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Capitolo 1 Introduzione
Capitolo 1
1. Introduzione
1.1. Antenne focalizzate in campo vicino
Un’antenna focalizzata in campo vicino è un’antenna capace di concentrare il campo elettromagnetico all’interno della regione di “Fresnel”.
Per ottenere la focalizzazione si possono usare antenne a tromba con lenti, oppure array planari a microstriscia [1].
Nel primo caso (Figura 1.1) si inserisce una lente opportunamente dimensionata in prossimità dell’antenna, grazie ad essa, l’antenna convoglia il campo elettromagnetico irradiato in una regione ben precisa dello spazio. Le antenne di questo tipo però risultano ingombranti, costose e complesse da realizzare, in più se si volesse cambiare la distanza di focalizzazione bisognerebbe riprogettare interamente l’antenna.
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Nel secondo caso invece, usando un array planare a microstriscia, vi sono diversi vantaggi come la compattezza, la leggerezza e il costo ridotto. Il vantaggio predominante però è che per focalizzare a distanze diverse non serve riprogettare tutta l’antenna ma basta ridimensionare la linea di alimentazione.
1.2. Possibili applicazioni
Questo tipo di antenne possono essere utilizzate per analizzare le caratteristiche dielettriche di oggetti posti molto vicini all’antenna, senza avere un contatto diretto con l’oggetto.
Un esempio è fornito dall’applicazione di queste antenne per monitorare e controllare la cottura della carne nelle catene di fastfood prima di essere servita (Figura1.2) [2].
La carne deve raggiungere una temperatura minima all’interno prima di poter essere servita, (questo è l’unico modo per eliminare
alcuni microorganismi contenuti nel cibo), quindi c’è la necessità di usare dei sensori che monitorizzano i cibi mentre vengono cotti. All’inizio sono stati usati dei sensori a infrarossi, ma questi presentano delle problematiche, infatti sono in grado di stabilire solo la temperatura superficiale ed inoltre la presenza del fumo e del vapore acqueo dovuto alla cottura degradano le prestazioni. In seguito sono stati impiegati dei sensori di temperatura a microonde che usano delle antenne focalizzate in campo vicino. Con questo tipo di sensori vengono impiegate le microonde e queste non presentano il problema dello scattering
Figura 1.2 – Antenna a microstriscia per la
misurazione della temperatura durante la cottura degli hamburger.
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dovuto al vapore acqueo; inoltre si presenta il vantaggio, scegliendo opportunamente la frequenza di lavoro, di verificare sia la temperatura superficiale che interna al cibo.
Antenne focalizzate in campo vicino trovano applicazione anche in campo biomedico con la tecnica terapeutica dell’ipertermia oncologica per la cura dei tumori [3]-[4]. Per ipertermia si intende il riscaldamento di tessuti biologici a temperature superiori a quella fisiologica. Attualmente si usano frequenze che vanno da 300MHz a 30GHz, che permettono di ottenere un riscaldamento in profondità dei tessuti trattati in modo non invasivo.
Attraverso l'uso di apposite antenne focalizzate in campo vicino [5]-[6], sull'organo bersaglio viene concentrato un campo elettromagnetico che lo riscalda fino ad una temperatura vicina o superiore ai 43°C.
Le antenne focalizzate in campo vicino possono essere impiegate anche per realizzare i “reader” RFID (Radio Frequency Identification) [7]. La tecnologia RFID permette di mettere, con costi limitati, su un prodotto o un contenitore un “tag” che può contenere tutte le informazioni necessarie per identificarlo; quindi i “reader” possono impiegare delle antenne focalizzate in campo vicino per leggere queste informazioni contenute all’interno della memoria del tag.
Infine una possibile applicazione di questi array è quella di Acces Gate Control [8]. Usando la stessa frequenza dei telefoni cellulari e facendo uso di array che focalizzano intorno all’area del gate si fa in modo che il telefono venga agganciato dall’array quando passa attraverso l’area analizzata dal fascio focalizzato e quindi vi è un controllo del passaggio o meno attraverso il gate.
1.3. Scopo del Progetto
Lo scopo del progetto è quello di validare, attraverso delle simulazioni con un software commerciale, le curve di progetto per un array planare a microstriscia, quadrato focalizzato in campo vicino realizzate con un metodo analitico che calcola il campo di un array di dipoli elettrici elementari focalizzato in campo vicino con le formule già note in letteratura.
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Queste curve di progetto esplicitano gli andamenti dei parametri principali per la progettazione di un array focalizzato. I parametri di progetto principali sono:
Guadagno di focalizzazione – definito come il massimo valore del campo elettrico misurato nella regione di campo vicino;
Zmax – la distanza z dall’antenna per cui il valore del campo elettrico è
massimo;
Depth of Focus – altezza massima dello spot a -3dB; Spot Diameter – diametro dello spot a -3dB.
Abbiamo quindi progettato diversi tipi di configurazioni di array che lavorano tutti alla frequenza di 2.4GHz.
Più in dettaglio abbiamo realizzato un array 4x4 con distanza inter-elemento di 0.7λ e un altro con distanza di λ, entrambi gli elementi irradiano un campo in polarizzazione lineare. Dopo abbiamo realizzato un ulteriore array 4x4 con distanza inter-elemento di 0.7λ ma in polarizzazione circolare ed infine un array 6x6 con distanza inter-elemento 0.7λ in polarizzazione lineare.
Per il progetto degli array abbiamo utilizzato il software Ansoft Designer che implementa il metodo dei momenti per calcolare i campi irradiati; questo ci permette di calcolare il valore assunto del campo elettrico per qualunque distanza dall’antenna.
Realizzate le simulazioni, abbiamo confrontato i dati ottenuti con quelli già noti con il metodo analitico al fine di verificare se quest’ultimo metodo, molto più veloce nell’esecuzione e nell’analisi, sia effettivamente attendibile.
