Che cos'è un'antenna ad array di fase?

Un'antenna ad array di fase è un gruppo di antenne elementari disposte in un array che funziona come un'unica antenna, producendo onde radio guidate elettronicamente che puntano in una o più direzioni senza richiedere un movimento fisico.

In un processo chiamato formazione del fascio, i sistemi ad array di fase inviano un segnale alla stessa frequenza da ogni elemento dell'antenna, ma la fase e la grandezza di ogni elemento variano. Ciò provoca un'interferenza costruttiva e distruttiva in quanto le onde radio si combinano per creare un modello di radiazione che rappresenta un fascio direzionale ad alto guadagno.

La maggior parte delle antenne ad array di fase sono planari, costituite da centinaia o addirittura migliaia di singoli elementi disposti linearmente, su un unico piano o in tre dimensioni. Gli ingegneri utilizzano la fisica dell'elettromagnetismo ad alta frequenza, guidata dalla simulazione, per progettare gli elementi dell'array, la configurazione complessiva dell'array, l'hardware a radiofrequenza (RF) e i circuiti elettronici che pilotano l'antenna. 

I sistemi di antenne ad array di fase sono sistemi complessi che utilizzano elettronica di potenza, componenti RF e design di antenne in un unico, potente sistema. Per capire come i team di progettazione configurano i sistemi di antenne ad array di fase e quali applicazioni sono più adatte a questa tecnologia, gli ingegneri devono conoscere i seguenti fondamenti.

Ampiezza, fase, frequenza e lunghezza d'onda delle onde radio

Le onde radio sono radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza che assumono la forma di un'onda sinusoidale che oscilla in una larghezza di banda compresa fra 3 kHz e 3.000 GHz. Questa figura mostra le caratteristiche fondamentali di qualsiasi onda:

La lunghezza d'onda è la distanza percorsa dall'onda in un ciclo. L'ampiezza è il valore massimo dell'onda e la fase è la differenza, o il ritardo temporale, tra il picco di ampiezza di ogni onda. La frequenza è generalmente costante con solo piccole variazioni in un'antenna ad array di fase, ma sia la fase sia l'ampiezza possono essere variate in ogni antenna.

Elementi dell'antenna

Gli elementi dell'antenna sono le singole antenne di un array. Sebbene esistano diversi tipi di elementi d'antenna che possono essere combinati per formare l'array, gli elementi dell'antenna più comunemente utilizzati sono le antenne patch, le antenne patch a microstriscia, le trombe a guida d'onda o le antenne monopolo. La frequenza operativa delle antenne determina le dimensioni e la spaziatura degli elementi.

Guadagno dell'antenna

Il guadagno dell'antenna è la forza del segnale (l'ampiezza) in una determinata direzione rispetto a un singolo radiatore isotropo teorico, che diffonderebbe il segnale in modo uguale in tutte le direzioni.

Componenti del sistema di formazione del fascio dell'antenna ad array di fase

Un sistema di formazione del fascio è costituito da circuiti elettronici e RF utilizzati per convertire un segnale di ingresso in un segnale trasmesso orientabile. Nei sistemi ad array di fase passivi (il tipo più comune di antenna ad array di fase), un singolo segnale di ingresso viene convertito in un segnale che punta nella direzione desiderata utilizzando una serie di componenti: un amplificatore di potenza del trasmettitore, un sistema di formazione del fascio e i singoli elementi dell'antenna. Il sistema di formazione del fascio è tipicamente composto da attenuatori, sfasatori o componenti che forniscono funzionalità simili. 

• Amplificatore di potenza del ricetrasmettitore (PA): il segnale di ingresso viene amplificato per creare il segnale desiderato con l'amplificazione necessaria. Questo è il segnale che il ricevitore misurerà.
• Ripartitore di potenza: un ripartitore di potenza divide il segnale di ingresso in più segnali per ciascun circuito dell'elemento dell'antenna.
• Attenuatori: l'ampiezza di ciascun elemento dell'antenna viene aumentata o diminuita secondo necessità grazie agli attenuatori. Possono essere dispositivi digitali o analogici e possono essere passivi o attivi. 
• Commutatori di fase: questi dispositivi digitali o analogici introducono un piccolo ritardo nella forma d'onda, il passaggio chiave per la guida del fascio.
• Elementi dell'antenna: infine, il segnale giunge all'elemento dell'antenna e viene trasmesso con la fase e l'ampiezza desiderate.
• Amplificatore a basso rumore (LNA): se l'antenna viene utilizzata anche come antenna ricevente, includerà un amplificatore a basso rumore.
• Interruttori di trasmissione e ricezione: se l'antenna viene utilizzata anche per ricevere i segnali, un interruttore invierà il segnale in entrata attraverso LNA anziché l'amplificatore di potenza.

Il computer che controlla l'array di fase modifica elettronicamente l'ampiezza e la fase di ciascun elemento dell'antenna, apportando cambiamenti rapidi in modo da spostare rapidamente la direzione del fascio.

Direzione del fascio

La direzione del fascio è la direzione che punta dall'origine dell'antenna al punto di massima ampiezza del segnale dopo che il segnale di ogni elemento dell'antenna è stato combinato. I design di antenne utilizzano due angoli per specificare il vettore. L'azimut è l'angolo parallelo all'orizzonte e l'elevazione è l'angolo sopra l'orizzonte.

Larghezza del fascio

Un grafico dell'ampiezza del segnale rispetto all'angolo di sterzata mostra il fascio primario e gli altri fasci generati dall'array di fase come gobbe sul grafico, chiamate lobi. L'ampiezza del fascio è la larghezza del lobo più forte in gradi.

Esistono due standard per misurare l'ampiezza del fascio. La prima misurazione da posizione nulla a posizione nulla è chiamata prima larghezza del fascio nulla (FNBW). Il secondo metodo misura a metà potenza dal picco ed è chiamato larghezza del fascio a metà potenza (HPBW).

Orientamento e scansione del fascio

L'impostazione elettronica della direzione del fascio di luce viene definita orientamento del fascio. Quando la direzione del fascio si muove secondo un modello, si parla di scansione del fascio. Le antenne ad array di fase più complesse possono indirizzare più fasci in direzioni diverse a frequenze leggermente diverse.

Lobi secondari

Un lobo secondario è un massimo locale nel modello di radiazione che non rappresenta il fascio principale. Spreca energia e può causare interferenze. Il design dell'array cerca di ridurre al minimo l'entità dei lobi laterali. 

Le antenne ad array di fase possono assumere diverse forme. Gli esperti utilizzano la tecnologia della topologia e dei sistemi di formazione del fascio per classificare i diversi tipi di antenne ad array di fase.

Topologia ad array di fase

Un modo per distinguere i tipi di sistemi ad array di fase è classificarli in base alla posizione relativa degli elementi dell'antenna. La maggior parte dei sistemi rientra in uno dei seguenti tipi topologici:

1. Array di linee (1D): gli elementi dell'antenna sono disposti in linea orizzontale per modificare l'angolo di azimut del fascio o in linea verticale per controllare l'elevazione.
2. Array planari (2D): gli elementi dell'antenna sono disposti su una superficie piatta (una struttura planare) e possono essere orientati sia in elevazione sia in azimut per coprire l'intero spazio sopra l'antenna.
3. Array 3D: gli elementi dell'antenna sono disposti su un determinato volume, consentendo di dirigere uno o più fasci in qualsiasi direzione.

Tipi di sistemi di formazione del fascio

Array passivo a scansione elettronica (PESA): un array di fase passivo è un'antenna con un singolo ricetrasmettitore per l'intero array. Questo è il tipo più comune di configurazione ad array di fase.

Array attivo a scansione elettronica (AESA): un array di fase attivo è un'antenna in cui ogni elemento dell'antenna o sottoinsieme di elementi è dotato di un modulo ricetrasmettitore analogico per produrre lo spostamento di fase in ogni elemento. Le applicazioni militari tendono a utilizzare questo approccio più avanzato.

Array di fase a formazione del fascio digitale (DBF): un'antenna ad array DBF utilizza un modulo ricetrasmettitore digitale per variare la fase e l'ampiezza in ogni elemento dell'antenna. Può anche produrre fasci multipli e utilizza un chip FPGA (array di porte programmabili sul campo) o un computer array per formare digitalmente il modello dell'antenna. Gli array a formazione del fascio digitali possono anche sviluppare modelli di radiazione nulli per ridurre la sensibilità di potenza e la sensibilità di ricezione e sono minimizzati appositamente per mitigare le interferenze verso o da direzioni note.

Array di fase a formazione del fascio ibrido: gli approcci AESA e DBF possono essere combinati per formare un array di fase a formazione del fascio ibrido. Questo approccio include array secondari. Ogni array secondario utilizza un ricetrasmettitore analogico e ogni elemento dell'array negli array secondari ha un proprio ricetrasmettitore digitale. Questo approccio può creare gruppi di fasci simultanei.

Gli ingegneri che progettano sistemi di comunicazione e sensori utilizzano le antenne ad array di fase per creare una sorgente di segnale RF wireless spazialmente selettiva. Un array di antenne consente a un sistema di sfruttare una o più delle seguenti funzionalità:

1. Combinare più elementi dell'antenna per creare un'ampia apertura e un segnale più forte
2. Usare la formazione del fascio per creare un'antenna orientabile elettronicamente
3. Usare la formazione del fascio adattativa, ibrida o digitale per creare fasci che puntano in più direzioni contemporaneamente e per ridurre al minimo le interferenze con altri sistemi RF

Queste capacità offrono alcuni vantaggi significativi rispetto alle antenne transitorie a riflettore e a palo a guida meccanica:

• I fasci a guida elettronica possono effettuare scansioni molto più veloci o cambiare direzione del fascio molto rapidamente.
• Rispetto a un'antenna a riflettore con guida meccanica e una parabola di grandi dimensioni, un'antenna ad array di fase di solito occupa minore spazio e pesa meno. Può essere montata sulla superficie di un veicolo o su un edificio.
• Nella maggior parte dei casi, i sistemi ad array di fase costano meno a parità di prestazioni, soprattutto se si utilizzano circuiti integrati (IC) per la formazione del fascio o per gli elementi dell'antenna.
• Affidabilità. I singoli componenti di un canale possono guastarsi senza compromettere le prestazioni di base del sistema d'antenna nel suo complesso. Infatti, le prestazioni si degradano in modo graduale con i guasti dei componenti, a differenza dei problemi legati a un singolo punto di guasto dei sistemi di antenne meccaniche.
• Il segnale punta in più direzioni con un unico dispositivo.
• Poiché la potenza di ogni elemento dell'antenna si somma, sono più efficienti dal punto di vista energetico.

Questi vantaggi hanno portato i primi pionieri della radiofrequenza a sviluppare radar ad array di fase e array per la radioastronomia in grado di amplificare segnali molto deboli provenienti da stelle lontane. Nel corso del tempo, il numero di applicazioni ad array di fase è cresciuto fino a includere antenne per altri sistemi aerospaziali, medici, automobilistici, industriali e di comunicazione.

I sistemi di antenne ad array multidirezionali consentono di implementare:

• Le moderne reti di telecomunicazione 4G e 5G
• Le future reti di telecomunicazione 6G
• I più recenti punti di accesso Wi-Fi
• Sistemi radar per automobili autonome
• Dispositivi medici terapeutici

Progettare anche piccoli array di antenne ad array di fase sarebbe difficile senza la simulazione, che diventa essenziale per i sistemi con migliaia di elementi dell'antenna. È difficile calcolare a mano tutto quanto, dalla distanza tra gli array alle perdite dei lobi laterali. Anche misurare i modelli di radiazione in una camera anecoica è dispendioso in termini di tempo e denaro. 

Animazione di una simulazione che mostra come il guadagno massimo di un'antenna ad array di fase punti dinamicamente verso una stazione di terra mentre orbita intorno all'area 

Con la simulazione, gli ingegneri non solo possono progettare i loro array e i componenti per la formazione del fascio, ma anche ottimizzare i loro sistemi in termini di efficienza, costi e velocità. I team utilizzano la simulazione anche per comprendere l'impatto delle tolleranze di produzione e delle variazioni dei materiali sul progetto.

Gli ingegneri utilizzano strumenti di simulazione per progettare, verificare e ottimizzare array di antenne, elementi dell'antenna e componenti di formazione del fascio. Possono anche simulare l'interazione delle loro antenne con l'intero sistema.

Uno strumento a elementi finiti per l'elettromagnetismo ad alta frequenza completo, facile da usare e accurato come il software di simulazione elettromagnetica ad alta frequenza Ansys HFSS è ideale per quasi tutti gli aspetti elettromagnetici della simulazione di antenne ad array di fase. Grazie alle potenti funzionalità di meshing, ai solutori paralleli e ai flussi di lavoro creati appositamente per gli array, è lo standard di riferimento per la modellazione a livello di componenti e sistemi. Il software HFSS simula tutto, dalle singole guide d'onda alla propagazione del segnale attraverso l'intero gruppo, modellando l'antenna molto prima che l'hardware sia disponibile.

La tecnologia dei raggi di ripresa e di rimbalzo presente in applicazioni come il software di simulazione dei canali a radiofrequenza e delle firme radar Ansys Perceive EM porta la simulazione a un livello superiore, consentendo agli utenti di modellare le prestazioni delle loro antenne su lunghe distanze e intorno a ostacoli come scaffali in un magazzino o edifici in una città. I team che progettano l'impatto locale dell'installazione dei loro sistemi d'antenna utilizzano la funzione SBR (raggi di ripresa e di rimbalzo) all'interno del software HFSS per catturare l'auto-accoppiamento dell'antenna alla torre, agli edifici o al veicolo su cui è montata. Gli ingegneri possono anche utilizzare la simulazione per modellare il funzionamento del loro progetto di antenna in una rete con uno strumento a livello di sistema come il software di modellazione dei canali wireless ad alta fedeltà Ansys RF Channel Modeler.

Dopo aver compreso e ottimizzato le caratteristiche elettromagnetiche, i team di progettazione devono esaminare la risposta termica e strutturale del sistema ad array di fase. Possono utilizzare strumenti come il software di analisi strutturale a elementi finiti (FEA) Ansys Mechanical o il software di simulazione del raffreddamento dell'elettronica Ansys Icepak in grado di interfacciarsi con il solver elettromagnetico ad alta frequenza. Inoltre, se l'antenna è montata su un veicolo o un aeromobile, potrebbe essere necessario utilizzare uno strumento CFD come il software di simulazione dei fluidi Ansys Fluent per comprendere e progettare il carico aerodinamico in base alla velocità. 

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