CAPITOLO 6
SIMULAZIONI DELL’ ANTENNA A PATCH
6.1 STRUTTURA DEL PATCH SIMULATO
Il secondo gruppo di simulazioni riguarda la realizzazione di un’ half patch , un patch a un quarto di lunghezza di onda in quanto è cortocircuitato col piano di massa.
La struttura è quella illustrata in figura 6.1 , è stata usata per l’eccitazione un’alimentazione a microstriscia dimensionata opportunamente a 50 Ω secondo le note formule
dove h è l’altezza del substrato e W0 e la larghezza della microstriscia e Zc è l’impedenza della parta di ingresso di alimentazione.
Conoscendo l’impedenza di ingresso che è 50 Ω, e l’altezza del substrato, si può risalire alla larghezza giusta per la microstriscia.
Fig 6.1 Configurazione del patch simulato
Il lato a λ/4 è il lato risonante mentre la lunghezza y0 delle due slot determina l’adattamento dell’impedenza di ingresso dell’antenna , bisogna cioè ricercare quella lunghezza y0 tale che l’antenna presenti un’impedenza di ingresso puramente resistiva pari a 50Ω.
I parametri su cui agire sono essenzialmente due: la lunghezza y0 delle slot e la lunghezza L del patch per farla risuonare alla frequenza GPS, poiché le specifiche richiedono che la larghezza W
sia fissa a 20mm, che è la larghezza massima dell’alloggiamento dell’antenna all’interno del palmare portatile per cui è stata progettata.
6.2 RISULTATI DELLE SIMULAZIONI SPERIMENTALI
Le simulazioni sono state effettuate col software dell’Ansoft HFSS v10 e hanno condotto ad una configurazione ottimale dell’antenna che presenta una lunghezza di risonanza pari a 22.8 mm e ad una lunghezza della slot pari a 14mm e larghezza pari a 0.5 mm. (figura 6.2)
L’ antenna è stata montata su un substrato di FR-4 con costante dielettrica pari a 4.4 alto 0.41mm
La larghezza delle slot è stata impostata a 0.5 mm per avere una migliore adattamento dell’impedenza di ingresso che è mostrata nella figura successiva.
Fig 6.3 Impedenza di ingresso
Fig 6.4 Impedenza di ingresso
Vediamo che alla risonanza l’impedenza di ingresso presenta una parte reale quasi di 50 Ω.
La figura successiva mostra il return loss, notiamo che presenta una banda più stretta rispetto all’antenna ceramica che abbiamo simulato nel capitolo precedente , circa 30 MHz.
Fig 6.5 Return loss
L’antenna ha un solido di irradiazione che irradia lungo z e lungo y e si comporta come un dipolo magnetico come possiamo osservare dai diagrammi di irradiazione (figura 6.6 e 6.7)
Riferimento cartesiano
Fig 6.8 Solido di irradiazione
Per allargare la banda abbiamo pensato una configurazione a farfalla come illustrato nella figura seguente, tuttavia non si sono avuti miglioramenti significativi
Fig 6.10 Layout della configurazione a farfalla
Abbiamo dovuto allungare il lato risonante a 25mm e la slot a 18mm ma la banda si è addirittura ristretta come possiamo vedere dai grafici seguenti (l’altezza del substrato è rimasta invariata ).
Fig 6.12 Impedenza di ingresso
Probabilmente la banda si è ristretta perché la parte immaginaria si è abbassata leggermente (a 16 ohm).
Abbiamo provato la configurazione complementare aggiungendo le due alette laterali al patch invece che rimuoverle come nel caso precedente ma la banda è rimasta invariata (figura 6.13).
Fig 6.13 Layout configurazione a farfalla inversa
Prima di tutto bisogna fare alcune considerazioni di carattere geometrico . Se il lato risonante nel patch normale era di 22.8 mm in questa configurazione il lato risonante sarà la media tra la lunghezza L dell’antenna (vedi figura 6.13) e la base minore di lunghezza L-l dove l è la misura dell’altezza del triangolino che è stato aggiunto per ottenere la nuova geometria; l’effettiva lunghezza risonante e quindi lris (vedi sempre figura ).
= + − 2 ) (L l L
lris dove lris è 22.8mm, cioè la lunghezza risonante del patch normale e l è l’altezza
del triangolino che è 5 mm. Conoscendo lris e l possiamo ricavare L.
Dai calcoli risulta che L=25.8 mm e infatti dalle simulazioni troviamo che il lato risonante è 26.3mm, leggermente superiore al valore teorico.
Tuttavia ,come anticipato , la banda non migliora rimanendo a 30 MHz.
Fig 6.15 Solido di irradiazione del patch a farfalla inversa
Il solido di irradiazione non cambia rispetto al patch normale,nemmeno per la configurazione a farfalla normale.
Un altro metodo per allargare la banda è quello di aumentare l’altezza del substrato, le specifiche impongono che si può innalzare fino a 1.2 mm sempre per gli stessi problemi di alloggiamenti che fissano la larghezza a 20 mm; ovviamente va ridimensionata la larghezza della microstriscia secondo le formule esposte all’inizio del capitolo (2.29 mm).
