Array di tende

Storia

Gli array di cortine furono sviluppati originariamente negli anni ’20 e ’30 del secolo scorso quando ci furono molte sperimentazioni con le trasmissioni a onde corte a lunga distanza . Il concetto di base era quello di ottenere miglioramenti di guadagno e / o direzionalità rispetto alla semplice antenna a dipolo , eventualmente piegando uno o più dipoli in uno spazio fisico più piccolo, o per disporre più dipoli in modo che i loro schemi di radiazione si rinforzino reciprocamente, concentrando così più segnale in una determinata area di destinazione.

Agli inizi degli anni ’20, Guglielmo Marconi , pioniere della radio, incaricò il suo assistente Charles Samuel Franklin di condurre uno studio su larga scala sulle caratteristiche di trasmissione delle onde corte di lunghezza d’onda e di determinare la loro idoneità per le trasmissioni a lunga distanza. Franklin inventò il primo sistema di antenne a cortina nel 1924, noto come sistema “Franklin” o “inglese”. ^[2] [3]

Altri array di cortometraggi iniziali includevano la matrice Bruce brevettata da Edmond Bruce nel 1927, ^[4] e la cortina Sterba , brevettata da Ernest J. Sterba nel 1929. ^[5]L’array Bruce produce un segnale polarizzato verticalmente; Gli array Sterba (e le successive antenne HRS) producono un segnale polarizzato orizzontalmente.

La prima serie di tende a raggiungere la popolarità fu il sipario Sterba , brevettato da Ernest J. Sterba nel 1929 ^[6] e usato dai Bell Labs e da altri durante gli anni ’30 e ’40. La tenda Sterba è tuttavia un design a banda stretta ed è gestibile solo con mezzi meccanici.

Gli array di cortine sono stati utilizzati in alcuni dei primi sistemi radar , come la rete britannica Chain Home . Durante la Guerra Fredda , i grandi cortometraggi erano usati da Voice of America , Radio Free Europe e Radio Liberty, e analoghe organizzazioni dell’Europa occidentale, per diffondere trasmissioni propagandistiche in paesi comunisti, che censuravano i media occidentali.

Descrizione

Gli elementi condotti sono solitamente dipoli mezz’onda , alimentati in fase, montati in un piano ¹ / ₄  lunghezza d’onda di fronte al piano di riflettore. ^[1] I fili del riflettore sono orientati parallelamente ai dipoli. I dipoli possono essere verticali, radianti nella polarizzazione verticale , ma sono più spesso orizzontali, perché le onde polarizzate orizzontalmente sono meno assorbite dai riflessi della terra. ^[1] La fila inferiore di dipoli sono montati più di ¹ / ₂ lunghezza d’onda dal suolo, per evitare le riflessioni terreno di interferire con il diagramma di radiazione. ^[1]Ciò consente alla maggior parte della radiazione di essere concentrata in uno stretto lobo principale rivolto a pochi gradi sopra l’orizzonte, che è l’ideale per la trasmissione skywave . ^[1] Un array di tende può avere un guadagno di 20 dB maggiore di una semplice antenna a dipolo. ^[1] A causa dei rigorosi requisiti di fase, i precedenti array di cortine avevano una larghezza di banda ridotta, ma i moderni array di cortina possono essere costruiti con una larghezza di banda fino a 2: 1, consentendo loro di coprire diverse bande di onde corte. ^[1]

Invece di alimentare ciascun dipolo al suo centro, che richiede una struttura di linee di trasmissione “ad albero” con complicata corrispondenza di impedenza , più dipoli sono spesso collegati in serie per creare un’elaborata struttura dipolare ripiegata che può essere alimentata in un singolo punto.

Per consentire la guida del fascio, a volte l’intero array è sospeso da bracci a sbalzo da un’unica grande torre che può essere ruotata. In alternativa, alcune versioni moderne sono costruite come array a fasi in cui il raggio può essere guidato elettronicamente, senza spostare l’antenna. Ogni dipolo o gruppo di dipoli viene alimentato tramite un phase shifter regolabile elettronicamente , implementato sia da reti passive di condensatori e induttori che possono essere commutati in ingresso e in uscita, sia da amplificatori di uscita RF separati . L’aggiunta di uno spostamento di fase costante tra i dipoli orizzontali adiacenti consente di ruotare la direzione del raggio in azimuth di un angolo limitato.

Nomenclatura

Dal 1984 il CCIR ha creato una nomenclatura standardizzata per la descrizione delle antenne a tendina, composta da 1 a 4 lettere seguite da tre numeri:

• Prima lettera: indica l’orientamento dei dipoli nell’array:
  • “H” indica che i dipoli sono orientati orizzontalmente, quindi l’antenna irradia onde radio polarizzate orizzontalmente.
  • “V” indica che i dipoli sono orientati verticalmente, quindi l’antenna irradia onde radio polarizzate verticalmente.
• Seconda lettera (se presente) – Indica se l’antenna ha un riflettore. Se manca, l’antenna non ha un riflettore, quindi l’array di dipoli irradierà la sua energia in due fasci in entrambe le direzioni perpendicolarmente al suo piano, a 180 ° l’uno dall’altro.
  • “R” indica che c’è un riflettore semplice (passivo) su un lato della matrice, quindi l’antenna irradia un singolo raggio.
  • “RR” indica che l’array ha una sorta di “riflettore reversibile”, quindi la direzione del raggio può essere commutata di 180 °. Pochissimi di questo tipo sono mai stati costruiti. RCI Sackville in Canada potrebbe avere 2 antenne tipo HRRS, forse le uniche in Nord America.
• Terza lettera (se presente) – “S” indica che la matrice è orientabile.

Seguendo le lettere arrivano tre numeri “x / y / z”. “x” e “y” specificano le dimensioni della matrice rettangolare di dipoli, mentre “z” indica l’altezza al di sopra del fondale della parte inferiore dell’array:

• “x” (un numero intero) è il numero di righe orizzontali di dipoli.
• “y” (un numero intero) è il numero di colonne verticali di dipoli.
• “z” (una frazione decimale) è l’altezza fuori terra in lunghezze d’onda della fila più bassa di dipoli nella matrice.

Ad esempio, un’antenna a cortina “HRS 4/5 / 0,5” ha una matrice rettangolare di 20 dipoli, 4 dipoli alti e 5 dipoli larghi, con la fila più bassa a metà della lunghezza d’onda dal suolo e un riflettore piatto dietro di esso, e la direzione del raggio può essere guidata. Un’antenna orientabile HRS 4/4 / 0,5 con 16 dipoli è uno dei tipi standard di array visti nelle stazioni di trasmissione ad onde corte in tutto il mondo.

Antenna HRS

L’ antenna del tipo HRS è un esempio di antenna a cortina . Ha H dipoli orizzontali con R ifletto re dietro di loro, e il fascio è S teerable. Queste antenne sono anche conosciute come “HRRS” (per un R eflettore R evibile), ma la R extra è usata raramente.

Tuttavia, già a metà degli anni ’30, Radio Netherlands utilizzava un’antenna HRS girevole per una copertura globale. Dagli anni ’50 il design HRS è diventato più o meno lo standard per le trasmissioni ad onde corte ad alta potenza a lunga distanza (> 1000 km).

Descrizione

Un’antenna di tipo HRS è fondamentalmente una matrice rettangolare di antenne dipolari convenzionali infilate tra torri di supporto. ^[7] Nel caso più semplice, ciascun dipolo separato dal successivo da λ / 2 verticalmente, e i centri di ciascun dipolo sono distanziati di 1λ l’uno dall’altro orizzontalmente. Anche in questo caso, nel caso più semplice (per un raggio laterale), tutti i dipoli sono guidati in fase l’uno con l’altro e con la stessa potenza. Le radiazioni si concentrano lateralmente al sipario.

Dietro la serie di dipoli, tipicamente a circa 0,3λ di distanza, ci sarà un ‘riflettore’ costituito da molti fili paralleli nello stesso orientamento dei dipoli. Se questo non fosse presente, la tenda si irradierà ugualmente in avanti e all’indietro.

Nomenclatura

Dal 1984 il CCIR ha standardizzato la nomenclatura per questa famiglia di antenne a tendina come segue:

Primo simbolo: indica l’orientamento dei dipoli nell’array. Potrebbe essere la lettera “H” per orizzontale o la lettera “V” per verticale, tuttavia nessun array di polarizzazione verticale di questo tipo è mai stato costruito apparentemente.

Secondo simbolo (se presente): la lettera singola “R” indica che c’è un riflettore semplice (passivo) su un lato dell’array. In alternativa, le lettere “RR” indicano che l’array ha una sorta di “riflettore reversibile”, vale a dire che può emettere il suo raggio a 0 ° o 180 °. Pochi esemplari di questo tipo sono mai stati costruiti – RCI Sackville potrebbe avere 2 antenne tipo HRRS, forse le uniche in Nord America.

Terzo simbolo (se presente): “S” indica che l’array è orientabile (vedi sotto).

Seguendo le lettere vengono tre numeri “x / y / z” dove ‘x’ (un intero) è il numero di dipoli che contano orizzontalmente. ‘y’ (un numero intero) è il numero di dipoli che contano verticalmente e ‘z’ (una frazione decimale) è l’altezza dal suolo (in lunghezze d’onda) della riga più bassa di dipoli nell’array.

Quindi, una cortina di antenna “HRS 4/5 / 0.5” ha 4 dipoli di larghezza e 5 dipoli alti con la fila più bassa a 0,5 lunghezze d’onda da terra e con un riflettore standard. Un HRS 4/4 / 0.5 è uno dei tipi standard di array visti nelle stazioni di trasmissione ad onde corte in tutto il mondo.

Direzione

Se c’è una “S” nella designazione dell’antenna, è un progetto orientabile. Ciò potrebbe essere ottenuto elettronicamente mediante la regolazione delle fasi di onda elettrica dei segnali alimentati alle colonne di elementi di antenna a dipolo, oppure fisicamente montando l’array di antenne su un grande meccanismo rotante. Un esempio di questo può essere visto a NRK Kvitsøy, dove una ferrovia circolare porta una coppia di piattaforme a ruote, ciascuna delle quali supporta una torre alle estremità opposte di un braccio di diametro. La serie di antenne a tendina è sospesa tra le torri e ruota con loro mentre le torri girano attorno alla ferrovia circolare. Un’altra tecnica di rotazione fisica è impiegata dal sistema ALLISS in cui l’intero array è costruito attorno a una torre girevole centrale di grande resistenza.

Gli array di antenne a comando elettrico possono di solito essere orientati nell’intervallo di ± 30 ° dalla direzione fisica dell’antenna, mentre gli array ruotati meccanicamente possono adattarsi a 360 °. Lo sterzo elettrico viene tipicamente eseguito sul piano orizzontale, con alcune regolazioni possibili sul piano verticale.

Note sulla nomenclatura di HRS

• Le antenne HRS di tipo HRS 1/1 / z non sono definite come tali (una cosa del genere consisterebbe in un solo dipolo).
• Esistono antenne HRS di tipo HRS 1/2 / z e 2/1 / z, ma si vede poco uso pratico nella trasmissione ad onde corte. I ripetitori VHF e UHF per la radio o la televisione FM nel Regno Unito spesso impiegano una coppia di dipoli orizzontali (o short yagis) uno sopra l’altro (cioè HRS 1/2 / z) per concentrare la potenza di trasmissione sul piano orizzontale.
• Il radar russo Duga-3 Over The Horizon può aver usato un’antenna di tipo HRS 32/16 / 0.75 (non verificata, stimata), con un potenziale ERP direzionale nel raggio di gigawatt.

Azimuth beamwidth

• Per un array di dipoli a 2 ampiezze, l’ampiezza del raggio è di circa 50 °
• Per un array di dipoli a 3 ampiezze, l’ampiezza del raggio è di circa 40 °
• Per un array di dipoli a 4 ampiezze, l’ampiezza del raggio è di circa 30 °

Angolo di lancio verticale

Il numero di file dipolari e l’altezza dell’elemento inferiore al suolo determinano l’angolo di elevazione e di conseguenza la distanza dall’area di servizio.

• Un array alto a 2 file ha un angolo di decollo tipico di 20 °
  • è più comunemente usato per le comunicazioni a medio raggio.
• Un array alto a 4 file ha un angolo di decollo tipico di 10 °
  • è più comunemente usato per comunicazioni a lungo raggio.
• Un array a 6 file è simile a un 4-row, ma può raggiungere angoli di decollo da 5 ° a 10 °. Questo tipo di antenna può essere utilizzato in circuiti di comunicazione a onde corte di 12000 km ed è altamente direzionale.

Si noti che è possibile che i dettagli del sito dell’antenna distruggano i piani dei progettisti in modo tale che l’angolo di decollo e la corrispondenza possano essere influenzati negativamente.

Ottimizzazione del sistema di trasmissione per la geopolitica

• Occasionalmente le emittenti internazionali possono utilizzare, per ragioni di necessità geopolitiche, banda alta e banda media e cortine di cortocircuito HRS a banda larga.
• L’utilizzo di 3 cortine di cortocircuiti delle risorse umane per coprire lo spettro di trasmissione HF crea un sistema di trasmissione HF altamente ottimizzato.

Problemi di costo

• I sistemi di trasmissione HF che usano 3 o più cortine di cortine possono essere costosi da costruire e mantenere.
• Dalla metà degli anni ’90 non sono state costruite nuove stazioni di ripetitori HF.
• I sistemi di trasmissione a onde corte HRS esistenti (costruiti prima del 1992) rimarranno probabilmente in uso per molti anni. Il moderno design dell’antenna HRS ha fortunatamente una lunga durata.

Esempi di antenne HRS

Questo è un esempio di stazioni di relè ad onde corte progettate HRS teoriche. Questo può aiutare a capire meglio la direttività dell’antenna HRS.