Capitolo 3 Antenne per terminali portatili

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Antenne per terminali portatili Capitolo3

Capitolo 3

Antenne per terminali portatili

La crescita dell’industria delle comunicazioni wireless ha portato alla definizione di standard differenti tra un paese e l’altro (si pensi, per esempio, ai sistemi cellulari e ai diversi protocolli IEEE 802.11). A causa di questa diversità l’antenna diventa l’elemento chiave nella realizzazione del terminale portatile, dato che deve essere in grado di consentire il funzionamento del sistema in ciascun intervallo di frequenze definito dagli standard. Di conseguenza sono stati sviluppati studi su antenne multibanda o su antenne a banda larga, a seconda che si intenda fornire la copertura di frequenze lontane o vicine tra loro rispettivamente. La soluzione ideale sarebbe un’antenna multibanda in cui a ciascuna di queste frequenze corrisponda una banda larga. L’esigenza di portabilità del terminale mobile impone la scelta di strutture radianti piccole, leggere e conformi al supporto fisico al fine di agevolarne l’integrabilità. Come immediata conseguenza dell’assenza di elementi esterni la struttura del terminale diventa più solida e robusta mentre contemporaneamente i costi si riducono. In questo studio, dopo aver analizzato brevemente quali sono i parametri fondamentali per il progetto di un’antenna, si sono analizzate le soluzioni più comuni ed efficaci per le principali tipologie utilizzate negli ultimi anni.

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3.1 Parametri critici di progetto

Le antenne impiegate nei dispositivi portatili hanno caratteristiche diverse rispetto a quelle utilizzate, ad esempio, nelle stazioni radio-base [1]. In generale, i criteri principali che consentono di ottenere gli opportuni guadagni, diagramma di irradiazione, ROS (Rapporto Onda Stazionaria) rimangono gli stessi, ma occorre introdurre nuove e significative variabili legate al dispositivo in cui le antenne devono essere inserite :la forma, le dimensioni, il materiale con cui questo è realizzato e l’ambiente in cui esso opera.

ROS e return loss

Il ROS ed il return loss (coefficiente di riflessione) sono i parametri che consentono di quantificare la percentuale di potenza riflessa all’ingresso dell’antenna. Il valore ideale del ROS è 1. Ad esempio un valore pari a 2 implica una tensione riflessa doppia rispetto a quella incidente, con una perdita in radiazione del 10% ovvero di 0.5 dB. Il massimo valore di ROS tollerabile è di 3 che comunque comporta una riduzione del 25% della potenza ovvero una perdita di 1.2 dB. La figura seguente mostra un tipico diagramma del ROS, in cui si ottiene un valore pari a 1 alla frequenza di centro banda (2.45 MHz), ed un valore pari a 2 agli estremi.

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Il return loss è una misura del livello di attenuazione del segnale dovuto alla riflessione. Se un’antenna avesse un return loss di 0 dB, tutta la potenza trasmessa sarebbe riflessa, mentre per ottenere un valore vicino all’ adattamento perfetto si dovrebbe riscontrare un valore negativo piccolo (idealmente - 66 dB). Ai valori del ROS e del return loss è legato un altro importante parametro di progetto: la banda. Questa è definita come l’intervallo di frequenze in cui il ROS rimane sotto una certa soglia. Il valore di questa soglia varia al variare dell’uso che si fa dell’antenna; un valore tipico, usato negli studi degli ultimi anni è 2, anche se per le esigenze attuali è bene ridurlo a 1.4-1.5.

Energia irradiata

Lo scopo di un’antenna è quello di irradiare energia elettromagnetica. Per un assegnato valore della potenza di ingresso l’antenna ne irradierà una percentuale sotto forma di segnale radio. La figura 3.2 mostra un tipico diagramma di irradiazione tridimensionale di un telefono cellulare.

Fig. 3.2 Diagramma di irradiazione tridimensionale di un telefono cellulare

Chiaramente se un sistema è ben progettato verrà irradiata una percentuale alta di energia mentre un sistema inefficiente disperderà parte dell’energia in calore o in potenza riflessa verso il dispositivo wireless. Per quantificare queste perdite si utilizza un parametro molto importante detto efficienza di irradiazione. Questa fornisce un’idea di quanta energia fornita all’antenna viene effettivamente irradiata e non dissipata.

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Guadagno e direttività

Un parametro importante è la direzione verso cui viene irradiata l’energia. I diagrammi di irradiazione rappresentano l’energia irradiata al variare della direzione su un piano particolare. Una sorgente isotropica ha un diagramma di irradiazione di tipo sferico e provvede una distribuzione dell’intensità uguale in qualsiasi direzione. La direttività dà un’indicazione su quanto l’antenna sia in grado di indirizzare l’energia verso una particolare direzione. Il guadagno è legato alla direttività tramite l’efficienza di radiazione (G=ηD). Esso dipende dal tipo di antenna e dalla sua orientazione.

Posizione ed orientazione dell’antenna

E’ molto importante avere un’idea di quanto la posizione dell’antenna influisca sulle prestazioni di un sistema. Un’antenna studiata per lavorare su un laptop in una determinata posizione probabilmente non fornirebbe le stesse prestazioni se posizionata diversamente. La tendenza attuale è quella di integrare il più possibile l’elemento radiante dentro il dispositivo. Tale integrazione può essere realizzata in diverse posizioni. Un’antenna esterna invece che è semplice da progettare ed offre buone prestazioni, rappresenta una soluzione inaccettabile per i costruttori che tendono ad implementare dispositivi sempre più eleganti e compatti. [2].

Molte sono le soluzioni adottate in caso di integrazione, compatibilmente con lo spazio a disposizione. Ognuna di queste implementazioni ha pregi e difetti. Si prevede ad esempio che le antenne si possano montare sulla superficie del display, oppure sulla base del dispositivo in esame. Questa ultima soluzione però è poco accettabile perché l’antenna soffrirebbe degli effetti dovuti alla presenza stessa del dispositivo (ambiente metallico che in parte o interamente la circonda) e all’assorbimento energetico da parte dell’utente che potrebbero deformare il diagramma di irradiazione inficiando in risultato della comunicazione. Per ottenere buone prestazioni la posizione ideale per l’antenna è quella dell’estremo superiore del display o dei suoi bordi laterali. Le figure seguenti mostrano le possibili posizioni ed orientazioni dell’antenna sul laptop ed in particolare sul display:

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Fig. 3.3 Possibili posizioni ed orientazioni dell’antenna sul laptop

Alimentazione

Esistono diversi modi di alimentare l’antenna. I più comuni sono il cavo coassiale e la strip-line.

Un cavo coassiale è costituito da due conduttori concentrici, separati da un dielettrico, elettricamente isolati dall’ ambiente circostante. Questa caratteristica chiaramente è un pregio per questo tipo di alimentazione, che ha però lo svantaggio di essere costoso, ingombrante dentro il dispositivo e di introdurre perdite dovute alla lunghezza. La strip-line è un tipo di alimentazione planare. Un conduttore è montato su uno strato dielettrico sopra un piano di massa. Questa struttura ha il vantaggio di essere facilmente integrabile ma, come il cavo, ha lo svantaggio di introdurre perdite dovute alla lunghezza della linea.

Parte inferiore del telaio o scheda PCMCIA

Bordo superiore del display Angolo del display

Spigolo

Bordo laterale o frontale del display

Bordo laterale del display

Parte posteriore del telaio

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3.2 Scelta dell’antenna

Le antenne applicate su laptop si possono dividere principalmente in due categorie: • esterne

• interne

La figura seguente mostra alcuni esempi di antenne interne ed esterne utilizzabili su un laptop.

Fig. 3.4 Modello di antenne su laptop

3.2.1 Antenne esterne

Questa tipologia di antenne, della quale daremo solo una veloce descrizione, tende ad essere completamente soppiantata dalle antenne integrate principalmente per esigenze di ingombro.

Le antenne esterne tipicamente usate in ambito wireless sono di due tipi ovvero antenne a λ/4 e a λ/2. Le prime, solitamente di forma elicoidale, in molti casi hanno un diagramma di irradiazione quasi omnidirezionale. La forma elicoidale fornisce analoghe prestazioni rispetto ad una antenna a λ/4 però di forma allungata, ma fornisce un adattamento migliore dell’ impedenza, che limita i disturbi dovuti al telaio. Le antenne a λ/2 sono alimentate tramite cavo coassiale. Teoricamente forniscono un guadagno di

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2.15 dBi, anche se nelle applicazioni si raggiungono picchi di guadagno non superiori a 2dBi. La presenza del cavo coassiale fa si che l’antenna sia isolata dalla struttura del terminale portatile e provvede una attenuazione eccellente delle interferenze. Nelle figure seguenti vengono raffigurate le antenne appena descritte:

Fig. 3.5 Tipiche antenne esterne

3.2.1 Antenne interne

Le antenne interne sono quelle che riscontrano maggiore successo, grazie alla loro dimensioni ridotte, e alla forma facilmente adattabile alla struttura del dispositivo. Questa categoria di antenne racchiude molti gruppi. Ognuno di esso ha pregi e difetti per cui sta al progettista riuscire ad individuare, a seconda della necessità, l’elemento più adatto. Vedremo più in dettaglio in seguito che un’ antenna planare inverted-F, ad esempio, ha prestazioni ottime ma è leggermente più ingombrante rispetto ad una a microstriscia. Una chip antenna è molto piccola, ma richiede la presenza di un piano di massa troppo grande. Un’antenna mearder.line, infine, funziona bene se è posta ad una

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certa distanza dal piano di massa. Il criterio di scelta è relativo al sistema elettrico richiesto ed al particolare dispositivo wireless in esame.

Meander-line antenna

La meander-line è un tipo di antenna stampata che ha, in versione compatta, le stesse dimensioni elettriche di una wire (filare) antenna. La procedura di miniaturizzazione consiste nel ripiegare su sé stessa una antenna wire stampata su un substrato dielettrico. E’ possibile implementare questa procedura sia nel caso bidimensionale che tridimensionale. Nella sua configurazione finale questa antenna può esser vista come il punto di incontro tra una antenna filare ed una stip-line planare. I vantaggi di questa struttura sono la dimensione ridotta, la facile implementazione all’interno del dispositivo. Nella figura seguente viene mostrata la tipica configurazione di una meander-line antenna planare.

Fig. 3.6 Modello di antenna meander-line

Antenna a microstriscia

L’antenna a microstriscia ha un profilo molto ridotto. L’attuale configurazione di una microstrisca per la banda ISM prevede un patch quasi quadrato con corto circuiti e slots. Una antenna di questo tipo, tipicamente a banda stretta, sfrutta il principio secondo cui due risonanze vicine possono dare luogo ad una banda più larga. Tale obiettivo è raggiunto senza la necessità di allargare le dimensioni o l’altezza del patch. I vantaggi che ne scaturiscono sono scontati, infatti oltre al profilo compatto, questa antenna è molto leggera ed ha una configurazione estremamente semplice.

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Fig. 3.7 Modello di antenna a microstriscia e suo posizionamento sul laptop

Planar inverted F antenna (PIFA)

L’elemento base per la telefonia cellulare, da cui si è preso spunto per quasi tutti gli studi successivi, è la cosiddetta PIFA (Planar Inverted-F Antenna) [3]. Essa è realizzata cortocircuitando il patch radiante al piano di massa dell’antenna tramite un pin o una lamina metallica e ciò le consente di risuonare alla frequenza fissata, mantenendo dimensioni molto ridotte rispetto ad un’analoga versione senza cortocircuito. Grazie alla struttura compatta, la PIFA ha ricevuto molte attenzioni e, recentemente, ne sono stati implementati molti modelli adatti ad applicazioni multiband. La figura 3.8 mostra la configurazione tipica della PIFA montata sulla parte superiore della scheda di un telefono cellulare.

Fig. 3.8 Configurazione classica di PIFA

vista superiore vista laterale

scheda telefono cellulare

piano di massa substrato d’aria alimentazione

cortocircuito PIFA

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Nella figura 3.9 sono presentati alcuni modelli di patch radiante dual-band. Queste strutture, comunemente occupano un volume ridotto e possono essere integrate all’interno del terminale. Inoltre un ulteriore vantaggio è quello di avere una back radiation relativamente piccola, il che è particolarmente utile nel caso in cui il terminale mobile sia un telefono cellulare perchè vi è un minore assorbimento di energia elettromagnetica da parte dell’utente. Per i modelli di patch visti in figura sono state seguite due linee principali di progetto: uno utilizza due percorsi elettromagnetici per generare due modi risonanti separati, l’altro sfrutta le due prime frequenze risonanti di un singolo cammino elettromagnetico. Nel primo caso si può utilizzare uno slot di forma variabile ( L [4,5]. oppure U[6,7]., nella figura) o dei risonatori induttivi o capacitivi [8]. Nel secondo si devono aggiustare le frequenze di risonanza dei primi due modi in maniera che il loro rapporto sia circa 2. Anche in questo caso vengono usate fessure opportunamente dimensionate[9]. Per ottenere un’antenna tri-band che lavori anche nell’ambito delle WLAN oltre che in quello relativo alla telefonia cellulare vengono apportate alcune modifiche alla geometria del patch, che riconducono alle meander-line o , in alternativa, sono aggiunti patch parassiti

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L’utilizzo di patches parassiti, consente di aumentare la larghezza di banda. Un piano di massa a forma di L consente di ridurre la back-radiation e di ottenere migliori prestazioni. [11]

Fig. 3.10 Geometrie di PIFA con piano di massa L-shaped: (a)l’alimentazione è parallela al patch radiante; (b) L’alimentazione è perpendicolare al patch radiante

Scendendo nel dettaglio delle WLAN esistono in generale due tipi di antenne da tenere in considerazione: quelle dell’access point e quelle dei terminali mobili. Per le antenne dell’access point esistono vincoli più stringenti in termini di ROS e di isolamento, così come avviene con le stazioni radio-base dei sistemi di telefonia cellulare. Gli ambienti in cui operano le WLAN sono generalmente piuttosto complessi e le prestazioni del sistema risentono fortemente del fading da cammini multipli. Per questo motivo sono di particolare interesse le antenne che irradiano in polarizzazione circolare. Solitamente per queste strutture è richiesta una doppia alimentazione che complica il sistema, ma ultimamente sono state proposte soluzioni che presentano un’unica alimentazione. Essendo antenne fisse è generalmente consentito avere dimensioni maggiori al fine di ottenere il guadagno desiderato.

Le antenne per i terminali mobili, invece, oltre ad avere buone prestazioni, devono essere leggere ed economiche. Un’ altra categoria di antenne utilizzate, oltre alle PIFA, sono le ceramic chip antennas, che sono costituite da una base ceramica e da una linea

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metallica stampata su di essa. La geometria di una tipica antenna ceramica è mostrata in figura 3.11.

Fig. 3.11 Geometria di un’antenna ceramica per applicazioni WLAN

Si noti che è stato inserito un gap nella linea di alimentazione per accordare meglio l’antenna.

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3.3 Classificazione di antenne utilizzate per

applicazioni wireless

In questa sezione si fa una descrizione di alcuni tipi di antenne utilizzate in applicazioni wireless. Si fornisce una breve descrizione della geometria e i risultati ottenuti dalle simulazioni fornite dalla letteratura scientifica.

Antenna meander line planare, tri band per terminali

portatili [12]

L’antenna in esame è costituita da una striscia con una tripla ramificazione. Ciò le consente di operare in tre diversi intervalli frequenziali per applicazioni GSM900 (890-960 MHz), DCS/PCS (1710-1880/1850-1990 MHz) e WLAN ( 2400/2484 MHz). L’antenna presenta un profilo molto compatto, infatti la sua altezza complessiva è di soli 13 mm ovvero circa 0.04 λ se ci riferiamo alla frequenza di 900 MHz. La figura 3.12 mostra la geometria del dispositivo.

Fig.3.12 Planar triple band meander line antenna

Le tre ramificazioni della striscia sono stampate su un sottile substrato FR4 con una evidente struttura meander line. Il primo ramo, costituito dalla sezione AC, consente di generare un modo risonante a circa 900 MHz, per le operazioni GSM. Questo percorso, partendo dal punto C, (punto di alimentazione) è lungo 138 mm. Il secondo ramo

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(sezione BC), con una lunghezza pari a 57.5mm (circa 0.35λ a 1800 MHz), consente le operazioni alle frequenze di 1800/1900 MHz dello stardard DCS/PCS. Il terzo modo corrispondente alla frequenza di 2400 MHz, per applicazioni WLAN, è generato dall’effetto di meandering e dalle posizioni separate occupate dai due rami della striscia. Inoltre accordando opportunamente la lunghezza (segmento d) del terzo ramo rappresentato dalla sezione CD si ottiene facilmente un buon adattamento di impedenza per le frequenze relative alle WLAN.

I risultati delle simulazioni effettuate sull’antenna sono molto simili a quelli ottenuti dalle misure. Fissando un ROS pari a 2.5 (ovvero un return loss pari a -7.3 dB) la prima banda si estende in un intervallo che va da 819 a 1038 MHz e soddisfa in pieno le specifiche del GSM. La seconda banda va da 1712 a 1968 MHz come richiesto dagli standards DCS e PCS e la terza è pari a 62 MHz (2395-2457 MHz), vicina a quella specifica delle WLAN. Questi risultati sono mostrati in figura 3.13:

Fig.3.13 Return loss della Planar triple band meander line antenna

Sono state studiate anche le caratteritiche di radiazione. Il diagramma di irradiazione, misurato per l’antenna a proposta, alla frequenza di 900 MHz è rappresentato nella figura seguente. E’ molto simile a quello che si ottiene con un semplice monopolo, infatti si può ritenere omnidirezionale. I guadagni misurati per tutte e tre le frequrnze in gioco sono rispettivamente di 1.1 dBi, 1.6dBi e 1.2dBi e le variazioni, in tutti i casi, sono comprese in 0.9 dBi.

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Fig 3.14 Diagramma di irradiazione per la planar triple band meander line antenna

Nuova antenna wire planare multi-band, broadband per

terminali portatili in comunicazioni wireless [13]

L’antenna in esame nasce per risolvere il problema, che spesso si presenta nel progetto di antenne muliband, della banda relativamente stretta in corrispondenza di ciascuna frequenza in gioco. Questo tipo di antenna, grazie alla banda abbastanza larga, può essere impiegata nel caso di funzionamento dual band per qualsiasi sistema di comunicazione telefonica cellulare, quali AMPS/PCS in America, GSM/DCS in Europa e analoghi sistemi giapponesi, oltre che per sistemi di terza generazione e reti WLAN alla frequenza di 2.4 GHz. Nella sua versione triple band può coprire anche altre applicazioni WLAN alla frequenza di 5 GHZ.

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E’ realizzata andando ad alimentare direttamente più porzioni di patch radiante, consentendo per ciascuno la risonanza ad una diversa frequenza. La larghezza di banda per ciascuna frequenza è raggiunta attraverso l’accoppiamento con elementi parassiti. Nella versione dual band il sistema è costituito da un anello e da un monopolo e, per ottenere il modello triband, si aggiunge a questa struttura semplice un’ulteriore porzione di patch inverted-L. L’anello è stampato sopra un substrato dielettrico sottile (RT/Duroid 5880) che a sua volta è posto su un piano di massa finito, come si nota dalla figura seguente.

Fig. 3.15 Struttura del Multi-Band Broadband Planar Wire Antennas

Per ottenere una banda più larga si inserisce una piccola fessura (CD) sull’anello spezzando il percorso ABEF in posizione variabile a seconda della necessità. L’anello spezzato va a costituire due antenne inverted –L: la prima (ABC) è alimentata direttamente dal cavo coassiale, l’altra (FED) è eccitata tramite accoppiamento elettromagnetico. Si ottiene una buona ampiezza di banda facendo in modo che la lunghezza del secondo percorso sia leggermente più lunga rispetto a quella della porzione alimentata dal cavo. Per ottenere un’antenna dual band si inserisce un monopolo(OM). Per alimentare direttamente sia la porzione ABC che il monopolo, si pone il cavo coassiale al centro dell’anello, come indicato in figura, e si unisce il percorso ABC con il monopolo nel punto O’ introducendo una linea (O’A). Il monopolo serve per creare la risonanza alla frequenza più alta e, scegliendo opportunamente la lunghezza di O’A, si può ottenere il valore di ROS desiderato. Per ottenere il

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funzionamento tri band si aggiunge un'altra striscia (O’L) alla struttura appena descritta che risuona alla frequenza più alta.

Supponendo di centrare l’attenzione sulle frequenze di 1 GHz, 2 GHz e 5 GHz, si nota dai risultati delle simulazioni che il ROS si mantiene ≤2 per una banda del 31% relativa alla prima frequenza, del 55% e del 38 % rispettivamente alla seconda e alla terza frequenza, presentando una variazione lenta nell’intervallo che va da 1.6 a 2.4 GHz, in cui è minore di 1.5.

Fig. 3.16 Return loss per le versioni dual band e triband

Per quanto riguarda i diagrammi di irradiazione, si nota che entrambe le versioni dell’antenna presentano caratteristiche simili alle prime due frequenze, ovvero mostrano un diagramma quasi omnidirezionale sul piano azimutale.

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Fig. 3.17 Diagrammi di irradiazione della Multi-Band Broadband Planar Wire Antennas

Il guadagno nel piano x-y vale circa 0 dBi. La componente verticale Eθ nasce dalla riflessione asimmetrica del piano di massa. Il guadagno è inferiore nel semipiano negativo x-z a causa dell’effetto di schermo del piano di massa. Alla frequenza superiore la caratteristica di omnidirezionalità viene meno in conseguenza dei contributi delle più forti correnti di ordine superiore che scorrono nell’anello e nel monopolo. Questo diagramma di irradiazione potrebbe essese adatto ad ambienti caratterizzati da percorsi multipli per l’onda elettromagnetica. Da questo punto di vista l’antenna può essere usata in un sistema in diversità.

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Antenna planare stampata operante a 2.4 GHz omni

direzionale polarizzata orizzontalmente [14]

Un’antenna ad anello è un’ottima scelta nel caso in cui si voglia ottenere una polarizzazione orizzontale. Questa infatti presentando una distribuzione uniforme di corrente può fornire un diagramma di irradiazione di tipo omnidirezionale. Tuttavia un dispositivo di questo tipo può presentare resistenza di irradiazione piccola e reattanza alta che causa problemi per l’adattamento. Per ottenere un compromesso tra questi due requisiti fondamentali, si è apportata qualche modifica a modelli di antenne esistenti in precedenza e si è arrivati a un’antenna a forma di Z. Questa struttura può essere utilizzata per applicazioni WLAN alla frequenza di 2.4 GHz.

Fig. 3.18 Geometria dell’antenna a forma di Z

Nel progetto di questo dispositivo,si è stampata una striscia a forma di Z sulla parte superiore del piano ed un’altra sulla parte inferiore, in modo da far corrispondere il più possibile l’armatura superiore e quella inferiore. Il percorso orizzontale della Z è lungo circa un quarto di lunghezza d’onda e la simmetria introdotta nella struttura fa sì che la distribuzione di corrente lungo le due armature abbia uguale ampiezza, ma sia sfasata di 180°. Poichè la distanza tra le due strisce, cioè l’altezza del substrato, è molto ridotta, i due contributi di corrente delle parti diagonali delle Z si cancellano, assumendo una distribuzione simile a quella di antenna a loop rettangolare, che fornisce una polarizzazione orizzontale e presenta un diagramma di irradiazione omnidirezionale. La scelta delle dimensioni dei vari tratti che costituiscono la Z deve essere effettuata in modo da creare un buon adattamento di impedenza alla frequenza desiderata.

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Fig3.19 Andamento della corrente dell’antenna a forma di Z

Fig3.20 Modello fabbricato dell’antenna a forma di Z

L’antenna è stata costruita stampando le Z sui due lati di un substarto FR4, per verificarne i risultati sperimentali. Per simulare il funzionamento del dispositivo inserito in una scheda PCMCIA, l’antenna è stata stampata su una scheda di FR4 con le stesse dimensioni della PCMCIA e con il piano di massa situato sulla parte superiore, per potersi facilmente integrare con con gli altri componenti circuitali della scheda. Le misure dei campi e del guadagno sono state effettuate, in spazio libero, sulla scheda e dentro un noteboock PC rispettivamente. Le figure che seguono mostrano i diagrammi di irradiazione sui piani E ed H alla frequenza di 2.45 GHz sia nel caso di antenna in spazio libero che all’interno della scheda PCMCIA.

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Fig3.21 Diagrammi di irradiazione dell’antenna a forma di Z

Antenna bilanciata di piccole dimensioni adatta ad

applicazioni wireless a 2.4 GHz [15]

Una tipica antenna bilanciata come il dipolo o l’anello richiede un determinato spazio dentro l’oggetto in cui deve essere inserita. Un’antenna sbilanciata invece, quale la PIFA, ha il vantaggio sicuramente di essere più piccola, ma ha come svantaggi la presenza di una componente significativa della corrente radiante sul piano di massa del dispositivo ed è inoltre sensibile alle perturbazioni del piano stesso .In questa sezione si analizza un nuovo modello di antenna ovvero la inverted-C che rappresenta la versione bilanciata della PIFA. Questa è utilizzata per applicazioni WLAN alla frequenza di 2.4

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GHz, per collegamenti a basso costo e piccolo raggio. Nella figura 3.22 è rappresentata la geometria del dispositivo.

Fig. 3.22 Geometria dell’antenna bilanciata

L’antenna consiste in un segmento risonante alimentato da una linea di trasmissione bilanciata. Alla frequenza di risonanza la lunghezza della sezione radiante dovrebbe essere pari a mezza lunghezza d’onda, come in un dipolo convenzionale. L’esigenza di ridurre questa lunghezza ha portato all’introduzione di carichi capacitivi accoppiati col piano di massa, posti all’estremità del segmento radiante. Ciò comunque presenterebbe lo svantaggio di una riduzione della banda a cui si ovvia con l’introduzione di due alimentazioni che si accoppiano in modo capacitivo con la striscia radiante, che forniscono anche un migliore adattamento dell’antenna.

La geometria dell’antenna è stata simulata utilizzando il metodo degli elementi finiti. L’antenna è larga 27 mm e stampata su un substrato FR4. Le figure 3.23 mostrano l’andamento del return loss e della carta di Smith ottenuti dalle simulazioni

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Fig. 3.24 Diagramma di irradiazione bidimensionale sul piano azimutale e tridimensionale

L’accoppiamento capacitivo dell’alimentazione può essere regolato per accordare l’antenna, mentre l’accoppiamento capacitivo del carico, può essere modificato per regolare la frequenza di risonanza. Le simulazioni forniscono una efficienza nella banda di interesse dal 65 al 75 % come ci si aspetta da un’antenna integrata. Le figure 3.24 mostrano l’andamento dei diagrammi di irradiazione sul piano azimutale e in tre dimensioni. Il guadagno massimo nel piano azimutale è di 5.81 dBi, mentre il guadagno medio vale 1.7 dBi. E’ stato costruito un prototipo su una scheda di FR4 spessa 1.5 mm, ed è illustrato in figura 3.25

Fig. 3.25 Prototipo dell’antenna inverted-C

Le figure successive mostrano i diagrammi di irradiazione e il return loss del prototipo realizzato misurati alla frequenza di 2.45 GHz.

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Fig. . 3.26 Rappresentazione del return loss della carta di Smith e dei diagrammi di irradiazione ottenuti dal prototipo

Antenna a dipolo stampato a diversità di polarizzazione

operante a 5 GHz per applicazioni WLAN 802.11a [16]

Un importante requisito per i sistemi di comunicazione wireless quali le WLAN (5GHz), potrebbe essere la diversità di polarizzazione. Una implementazione di questo tipo di diversità può essere ottenuta da due antenne polarizzate linearmente ,la cui polarizzazione è selezionata per mezzo di un circuito di commutazione realizzato tramite un diodo. Nell’immagine di destra si mostra come questa antenna ha due modi per essere implementata, ovvero può essere montata sul display di un notebook, oppure

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può essere stampata su una scheda PCMCIA. In quest’ultimo caso quando l’antenna viene inserita all’interno del PC, le caratteristiche di radiazione potrebbero essere influenzate dalla struttura circostante.

Fig. 3.27 Sistema di diversità su laptop

L’antenna analizzata usa due microstrisce bilanciate. Sia la microstriscia che le armature del dipolo hanno uguale lunghezza approssimabile con un quarto di lunghezza d’onda, in generale si cerca di scegliere le dimensioni in modo molto accurato per .ottenere le migliori prestazioni per l’antenna. Il piano di massa è coplanare a tutti gli oggetti appena descritti.

Fig. 3.28 Raffigurazione dell’antenna operante in diversità di polarizzazione

L’antenna appena descritta è stata misurata e costruita. Gli studi effettuati hanno dimostrato che l’ampiezza e la fase della distribuzione superficiale di corrente sulla parte inferiore e superiore del piano metallico di ogni singolo dipolo stampato, risulta di tipo bilanciato, grazie alla presenza del balun. Il ROS misurato alle frequenze di 5 e 6

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GHz, si mantiene basso per entrambe le polarizzazioni. I diagrammi di irradiazione sono molto simili a quelli di un semplice dipolo orizzontale o verticale. Nelle figure che seguono sono illustrati i diagrammi di irradiazione delle simulazioni e delle misure sul prototipo.

Fig. . 3.29 Diagrammi di irradiazione dell’antenna simulata e del prototipo

Antenna con patch meandered e ripiegato per operazioni

tri-band [17]

Un meandered patch è un patch conduttore in cui sono state praticate alcune fessure in modo da modificare il percorso delle correnti. Ciò serve a ottenere elementi radianti piccoli nelle PIFA e ottenere funzionalità dual o tri-band. In questa struttura le fessure si trovano tutte sullo stesso piano. E’ analizzato il comportamento di un patch fessurato inserito in una struttura tridimensionale. Funziona nelle bande GSM900, GSM 1800 e DCS1900. L’altezza di questa antenna può essere ridotta a 8 mm può essere montata a una distanza di 7mm da un substrato alto 0.8mm, consentendo di avere un’altezza

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complessiva dell’antenna di 16mm. La figura mostra la geometria dell’antenna montata su un substrato (FR4 con costante dielettrica di 4.4) con piano di massa di dimensioni 70x100mm2.

Fig 3.30 Geometria e dimensioni dell’antenna meandered

L’antenna può essere ottenuta ripiegando un patch fessurato piano (le linee tratteggiate indicano dove deve essere ripiegato) e ha dimensioni complessive di 8x8x35 mm3. La larghezza di 35 mm è stata scelta in modo da essere più piccola del piano di massa in modo da poter essere inserita in un cicuito stampato di un PDA (Personal Digital Assistant). Anche lo spessore di 8mm è stato scelto in modo che non ecceda quello di un comune PDA. Il patch piano è di rame ed è spesso 0.1 mm. Per alimentare questo patch è stata connessa una lamina metallica triangolare tramite il punto di alimentazione a una linea di alimentazione a microstriscia.

Come si vede dalla figura esistono due cammini risonanti. Il primo è lungo 110 mm e serve a generare la risonanza per la frequenza di 900 Mhz. Con l’inserimento della lamina di 10 mm la lunghezza del primo patch risulta essere il 35.7% della lunghezza d’onda a 900 MHz.

Le figure successive mostrano l’andamento del return loss, dei diagrammi di irradiazione e del guadagno per le tre frequenze di risonanza.

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3.4 Risultati di simulazioni

In questo paragrafo sono riportati i risultati di alcune simulazioni effettuate su antenne già proposte in letteratura. In alcune configurazioni è stato utilizzato un software diverso rispetto a quello proposto nell’articolo originale e per esigenze legate alla ricerca del miglior punto di adattamento è stato cambiato in alcuni casi il tipo di alimentazione.

PIFA dual-band per laptop

L’antenna in esame mostra caratteristiche tali da essere utilizzata per applicazioni WLAN per i protocolli 802.11a e 802.11b, ovvero è utilizzata alle frequenze di 2.4 GHz e 5.2 GHz. Le dimensioni sono _{18 9 5mm}_{× ×} 3_{. Le figure seguenti mostrano il layout}

dell’antenna raffigurato in [18] e la sua implementazione tridimensionale nel programma usato per le simulazioni che nel caso specifico è CFDTD 1.1.

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Fig. 3.34 Rappresentazione tridimensionale della PIFA, disegnata con il software CFDTD

Per implementare il metodo FDTD è stato utilizzato un dominio computazionale di dimensioni _{30 55 25mm}_{× ×} 3_{, le celle hanno invece dimensioni x = y= 0.5, z=0.2. Nella}

figura 3.35 è rappresentato il modulo del coefficiente di riflessione S₁₁ in funzione della frequenza. Come soglia di riferimento per il calcolo della banda è stato fissato il valore -9.5 dB. Si può osservare che, il primo picco invece che alla frequenza di 2.4 GHz, appare a 2.55 GHz, e che ovviamente la banda in questo intervallo non soddisfa le specifiche richieste dagli standard a 2.4 GHz (2.4-2.48 GHz), mentre il secondo picco che si presenta alla frequenza di 5.33 GHz, soddisfa le richieste degli standard a 5.2 GHz

Fig. 3.35 Coefficiente di riflessione della PIFA

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I diagrammi di irradiazione alle frequenze di 2.55 GHz e 5.33 GHz, bidimensionali e tridimensionali sono mostrati nelle figure seguenti. Le componenti del campo nel piano orizzontale (piano x-y) ad entrambe le frequenze, hanno un andamento di tipo omnidirezionale.

Fig. 3.36 Diagrammi di irradiazione bidimensionali e tridimensionali della PIFA

Antenne a monopolo planare per applicazioni dual band alle

frequenze 2.4/5.2 GHz

Le due antenne analizzate sono caratterizzate entrambe da una struttura planare, che comprende un piano di massa, un substrato dielettrico ed il patch [19]. La prima antenna è costituita da un monopolo principale a forma di F, la seconda invece ha un monopolo a forma di T. Sia il primo che il secondo monopolo sono accoppiati con una linea inverted-L, cortocircuitata con il piano di massa. L’antenna proposta nell’articolo

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originale è alimentata tramite una linea a microstriscia a 50 Ω , stampata sullo stesso substrato dei patch, invece in quella simulata è stato utilizzato un cavo coassiale. Il piano di massa ha dimensioni_{60 31mm}_× 2_{in entrambe le configurazioni. Le figure}

seguenti riportano la struttura originale ed il layout realizzato per le simulazioni, effettuate in questo caso con il software Ensemble 5.0.

a)

b)

Fig. 3.37a Geometria e dimensioni delle antenne rappresentate sull’articolo originale 3.37b.Antenne disegnate con il software Ensemble 5.0

Sia per la prima che per la seconda configurazione, la frequenza operativa maggiore è determinata dal patch principale, mentre quello a forma di L irradia alla frequenza più

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bassa. Entrambi i patch principali hanno uguale larghezza orizzontale (26 mm) e uguale altezza dal piano di massa (4 mm). La linea a forma di L ha una larghezza pari a L₁ e

2

L rispettivamente per la prima e per la seconda antenna. Nelle due antenne simulate si è scelto L1=L2 =10 mm. Si dimostra che associando a questa linea diversi valori di

1

L eL2, si possono ottenere operazioni dual band a diverse frequenze.

Nei grafici 3.38 e 3.39 si rappresenta l’andamento del coefficiente di riflessione rispettivamente per l’ antenna a forma di F e a forma di T.

Fig. 3.38 Rappresentazione del coefficiente di riflessione per l’antenna F-shaped

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Fig. 3.40 Dettaglio del coefficiente di riflessione per l’antenna F-shaped

Fig. 3.41 Dettaglio del coefficiente di riflessione per l’antenna T-shaped

Le ultime due figure rappresentano il dettaglio del coefficiente di riflessione in un intervallo frequenziale che va da 4 GHz a 5.5 GHz. Fissando un return loss pari a 10 dB, si nota come il grafico verde relativo all’antenna a forma di F, non ha una banda abbastanza ampia da soddifare le specifiche richieste dalla Hiperlan a 5.2 GHz (5150-5350 MHz), mentre va bene per coprire le specifiche WLAN a 2.4 GHZ (2400-2484 MHz). L’ antenna a forma di T, ricavata da quella a forma di F apportando una semplice

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modifica al patch, ovvero eliminando il pezzo relativo al secondo ramo della F, consente di ottenere un’antenna con prestazioni migliori. Questi risultati sono raffigurati in rosso, nei grafici precedenti. Si può vedere come in questo caso sono abbondantemente soddisfatte le specifiche per entrambe le frequenze.

Nei grafici seguenti sono mostrati i diagrammi di irradiazione per l’antenna a forma di T nel caso in cui L2=10, alle frequenze di 2.45 GHz e 5.2 GHz. I risultati ottenuti

evidenziano che tali diagrammi non sono buoni come quelli di una generica antenna semplice a monopolo, ma vi si avvicinano molto.

Fig. 3.42 Diagrammi di irradiazione relativi all’antenna T-shaped

Nelle figure 3.43 viene raffigurato il guadagno per l’antenna in esame alle due frequenze

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Fig. 3.43 Rappresentazione del guadagno relativo all’antenna T-shaped

Nel corso delle simulazioni sono stati effettuati alcuni confronti tra i risultati ottenuti per questa antenna al variare della lunghezza L2 L. Si nota dal grafico seguente che più

2

L diminuisce, più entrambe le frequenze di risonanza si spostano verso l’alto, però la situazione peggiora dal punto di vista dell’adattamento.

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 2 4 6 8 frequenza (GHz) s11 L2=10mm L2=8mm L2=6mm L2=4mm

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