Antenna per terminali GPS
Relatori : Prof. Paolo Nepa
Prof. Giuliano Manara
Candidato : STV (AN) Stefano Pignotti
Abstract
Il largo impiego del sistema GPS e, in particolare, la sua estensione ad utenza civile ha introdotto nuove specifiche di progetto nella realizzazione dei sistemi di ricezione del segnale satellitare. La progettazione dell’antenna ricevente è uno dei nodi di progetto principale in quanto si presenta la necessità di soddisfare esigenze molto stringenti in termini di integrazione e prestazioni.
In questo studio è stata progettata la realizzazione di un’antenna a patch per terminali portatili. In particolare, dopo un breve sguardo (capitoli I e II) ai principi generali che regolano il sistema GPS e la corretta ricezione del segnale,nonché le problematiche connesse ad esso quali il fenomeno del Multipath (i cammini multipli del segnale satellitare dovuti alle riflessioni del suolo e di altri elementi naturali che inficiano la potenza e l’ampiezza del segnale utile diretto ) e ai principali parametri critici di progettazione quali la banda,l’impedenza di ingresso,il guadagno,la direttività e il rapporto assiale, si è passati ad una rassegna generale di due principali configurazioni di antenne, le antenne a patch e le antenne chip il cui elemento radiante ,di varie forme e quindi anche un patch,è stampato su una base ceramica.
Le seconde sono particolarmente interessanti sotto il profilo della loro facile ed agevole integrabilità con gli altri componenti elettronici dovuta all’alto valore della costante dielettrica che consente una notevole riduzione delle dimensioni dell’elemento radiante; tuttavia, se da un lato la miniaturizzazione dimensionale riesce a risolvere i problemi di ingombro,dall’altro si pongono difficoltà in termini di perdite nel substrato soprattutto nella configurazione a patch; sotto questo ultimo aspetto è stata illustrata una tecnica che prevede la riduzione delle onde superficiali,responsabili delle perdite , attraverso la costituzione di fori metallici nel substrato. Particolare interesse riveste inoltre, nelle odierne tecniche costruttive, la tecnologia dei materiali LTCC usati per la produzioni di substrati e di supporti sui quali verranno stampate le antenne ,i
quali , grazie alla loro configurazione multistrato, consentono anche uno sviluppo tridimensionale della struttura dell’antenna.
Le antenne chip sono generalmente a polarizzazione lineare la quale ,se da una parte presenta l’indiscusso vantaggio dell’omnidirezionalità del diagramma di irradiazione che assicura una copertura pressoché totale della ricezione del segnale, dall’altra, si ha un’attenuazione maggiore della potenza rispetto alla polarizzazione circolare.
Il capitolo IV illustra la struttura di una generica antenna a patch,le tecniche di alimentazione usate, e le relative problematiche che derivano dalla ricerca di un ragionevole compromesso fra le prestazioni quali l’efficienza di radiazione o la larghezza di banda e la miniaturizzazione dell’antenna che è invece richiesta dall’esigenza di integrabilità nelle applicazioni portatili.
Sono state poi studiate alcune soluzioni realizzative presenti in letteratura per migliorare le prestazioni quali la struttura corner depressed ,cioè un patch con depressione agli angoli, e la sua variante circolare, il flyfot patch che è essenzialmente un patch ripiegato per ridurre l’ingombro complessivo, o il patch ellittico che assicura un buon rapporto assiale per avere una soddisfacente polarizzazione circolare o il patch circondato da particolari superfici ad alta impedenza come le superfici frattali.
Infine sono state presentate nei due capitoli finali le simulazioni relative ad un’antenna ceramica e ad un’antenna a patch che lavorano alla frequenza GPS di 1575 MHz.
L’antenna ceramica presenta una larghezza di banda maggiore rispetto all’antenna a patch sebbene l’impedenza di ingresso presenti una parte immaginaria instabile che non è comunque desiderabile nelle applicazioni; si è poi provato a simulare la stessa antenna disponendola verticalmente al PCB (Printed Circuit Board ) ma non si sono avuti cambiamenti significativi nelle prestazioni.
Da ultimo si è realizzata un’antenna a patch cortocircuitato con dei pin di via al piano di massa in modo da formare una struttura simile a un patch ripiegato per ridurre le dimensioni e per fare assumere alla struttura un comportamento radiativo simile ad un dipolo magnetico che assicuri una area di copertura di ricezione del segnale abbastanza ampia.
In questo caso, tuttavia, la banda risulta più stretta dell’antenna ceramica (30 MHz contro i 100 MHz dell’antenna precedente) ma risulta più stabile; nemmeno aumentando lo spessore del substrato o cambiando la configurazione ( si è provata la struttura a farfalla ) si è riusciti ad allargare la banda.
