In precedenti risposte abbiamo visto che un'antenna non è altro che una linea opportunamente aperta, fortemente disadattata e sede di onde stazionarie.
Per comprendere il funzionamento di un'antenna è quindi fondamentale la conoscenza teorica delle rispettive linee di trasmissione con cui è realizzata l'antenna.
Le linee di trasmissioni, a seconda di come sono realizzate, a fili conduttori, a cavità meccaniche o a circuito stampato, sono note come linee: bifilari, coassiali, a guide d'onda, a guide dielettriche, a microstriscia, fessurate, complanari, strip line e per completare la rassegna includiamo pure le fibre ottiche anch'esse linee di trasmissione ed in grado di irradiare quando sono aperte.
Il problema generale dell'analisi delle linee e quindi delle antenne, consiste nel determinare in tutti i punti le tensioni fra i conduttori e le correnti nei conduttori. Le equazioni che regolano le tensioni e correnti sono del tipo differenziale alle derivate parziali1.
Per evitare trattati che si possono trovare su testi dedicati e vista anche la genericità della domanda, mi limiterò ad una descrizione qualitativa a largo raggio.
In particolare si comprende meglio il funzionamento delle antenne fessurate se si conosce il funzionamento delle antenne a microstrip
In questi ultimi dieci anni le antenne del tipo planare hanno avuto notevoli sviluppi di ricerca e dell'ingegneria di costruzione. Le antenne a microstrip e le loro complementari, meno usate, antenne slot hanno il vantaggio di poter essere realizzate a basso costo, poiché non richiedono assemblaggi meccanici, ma sono prodotte automaticamente come circuiti stampati. Sono leggere, hanno una struttura per cui possono essere conformate per diverse esigenze, compreso l'adattamento degli elementi radianti a superfici curve. Possono essere estremamente piccole e possono essere disposte in array anche molto grandi per raggiungere le caratteristiche di direttività volute.
Vediamo in breve la descrizione ed il funzionamento.
Una linea di trasmissione in microstrip è composta da un conduttore planare separato da un piano di massa metallizzato per mezzo di un materiale dielettrico. Facendo riferimento alla figura, i parametri geometrici che caratterizzano una linea in microstriscia, sono lo spessore del dielettrico, indicato con h, gli spessori delle metallizzazioni, indicati tutti con δ e la larghezza W della pista conduttrice.
A causa della non omogeneità della struttura, (la linea è affacciata a due costanti dielettriche differenti: aria e substrato) i campi elettrici e magnetici non sono puramente trasversali
Esistono componenti longitudinali del campo che crescono con la frequenza, si dice che il modo di propagazione della microstrip sia quasi-TEM2.
La slot line è ottenuta praticando un'unica fessura sulla faccia metallizzata di un substrato dielettrico. Le due parti in cui si ritroverà divisa la metallizzazione faranno la parte del polo caldo e del piano di massa, rispettivamente. I parametri geometrici che la caratterizzano sono gli stessi della microstip E' una linea di tipo non-TEM che porta un campo concentrato nella regione dello slot, tra i margini affacciati del polo caldo e della massa ed è perpendicolare alla direzione di propagazione (linee rosse tratteggiate). Il modo di propagazione che si stabilisce in questa struttura è di tipo TE. Le caratteristiche elettriche dipendono abbastanza fortemente dalla frequenze, si tratta di linee dispersive.
Le linee planari sono caratterizzate da perdite di potenza molto maggiori dei corrispondenti sistemi in guida d'onda, principalmente a causa delle maggiori perdite nel dielettrico. A differenza con quanto accade nelle guide d'onda metalliche chiuse, nelle linee planari si verificano anche perdite per irradiazione, dovute al fatto che sia lo strip che lo slot sono sistemi aperti.
Quando vogliamo che una linea, non sia utilizzata come trasmissione e volutamente irradi e si comporti come un'antenna, dobbiamo dare alla linea una conformità geometrica tale che, i campi H ed E non siano più confinati tra loro, ma si propagano nello spazio libero.
In una predente risposta, abbiamo visto come da una linea bifilare si è ottenuto l'antenna dipolo.
Allo stesso modo da una linea slot otteniamo un'antenna slot. Tagliando una fessura da una superficie metallica, depositata su un supporto dielettrico, idealmente di larghezza infinita; in pratica, basta che questo sia almeno una decina di volte più largo dello slot.
La fessura è lunga λ/2, alla frequenza desiderata di funzionamento ed è larga una piccolissima frazione di λ. La slot antenna è spesso confrontata con l'equivalente forma della convenzionale antenna a strip. In questo caso come mostrato in figura il dipolo a strip è chiamato dipolo complementare dell'antenna a slot, poiché le dimensioni fisiche dell'antenna a strip sono le medesime della fessura fatta sullo strato conduttore.
I due tipi di antenne possono essere alimentate,con cavetti coassiali o strip line collegate nei punti dove è presente il simbolo del generatore.
I pattern di radiazione prodotte dalle due antenne sono i medesimi.
Una differenza sostanziale, causata dalla diversità dei modi di propagazione delle due linee, consiste nella diversità di polarizzazione dell'onda elettromagnetica emessa.
Posizionando l'antenna a strip orizzontalmente, il campo magnetico giace su un piano verticale e di conseguenza il perpendicolare campo elettrico giace sul piano orizzontale.
Il comportamento è lo stesso delle antenne a conduttori. La disposizione geometrica orizzontale o verticale coincide per convenzione con la polarizzazione dell'onda.
Nella slot antenna è l'opposto: il campo elettrico è perpendicolare al piano fisico dell'antenna.
Quindi posizionandola orizzontalmente si trasmette un onda polarizzata verticalmente.
Per concludere le antenne fessurate, oltre che irradiare potenza utilizzando le classiche correnti stazionare in una struttura risonante come tutti gli altri tipi di antenna, hanno una seconda modalità di irradiazione, dove trovano un largo utilizzo.
In pratica se prendiamo un contenitore metallico rettangolare completamente chiuso, al cui interno è posto un generatore a radiofrequenza, osserviamo che non uscirà nulla. Se pratichiamo una o più fenditure dislocate opportunamente possono irradiare energia se intercettano i percorsi delle correnti superficiali. In particolare una fenditura lunga λ/2, ma di larghezza molto piccola si comporta come un dipolo. È su questo principio che funzionano i cavi radianti.
Note
- Alle altissime frequenze occorre abbandonare, per la non affidabilità dei risultati, l'analisi fatta con i metodi della teoria della reti (gli elementi a costante distribuita sono caratterizzati da nodi di matrici di impedenze e ammettenze). Utilizzando i più complessi metodi della teorie dell'elettromagnetismo per calcolare la risposta della struttura si ottengono risultati più conformi alla realtà
Un altro aspetto che falsa l'analisi a priori, rispetto alla misure a posteriori e che per ogni tipo di linea abbiamo diversi caratteristiche dei campi elettrico E e magnetico H che circondano la linea. La struttura dei campi cambia non solo al cambiare del tipo di linea, ma a pari linea possiamo avere modi di trasmissioni differenti all'aumentare o diminuire della frequenza.
- Campo elettromagnetico trasversale TEM significa che i vettori E (intensità del campo elettrico) e H (intensità del campo magnetico) non presenta mai componenti parallele alla linea di trasmissione. I vettori dei campi H e sono sempre trasversali alla direzione della linea di trasmissione. Nelle microstrip entro certe frequenze le componenti longitudinali dei campi elettrico e magnetico sono di entità trascurabile rispetto alle componenti trasversali.
Questo consente di considerare questa configurazione di campo come una perturbazione del modo fondamentale TEM, detta quasi TEM. Al di sopra di determinate frequenze di cutoff,sono comunque presenti modi di ordine superiore.