IT202100025451A1 - Assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: ?Assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale?
La presente invenzione ? relativa ad un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale.
In particolare, la presente invenzione ? relativa ad un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale o ?Instrument Landing System? (ILS), ovvero il sistema elettronico di terra e di bordo ideato per guidare gli aeromobili nella fase finale di un avvicinamento strumentale di precisione verso il centro pista di un aeroporto. Com?? noto, gli assorbitori elettromagnetici, definiti in letteratura con i termini RAM/RAS (Materiali/Strutture Radar Assorbenti) trovano numerose applicazioni in ambito aeronautico civile e militare. In particolare, vengono utilizzati per i sistemi ILS (Instrument Landing System). Un sistema ILS si basa su due segnali radio che insieme forniscono ai piloti una guida, sia in quota (verticale) che in azimut (orizzontale), durante l?avvicinamento sulla pista di atterraggio. ? composto da un apparato di terra e da un apparato di bordo ed ? particolarmente importante nello svolgimento di operazioni in condizioni di bassa visibilit? (soprattutto dovute alla presenza di nebbia), consentendo di portare a termine atterraggi con una visibilit? orizzontale ridotta anche a meno di 100 metri. Il sistema ILS a terra ? formato da tre apparati, denominati con gli acronimi LOC, GP, MARKER, ognuno dei quali ha un particolare sistema di antenne radianti. Le antenne che forniscono la guida all'avvicinamento sono poste una oltre la fine della pista (Localizer -Localizzatore) e l'altra lateralmente e opportunamente posizionata per realizzare il corretto angolo di discesa (Glide Path). Il localizzatore fornisce una guida azimutale, mentre il ?Glide Path? definisce il corretto profilo di discesa verticale. Infatti, la prima serie di antenne fornisce una guida sull'allineamento dell'aeromobile rispetto all'asse di mezzeria (?centerline?) della pista e trasmette su una banda di frequenze compresa tra i 108,110 e 111,95 MHz (frequenza centrale 110 MHz e larghezza di banda 4 MHz).
La seconda serie di antenne fornisce una guida sul corretto angolo di planata dell'aeromobile in discesa per l'atterraggio (?glide path?) e trasmette su una banda di frequenze compresa tra i 328,6 e i 335,40 MHz (in associazione al localizzatore). Le altre tre antenne (dette Markers) sono poste lungo il prolungamento dell'asse pista, esattamente sotto la traiettoria prevista dell'aeromobile, ed emettono un segnale verso l'alto (direttivo, antenna hertziana polarizzata verticalmente, e di forma prevalentemente conica come fascio R.F.).
Il segnale elettromagnetico (EM) di posizione azimutale ?, quindi, generato dal Localizer, cio? da un trasmettitore VHF che emette lobi altamente direzionali, solitamente situato a circa 300 m oltre l'estremit? di arresto della pista. I due lobi, uno generato a 150 Hz e l'altro a 90 Hz, sono modulati in ampiezza da una frequenza portante compresa tra 108,10 MHz e 111,95 MHz. Riflessioni dei suddetti segnali, dovute ad ostacoli, strutture aeroportuali e costruzioni (anche esterne all'aeroporto) lungo il percorso dei lobi possono interferire pericolosamente modificando i lobi di direzione con conseguente errata informazione della posizione della mezzeria della pista.
Pertanto, sono necessarie strutture di assorbimento Radar o ?Radar Absorbing Structure? (RAS), per attenuare le riflessioni del segnale EM da 108 MHz a 112 MHz.
Una prima soluzione nota ? riportata nella domanda di brevetto US2016322711A1 che descrive un dispositivo da fissare a parete per assorbire le onde elettromagnetiche. Il dispositivo ? costituito da una piastra metallica, un pannello dielettrico distanziato dalla piastra metallica e delimitante un volume tra piastra metallica e pannello dielettrico, una schiera di dipoli resistivi fissati sulla stessa faccia del pannello dielettrico, e comprendenti ciascuno due piastrine metalliche distanziate l?una dall?altra ed un resistore disposto tra i bordi contrapposti di due piastrine metalliche adiacenti.
Una seconda soluzione ? riportata nel brevetto US6165601 che descrive un assorbitore di onde elettromagnetiche comprendente una piastra metallica in grado di riflettere le onde elettromagnetiche e atta ad essere montata su un oggetto fisso. Davanti alla piastra metallica ? disposta una prima piastra di ferrite sinterizzata di spessore compreso tra 3 e 5 mm. Davanti alla prima lastra sinterizzata ? disposto un elemento dielettrico, avente una bassa costante dielettrica e uno spessore compreso tra 10 e 30 mm. Davanti all?elemento dielettrico ? disposta una seconda piastra di ferrite sinterizzata, avente uno spessore compreso tra 1 e 2 mm.
Una terza soluzione ? riportata nel brevetto US5872534A che descrive un assorbitore di onde elettromagnetiche, avente due o pi? strati magnetici per ampliare le bande di frequenza a riflettivit? ridotta, e formato da materiali con spettri di dispersione magnetica sfalsati. Una ferrite nichel-zinco ad alta permeabilit?, ricca di zinco, viene utilizzata come strato assorbente di riferimento adiacente a un piano di massa. Gli spettri di frequenza successivamente pi? elevati sono correlati agli strati esterni e sono ottenuti utilizzato materiali ferromagnetici o ferrimagnetici a magnetizzazione pi? elevata, materiale ferro-ferrimagnetico semiduro o duro con anisotropia pi? elevato o materiali ?intelligenti? sintetizzati. Gli strati successivi sono disaccoppiati l?uno dall?altro mediante qualsiasi disposizione elettrica, magnetica e/o strutturale. Il disaccoppiamento pu? essere implementato da una differenza significativa nelle frequenze a cui si verificano i valori massimi della perdita magnetica rispetto alla frequenza per ogni strato oppure mediante una differenza significativa dell?indice ottico del materiale in ciascuno strato in ordine crescente verso l?esterno.
Una quarta soluzione ? riportata nel brevetto US9488335B2 che descrive un gruppo di schermatura elettromagnetica che pu? includere uno strato di substrato trasparente e uno strato attivo trasparente, in cui lo strato attivo ? configurato per assorbire una radiazione elettromagnetica avente una prima lunghezza d?onda ed emettere radiazione elettromagnetica avente una seconda lunghezza d?onda diversa dalla prima, lo strato attivo includendo molecole fluorescenti combinate con un materiale di base ed essendo configurate per assorbire la radiazione elettromagnetica avente la prima lunghezza d?onda ed emettere la radiazione elettromagnetica avente la seconda lunghezza d?onda, in cui la prima lunghezza d?onda ? in uno spettro elettromagnetico visibile e la seconda ? in uno spettro elettromagnetico non visibile.
Scopo della presente invenzione ? fornire un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale in grado di assorbire, ovvero attenuare, le eco o riflessioni indesiderate della radiazione elettromagnetica a 110 MHz con larghezza di banda, BW, di oltre 4 MHz con assorbimento di almeno -20dB ovvero con forti attenuazioni nella banda tra 108 MHz e 112 MHz, banda di funzionamento dei sistemi ILS, attenuando in modo significativo le riflessioni del segnale ILS dovute ad ostacoli terrestri in modo che sul sistema di ricezione dell?aeromobile in avvicinamento sulla pista di atterraggio arrivi il segnale diretto, ovvero l?esatta informazione del centro pista. Scopo della presente invenzione ?, quindi, fornire un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale in grado di assorbire, ovvero attenuare, le eco o riflessioni indesiderate della radiazione elettromagnetica a 110 MHz con larghezza di banda, BW, di oltre 4 MHz con forti attenuazioni nella banda di funzionamento dei sistemi ILS , avente, quindi, caratteristiche tali da superare i limiti dei sistemi di assorbimento elettromagnetico noti.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una vista schematica in sezione di un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale, secondo l?invenzione;
- la figura 2 mostra una vista schematica 3D di un circuito risonante con dissipatori dell?assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale, secondo l?invenzione;
- le figure 3.a-3.g mostrano l?andamento dell? assorbimento (dB) nella banda di frequenze di interesse (MHz) rispettivamente per angoli di incidenza pari a 0, 20, 30, 50, 60 , 70 ed 80 gradi, secondo l?invenzione;
- la figura 4 mostra una vista schematica dell?angolo di incidenza sulla superficie dell?assorbitore;
- le figure 5.a-5.b mostrano geometrie alternative dell?assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale, secondo l?invenzione.
Con riferimento a tali figure e, in particolare, alla figura 1, ? mostrato un assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale, secondo l?invenzione.
In particolare, l?assorbitore elettromagnetico 100 per sistemi di atterraggio strumentale consiste in un corpo scatolare comprendente:
- Un rivestimento interno di fondo 101 di materiale perfetto conduttore elettrico o ?Perfect Electric Conductor? (PEC), ad esempio uno strato di alluminio di spessore compreso tra 0.2 mm e 1 mm; - Uno strato 102 di polistirene a densit? compresa tra 100 e 200, preferibilmente pari a 150, con costante dielettrica compresa tra 1.2 e 2, detto strato 102 essendo posizionato a supporto della struttura 103, e posto sotto la struttura 103;
- Una struttura 103 tubolare 3D e metallica fungente da superficie selettiva in frequenza (?Frequency Selective Surface?, o FSS), detta struttura 103 essendo posizionata sopra lo strato 102 di polistirene; e
- Uno strato 104 di copertura, fungente da RADOME che rappresenta la chiusura della struttura scatolare, in polivinilcloruro, o PVC, posizionato sulla struttura 103 risonante ed ai lati della struttura scatolare.
Come mostrato in figura 2, la struttura 103 comprende un circuito risonante alla frequenza di 110 MHz con larghezza di banda compresa tra 4 MHz e 12 MHz.
Questo circuito ? stato progettato per la polarizzazione del campo elettrico sia TM che TE, anche se la polarizzazione ILS ? verticale. L'alto assorbimento ? assicurato fino a 70 gradi, con oltre meno -8dB di assorbimento per angolo di incidenza pari a 80 gradi, grazie alla geometria delle strutture 3D formata da due anelli concentrici collegati da resistori SMD 103a, per un totale di 6 resistori per metro quadrato. L?assorbitore 100 pu? essere realizzato in maniera modulare, in cui l'elemento pi? piccolo ha una superficie, compreso il radome, di 60cm X 60 cm, con una profondit? massima di circa 20 cm.
Secondo una forma realizzativa preferita detti anelli concentrici hanno forma approssimativamente quadrata, come mostrato in figura 2.
Secondo forme realizzative alternative, detti anelli concentrici hanno ciascuno forma approssimativamente circolare o ellittica, come mostrato rispettivamente nella figura 5.a e 5.b.
Per rivestire superfici ampie o non regolari, l?assorbitore 100 pu? essere costituito da moduli aventi dimensione minima di 60 cm x 60 cm fino a moduli di dimensione massima dipendente dalla dimensione della parete su cui si vogliono installare, aventi dimensioni massime plausibili pari a 480 cm x 480 cm.
La struttura 103, o FSS, ? costituita da un elemento tubolare, ovvero una pluralit? di elementi tubolari cilindrici in alluminio, o altro materiale metallico duttile, compreso il rame, utile a ottimizzare il peso e per una realizzazione semplice e a basso costo.
L'assorbitore pu? essere tarato al variare dell?angolo di incidenza con un semplice meccanismo a vite che modula la distanza tra la struttura 103 e 101, la distanza ?D? tra lo strato 101 in PEC e la struttura 103. Angoli di incidenza diversi implicano distanze diverse, ovvero maggiori o minori. ? assicurato un buon grado di assorbimento per angoli fino a 70 gradi.
Consideriamo lo scenario aeroportuale: una volta individuato il target riflettente (indesiderato) ? necessario misurare l'angolo tra il localizzatore e il target in modo da calibrare gli assorbitori che verranno installati sulle pareti di un edificio o altra struttura target.
In uso, tale circuito, costituito da un conduttore ?tubiforme?, intercetta il campo elettrico con Polarizzazione Verticale (ed Orizzontale) per angoli di incidenza sino a 60 gradi con attenuazione di circa -18dB ed a 70 gradi con attenuazione di -16dB a 110 MHz. L?impedenza di ingresso dell?assorbitore 100 ? ?adattabile? ai vari angoli di incidenza del campo elettrico. Infatti, per ottenere il valore adatto di impedenza d?ingresso, sar? sufficiente misurare l?angolo di incidenza tra il centro delle antenne del Localizer del sistema ILS e le varie posizioni azimutali su cui vengono installati gli assorbitori.
Le correnti originate dall?incidenza del campo Elettromagnetico che incide sull? assorbitore 100e, scorrendo sul circuito risonante, o struttura 103, a 110 MHz, vengono dissipate su alcuni resistori SMD (appena 6 resistori per metro quadro di assorbitore) di circa 100 Ohm. La parte di Campo Elettromagnetico che attraversa la superficie FSS della struttura 103, attraversando lo strato in polistirene (?r=1.5), viene riflessa dallo strato 101 in alluminio e, ritornando verso lo strato risonante, o struttura 103, compie un percorso pari a 2?/20 all?interno dello strato 102 in polistirene incontrando una impedenza ZFSS della struttura 103 ben adattata e, quindi, le correnti di tale campo vengono dissipate sul circuito risonante lungo le suddette resistenze a 100 Ohm come avviene nel caso di incidenza diretta.
Secondo un aspetto dell?invenzione, per un migliore assorbimento al variare dell?angolo di incidenza del campo elettromagnetico, la distanza tra lo strato 101 in PEC e la struttura 103 ? variabile. Tale distanza pu? essere modulata mediante un sistema a viti, mostrate in figura 1, (di Nylon o anche metalliche trovandosi le medesime sottostanti al PEC) o mediante l?inserimento di uno strato di polistirene tra lo strato 101 in PEC ed il fondo dello strato 104 RADOME in PVC.
Secondo un aspetto dell?invenzione l?assorbitore elettromagnetico 100 ? costituito da una struttura 103 composta da uno o pi? elementi tubolari aventi diametro compreso tra 5 mm e 30 mm.
Secondo un aspetto dell?invenzione, la superficie minima dell?assorbitore 100 ? pari a 60 cm X 60 cm, ma un singolo elemento pu? essere realizzato con misure multiple in base alle dimensioni e geometria della superficie della struttura (edificio, hangar, capannone, strutture metalliche, etc) potenzialmente riflettenti che si vogliono ricoprire.
Pertanto, l?assorbitore elettromagnetico 100 per sistemi di atterraggio strumentale secondo l?invenzione consente di attenuare di almeno -30dB (per incidenza normale) il campo elettromagnetico alla frequenza di 110 MHz garantendo comunque una forte attenuazione con larghezza di banda variabile e dipendente dall?angolo di incidenza del campo EM.
Tale importante propriet? consente al sistema radar del generico aeromobile in fase di atterraggio di ricevere prevalentemente il segnale diretto del Localizer in quanto le varie echo, generabili dalla presenza di target, sono fortemente attenuate dal presente assorbitore.
In figura 3 sono riportati i grafici con i dettagli dell?assorbimento al variare dell?angolo di incidenza. Le simulazioni con analisi FEM (Finite Element Method), effettuate dal Richiedente, hanno dato ottimi risultati anche per angoli di incidenza elevati.
Per ogni angolo di incidenza il sistema assume configurazione diversa, ovvero distanza FSS-PEC, spessore PVC sul top e valori delle resistenze, risultando progettato specificatamente per un range di angoli di incidenza.
In particolare, la figura 3.a mostra l?andamento del coefficiente di riflessione per incidenza normale (0 gradi rispetto alla normale del piano dell?assorbitore). A zero gradi come si pu? vedere in figura 3.a l?assorbimento a 110MHz ? di oltre -38dB con -20dB di assorbimento nella banda compresa tra 108MHz e 112 MHz.
In figura 3.b, il grafico mostra come, per incidenza a 20 gradi, si ha un assorbimento di oltre -30dB a 110 MHz sempre con -20dB di assorbimento nella banda compresa tra 108MHz e 112 MHz come nel caso di incidenza normale.
La figura 3.c mostra che, per angolo di incidenza pari a 30 gradi, si ha un assorbimento di cica -25dB a 110 MHz con -19dB di assorbimento nella banda compresa tra 108MHz e 112 MHz.
La figura 3.d mostra che, per angolo di incidenza pari a 50 gradi si ha un assorbimento di cica -26dB a 110 MHz con -17dB di assorbimento nella banda compresa tra 108MHz e 112 MHz.
La figura 3.e mostra che, per angolo di incidenza pari a 60 gradi si ha un assorbimento di cica -17.5dB a 110 MHz con -15dB di assorbimento nella banda compresa tra 108MHz e 112 MHz.
In figura 3.f viene evidenziato che per angolo di incidenza pari a 70 gradi si ha un assorbimento di cica -16dB a 110 MHz con -14dB di assorbimento nella banda compresa tra 108MHz e 112 MHz.
Infine, nella figura 3.g viene evidenziato che per angolo di incidenza pari a 80 gradi si evidenzia un assorbimento di almeno -8dB nella banda tra 108 MHz e 112 MHz.
Le figure 3.a-3g mostrano quindi come da simulazioni e sperimentazione effettuata dal Richiedente, anche per angoli di incidenza particolarmente alti si ottengono valori di assorbimento particolarmente vantaggiosi.
Vantaggiosamente, quindi, l?assorbitore secondo l?invenzione presenta un ottimo comportamento anche per angoli di incidenza di 80 gradi, rappresentando un grande valore aggiunto in considerazione del fatto che gli ostacoli riflettenti spesso si trovano ad ampi angoli rispetto alla posizione del localizer.
Vantaggiosamente secondo l?invenzione, l?assorbitore utilizza materiali e componenti a basso costo, riducendo i costi totali.
La progettazione e la simulazione del presente sistema sono state implementate con il metodo FEM (Finite Element Method) metodo numerico per la soluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali nelle variabili spaziali. In sostanza il sistema da analizzare viene diviso in numerose e piccole regioni chiamate elementi finiti. Ci? si ottiene mediante l?implementazione di una mesh dell'oggetto con elementi definiti da triangoli e quadrilateri per domini 2D, oppure tetraedri ed esaedri per domini 3D.
Risulta, infine, chiaro che all?assorbitore elettromagnetico per sistemi di atterraggio strumentale qui descritto e illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (8)
1. Assorbitore elettromagnetico (100) per sistemi di atterraggio strumentale costituito da un corpo scatolare comprendente:
- Un rivestimento interno di fondo (101) di materiale perfetto conduttore elettrico o ?Perfect Electric Conductor? (PEC);
- Una struttura (103) tubolare metallica fungente da superficie selettiva in frequenza e posizionata sopra lo strato (102) di polistirene; e
- Uno strato (102) di polistirene posizionato a supporto della struttura (103);
- Uno strato (104) di copertura in polivinilcloruro (PVC), posizionato sulla struttura (103) e ai lati del corpo scatolare.
2. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rivestimento interno di fondo (101) ha come materiale perfetto conduttore elettrico uno strato di alluminio di spessore compreso tra 0.2 mm e 1 mm.
3. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo strato (102) di polistirene ha densit? compresa tra 100 e 200, preferibilmente pari a 150 e costante dielettrica compresa tra 1.2 e 2.
4. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la struttura (103) tubolare ? realizzata in alluminio .
5. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la struttura (103) comprende un circuito risonante alla frequenza di 110 MHz con larghezza di banda compresa tra 4 MHz e 12 MHz.
6. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il circuito risonante comprende un elemento conduttore di elementi 3D costituito da due anelli concentrici collegati da resistori SMD (103a), gli anelli concentrici essendo dei tubolari cilindrici in alluminio, o altro materiale conduttivo e duttile.
7. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un meccanismo a vite per modulare la distanza tra la struttura (103) e lo strato di fondo (101).
8. Assorbitore elettromagnetico (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto detta struttura (103) ? composta da almeno un elemento tubolare avente diametro compreso tra 5 mm e 30 mm.
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