CAPITOLO 1
Caratteristiche delle superfici selettive in frequenza
1.1 Introduzione
Le superfici selettive in frequenza (Frequency Selective Surfaces,FSSs) sono note ed utilizzate nella teoria delle antenne da più di mezzo secolo. A tale proposito è opportuno menzionare il fatto che, già alla fine del XVIII secolo, il fisico americano D. Rittenhouse scoprì che alcuni colori dello spettro della luce vengono soppressi quando si osserva un lampione attraverso un fazzoletto di seta. Questa fu una delle prime prove che le superfici non continue possono presentare differenti coefficienti di trasmissione per onde a differenti frequenze.
Come già accennato nella prefazione, in letteratura sono in genere trattate due differenti geometrie di FSSs: la prima costituita da una matrice di patch metallici applicati sopra un substrato dielettrico e l’altra da una matrice di aperture praticate su uno schermo metallico. La prima geometria, comunemente riferita come FSS induttiva, presenta un comportamento in frequenza di tipo passa-alto. La seconda configurazione, altrimenti detta FSS capacitiva, presenta un comportamento di tipo passa-basso. Queste nomenclature, come evidenziato dalla Fig 1.1, sono dovute alla corrispondenza del comportamento in frequenza con i circuiti a parametri concentrati con cui sono rappresentate.
Fig 1.1 Geometria a patch ed ad aperture con i rispettivi schemi circuitali
Le FSSs puossono essere inoltre catalogate come “spesse” (thick) ovvero “sottili” (thin). Il termine FSS sottile indica schermi realizzati con elementi stampati, patch o aperture il cui spessore spessore non supera i 0,01 λ, dove λ indica la lunghezza d’onda. Il punto di forza di tali schermi è la facilità di fabbricazione e conseguentemente il costo limitato, dato che possono essere ottenuti con tecnologie di stampa tradizionalmente usate per la produzione di circuiti stampati. D’altra parte, uno schermo FSS spesso, che solitamente presenta un comportamento passa-alto ed in taluni casi passa-banda, è formato da una matrice periodica di elementi il cui spessore non soddisfa la condizione imposta per schermi sottili. In questo caso la fabbricazione risulta più complessa in quanto è richiesto l’uso di macchine precise e costose (frese meccaniche o ad elettroerosione) per perforare spesse lastre di metallo. Il vantaggio fornito dagli FSS spessi consiste nel fatto che il rapporto tra la frequenza di trasmissione e quella di riflessione (ft / fr), ossia la separazione di banda , può essere ridotto a
1.15 (=14.0 GHz / 12.2 GHz ), caratteristica richiesta per le antenne per comunicazioni satellitari multifrequenziali spinte. Inoltre gli schermi spessi vengono utilizzati in quelle applicazioni che prevedono l’uso di potenze molto elevate (dell’ordine del KW). Un esempio tipico sono le Ground Station, antenne per missioni satellitari in cui le FSSs vengono usate per combinare trasmettitori a frequenze diverse.
Altri comportamenti in frequenza possono essere ottenuti considerando aperture con domini
Fig 1.2 Nella figura è rappresentata la configurazione ottenuta con anelli metallici che presentano un comportamento elimina-banda (a) e quella a dominio duplicemente connesso che funziona da passa-banda
(b).
Per gli schermi sottili sembra opportuno ricordare che le caratteristiche di uno schermo induttivo in aria sono esattamente complementari a quelle di uno schermo capacitivo in aria, come mostrato in Fig 1.3.
Fig 1.3 Coefficienti di trasmissione in funzione della lunghezza d’onda per la geometrie a patch (in alto a destra) ed ad aperture (in alto a sinistra)
Le superfici selettive in frequenza che verranno prese in considerazione nel seguito sono costituite dalla ripetizione degli elementi lungo due direzioni di periodicità. Una coincide con l’asse x e l’altra forma con l’asse x stesso un angolo α. A seconda del valore di questo angolo, le FSS sono dette axial (α=900) o skewed .
α α
patch
1.2 Applicazioni degli schermi selettivi in frequenza
Le superfici selettive in frequenza hanno trovato svariati utilizzi nel campo delle microonde. Una delle principali applicazioni delle FSS è come radome per antenne. Un radome è una copertura studiata per proteggere un’antenna dagli effetti (elettrici ed atmosferici) dell’ambiente circostante, senza degradarne le prestazioni elettriche. Questo equivale a progettare una struttura che presenti coefficiente di trasmissione circa unitario solo nella banda di lavoro dell’antenna.
Fig. 1.5 Antenna per applicazioni nautiche protetta da interferenze mediante radome.
Un’altra possibile applicazione riguarda la realizzazione di superfici riflettenti ed è dovuta alla possibilità di simulare, in un certo range frequenziale, superfici conduttrici continue mediante FSS. In questo modo si possono realizzare antenne in cui il piano riflettente continuo viene sostituito con reti conduttrici. Questa tecnologia offre come vantaggio una maggiore flessibilità (le antenne possono essere pieghevoli), un minor peso ed una minore resistenza al vento. Un’antenna con queste caratteristiche è riportata in Fig 1.6.
Fig 1.6 Antenna costruita utilizzando come piano conduttore una rete metallica. L’antenna di figura è stata reperita nel catalogo www.fair-research.com/FRI-Catalog.pdf
Nella figura 1.7 viene rappresentato un altro tipico utilizzo delle superfici selettive in frequenza. La FSS, indicata con la freccia, permette di illuminare il solito paraboloide con due illuminatori che lavorano a portanti differenti. In particolare l’illuminatore (IL 1) lavora alla frequenza di riflessione, l’illuminatore (IL 2) alla frequenza di trasmissione.
1.3 Dimensionamento della cella elementare
In questo paragrafo vengono introdotti alcuni importanti fenomeni che influenzano il dimensionamento degli elementi costituenti gli FSS e le direzioni e periodi di ripetizione degli elementi. Quando un elemento del tipo dipolo stampato, come quello rappresentato nella figura 1.3, è illuminato da una sorgente a RF, e la lunghezza del dipolo è un multiplo di una semilunghezza d’onda, il dipolo risuona e scattera l’energia. Quando molti dipoli stampati sono disposti su di un array, l’energia reirradiata da tutti gli elementi è coerente lungo la direzione che si avrebbe nel caso riflessione, dove l’angolo di riflessione è uguale a quello di incidenza. Per elementi di tipo square-loop e circolar-loop si ha risonanza quando ogni half-loop è un multiplo della semilunghezza d’onda. Una discussione complementare può essere fatta per elementi di tipo induttivo. La banda intorno alla frequenza di risonanza è influenzata dalla larghezza dal dipolo e , nel caso di schermi spessi , dallo spessore dello schermo.
Un altro fenomeno importante è quello del Grating-Lobe, secondo il quale si innesca un secondo raggio principale quando la cella di periodicità ha dimensioni paragonabili con la lunghezza d’onda. Nella tabelle di figura 1.8 sono rappresentate le condizioni imposte da questo fenomeno per particolari periodicità.
