Capitolo 1:
1.1 Antenne a microstriscia
Le antenne a microstriscia rappresentano il candidato ideale per l’integrazione su chip. Le dimensioni ridotte, il basso peso, il basso costo e la facilità di fabbricazione sono dei pregi importantissimi quando cerchiamo di realizzare dei sistemi wireless su chip.
Un’antenna a microstriscia è composta da un patch metallico posto su un sottile strato di dielettrico a sua volta posato su un piano di massa (fig. 1.1). Il campo elettrico è interno al substrato ed è perpendicolare sia al patch che al piano di massa. Ai bordi del patch ci sono delle discontinuità tra metallo substrato ed aria (fig. 1.2). Il campo elettrico che si viene a formare sui bordi del patch può essere modellato attraverso due elementi radianti appoggiati sui bordi del patch. Il piano di massa e il patch formano una linea di trasmissione. I due elementi radianti sono distanziati tra loro di λg/2 e le loro componenti lungo
l’asse z, in campo lontano, si annullano a vicenda essendo sfasate di 180° tra di loro.
Normalmente un’antenna a microstriscia ha una larghezza di banda molto più piccola rispetto a quella di una normale antenna risonante. L’aumento dell’altezza del substrato e una costante dielettrica più piccola possono aumentare la larghezza di banda. Altro metodo per aumentare la larghezza di banda può essere quello di aggiungere degli elementi reattivi per diminuire il rapporto di onda stazionaria (R.O.S.) [1]. Questi metodi sono anche efficaci per migliorare l’efficienza di radiazione ma causano un considerevole aumento delle dimensioni dell’antenna. Questo potrebbe addirittura impedire l’integrazione dell’antenna su un chip. Naturalmente si dovrà cercare un compromesso tra il livello di integrazione e le prestazioni che vogliamo ottenere in base all’utilizzo a cui è destinata la nostra antenna.
Fig. 1.1
1.2 Struttura di alimentazione
Per realizzare la struttura dell’alimentazione di un’antenna a microstriscia ci sono diversi metodi che generalmente appartengono a tre gruppi.
Il primo metodo vede l’utilizzo di una linea di trasmissione a microstriscia che si inserisce in una piccola fessura nel patch (fig. 1.3). L’impedenza di ingresso può essere modificata scegliendo opportunamente il punto dell’alimentazione. Attraverso l’uso di un trasformatore di impedenza a microstriscia possiamo portare l’impedenza di ingresso dell’antenna a essere uguale all’impedenza del sistema.
Il secondo metodo si usa quando l’alimentazione arriva all’antenna attraverso un cavo coassiale. Dobbiamo allora collegare il conduttore centrale direttamente con il patch dell’antenna attraverso il substrato. Il conduttore esterno invece deve essere unito al piano di massa(fig. 1.3). Il punto di alimentazione viene scelto per adattare l’impedenza di ingresso a quella del cavo coassiale.
Il terzo metodo prevede che il patch dell’antenna venga accoppiato elettromagneticamente con la linea di alimentazione sia su uno stesso strato che su strati differenti. Il patch può anche essere accopiato con la linea di trasmissione attraverso un’apertura realizzata in una struttura a pila(fig. 1.3). L’impedenza di ingresso può essere regolata da un maggior numero di parametri rispetto ai primi due metodi, nei quali conta solo la posizione del punto dove si inserisce l’alimentazione.
1.3 Perdite
Le perdite all’interno di un antenna a microstriscia sono essenzialmente localizzate all’interno del conduttore metallico e del dielettrico. Le perdite dovute al dielettrico sono più piccole di quelle nel conduttore.
I parametri che determinano le perdite in un conduttore metallico sono la frequenza e la rugosità della superficie metallica. L’effetto pelle ci dice che l’aumentare della frequenza diminuisce la profondità di penetrazione del campo elettromagnetico all’interno del conduttore ma aumenta considerevolmente le perdite. Per migliorare le cose si possono usare delle speciali tecniche costruttive per ottenere delle superfici metalliche con una rugosità trascurabile rispetto alle frequenze in gioco.
Le perdite nel dielettrico invece dipendono dalla costante dielettrica, dalla frequenza e dalla conducibilità elettrica del mezzo. Per contrastare questo tipo di perdite si usano degli appositi materiali come l’arseniuro di gallio.
1.4 Propagazione nel substrato
Le onde elettromagnetiche si propagano attraverso il substrato con due meccanismi. All’interno del dielettrico si hanno delle onde superficiali che sono dovute interamente ai fenomeni di riflessione mentre tra il dielettrico e l’aria si hanno le cosiddette onde leaky, caratterizzate da una costante di propagazione complessa che causa una perdita di energia durante la propagazione.
Le onde superficiali trasportano una parte dell’energia di ingresso e questo contribuisce alle perdite dell’antenna. Una scelta ottima della costante dielettrica del substrato e della sua altezza ci permettono di limitare queste perdite. Le onde leaky contribuiscono ad incrementare l’ampiezza dei lobi secondari e il livello di cross-polarizzazione.
1.5 Riduzione delle dimensioni dell’antenna
Nei precedenti paragrafi abbiamo notato che la costante dielettrica e l’altezza del substrato sono dei parametri determinanti per le caratteristiche dell’antenna. L’aumento dell’ altezza del substrato e la diminuzione della costante dielettrica ci permette di contenere le perdite ma comporta un incremento delle dimensioni dell’antenna. Al limite, per avere delle prestazioni sufficienti ad un uso commerciale, dovremo rinunciare all’integrazione su chip. Un metodo che ci permette di ridurre ulteriormente le dimensioni del patch dell’antenna a microstriscia consiste nel cortocircuitare un lato attraverso dei collegamenti metallici. Questo lato viene collegato al piano di massa attraverso il substrato (fig. 1.4).
presenta un lato cortocircuitato. Se pensiamo che attualmente si hanno dei front-end radiotrasmittenti con una dimensione massima di qualche decina di millimetri ecco che il nostro obiettivo di arrivare all’integrazione dell’antenna con il front-end è raggiunto.
L’integrazione di questa antenna non presenta nessuna difficoltà nemmeno nella realizzazione pratica. Le tecnologie commercialmente utilizzate per la realizzazione dei circuiti integrati sono ampiamente sfruttabili per le antenne a microstriscia. Questo permette inoltre di contenere il costo dell’antenna.
1.6 Caratteristiche dell’antenna dipendenti dal punto di
alimentazione
Le proprietà fondamentali di un’antenna a microstriscia, quali l’efficienza di radiazione, la direttività etc., sono fortemente influenzate dalla forma del patch, dalle sue dimensioni e dalla costante dielettrica del substrato. Un altro importante parametro per caratterizzare l’antenna è la resistenza di ingresso. Questo parametro è principalmente dipendente dal posizionamento del punto di alimentazione. Nella figura 1.5 viene mostrato un patch, cortocircuitato su un lato, con le varie posizioni del punto di alimentazione. Simulazioni mostrano come la scelta del punto di alimentazione possa far variare notevolmente la resistenza di ingresso e quindi la sua efficienza di radiazione. Per esempio, nella figura 1.6, se prendiamo come riferimento il centro del patch e posizioniamo il punto di ingresso a –1.5mm, 1.4mm, 1.3mm, 1.2mm, -1.05mm, -0.5mm, 0mm e a 0.5m, possiamo esaminare il variare dell’efficienza di radiazione al variare della frequenza. Notiamo anche, nell’intorno della frequenza di 5,6Ghz, che è presente una zona dove l’efficienza di radiazione non si discosta molto dal valore del 3.6%. Questo è dovuto a diversi fattori: una costante dielettrica molto alta, necessaria per ridurre le dimensioni, comporta una bassa efficienza di radiazione; alle frequenze considerate, le perdite nel conduttore cominciano a essere importanti; le caratteristiche del substrato (altezza molto piccola rispetto alla lunghezza d’onda e alta costante dielettrica) comportano dei campi radianti molto piccoli. Incrementando le dimensioni dell’antenna possiamo spostare questa zona a frequenze più basse.
2 3 4 5 6 7 E ff ic ien cy ( % ) x=-1.5 x=-1.4 x=-1.3 x=-1.2 x=-1.05 x=-0.5 x=0 x=0.5
Per valutare l’effetto della costante dielettrica e dell’altezza del substrato possiamo fare riferimento alla figura 1.7. In rosso è riportato il variare dell’efficienza di radiazione di un substrato con un’altezza che varia in funzione della radice quadrata della costante dielettrica. In blu è rappresentata la stessa curva per substrati con stessa altezza (125µm) e differente costante dielettrica. Si nota subito come l’efficienza di radiazione può essere notevolmente aumentata utilizzando un substrato con un’altezza che varia con la radice della costante dielettrica. Naturalmente ciò comporta un aumento delle dimensioni totali dell’antenna.
La resistenza di ingresso di un’antenna è formata da una parte reale e da una parte immaginaria. La parte reale è a sua volta composta da due termini: la resistenza di irradiazione, che tiene conto della effettiva potenza irradiata, e la resistenza di perdita, associata alle perdite ohmiche dell’antenna. La parte immaginaria rappresenta invece la potenza reattiva presente in campo vicino. Per massimizzare il trasferimento di potenza occorre che l’impedenza di ingresso dell’antenna sia uguale al complesso coniugato dell’impedenza di uscita dello stadio a cui essa è collegata. Se la parte elettronica a cui è collegata l’antenna non è specificamente disegnata per essa, ma è di
0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14
Relative dielectric Constant
R a di a ti on e ff ic ie nc y (
% ) Substrate thickness scaled by
Substrate thickness = 125 um
derivazione commerciale, allora presenta un’impedenza di 50 Ohm. Variando la posizione del punto di alimentazione possiamo agire sulla parte reale e immaginaria dell’impedenza di ingresso. Spostamenti laterali del punto di alimentazione dalle posizioni che abbiamo considerato (fig. 1.5) non portano a effetti significativi per i valori dell’impedenza di ingresso e dell’efficienza di radiazione. Alla frequenza di risonanza abbiamo un’impedenza di ingresso puramente reale (fig. 1.8). Con piccoli spostamenti della frequenza di risonanza possiamo far variare la parte immaginaria secondo le nostre esigenze (fig. 1.8).
0 25 50 75 100 125 5.5 5.55 5.6 5.65 5.7 5.75 5.8 Frequency (GHz) Re {Z in } ( o h m ) (-1.5,0) (-1.4,0) (-1.2,0) (-1.05,0) (-0.5,0) -40 -20 0 20 40 60 80 Im {Z in} ( oh m ) (-1.5,0) (-1.4,0) (-1.2,0) (-1.05,0)
