STUDIO E SIMULAZIONE DI ANTENNE STAMPATE

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CASSINO

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI

STUDIO E SIMULAZIONE DI ANTENNE STAMPATE

RELATORE:

Prof. Marco Donald Migliore

CORRELATORE:

Prof. Fulvio Schettino

CANDIDATO:

Mauro Pelosi Matr. 0002267

Anno Accademico 2003/2004

Le antenne stampate (patch antennas) sono impiegate in un vasto numero di ambiti

Telefonia cellulare

Comunicazioni wireless

GPS (Global Positioning System) Ricezione broadcast satellitare Applicazioni biomedicali

RADAR

Peso contenuto, volume ridotto, basso profilo Alta versatilità e robustezza meccanica

Basso costo, facilità di produzione in serie Sono ottenibili polarizzazioni lineari e circolari con semplici alimentazioni

Semplice integrazione nei circuiti a microonde Le linee di alimentazione e le reti di adattamento possono essere realizzate contestualmente alla struttura dell’antenna a microstriscia

VANTAGGI

VANTAGGI

SVANTAGGI SVANTAGGI

Banda relativamente stretta

Guadagno piuttosto basso (~6 dB)

Rete di alimentazione complessa per gli array ad alte prestazioni

Radiazioni spurie dalle alimentazioni e dalle giunzioni

Eccitazione di onde superficiali

Struttura di un patch rettangolare a

microstriscia

MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE

“Inset feed”

MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE

“alimentazione in cavo coassiale”

MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE

“alimentazione ad accoppiamento elettromagnetico”

Modelli di analisi

Modello a cavità risonante

Modello a linea di trasmissione

Formule empiriche

Alimentazione in microstriscia

Sweep lunghezza

La mesh in

CST Microwave Studio Alimentazione in cavo

coassiale

Sweep larghezza Posizione feed

Confronti con la letteratura

CONFRONTI CON LA LETTERATURA

Confronti tra diversi metodi di analisi nel calcolo delle frequenze di risonanza di antenne stampate rettangolari

Confronto tra il “Modified Wolff Model “ ed il

“CST Microwave Studio”

10.25 0.1655

3.175 6.00

9.00 9

9.14 0.1476

3.175 7.00

10.50 8

8.27 0.1336

3.175 8.00

12.00 7

7.70 0.1244

3.175 9.00

14.00 6

6.80 0.1098

3.175 11.00

17.00 5

5.84 0.0943

3.175 13.00

19.50 4

4.24 0.0685

3.175 19.50

29.50 3

2.89 0.0467

3.175 30.50

45.50 2

2.31 0.0373

3.175 38.00

57.00 1

f_ris.[GHz]

mm mm

mm

misura h/λ_d

H L

patch n. W

CARATTERISTICHE DELLE ANTENNE ANALIZZATE

0.58 0.63 0.68 0.73 0.78 0.83 0.88 0.93

0.0373

0.0467

0.0685

0.0943

0.1098

0.1244

0.1336

0.1476

0.165 5

spessore elettrico substrato

freq. ris. norm.

Hammerstad James

misura CSTMS

Frequenze di risonanza normalizzate in funzione

dello spessore elettrico del substrato

Errore percentuale nel calcolo della frequenza di risonanza nei diversi metodi analisi relativi ai modelli empirici.

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9

n.antenna

errore percentuale

MWM MCM Hammer.

James Pozar

Errore percentuale nel calcolo della frequenza di risonanza nei diversi metodi analisi relativi ai simulatori.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1 2 3 4 5 6 7 8 9

n.antenna

errore percentuale

CST(substrato anisotropo) CST(substrato isotropo) Ensemble

4.12%

4.47%

8.43%

CARATTERISTICHE DELLE ANTENNE ANALIZZATE

1. Patch A ε_xx = 3.168 ε_zz = 2.64 2. Patch B ε_xx = 2.640 ε_zz = 2.64 3. Patch C ε_xx = 2.112 ε_zz= 2.64

W

L

H

X

Parte reale ed immaginaria dell’impedenza d’ingresso nei diversi patch

Risultati ottenuti

patch Re(Z) Im(Z) fris

Err.rel% a 6.44 3.45 0.993

Err.rel% b 5.30 2.11 0.993

Err.rel% c 4.82 0.71 1.06

Err.rel.medio% 6.27 2.09 1.01

ε_req ^fris[Gz]MWM

fris[Gz]

CSTMS

Re(Z) [Ω]

MWM

Re(Z)[Ω]

CSTMS

Im(Z)[Ω MWM

Im(Z)[Ω]

CSTMS

a 2.892 1.1380 1.1267 55 58.54 40 41.38

b 2.640 1.1880 1.1772 54 51.14 37 37.78

C 2.361 1.2560 1.2426 49 46.64 35 35.25

Influenza della posizione dell’alimentazione sui parametri di

un patch rettangolare a microstriscia

Sweep dell’alimentazione lungo W

Sweep dell’alimentazione lungo L

Frequenze di risonanza per il modo TM₀₁ in funzione della posizione

dell’alimentazione, calcolate in corrispondenza del Max Re(Z_in) e del Min S_1.1.

Frequenze di risonanza per il modo TM₀₁ in funzione della posizione dell’alimentazione, calcolate in corrispondenza del Min S_1.1

6.900 7.000 7.100 7.200 7.300 7.400 7.500

1.310

1.833

2.357

2.881

3.405

3.929

4.452

4.976

5.500 V

f(min S1.1)

U = 0 U = 2,125 U = 4,25

Frequenze di risonanza per il modo TM₀₁ in funzione della

posizione dell’alimentazione, calcolate in corrispondenza del Max Re(Zin).

6.800 6.850 6.900 6.950 7.000 7.050 7.100

1.310

1.833

2.357

2.881

3.405

3.929

4.452

4.976

5.500 V

fris.

U = 0 U = 2,125 U = 4,25

42.00 47.00 52.00 57.00 62.00 67.00 72.00 77.00 82.00 87.00 92.00 97.00 102.00 107.00 112.00 117.00 122.00

0.000 0.810

1.619 2.429

3.238 4.048

4.858 5.667

6.477 7.286

8.096 U

Max Re(Zin) V =2,35

V = 3,175 V = 4

Max Re(Z

) per il modo TM

in funzione

della posizione dell’alimentazione

Max Re(Z

) per il modo TM

in funzione della posizione dell’alimentazione

20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 160.00 170.00 180.00 190.00

1.310

1.833

2.357

2.881

3.405

3.929

4.452

4.976

5.500 V

Max Re(Zin)

U = 0 U = 2,125 U = 4,25

MODELLO A CAVITÀ RISONANTE

MODELLO A LINEA DI TRASMISSIONE

Impedenza d’ingresso dell’antenna

Z

jX Z

=

+

L L

L L con

jY Y

L jY

Y L

jY Y

L jY

Y Y Y

s

s s

s

⎟⎟ + =

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

+ + +

+

= +

2 0

2 0

1 0

1 0

0

1

tan( )

) tan(

) tan(

) tan(

β β β

β

Formule empiriche per l’analisi di patch rettangolari

r

r

L

f c

ε

= 2

2 1 2 2

0

2 ⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎣

⎡ ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝ + ⎛

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⋅ ⎛

= W

n L

m f c

r

r

ε

Formule empiriche per l’analisi di patch rettangolari

eq r

r

L

f c

ε

= 2

ab r

r eq

r

u

−

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝ ⎛ + + +

= + 10

2 1 1 2

1 ε

ε ε

Formule empiriche per l’analisi di patch rettangolari

MODELLO ”JAMES”

MODELLO “HAMMERSTAD”

FORMULE DI JAMES

⎭⎬

⎫

⎩⎨

⎧ ⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ + + +

⎥⎦ +

⎢⎣ ⎤

⎡ −

+

=

r r

r

r L h

L

h

πε

ε ε

δ

ε

) 1

( ) ( )

(

0

δ ε

ε

ε

= +

L W

f f

eff eff

r r

r

FORMULE DI HAMMERSTAD

2

) / 10 1

)(

1 (

2 ) 1 ) (

(

2 /

−1

+ + −

= + h p

p ^{r r}

eff

ε ε ε

) 833 . 0 /

)(

258 . 0 ) ( (

) 264 . 0 /

)(

3 . 0 )

( (

412 . 0

+

−

+

= +

Δ W W h

h W W

L h

eff

eff

ε

ε

r

r L L

f c

ε

(

2 + Δ

=

FORMULE DI HAMMERSTAD

2

) / 10 1

)(

1 (

2 ) 1 ) (

(

2 /

−1

+ + −

= + h p

p ^{r r}

eff

ε ε ε

) 833 . 0 /

)(

258 . 0 ) ( (

) 264 . 0 /

)(

3 . 0 )

( (

412 . 0

+

−

+

= +

Δ W W h

h W W

L h

eff

eff

ε

ε

r

r L L

f c

ε

(

2 + Δ

=

TM₂₀ TM₀₁

TM₂₀ TM₀₁

TM₂₀

TM₃₀ TM₀₁

TM₂₀

TM₃₀

TM₂₀

TM₃₀

TM₂₀

TM₃₀

TM₃₀

TM₄₀

TM₀₁ + TM₂₀

TM₃₀ TM₄₀

TM₀₁ + TM₂₀

TM₂₀

TM₃₀

TM₄₀ TM₀₁

TM₂₀

TM₃₀

TM₄₀ TM₀₁

TM₂₀

TM₃₀

TM₄₀ TM₀₁

TM₂₀

TM₃₀

TM₄₀ TM₀₁

TM₂₀

TM₄₀

TM₅₀ TM₀₁+ TM₃₀

TM₂₀

TM₄₀

TM₅₀ TM₀₁+ TM₃₀

TM₂₀

TM₄₀

TM₅₀ TM₀₁+ TM₃₀

TM₂₀

TM₄₀

TM₅₀

TM₆₀ TM₀₁+ TM₃₀

TM₂₀ TM₅₀

TM₆₀ TM₀₁+ TM₄₀

TM₂₀

TM₅₀

TM₆₀ TM₀₁+ TM₄₀

TM₂₀

TM₆₀ TM₀₁+ TM₄₀

TM₂₀

TM₆₀ TM₀₁+ TM₄₀

Frequenze di risonanza associate al modo TM

al variare di W

3 4 5 6 7 8 9 10

19 23 27 31 35 39 43 47 51 55

W [mm]

fris. [GHz]

Min S1.1 Max Re(Zin)

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁ TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

TM₀₁

TM₀₂

Frequenza di risonanza per il modo TM

in funzione della lunghezza del patch

2.7 3.2 3.7 4.2 4.7 5.2 5.7 6.2

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

L [mm]

fris. [GHz]

simulazione Hammerstad

DISTRIBUZIONE DELLE CORRENTI SUPERFICIALI PER UN’ALIMENTAZIONE IN CAVO COASSIALE

DISTRIBUZIONE DELLE CORRENTI SUPERFICIALI PER UN’ALIMENTAZIONE AD “INSET”

Influenza della lunghezza del patch sui parametri dell’antenna

Influenza della larghezza del patch sui parametri dell’antenna

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