Stato dell’arte

Capitolo 1

Stato dell’arte

1.1 Generalità sulle antenne a slot anulari

Per realizzare un’antenna con diagramma di irradiazione dipole-like si utilizza solitamente un monopolo su piano di massa che presenta livelli di back- radiation nulli, ma la sua sporgenza non si adatta a dispositivi indossabili.

L’alternativa potrebbe essere una wire-loop antenna, che però non può funzionare in presenza del piano di massa. Un’ulteriore soluzione può essere rappresentata da due slot rettangolari alimentate in controfase, che, però, necessitano di due alimentazioni distinte il che ne complica la realizzazione.

L’antenna a slot anulare riveste la soluzione ottimale in quanto presenta un basso profilo, si adatta facilmente alla superficie su cui è applicata, ha bisogno di un’unica alimentazione a microstriscia e può prevedere nella struttura la presenza di un piano di massa che funge da riflettore. Le antenne stampate, come ad esempio le antenne a slot o i patch a microstriscia, destano particolare interesse in quanto si impiegano molto bene in circuiti integrati a microonde (MMICs).

Un’antenna a slot presenta, solitamente, una configurazione costituita da una linea di alimentazione a microstriscia, uno strato di materiale dielettrico con costante εr e un piano di massa su cui viene effettuata un’apertura. Una slot anulare irradia nello spazio libero [1] un campo pari a quello irradiato da una microstriscia delle stesse dimensioni percorsa da una corrente magnetica

Ms = ×E n JJJG JG G

, dove EJG

è il campo elettrico indotto sull’apertura. Si consideri una slot sottile di raggio medio a, come mostrato in fig1.1:

Figura 1.1:

La componente magnetica di campo irradiato assume la seguente forma [1]:

2

sin cos( ') 0

cos( ') '

120

jkr

aVe jka

H e d

r

π θ φ φ

ϕ φ φ φ

πλ

− −

=

∫

Equazione 1: componente di campo magnetico irradiato

In cui

a= raggio medio della slot V= tensione sull’apertura k=2π/λ

con λ pari alla lunghezza d’onda nel vuoto alla frequenza di interesse.

L’integrale della eq.1 può essere valutato in maniera esatta ricorrendo alla funzione di Bessel di primo tipo e di primo ordine. Il diagramma di irradiazione tipico dipende dal modo risonante che viene innescato sull’apertura che a sua volta dipende dalle dimensioni della slot anulare. Il funzionamento dell’antenna e soprattutto il suo diagramma di irradiazione dipende principalmente dalla distribuzione di campo sull’apertura e, quindi, dal modo risonante. Ad esempio, quando è innescato il modo risonante fondamentale, il massimo del diagramma di irradiazione è diretto lungo in ortogonalmente rispetto al piano della slot.

Quando è innescato il modo TM21, si ottiene un andamento dipole-like.

L’eccitazione dei modi sulla slot dipende dalle dimensioni dell’apertura relative alla lunghezza d’onda.

In [3], è presentata una slot anulare costruita su una triplate structure, come in fig 1.3.

Figura 1.2: stack-up di una triplate structure

Nella struttura è presente un piano riflettore che consente l’irradiazione in un solo emisfero. Se l’apertura è sottile (width<λ/20) e il raggio medio a, è tale che 2πa=2λ, è possibile innescare il modo di ordine superiore TM21 la cui distribuzione di campo sull’apertura e le conseguenti correnti magnetiche equivalenti sono mostrate in fig.1.4:

Figura 1.3: distribuzione di campo elettrico sull’apertura e conseguente corrente magnetica relativa al modo TM₂₁

Dalla fig.1.4 si osserva che le correnti, nei quattro punti di massimo, sono in controfase e per cui si ha un nullo in direzione broadside. La banda percentuale è pari al 2.6% e guadagno vale circa 2.6dBi.

Lo spessore della slot anulare influisce sulla frequenza di risonanza dell’antenna [4]. Quando tale spessore è sottile (w<λ/20) e la circonferenza media è pari ad un multiplo intero della lunghezza d’onda (2λ,3λ ecc), viene innescato sull’apertura i modi di ordine superiore (TM21, TM31). Se lo spessore

della slot aumenta, questo fenomeno varia drammaticamente. All’aumentare di tale spessore, infatti, il campo elettrico tende a richiudersi verso il piano di massa inferiore.

1.2 Tecniche di allargamento della banda

Nonostante le antenne a slot presentino, in generale, una banda più larga rispetto ai patch a microstriscia delle stesse dimensioni e forme [5], una banda percentuale del 2.6% può risultare piuttosto stretta per alcuni tipi di applicazioni.

In questo paragrafo sono descritte diverse tecnologie utili per allargare la banda.

1.2.1 Tecniche di alimentazione convenzionali

In fig.1.4 è mostrata una configurazione che consente di allargare la banda. La configurazione è costituita dal piano di massa su cui è ottenuta la slot, uno strato di dielettrico (fr4, εr=4.3), la linea a microstriscia che innesca il modo TM11. Per allargare la banda viene inserita, in corrispondenza della terminazione della linea di alimentazione a 50Ω un tratto di linea a impedenza caratteristica minore che è, quindi, più larga della microstriscia a 50Ω.

Figura 1.4: Geometria di una wide-band antenna

E’ importante osservare che l’offset, ovvero la distanza tra il centro del patch circolare e quello della linea a microstriscia a impedenza più bassa è un parametro che influenza parecchio l’andamento del return loss. In condizioni

ottimali si ottiene una banda percentuale massima di 126.7%. Tale banda risulta molto più larga di quella che si ottiene per patch circolari e slot convenzionali.

In [6] è proposta la configurazione di fig.1.5 in cui l’allargamento della banda viene raggiunto agendo sulla linea di alimentazione. In corrispondenza della terminazione della linea di alimentazione vengono inseriti due stub così da fornare una cross-shaped feedline.

Figura 1.5: Configurazione per allargare la banda tramite l’uso di un linea di alimentazione cross-shaped

La banda percentuale raggiunta con questo tipo di alimentazione raggiunge il 108.4%.

1.2.2 Tecniche di alimentazione non convenzionali

Le bande di lavoro delle principali applicazioni wireless sono riassunte in tab.1:

Tabella 1: Bande di frequenza per i principali standard WLANs

Una tecnica che consente di ottenere una banda percentuale del 19% è mostrata in fig.1.6 ed è descritta in [7].

Figura 1.6: Configurazione dell’annular slot antenna alimentata in 2 punti

Come si può osservare in fig1.6, la linea di alimentazione a microstriscia attraversa la slot nei punti A1 e A2. Il corretto posizionamento della linea di alimentazione, prevede che tra i due punti venga introdotta una variazione di fase di 90deg. Per raggiungere questo obiettivo, la line tra A1 e A2 non deve essere necessariamente rettilineo, ma l’importante è che la distanza tra i punti sia lunga λm/4 con λm la lunghezza d’onda all’interno della linea a microstriscia. In queste condizioni vengono quindi indotte due polarizzazioni ortogonali, con la stessa ampiezza, ma sfasati di 90deg il che da origine ad una polarizzazione circolare del campo irradiato. Grazie alla lenta variazione del campo elettrico in corrispondenza dei punti A1 e A2 è prevedibile un allargamento della banda, confermata dai risultati misurati.

Gli stessi autori riportano in [8] due prototipi per applicazioni WLAN in cui viene raggiunta una larghezza di banda percentuale di circa il 20%.

In figura 1.7 viene mostrata la prima configurazione proposta, in cui la linea di alimentazione attraversa la slot anulare in maniera tangenziale nel punto di eccitazione del modo. Un ruolo molto importante nell’ottimizzazione della struttura è rivestito dal parametro y. Esso rappresenta la distanza tra il centro dell’apertura e l’asse della linea di alimentazione e indica quanto la linea di alimentazione sporge sull’apertura.

Figura 1.7: Configurazione dell’antenna a slot anulare alimentata in modo tangenziale

Da un’analisi parametrica relativa a y sono stati riportati i risultati del return loss (fig1.8):

Figura 1.8: Analisi parametrica del Return Loss in funzione del parametro y

E’ facile dedurre che quanto più la linea a microstriscia si discosta dalla slot, più la banda è stretta. I risultati ottenuti in termini di larghezza di banda e livello di cross-polarizzazione (XPD) sono riassunti nella tabella:

Tabella 2: Risultati in termini di larghezza di banda e livello di cross-polarizzazione

La massima larghezza di banda ottenuta dall’analisi parametrica è pari a circa il 17%, ma in corrispondenza di tale valore si ottiene un valore di cross- polarizzazione troppo alto. Il miglior compromesso si ottiene per un valore di y=0.3mm per cui si ottiene una banda percentuale dell11%.

Al fine di aumentare il livello di cross polarizzazione si può pensare di aggiungere un’altra slot anulare, simmetricamente rispetto alla microstriscia, si ottiene la configurazione illustrata in fig1.9:

Figura 1.9: (a) Configurazione di una doppia slot anulare alimentata tangenzialmente, (b)campo elettrico indotto in prossimità delle slot

Le componenti di campo, generate dalle due slot, ortogonali alla microstriscia tendono ad annullarsi tra loro in prossimità del punto di alimentazione. Questo permette di avere una polarizzazione lineare del campo parallela alla linea a microstriscia con livelli di cross-polarizzazione inferiori a - 19dB. Con questa nuova configurazione si raggiunge una larghezza di banda percentuale pari a circa 20%. I risultati del return loss sono riportati in fig1.10:

1.3 Funzionamento multifrequenziale

Nella tabella 1 sono riportate le bande di frequenza per i principali standard WLANs. Può risultare utile che un dispositivo mobile sia dotato di un’antenna in grado di funzionare correttamente a frequenza differenti. Esistono in letteratura diverse configurazioni basate su antenna a slot anulari che risultano adatte a questo scopo.

In fig.1.11 è riportata la geometria [9] di una antenna dual-frequency.

Figura 1.11: geometria dell’antenna a slot anulare dual-frequency

La struttura consiste nel piano di massa su cui sono effettuate le aperture, uno strato di fr4, con εr=4.4 e la linea di alimentazione a microstriscia a 50Ω. L’apertura è costituita da due slot anulari concentriche di raggi medi Rin e Rout. La scelta dei valori dei raggi medi influisce sulle frequenze di risonanza. La frequenza di risonanza aumenta al diminuire del raggio medio della slot interna.

Questa configurazione risuona a due frequenze f1 ed f2, che dipendono dai valori dei raggi medi delle slot. Il dimensionamento deve essere fatto in maniera tale che il rapporto tra le frequenze di risonanza (f1/f2) sia compreso tra 1.4 e 1.74.

Quando sono verificate le condizioni appena elencate, alle due frequenze si rilevano dei broadside radiation patterns.

In [10] viene riportata una struttura che prevede ancora una linea di alimentazione a microstriscia a 50Ω, un substrato (εr=2.45, thick=0.762mm) e il piano di massa su cui è incisa la slot. Ciò che caratterizza questa configurazione

è la linea di alimentazione, come illustrato in fig.1.12. la microstriscia, si accoppia con la slot nel punto A estendendosi fino al centro della slot, da qui viene curvata di un angolo di 235gradi proseguendo fino al punto B dove si accoppia nuovamente con la slot, continuando ancora fino al punto C. La lunghezza della linea AOBC è circa pari a λg/2.

Figura 1.12: geometria della configurazione multi-frequency

La configurazione presenta tre frequenze di risonanza (f1,f2,f3) e queste sono tali per cui la circonferenza media 2πa, con a raggio medio della slot, è pari a (0.93λgs1, 1.19λgs2,1.72λgs3). Alle tali frequenze l’antenna presenta tre diagrammi di irradiazione broadside.

Fino ad ora sono state illustrate delle tecniche di progetto di antenne a slot anulari multifrequenziali per le quali la risonanza si verifica tutte e tre le frequenze contemporaneamente. In [11] è presentata una struttura costituita dalla linea di alimentazione a microstriscia a 50Ω, uno strato di Rogers RO3006 (εr=6.15) e il piano di massa su cui è effettuata l’apertura anulare. Dalla fig.1.13 si possono osservare degli stub a microstriscia posti tra la sorgente e la slot stessa.

Figura 1.13: Geometria dell’antenna a slot anulare adattata a tre frequenze differenti

Questi stub servono a controllare la parte immaginaria dell’impedenza di ingresso è agendo su di essi, si può controllare anche la frequenza di risonanza.

Tali stub sono collegati a dei diodi, per cui si può gestire la loro attivazione e sono stati ottimizzati, in termini di dimensioni e di distanza dalla sorgente.

Quando è attivo solo lo stub (1), l’antenna risuona a f=5.8GHz. Quando è attivo anche lo stub (2), l’antenna è adattata a f=5.2GHz. Se lo stub (1) fosse posto ad un’altra particolare distanza dalla sorgente, la frequenza di risonanza sarebbe pari a 6.4GHz. A tutte e tre queste frequenze l’intera struttura è ben adattata e irradia con un’elevata efficienza di irradiazione. A differenza delle configurazioni illustrate in precedenza, con quest’ultima è possibile ottenere tre differenti frequenze di risonanza, adattate una alla volta.

1.4 Applicazione per sistemi in diversità

Le antenne a slot anulari possono essere impiegate in diversi tipi di applicazioni, quali i sistemi in diversità. Questi sistemi necessitano che sia possibile riconfigurare il diagramma di irradiazione o irradiare in due polarizzazioni diverse. Un esempio di riconfigurazione del radiation pattern è mostrata in [12], in cui facendo uso di pin-diodes, opportunamente posizionati, è possibile realizzare un diagramma di irradiazione riconfigurabile. La

configurazione in fig.1.14 è costituita da un piano di massa su cui è realizzata l’apertura anulare, uno strato di dielettrico (Rogers RO3006, εr=6.15) e una linea di alimentazione a microstriscia. Il progetto prevede una slot anulare il cui raggio medio è pari a λ_s

2

3 alla frequenza di interesse, con λ_s pari alla lunghezza d’onda

in una slot trasmission line il cui spessore w è molto minore di λ_s.

Figura 1.14: geometria di un’antenna a slot anulare con pattern riconfigurabile

Si consideri un sistema di coordinate sferico. La linea di alimentazione a microstriscia è parallela all’asse y. In corrispondenza del punto di intersezione tra la linea a microstriscia e la slot si ottiene un accoppiamento magnetico e, data la circonferenza media pari a λ_s

2

3 , si verifica un nullo del diagramma di irradiazione

in direzione opposta alla linea di alimentazione in φ=90deg. Per cambiare la direzione di questo nullo del radiation pattern è possibile inserire dei corti in alcuni punti della slot.

Figura 1.15: Diagramma di irradiazione sul piano xy in seguito all’inserimento di un corto in φ=225deg

Di solito, in seguito all’introduzione del corto, si verifica un nullo del diagramma di irradiazione, sul piano xy, in direzione opposta al punto in cui è stato inserito il corto. Dai risultati ottenuti si osserva che il corto, e di conseguenza il nullo del diagramma di irradiazione sul piano parallelo a quello della slot, può essere fissato in un punto qualsiasi tra 15deg< φ<165deg. Per ottenere un pattern riconfigurabile è possibile realizzare i corti con dei pin-diodes.

Disponendo sulla slot un certo numero di pin-diodes, si ottengono altrettanti patterns diversi.

In fig1.16 è mostrato l’andamento del campo elettrico indotto sull’apertura. Data la circonferenza media della slot, pari a λ_s

2

3 , si ottengono tre

punti sull’apertura in cui il campo elettrico indotto è nullo. Uno di questi punti è imposto dalla presenza del corto, mentre gli altri due sono individuati dai vertici di un triangolo equilatero interno alla slot anulare.

Figura 1.16: (a)Distribuzione del campo elettrico quando è inserito un corto in φ=225deg.

(b)andamento delle correnti magnetiche equivalenti.

. La distribuzione di campo elettrico sull’apertura modifica il carico equivalente della linea di trasmissione a microstriscia. Per ogni possibile configurazione di pattern è quindi prevista una rete di adattamento, basata ancora una volta sull’utilizzo di pin-diodes.

Come già detto in precedenza, quando la circonferenza media dell’antenna a slot anulare è pari a circa λ, la polarizzazione del campo elettrico generato dall’antenna dipende dalla posizione e dall’orientamento della linea di alimentazione a microstriscia. Esiste un metodo [14] per rendere la polarizzazione dell’antenna indipendente dalla disposizione della linea di alimentazione. La configurazione che lo consente prevede un piano di massa su cui è ricavata l’apertura, un substrato con costante dielettrica ε_r=3.38 e la linea di alimentazione a microstriscia. Il progetto dell’antenna prevede una slot anulare con la circonferenza media 2πR=λ_g, con R raggio medio della slot e λg la lunghezza d’onda nel dielettrico, alla frequenza di interesse.

Figura 1.17: Configurazione di un’antenna a slot anulare con circonferenza media pari a λ.

(a)Linea di alimentazione parallela ad y. (b)configurazione dopo l’inserimento di due short

Dalla scelta delle dimensioni si deduce che il modo del campo indotto sull’apertura è il TM11, alla frequenza di 5.25GHz, che presenta due massimi del campo elettrico, nel punto di eccitazione (A) e in quello opposto sulla slot anulare (B), così come, se la linea a microstriscia fosse diretta lungo θ, i massimi del campo elettrico si avrebbero nel punto di alimentazione e in quello diametralmente opposto (fig.1.18b).

Figura 1.18: andamento del campo elettrico sull’apertura. (a)linea di alimentazione diretta lungo y. (b) linea di alimentazione diretta lungo θ

I punti C e D distano dai massimi del campo elettrico, nel primo caso, di una quantità pari a λg/4 e corrispondono, quindi, a dei corto circuiti virtuali.

Aggiungendo in corto circuito in questi punti (fig1.17b), l’andamento del campo elettrico varia molto poco. Si osserva che, variando l’orientazione della linea a microstriscia, il massimo del campo elettrico si ottiene nuovamente nel punto A (fig. 1.19), qui si deduce che la polarizzazione del campo elettrico generato dall’antenna non dipende dalla direzione della linea a microstriscia.

Figura 1.19: Andamento del campo con la linea di alimentazione diretta lungo θ e dopo l’inserimento dei due corti

Realizzando i corti con dei pin-diodes, anziché con degli inserti metallici, e posizionando tali diodi anche nei punti A e B, è possibile realizzare una dual polarized antenna, senza variare la posizione della microstriscia. Quando sono attivi i diodi nei punti C e D (fig. 1.17a), il campo elettrico è polarizzato lungo y, mentre se sono attivi quelli in A e B, il campo è polarizzato lungo x. Nominando i diodi con D1, D2, D3, D4, come in figura1.20, è possibile riassumere il funzionamento appena descritto:

Figura 1.20: diagramma di irradiazione dell’antenna a slot anulare quando sono attivi due diodi per volta

L’angolo θ che descrive la posizione della linea di alimentazione influisce sull’impedenza di ingresso dell’antenna. Quando θ=0°, la parte reale dell’impedenza di ingresso risulta pari a circa 300Ω. All’aumentare del valore

arrivare al valore di circa 50Ω, permettendo di raggiungere la condizione di adattamento senza ricorrere all’utilizzo di un trasformatore a λg/4.