oltre che

dal punto P in cui si esegue la misura, anche dalla

distanza d tra le sorgenti e dalla differenza di

ampiezza e di fase delle correnti di alimentazione.

Il campo complessivo, grazie alla linearità delle

equazioni di Maxwell e della conseguente proprie-

tà di sovrapposizione degli effetti, è infatti dato

dalla somma vettoriale dei due campi contributo:

I due campi contributo giungono nel punto P

con una differenza di fase ψ nel tempo che è data

dalla differenza di fase γγ = fase(I2)-fase(I1)

delle correnti I a cui si somma algebricamente

la differenza di fase causata dalla differenza Δ dei

tragitti percorsi.

Se il punto P è sufficientemente lontano dal

sistema radiante (D>>d) è possibile assumere

parallele le direzioni con cui le due sorgenti vedo-

no il punto P.

In queste ipotesi la differenza di fase ψ sarà:

La stessa condizione D>>d permette di assu-

mere uguali le attenuazioni di propagazione dei

due contributi di campo prodotti da ciascuna sor-

gente isotropa nel punto P e, nell’ulteriore ipotesi

di correnti di alimentazione di pari ampiezza, que-

sti contributi saranno di ampiezza E uguale.

Il campo elettrico totale Et sarà:

che si dimostra con le considerazioni geometri-

che di somma vettoriale che si desumono dalla

figura 2:

Come esempio si riporta in Figura 3 il diagram-

ma di radiazione, in uno qualunque dei piani pas-

santi per l’asse X, quando la distanza d tra le sor-

genti è mezz’onda e le correnti di alimentazione

oltre che equiampiezza sono anche equifase, γ = 0°

(Fig. 3).

Come altro esempio si riporta in Figura 4 il dia-

gramma di radiazione nelle stesse condizioni di

prima ma con sfasamento delle correnti di alimen-

tazione γ = 180° (Fig. 4).

Osservando i diagrammi precedenti risulta evi-

dente come le caratteristiche radiative di un siste-

Elio Restuccia

E

E

ψ

ψ/2

Et

γϑλ

πγλ

πψ +=+Δ

= cos2 2d

)2

coscos(2 )2

cos(2γ

ϑλπψ

+==d

EEEt


Figura 2Figura 1

93

NNOO

TTEE

ma anche semplice, come può essere una schiera

di due sole antenne isotrope, possa essere cam-

biato, anche in modo sostanziale, controllando

opportunamente solo la relazione di fase delle

correnti isofrequenza di alimentazione delle

antenne.

33..22 SScchhiieerraa lliinneeaarree uunniiffoorrmmee ddii nn aanntteennnnee iissoo--

ttrrooppee

Nel caso la schiera sia formata da più di due

antenne isotrope allineate, separate tutte della

stessa distanza ed alimentate con correnti aventi

lo stesso sfasamento progressivo, si viene a for-

mare una schiera lineare uniforme.

I lobi di radiazione massima diventano più

stretti con conseguente maggiore direttività del

sistema.

Di seguito si riportano gli esempi relativi a 3, 4

e 6 antenne:




Figura 3

(n=2 , d/λ= 0.5 , γ= 0°)

Figura 4

(n=2 , d/λ=0.5 , γ= 180°)

Figura 5

(n=3 , d/λ=0.5 , γ= 0°)

Figura 6

(n=4 , d/λ=0.5 , γ=0°)

Figura 7

(n=6 , d/λ=0.5 , γ= 0°)

Il solido di radiazione può essere ottenuto in

questo caso, grazie alle proprietà di simmetria

della disposizione nello spazio delle sorgenti, ruo-

tando i relativi diagrammi attorno all’asse X.

Se l’asse X è verticale la radiazione risulta omni-

direzionale e, nel caso di sfasamento nullo delle

correnti di alimentazione (γ = 0), le direzioni di

massimo giacciono nel piano orizzontale.

Ma nel caso di sfasamento non nullo, le direzioni

di massimo si spostano verso l’alto o verso il

basso a seconda del segno di γ.

94

NNOO

TTEE Elio Restuccia

33..33 SScchhiieerraa lliinneeaarree uunniiffoorrmmee ddii nn aanntteennnnee ggeennee

rriicchhee

Quando la schiera lineare uniforme è costituita,

nel caso più generale, da antenne diverse da quelle

isotrope ma tutte uguali fra loro, il problema di

determinare la distribuzione dell’ampiezza del

campo e.m. può essere risolto facilmente ricorren-

do al principio della moltiplicazione dei diagrammi.

Tale principio afferma che il diagramma di radia-

zione è dato dal prodotto del diagramma di radia-

zione della singola antenna (elemento di schiera)

per il diagramma della stessa schiera nella quale og

antenna è stata sostituita da un’antenna isotropa.

Quest’ultimo diagramma è chiamato Fattore dischiera.

Se il Fattore di schiera viene diviso per il valore

che esso assume nella direzione di irradiazione mas-sima, si ottiene il Fattore di schiera normalizzato.

Con ciò è possibile sfruttare i risultati ottenuti in

precedenza.

Infatti immaginando, per esempio, che la schiera

sia costituita da dipoli mezz’onda per ottenerne il

diagramma di radiazione è sufficiente moltiplicare

l’espressione che descrive il diagramma del dipolo

mezz’onda per l’espressione che descrive il dia-

gramma della corrispondente schiera di antenne

isotrope (Fattore di schiera).

Come esempio si riporta il risultato ottenibile

con un allineamento di quattro dipoli mezz’onda

verticali (collineare).

Raffrontandolo con il diagramma di un singolo

dipolo risulta evidente l’aumento della direttività:


Figura 8

(n=6 , d/λ=0.5 , γ= 60°)

Figura 9(n=6 , d/λ=0.5 , γ= -60°)

Figura 10

(dipolo mezz’onda verticale)

95

Anche in questo caso modificando il valore

dello sfasamento γ è possibile modificare corri-

spondentemente la direzione di puntamento del

lobo principale di irradiazione.

33..44 SScchhiieerraa ppllaannaarree uunniiffoorrmmee ddii aalllliinneeaammeennttii ddii

aanntteennnnee

Accostando ad un schiera lineare uniforme

altre schiere lineari uniformi parallele, costituite

sempre dallo stesso tipo di antenna e disposte in

modo da creare una rete ordinata di righe e

colonne in cui la fase delle correnti di alimentazio-

ne degli elementi, sia per le righe che per le colon-

ne, rispetti una progressione uniforme, si viene a

formare una schiera planare uniforme. Lo studio

della distribuzione del campo e.m. è più complica-

to ma è possibile, sfruttando una estensione del

concetto di Fattore di schiera ed il principio della

moltiplicazione dei diagrammi, ottenere in modo

semplice gli stessi risultati. Il Fattore di schiera è

dato in questo caso dal diagramma di radiazione di

schiere lineari, disposte come sopra descritto, e

formate da antenne isotrope. Definendo un siste-

ma di riferimento cartesiano ortogonale XYZ e

disponendo le sorgenti isotrope nel piano XY cen-

trate nell’origine del riferimento:

e avendo indicato con:

P(θ,ϕ) = il punto d’osservazione nella direzione

θ,ϕ;

n = il numero delle sorgenti che costituscono

il lato X;

m = il numero delle sorgenti che costituiscono

il lato Y;

dx = la distanza fra le sorgenti disposte nelle

direzioni parallele all’asse X;

dy = la distanza fra le sorgenti disposte nelle

direzioni parallele all’asse Y;

θ = l’angolo che il piano passante per Z, con

tenente la direzione d’osservazione,forma

con l’asse X;

ϕ = l’angolo che la direzione d’osservazione

NNOO

TTEE

θ dy

P(θ,φ)

ϕ

Z

X

Y dx




Figura 11

(collineare di 4 dipoli verticali)

Figura 14

θ

X

Im

Im-1

θ

X

Im

Im-1

θ X

Im

Im-1

Figura 12

(collineare di 4 dipoli verticali , d/λ=0.6 , γ= 90°

Figura 13

(collineare di 4 dipoli verticali, d/λ=0.6 , γ= -90°)

forma con l’asse Z;

γx = lo sfasamento progressivo tra le sorgenti

lungo X;

γy = lo sfasamento progressivo tra le sorgenti

lungo Y;

l’estensione del principio della moltiplicazione dei

diagrammi afferma, in questo caso, che il diagram-

ma complessivo della schiera planare è dato dalla

moltiplicazione del diagramma relativo alla schiera

lineare che costituisce una delle righe per il dia-

gramma relativo alla schiera lineare costituita

da una colonna di singole sorgenti isotrope

posizionate nel centro di fase di ciascuna riga e che

sostituiscono le righe stesse.

La medesima definizione può essere ripetuta

scambiando le righe con le colonne ed è applicabi-

le anche ai solidi di radiazione.

Con la geometria descritta in fig. 14 si ottiene:

Il risultato rappresenta la superficie del solido

di radiazione normalizzata per una schiera planare

di sorgenti isotrope.

Nel caso in cui le antenne, elementi della schie-

ra, non siano isotrope, occorre moltiplicare ulte-

riormente per il diagramma specifico dell’antenna,

elemento di schiera, ponendo attenzione alla con-

cordanza del sistema di riferimento.

Applicando ancora il principio di moltiplicazio-

ne dei diagrammi è possibile così ottenere il risul-

tato Fsp per schiere planari in cui le sorgenti iso-

trope sono sostituite da altro tipo di antenna il cui

solido di radiazione è descritto dalla funzione

Fa(θ,) :

Seguono alcuni esempi di raffigurazione di

solidi di radiazione in cui, per una schiera 4x4 di

antenne isotrope, viene fatta variare la distanza

relativa fra sorgenti dx/λ , dy/λ e lo sfasa-

mento progressivo γx , γy :

96

NNOO

TTEE Elio Restuccia

( ) ( )

( ) ( )⋅

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

⋅⋅

=

=

2cossinsin

2cossinsin

1

),(

xx

xx

d

dn

mn

F

γϑϕ

λπ

γϑϕ

λπ

ϕθ

( ) ( )

( ) ( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⋅

2sinsinsin

2sinsinsin

yy

yy

d

dm

γϑϕ

λπ

γϑϕ

λπ

(3)


Figura 15

4x4 iso, dx/λ=0.5, dy/λ=0.5, γx=0°, γy=0°

Figura 16

4x4 iso, dx/λ=0.7, dy/λ=0.7, γx=0°, γy=0°

(3)

),(),(),( ϕθϕθϕθ asp FFF ⋅= (4)

Figura 17

4x4 iso, dx/λ=0.5, dy/λ=0.5, γx=60°, γy=0°

X

Z

Y

97

33..55 SScchhiieerraa ccoonn sscchheerrmmoo rriifflleetttteennttee

Se la schiera è provvista di schermo elettroma-

gnetico piano, disposto parallelo all’allineamento, o

alla schiera planare, e a distanza opportuna, in

modo da massimizzare l’irradiazione nella direzio-

ne normale al piano riflettente, si ottiene il massi-

mo solo in un verso di tale direzione.

E’ così possibile realizzare un ulteriore miglio-

ramento della direttività privilegiando una direzio-

ne o un semispazio.

NNOO

TTEE




Figura 21

4x4 iso, dx/λ=0.5, dy/λ=0.5,γx=100°, γy=0°

Figura 22

4x4 iso, dx/λ=0.5,dy/λ=0.5, γx=0°,γy=100°

Figura 19

4x4 iso, dx/λ=0.5, dy/λ=0.5, γx=60°, γy=60°

Figura 20

4x4iso, dx/λ=0.5,dy/λ=0.5,γx=-60°,γy=- 60°

Figura 18

4x4 iso, dx/λ=0.5 dy/λ=0.5, γx=0° γy=60°

Tale principio viene sfruttato nella realizzazione

dei pannelli irradianti utilizzati per esempio nei

sistemi di trasmissione di radiodiffusione o nei

centri radiobase dei sistemi radiomobili.

Negli esempi che seguono vengono raffigurati

qualitativamente i solidi di radiazione che si otten-

gono:

44 AApppplliiccaazziioonnee aallllee aanntteennnnee aaddaattttaattiivvee

Se il sistema d’antenne, costituito dalle schiere

come prima descritte, consente la possibilità di

controllare lo sfasamento progressivo che deter-

mina la direzione di irradiazione massima, si com-

prende immediatamente come si abbia in mano

uno strumento per migliorare le condizioni di tra-

smissione verso un utente o un gruppo di utenti e

contemporaneamente minimizzare l’effetto inter-

ferente verso le zone dove lo stesso segnale risul-

ta indesiderato [6] [7] [8] [9].

Minimizzare l’irradiazione verso determinate

direzioni segue dalla possibilità di potere orienta-

re, oltre che la direzione di massimo, anche le dire-

zioni di minimo sfruttando le tecniche di sintesi dei

diagrammi di radiazione.

A ciò si può aggiungere che regolando oppor-

tunamente l’ampiezza delle correnti di alimenta-

zione degli elementi della schiera è possibile otte-

nere l’eliminazione dei lobi secondari o la loro

riduzione.

Dal lato ricevente si può, nella medesima

maniera, migliorare le condizioni di ricezione verso

il sito trasmittente desiderato e contemporanea-

mente minimizzare l’interferenza proveniente da

siti diversi il cui segnale è indesiderato.

L’effetto migliorativo risulta quindi doppio sia

dal punto di vista del sito di trasmissione sia da

quello del sito di ricezione.

Considerando, inoltre, che per i moderni siste-

mi radio in tecnica numerica sono sufficienti pochi

decibel di miglioramento del rapporto segnale/

(rumore + interferente) per fare la differenza tra

l’instaurazione di un collegamento di buona qualità

oppure la sua interruzione, si comprende quanto

importante in molti casi possa essere la disponibi-

lità di antenne adattative.

Il controllo dello sfasamento progressivo viene

effettuato da una logica, governata da micropro-

cessori, che analizza una serie di dati in ingresso,

esegue degli algoritmi di ottimizzazione e decide

quali comandi inviare al sistema d’antenna per

ottenere il desiderato solido di radiazione.

Le parti principali, costituenti un sistema radio che

utilizza le antenne adattative, possono essere quin-

di riassunte in:

- schiera di antenne elementari, con relativa rete di

alimentazione, dotata di sfasatori controllabili

direttamente in modo numerico o comunque

dotati di interfaccia per la logica di controllo;

- gruppo di controllo a microprocessore che ela-

bora le informazioni scambiate con il ricetrasmet-

titore e che pilota opportunamente la rete di sfa-

satori della schiera;

- software che gestisce tutte le operazioni seguen-

do la strategia scelta in base alle specifiche condi-

zioni operative ed all’ambiente elettromagnetico

previsto.

98

NNOO

TTEE Elio Restuccia


Figura 24

4x4 iso, dx/λ=0.5, dy/λ=0.5,γx=100°,γy=0° con

schermo posteriore

Figura 23

4x4 iso, dx/λ=0.5, dy/λ=0.5, γx=0°, γy=0°con

schermo posteriore

99

55 CCoonncclluussiioonni

Le difficoltà incontrate nello sviluppo di un

sistema, come sommariamente descritto sopra,

pongono delle sfide che riguardano vari aspetti ma

in particolare la ricerca di soluzioni pratiche nella

tecnologia di realizzazione degli sfasatori integrati

nell’antenna.

Tale tecnologia deve rispondere a criteri di

accuratezza, efficienza, robustezza, capacità di ope-

rare alle frequenze richieste e con la larghezza di

banda richiesta e non ultimo deve anche risponde-

re a criteri di economicità per sperare in un suc-

cesso di mercato.

Un altro fronte di studio consiste nello svilup-

pare strategie operative, da tradurre in software

che gestisca il gruppo di controllo della schiera, e

che possono presentarsi anche notevolmente

diverse tra loro e dipendenti dalle svariatissime

esigenze che il sistema radio si può trovare a

dover fronteggiare.

La tecnica delle antenne adattative infatti può

trovare applicazione utile, per fare solo degli esem-

pi, con apparati radio di tipo fisso o mobile, idonei

alla sola trasmissione, alla sola ricezione o alla rice-

trasmissione, operanti in ambiente outdoor o

indoor, che svolgano servizio broadcasting, servizio

radiomobile in configurazione a celle oppure impe-

gnati in reti costitute da due o più unità.

Dagli inizi della tecnica radio ad oggi le esigen-

ze sono molto cambiate, i sistemi si trovano a

dover operare in ambienti, dal punto di vista elet-

tromagnetico, sempre più affollati e trattare volu-

mi di dati sempre maggiori.

La rincorsa a potenze di emissione sempre

maggiori ha lasciato il posto allo studio di metodi

alternativi per migliorare la qualità e le prestazioni

nelle comunicazioni radio.

Ci si è convinti ad un uso parsimonioso della

potenza ed allo sfruttamento di quanto, nel siste-

ma radiante, può aiutare in questo senso.

La strada da percorrere è già tracciata e la sfida

è appena iniziata.



NNOO

TTEE


CONTROLLO SFASAMENTO

RICETRASMETTITORE

schiera di antenne

ingresso/uscita

dati

Figura 25

100 La Comunicazione - numero speciale BANDA LARGA

NNOO

TTEE Elio Restuccia

BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAA

[1] G. Bronzi,“Linee di trasmissione ed antenne”, parte II, Colombo Cursi – Pisa, 1968;

[2] D. J. Kraus,“Antennas”, Mc Graw-Hill Book Company, Inc., 1950;

[3] R. Collin,“Antenna theory”, Mc Graw-Hill Book Company, Inc., 1969;

[4] R. J. Mailloux,“Phased array antenna handbook”,Artech House, 1994;

[5] C.A. Balanis,“Modern Antenna Handbook”,Wiley-Interscience, 2008;

[6] B. Allen, M. Ghavami, “Adaptive array sensors fundamentals and applications”, John Wiley & Sons

Ltd., 2005;

[7] R.A. Monzingo,T.W. Miller,“Introduction to adaptive arrays”, SciTech Publishing, 2004;

[8] T. K. Sarkar, M. C.Wicks,“Smart antennas”,Technology & Engineering, 2003;

[9] J. Li, P. Stoica,“Robust adaptive beamforming”,Wiley-Interscience, 2006

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