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Le antenne a larga banda, ovvero dispositivi in grado di trasmettere e ricevere segnali su una vasta gamma di frequenze, rivestono un ruolo cruciale nel campo delle telecomunicazioni. In un contesto operativo complesso come ad esempio quello di una nave, è immediato verificare come sia necessaria la presenza di numerose tipologie di antenne che operano su canali distinti per rendere la piattaforma in grado di stabilire i collegamenti necessari. Restando nell’ambito navale, sappiamo che i collegamenti a largo raggio vengono effettuati in banda
HF in modo da sfruttare il fenomeno ben noto della riflessione ionosferica; inoltre a bordo sono presenti anche antenne VHF/UHF. Lo scenario elettromagnetico dunque risulta assai complesso data la difficoltà di mantenere in regime di cooperabilità i numerosi apparati
di ricetrasmissione. Per assicurare la compatibilità elettromagnetica tra i dispositivi presenti a bordo, gli elementi radianti dovranno trasmettere su livelli di potenza adeguati al fine di evitare interferenze.
Impiegare un numero di antenne minore su una piattaforma mobile apporta notevoli vantaggi, tra cui la riduzione dell’ingombro complessivo (le antenne HF hanno spesso dimensioni comparabili con quelle di una nave) e la riduzione della componente della RCS dovuta
alle sovrastrutture. Attualmente la maggior parte delle navi di vecchia concezione allocano multicanali di comunicazione sfruttando molteplici antenne a banda stretta attraverso laboriose reti di combinazione.
Oltretutto un numero elevato di elementi radianti richiede spesso complicate reti di alimentazione. Muovendosi nell’ottica di limitare i potenziali problemi di interoperabilità tra apparati, congiuntamente all’utilizzo di un numero minore di apparati di bordo, ecco allora che appare chiara la forte appetibilità che rivestono le antenne a larga banda. Anche in scenario
urbano questa tipologia di antenne ha apportato sensibili innovazioni, specialmente in quelle città dove gli apparati trasmittenti iniziavano a diventare in quantitativo ingestibile. I recenti sviluppi delle tecnologie di elaborazione del segnale come le modulazioni a spettro espanso, le tecniche di salto di frequenza oppure l’avvento del SDR sono solo alcuni esempi di quanto sia richiesto il supporto fisico di antenne a banda larga.
Alla luce delle argomentazioni esposte fino ad ora, questa tesi ha l’obiettivo di presentare una antenna filare caricata a banda larga ottenuta attraverso un codice di ottimizzazione Swarm Based. I risultati numerici ottenuti mediante il MoM della configurazione ottima saranno confrontati con le misure ottenute dalla realizzazione fisica dell’antenna stessa. Il prototipo è
stato realizzato grazie al sostegno del Dipartimento dell’Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa ed all’ausilio dell’Istituto per le Telecomunicazioni e per l’Elettronica della Marina Militare Italiana “Giancarlo Vallauri” MARITELERADAR.
La tesi è organizzata nel modo seguente: il primo capitolo presenta la Particle Swarm Optimization (PSO), un potente algoritmo di ottimizzazione che sarà impiegato per il progetto del monopolo filare. Il capitolo contiene le informazioni fondamentali che riguardano l’algoritmo (di cui in letteratura è presente materiale in vasta quantità) con particolari riferimenti ai problemi
d’elettromagnetismo applicato. Segue un capitolo dedicato alla miniaturizzazione d’antenna mediante l’ausilio di carichi passivi concentrati ad alta frequenza, dal momento che quest’ultimi saranno necessari per attuare la strategia di allargamento della banda. Nel capitolo sono esposte anche delle considerazioni sui carichi di tipo commerciale.
Il terzo capitolo affronta il problema della progettazione di un monopolo caricato su disposto perpendicolarmente piano di massa, le cui caratteristiche sono fornite come
parametri di ingresso alla PSO, la quale avrà il compito di produrre la configurazione d’antenna ottima.
L’algoritmo della PSO utilizza un codice MoM come solver elettromagnetico (il NEC) per valutare le prestazioni e le caratteristiche dell’antenna.
L’ultimo capitolo affronta la questione della realizzazione fisica dell’antenna ottimizzata con tutte le problematiche ad essa connesse. Questa parte della tesi ha lo scopo di mostrare attraverso delle misure sperimentali che il monopolo caricato con parametri concentrati è adattato su una vasta gamma di frequenze.
I dati delle misure verranno sempre confrontati con i dati numerici provenienti dall’analisi MoM. Le misure sono state effettuate con un VNA presso il Laboratorio di Microonde ed Elettromagnetismo Applicato del Dipartimento di Ingegneria delle’Informazione di Pisa.
La tesi si conclude con una sezione dedicata a considerazioni sul lavoro svolto, sui potenziali
miglioramenti e sulle possibili applicazioni.
I risultati delle misure effettuati nel corso della tesi possono essere considerati molto soddisfacenti. La banda in cui il monopolo risulta adattato è superiore a quella preventivata nel corso del terzo capitolo. Il VSWR si mantiene al di sotto della soglia di 3,5 da 170 MHz a 1070 MHz, per una larghezza di banda pari a 900 MHz. Il prototipo realizzato possiede un BWR pari a
circa 6,3. Il risultato è davvero notevole, specie se si considera che è stato conseguito mediante l’inserzione di un semplice gruppo RL.