T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
6
1.1 Antenna a microstriscia
Un’antenna a microstriscia, come mostrato in Fig.1.1,nella sua
configurazione più semplice consiste di un elemento radiante (patch) disposto
su un substrato dielettrico con una costante dielettrica relativa 10
r
Η , il quale
a sua volta è posizionato su di un conduttore. L’elemento radiante,
normalmente di rame oppure oro, può essere di qualunque forma anche se le
forme regolari sono in genere le più usate per semplificare lo studio delle
caratteristiche radiative.
piano di massa
substrato dielettrico
elemento radiante o patch
Fig. 1.1 – Configurazione di un’antenna a microstriscia
Nel caso ideale, la costante dielettrica,
r
Η, del substrato dovrebbe essere
sufficientemente bassa ( 2.5
r
Η ) al fine di aumentare il campo
irradiato,sebbene in alcuni casi e per particolari prestazioni è preferibile
adoperare un 4
r
Η !. Gli elementi radianti, poi,vengono raggruppati per dar
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
7
luogo ad un allineamento che può essere sia di natura monodimensionale sia di
natura bidimensionale.
1.2 Possibili configurazioni di un’antenna a microstriscia
Le antenne a microstriscia possono assumere svariate forme geometriche
di diverse dimensioni [15]. Tali antenne possono essere divise in 3 categorie di
base: le microstrip patch antennas, le antenne a microstriscia a onda viaggiante
e le microstrip slot antennas. Le caratteristiche di ognuna di queste categorie è
analizzata qui di seguito.
1.2.1 Microstrip patch antennas
Una microstrip patch antennas (MPA) consiste di un elemento
conduttore piano su un lato di un substrato dielettrico il quale presenta
dall’altro lato un piano di massa. Ci sono un numero virtualmente illimitato di
modelli di patch per i quali le caratteristiche di irradiazione potrebbero essere
calcolate [15]. Varie configurazioni possibili sono mostrate in Figura 1.2 e 1.3.
quadrata
circolare
Fig 1.2 – Varie configurazioni di un’antenna a microstriscia
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
8
rettangolare ellissoidica
pentagonale
ad anello
triangolare
semi disco
semi
anello
disco con
slot
triangolo rettangolo -
isoscele
anello
ellissoidico
Fig 1.3 – Altre possibili geometrie
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
9
1.2.2 Antenna a microstriscia a onda viaggiante
Un’antenna microstrip a onda viaggiante (MTA) consiste di un
conduttore la cui struttura è ripetuta periodicamente o, in alternativa, di una
linea TEM di lunghezza ordinaria la quale potrebbe supportare anche un modo
TE, il tutto montata su un lato di un substrato dielettrico che presenta dall’altro
lato un piano di massa. La caratteristica principale di un’antenna che supporta
un’onda viaggiante, è che la sua struttura potrebbe essere realizzata in modo
che il fascio principale sia possibile in ogni direzione dal broadside all’end-
fire. Vari tipi di configurazioni di MTA sono mostrate in Figura 1.4.
Fig 1.4 – Configurazioni di antenne a microstriscia ad onda viaggiante
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
10
1.2.3 Microstrip slot antenna
Una microstrip slot antenna consiste di una fessura (o slot) nel piano di
massa che viene alimentata da una linea a microstriscia. Le slot più comuni
sono quelle di forma rettangolare o circolare come mostrato in Figura 1.5.
Slot sottile Slot ad anello circolare
Slot con patch circolareSlot larga
Fig 1.5 –Microstrip slot antenna
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
11
1.3 Vantaggi e limitazioni di un’antenna a microstriscia
Le antenne a microstriscia presentano numerosi vantaggi se confrontate
con le convenzionali antenne a microonde e perciò molte delle applicazioni
sono possibili nel range di frequenza che va da circa 100 MHz a circa 100GHz.
Alcuni dei principali vantaggi delle antenne a microstriscia rispetto alle
convenzionali antenne a microonde sono:
ξ Basso peso;
ξ Piccoli volumi;
ξ Configurazioni con profili sottili;
ξ Possono essere facilmente installate su vettori e satelliti senza che vi
siano alterazioni di alcun tipo sul profilo dell’antenna stessa ne del
mezzo su cui vengono installate;
ξ Bassi costi di produzione;
ξ Possibili polarizzazioni lineari e circolari con semplici cambiamenti
della posizione dell’elemento di alimentazione (feed);
Le principali limitazioni sono:
ξ Larghezza di banda limitata;
ξ Le antenne a microstriscia possono irradiare in un solo semispazio;
ξ Scarse prestazioni per radiazione di tipo end-fire;
ξ Basso isolamento tra il feed e l’elemento radiante;
ξ Guadagni più bassi di circa 6dB;
ξ Grandi perdite ohmiche nella struttura di irradiazione di una schiera di
patch.
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
12
Queste limitazioni possono però essere minimizzate con opportuni
accorgimenti. Per esempio la larghezza di banda può essere incrementata di
oltre il 60% usando speciali tecniche mentre il problema relativo al basso
guadagno può essere risolto attraverso una configurazione ad array.
1.4 Applicazioni
Per molte applicazioni pratiche, i vantaggi delle antenne a microstriscia,
descritti in precedenza,incidono decisamente di più rispetto alle limitazioni.
Oggigiorno, infatti, il campo delle applicazioni delle antenne a microstriscia
può essere considerato in continua espansione anche se ci sono svariati settori
in cui le antenne a microstriscia sono già state applicate con successo. Con le
continue ricerche e il crescente uso delle antenne a microstriscia ci si aspetta
che nei prossimi anni esse sostituiscano le convenzionali antenne in molte
applicazioni. Alcune applicazioni per le quali le antenne a microstriscia sono
state implementate sono:
ξ Le comunicazioni satellitari.
ξ Radar.
ξ Strumenti ambientali e sensori per il telerilevamento.
ξ Ricevitori di navigazione satellitare.
ξ Radiatori biomedicali.
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
13
1.5 Radiazione di un’antenna a microstriscia
Il campo irradiato da un’antenna a microstriscia può essere facilmente
analizzato se si considera il semplice caso di un elemento di forma rettangolare
posto ad una frazione di lunghezza d’onda al di sopra del piano di massa come
mostrato in Figura 1.6 (a) Assumendo che non ci siano variazioni di campo
elettrico attraverso il substrato e la struttura a microstriscia, la configurazione
di campo elettrico può essere rappresentata come mostrato in Figura 1.6 (b).
Occorre notare, che il campo varia lungo la lunghezza del patch (la quale è di
circa λ/2) con un andamento di tipo sinusoidale.
La radiazione potrebbe essere attribuita in gran parte al campo confinato
dai bordi del patch,i quali si presentano come dei circuiti aperti. Il campo può
essere scomposto nelle sue componenti normale e in quella tangenziale rispetto
al piano di massa. Le componenti normali non sono in fase (essendo il patch
lungo 2 Ο ), per cui il campo prodotto in zona lontana da esso è nullo nella
direzione normale alla superficie della struttura broadside.
Le componenti tangenziali (cioè quelle parallele al piano di massa ),
invece, sono in fase e la combinazione di tali componenti dà il massimo campo
irradiato nella direzione broadside.
Per tale motivo il patch potrebbe essere anche rappresentato da due fessure
distanziate di 2 Ο , eccitate in fase e che irradiano esclusivamente nel
semispazio superiore al piano di massa.
Nel caso in cui l’intensità del campo presenti una variazione lungo lo
spessore del patch, il singolo elemento dell’antenna potrebbe essere
rappresentato da quattro fessure situate lungo il perimetro del patch.
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
14
piano di massa
substrato
Patch
feed
W
h
(a) vista frontale
/2 Ο
/2 Ο
h
r
Η
(b) vista laterale
Fig. 1.6 –Antenna a microstriscia con patch di forma rettangolare
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
15
1.5.1 Campo irradiato da un’antenna a microstriscia
Come ben noto, il campo irradiato da un’antenna dipende dalla
distribuzione di corrente sull’antenna stessa [21]. Tale distribuzione di corrente
non è però univoca. In Figura 1.7 sono mostrate 3 diverse distribuzioni di
corrente di superficie sia di tipo elettrico che di tipo magnetico. In modo del
tutto equivalente, il campo in zona lontana può anche essere calcolato
considerando solo una corrente magnetica M nell’ipotesi che il conduttore sia
un conduttore elettrico perfetto come mostrato in Figura 1.7 (b) oppure
considerando solamente la corrente elettrica K nell’ipotesi che il conduttore
sia un conduttore magnetico perfetto (Figura 1.7(c)).
La formulazione di quest’ultimo caso è giustificata sulla base delle
condizioni al contorno [21, 22]:
0En
nH K
υ
υ
(1.1)
dove
n è il vettore unitario normale alla superficie , E ed H sono
rispettivamente il campo elettrico e magnetico tangenziale all’antenna.
Altre tipologie di sorgenti di correnti equivalenti sono mostrate in Figura
1.8. Anche queste sorgenti producono il campo lontano nel semispazio
superiore al patch e campo nullo al di sotto del piano di massa. In Figura 1.8
(a) sono state considerate sia le correnti elettriche che quelle magnetiche.
Questa situazione è del tutto equivalente a considerare solo la corrente
magnetica più un conduttore elettrico perfetto come mostrato in Figura 1.8 (b).
La Figura 1.8 (c) mostra un’altra configurazione con l’uso del principio
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
16
delle immagini [21, 22]. In questo caso il conduttore perfetto è rimosso e la
densità di corrente magnetica superficiale è raddoppiata. Sebbene, come ben
noto, l’immagine dovrebbe essere presa rispetto al piano di massa, essa è presa
rispetto alla parte superiore della superficie del substrato essendo h Ο .
patch
dielettrico
piano di massapiano di massa
\2 Ο
MMK
KK
K
campo nullo
M
M
campo nullo
dielettrico
dielettrico
conduttore perfetto
conduttore perfetto conduttore perfetto
dielettrico
dielettrico
conduttore magnetico perfetto conduttore magnetico perfetto
campo nullo
K
K
KK
K
K
(c)
(b)
(a) KeM
Solo M con conduttore elettrico perfetto
Solo K con conduttore magnetico perfetto
Fig. 1.7 - Tre modelli di sorgente di correnti superficiali
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
17
K e M
Solo M con conduttore elettrico perfetto
Solo K con conduttore magnetico perfetto
patch
campo nullo
MMM MMM
KK
campo nullo
MMM MMM
conduttore elettrico perfetto
campo nullo
2M
2M
(a)
(b)
(c)
Fig. 1.8 - Altri tre modelli di sorgente di correnti superficiali che
producono lo stesso campo in zona lontana
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
18
Patch
dielettrico
piano di massa
E
H
K
:
:
:
:
Fig. 1.8 - (d) Campi e densità di corrente superficiali in prossimità del bordo
radiante di un’antenna a microstriscia
In questo caso il piano di massa è considerato infinito essendo esso
generalmente di dimensioni pari ad un multiplo di λ. Inoltre per angoli
prossimi al piano di massa, gli effetti della diffrazione non possono essere
considerati.
In tutti i sei casi presentati precedentemente, è di fondamentale
importanza conoscere accuratamente le distribuzioni di corrente al fine di poter
valutare con estrema precisione il campo in zona lontana. Nell’ipotesi in cui il
materiale dielettrico è isotropico, omogeneo e senza perdite e la conduttività
del conduttore a microstriscia e del piano di massa sono infinite, le correnti
superficiali possono essere scritte in termini di campo elettrico tangente
t
E e
di campo magnetico tangente
t
H come:
t
EnM υ (1.2 a)
t
nH K υ (1.2 b)
dove
n è il versore normale alla superficie,Figura 1.9 (d).
T. Contarino: “Allineamenti adattativi basati su elementi a microstriscia”
19
Per semplicità le correnti sulla superficie inferiore e superiore del patch
sono considerate, con buona approssimazione, identiche. Le funzioni potenziali
forniscono il metodo più semplice per determinare i campi radiati in zona
lontana dovute alle correnti superficiali. Come prima ipotesi si assume che
esista solo la corrente elettrica. Il campo elettrico e magnetico in un generico
punto (, , )Pr − Μ nel semispazio rh ! ! può essere scritto come:
() ( )
e
j
Er A jA Ζ
Ζ Π Η
(1.3)
1
()
e
Hr A
Π
υ (1.4)
dove Η è la permittività e µ è la permeabilità dello spazio libero, l’apice “ e ”
indica il campo dovuto al campo elettrico, e il vettore A è il potenziale vettore
magnetico dato da:
0
|'|
(') '
4
|'|
jk r r
S
e
AKr ds
rr
Π
Σ
≥ ≥
(1.5)
dove
0
k è il numero d’onda dello spazio libero e (')Kr è la densità di corrente
elettrica in un punto 'r , come mostrato in figura 1.9(a). Così come è noto, le
coordinate prime vengono usate per indicare il punto di locazione della
sorgente mentre quelle senza apice vengono usate per localizzare un generico
punto del campo. In modo del tutto analogo a quanto fatto in precedenza,
indicando con F il potenziale vettore elettrico, il campo dovuto alle correnti
magnetiche può essere scritto come:
Ricevi informazioni sui nostri servizi, sulle offerte e non perdere news e consigli su università e lavoro.
