1.1 Antenne focalizzate in campo vicino 1 I NTRODUZIONE

- 4 / 97 -

1

I

NTRODUZIONE

1.1 Antenne focalizzate in campo vicino

Un’antenna focalizzata in campo vicino deve concentrare il campo elettromagnetico in una regione delimitata nel suo campo vicino. Ricordiamo che il campo vicino di un’antenna è la zona

che va dall’antenna stessa fino ad una distanza di

λ

3

62

.

0

×

D

Queste antenne possono essere usate per investigare le caratteristiche dielettriche di un determinato oggetto, OUT (Object Under Test), senza un contatto diretto. Ad esempio nelle catene di fastfood è necessario che gli hamburger raggiungano una certa temperatura di cottura per poter essere serviti [1]. Prima venivano usati dei sensori a infrarossi, ma essi sono in grado di rilevare solo la temperatura superficiale e in più le loro prestazioni sono degradate dalla presenza di fumo e vapore acqueo prodotti dalla cottura. Più recentemente sono stati proposti dei sensori di temperatura a microonde che sfruttano delle antenne focalizzate in campo vicino. Infatti le microonde non hanno il problema dello scattering dovuto alla particelle di vapore acqueo, né dell’assorbimento, in più scegliendo opportunamente la frequenza è possibile rilevare sia la temperatura interna che esterna dell’hamburger.

Questi tipi di antenne trovano applicazione anche in campo biomedico per applicazioni di ipertermia a microonde [2], [3].

La focalizzazione può essere ottenuta usando antenne a tromba (horn antenna) con lenti, oppure array planari a microstriscia [4].

Grazie alla presenza di una lente un’antenna (Figura 1.1) può convogliare tutta l’energia in una regione ben precisa dello spazio; si deve fare attenzione a posizionare correttamente la lente, oppure si può scegliere di fissarla direttamente sull’apertura dell’antenna. Gli svantaggi di questo tipo di soluzione sono molti: è ingombrante, costosa, complessa e in più la lente focalizza solo ad una certa distanza, che non è possibile variare se non progettando di nuovo sia la lente che l’antenna.

- 5 / 97 -

Figura 1.1 – Horn antenna con lente dielettrica.

Per questo si preferisce come soluzione un’antenna planare a microstriscia che è più piccola, più compatta, più leggera, più economica. Inoltre non c’è perdita di energia dovuta alla separazione tra la parte che alimenta e quella che focalizza come succede nelle horn antenne con lenti. Per cambiare la distanza focale è sufficiente modificare la linea di alimentazione.

1.2 Specifiche del progetto

Lo scopo del nostro progetto è quello di realizzare un’antenna focalizzata in campo vicino che abbia uno spot al massimo di 1x1m2 ad una distanza focale di 1.5m, come mostra la Figura 1.2.

- 6 / 97 -

Dovendo focalizzare il campo in una regione delimitata è necessario un array planare; in particolare nel nostro caso scegliamo un array quadrato perché lo spot deve essere simmetrico su un piano. In più abbiamo anche un vincolo sull’ingombro totale che deve essere al massimo 80x80cm2.

Sono state progettate due antenne, una per applicazioni nella banda del GSM900 e l’altra nella banda del GSM1800, (in Tabella 1.1 sono mostrate le rispettive bande di lavoro). Ci concentreremo prima sul progetto dell’array a 900MHz e poi su quello a 1800MHz; per il primo abbiamo scelto una soluzione con 4x4 elementi, mentre per il secondo, dovendo lavorare a frequenza doppia, abbiamo usato 8x8 elementi.

Banda utilizzata in uplink Banda utilizzata in downlink

GSM 900 890-915MHz 935-960MHz

GSM 1800 1710-1785MHz 1805-1880MHz

Tabella 1.1 – Banda del GSM 900 e del GSM 1800.

Nei due diversi casi la lunghezza d’onda nel vuoto è pari a:

8 900 6 3 10 1 333 900 10 3m m λ = × = ×  m 8 1800 6 3 10 1 167 1800 10 6m m λ = × = ×  m

Per il progetto dell’antenna abbiamo utilizzato il software Ansoft Designer che implementa il Metodo dei Momenti (MoM). Esso ci permette di simulare separatamente i patch dalla linea di alimentazione, (è utile in prima analisi per vedere se stiamo progettando correttamente, in quanto diminuisce il tempo di calcolo). Soltanto alla fine facciamo una simulazione completa dell’intera struttura.

Per l’antenna a microstriscia abbiamo scelto un’alimentazione di tipo aperture coupled, perché è quella che fornisce una banda maggiore. Nei due casi la banda percentuale richiesta è:

900

960 890

% 100 7.6% 925

- 7 / 97 - 1800 1880 1710 % 100 9.5% 1795 B = − x =

1.3 Espressione dei coefficienti di fase

Scegliamo quindi per il nostro progetto un array planare a microstriscia. Per ottenere la focalizzazione del fascio sarà necessario progettare opportunamente la linea di alimentazione. Per capire come fare e quindi come calcolare le fasi della corrente di alimentazione dei singoli elementi dell’array, analizziamo il comportamento della lente.

Figura 1.3 – Comportamento della lente dielettrica come trasformatore di fase.

Supponiamo che la lente mostrata in Figura 1.3 sia priva di perdite e che su di essa incida un’onda piana che viaggia in direzione , l’onda piana sarà ritardata di una quantità proporzionale allo spessore della lente in ogni punto della superficie. La lente trasforma la distribuzione di campo

nella distribuzione sul piano

ˆz + ( , )

U x y U x y'( , ) z=z', che a sua volta produce il fascio focalizzato a distanza , dove è la distanza focale. La trasformazione della distribuzione di campo prodotta dalla lente, non è altro che un cambiamento dei coefficienti di fase

'

z= +z f f

1 2

[ ,φ φ ,...,φ , quindi un _j]

qualsiasi dispositivo in grado di produrre la distribuzione , produce anche la focalizzazione del fascio a distanza .

'( , ) U x y f

- 8 / 97 -

Applicando questo ragionamento all’array a microstriscia, è necessario che sul piano in cui giace l’array la distribuzione di campo sia (Figura 1.4) e quindi che le fasi delle correnti di alimentazione dei singoli elementi siano

'( , ) U x y

1 2

[ ,φ φ ,...,φ . _j]

Figura 1.4 – Comportamento dell’array a microstriscia come trasformatore di fase.

In realtà la focalizzatone non sarà ottenuta esattamente in un punto, ma in una regione detta spot, la cui dimensione deve essere sufficientemente limitata.

I coefficienti di fase assumono l’espressione:

2 2 2

0

i k xi yi f f

φ = ⎡_⎣ + + − ⎤_⎦

dove:

• ( , )x y = coordinate dell’i-esimo elemento _{i i}

• ₀ 0

2 k π

λ

= = numero d’onda in spazio libero • f = distanza focale

Diversi fattori influiscono sulle dimensioni dello spot: la dimensione dell’array, il numero di elementi, l’ampiezza della corrente di alimentazione dei diversi elementi dell’array. Gli esperimenti descritti in [4] mettono in evidenza che, a parità di frequenza, più grande è l’array più piccolo è lo

- 9 / 97 -

spot che si riesce ad ottenere. La scelta del numero di elementi da usare è un compromesso tra performance, dimensioni e costo. Inoltre, fissate le dimensioni dell’array, più la distanza focale è piccola, più piccolo è lo spot che riesco ad ottenere. Si osserva anche che il livello dei lobi laterali (SLL, Side Lobe Level) è maggiore per distanze focali più piccole.

Nel fissare la distanza tra gli elementi dell’array si deve tener presente che non possono essere molto vicini altrimenti risentono troppo dell’accoppiamento, e neanche molto lontani, altrimenti si ha il fenomeno dei gratin lobes.