Antenne planari a slot per applicazioni UWB con filtro elimina banda

Introduzione
Negli ultimi anni si è assistito ad uno sviluppo sempre crescente delle applicazioni
a radiofrequenza, dalle comunicazioni wireless, ai radar ad elevata risoluzione fino ai
sistemi di posizionamento globale. La tecnologia Ultra Wide Band (UWB), descritta
nello standard IEEE 802.15.3a come tecnica di trasmissione nelle reti wireless a corto
raggio ed elevato data-rate, HR-WPAN (High Rate-Wireless Personal Area Network),
sembra molto promettente per il prossimo futuro, essendo caratterizzata dall’utilizzo di
una banda molto larga (3.1-10.6 GHz) con ridotta densità spettrale di potenza. Queste
caratteristiche rendono i sistemi UWB molto attraenti sia per il trasferimento di dati ad
elevato bit-rate su brevi distanze, che per le misure di tempo di volo del segnale necessarie
in sistemi di localizzazione, ed in molte altre applicazioni. La ridotta durata degli impulsi
trasmessi permette di ottenere elevata immunità a fenomeni di fading, mentre la bassa
densità spettrale di potenza, inferiore al livello del rumore di fondo, si traduce in assenza
di interferenza verso i sistemi a banda stretta che operano nello stesso range di frequenza.
Tuttavia per evitare possibili interferenze con altri sistemi wireless che possono trovarsi
nelle immediate vicinanze (LAN, WLAN ), una caratteristica spesso desiderabile per le
antenne UWB è quella di possedere una banda che ricopra il range 3.1 - 10.6 GHz non in
maniera estesa, ma con un’interruzione in prossimità dei 5 GHz. Infatti l’uso della banda
5.15 - 5.825 GHz è assegnato agli standard IEEE 802.11.a e HIPERLAN/2, e poiché il
livello di potenza per i sistemi WLAN risulta circa 70 dB più alto rispetto a quello dei
sistemi UWB, questi ultimi risulterebbero penalizzati in termini di interferenza intorno a
quellafrequenza. Ottenereuntroncamentodellabandaa5GHzdiventaquindiunaspetto
molto utile ai fini di un più efficiente funzionamento dell’antenna UWB. Ed è proprio in
questo contesto che nasce il nostro studio. Scopo del lavoro di tesi proposto è lo studio
simulativo-sperimentale di antenne planari in tecnologia a microstrip, con slot circolare
di raggio 15 mm, che rispecchiano le caratteristiche dello standard Ultra Wide Band
(UWB), realizzate su due tipi di substrati dielettrici, RT/Duroid 5870 a bassa costante
iv
INDICE
dielettrica ed RT/Duroid 6006 ad alta costante dielettrica, caratterizzate le ultime, da
un filtro elimina banda centrato alla frequenza di 5,45 Ghz. Le antenne sono alimentate
tramite una guida d’onda coplanare (CPW) a 50 Ohm . La tesi è così articolata:
† Nel primo capitolo, dopo qualche cenno storico, viene presentata la tecnologia a mi-
crostripattraversoun’accuratadescrizioneteoricavoltaallacomprensionedelleleggi
che ne regolano il comportamento. Vengono elencate ed analizzate le varie tipolo-
gie di antenne, i materiali utilizzati, le tecniche di alimentazione, approfondendo
in particolare le Coplanar Waveguides, che è il tipo di alimentazione utilizzata nel
nostro studio di tesi, senza tralasciare la componente fisica del problema, ovvero
la descrizione in termini della propagazione della radiazione, analisi campistica e
fattori di perdita energetica nelle strutture radianti;
† Nel secondo capitolo presentiamo i vari metodi numerici utilizzati per l’analisi dei
campi elettromagnetici, ed in particolare focalizzeremo la nostra attenzione sul
metodo FIT, acronimo di Finite Integration Technique, uno dei migliori metodi di
discretizzazione numerica per la simulazione di campi elettromagnetici. Su questo si
basa il funzionamento del simulatore da noi utilizzato, il CST MicroWave Studio, di
cui faremo un descrizione generale, soffermandoci sull’importanza della generazione
del mesh e dei vari metodi che ci sono per definirla.
† Nel terzo capitolo si affronta lo studio di due antenne a slot circolare alimentate
mediante guida d’onda coplanare terminante una con stub rettangolare e l’altra con
stub circolare. Queste vengono realizzate sul substrato dielettrico RT/Duroid 5870.
Lo studio si sviluppa in diversi step: a partire dall’analisi del substrato si prosegue
con il dimensionamento della porta, con la scelta del mesh ed infine con il processo
di ottimizzazione delle antenne.
† Nelquartocapitolosiaffrontalostudiodidueantenneaslotcircolare, identicamente
a quello effettuato nel capitolo precedente, con l’unica differenza che le antenne
sono realizzate su un substrato diverso, e cioè l’RT/Duroid 6006. Entrambe le
antenne sono alimentate tramite guida d’onda coplanare terminante una con stub
rettangolare e l’altra con stub circolare.
† Nel quinto capitolo viene presentata la problematica relativa all’inserimento del
connettore nelle strutture precedentemente studiate, esponendo in particolare le
v
INDICE
varie soluzioni possibili. Questo è l’ultimo passo per lo studio dell’antenne, dopo il
quale si effettuerà un confronto tra i risultati ottenuti.
† Nel sesto capitolo affronteremo la progettazione e la realizzazione di un filtro elimina
banda centrato alla frequenza di 5.45 GHz su una delle antenne precedentemente
studiate che ricoprono lo standard UWB. Il capitolo si concluderà con le misure ef-
fettuate sull’antenna realizzata, che verranno poi confrontate con i risultati ottenuti
dalle simulazioni.
vi
Capitolo 1
La struttura a Microstrip, il suo
funzionamento, i vari usi.
1.1 Tecnologia a Microstrip: dalla nascita ad oggi
Le microstrip sono circuiti stampati che operano nel range delle microonde, sopra
la regione dei gigahertz dello spettro elettromagnetico. Realizzate con processo fotoli-
tografico, esse permettono ai progettisti di ridurre dimensioni, peso e costo di componenti
e sistemi per applicazioni di basso livello di segnale, sostituendo i più ingombranti com-
ponenti a guida d’onda tutte le volte che la frequenza o il livello di potenza del segnale
lo permettano. Il processo di fabbricazione è molto adatto per la produzione in serie di
circuiti e antenne, poiché un circuito a parametri concentrati e dispositivi attivi possono
facilmente essere combinati con sezioni di linee di trasmissione. Alle frequenze delle mi-
croonde, tutte le dimensioni diventano importanti, quindi la realizzazione di microstrip
richiede più attenzione di quella di circuiti stampati a bassa frequenza.
I primi circuiti stampati per microonde, apparvero agli inizi degli anni 50 negli Air-
bone Instruments Labs (Long Island, New York) da Barrett, ed erano stripline, costituite
da una sottile striscia conduttrice posta fra due piatti dielettrici metallizzati sulla parte
esterna. Il compito delle stripline non era quello di irradiare ma di fare da guida. Poiché
la perdita di radiazione è un fenomeno molto indesiderato nei circuiti, particolare cura fu
data per evitarla, anche se era già stata avanzata l’idea di una sua possibile applicazione
per progettare antenne. Il concetto di antenne stampate, infatti, era stato originaria-
mente proposto per la prima volta da Deschamps nel 1953 anche se, a causa dei materiali
poco adatti per una loro buona realizzazione, solo 20 anni più tardi si ebbero le prime
1
1.1 Tecnologia a Microstrip: dalla nascita ad oggi
realizzazioni ed utilizzazioni di antenne di questo tipo. La necessità di avere strutture
di piccole dimensioni e facilmente adattabili ad esempio su missili e veicoli aerospaziali
diede inizio ad un rapido sviluppo di questa tipologia di antenne. Attualmente, gli ambiti
applicativi di queste antenne, sono in costante crescita. Esse stanno riscontrando grande
interesse anche nel settore commerciale grazie al basso costo dei materiali, quali quelli per
la realizzazione del substrato dielettrico.
La principale differenza tra la microstrip line e il radiatore a microstrip, come si può
osservare dalle figure 1.1 e 1.2, è di tipo strutturale. Infatti la microstrip line è una stretta
e lunga striscia conduttrice in cui il campo viene guidato nella direzione longitudinale. Il
radiatore invece, poichè progettato per ottenere lo scopo opposto, possiede entrambe le
dimensioniparagonabiliallasemi-lunghezzad’ondaealvariaredellasuaformageometrica
si riescono ad avere i vari moti risonanti.
Figura 1.1: Sezione trasversale della struttura a stripline.
Figura 1.2: Sezione trasversale della struttura a microstrip.
La stripline è una struttura bilanciata ed omogenea, con la maggior parte dei campi
contenuta all’interno del dielettrico, e le onde che si propagano nelle stripline sono di
tipo trasverso-elettromagnetico (TEM), rendendo più semplice l’analisi e il progetto dei
componenti. La struttura a microstrip fu ottenuta rimuovendo un piatto dielettrico della
stripline. Fu descritta per la prima volta nel 1952 in due articoli guida. La struttura
risultante non è né bilanciata né omogenea. Essa è aperta in lungo e in largo ed è quindi
adatta a perdere energia per radiazione, in particolare quando è realizzata su substrati a
2
1.1 Tecnologia a Microstrip: dalla nascita ad oggi
bassa permittività per circuiti integrati, disponibili a quel tempo. Quindi, le microstrip
line presentano una grande insertion loss, che per parecchio tempo ha limitato il loro
uso pratico nelle applicazioni alle microonde. Poiché la tecnologia dei substrati dielettrici
ad alta permittività e a bassa perdita si è evoluta durante gli anni ’60, l’uso dei circuiti
a microstrip è aumentato rapidamente. A causa della loro natura non omogenea, le
microstrip sono più difficili da analizzare rispetto alle stripline.
Alcuni anni dopo, nel 1969, sono state sviluppate altre due linee planari, nelle quali
tutti i conduttori sono posti sopra lo stesso lato del substrato dielettrico: la slotline e la
coplanar line.
Figura 1.3: Sezione trasversale della struttura a slotline.
Figura 1.4: Sezione trasversale della struttura a coplanar line.
Laslotlineconsistediunsingoloslotnellametallizzazioneedèunalineaditrasmissione
dispersiva. Le coplanar line sono fatte con due slot paralleli di uguale larghezza e si
comportano come linee bilanciate quando gli strati conduttori su entrambi i lati sono
tenuti allo stesso potenziale (ground plane).
3