Elektronisch te richten antenne

Elektrotechniek - Telecommunicatie

Wiskundig model rekent aan radiogolven

maandag 16 januari 2012Het ontwerpen van elektronisch te richten antennes wordt een stuk eenvoudiger met het wiskundige model dat dr. Daniele Cavallo heeft opgesteld. De Italiaan promoveerde hier eind november – cum laude – op aan de TU Eindhoven.

Een zogeheten connected array-antenne – het principe is een jaar of tien oud – bestaat uit identieke metalen structuren, geplaatst in een tweedimensionaal rooster. Elk metaalstrookje fungeert als een afzonderlijke dipoolantenne: een elektrische spanning slaat het metaal aan bij een bepaalde frequentie. Daardoor gaat het strookje bij die frequentie elektromagnetische golven uitzenden, net zoals een trillende gitaarsnaar geluidsgolven voortbrengt.

Door de signalen van alle onderdelen slim te combineren zijn de radiogolven elektronisch te richten; de antenne hoeft dus niet fysiek te draaien.

Deze techniek is toe te passen in radarsystemen voor defensiedoeleinden, radioastronomie en satellietcommunicatie.

DATACOMMUNICATIE
‘Bij TNO loopt een project dat met behulp van deze technologie betrouwbare datacommunicatie tussen satellieten en vliegtuigen tot stand wil brengen, met als doel in-flight entertainment, zoals internet, mobiele telefonie en satelliettelevisie’, vertelt Cavallo.

‘Dat is een uitdagend project, want dit vereist een antenne met zowel een brede frequentieband als een grote zend- en ontvanghoek. Daarnaast moet het systeem onder alle omstandigheden een goede signaalontvangst hebben, dus ook wanneer het toestel op kruishoogte vliegt.’

In de traditionele vorm staan miniantennes los van elkaar en is de frequentie dus beperkt tot de trillingsmodus die hoort bij de lengte van het metaalstrookje (wederom net als bij een gitaarsnaar).

GROTERE INFORMATIEDICHTHEID
Bij de connected array-versie zijn de miniantennes binnen het rooster met elkaar verbonden. Dat heeft als voordeel dat de antenne als geheel een veel wijdere frequentieband bestrijkt. Door informatie over verschillende frequenties tegelijk te coderen is een veel grotere informatiedichtheid mogelijk.

Cavallo stortte zich met zijn promotieonderzoek op zowel de theoretische als de praktische kant van de connected array-antenne. Eerst ontwikkelde hij een nauwkeurig analytisch model, een reeks wiskundige vergelijkingen die de belangrijkste uitvoeringsvormen van de antenne beschrijven.

‘Hiermee zijn in een paar seconden de belangrijkste parameters van een nieuw te ontwerpen antenne te berekenen, zoals de lengte van de elementen, het elektrische vermogen en de vorm van het stralingsveld. Daar zijn nu nog lange numerieke simulaties voor nodig’, aldus Cavallo.

RANDEFFECTEN
Sterk punt is verder dat diens vergelijkingen ook de randeffecten van het antennerooster beschrijven. Normaal gesproken rekenen ontwerpers van antennesystemen met de benadering dat het rooster van miniantennes tot in het oneindige doorloopt. ‘Dat klopt natuurlijk niet met de praktijk.’

Aan de praktische kant zorgen de draden die de antennes van stroom voorzien, voor problemen. Hoewel die coaxiaal zijn (een geleidende kern zit in een isolerende koker met daaromheen weer een geleidende cilinder, JH), treden ze soms toch zelf als antenne op.

‘Meestal lopen de stromen in deze twee geleiders tegen elkaar in, zodat ze van een afstand bekeken tegen elkaar wegvallen en de kabel dus geen straling uitzendt. Maar in de praktijk is het soms onvermijdelijk dat de stromen in dezelfde richting lopen. Dan is het kabeltje ineens een antenne geworden, die een ongewenste radiosignaal uitzendt. Dat beïnvloedt de prestaties van de hele antenne nadelig.’

Hiervoor verzon Cavallo een oplossing: in plaats van recht moeten de voedingskabeltjes in een cirkel lopen (zie foto). In dat geval zorgen tegen elkaar in lopende stromen voor twee magneetvelden die elkaar opheffen, waardoor geen hinderlijke elektromagnetische straling meer wordt uitgezonden.

PROTOTYPEN
Cavallo heeft zijn wiskundige model getoetst met twee prototypen van antenneroosters, gebouwd door TNO. ‘De eerste bestaat uit 32 bij 30 dipooltjes en toont aan dat de prestaties dicht in de buurt liggen van wat ik had berekend’, aldus Cavallo. ‘Een tweede prototype van 7 bij 7 dipoolelementen laat zien dat het voedingsnetwerk dat ik heb ontworpen, goed functioneert bij gebruik tussen 3 en 5 GHz.’