ITTO20080473A1 - Antenna - Google Patents

Description

“ANTENNA”

RIASSUNTO

Viene descritta un’antenna (1) per la ricezione e trasmissione di segnali radio in una certa banda di frequenze. L’antenna (1) comprende un elemento radiatore (3) che può irradiare un segnale radio con polarizzazione lineare nella banda di lavoro dell’antenna. Quest’ultima comprende poi un elemento di supporto (2) ed almeno un primo elemento direttore (4) montato su quest’ultimo. L’elemento direttore comprende un corpo che nella banda di funzionamento dell’antenna risulta essere conduttore. Tale corpo ha forma tale che la sua proiezione su un piano ortogonale alla direzione di massimo guadagno dell’antenna circonda una porzione limitata di piano.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un’antenna secondo il preambolo della rivendicazione 1.

Al giorno d’oggi sono noti diversi tipi di antenne, classificabili in funzione di alcune caratteristiche come la capacità di ricevere polarizzazioni lineari o circolari. In generale un’antenna comprende tre elementi fondamentali: un radiatore che genera il campo elettromagnetico (ossia il segnale radio) trasmesso dall’antenna, un riflettore ed uno o più direttori che modificano tale campo per rendere l’antenna maggiormente direttiva.

Le antenne del tipo Yagi-Uda permettono di ricevere e trasmettere campi elettromagnetici polarizzati linearmente; queste antenne presentano quindi un radiatore atto a generare un tale campo (ad esempio un dipolo a λ/2 o un dipolo ripiegato) e direttori di forma lineare (di solito delle asticelle metalliche) atti a ricevere una polarizzazione lineare, ossia un campo elettrico polarizzato linearmente.

Antenne di questo tipo sono note dalla domanda di brevetto GB 2406971, dove vengono mostrate antenne in cui i direttori sono delle asticelle metalliche appoggiate sulla culla (boom) dell’antenna, o degli elementi ad X in cui delle asticelle metalliche sono inserite in un alloggiamento dielettrico e fuoriescono da questo a guisa di X.

Le antenne di tipo loop Yagi permettono invece di ricevere un’onda radio a polarizzazione ellittica o circolare e sono caratterizzate da radiatore e direttori di forma anulare con sezione circolare.

A parità di numero di direttori, di potenza fornita al radiatore e di lunghezza dell’antenna, questo secondo tipo di antenne è normalmente più direttivo e presenta una larghezza di banda maggiore rispetto alle Yagi-Uda.

Tuttavia le antenne loop Yagi presentano il problema che non è possibile discriminare segnali radio a polarizzazione orizzontale da quelli a polarizzazione verticale.

Scopo della presente invenzione è quello di presentare un’antenna alternativa a quelle note.

In particolare è scopo principale della presente invenzione quello di migliorare la direttività ed il guadagno delle antenne note per la ricezione di segnali con polarizzazioni lineari.

Questi scopi sono raggiunti mediante un’antenna incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

L’idea alla base della presente invenzione prevede di utilizzare un radiatore in grado di generare e ricevere un campo elettromagnetico (ossia un segnale radio) con polarizzazione lineare, e di utilizzare dei direttori atti a ricevere un campo elettromagnetico con polarizzazione ellittica o circolare.

I direttori hanno un corpo che, nella frequenza d lavoro dell’antenna, risulta un corpo conduttore; al fine di ricevere la polarizzazione circolare, il loro corpo conduttore è tale che la sua proiezione, su un piano ortogonale alla direzione di massimo guadagno dell’antenna, è tale da racchiudere una porzione limitata di tale piano.

Ad esempio tale proiezione potrà essere un anello (di forma circolare o ellittica) o più in generale una figura almeno in un punto richiusa su se stessa, come un cappio.

Esperimenti condotti dalla richiedente, hanno, infatti, dimostrato che l’uso di direttori di questo tipo permette di migliorare il guadagno d’antenna anche se il radiatore è utilizzato per generare o ricevere un campo elettromagnetico con polarizzazione lineare.

Vantaggiosamente, l’elemento direttore dell’antenna può comprendere un elemento elicoidale con asse di rotazione dell’elica parallelo o coincidente con la direzione di massimo guadagno dell’antenna. Questa soluzione offre il vantaggio di semplificare l’assemblaggio dell’antenna e di renderla meccanicamente più robusta.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:

la fig. 1 mostra due prospettive di un’antenna secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

le figure 2a e 2b mostrano esempi di radiatore utilizzabili sull’antenna di figura 1; le fig. 3a-3d mostrano possibili forme di un elemento direttore di un’antenna secondo la presente invenzione;

la figura 4 mostra un’antenna secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

le fig. 5a-5i mostrano possibili forme di una griglia di riflettore di un’antenna secondo la presente invenzione;

la figura 6 mostra un’antenna secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 7 mostra un array di antenne comprendente due antenne secondo la presente invenzione;

In figura 1 viene mostrata un’antenna 1 secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione.

L’antenna 1 è progettata per ricevere e trasmettere segnali radio con polarizzazione lineare in banda UHF.

L’antenna 1 comprende un elemento di supporto 2, nell’esempio di figura 1 un’asta (nota nel settore come “boom”), sulla quale è montato un radiatore 3, dei direttori 4 ed un riflettore 5.

L’antenna 1 è poi provvista di un attacco 6 mediante il quale può essere montata ad un palo 7.

Nell’esempio di figura 1 il radiatore 3, mostrato in figura 2a, è un dipolo del tipo biconico ed è in grado di generare e ricevere segnali radio a polarizzazione lineare. Radiatori del tipo di figura 2a sono ad esempio i radiatori montati sulle antenne BLU420F vendute dalla Fracarro Radioindustrie S.p.A e comprendono un conduttore 31, di solito un tondino o una lamina metallica, ripiegato in modo tale da formare una struttura con due baffi che approssimano una struttura biconica. Il radiatore 3 è provvisto poi di un balun, posto all’interno dell’alloggiamento 32, che permette di adattare l’impedenza del radiatore 3 a quella del cavo coassiale cui verrà collegata l’antenna, ad es. mediante un connettore F indicato con il numero di riferimento 33.

Attraverso il balun, l’antenna riceve un segnale di tensione alternata che viene trasferito al conduttore 31 dove si crea una distribuzione di cariche variabile nel tempo e tale da generare un campo elettromagnetico, ossia il segnale radio da trasmettere, con polarizzazione lineare.

Reciprocamente, quando l’antenna è usata in ricezione, il campo elettromagnetico ricevuto produce nel conduttore 31 una distribuzione di cariche variabile nel tempo, ossia una corrente che viene poi mandata nel coassiale tramite il balun. Il radiatore 3 è poi provvisto di un attacco 34 per il collegamento al boom 2 dell’antenna.

La scelta del radiatore, purché atto a generare e ricevere polarizzazioni lineari, non è vincolante ed altri tipi di radiatori, come quello di figura 2b, possono essere utilizzati. In figura 2b è mostrato un radiatore di tipo ripiegato, in cui il conduttore 31 è un tondino ripiegato a formare un “farfallino”. Radiatori di questo tipo sono ad esempio montati sulle antenne TAU15/45 vendute dalla Fracarro Radioindustrie S.p.A.

Nonostante l’antenna 1 sia progettata per ricevere e trasmettere segnali radio polarizzati linearmente, i direttori 4 sono in grado di ricevere segnali radio con campi elettromagnetici a polarizzazione circolare o ellittica (oltre che quelli a polarizzazione lineare).

Come noto, i campi a polarizzazione circolare o ellittica, presentano un campo elettrico scomponibile in due componenti vettoriali ortogonali tra loro (orizzontale e verticale) e sfasate tra loro, così che si ha una variazione nel tempo della direzione del campo risultante.

Ogni elemento direttore 4 in grado di ricevere campi a polarizzazione circolare o ellittica, è quindi in grado di ricevere in ogni istante di tempo tutte e due le componenti del campo elettrico risultante.

Nell’esempio di figura 1 l’antenna comprende sei direttori 4 costituiti ognuno da un anello metallico di forma circolare.

Ogni direttore 4 è fissato al boom 2 mediante un elemento di ancoraggio dielettrico 41, che nell’esempio di figura 1 mantiene il boom 2 all’interno dell’area definita dal perimetro del direttore 4.

Alternativamente, il direttore 4 può essere montato in modo tale che il boom resti all’esterno dell’area definita dal perimetro del direttore 4.

In generale, i direttori 4 vengono montati in modo tale che i loro centri geometrici siano allineati lungo un asse che coincide con la direzione di massimo guadagno dell’antenna.

Preferibilmente, l’elemento d’ancoraggio 41 comprende una pinza che permette un facile montaggio sul boom e può essere successivamente serrata, ad esempio mediante una vite.

Come noto, la posizione dei direttori 4 sul boom 2 dipende dai valori di guadagno e return loss che si vogliono ottenere dall’antenna 1, mentre le dimensioni dei direttori sono fortemente legate alla banda di frequenze che si vogliono ricevere con l’antenna 1.

Vantaggiosamente, per un’antenna che deve ricevere segnali in banda UHF (470MHz-862MHz), i direttori possono essere degli anelli circolari di diametro pari a 10 cm, posizionati a circa 10 cm di distanza l’uno dall’altro e con il radiatore posto a circa 20cm dal riflettore e a circa 5cm dal direttore più prossimo.

Nell’esempio di figura 1, l’antenna è progettata per ricevere segnali in banda UHF e la posizione ottimizzata degli elementi lungo il boom è la seguente:

- il radiatore 3 è posto ad una distanza d1 di 20 cm dal punto in cui il riflettore 5 (di tipo diedro) è montato sul boom 2,

- il primo direttore si trova ad una distanza d2 di 5 cm dal radiatore,

- il secondo direttore si trova ad una distanza d3 di 11 cm dal primo direttore, - il terzo direttore si trova ad una distanza d4 di 8 cm dal secondo direttore, - il quarto direttore si trova ad una distanza d5 di 9 cm dal terzo direttore, - il quinto direttore si trova ad una distanza d6 di 9 cm dal quarto direttore, - il sesto direttore si trova ad una distanza d7 di 9 cm dal quinto direttore. Utilizzando direttori di diametro pari a 10 cm, l’antenna così ottimizzata ha una direzione di massimo guadagno coincidente con l’asse longitudinale del boom e presenta, nella banda UHF d’interesse, un guadagno che va dai 12dBi (a 470 MHz) ai 15 dBi (a 862 MHz), ed un return loss inferiore a -14dB su tutta la banda.

Nonostante nell’esempio di figura 1 i direttori siano costituiti da anelli metallici di forma circolare, tale forma non deve essere considerata come limitativa; altre forme sono infatti possibili come mostrato, a titolo di esempio, nelle figure 3a-3d. In tutti i casi, per ricevere segnali a polarizzazione circolare in una data banda di frequenze, il direttore comprende almeno un corpo che risulta conduttore in quella banda, ed ha forma tale che la proiezione di tale corpo su un piano ortogonale alla direzione di massimo guadagno del radiatore circonda una porzione limitata di detto piano.

Il direttore 4 può allora avere forma elicoidale, come mostrato in figura 3a, ed essere montato sul boom preferibilmente in modo tale che l’asse dell’elica sia parallelo o coincidente la direzione di massimo guadagno dell’antenna.

Proiettando l’elica, così montata, in un piano ortogonale alla direzione di massimo guadagno si ha così un anello, quindi una figura che circonda quindi una porzione di piano.

Anche qualora l’elica avesse un asse inclinato (ma non ortogonale) a quello di massimo guadagno, la proiezione dell’elica nel piano ortogonale a quello di massimo guadagno sarebbe una curva comprendente una serie di cappi tra loro collegati. Ogni cappio una figura che circonda una porzione limitata di piano. Alternativamente, il direttore 4 può avere la forma di un poligono, ad esempio può avere forma esagonale (fig. 3b) o ottagonale (fig. 3c).

Ancora, in un’altra forma di realizzazione, il direttore 4 può avere forma ellittica (fig. 3d).

Preferibilmente, poi, gli spigoli del direttore (dove presenti, ad es. fig. 3b e 3c) sono smussati.

Preferibilmente il direttore 4 è realizzato mediante un unico corpo metallico di pezzo, ad esempio un cilindro in lamierino o tondino metallico.

Alternativamente il direttore 4 può essere costituito da una pluralità di elementi metallici tra loro saldati o congiunti (ad esempio mediante morsetti metallici). Alternativamente poi, il direttore 4 può avere un cuore isolante (ad esempio di plastica) avente un rivestimento metallico (ad es. un foglio di alluminio).

Il corpo conduttore può poi comprendere un condensatore, ad esempio un condensatore a facce piane, che risulta un circuito chiuso nella banda di frequenze in cui lavora l’antenna. In questo modo, anche se parte del corpo comprende un materiale dielettrico, nella banda di frequenza d’interesse il corpo risulta essere un conduttore.

Se il direttore 4 è costituito da un anello chiuso, come nelle figure 3b-3d, allora viene preferibilmente montato in modo tale da giacere in un piano ortogonale alla direzione di massimo guadagno dell’antenna.

Preferibilmente, poi, i direttori montati su uno stesso boom sono disposti in modo tale che i loro centri geometrici siano allineati lungo un asse parallelo alla direzione di massimo guadagno dell’antenna, in modo tale da migliorare il guadagno d’antenna.

Il riflettore 5 dell’antenna può essere del tipo a diedro (come mostrato in figura 1) o essere piatto.

Nell’esempio di figura 1 il riflettore 5 è una struttura costituita da due griglie metalliche 51 disposte su lati opposti del boom in modo tale da corrispondere alle facce di un diedro. Le griglie sono montate su una struttura di supporto 52 provvista di apposite fessure 53 per l’inserimento delle griglie. Una volta montate sulla struttura 52, le griglie 51 formano un angolo θ di 60° con l’orizzontale, ossia con la direzione di massimo guadagno del radiatore 3 di figura 1.

Un esempio di antenna con riflettore piatto di forma quadrata è mostrato in figura 4, dove sono stati utilizzati i medesimi numeri di riferimento di figura 1 per indicare mezzi identici o equivalenti.

L’antenna di figura 4 ha un radiatore 3 del tipo a dipolo ripiegato (figura 2b) al posto di quello a dipolo biconico di figura 1, e monta un riflettore piatto realizzato con un’unica griglia 51 posta verticale, ossia perpendicolare alla direzione di massimo guadagno del radiatore.

Alternativamente un riflettore piatto può essere realizzato mediante due o più griglie montate su lati opposti del boom e giacenti in un unico piano ortogonale a quest’ultimo.

Le figure 5a-5f mostrano alcune possibili forme di una griglia 51 di un riflettore (piatto o a diedro) che può essere utilizzato sull’antenna secondo la presente invenzione, in dettaglio:

• In fig. 5a, la griglia 51 ha forma ellittica

• In fig. 5b, la griglia 51 ha forma ottagonale

• In fig. 5c, la griglia 51 ha forma esagonale

• In fig. 5d, la griglia 51 ha forma circolare

• In fig. 5e, la griglia 51 ha forma pentagonale

• In fig. 5f, la griglia 51 ha forma rettangolare

Che sia piatto o a diedro, il riflettore può essere realizzato mediante una griglia realizzata interamente con elementi metallici incrociati (come mostrato nelle figure 5a-5f), oppure può comprendere degli elementi dielettrici.

Negli esempi di figure 5g-5i (soluzione detta a “tubetto”), la griglia 51 è realizzata mediante una pluralità di tondini 54 metallici (pieni o cavi) montati parallelamente su una struttura comprendente un montante metallico centrale 55 e due montanti laterali 56 di materiale metallico o dielettrico.

Il numero, la dimensione e la spaziatura dei tondini può variare per migliorare la direzionalità ed il guadagno d’antenna; nell’esempio di figura 5g la griglia del riflettore comprende sette tondini, in figura 5h i tondini sono cinque, ed in figura 5i i tondini sono tre.

Negli esempi di figura 5g-5i la griglia è mantenuta più fitta (ossia i tondini sono più ravvicinati) nella parte (inferiore nelle figure) destinata ad essere più vicina al boom quando montata; questo ha l’effetto di migliorare il rapporto avanti/indietro dell’antenna.

Mentre nelle figure 5g e 5h i montanti laterali 56 sono realizzati mediante delle lastre di metallo, in figura 5i i montanti laterali 56 sono realizzati mediante un alloggiamento dielettrico in cui sono fissati i tondini 53.

Dalla descrizione qui sopra appaiono chiari i vantaggi della presente invenzione, è chiaro quindi che molte varianti sono possibili all’uomo esperto del ramo della tecnica senza per questo fuoriuscire dall’ambito di protezione della presente invenzione.

Ad esempio, una stessa antenna può comprendere una pluralità di direttori di forme diverse (ad esempio un 'elica e degli anelli circolari) tra loro montati su una stesso elemento di supporto o su diversi elementi di supporto.

Preferibilmente, i direttori montati sulla stessa asta, anche nel caso avessero forme diverse, vengono allineati in modo tale che i rispettivi centri siano allineati lungo un asse coincidente o parallelo alla direzione di massimo guadagno dell’antenna. Inoltre, il radiatore può essere un qualsiasi dispositivo in grado di generare e ricevere un campo elettromagnetico con polarizzazione lineare, ad esempio potrà comprendere una coppia di conduttori a forma di V (soluzione nota come antenna a doppia V o a ventaglio) disposti simmetricamente in modo da avere due dipoli a mezz’onda.

Inoltre, il radiatore 3 può non essere montato direttamente sul boom. Questo è ad esempio il caso dell’ antenna di figura 6, in cui un unico radiatore 3 viene posto in mezzo a due boom 2a e 2b, ognuno dotato di rispettivi direttori 4a e 4b che, nell’esempio i figura 6 sono dieci per boom.

Il radiatore 3 di figura 6 è montato in modo tale che la direzione di massimo guadagno sia una retta parallela ai due boom 2a e 2b.

L’antenna di figura 6 prevede un unico riflettore 5 di dimensioni sufficienti a coprire sia il radiatore 3 sia i due boom 2a e 2b; il riflettore 5 è del tipo a diedro in cui le due griglie 51 sono montante su due strutture di supporto 52a e 52b previste sui due boom 2a e 2b.

Per mantenere i boom in posizione ed al tempo stesso supportare il radiatore 3, l’antenna di figura 6 comprende tre traverse dielettriche 8, 9 e 10, che mantengono paralleli i boom 2a e 2b.

La traversa 9 supporta il radiatore 3, la traversa 10 serve a collegare i boom al palo 7 mediante un attacco 61, mentre la traversa 8 permette un migliore irrigidimento della struttura complessiva dell’antenna evitando così movimenti relativi tra i due boom 2a e 2b, ad es. per effetto del vento.

E’ chiaro poi che l’invenzione sopra descritta trova applicazione anche al caso di array di antenne, dove per array di antenne si intende un insieme di antenne aventi un riflettore comune.

Un esempio di array di antenne è riportato in figura 7, dove sono presenti due antenne ognuna con un proprio radiatore 3a e 3b e propri direttori 4a e 4b montati su due rispettivi boom 2a e 2b.

Per l’array di figura 7 viene utilizzato un unico riflettore 5 comune per le due antenne.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Antenna (1) per la ricezione e trasmissione di segnali radio in una banda di frequenze, comprendente un elemento radiatore (3) atto a irradiare un segnale radio con polarizzazione lineare in detta banda di frequenze, un elemento di supporto (2), almeno un primo elemento direttore (4) montato su detto elemento di supporto (2) e comprendente un corpo che in detta banda di frequenze risulta conduttore, caratterizzata dal fatto che la proiezione di detto corpo su un piano ortogonale alla direzione di massimo guadagno dell’antenna circonda una porzione limitata di detto piano.
2. 2. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui detto corpo conduttore ha forma elicoidale e si sviluppa in una direzione parallela a detta direzione di massimo guadagno.
3. 3. Antenna secondo la rivendicazione 1, in cui detto corpo conduttore è un anello
4. 4. Antenna secondo la rivendicazione 3, in cui detto anello ha forma ellittica.
5. 5. Antenna secondo la rivendicazione 3, in cui detto anello ha forma circolare.
6. 6. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto corpo conduttore è di metallo.
7. 7. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto corpo comprende un cuore isolante con un rivestimento metallico.
8. 8. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo comprende un condensatore che risulta un circuito chiuso in detta banda di frequenze.
9. 9. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di elementi direttori, in cui i centri geometrici dei corpi conduttori di detti elementi direttori sono allineati lungo detta direzione di massimo guadagno dell’antenna.
10. 10. Antenna secondo la rivendicazione 9, in cui un secondo elemento direttore ha forma diversa da detto primo elemento direttore.
11. 11. Antenna secondo la rivendicazione 9, in cui detto almeno un elemento direttore comprende sei elementi direttori, ed in cui detta antenna comprende ulteriormente almeno una griglia metallica (51) montata su detto elemento di supporto, ed in cui: - detto radiatore (3) è posto ad una distanza (d1) di 20 cm dal punto in cui detta griglia è montata su detto elemento di supporto (2), - il primo direttore si trova ad una distanza (d2) di 5 cm dal radiatore, - il secondo direttore si trova ad una distanza (d3) di 11 cm dal primo direttore, - il terzo direttore si trova ad una distanza (d4) di 8 cm dal secondo direttore, - il quarto direttore si trova ad una distanza (d5) di 9 cm dal terzo direttore, - il quinto direttore si trova ad una distanza (d6) di 9 cm dal quarto direttore, - il sesto direttore si trova ad una distanza (d7) di 9 cm dal quinto direttore.
12. 12. Antenna secondo la rivendicazione 11, in cui detto almeno un elemento direttore ha un corpo conduttore a forma di anello circolare con diametro pari a 10 cm.
13. 13. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un secondo elemento di supporto (2b) ed almeno un secondo elemento direttore (4b) montato su detto secondo elemento di supporto (2b), in cui l’elemento radiatore è posto tra i due elementi di supporto dell’antenna.
14. 14. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un secondo elemento di supporto (2b), un secondo radiatore (3b) atto a irradiare un segnale radio con polarizzazione lineare in detta banda di frequenze ed almeno un secondo elemento direttore (4b), in cui detto secondo elemento radiatore (3b) e detto secondo elemento direttore (4b) sono montati su detto secondo elemento di supporto (2b).
15. 15. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un elemento direttore è atto a ricevere in ogni istante di tempo il campo elettrico di un’onda elettromagnetica con polarizzazione circolare o ellittica.