Capitolo 4 Misura dell’impedenza di ingresso

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Misura dell’impedenza di ingresso

Attraverso la combinazione di due diversi substrati da interporre tra Tag e piano di massa ed apportando delle modifiche alla struttura del Tag, sono state trovate due soluzioni che garantiscono il funzionamento del Tag ALN-9640 in presenza di PEC. Dato che per i substrati sono stati utilizzati spessori disponibili in commercio e che le modifiche all’antenna sono facilmente riproducibili, il passo successivo consiste nel realizzare fisicamente le due configurazioni su prototipi in modo da effettuare misure di verifica sperimentale dei risultati ottenuti dalle simulazioni. Tenendo conto del fatto che nell’effettuare le simulazioni sono stati trascurati gli spessori sia dell’antenna che del PEC e che tutte le superfici sono considerate infinite mentre le misure tengono conto delle reali dimensioni dei substrati e del piano di massa, oltre che dell’ambiente in cui sono effettuate, quello che ci dobbiamo aspettare non è i risultati coincidano ma che sia l’andamento ad essere lo stesso

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4.1 Misure sperimentali

Utilizzando l’analizzatore vettoriale di rete E5071C ENA (Agilent Technologies) è possibile andare a misurare l’andamento dell’impedenza di ingresso dell’antenna al variare della frequenza. Per far questo è stato necessario privare il Tag del chip e saldare ciascuna terminazione di ingresso ad un connettore attraverso cui poter collegare i cavi coassiali provenenti dall’analizzatore.

Fig.4.1 –Analizzatore vettoriale di rete ed antenna connettorizzata

Il range di frequenze utilizzato va da 300 MHz a 3 GHz con un passo di 1.6864 MHz. Dall’elaborazione dei 1601 valori dei parametri S che si ottengono dalla misura è possibile andare a tracciare l’andamento dell’impedenza di ingresso dell’antenna Zant(f).

Le misure sono eseguite per alcune delle diverse configurazioni in cui l’antenna si trova ad operare e che sono state studiate attraverso le simulazioni riportate nei precedenti paragrafi.

In particolare, l’impedenza di ingresso è misurata nel caso di :

• Antenna in spazio libero

• Antenna+Eccosorb(1mm)+PEC

• Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

• Antenna_Modificata+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

• Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

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4.2 Confronto tra simulazioni e misure

Attraverso il confronto dei grafici forniti dalle misure con quelli ricavati dalle simulazioni è possibile capire quanto il comportamento del Tag nelle diverse configurazioni proposte sia stato correttamente simulato e se le soluzioni trovate per garantirne il funzionamento in presenza di PEC sono realmente efficaci.

Per ogni caso analizzato, il confronto è fatto all’interno della banda in cui sono state eseguite le simulazioni quindi tra 600 MHz e 1.3 GHz, separando la parte reale dell’impedenza di ingresso dell’antenna da quella immaginaria in modo da rendere ben distinguibili gli andamenti.

Antenna in spazio libero

Fig. 4.2 – Confronto tra Zant(f) misurata e Zant(f) simulata

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Alpha_mis Alpha_sim f (GHz)

Fig. 4.3 – Confronto tra Alpha(f) misurato ed Alpha(f) simulato 0 50 100 150 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mis) Re (Zant_sim) f (GHz) 0 50 100 150 200 250 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Im (Zant_mis) Im (Zant_sim) f (GHz)

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Nel caso di antenna in spazio libero gli andamenti ottenuti attraverso la simulazione sono veramente molto simili a quelli forniti dalle misure. La cosa che si nota è che le simulazioni sono spostate verso destra rispetto alle misure. Il valori dell’efficienza di adattamento alla frequenza di centro banda sono praticamente gli stessi essendo 0.87 quello simulato e 0.84 quello misurato.

Antenna+Eccosorb(1mm)+PEC

Fig. 4.5 – Confronto tra Alpha(f) misurato ed Alpha(f) simulato

A seguito delle simulazioni avevamo concluso che nella configurazione che prevede uno strato di Eccosorb tra antenna e PEC il Tag non funziona correttamente perché la parte immaginaria dell’impedenza di ingresso dell’antenna è negativa su tutta la banda di funzionamento e quindi non si ha mai l’adattamento coniugato.

-100 0 100 200 300 400 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Im (Zant_mis) Im (Zant_sim) f (GHz) 0 20 40 60 80 100 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mis) Re (Zant_sim) f (GHz)

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Quello che emerge dalle misure è che non è così dato che si ha un valore dell’efficienza di adattamento pari ad 1 all’interno della banda e di 0.67 a 910 MHz. Una possibile causa della differenza tra misura e simulazione potrebbe essere una difficoltà, incontrata dal software utilizzato, nell’analisi del contatto diretto tra antenna ed un materiale con elevata perdita magnetica come l’Eccosorb.

Antenna+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

Gli andamenti della parte reale e di quella immaginaria ottenuti dalla simulazione sono molto simili specialmente a centro banda, a quelli delle misure ma i diversi valori assunti fanno sì che l’efficienza di adattamento misurata sia maggiore di quello simulata e che si presenti il massimo all’interno della banda di funzionamento quindi, in tali condizioni ,il Tag è in grado di fornire prestazioni migliori rispetto a quelle simulate.

0 20 40 60 80 100 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mis) Re (Zant_sim) f (GHz) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Im (Zant_mis) Im (Zant_sim) f (GHz)

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Antenna_Modificata+Rohacell(1mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

Dal confronto appare evidente come i due andamenti dell’impedenza di ingresso siano diversi specialmente nella seconda metà della banda. Tale differenza, inevitabilmente, si ripercuote sul coefficiente di adattamento Alpha al punto che per le misure il massimo si raggiunge fuori banda e a 910 MHz si passa dallo 0.92 della simulazione ad uno 0.34 che fa capire come le modifiche apportate all’antenna siano ottimali solamente per il Tag simulato. Questo accade perché quella che si va a modificare è una situazione in realtà migliore di quella simulata.(Fig.4.7): la conseguenza è che i cambiamenti fatti risultano eccessivi e generano un effetto opposto a quello desiderato.

0 500 1000 1500 2000 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mis) Re (Zant_sim) f (GHz) -200 0 200 400 600 800 1000 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Im (Zant_mis) Im (Zant_sim) f (GHz)

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Antenna+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

Gli andamenti ottenuti dalle misure appaiono completamente diversi da quelli delle simulazioni ma data la vicinanza dei valori per l’impedenza di ingresso alla frequenza di centro banda, il valore di Alpha è 0.12 per la simulazione e 0.15 per la misura quindi, in entrambi i casi, per permettere al Tag di funzionare correttamente è necessario intervenire sulla struttura dell’antenna.

0 50 100 150 200 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mis) Re (Zant_sim) f (GHz) 50 100 150 200 250 300 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Im (Zant_mis) Im (Zant_sim) f (GHz)

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Antenna_Modificata+Rohacell(2mm)+Eccosorb(1mm)+PEC

Appare evidente come a seguito della modifica apportata all’antenna, sia nella simulazione che nelle misure si riscontri un forte miglioramento nel funzionamento del Tag in presenza del PEC, passando da 0.12 a 0.94 per l’efficienza di adattamento simulata e da 0.15 a 0.88 per quella misurata.

Questa è l’unica configurazione che presenta un valore di Alpha misurato confrontabile con quello misurato per il Tag in spazio libero (0.84). Possiamo quindi concludere che affinchè Tag, posto a 3mm di distanza da una piano di massa, presenti le stesse caratteristiche di quando funziona in assenza di conduttori, Tag e PEC devono essere separati non da aria ma da uno strato di 2mm di Rohacell e da 1mm di Eccosorb, con il Rohacell a contatto del Tag e l’Eccosorb con il PEC.

0 500 1000 1500 2000 0,6 0, 7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Re (Zant_mis) Re (Zant_sim) f (GHz) -500 0 500 1000 1500 0,6 0, 7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Im (Zant_mis) Im (Zant_sim) f (GHz)

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Inoltre, l’antenna deve essere modificata andando ad eliminare la parte centrale e facendo in modo che le due variabili SX e DX, che determinano la lunghezza delle estremità, siano entrambe pari a 6 mm.