CAPITOLO 2

CAPITOLO 2

CARATTERISTICHE DEGLI SCHERMI SELETTIVI IN

FREQUENZA

2.1 Introduzione alle superfici selettive in frequenza

Nel XVIII secolo il fisico americano D. Rittenhouse si accorse che alcuni colori dello spettro luminoso, e cioè alcune lunghezze d’onda e quindi frequenze, vengono soppressi se si osserva un lampione attraverso un fazzoletto di seta, tessuto noto per la regolarità della sua trama.

Intuitivamente, ciò dimostra che superfici non continue periodiche sono in grado di presentare coefficienti di trasmissione differenti ad onde elettromagnetiche a diverse frequenze; su questa idea si basano le superfici selettive in frequenza (Frequency Selective

Surface – FSS) note ed utilizzate nell’ambito della teoria delle antenne già da oltre mezzo

secolo.

Generalmente in letteratura le FSS vengono suddivise secondo due diverse geometrie: le FSS capacitive costituite da una matrice di materiale conduttore sottile applicati sopra uno strato di materiale dielettrico; il comportamento di strutture così realizzate è di solito di tipo passa alto in frequenza. Le FSS induttive presentano geometria e comportamento in frequenza sostanzialmente complementare a quello della precedente versione, sono realizzate con una matrice di fori praticati su uno schermo metallico; come già accennato si comportano come una sorta di filtri passa basso.

Le FSS possono essere ulteriormente classificate in funzione del loro spessore. Schermi sottili (thin) presentano uno spessore complessivo inferiore a 0.01λ, dove λ indica la lunghezza d’onda, possono essere realizzate con le stesse procedure usate per realizzare circuiti stampati, per cui alla semplicità di fabbricazione va ad aggiungersi il costo molto

FSS spesse (thick) hanno in genere un comportamento di tipo passa alto e a volte passa banda, sono costituite da una matrice periodica di elementi, tipicamente fori, che a tutti gli effetti possono essere assimilati a tratti di guide d’onda.

La fabbricazione di schermi spessi non è semplice come nel caso di quelli sottili, occorrono frese meccaniche o ad elettroerosione, macchine molto complesse e costose; tuttavia l’impiego di FSS spesse può essere particolarmente adatto a tutte quelle applicazioni che prevedono l’utilizzo di potenze molto elevate (dell’ordine del kW).

2.2 Principali applicazioni degli schermi selettivi in frequenza spessi

Gli schermi selettivi in frequenza trovano ampio uso nell’ambito delle microonde, per il loro impiego vengono sfruttate principalmente le caratteristiche associate ai coefficienti di riflessione e trasmissione.

Come esempio di applicazione citiamo i radome per antenne, ossia le FSS vengono usate come copertura di strutture radianti, in modo da offrire una protezione da agenti atmosferici, come ad esempio la salsedine per applicazioni marine, nonché da effetti elettrici di disturbo. Evidentemente le proprietà radiative della struttura sottostante non devono essere in alcun modo degradate, ciò equivale a dire che il coefficiente di trasmissione della FSS deve mantenersi praticamente unitario nella banda di lavoro dell’antenna; inoltre i radome sono spesso progettati per funzionare come filtri in certe bande frequenziali.

Un ulteriore applicazione riguarda la possibilità di simulare superfici conduttrici continue in un certo range frequenziale, in tale caso il coefficiente di riflessione dovrà mantenersi il più possibile unitario nella banda d’interesse.

Quest’ultima tecnologia offre l’opportunità di implementare antenne il cui piano riflettente continuo è sostituito con una rete conduttrice, in questo modo si ottiene una maggior flessibilità, un minor peso e una minor resistenza al vento della struttura complessiva.

2.3 Geometria di una superficie selettiva in frequenza

Una possibile geometria di uno schermo selettivo in frequenza è mostrata in figura 2.1; nel caso particolare si tratta di una FSS induttiva con aperture di forma rettangolare praticate su uno strato metallico spesso infinito lungo le direzioni x e y, in modo da non considerare gli effetti di bordo.

TX TY α Z Onda Incidente θ Y φ

}

Figura 2.1: Geometria e parametri caratteristici di una superficie selettiva in frequenza induttiva realizzata mediante una schermo metallico spesso forato periodicamente

Fissato un opportuno sistema di riferimento, si indica con θ l’angolo formato dalla direzione di propagazione dell’onda elettromagnetica incidente e l’asse z, tale angolo può variare tra 0° (incidenza normale) e 90° (incidenza parallela), φ rappresenta l’angolo tra la proiezione della direzione di propagazione e l’asse x in senso orario e può assumere valori tra 0° e 360° in funzione della simmetria del problema.

Come accennato precedentemente le FSS sono delle strutture periodiche formate da elementi base dette sottocelle elementari di periodicità o subcell (figura 2.2) disposte periodicamente lungo una griglia bidimensionale, gli schermi trattati in questo elaborato sono periodici sia lungo la direzione delle x che delle y.

Le aperture sono spaziate lungo l’asse x con periodo TX e lungo l’asse y con periodo TY, l’angolo formato tra i due assi è detto angolo di skewness e serve a caratterizzare completamente la disposizione reciproca dei fori.

TY

TX

Figura 2.2: Elemento base di una FSS induttiva: TX e TY rappresentano la periodicità il foro è di forma rettangolare

Come si può intuire dalla geometria appena presentata, uno schermo selettivo si comporta in modo molto simile agli array di antenne, sebbene per questi ultimi, pur avendo una geometria simil-periodica, sia più semplice spiegare sia teoricamente che dal punto di vista applicativo, l’esistenza di alcune direzioni dello spazio per le quali si ha massima irradiazione e di altre in cui essa è nulla.

Per interpretare tale fenomeno si pensi ad un’onda piana che incide su una FSS, sulle parti metalliche dello schermo vengono indotte delle correnti che a loro volta reirradiano nello spazio circostante un campo detto scatterato.

Facendo riferimento alla figura 2.3, se la direzione d’incidenza non è quella normale allo schermo, l’onda incontra ogni singolo elemento con una fase diversa che dipende dalla differenza di cammino percorso; in tal caso le correnti generate sono sfasate di una quantità che dipende dalla frequenza dell’onda, dal periodo di ripetizione della cella elementare e dall’angolo d’incidenza. Onda piana incidente Z Fronti piani dell’onda θ θ Differenza di percorso TXsenθ Y X

Figura 2.3: Rappresentazione della differenza di cammino percorso tra due celle elementari adiacenti

Conseguentemente anche i campi prodotti dalle correnti in ogni sottocella risulteranno sfasati delle stesse quantità dando origine a dei nulli in alcune direzioni (quelle sulle quali i campi si sommano in controfase) e dei massimi in altre (quelle in cui si sommano con la stessa fase).

Più in particolare si parla di condizione di risonanza dello schermo se le sue proprietà radiative fanno si che in campo lontano si propaghi un’onda che abbia le stesse caratteristiche di quella incidente, in altre parole alla frequenza di risonanza tutta l’energia associata all’onda incidente viene trasmessa nel semispazio sottostante lo schermo nel caso

Quando si verifica la risonanza nel caso di schermi induttivi c’è trasmissione completa, nel caso di schermi capacitivi c’è riflessione completa; man mano che ci si allontana dalla frequenza di risonanza parte dell’energia viene riflessa e parte trasmessa fino a quando lo schermo diventa completamente trasparente.