Progetto di antenne planari multibanda per applicazioni WLAN

Introduzione 
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III 
 
Introduzione 
 
 
Nell‟ultimo decennio lo sviluppo dei sistemi informatici ha raggiunto livelli notevoli. 
Di conseguenza, l‟esigenza di permettere ad ogni sistema di comunicare con gli altri ha 
portato ad un notevole sviluppo delle reti di telecomunicazioni. Esempio per eccellenza 
è la rete Internet che è diventata il più grande mezzo di comunicazione di massa e 
sicuramente in futuro prenderà sempre più piede. E‟ possibile effettuare connessioni 
con e senza cavo; le comunicazioni wireless sono allo stato attuale uno dei settori del 
mercato industriale in maggiore espansione. Nuovi dispositivi sempre più compatti ed 
efficienti vengono progettati seguendo l‟evoluzione degli standard in continuo 
aggiornamento, diversi tra un paese e l‟altro (si pensi, per esempio, ai sistemi cellulari e 
ai diversi protocolli IEEE 802.11). A causa di questa diversità l‟antenna diventa 
l‟elemento chiave nella realizzazione del terminale portatile, dato che deve essere in 
grado di consentire il funzionamento del sistema in ciascun intervallo di frequenze. Di 
conseguenza sono stati sviluppati studi su antenne multibanda o su antenne a banda 
larga, a seconda che si intenda fornire la copertura di frequenze lontane o vicine tra 
loro rispettivamente. La soluzione ideale sarebbe un‟antenna multibanda in cui a 
ciascuna di queste frequenze corrisponda una banda larga.
Introduzione 
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IV 
L‟esigenza di portabilità del terminale mobile inoltre impone la scelta di strutture 
radianti piccole, leggere e conformi al supporto fisico al fine di agevolarne 
l‟integrabilità. Come immediata conseguenza dell‟assenza di elementi esterni, la 
struttura del terminale diventa più solida e robusta mentre contemporaneamente i costi 
si riducono. 
Nel momento in cui si intraprende lo studio dell‟antenna con l‟obiettivo di integrarla 
nel laptop, il progettista deve confrontarsi con una serie di vincoli legati al dispositivo 
nel quale l‟antenna va inserita ed al suo posizionamento. 
I laptop sono dispositivi caratterizzati da un‟altissima densità di componenti elettronici. 
Nella loro realizzazione vengono utilizzati materiali schermanti per il rispetto dei 
requisiti di emissione elettromagnetica imposti dagli organismi internazionali. La 
struttura del dispositivo ricopre un ruolo fondamentale nel progetto dell‟elemento 
radiante le cui dimensioni, forma e posizione sono soggetti a vincoli di natura 
meccanica, estetica e elettrica. L‟utilizzo di un‟antenna priva di piano di massa o con 
un piano di massa limitato, ad esempio, comporta l‟impossibilità di montarla nella base 
del laptop, in quanto i circuiti e gli elementi raccolti sulla scheda madre diventerebbero 
essi stessi parte integrante dell‟elemento radiante. Le dimensioni fortemente ridotte del 
dispositivo inoltre rendono difficile trovare al suo interno lo spazio per l‟aggiunta di 
nuovi moduli e questi dopo essere stati inseriti non sono più orientabili e 
riposizionabili. L‟antenna deve garantire un alto grado di connettività, un‟elevata 
resistenza agli urti e deve avere un diagramma di irradiazione il più possibile
Introduzione 
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V 
omnidirezionale, visto che il segnale radio può arrivare da una regione qualunque. Le 
antenne interne racchiudono molti gruppi. Ognuno di esso ha pregi e difetti per cui sta 
al progettista riuscire ad individuare, a seconda della necessità, l‟elemento più adatto. Il 
criterio di scelta è relativo al sistema elettrico richiesto ed al particolare dispositivo 
wireless in esame. In questo lavoro si è scelto di soffermarsi sulle antenne planari 
stampate in quanto sono ideali per essere prodotte in serie e per essere montate nella 
struttura di un laptop. In particolar modo ci riferiremo alle antenne a patch. 
Nel primo capitolo accenneremo agli standard utilizzati nelle applicazioni wireless 
soffermandoci sull‟ 802.11 a/b/g. Inoltre introdurremo la teoria di questi tipi di antenne 
soffermandoci sul tipo di alimentazione da adottare; infine affronteremo il concetto di 
multibanda riferendoci in particolar modo sulle antenne a patch. 
Nel secondo capitolo affronteremo il concetto di multibanda proponendo alcune 
soluzioni nel caso di antenne a microstriscia; inoltre descriveremo brevemente i codici 
utilizzati per le simulazioni. 
Nel terzo capitolo presenteremo i risultati relativi alle migliori simulazioni effettuate: 
partiremo dalle antenne riconfigurabili, proseguiremo con le strutture a singolo patch e 
concluderemo con quelle a due elementi radianti. Concludendo accenneremo alla 
possibilità di realizzare un prototipo. 
Nelle conclusioni riporteremo alcune considerazioni sui risultati migliori ottenuti e gli 
sviluppi futuri nel campo delle WLAN.
Introduzione 
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VI
Capitolo1 
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                                                       Capitolo 1 
Applicazioni in sistemi WLAN
Applicazioni in sistemi WLAN 
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Capitolo1 
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Reti wireless e regolamentazione CEPT e FCC 
 
La diffusione dei personal computer e la naturale evoluzione tecnologica, dettata dalla 
ricerca di sempre maggiore flessibilità, associata alle esigenze di mobilità, ha portato 
alla nascita di standard basati su collegamenti di tipo wireless. Questi si vanno 
affermando grazie agli indiscutibili vantaggi che tali dispositivi offrono uniti a nuovi 
servizi e risorse di grande interesse attuale di cui sono capaci questi sistemi. L‟utilità di 
un collegamento wireless può manifestarsi nelle più svariate situazioni: 
 nei piccoli uffici, per creare in poco tempo e senza troppo ingombro una rete 
locale. 
 nelle grandi aziende, per offrire la connessione in rete locale, rapidamente, agli 
utenti dotati di computer portatile. 
 nell‟industria, per le aree difficilmente raggiungibili tramite cablaggio 
tradizionale. 
 per collegamenti su breve distanza, come dimostra il proliferare di accessori per 
laptop (tastiera e mouse collegati senza fili etc.. ) 
E‟ necessario però tener presente che connettere tra loro i computer di un‟azienda è 
cosa ben diversa che consentire il collegamento senza fili, ad esempio, di un mouse al 
laptop. Nel primo caso bisogna garantire coperture maggiori, velocità di trasmissione 
più elevate e predisporre contromisure ad una propagazione che avverrà per riflessioni 
multiple; nel secondo caso è sufficiente una copertura radio dell‟ordine del metro,
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ottenibile con una connessione a bassa potenza (e basso costo). E‟ dunque opportuno 
analizzare gli standard wireless oggi più usati e studiarne le caratteristiche di 
trasmissione (banda, portata, potenza, tecniche di modulazione), per poter definire le 
peculiarità che deve avere l‟antenna (o le antenne) da installare sui dispositivi. Per 
quanto riguarda le reti wireless si possono distinguere tre categorie: 
 i (WPAN (Wireless Personal Area Network). Sono reti adatte 
all‟interconnessione di apparati, stampanti, modem, etc.. ) all‟interno di una 
stanza o comunque in un ambiente di piccole dimensioni. 
 WLAN (Wireless Local Area Network). Sono reti le cui dimensioni sono 
limitate ad un‟area locale (gli uffici di un‟azienda) in cui i vari dispositivi 
possono comunicare senza l‟ausilio di cavi. 
 WWAN (Wireless Wide Area Network). Sono reti non circoscritte a un ambiente 
o una città ma che si estendono su regioni più vaste. 
Noi ci riferiremo in particolare alle WLAN.  
Le reti locali wireless sono la naturale evoluzione delle reti locali tradizionali. 
L‟intenzione è stata quella di mantenere tutte le caratteristiche delle reti cablate in 
termini di efficienza, sicurezza, robustezza delle trasmissioni sfruttando tutti i vantaggi 
dell‟assenza del cavo. 
I servizi offerti sono gli stessi delle reti cablate e prevedono lo scambio di dati di vario 
genere. La copertura varia a seconda delle funzionalità della rete e va da 10 metri per le 
reti PAN (Personal Area Network) fino a 1500 kilometri per le GAN (Global Area
Capitolo1 
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Network). Di seguito dopo aver precisato le normative che regolano l‟uso delle 
frequenze e stabiliscono i limiti sulla potenza emessa, verranno definite le specifiche 
dei vari standard. 
In Europa, la regolamentazione delle frequenze è affidata alla CEPT (Conférence 
Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications); l‟analogo 
Ente che opera negli Stati Uniti è l‟FCC (Federal Communications Commission).  
Le principali bande di frequenza assegnate dalla CEPT per le reti wireless sono quelle a 
2,4 GHz (banda ISM) e a 5 GHz (figura 1.1) [1].  
Alle bande ISM (Industrial Scientific Medical) si attribuisce lo status normativo di 
bande “esenti da licenza”, definizione che non deve essere considerata sinonimo di 
“non regolamentate”. In effetti, l‟uso delle bande ISM, di norma concesso in condizioni 
di limitazione sulla potenza massima emessa, in moltissimi Paesi non richiede una 
licenza governativa per un‟assegnata classe di applicazioni; l‟uso da parte di ogni altra 
applicazione, di norma, richiede la licenza o, quantomeno, l‟autorizzazione. Lo status 
normativo delle bande ISM ha incoraggiato significativi investimenti in applicazioni 
che non richiedono di accedere a procedure di acquisizione di licenza complesse, 
costose e dall‟esito spesso incerto. In particolare, in ambito europeo, la decisione CEPT 
ERC/DEC/ (01) 07 ha destinato la banda di frequenze 2400,0 ÷ 2483,5 MHz per un 
impiego con dispositivi della categoria SRD (Short Range Device), tra cui gli apparati 
usati per applicazioni WLAN, e ha ratificato la decisione di esonerare tali apparati dalla 
necessità di licenza individuale [1]. Le bande ISM sono impiegate per sistemi di
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identificazione a radiofrequenza (Radio Frequency Identification Device, RFID), 
dispositivi di comunicazioni a corto raggio e a bassa potenza per collegamenti audio, 
video e dati (inclusi WLAN, Bluetooth e HomeRF), sistemi di telecomando e 
telecontrollo ecc.. Queste bande sono anche interessate dalle radiazioni di sistemi 
elettrici ed elettronici tra i quali alcuni sistemi di illuminazione e forni a microonde. 
Considerate le modalità d‟uso non coordinato e non sorvegliato delle bande, si opera 
tipicamente in condizioni di interferenza imprevedibile e incontrollabile: si pone, 
pertanto, un problema di coesistenza di sistemi differenti. Nei casi in cui ciò rappresenti 
un problema, si potranno realizzare sistemi WLAN a standard IEEE 802.11a (o a 
standard HiperLAN/2) alle frequenze, non di tipo ISM, intorno a 5 GHz che offrono 
una larghezza di banda, e quindi una capacità di traffico, più ampia e che renderanno 
meno critici i problemi di interferenza che si presentano nelle bande ISM [1]. 
 
HIPERLAN = 
HomeRF  =       
SRD = 
WLAN = 
N-SRD =
HIgh PErformance Radio Local Area Network
Home Radio Frequency
Short Range Devices
Wireless Local Area Network
Non-specific Short Range Devices
Potenza (mW)
e.i.r.p.
1000
200
5,150 5,350 5,470 5,725
Frequenza
(GHz)
2,4 2,4835
SRD 10
100
N-SRD
5,825
WLAN, Bluetooth, 
HomeRF
HIPERLAN/2
HIPERLAN/2
ISM
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Fig. 1.1: Bande di frequenze CEPT per le WLAN