IT202100002273A1 - Antenna a slot con cavità compatta ed a banda larga. - Google Patents

Description

DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:

?ANTENNA A SLOT CON CAVIT? COMPATTA ED A BANDA LARGA.?

CAMPO DELL?INVENZIONE

La presente invenzione riguarda il settore della radiocomunicazione di tipo wireless e del radiorilevamento radar. In particolare la presente invenzione riguarda le antenne planari, compatte, a banda larga ed integrate in sovrastrutture metalliche. STATO DELLATECNICA

Le antenne a slot con cavit? sono strutture solitamente impiegate nella radiocomunicazione di tipo wireless e nel radiorilevamento. Le loro caratteristiche, quali il peso ridotto, il volume contenuto, i bassi costi di fabbricazione, la robustezza meccanica e l?alta integrabilit? con l?ambiente in cui esse operano le rendono adatte per essere utilizzate sui satelliti, sui veicoli spaziali, sugli aerei, sulle navi e nei sistemi radar di veicoli ad alta velocit?. Gli elementi radianti comunemente impiegati per applicazioni a microonde sono le antenne stampate e le aperture in guida d?onda. Le antenne stampate sono costituite, nella forma pi? semplice, da uno strato conduttore stampato sopra un substrato dielettrico a basse perdite, che a sua volta poggia su un conduttore di massa; sul conduttore superiore sono stampati sia gli elementi radianti, sia la rete di alimentazione. Tali sistemi presentano degli svantaggi dovuti essenzialmente alla limitata potenza impiegabile, alla presenza di accoppiamenti parassiti e di perdite causate da una rete di alimentazione aperta e dal dielettrico che ne confinano l?utilizzo alla parte bassa dello spettro delle microonde ( , Microstrip antennas. Artech house, 1980). Il metodo di alimentazione (feed) usualmente utilizzato per trasferire la potenza sull?antenna ? composto dalla linea microstriscia incisa con processo fotolitografico su un substrato. Le antenne a microstriscia hanno tipicamente una banda operativa limitata (inferiore al 10% intorno nell?intorno della frequenza operativa). Sono stati effettuati molti tentativi volti all?incremento della banda operativa di tali antenne. In alcuni casi, ad esempio, sono stati impiegati patch parassiti (

?Offset stacked patch antenna and method,? US7102571 B2, 05-Sep-2006.), anelli (loops) parassiti ( "Development of a cavity-backed broadband circularly polarized slot/strip loop antenna with a simple feeding structure." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on 56.2 (2008): 312-318), assorbitori elettromagnetici (

low-profile unidirectional cavity-backed log-periodic slot antenna. Progress In Electromagnetics Research, 119, 423-433) e ferriti. Altri esempi di antenne a cavit?, con diagramma d?irradiazione unidirezionale sono state proposte in (

"Quasi Frequency-Independent Increased Bandwidth Planar Log-Periodic Antenna." IEEE Transactions on Antennas and Propagation 62 (2014);

"Wideband cavity-backed bowtie antenna with pattern improvement." IEEE Transactions Antennas and Propagation, on 56.12 (2008);

?Wideband slot antenna for WLAN access points?. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 9; ?A low-profile unidirectional cavity-backed log-periodic slot antenna?. Progress In Electromagnetics Research, 119,2011); (Pat. No. US 4132995 A); (Pat. No. US 6518930 B2).

Sono stati inoltre proposti alcuni approcci per limitare la dimensione fisica delle cavit? per le antenne ad apertura. Ad esempio, ? stato proposto di ridurre lo spazio occupato dalla cavit? attraverso la piegatura della cavit? risonante (Pat. No. US 2684444) e in (Pat. No US 6304226 B1), mediante l?impiego di una piastra elettricamente conduttiva all?interno della cavit? (Pat. No. US 4242685) o con geometrie pi? complicate (Pat. No. US 6756942 B2). Talvolta sono stati impiegati substrati dielettrici per ottenere le prestazioni desiderate (Pat. No. US 4132995 A). Oltre agli esempi sopra descritti, esistono anche altre configurazioni (Pat. No. US 3573834 A), (Pat. No. US 4130823 A), (Pat. No. US 4132995), (Pat. No. US 5461393 A); tuttavia, tali antenne sono di dimensioni elevate rispetto alla lunghezza d?onda di funzionamento e / o non sono in grado gestire livelli di potenza elevati. ? quindi chiara la necessit? di un?antenna a slot con riflettore compatta, a banda larga, con struttura geometrica semplice e che operi con alti livelli di potenza.

DESCRIZIONE SOMMARIA DELL?INVENZIONE

Lo scopo della presente invenzione ?, pertanto, quello di risolvere i summenzionati problemi dello stato dell?arte tramite un?antenna avente un diagramma d?irradiazione di tipo unidirezionale (broadside), operante su una larga banda di frequenze, che lavori con livelli di potenza dell?ordine di 1 KW e, inoltre, garantisca un?efficienza di radiazione vicina al 100%. ? ancora scopo dell?invenzione fornire una struttura caratterizzata da elevata semplicit? al fine di semplificarne la produzione in serie realizzando costi di produzione molto contenuti.

La presente invenzione riguarda quindi una nuova antenna a slot con cavit? risonante (Wide Band Cavity Backed Slot Antenna ? WBCBSA) preferibilmente composta da un contenitore metallico sostanzialmente rettangolare, sulla cui parte superiore ? presente una apertura con forma ad ali di farfalla (bow-tie slot). La struttura radiante ? composta interamente di materiale metallico ed ? quindi caratterizzata da una efficienza di irradiazione prossima al 100%. L?apertura (slot) e la cavit? risonante sono opportunamente alimentate dall?elemento di eccitazione dell?antenna, costituito da un conduttore metallico a forma di croce che, pu? essere realizzato tramite un circuito stampato di supporto o, in alternativa, interamente in metallo con elementi tubolari. L?elemento di eccitazione si trova all?interno della cavit? ed ? posto ad una precisa distanza dal piano di massa, costituito dalla parete del suddetto contenitore metallico dell?antenna secondo l?invenzione, in modo da garantire un basso coefficiente di riflessione su una larga banda di frequenze. In ognuna delle realizzazioni, il segnale radio ? portato all?elemento di eccitazione tramite un cavo coassiale interno alla cavit?, il cui conduttore centrale ? connesso alla croce, mentre la calza esterna ? collegata all?involucro metallico della cavit?. L?antenna ? quindi dotata di opportuno connettore coassiale di interfaccia posto sul fondo della scatola oppure opzionalmente su una delle pareti laterali.

Il campo elettromagnetico, grazie all?accoppiamento attraverso l?apertura a farfalla, viene efficientemente irradiato su una larga banda di frequenze nella direzione normale rispetto alla cavit? (direzione Broadside). La cavit? risonante, chiusa sul fondo e posta nella parte inferiore, minimizza il campo irradiato nella direzione opposta a quella di massima irradiazione (bassa back radiation).

L?antenna a slot con cavit? risonante (Wide Band Cavity Backed Slot Antenna ? WBCBSA) secondo la presente invenzione comprende preferibilmente:

una cavit? risonante realizzata tramite un involucro metallico a forma di parallelepipedo che svolge la funzione di indirizzare il campo elettromagnetico prevalentemente nelle direzioni di interesse (radiazione broadside)

una apertura (slot) realizzata sulla faccia superiore della cavit? risonante con forma ad ali di farfalla (bow-tie slot)

un elemento di eccitazione della slot e della cavit? per la radiazione del segnale elettromagnetico composto da un elemento metallico a forma di croce. Tale elemento ? realizzato tramite circuito stampato o in alternativa tramite elementi tubolari in metallo

un cavo coassiale interno che collega il connettore di interfaccia esterno all?elemento di eccitazione.

La forma della slot, le dimensioni interne della cavit? risonante, la posizione dell?elemento di eccitazione sono direttamente responsabili delle frequenze di funzionamento dell?antenna e della curva di guadagno della stessa, permettendo di ottenere una banda relativa superiore al 100%.

Vantaggiosamente, l?elemento di eccitazione, che innesca l?irradiazione della struttura, ha forma, diametro, lunghezza e posizione dimensionati con lo scopo di ottenere il minor livello possibile di perdita in riflessione di potenza ed il massimo livello di guadagno. In particolare, ad una maggiore lunghezza dell?elemento di eccitazione corrisponde un maggiore adattamento d?impedenza alle frequenze pi? basse dell?intervallo osservato; ad una minor distanza dalla slot corrisponde un aumento del livello di guadagno.

In una realizzazione preferita dell?invenzione, inoltre, ? prevista una rastremazione nella transizione tra il cavo coassiale interno e l?elemento di eccitazione affinch? tra la parete laterale della cavit? risonante e l?elemento stesso non si crei, per alti livelli di potenza, una scarica elettrica.

In un?altra realizzazione preferita l?antenna a cavit? secondo l?invenzione presenta una doppia alimentazione che permette di impiegare l?antenna in pi? bande di frequenza separate.

Il sistema di alimentazione doppio prevede infatti due sistemi di innesco dell?antenna disgiunti, opportunamente conformati per le rispettive bande di funzionamento e collegati a due connettori diversi.

Ad esempio il primo eccitatore pu? essere composto da un tubo metallico posto all?interno della cavit?, il secondo da un tubo metallico posto all?esterno della cavit?. L? eccitatore esterno pu? avere forma ad ?L? e poggiare su un sostegno trasparente alle radiofrequenze e caratterizzato da un fattore di perdita vicino a zero.

La robustezza meccanica, il ridotto ingombro, l?elevata integrabilit? nell?ambiente dell?antenna secondo la presente invenzione ne permette l?utilizzo per applicazioni, sia civili che militari, di radiocomunicazione wireless. Le realizzazioni preferite descritte dell?antenna secondo la presente descrizione permettono, inoltre, un montaggio a filo parete, con bassissimo impatto visivo ed estetico.

Infine, le caratteristiche di alta efficienza, alta potenza irradiata, integrabilit? in sovrastrutture metalliche e larga banda operativa fanno dell?antenna un candidato ideale per applicazioni di comunicazioni navali, attraverso l?istallazione a bordo di alberi integrati di nuova generazione. In tal caso la banda di funzionamento ? quella VHF (Very High Frequency) o UHF (Ultra High Frequency). L?antenna ? ulteriormente impiegabile nelle bande radar come elemento radiante di un array o nelle bande Wi-fi o satellitari come elemento radiante in trasmissione o ricezione integrato in strutture metalliche.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione dettagliata seguente, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l?ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate, in cui:

Fig. 1 illustra una vista dall?alto di una realizzazione preferita dell?antenna a cavit? secondo l?invenzione;

Fig. 2 illustra una vista prospettica di una realizzazione preferita dell?antenna a cavit? secondo l?invenzione con eccitatore realizzato su circuito stampato;

Fig. 3 illustra una vista prospettica di una realizzazione preferita dell?antenna a cavit? secondo l?invenzione con eccitatore realizzato in metallo;

Fig. 4 illustra una vista dall?alto di una realizzazione preferita dell?antenna a cavit? secondo l?invenzione con due linee di alimentazione, e

Fig. 5 illustra una vista prospettica, di una realizzazione preferita dell?antenna a cavit? secondo l?invenzione con due linee di alimentazione.

La seguente descrizione di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. L'ambito dell'invenzione ? definito dalle rivendicazioni allegate.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

In riferimento alla Fig.1 allegata, si illustra un esempio di antenna ad apertura con cavit? risonante. L?antenna comprende un contenitore metallico 3 sul quale viene creata un?apertura ad ali di farfalla 1. Il contenitore metallico 3 racchiude una cavit? risonante 5. Al di sotto dell?apertura e all?interno della cavit? 5 si trova l?elemento di eccitazione o eccitatore 2, realizzato ad esempio tramite piste metalliche realizzate su un circuito stampato, ed ? presente almeno una staffa metallica 4 conformata a ?L? - con un lato minore fissato al fondo di detto contenitore metallico 3 e un lato maggiore che si estende verso l?apertura a forma di ali di farfalla 1 del contenitore metallico 3 - e avente la funzione di modificare la risonanza della cavit?.

Preferibilmente dette staffe 4 sono in numero di quattro.

La Fig.2 mostra in vista isometrica la struttura dell?esempio di antenna ad apertura con cavit? risonante secondo l?invenzione illustrato in Fig. 1. La vista isometrica dell?esempio realizzativo illustrato mostra la posizione dell?elemento di eccitazione 2 all?interno della cavit? 5, oltre che la forma e la posizione delle flange 4. Preferibilmente il dispositivo descritto ha dimensioni che sono funzione della lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza operativo. In una forma realizzativa preferita il dispositivo pu? avere dimensioni (larghezza x lunghezza x altezza) pari a circa 1.0 x 0.6 x 0.3 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda.

Un?altra realizzazione preferita della presente invenzione, illustrata in Fig. 3, prevede un diverso elemento di eccitazione 2 realizzato tramite elementi metallici cilindrici disposti a croce 6, e ancora un contenitore metallico 3 con l?apertura ad ali di farfalla 1 e provvisto di una flangia di fissaggio 7 e di inserti metallici 4 per il controllo della frequenza di risonanza, disposti all?interno della cavit? 5 racchiusa dal contenitore 3. Tali inserti hanno la duplice funzione di controllare i modi risonanti della cavit? metallica, allargando la banda di frequenze di funzionamento dell?antenna e di controllare la forma del diagramma di radiazione dell?antenna stessa, evitando la divisione del fascio con conseguente perdita di puntamento della stessa all?estremo superiore delle frequenze di funzionamento.

Un?altra realizzazione preferita della presente invenzione, illustrata in Fig.4 e in Fig. 5, mostra un esempio dell?antenna ad apertura con cavit? risonante secondo la presente invenzione, alimentata mediante due linee coassiali. L?antenna si compone quindi di un contenitore 13 che agisce da piano di massa e che racchiude una cavit? 12, detto contenitore 13 comprendendo un?apertura ad ali di farfalla 14. All?interno della cavit? 12 ? posta, inoltre, una griglia metallica 10. Detta griglia metallica 10 costituisce una superficie selettiva in frequenza (FSS) avente lo scopo di bloccare le componenti di onda elettromagnetica alle basse frequenze e di ridurre fittiziamente le dimensioni della cavit? 12 alle basse frequenze in modo da garantire il buon funzionamento dell?eccitatore interno. Le maglie 15 di detta griglia 10 sono preferibilmente realizzate da fori rettangolari di dimensioni molto minori rispetto alla lunghezza d?onda operativa. Vantaggiosamente, tuttavia, la sostituzione dei fori rettangolari con fori circolari non deteriora le prestazioni dell?antenna.

La rete di eccitazione ? composta da un primo elemento metallico 8, preferibilmente di forma sostanzialmente cilindrica, posto all?interno della cavit? 12 e da un secondo elemento metallico 11 a forma di ?L? e preferibilmente avente sezione sostanzialmente circolare, posto sopra detto piano di massa 12. L?elemento metallico di alimentazione 11 posto all?esterno della cavit? 12 viene preferibilmente montato su un sostegno isolante 16 di pochi millimetri di spessore.

In una realizzazione preferita, l?antenna illustrata nella Fig.4 e nella Fig.5 allegate pu? avere dimensioni (larghezza x lunghezza x altezza) pari a circa 0.8 x 0.6 x 0.3 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda. La descrizione precedente contiene dettagli significativi ed esempi di implementazione riguardanti i nuovi aspetti della presente invenzione. Tuttavia, i suddetti dettagli ed esempi non devono essere interpretati come limitanti l'ambito dell'invenzione, ma come illustrazioni delle forme di realizzazione preferite dell'invenzione. Pertanto, l'ambito di protezione dell'invenzione ? da ritenersi fissato dalle rivendicazioni allegate, piuttosto che dagli esempi forniti.

Claims (14)

RIVENDICAZIONI

1. Antenna comprendente una cavit? risonante (5) delimitata da un contenitore metallico (3, 13) provvisto di un?apertura a forma di ali di farfalla (1, 14); un eccitatore metallico (2, 6, 8, 11) posto all?interno di detta cavit? risonante (5); un connettore di interfaccia posto su detto contenitore metallico (3, 13) e collegato a detto eccitatore metallico (2, 6, 8, 11) tramite un cavo coassiale; almeno un elemento metallico disposto all?interno di detto contenitore metallico (3, 13) e atto a modificare la frequenza di risonanza della cavit? risonante (5).

2. Antenna secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto eccitatore metallico (2) ? realizzato tramite piste metalliche disposte a forma di croce su un circuito stampato.

3. Antenna secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto eccitatore metallico (6) ? realizzato tramite elementi metallici cilindrici a forma di croce.

4. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto almeno un elemento metallico disposto all?interno di detto contenitore metallico (3, 13) e atto a modificare la frequenza di risonanza della cavit? risonante (5) comprende una staffa metallica (4) conformata a ?L? con un lato minore fissato al fondo di detto contenitore metallico (3, 13) e un lato maggiore che si estende verso l?apertura a forma di ali di farfalla (1, 14) del contenitore metallico.

5. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzata dal fatto che detto almeno un elemento metallico disposto all?interno di detto contenitore metallico (3, 13) e atto a modificare la frequenza di risonanza della cavit? risonante (5) comprende quattro staffe metalliche conformate a ?L? aventi ciascuna un lato minore fissato al fondo di detto contenitore metallico (3, 13) e un lato maggiore che si estende verso l?apertura a forma di ali di farfalla (1, 14) del contenitore metallico.

6. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto contenitore metallico (3, 13) comprende una flangia di fissaggio (7).

7. Antenna secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto eccitatore metallico (2) comprende un primo elemento metallico (8), posto all?interno della cavit? (12) in corrispondenza di un primo lato dell?apertura a forma di ali di farfalla (14), e un secondo elemento metallico (11) a forma di ?L?, posto all?esterno della cavit? (12) in corrispondenza di un secondo lato dell?apertura a forma di ali di farfalla (14) opposto a detto primo lato.

8. Antenna secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detto primo elemento metallico (8) ha forma sostanzialmente cilindrica, e detto secondo elemento metallico (11) ha forma a ?L? e sezione sostanzialmente circolare.

9. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni da 7 a 8, caratterizzata dal fatto che detto secondo elemento metallico (11) posto all?esterno della cavit? (12) comprende un sostegno isolante (16).

10. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzata dal fatto di comprendere una griglia metallica (10) disposta internamente a detto contenitore metallico (3, 13) e atta a bloccare le componenti di onda elettromagnetica alle basse frequenze riducendo fittiziamente le dimensioni della cavit? (12) alle basse frequenze.

11. Antenna secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che le maglie (15) di detta griglia (10) sono realizzate da fori di dimensioni molto minori rispetto alla lunghezza d?onda operativa.

12. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni da 7 a 11, caratterizzata da una larghezza pari a circa 0.8 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza di funzionamento, una lunghezza pari a circa 0.6 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza di funzionamento e da un?altezza pari a circa 0.3 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza di funzionamento.

13. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata da una larghezza pari a circa il valore della lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza di funzionamento, pi? o meno 20%, una lunghezza di pari a circa 0.6 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza di funzionamento e da un?altezza pari a circa 0.3 volte - pi? o meno 20% - la lunghezza d?onda della frequenza di centro banda del range di frequenza di funzionamento.

14. Antenna secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il collegamento tra detto eccitatore metallico (2, 6, 8, 11) e detto cavo coassiale comprende una rastremazione.