Capitolo1. Il software EMvironment.
1.1 Caratteristiche generali.
Il continuo aumento della richiesta di comunicazione ed informazione ha portato negli ultimi anni ad un notevole sviluppo dei sistemi di comunicazione radiomobile ed in particolare della tecnologia cellulare.
Un numero di utenti e di gestori in continuo aumento e l’uso sempre più frequente di celle di piccole dimensioni sono stati causa di un notevole incremento del numero di base station presenti sul territorio. In un contesto simile, una notevole attenzione è stata rivolta verso la propagazione elettromagnetica e gli effetti biologici dei campi elettromagnetici.
In queste condizioni diventa quindi di fondamentale importanza poter determinare a priori la migliore locazione dell’antenna trasmittente in modo da riuscire ad ottenere la necessaria copertura dell’area di interesse e contemporaneamente rispettare le normative vigenti in termini di compatibilità elettromagnetica.
Il software EMvironment, realizzato presso il Microwave Radiation Laboratory del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, consente di eseguire l’analisi della propagazione di campi elettromagnetici in scenari complessi note le sorgenti e la locazione degli ostacoli. Il range frequenziale di analisi è molto ampio e va da 50 KHz a 18 GHz. Nel caso in cui la frequenza delle sorgenti di campo coinvolte nella simulazione sia superiore ai 100 MHz (simulazione ad “Alta frequenza”) il solver utilizza la Teoria Uniforme della Diffrazione e l’Ottica Geometrica (UTD e GO), mentre per frequenze inferiori (simulazione a “Bassa frequenza”) viene applicato il Metodo dei Momenti (MoM).
Nel caso nella simulazione siano presenti sorgenti a bassa e ad alta frequenza il risultato globale viene derivato dall’integrazione dei risultati forniti da due simulazioni eseguite separatamente.
Per valutare la distribuzione di campo è necessario inserire nello scenario dei punti di osservazione denominati “ricevitori”; i ricevitori possono essere disposti su rette o su piani e il loro numero non deve superare le 10000 unità.
Una volta costruito lo scenario ed inseriti tutti i trasmettitori (TX) e tutti i ricevitori (RX), ogni geometria presente viene scomposta in superfici piane di estensione finita dette “piastre”. Tutti i parametri geometrici ed elettrici delle piastre e degli spigoli vengono memorizzati in un database. Questa parte dell’elaborazione viene detta “Preprocessing” e viene effettuata una sola volta a prescindere dal numero di TX e RX presenti nello scenario.
In una seconda fase viene effettuato il “Raytracing”, che consiste nell’acquisizione della coordinate di ogni coppia TX-RX e nel calcolo di tutti i possibili raggi che, partendo dal trasmettitore, propagandosi all’interno dello scenario riescono a raggiungono il ricevitore. I raggi si suddividono in dieci classi raggruppate in contributi del primo, secondo e terzo ordine in funzione del numero di riflessioni e/o diffrazioni che li determinano.
Il valore di campo elettrico e magnetico generato da un raggio in un punto dello scenario è calcolato tenendo conto del diagramma d’irradiazione e dei valori di potenza dell’antenna che lo ha prodotto, dei cammini ottici relativi e del fattore di attenuazione che esso subisce ad ogni riflessione o diffrazione che incontra durante la propagazione [Bib. 1.1].
1.2 Tecniche di sintesi di diagrammi di irradiazione.
Come detto in precedenza, il valore di campo per ogni ricevitore dipende principalmente dal diagramma di irradiazione dell’antenna trasmittente; risulta quindi di notevole importanza riuscire a riprodurre in maniera quanto più accurata possibile i diagrammi di irradiazione delle antenne usate nella realtà come ad esempio quelle montate nelle base station per la telefonia cellulare.
I datasheet dei produttori non forniscono informazioni a sufficienza per poter ricavare i diagrammi di irradiazione in modo analitico e quindi per ovviare a questo inconveniente e simulare ugualmente tali antenne è possibile procedere in due modi differenti: EMvironment fornisce un tool per introdurre i diagrammi di irradiazione campionati e un tool per sintetizzare array planari a partire dai dati forniti dal costruttore.
In particolare l’opzione “Antenne HF” apre un ulteriore sottomenù composto dalle opzioni [Fig. 1.2.1]:
Array 2-D,
Interpolazione Spline, Database antenne HF.
Con il comando “Array 2-D” viene aperta una finestra per effettuare la sintesi del diagramma di irradiazione di un array planare di dipoli, mentre con il tasto “Interpolation Spline” si accede ad un modulo che permette di ottenere il diagramma di irradiazione cercato mediante interpolazione di tipo Spline.
Con il comando “Database antenne HF” si accede ad una finestra dove è possibile utilizzare antenne già sintetizzate in precedenza e di cui sono state salvate i dati utili per la simulazione.
Vediamo adesso di analizzare la sintesi di array planari.
La sintesi del diagramma d’irradiazione viene eseguita mediante opportuni metodi a seconda delle caratteristiche cercate; tutti i metodi hanno dei dati comuni che l’utente deve inserire a priori:
angoli a metà potenza (Half Power Beam Width) sul piano E sul piano H, frequenza operativa dell’antenna,
guadagno dell’antenna da sintetizzare (dbi) (parametro opzionale), diagramma d’irradiazione simmetrico (per default è simmetrico),
distanza fra i dipoli dell’array (in lunghezze d’onda ed è la medesima nelle due direzioni dell’array),
la polarizzazione del campo prodotto dall’antenna, il metodo di sintesi desiderato.
Si ricorda che i piani principali sono individuati dalla direzione di massima irradiazione e da ognuno degli assi di simmetria dell’array; durante simulazioni, gli array sono stati posti sul piano zy e quindi i piani principali risultano essere quelli mostrati in Figura. 1.2.2.
Fig. 1.2.2 Piani principali degli array planari durante le simulazioni con EMv.
In Figura 1.2.3 viene mostrata la finestra per l’inserimento dei parametri descritti in precedenza.
Utilizzando il valore degli angoli a metà potenza e la distanza tra i dipoli viene calcolato il numero di elementi dell’array planare prodotto dalla sintesi e quindi risulteranno determinate direttamente anche le sue dimensioni fisiche che in genere saranno diverse da quelle dell’antenna reale.
Con le sintesi a disposizione non è dunque possibile introdurre nessuna informazione sulle dimensioni fisiche dell’antenna reale da sintetizzare; il problema che scaturisce da questa mancanza di informazioni verrà descritto nel Capitolo 5. La potenza attiva è quella fornita all’antenna che si vuole utilizzare. L’effettiva potenza irradiata viene valutata attraverso l’uso dell’efficienza d’antenna η, calcolata come rapporto tra il guadagno e la direttività, direttività che viene valutata al termine di ogni sintesi; poiché il guadagno è un parametro opzionale, nel caso non venga inserito, si considera come potenza irradiata quella fornita all’antenna. Nel calcolo dell’efficienza d’antenna si deve ricordare che:
G
( )
θ φ, =η θ φ ηD( )
, ≤1 (1.2.1), quindi nel caso in cui la direttività dell’antenna sintetizzata risulti minore del guadagno (questo comporta un valore di η>1 e quindi non fisicamente realizzabile) la potenza irradiata sarà presa coincidente con quella fornita all’antenna, previo messaggio di avviso all’utente [Fig. 1.2.3].L’array è sempre dotato di piano di massa quindi non si avrà mai campo nella parte retrostante dell’antenna (back radiation). E’ possibile scegliere fra quattro metodi di sintesi in base alle esigenze di semplicità, velocità ed accuratezza. Una volta impostati tutti i dati comuni ad ogni tipo di sintesi, si procede con l’inserire i dati relativi al metodo scelto che viene selezionato premendo sul modulo contrassegnato con il suo nome.
Descriviamo le peculiarità di ognuno dei quattro metodi. Metodo di Dolph-Tschebytcheff
L’unico dato supplementare richiesto per questo metodo è il rapporto di reiezione dei lobi secondari (SLRR) per entrambi i piani principali. L’SLRR è definito come il rapporto, in dBi, fra il valore massimo del lobo principale del pattern e il valore massimo del più grande lobo secondario. Il valore minimo consentito è 23 dBi al di sotto del quale il corretto funzionamento del metodo non è più garantito.
Metodo di Woodward
Una volta inseriti i dati comuni, il programma calcola per questo metodo i valori degli angoli in cui è necessario conoscere il diagramma d’irradiazione da sintetizzare (“Constraint point”). Per questi angoli è necessario inserire i valori del pattern in dBi in modo da poterlo ricostruire; al diminuire dell’angolo a metà potenza sarà richiesto un numero di punti maggiore per meglio seguire l’andamento del diagramma.
Metodo LMSE (Least Mean Square Error)
Questo terzo metodo è un metodo iterativo che consente una notevole versatilità ed un’ampia possibilità di scelta all’utente. I dati richiesti sono i constraint point, sia in termini di direzione che di valore in dBi, i null point, ovvero l’ angolo (in gradi) dove si desidera che il diagramma d’irradiazione abbia un
nullo; come ultimo parametro è richiesto il rapporto di convergenza il quale rappresenta la “distanza” tra le diverse iterazioni che vengono proposte all’utente. La modifica di questo parametro permette di scegliere il grado di accuratezza dell’iterazione e la velocità di convergenza.
Metodo Uniforme
In questo metodo le correnti di alimentazione dei dipoli dell’array sono scelte identiche fra loro non si richiedono quindi dati aggiuntivi e si ottiene un diagramma con un SLRR non superiore a 13 dB [Bib. 1.1 ].
Ogni metodo descritto in precedenza produce un file di testo, denominato “DatiArray1”, in cui sono presenti tutti i parametri utili da passare al solver per la simulazione elettromagnetica; questo file rappresenta l’unico strumento di comunicazione fra ogni tipo di sintesi e il solver elettromagnetico.
Le correnti dei vari dipoli sono scritte all’interno del file nel modo seguente: si parte dall’elemento in posizione inferiore rispetto alla direzione ilye poi si scorre l’array rispetto la direzione li , fatto ciò si passa ad un nuovo elemento lungo x ily e si riscorre l’array rispetto li , e così via [Fig. 1.2.5]. x
Fig. 1.2.5 Metodo di scrittura delle correnti nel file “DatiArray1”.
Il fine ultimo della sintesi di array planari, ottimizzata mediante algoritmo genetico, implementata in questo lavoro di tesi risulta quindi quello di produrre un file identico ad “DatiArray1” da passare alle routine di EMvironment che effettuano il calcolo del campo.
1.3 Metodi di calcolo di campo elettromagnetico.
Il software EMvironment considera degli array planari in cui i singoli elementi sono dei dipoli elettrici corti ( l ). Il dipolo corto presenta sul piano H un λ diagramma di irradiazione isotropico mentre sul piano E il pattern è dato da:
Eθ / Eθ max =sinθ (1.3.1). In Figura 1.3.1 vengono mostrati i diagrammi d’irradiazione del dipolo corto.
Fig. 1.3.1 Diagrammi di irradiazione di un dipolo corto.
Il solver, opera in maniera differente nella valutazione della distribuzione di campo a seconda che l’utente consideri lo scenario all’interno della regione di campo lontano dell’antenna trasmittente (Far Field Region) oppure nella regione di campo vicino dell’antenna stessa (Near Field Region).
Come mostrato dalla Figura 1.3.2 le due regioni sono rappresentate da due sfere concentriche, con centro posto nel centro di fase dell’antenna, i cui raggi sono determinati dalla dimensione maggiore dell’antenna D (nel caso di antenne di forma rettangolare, la diagonale è la dimensione maggiore).
Le tre regioni determinano una diversa struttura del campo irradiato all’interno dello spazio. La porzione della regione di campo vicino che circonda immediatamente l’antenna è quella in cui predomina la componente reattiva del campo e quindi prende il nome di “Reactive near-field region”.
La regione di Fresnel o regione di campo vicino è quella regione in cui predomina la componente di campo irradiato e in cui la distribuzione del campo dipende dalla distanza dall’elemento radiante.
La regione di Fraunhofer o regione di campo lontano è quella zona dello spazio in cui la distribuzione di campo è essenzialmente indipendente dalla distanza dall’antenna [Bib. 1.2].
Nel caso si voglia calcolare il valore di campo prodotto da un’array planare per un ricevitore posto nella regione di campo lontano, il solver calcola questo valore come somma di tutti i contributi generati dai singoli dipoli che compongono l’array sfruttando l’approssimazione a raggi paralleli [Fig. 1.3.3].
Valori di campo ottenuti in punti di osservazione posti all’interno della regione di Fresnel e della regione “reattiva” di campo vicino sono da considerarsi sempre meno attendibili al diminuire della distanza dal centro di fase dell’antenna perché l’approssimazione a raggi paralleli non è più valida.
Per ottenere risultati attendibili anche in queste zone è necessario che l’utente imposti nella finestra di inserimento dei vari trasmettitori l’opzione “Campo Vicino”. L’inserimento di questa opzione chiaramente non andrà ad inficiare i risultati per un eventuale ricevitore posto in zona di campo lontano.
Un punto di osservazione posto ad una distanza r≤2D2/λ dal centro di fase
dell’array, si trova all’interno della regione di campo vicino dell’antenna stessa, ma è situato contemporaneamente nella regione di campo lontano rispetto ad ogni singolo dipolo che compone l’array; questa condizione è determinata dalle diverse dimensioni fisiche dell’array rispetto ad ogni suo singolo elemento radiante.
Le routine presenti in EMvironment, in base alla considerazione teorica precedente, una volta impostata l’opzione “Campo Vicino”, tralasciano l’approssimazione a raggi paralleli e calcolano il valore di campo per ogni ricevitore come somma di tutti i contributi in zona di campo lontano generati singolarmente dagli elementi dell’array. La situazione precedente è descritta in Figura 1.3.4.
