• analog beamforming
• microstrip antennas
• pattern reconfigurable antennas
• phased-array radar
• S-band

In questo lavoro di tesi, sotto la guida del Microwave & Radiation Laboratory del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa e la supervisione dell'Istituto per le Telecomunicazioni e l'Elettronica (ITE) della Marina Militare “G. Vallauri” di Livorno, si sono affrontate le varie problematiche legate alla progettazione di un’antenna phased array.
L’interesse verso questa tipologia di antenne nasce dalla difficoltà per i sistemi radar imbarcati per la sorveglianza e la difesa aerea di nuova generazione di operare in un contesto in cui lo scenario operativo assume un profilo articolato e complesso, grazie anche alla presenza di target con proprietà stealth e velocità supersoniche non efficacemente rivelabili dai convenzionali radar imbarcati allo stato attuale. Una serie di studi svolti ha fatto evincere che si può trarre beneficio, in termini di scoperta e di tracciamento, proprio dall’impiego di sistemi radar a phased array. Questa emergente tecnologia offre infatti numerosi vantaggi: eliminazione degli errori e dei guasti associati allo spostamento meccanico dell'antenna; aumento del guadagno con conseguente miglioramento della scoperta; posizionamento pressoché immediato del fascio radar nella direzione voluta; generazione simultanea di fasci multipli e indipendenti, permettendo l’inseguimento contemporaneo di più bersagli; incremento netto della flessibilità di utilizzo del sistema, che può svolgere diverse funzioni allo stesso tempo, quali la sorveglianza, il tracciamento e l'illuminazione del bersaglio.
L’obiettivo del progetto si è focalizzato sul design, sulla fabbricazione e sul test di un’antenna array lineare operante in banda S, leggera, sottile, a basso profilo e che abbia una discreta capacità di scansione attraverso un beamforming di tipo analogico. Tale sistema radiante potrà essere utilizzato come building-block elementare (subarray) di un più complesso sistema radar planare 3D, combinando eventualmente uno step secondario di digital beamforming.
Particolare attenzione è stata data alle problematiche di adattamento e capacità di scansione. In un primo momento si è studiata l’antenna relativamente alla sola parte radiante, approfondendo dapprima il solo fattore d’array e proseguendo poi con l’analisi del fattore d’elemento specifico della tipologia di radiatore scelta. In seguito si è passati al progetto della rete di alimentazione. Si è scelta una tipologia di alimentazione in parallelo utilizzando una serie di divisori di Wilkinson in microstriscia. Il design è stato poi ottimizzato in modo da essere adattato in ingresso e uscita, tenendo conto del successivo inserimento di phase shifter realizzati in tecnologia integrata (IC) tra alimentazione ed elemento d’antenna. Per la progettazione e ottimizzazione dell’antenna è stato usato il software commerciale Ansys HFSS.
A questo punto un primo prototipo d’antenna è stata realizzato e successivamente misurato. La campagna di misura ha visto dapprima coinvolta la sola antenna, poi il circuito di alimentazione con gli sfasatori, verificandone il corretto funzionamento dei chip al variare della tensione di controllo, e in ultimo la struttura totale del phased array. Sulla base dei risultati simulati, quelli ottenuti sperimentalmente sono stati confrontati e valutati.
Ulteriori sviluppi riguardanti il singolo elemento radiante, hanno infine dimostrato la possibilità di un aumento della capacità di scansione angolare e guadagno dell’intero sistema array: grazie al particolare design di antenna a microstriscia analizzato, si è raggiunta una scansione di oltre 45° sul piano direttivo dell’array. I risultati preliminari si mostrano promettenti nell’ottica futura di un ulteriore fase di sviluppo e ottimizzazione prestazionale del sistema.