CAPITOLO 5
SIMULAZIONI DELL’ANTENNA CERAMICA
Abbiamo iniziato le nostre simulazioni con l’antenna ceramica della Murata ANCM11G57SAA089.
5.1 DESCRIZIONE DELL’ANTENNA
L’antenna in questione è una tipica antenna montata su base ceramica le cui dimensioni sono illustrate nella tabella seguente
Fig 5.1 Dimensioni dell’antenna
Di seguito mostriamo la struttura complessiva , notiamo l’elemento radiante stampato sul supporto ceramico.
5.2 POSIZIONE DELL’ANTENNA
Le raccomandazioni tecniche della ditta consigliano di rimuovere il piano di massa sotto l’antenna come mostra la figura5.3; la posizione migliore sarebbe addirittura esternamente al PCB , tuttavia sempre lungo il bordo del PCB .
Fig 5.3 Posizioni dell’antenna rispetto al piano di massa
5.3 DIREZIONE DELL’ANTENNA E POSIZIONE DEL PUNTO DI ALIMENTAZIONE
Anche la posizione del punto di alimentazione è preferibile lateralmente al PCB , la posizione ottima è a destra dell’antenna ; la direzione dell’antenna è desiderabile sempre al bordo del PCB disposta in maniera orizzontale o verticale (figura5. 4).
Fig5. 4 Direzione dell’antenna e posizione del punto di alimentazione
5.4 POSIZIONE DELLA RETE DI ADATTAMENTO
Le raccomandazioni tecniche consigliano anche di posizionare la rete di adattamento vicino l’antenna sebbene può essere accettata la collocazione all’inizio della linea di alimentazione.
Si consiglia, come elementi per la rete, di mettere delle induttanze da montare come indicato in figura 5.5; si tratta di due induttanze in parallelo o di due induttanze in serie che sono in parallelo con un'altra, posizionate sempre vicino l’antenna.
Fig 5.5 Induttanze nella rete di adattamento.
Nella figura 5.6 è indicata la banda e la frequenza di risonanza dell’antenna dopo aver montato la rete di adattamento.
Fig 5.6 Caratteristiche elettriche dell’antenna
Fig5. 7 Misure relative al montaggio dell’antenna e degli elettrodi
Altre indicazioni relative al layout sono la distanza dal piano di massa dell’antenna (almeno 1mm), la distanza dell’antenna dagli altri dispositivi che possono avere un effetto schermante (almeno 3mm).
5.5 RISULTATI DELLE SIMULAZIONI SPERIMENTALI
Presentiamo ora i risultati sperimentali della simulazione dell’antenna Murata ANCM11G57SAA089.
È stata scelta l’alimentazione complanare (a 50Ω) per eccitare l’antenna, che è stata montata su un substrato di FR-4 epoxy alto 1.6mm.
Le simulazioni sono state effettuate con il software della Ansoft HFSS v10.
Mostriamo di seguito il layout dell’antenna con le quotature dell’antenna, vediamo che sono state rispettate tutte le raccomandazioni tecniche relative al montaggio e alle distanze.
Fig 5.10 Layout dell’antenna
È stata rispettata la distanza dal piano di massa (3 mm) e sotto l’antenna è stato rimosso il piano di massa.
Dalle simulazioni effettuate risulta un return loss a -7.11 dB che risuona a 2.07 GHz e quindi non alla frequenza di 1575 MHz.
Fig 5.11 Return loss dell’antenna
Dal grafico dell’impedenza di ingresso possiamo vedere che il return loss è minimo all’antirisonanza (2.06 GHz) e che la risonanza è alla frequenza di 1.66 GHz dove abbiamo un cortocircuito perché la parte reale è pressoché nulla.
Mostriamo a titolo illustrativo il diagramma di irradiazione che è quello corrispondente all’incirca a quello della polarizzazione lineare.
.
Fig 5.14 Diagramma di irradiazione
È quindi necessario allontanare il piano di massa dall’antenna (aumentare la distanza d nella figura 5. 10) affinché aumenti la parte reale dell’impedenza di ingresso, sebbene parte della guida d’onda
diventi essa stessa un’ elemento radiante, e dobbiamo comunque incrementare la lunghezza dell’antenna per farla risuonare alla frequenza GPS di 1575 MHz.
Nella figura 16 è mostrato il nuovo layout dell’antenna e vediamo come la distanza d dal piano di massa è stata portata a 11mm; abbiamo ottimizzato pure la lunghezza dell’antenna, per farla risuonare alla frequenza GPS, al valore di 16mm.
Fig 5.16 Layout della nuova configurazione
Con la nuova configurazione vediamo che le cose migliorano notevolmente: il return loss (figura 17) risuona a 1.57 GHz con una banda a -10 dB di 100 MHz , infatti l’impedenza di ingresso a 1.57 GHz ha una parte reale di 51Ω e una parte immaginaria nulla (figura5.18)
Fig 5.18 Impedenza di ingresso
Mostriamo nella figura successiva il diagramma di irradiazione che è rimasto sostanzialmente quello della configurazione originale
Fig 5.19 Diagramma di irradiazione della configurazione col piano di massa modificato
Abbiamo provato a cambiare direzione all’antenna (figura 5.20) ma sostanzialmente le cose non cambiano, si restringe solamente la banda (70 MHz) rispetto all’altra configurazione perché alla frequenza di risonanza la parte reale risulta più bassa (47Ω). La lunghezza di risonanza è aumentata a17mm, quindi in pratica la stessa ,e il diagramma di irradiazione rimane sostanzialmente invariato
Fig 5.20 Antenna disposta lungo il lato y del PCB
Il piano di massa è stato allontanato dall’antenna di circa 2mm (figura 5.21), rimane invariata l’alimentazione coplanare.
