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Articolo di Giuseppe Di Massa, Professore Emerito Campi Elettromagnetici, Università della Calabria
Durante il secolo scorso la rice-trasmissione di campi elettromagnetici nello spazio è aumentata a dismisura sia per la crescita dei servizi di telecomunicazione che per altre applicazioni quali i sistemi per l’osservazione della terra, il controllo del traffico aereo e altri ancora con l’uso dei RADAR per sicurezza e monitoraggio ed altre applicazioni. Le antenne, interfaccia fra gli apparati radioelettrici e lo spazio esterno, sono spesso la parte maggiormente critica degli apparati e condizionano pesantemente le prestazioni del sistema. Pertanto la caratterizzazione delle antenne mediante la misura di ben definiti parametri è uno dei passi fondamentali nello sviluppo dei nuovi sistemi.
La misura dei campi elettromagnetici
La misura di campi elettromagnetici, in spazio libero, richiede un ambiente controllato con adeguati dispositivi di controllo e misura. L’ambiente controllato è costituito da uno spazio chiuso con pareti che, di principio, non riflettono i campi (Camera Anecoica). Questo si ottiene ricoprendo le pareti con piramidi assorbenti che, per forma e materiale, riducono al minimo le riflessioni dalle pareti. Nelle misure sulle antenne si distinguono quelle in campo lontano e in campo vicino. La distinzione avviene sulla base delle dimensioni dell’antenna rispetto alla lunghezza d’onda. Antenne “piccole” possono essere misurate in campo lontano acquisendo, con una sonda, i valori di campo per ogni angolo. Antenne “grandi” hanno bisogno di una misura più sofisticata: si acquisisce il campo su una superficie piana, cilindrica o sferica circostante l’antenna e, da questa, con opportuna trasformazione, si ottiene il campo lontano. Tutto questo, oltre all’ambiente anecoico, richiede dei movimenti controllati dell’antenna e della sonda e un sistema di acquisizione del campo a frequenze molto elevate.
Nel seguito, a titolo esemplificativo, si fa riferimento alla Camera Anecoica esistente presso il Laboratorio di Microonde dell’Università della Calabria capace di eseguire, in modo flessibile, misure di diffusione elettromagnetica e di caratterizzazione di antenne da pochi MHz a 40 GHz.
La camera ha dimensioni di 8.5 x 6 x 5.5 m ed è completamente schermata all’esterno con un lamierino di 2 mm. L’interno è ricoperto di pannelli anecoici da 18” (Fig.1).
Campo vicino e campo lontano
Nella camera è possibile effettuare misure di caratterizzazione di antenne sia in campo vicino che in campo lontano. Un binario corre lungo tutta la camera, portando una tavola rotante con supporto di plexiglas regolabile in altezza. Di fronte, sulla parete piccola della camera, è stato costruito uno scanner planare (Fig.2) di grandi dimensioni (5 x 4,2 m).
Lo scanner planare, insieme alla tavola rotante (Fig.3), consentono di effettuare misure in campo vicino su superfici planari, cilindriche e, in un prossimo futuro, sferiche.
Il software di gestione (Fig.4), scritto in LabView, è molto flessibile, consentendo di effettuare acquisizioni non solo sulle superfici di scansione canoniche, ma anche su geometrie strategiche ed innovative. Il sistema di controllo è integrato con l’acquisizione dei dati da un Network Analyzer distribuito. L’estrema flessibilità del software permette, ad esempio, l’acquisizione simultanea di un numero prefissato di frequenze, scansioni con campionamento non omogeneo, scansioni su superfici poligonali, etc.
All’interno della camera anecoica sono disposte quattro telecamere, che permettono di monitorare con continuità l’evolversi delle misure (Fig.5).
Di seguito è riportato un esempio di misura di campo elettromagnetico lontano (Fig.6) irradiato da una antenna costituita da un allineamento di fenditure su guida integrata (Fig.7).
E’ possibile effettuare molti altri tipi di misure. Le principali sono:
- misura del campo diffuso da un oggetto e ricostruzione di alcune caratteristiche elettromagnetiche dello stesso;
- misure di compatibilità elettromagnetica, cioè quanto irradia un dispositivo elettronico o quanto è suscettibile ai campi.
Tecniche di misura
Le tecniche di misura del campo vicino risultano, come detto, particolarmente utili per oggetti elettricamente grandi, cioè grandi rispetto alla lunghezza d’onda a cui stiamo operando. In questo caso è necessario misurare modulo e fase del campo vicino per poi da esso ricavare, attraverso una trasformazione, il campo lontano. Tale trasformazione risulta non molto complicata nel caso che le misure vengano acquisite su superfici canoniche: piano, cilindro, sfera. Un problema rilevante è la misura della fase quando la frequenza si sposta verso le onde millimetriche. A tal fine sono state sviluppate, negli ultimi anni, tecniche di recupero della fase da misure di solo modulo. Vengono effettuate due misure di modulo e da queste ricavata la fase del campo vicino.
In Fig. 8 viene riportato il risultato di una tecnica ibrida con due sonde che si muovono insieme sulla superfice d scansione e la loro uscita viene elaborata localmente da un circuito a microonde che restituisce un segnale la cui ampiezza proporzionale alla fase.
In Fig. 9 viene riportato il risultato di una tecnica olografica in cui il segnale di riferimento è portato alla sonda attraverso un cavo per combinarsi direttamente con quello misurato.
Le tecniche che recuperano la fase da misurare di solo modulo permettono di utilizzare apparati più semplici ed economici per la caratterizzazione di antenne complesse.
In conclusione si è illustrato, in modo sintetico, il funzionamento di una camera anecoica insieme agli apparati necessari a farla funzionare e alle tecniche utilizzate per ricavare informazioni significative sulle antenne e altri dispositive misurati.
Per chi volesse approfondire:
- Gary E. Evans, Antenna Measurement Techniques, Artech House.
- Leland H Hemming, Electromagnetic Anechoic Chambers, IEEE Press.
- S. Costanzo, G. Di Massa and M.D. Migliore, A Novel Hybrid Approach for Far-Field Characterization From Near-Field Amplitude-Only Measurements on Arbitrary Scanning Surfaces, IEEE TRANS. ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 53, 2005.
- S. Costanzo and G. Di Massa, Spatial domain indirect holographic technique for antenna near-field phaseless measurements, Radio Sci., 52, 2017.
