IT9067789A1 - Dispositivo di antenne a spirali perfezionato - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per Invenzione Industriale

L’invenzione si rifeiisce alle antenne a spirali.

Un'antenna a spirale comprende su un supporto, due rami di. lunghezza identica arrotolati in modo adiacente per formare insieme una spirale, il cui valore della frequenza inferiore di funzionamento è legato in prima approssimazione a quello del suo diametro esterno.

Se si desidera limitare l’irradiamento alla porzione di spazio situata di fronte alla spirale, si può disporre l'altra faccia del supporto in contatto con una cavità riempita dì un materiale elettromagneticamente assorbente. Correttamente alimentata in segnali elettrici ad alta frequenza, un'antenna di questa tipo irradia nella porzione di spazio desiderata, in una banda di frequenze molto larga.

E’ stata proposto di disporre tali antenne in rete. Tuttavia, una tale configurazione solleva? come si vedrà più in dettaglio qui di seguito, problemi di funzionamento legati in particolare alle proprietà delle reti, in particolare quando un funzionamento in una banda molto larga di frequenze è previsto.

L’invenzione mira ad apportare una soluzione a questa problema.

Uno scopo dell’invenzione è quella di proporre un dispositivo comprendente una pluralità di antenne a spirali disposte in rete, che possono funzionare in una banda molto larga di frequenze senza alterazioni di funzionamento legate alla struttura in rete.

Seconda una caratteristica generale dell'invenzione, il dispositivo di antenna proposto comprende, su un substrato, almeno due elementi irradianti ed una coppia di terminali di alimentazione in segnali elettrici ad alta frequenza per ciascuno di questi elementi; ciascuno fra essi comprende una zona conformata a spirale e, almeno uno di essi possiede un prolungamento dei bracci della sua spirale avente caratteristiche geometriche differenti da quelle della detta spirale.

Altri vantaggi e caratteristiche dell’invenzione appariranno con l’esame della descrizione dettagliata che segue e dei disegni annessi sui quali:

le figure 1 e 2 illustrano molto schematicamente una antenna a spirale classica

isolata;

la figura 3 illustra schematicamente tre antenne a spu ali raggiuppate seconde una configurazione presentante problemi di funzionamento;

- la figura 4 è un'illustrazione schematica paiciale di un modo di realizzazione di un dispositivo secondo l’iniez ione.

I disegni comprendono per l essenziale elementi di carattere certo, A questo titolo essi fanno parte integrante della descrizione e potranno non solamente servire a meglio fai comprendere la descrizione dettagliata che segue, ma anche contribuire» all'occorrenza, alla definizione dell'invenzione.

Come illustrato schematicamente sulle figure l e 2, un’antenna a spirale stampata comprende» su una faccia di un supporto (per esempio un dielettrico) SU, due rami metallici B1 e Β2, di lunghezza identica» mutualmente arrotolati in modo adiacente per formare una spirale SP. In altri termini, ad eccezione delle icinanze delle estremità del ramo, ogni porzione di ramo è inquadrata da due porzioni dell’altro iamo.

Conviene notare che e illustrata qui una spirale detta di "Archimede" cioè una spirale nella quale

ogni ramo ha uno spessore costante ed un distatanziam ento costante nei confi-onti dell'altro ramo. Tutta via, altri tipi di spirali sono immaginabili tipo spirali dette "logacamente " nelle quali è un tasso di espansione per le larghezze dei rami oltre ad un distantiamento che aumenta tra questi. Ai sensi della presente descrizione i termini "spirali" o “antenna a spirali devono essere interpretati in un senso molto vasto che sopra tutti i tipi di spirali.

Un tale tipo di antenna e suscettibile di funzionare in una banda di frequenze molto larga, tale ohe il iapporto della frequenza superiore alla frequenza inferiore sia per esempio dell'ordine di quattro, la sua frequenza interiore di funzionamento FI e allora forniba in prima approssimazione tramite la fotmula seguente:

nella quale pi designa il numero reale sastanzialmente uguale a 3,14;

D designa il diametro esterno della spirale SP;

e designa la velocita della luce;

FI designa la frequenza interiore di funzionamento; lambda1 designa la lunghezza d'onda associata all frequenza F1.

Un’antenna a spiiale presenta anche la partìcolaritè di irradiare sia nella porzione di spazio situata di fronte alla spirale SP, sia nella porzione di spazio di fronte all’altra faccia, o faccia posterioie. del supporto SU. Inoltre) se si desidera limitare questo irradiamento alla porzione di spazia situata di frante alla faccia anteriore del supportoj si può disporre l’altra faccia di quest’ultimo in contatto con una cavità CA riempita di un materiale che assorbe le onde elettromagnetiche ad alta frequenza in una larga banda.

L’alimentazione dei due rami di una tale antenna si effettua tramite due fili F11 e F12 collegati alle estremità rispettive dei due rami situate al centro della spirale. L’alimentazione in segnali elettrici ad alta frequenza si effettua generalmente con l’aiuto di un cavo coassiale CO, che è per natura asimmetrico, poiché comprende un’anima centrale ed una guaina. Un buon funzionamento di un’antenna a spirale richiede, in ragione delle sue caratteristiche geometriche simmetriche, un’alimentazione in segnali elettrici dì tipo "simmetrico", cioè identica per i due rami. Inoltre, è anche necessario prevedere, dietro la cavità CA, un elemento elettronico simmetrizzatore SY che assicuri questa funzione di siminetrizzariane. Conviene notare qui che i due fili F11 e F12, attraversano la cavità di materiale assorbente CA, e non perturbano l’irradiamento dell'antenna poiché questo è inibito nella porzione di spazio posteriore.

Alfine in particolare di beneficiare delle proprietà di funzionamento a banda molto larga delle antenne a spirali, è stato previsto di raggrupparle in rete. Una soluzione potrebbe consistere nel disporre queste spirali fianco a fianco come illustrato molto schematicamente sulla figura 3. Tuttavia, una tale soluzione non dà soddisfazione per le ragioni che saranno ora spiegate.

Si sa infatti che il buon funzionamento di una rete ad una frequenza data dipende strettamente dal passo del distanziamento delle antenne elementari che co-tituiscono questa rete. Cosi* per una lunghezza d'onda lambda* corrispondente ad una frequenza di funzionamento data» è necessario che il passo p della rete sia inferiore o uguale alla metà del valore di questa lunghezza d'onda. Infatti, se il passo p supera la metà di questo valore, il diagramma di irradiamento della rete può presentare un lobo parassita, o "lobo di rete", sfasato in rapporto al lobo principale utile di questa rete e perturbando il funzionamento di quest’ultimo.

Il passo p di una tale rete è minimo quando le spirali sono vicine le une alle altre in modo che il loro diametro esterno rispettivo D sia sostanzialmente uguale al passo p. Alla frequenza bassa di funzionamento FI, corrispondente alla lunghezza d’onda lambdal, il passo p, uguale peraltro al diametro D, assume allora· tramite applicazione della formula evocata in precedenza, il valore (lambdal/pi). Non si pone allora a questa frequenza nessun problema di funzionamento poiché il passo p è inferiore a (lambdal/S).

Tuttavia, se si desidera far funzionare questa rete in una banda molto larga di frequenze che arriva fino ad una frequenza alta di funzionamento F2 uguale per esempio a quattro volte la frequenza bassa di funzionamento FI, ci si accorge che il passo p é allora uguale al prodotto della lunghezza d’onda lambda2, corrispondente alla frequenza F2, per un fattore uguale a 4/pi. Il funzionamento della rete è dunque alterato alla frequenza FS dalla presenza di un lobo di rete poiché il passo p è superiore a lambda2 e dunque a fortiori a (lambda2/2).

L'invenzione apporta dunque una soluzione a questo proble

La Richiedente ha infatti osservata che in un dispositi'o di antenne comprendente una pluralità di elementi ir adianti (almeno due) aventi ciascuno una zona conformata a spirale, conveniva che almeno uno di essi possedesse un prolungamento dei rami della sua spirale avente caratteristiche geometriche differenti da quelle della detta spirale.

A partire da questa osservazione molto generica» la Richiedente ha messo in opera l’invenzione in un modo di realizzazione particolare illustrato sulla figura 4.

Su questa figura, a fini di semplificazione, sano state rappresentate solamente le configurazioni geometriche dei rami delle differenti spirali, una coppia di terminali di alimentazione in segnali elettrici ad alta frequenza essendo naturalmente prevista per ciascuno degli elementi irradianti dì questa rete.

Dovendo questa rete funzionare a partire da una frequenza bassa FI, la lunghezza dei due rami di ogni elemento irradiante della rete, lunghezza identica per tutti gli elementi irradìanti, è determinata perchè un’antenna a spirale elementare formata da questi due rami abbia un diametro esterno D che permetta il funzionamento a questa frequenza bassa FI.

Dovendo la rete funzionare in una banda molto larga di frequenze fino ad una frequenza alta F2, per esempio uguale a quattro volte la frequenza bassa, si sceglie un passo di rete pc generaimente inferiore e di preferenza uguale, alla metà del valore della lunghezza d'onda lambda2. I due rami di ogni elemento irradiante della rete sono allora arrotolati in modo adiacente per formare una zona conformata a spirale avente un diametro esterna D2 sostanzialmente uguale al passo p2. Tutte queste zone conformate a spirali SP1-SP7 sono allora allineate fianco a fianco sul substrato in modo da formare una fila.

L’eccedenza di lunghezza dei rami B1i e B2i di un elemento irradiante è allora disposta sulla superficie libera del substrato e forma un prolungamento PB1i e PB2i avente caratteristiche geometriche differenti da quelle della spirale corrispondente SPi.

Così, in questo esempio, i due rami PB1i e PB2i del prolungamento della spirale SPi lasciano questa in punti diametralmente opposti e circolano attorno a tutte le zane SPI—SP7 degli elementi irradianti nel medesimo senso di quel·lo delle spirali. In altri termini, tutti i rami dì tutti i prolungamenti circolano in modo adiacente gli uni agli altri per formare una corona periferica che circonda completamente le spirali SPI—SΡ7.

Una tale rete funziona allora correttamente alla frequenza alta F2, poiché il passo è stato determinato di conseguenza. Essa funziona anche correttamente a tutte le altre frequenze fino alla frequenza bassa FI poiché il passo p2, calcolata per la frequenza alta F2, è forzatamente inferiore alla metà del valore della lunghezza d'onda lambdal corrispondente a questa frequenza bassa di funzionamento.

Conviene anche notare che il contributo di irradiamento di questo dispositivo d’antenna è principalmente fornita dalle spirali SPi per ciò che riguarda la frequenza alta di funzionamento mentre la corona periferica CP contribuisce principalmente per la frequenza bassa di funzionamento.

Tuttavia, può essere vantaggioso che le linee di questa corona periferica CP siano parzialmente o totalmente ricoperte di un materiale a perdite in iperfrequenza, tipo i materiali caricati in ferrite (Ferrite). In questo caso, le linee di questa corona non partecipano direttamente al1’irradiamento in basso di banda poiché esse ammortizzano l'onda elettromagnetica lungo tutto il suo percorso su queste linee. In contrapartita, queste linee permettono allora di migliorare notevolmente le prestazioni in basso di banda evitando molto largamente la propagazione di. ritorno dell’onda elettromagnetica nella spirale , propagazione generata dalla riflessione dell ’onda elettramagnetìca all’estremità del ramo.

Si può beninteso controllare questo irradì.amento in basso di banda tramite una localizzazione appropriata del materiale a perdita, ricordando che in tutti i modi questi irradiamento a bassa frequenza si produce anche per una debole parte al livello delle spirali SPi e ciò, senza praticamente alcuna perturbazione.

L ’invenzione non è limitata al modo di realizzazione appena descritto ma ne abbraccia tutte le varianti contenute nel quadro delle rivendicazioni che seguono.

Cosi, il pròlungamente dei rami delle spirali può situarsi nel piano di quest'ultime oppure fuori da questo piano. Parimenti, in uno e/α L’altro dei casi, questo prolungamento può circolare, o non circolare attorno alle dette spirali.

Abbiamo descritto in precedenza spirali aventi tutte nel loro piano la medesima configurazione angolare. Il tecnico specializzato sa che è possibile far variare la fase di un’antenna a spirale agendo su questa configurazione angolare. Una tale considerazione può essere applicata alla presente invenzione.

E’ beninteso che taluni dei mezzi descritti più sopra possono essere omessi nelle varianti in cui non ser ano.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Dispositivo di antenna* caratterizzato dal fatto che esso comprende, su un supporto (SU), almeno due elementi irradianti ed una coppia di terminali di alimentazione in segnali elettrici ad alta frequenza per ciascuna di questi elementi e dal fatto che ciascuna di questi due elementi comprende una zona conformata a spirale (SPi), uno almeno di essi possedendo un prolungamento (PB1i, PB2i) dei rami della sua spirale avente caratteristiche geometriche differenti da quelle della detta spirale. 2 .- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ogni elemento possiede un prolungamento dei rami della sua spirale avente caratteristiche geometriche differenti da quelle di questa spirale. 3.- Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 1 e 2- caratterizzata dal -fatto che il passo di distanziamento (p2) delle spirali è sostanzialmente inferiore o uguale alla metà della lunghezza d’onda corrispendente alla frequenza alta di funzionanento del dispositivo. 4.- Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che i diametri esterni rispettivi (D2) delle dette spirali sono sostanzialmente uguali. 5.- Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il passo di distanziamento è sensibilmente uguale al diametro esterno delle spirali. 6.- Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto prolungamento circola attorno a zone conformate a spirale degli elementi irradianti nel medesimo senso di quello delle dette spirali, i due rami di questo prolungamento formando mutualmente una corona periferica (CP). 7.- Dispositivo secondo le rivendicazioni 2 e 6 considerate in combinazione, caratterizzato dal fatto che tutti i rami di tutti i prolungamenti circolano in modo adiacente gli uni gli altri per formare la detta corona periferica che circonda complet mente le spirali. 8.- Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che esso comprende una pluralità di elementi irradianti le cui zone conformate a spirale formano una fila. 9.- Dispositivo secondo la rivendicazione 8· caratterizzato dal fatto che tutte le spirali degli elementi della detta fila hanno la medesima configurazione a ngolare . 10.- Dispositivo secondo una delle rivenaicdzioni e a 9. caratterizzato dal fatto che 1 due «ami del pròlungamente di una spirala lasciano la ìi detta spirale in punti diametralmente opposti della

   detta spirale. 11.- Dispositivo seconda una delle rivendicazioni 1 a 10, caratterizzato dal fatto che la lunghezza dì tutti i rami di tutti gli elementi irradianti é sostanzialmente identica e determinata in rum Ione della bassa Frequenza di funzionanento del dispositivo. 12.- Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti· caratterizzato dal fatto che almeno un pialungamente dei rami e ricoperto almeno parzialmente di un materiale a perdite iperfrequenza.