CAPITOLO 3 ANTENNE CERAMICHE

CAPITOLO 3

ANTENNE CERAMICHE

3.1 ANTENNE PER TERMINALI PORTATILI

La crescita dell’industria delle comunicazioni wireless ha portato alla definizione di standard differenti tra un paese e l’altro ( si pensi ad esempio ai sistemi cellulari e ai diversi protocolli IEEE 802.11). A causa di questa diversità l’antenna diventa l’elemento chiave nella realizzazione del terminale portatile, dato che deve essere in grado di consentire il funzionamento del sistema in ciascun intervallo di frequenze definito dagli standard. Di conseguenza sono stati sviluppati studi su antenne multibanda o su antenne a banda larga a seconda che si voglia fornire la copertura di frequenze lontane o vicine tra loro rispettivamente.

La soluzione ideale sarebbe un’antenna multibanda in cui a ciascuna di queste frequenze corrisponda una banda larga. L’esigenza di portabilità del terminale mobile impone la scelta di strutture radianti piccole, leggere e conformi al supporto fisico al fine di agevolarne l’integrabilità. Come immediata conseguenza dell’assenza di elementi esterni la struttura del terminale diventa più solida e robusta mentre contemporaneamente i costi si riducono.

Le antenne interne sono quelle che riscontrano maggior successo, grazie alle loro dimensioni ridotte e alla forma facilmente adattabile alla struttura del dispositivo. Questa categoria di antenne comprende molti gruppi. Ognuno di essi ha pregi e difetti per cui sta al progettista riuscire a individuare a seconda delle necessità l’elemento più adatto.

A tal proposito ci sono diverse soluzioni realizzative come l’antenna planare inverted-F, le cui prestazioni sono ottime ma risulta più ingombrante rispetto ad esempio ad un’antenna a microstriscia, o una meandered antenna,costituita da un’antenna filare ripiegata su se stessa e

stampata su un substrato dielettrico,la quale funziona bene, tuttavia, se posta ad una certa distanza dal piano di massa.

Anche le chip antenne rappresentano un’altra categoria di antenne integrabili: esse sono generalmente costituite da una linea metallica stampata su una base ceramica assimilabile ad un “mattoncino” (brick) ma possono essere anche semplicemente patch di piccole dimensioni stampati su materiale ceramico di cui un’ esempio verrà presentato successivamente. Fra le tecnologie più note impiegate nella produzione di substrati ceramici ricordiamo quella che permette di ottenere i cosidetti LTCC materials ( Low Temperature Co-Fired Ceramic ), processo del quale successivamente illustreremo brevemente i principi. I materiali ceramici presentano l’indiscusso pregio della facile integrabilità dell’antenna con i dispositivi elettronici collegati ad essa quali possono essere filtri, amplificatori e altri elementi di circuiteria.

Solitamente le chip antenne sono a polarizzazione lineare grazie alla quale godono del notevole vantaggio dell’omnidirezionalità del diagramma di irradiazione. Tale caratteristica presenta tuttavia alcuni inconvenienti.

Infatti tra i motivi che hanno portato alla scelta di una polarizzazione circolare levogira per i segnali del sistema GPS è di particolare importanza il fatto che, a causa delle riflessioni in percorsi multipath , questa si inverte divenendo LHCP. In linea puramente teorica questo dovrebbe rendere più agevole, in fase di ricezione, la discriminazione fra segnali diretti e segnali indesiderati riflessi. Nella pratica però sarebbe necessaria un’antenna con un rapporto assiale unitario per garantire la totale reiezione di tali disturbi e, come già trattato, lo sfasamento fra segnale diretto e segnale riflesso rappresenta un problema da risolvere più che un punto di partenza per una ricezione ottimale del segnale.

Per quantificare l’entità del problema si consideri il fatto che, a causa di impurità nella polarizzazione di un’antenna il sistema ricevente può arrivare a perdere fra i 10 dB e i 30 dB del livello di segnale disponibile.

Dunque l’impiego di un’antenna a polarizzazione lineare,caratterizzata da una minore sensibilità alle distorsioni dovute alla riflessione, potrebbe rappresentare una valida alternativa.

Questa robustezza potrebbe consentire uno sviluppo di antenne più omnidirezionali rispetto alle antenne a elica o a patch, che troverebbero un più largo impiego in applicazioni su dispositivi portatili: infatti una copertura a 360° garantirebbe ottime proprietà di tracking dei satelliti anche con il dispositivo nel taschino di una giacca, cosa che non sarebbe possibile con un patch se l’utente non riponesse il dispositivo con l’antenna rivolta verso di sé.

Con un semplice studio della densità di potenza associata al segnale per mezzo del vettore di Poynting viene, però, alla luce uno svantaggio significativo della polarizzazione lineare rispetto alla RHCP.

Si studino soltanto i segnali come onde piane nel dominio della frequenza; si ha:

ERHCP =ECP (ix-j iy )e-jkz (Onda piana RHCP in propagazione lungo l’asse z )

ERHCP =ELIN e- jkz ix (Onda piana polarizzata linearmente lungo l’asse x)

A parità di ampiezza dei campi elettrici in questione ( │ECP│ = │ ELIN│ = │EGPS│ ) il vettore di Poynting associato alle due onde piane risulta essere:

SRHCP =

ξ

ξ

ξ

Il rapporto fra le due quantità ( espresso in dB ) risulta : RHCP LIN S S (dB)=10log 2 1 = -3 dB

Risulta, quindi, chiaro che, oltre all’estrema debolezza con cui arriva il segnale satellitare, bisogna fare i conti con questa ulteriore ed inevitabile perdita di potenza dovuta alla scelta di una polarizzazione lineare.

A titolo esemplificativo di quanto abbiamo detto presentiamo un’ esempio di chip antenna per comunicazioni mobili dual-band che illustra le caratteristiche menzionate sopra: la polarizzazione lineare dell’antenna e la struttura LTCC multi-layer (costruita cioè su più strati)

Più in dettaglio l’antenna lavora alle due frequenze di 900 Ghz e 1800 Ghz nella banda GSM. E’ un’antenna a elica stampata sullo strato mediano del supporto ceramico il quale ha un’εr di 7.8 e un angolo di perdita, o loss tangent , di 0.0047 (fig 3.1).

Fig 3.2 Struttura multistrato dell’antenna

Nella figura 3.1 a vediamo l’antenna ad elica e nella figura 3.1b la struttura completa col supporto ceramico e nella fig 3.1c il montaggio sul PCB ( Printed Circuit Board). Le dimensioni della chip antenna sono 35mmx57mmx1mm.

La figura 3.2 illustra la geometria della sezione verticale dell’antenna: notiamo come i vari strati del supporto (otto) sono collegati attraverso dei fori di via ( via holes ) per connettere lo strato superiore con quello inferiore

La figura 3.3 illustra il return loss simulato( in rosso) e misurato ( in blu) dell’antenna: si vede che i valori misurati sono shiftati verso l’alto rispetto a quelli simulati.

La figura 3.4 invece mostra come il diagramma d’irradiazione (sia quello a 900 Mhz che a 1800 Mhz) è quello di un’ antenna a dipolo e nella figura 3.5 vediamo il diagramma d’irradiazione nel piano E, cioè nel piano XZ

Diagrammi di irradiazione

C’è sostanzialmente un buon accordo fra la simulazione e la misurazione ( fig 3.5).

Fig 3.5 Fig 3.4

Anche se osserviamo la polarizzazione verticale e orizzontale nel piano H, piano XY, osserviamo che è molto vicino al diagramma di irradiazione omnidirezionale di un’antenna a dipolo.

Fig 3.6. Polarizzazione orizzontale e verticale

Dalle considerazioni fatte sinora risulta chiaro che le antenne ceramiche come anche le antenne a patch sono quelle che hanno riscosso maggior successo nelle soluzioni realizzative mirate alla miniaturizzazione e all’integrazione dei dispositivi elettronici all’interno dei terminali portatili. I substrati su cui vanno montate o stampate le antenne giocano un ruolo fondamentale e quindi si comprende perché particolare rilevanza tecnica,per le applicazioni che richiedono la riduzione dimensionale di tutti i componenti elettronici attivi o passivi, riveste la ricerca dei materiali più adatti.

Per i substrati dielettrici il parametro più importante è l’efficienza di irradiazione definita come

η=

Pi Prad

dove Prad è la potenza irradiata e Pi è la potenza in ingresso all’antenna senza considerare

substrato e dunque lo studio dell’efficienza relativa alla conducibilità determina la scelta dei materiali richiesti per gli standard tecnologici.

Per un dipolo a mezza lunghezza d’onda nello spazio libero, la frequenza di lavoro nelle condizioni di risonanza vale:

f 0 =

2d c

, dove d è la lunghezza del dipolo e c è la velocità della luce.

Naturalmente per un dipolo stampato la frequenza di lavoro è scalata di un fattore eff 1

ε

è la costante di permettività effettiva del substrato.

Per determinare la lunghezza di risonanza di un dipolo è utile un grafico che indichi la variazione della

ε

materiali( cioè prendendo in considerazione diversi valori della costante dielettrica εr ). Possiamo osservare il seguente grafico

Fig 3.7 Grafico della permittività in funzione del rapporto altezza/dimensione

E’ graficato il valore della permettività effettiva in funzione del rapporto h/d per diversi valori della costante dielettrica.( da 1.2 fino a 12 ).

Per ridurre la dimensione del dipolo,mantenendo fissa la frequenza di lavoro, l’altezza del substrato

deve essere aumentata, oppure, poiché d= * 2 * f c eff 0

ε

, bisogna aumentare εeff.

Da ciò risulta chiaro che per ridurre le dimensioni di un’antenna occorre una costante dielettrica del substrato elevata come appunto risulta essere nei materiali ceramici.

3.2 ESEMPIO DI TECNOLOGIA LTCC APPLICATA AL PATCH

La tecnica “soft- and –hard surface “ (SHS) è impiegata per sopprimere le onde superficiali che si generano in un antenna a patch integrata con materiale LTCC multilayer ad alta costante dielettrica. E’ stato trovato che questa tecnica può ridurre la radiazione di backside (del lobo posteriore) dell’antenna a patch montata su un substrato di piccole dimensioni di più di 14 dB.

Un’ osservazione sulle distribuzioni di campo vicino mostra che una superficie SHS può effettivamente inibire la propagazione dell’onda di superficie (surface waves) sul substrato diminuendo l’accoppiamento elettromagnetico con i circuiti a radio frequenza.

Come abbiamo detto la crescita improvvisa dei sistemi di comunicazione wireless hanno condotto all’esigenza di integrare l’antenna con i componenti a radio frequenza del dispositivo.

Le antenne a patch possiedono una struttura planare che permettono l’integrazione su materiali multistrato (“ multilayer “) come i materiali multilayer organic (MLO) o i materiali LTCC.

La tecnologia LTCC sta diventando sempre più diffusa per la flessibilità che offre nel realizzare un arbitrario numero di strati che possono facilmente collegare e integrare i vari componenti elettronici. I materiali ceramici, abbiamo più volte detto, hanno un’ elevata costante dielettrica. Da un lato ciò agevola la miniaturizzazione dell’antenna , dall’altro le antenne a patch risentono fortemente degli effetti delle onde superficiali, surface waves, che possono seriamente degradare le prestazioni dell’antenna e dei moduli a radio frequenza.

L’eccitazione dovuta alle onde superficiali non solo peggiora il diagramma di irradiazione ( attenuando il lobo principale e i lobi più significativi) e riduce quindi l’efficienza dell’elemento radiante ma causa anche accoppiamenti elettromagnetici indesiderati fra i componenti attivi all’interno del dispositivo.

Negli ultimi anni sono state sviluppate varie tecniche per sopprimere tali effetti come ad esempio circondare il patch con particolari superfici, come quelle frattali, per evitare che l’energia rimanga intrappolata nel substrato; tuttavia tale scelta richiede un’ aumento complessivo dell’ingombro dell’antenna; oppure abbassare la costante dielettrica del substrato,rinunciando, comunque, al vantaggio di avere dimensioni ridotte del patch.

Un modo per sopprimere le onde superficiali è quello di usare delle particolari superfici dette sorf-and-hard surfaces (SHS).

E’ noto che il flusso di densità di potenza lungo una soft surface è nullo (cioè è nullo il vettore di Poynting ) per qualsiasi tipo di polarizzazione del campo elettrico. Quindi se la superficie di un substrato ad alta costante dielettrica viene coperta da una soft surface, le onde superficiali non si propagheranno dal patch, non ci saranno fenomeni di diffrazione o di scattering dai bordi del substrato con la conseguenza di una diminuzione del livello dei lobo posteriore e un’ aumento del guadagno.

Il modo classico di realizzare una soft surface è quello di corrugare un conduttore ideale con delle scanalature rettangolari trasversali che hanno una profondità di un quarto di lunghezza d’onda .Ovviamente la realizzazione di tali superfici hanno un’ alto costo di produzione.

Tale tecnica realizzativa è stata ampiamente adottata nelle horn antennas ed in altri tipi di antenna; nella tecnologia LTCC la struttura corrugata può essere facilmente realizzata usando arrays di via metallici.

Le condizioni ideali di una SHS possono essere caratterizzate dalle condizioni al contorno simmetriche per i campi elettrici e magnetici

dove ĥ è il versore tangenziale alla superficie. Questa condizione al contorno è detta ideale poiché il

vettore di Poynting Ŝ= 2 1

Ē × Ħ non ha componente normale al contorno sulla superficie.

Ciò può essere visto attraverso l’espansione

ň *( Ē × Ħ )=[ ĥ× (ň × ĥ)] *( Ē × Ħ )= (ĥ* Ē) [(ň × ĥ)* Ħ *

]-[ (ň × ĥ)* Ē]( ĥ* Ħ)* =0

dove ň è il versore normale alla superficie SHS. Allo stesso modo può essere provato che il vettore di Poynting ha una componente uguale a zero nella direzione (diciamo ŝ ) trasversa a ν sulla superficie SHS ( in sostanza i campi sulla superficie del dielettrico possono essere considerati nulli). Ciò è illustrato nella seguente figura :

Fig 3.8 Patch antenna circondata da SHS surface

La configurazione quindi blocca la propagazione delle onde superficiali lungo il substrato,diminuendo la diffrazione lungo i bordi.

La superficie SHS può essere realizzata usando un numero di anelli di via la cui altezza h deve essere uguale a λ0 /(4

ε

Fig 3.9 Superficie corrugata e struttura multistrato dell’antenna

Per le applicazioni GPS l’antenna ricevente con un basso livello del lobo posteriore è essenziale per la reiezione del segnale di multipath. Ciò è particolarmente importante per le antenne a patch perché il livello del lobo posteriore indica la componente di cross-polarizzazione; poiché l’onda trasmessa del GPS ha una polarizzazione circolare destra( RHCP o co-polarizzata) e l’onda riflessa ha una polarizzazione circolare levogira ( LHCP o cross-polarizzata), si comprende come l’antenna a patch deve avere un basso livello del diagramma d’irradiazione nella direzione di backside per eliminare gli effetti del multipath

Un semplice modo per ridurre il backlobe level è montare l’antenna su un piano di massa grande rispetto alle sue dimensioni(sei o sette volte più grande per avere un rapporto front-to-back di circa

patch circondato da una SHS montato su un substrato LTCC ad alta costante dielettrica può offrire una valida alternativa

Nella configurazione proposta il materiale LTCC del substrato è un Kyocera’s LTCC GL660 con costante dielettrica pari a 9.6; il diametro dei via è di 0.2 mm e la distanza fra due via successivi è di 2 mm.

Il modulo totale dell’antenna è a 32 strati; ci sono 11 strati sotto il patch per il circuito integrato GPS RF front-end, per cui sono disponibili 21 strati per l’antenna: le dimensioni dello stacked patch sono 28.6mm x 22.6mm.

La figura 11 mostra che il backlobe level(LHCP, EL ) di un patch con SHS è 14 Db più basso di un

patch senza SHS.

La direttività (RHCP,ER ) è più di 0 dBi sopra i 15gradi di elevazione, di gran lunga maggiore dei –

5 dBi richiesti per le applicazioni GPS marittime.

senza SHS con SHS

Fig 3.10 Diagrammi di irradiazione del patch con SHS e senza SHS La struttura con SHS presenta un lobo posteriore molto ridotto

3.3 CHIP PATCH ANTENNA CERAMICA

Proponiamo ora una chip antenna a patch a polarizzazione circolare,a doppia alimentazione, per applicazioni GPS stampata su una base ceramica montata a sua volta su un substrato di FR-4; le due porte di alimentazione sono poste su due lati della base ceramica con costante dielettrica pari a 45. L’eccitazione è fornita da una microstriscia a 50 Ω stampata sul circuit board ( 50x50 mm2 ) connessa al punto A come possiamo vedere in figura.

Le dimensioni del disco ceramico sono 17.5mmx17.5mm mentre quelle del patch quadrato sono 12.6mmx12.6mm.

Le due porte di alimentazione (di larghezza 2.2 mm e lunghezza 4.4 mm sono ) sono posizionate al centro delle superfici laterali del disco ceramico e sono state usate per eccitare l’antenna proposta attraverso l’accoppiamento capacitivo. Un buon adattamento d’impedenza può essere ottenuto agendo sulle dimensioni delle due side-feeds che sono collegate attraverso una linea metallica. Questa connessione funge da linea di ritardo che serve a sfasare di 90 0 le alimentazioni delle due porte in modo da avere un’eccitazione di due modi risonanti ortogonali in quadratura per la polarizzazione circolare destra. Notiamo che se vogliamo avere la polarizzazione circolare sinistra per qualche altra applicazione, basta collegare la microstriscia al punto B invece che in A.

Come mostra la figura 3.12 la configurazione studiata permette di avere una banda di 12 Mhz (1570-1582 MHz ) centrata alla frequenza di 1575 MHz con un valore del return loss di circa -40 dB .Anche il guadagno è sostanzialmente stabile sulla banda d’interesse (3.0-3.4 dBi )

Fig 3.13 Guadagno dell’antenna

Fig 3.14 Diagrammi di irradiazione sul piano xz e sul piano yz confrontando sia la co-polarizzazione (RHCP) che la cross-polarizzazionr(LHCP).

3.4 BREVE SGUARDO AL PROCESSO DI PRODUZIONE DEI MATERIALI LTCC

Low-Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) sono dei substrati multistrato costituiti da conduttori interni quali il rame o l’argento per formare le tracce interne dei circuiti e da fogli ceramici ( chiamati “Green sheet” ) formati da una mistura di alluminia ( Al2 O3 ) e vetro che rappresentano

Fig 3.15:struttura di un substrato LTCC

Il nome LTCC è stato dato per la loro relativamente bassa temperatura di fusione,900 0C, confrontata a quella dell’alluminia ceramica che è di 1500 0C .

Le strutture dei substrati multistrato sono prodotte dalla cosiddetta tecnica screen-printing : prima vengono fatti dei fori sui Green sheet per connettere i vari strati ,successivamente tali fori vengono riempiti da paste metalliche di argento. Le tracce dei conduttori metallici sono stampate su ogni strato usando appunto la tecnica screen-printing per mezzo della quale i pannelli vengono compattati uno sopra l’altro ( “stacked” ) insieme per il processo di sinterizzazione.

Vediamo brevemente le fasi del processo più nello specifico.

Attraverso una macchina laser vengono formati i fori che saranno successivamente riempiti dalle paste metalliche con uno screen printer, uno stampo di acciaio, allineato sopra lo strato ceramico, che versa l’inchiostro metallico nei fori sotto ai quali è posta una pompa a vuoto per agevolare il processo di riempimento, in seguito vengono stampate le piste per i conduttori sui fogli ceramici.

Il successivo passo consiste nell’”impilare” ( stacking ) i fogli ceramici che verranno sottoposti subito dopo ad una procedura di laminazione : tale tecnica,dove bisogna prestare attenzione all’uniforme riduzione dello spessore dell’intera struttura, consiste in una pressurizzazione degli strati attraverso due piatti paralleli come illustra la seguente figura:

Fig 3.16 Pressurizzazione di uno multistrato LTCC

Al processo di laminazione segue il processo di sinterizzazione vero e proprio dove gli strati vengono sottoposti ad un trattamento termico ad una temperatura di 880 0C per circa quindici minuti : per evitare un’eccessiva deformazione dei panelli ceramici, vengono posti due strati addizionali che costringono la struttura ad assumere la forma voluta e che vengono colaminati insieme all’ LTCC ma non subiscono la sinterizzazione mantenendo un minimo contatto con la superficie dell’ LTCC stesso.

Fig 3.17 Fasi del processo produttivo dei materiali LTCC

I vantaggi dei materiali LTCC rispetto agli altri materiali con cui vengono realizzati i substrati sono una bassa tolleranza della costante dielettrica, una migliore conducibilità termica, un basso coefficiente di dilatazione termica, un’alta adattabilità con i circuiti multistrato, un’ alto grado di integrabilità con i componenti elettronici, un’alta resistenza agli stress ambientali, e soprattutto un basso costo di produzione per grandi e medie quantità

La seguente tabella illustra un confronto fra i substrati PCB/PTFE e i substrati LTCC, con TC abbiamo inteso la conducibilità termica, e con TCE il coefficiente di dilatazione termica.

nome substrato h um ε_r ε_r toll. % tan(δ) (*) TCE ppm/K TC W/mK (**) prezzo materiale Roger RO3003 760 3 1.3 0.13 17 0.5 1.2 PTFE RO3006 635 6.15 2.4 0.25 17 0.61 2.2 RO3006 1270 3.7 RO3010 635 10.2 2.9 0.35 17 0.66 2.4 RO3010 1270 4.1 Arlon AR 600 AR 1000 635 635 6 10 2.5 5 0.35 0.35 12 14 0.43 0.65 6.1 4.8 PTFE Taconic RF-60 635 6.15 4.1 0.28 12 0.5 1.1 PTFE CBR-10 635 10 5 0.35 14 0.3 1.8 DuPont 951AX,Au 210 7.8 1.3 0.5 5.8 3 1.5 ceramico 951AX,Ag 1.0 Ferro A6M,Au 185 5.9 3.4 0.2 7 2 2.2 ceramico A6S,Ag 8 0.6

Fig 3.18. Tabella di confronto tra i substrati tradizionali (PTFE) e i substrati LTCC (*) fattore di dissipazione a 10 Ghz

3.5 CONFRONTO FRA UN’ANTENNA PIFA E UNA CHIP ANTENNA PER APPLICAZIONI GPS

Facciamo dunque un confronto fra una normale antenna PIFA e un’antenna ceramica.

L’antenna ceramica presa in considerazione è una Ceramic-BT/GPS-chip antenna prodotta dalla Antenna technologies della Filtronic e ha dimensioni 12x3x2mm mentre la PIFA ha dimensioni 30x20x5mm

(a)

(b)

Fig 3.19. antenna chip

Fig 3.20. Antenna chip e antenna PIFA messe a confronto

Fig 3.21 Diagrammi di irradiazione delle due antenne messi a confronto

I primi tre diagrammi in alto si riferiscono all’antenna chip e i tre diagrammi in basso si riferiscono all’antenna PIFA.

Fig 3.22. Grafici dell’efficienza

Notiamo che le prestazioni per quanto riguarda l’efficienza di irradiazione e il guadagno sono migliori ,nella banda d’interesse, nell’antenna ceramica che nell’antenna PIFA col vantaggio che la prima presenta dimensioni più compatte e ridotte.