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5 Progetto di un’antenna per comunicazioni satellitari da
mezzi mobili
In questo quinto Capitolo il modello Magnetic Frill viene utilizzato per la progettazione di un’antenna per comunicazioni satellitari da mezzi mobili con fascio sagomato per un utilizzo ottimale nella regione europea.
1.1
Introduzione
A partire dalla fine degli anni ’90 si resero disponibili servizi satellitari per veicoli mobili come trasmissione dati, telefonia, sistemi di posizionamento e informazioni di traffico.
Le antenne disponibili oggi per questo tipo di comunicazioni satellitari sono composte, in molti casi, da due elementi radianti: uno provvede alla copertura Low Angle ( 0° – 40° di elevazione del satellite sull’orizzonte); l’altro per la copertura High Angle ( 40° - 90° di elevazione del satellite sull’orizzonte).
In particolare facciamo riferimento all’antenna DM C175, costruita da SATCOM, composta da un monopolo polarizzato verticalmente per la copertura low angle e da due dipoli a croce per la copertura high angle in polarizzazione circolare destra. I due elementi sono alloggiati in un corpo ad ala di pipistrello (fig. 1)
fig. 1: satcom DM C175 e diagramma di irradiazione
Si può constatare che il diagramma di irradiazione per l’high angle ha guadagno massimo allo zenith (θ = 0°) mentre è omnidirezionale in azimuth.
1.2
Obiettivi
L’obiettivo posto da IDS è stata la progettazione di un’antenna per comunicazioni satellitari da mezzi mobili con fascio sagomato per un utilizzo ottimale nella regione europea. Le specifiche fissate per l’antenna sono le seguenti:
• Frequenza 300 MHz
• Struttura a patch perché garantisce robustezza, leggerezza e compattezza ed è economica da realizzare.
• Polarizzazione circolare
• Dimensioni compatte per maggiore conformità con il veicolo ospite.
• Struttura con due elementi radianti che provvedono rispettivamente alla copertura Low ed High angle.
1.3
Polarizzazione circolare
Consideriamo un patch di forma circolare; per realizzare una polarizzazione circolare sono necessari due pin di alimentazione con un a certa spaziatura angolare α in modo che i campi generati dalle due sorgenti siano ortogonali tra loro. Inoltre una sorgente è sempre situata in corrispondenza della regione di campo nullo dell’altra sorgente, in modo da avere un mutuo accoppiamento minimo tra i cavi.
Per avere una polarizzazione circolare i cavi sono inoltre eccitati con fasi ortogonali tra loro (fig. 2).
1.4
Eccitazione dei modi TM
mnLa prima idea per avere un diagramma di irradiazione sagomato come descritto sopra è stata capire il tipo di pattern generato dai diversi modi che posso eccitare su un patch circolare. Si è scoperto dalla letteratura che variando la spaziatura angolare α tra i pin è possibile eccitare modi TMmn diversi. Nella fig. 3 in basso riportiamo, per il modo
fondamentale TM11 e alcuni modi di ordine superiore, la posizione dei pin e il relativo diagramma di irradiazione.
fig. 3: geometria dei modi TMmn e relativo diagramma di irradiazione
Max, θ = 0° (zenith)
Max, θ = 35°
Max, θ = 54°
Per mantenere la simmetria del fascio e un basso livello di cross-polarizzazione i modi indesiderati devono essere soppressi. Un modo per sopprimere i modi adiacenti è aggiungere altre due sorgenti collocate diametralmente opposte alle due originarie (vedi fig. 3) per un totale di 4 sorgenti.
I pattern che caratterizzano i modi di ordine superiore TM21, TM31 e TM41 sono detti “conical pattern” e hanno un nullo in direzione dello zenith (θ = 0°); il TM11 invece ha un massimo proprio in quella direzione.
1.5
Antenna: struttura e prestazioni
Osservando i diagrammi di irradiazione dei modi elencati in precedenza potremmo pensare di usare il modo fondamentale TM11 per realizzare la copertura High angle e un modo di ordine superiore con un “conical” pattern per la copertura Low angle.
1.5.1
Geometria dell’antenna
Consideriamo un’antenna costituita da due elementi radianti ed eccitiamo il modo fondamentale TM11 su uno di essi e il modo di ordine superiore TM31 sull’altro.
Per quanto riguarda la geometria dell’antenna sono stati scelti i seguenti elementi:
• Un disco circolare di raggio 13.0845 cm, su cui viene eccitato il modo fondamentale TM11, poggiato su un substrato dielettrico di spessore 1.45 cm ed εr = 4.2 (materiale:“modified epoxy”). I 4 pin di alimentazione sono disposti come indicato in fig. 3 relativamente al modo TM11 con fasi relative 0°, 90°, 180° e 270°.
• Un anello circolare con raggio interno 12.2 cm e raggio esterno 22,365 cm su cui viene eccitato il modo di ordine superiore TM31. Esso poggia su un substrato dielettrico spesso 2.03 cm con εr = 4.2. I 4 pin di alimentazione sono disposti nuovamente come indicato in fig. 3 per realizzare una polarizzazione circolare destra.
Il funzionamento dell’antenna così composta prevede che i due elementi siano alimentati separatamente in modo tale che quando uno è attivo l’altro sia passivo, e viceversa. L’utente sceglierà attraverso uno “switch” quale dei due patch utilizzare per la comunicazione in base all’elevazione del satellite sull’orizzonte.
La geometria ad anello è stata scelta per permettere l’alloggiamento del disco (TM11) all’interno dell’anello stesso. Si fa notare che il dielettrico su cui poggia l’anello esterno ha spessore maggiore rispetto a quello del disco centrale; questo significa che quest’ultimo è “immerso” nel dielettrico (vedi fig. 4). Tutti i cavi di alimentazione hanno un conduttore interno di raggio 1mm.
1.5.2
Diagramma di Irradiazione e Correnti Strutturali
Supponiamo dapprima di alimentare solo il disco centrale; il modo TM11 eccitato su di esso produce un diagramma di irradiazione con un massimo in direzione dello zenith (θ = 0°). Nella figure di seguito si riportano i diagrammi di irradiazione sui piani polare e cartesiano:
In fig. 5, si può vedere, che il disco ha, come mi aspettavo, guadagno massimo in direzione dello zenith con valore 8.07 dB.
Alimentiamo ora invece l’anello esterno eccitando un modo TM31; il diagramma di irradiazione che ottengo ha le caratteristiche seguenti:
In questo caso ho un guadagno massimo di 5.14 dB per θ = 74°; osservando la fig. 6 al variare di φ tra 0° e 180° si nota inoltre una buona omnidirezionalità in azimuth del pattern dell’anello esterno.
Globalmente l’antenna garantisce una copertura per qualsiasi angolo di elevazione del satellite sull’orizzonte (vedi fig. 7).
fig. 7: High angle e Low angle
Per quanto riguarda le correnti strutturali dell’antenna, nelle fig. 8 e fig. 9 mostriamo la loro intensità e il loro andamento sui patch quando alimento soltanto uno dei due.
fig. 8: correnti superficiali se alimento solo il disco interno
fig. 9: correnti superficiali se alimento solo l'anello esterno
Gli andamenti delle correnti sulla superficie dell’antenna sono quelli caratteristici dei modi TM11 e TM31 considerati.
1.5.3
Parametri S e Impedenza di Ingresso
Consideriamo un generico patch circolare alimentato in cavo coassiale:
L’impedenza di ingresso può essere modificata cambiando la posizione della sorgente. Se essa è posta in prossimità del centro del patch, come si vede in fig. 10, la resistenza di ingresso si abbassa; viceversa se la sorgente si trova in prossimità del bordo la resistenza di ingresso aumenta.
In genere i patch circolari hanno un’impedenza di ingresso molto elevata sugli spigoli e quindi, per avere valori ottimali (50 Ω), dovrò posizionare la sorgente ad una certa distanza dal bordo.
In riferimento all’antenna progettata in questo lavoro di tesi la posizione dei pin di alimentazione è stata scelta secondo il criterio appena descritto. Si è verificato però sperimentalmente che anche altri parametri dell’antenna vengono modificati variando la posizione dei pin rispetto al centro del patch; in particolare i Parametri S e il Diagramma di Irradiazione. Per questo motivo le sorgenti sono state collocate in modo da avere una resistenza di ingresso più vicina possibile a 50 Ω e contemporaneamente Parametri S soddisfacenti e un pattern come quello richiesto.
Vediamo nelle fig. 11-53 i risultati ottenuti:
1.5.4
Banda
La “larghezza di banda” di un’antenna è definita come il range di frequenze in cui le prestazioni dell’antenna, rispettando alcune caratteristiche, sono conformi con uno specificato standard. Questo significa che la larghezza di banda può essere considerata come il range di frequenze, attorno alla frequenza centrale, in cui le caratteristiche dell’antenna (come impedenza di ingresso, pattern, polarizzazione, guadagno o efficienza di radiazione) mantengono valori accettabili rispetto a quelli relativi alla frequenza centrale.
Poiché le caratteristiche di un’antenna non variano necessariamente nello stesso modo, non c’è un'unica definizione della larghezza di banda.
Nel nostro caso si è fatto riferimento ai parametri S (fig. 11) considerando il range di frequenze, attorno a quella centrale, in cui essi scendono sotto la soglia dei -15 dB.
Per l’antenna presentata banda relativa ottenuta è di circa 3.5%.
1.5.5
Risultati
Giunti quasi al termine di questo capitolo sembra importante riassumere i risultati ottenuti.
Utilizzando il modello Magnetic Frill all’interno del tool di progettazione ADF è stato possibile realizzare il progetto di un’antenna per comunicazioni satellitari da mezzi mobili con una struttura a patch, polarizzata circolarmente e con un diagramma di irradiazione omnidirezionale in azimuth. In confronto all’antenna descritta all’inizio del capitolo (Satcom DM C175) essa offre, inoltre, alcuni vantaggi:
• Struttura robusta, a basso profilo e di compatte dimensioni
• Copertura Low angle realizzata con un elemento polarizzato circolarmente anziché uno in polarizzazione verticale; questo permette di guadagnare +3 dB.
1.6
Sviluppi futuri
Gli sviluppi futuri di questo lavoro di tesi mirano ad un aumento della banda percentuale,definita come sopra, fino al 6%.
In letteratura sono descritti diversi metodi che consentono un ampliamento della banda di antenne a patch. Di seguito viene data una rapida descrizione di alcuni di essi.
(1) Stacked Patch
Due o più patch accoppiati elettromagneticamente sono posizionati uno su l’altro (fig. 14). Le frequenze di risonanza dei due patch sono leggermente diverse e questo aumenta la larghezza di banda.
(2) Capacitor Patch
Quando il patch è adagiato su un substrato dielettrico di un certo spessore l’impedenza di ingresso avrà una reattanza Xin > 0 (induttiva) non trascurabile.
Per eliminarla è possibile usare un “capacitor patch” posto al di sotto del patch principale che, in funzione della distanza da esso, realizza una reattanza capacitiva che va ad eliminare quella induttiva (fig. 15).
(3) Slotted Patch
Questo metodo consiste nell’aprire slot di forma opportuna sulla superficie del patch.
