Progetto e realizzazione di antenne per sistemi Ultra WideBand

Introduzione 6
tano la principale motivazione di questo lavoro di tesi. L’obbiettivo che ci
siamo posti e` lo sviluppo di competenze nel campo di sistemi UWB, con
particolare riguardo alle problematiche connesse alle antenne.
In questo caso, si e` mirato alla messa a punto di criteri efficaci e ripetibili
per il progetto, la realizzazione e la misura di antenne UWB.
Nel primo capitolo di questa tesi, quindi, si descriveranno gli aspetti salienti
dei sistemi UWB fra cui principi, struttura, modulazioni, storia e normativa.
Nel secondo capitolo si presentera` una descrizione delle antenne comunemente
utilizzate per sistemi UWB. In particolare si confronteranno i parametri che
caratterizzano un’antenna classica con quelli di un’antenna UWB, che risulta
avere caratteristiche molto particolari: banda estremamente ampia, disper-
sione del segnale minima ecc. . . .
Nel terzo capitolo si passera` ai risultati della progettazione di tre antenne
UWB, effettuata col programma HFSS. La prima antenna considerata, e`lo
sviluppo di un’antenna conica e rappresenta una ottima scelta per quanto
riguarda le prestazioni. Le altre due, la single ended antenna (SEA) e la
coplanar waveguide fed disc antenna (CPW-FDA), rappresentano un ottimo
compromesso fra prestazioni, compattezza e costi.
Infine l’ultimo capitolo sara` dedicato alla descrizione della realizzazione delle
due antenne planari progettate ed ai risultati delle loro misure. In parti-
colare verranno illustrate le diverse tecniche di misura di un’antenna UWB
ed il confronto con le misure classiche, ed ultimo, i risultati delle misure ef-
fettuate nel laboratorio di Microonde dell’Universita` di Pavia. Seguono le
conclusioni.
Capitolo 1
Sistemi Ultra WideBand
1.1 Breve storia sull’Ultra WideBand
Le origini della tecnologia Ultra WideBand risalgono al 1962, quando si
vollero descrivere le caratteristiche di alcune classi di reti a microonde nel
dominio del tempo, attraverso lo studio della loro risposta ad un impul-
so [1],[2],[3]. Invece di caratterizzare un sistema lineare tempo invariante
(LTI) attraverso modulo e fase della funzione di trasferimento, esso pote-
va essere completamente analizzato studiando la sua risposta ad un impulso
h(t). Naturalmente solo con lo sviluppo della tecnologia, ed in particolare con
l’avvento dell’oscilloscopio campionatore (Hewlett-Packard), questo metodo
d’analisi divenne attuabile. Dal 1962 in poi ci sono stati diversi contributi:
Harmuth alla Catholic University of America, Ross e Robbins alla Sperry
Rand Corporation, Van Etten allo USAF’s Rome Air develepment Center ed
in Russia. Tra il 1968 ed il 1984 Harmuth rese di publico dominio gli schemi
base dei trasmettitori e ricevitori UWB. Intanto Robbins nel 1972 invento`un
ricevitore per impulsi corti e Ross nel 1973 ottenne il primo brevetto relativo
a comunicazioni UWB; i due tra il 1972 ed il 1987 utilizzarono questa tecnolo-
gia in innumerevoli aree di applicazione, dalle telecomunicazioni ai radar. Nel
1974 Morey progetto` un sistema radar sottosuperficiale basato sulla tecnolo-
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Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 8
gia UWB denominato Geophisycal Survey Sistem, che ebbe molto successo.
Tra gli anni sessanta e settanta lo sviluppo di questa tecnologia rimase sem-
pre molto legata ai progressi delle grandi case produttrici di strumenti di
diagnostica nel dominio nel tempo come la Hewlett Packard e la Tektronix.
Solo dagli anni settanta in poi lo sviluppo dell’UWB non ebbe piu` ostacoli di
tipo tecnologico: infatti, dal 1975 i sistemi UWB di comunicazione e radar
poterono essere costruiti direttamente con componenti distribuiti dalla Tek-
tronix.
Parallelamente ed indipendentemente dagli americani, anche i russi svilup-
parono questa tecnologia prima nell’Unione Sovietica e poi nell’odierna Fed-
erazione Russa. Gia` nel 1951 Zernov noto` le differenze tra i metodi di analisi
basati su segnali ad onda continua e metodi basati su impulsi ultra corti. Nel
1952 Kharcevitch descrisse la semplicita` dei metodi di analisi nel dominio del
tempo che utilizzano impulsi corti rispetto ad i metodi classici basati su onde
continue. Nel 1957 Astanin sviluppo` all’accademia militare delle forze aeree
Mozjaisky un trasmettitore in banda X di impulsi di 0.5 ns per lo studio
delle guide d’onda. Nel 1964, all’Istituto Radioelettronico dell’Accademia
delle Scienze dell’Urss, Kobzarev getto` le basi dell’UWB russo conducendo
test sulla propagazione indoor di impulsi ultracorti generati da radar ad alta
risoluzione. Come negli Stati Uniti, lo sviluppo dell’UWB in Russia si lega al
progresso della strumentazione e quindi alla creazione dei primi oscilloscopi
campionatori. A differenza degli americani, l’attenzione dei russi e` inizial-
mente incentrata essenzialmente sui radar; col tempo pero` le loro ricerche
cominciarono a spaziare sugli stessi campi di applicazione degli americani e
raggiunsero sostanzialmente gli stessi risultati.
Dagli anni ottanta in poi, sia in Russia che negli Stati Uniti, si conosce-
vano ormai i concetti basilari di questa tecnologia ed infatti l’UWB, piu`che
sviluppato, fu applicato in nuovi campi, quali i dispositivi di posizionamen-
to, la rivelazione di oggetti oltre i muri, in ambito medico, ma soprattutto in
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 9
campo militare. Nel 1988 Taylor inizio` a collaborare col dipartimento della
difesa degli Stati Uniti d’America e Ross insieme a Fontana progettarono,
svilupparono e realizzarono un sistema di comunicazione a bassa probabilita`
di intercettazione e rilevazione (LPI/D) per il Governo degli Stati Uniti.
Ed e` proprio nell’ambito militare di quegli anni che nacque il termine Ultra
WideBand: prima di allora, infatti, questa tecnologia aveva svariate denom-
inazioni: baseband, impulse, carrier-free, non-sinusoidal, time-domain. In
questi anni, inoltre, nacquero i primi programmi accademici (Universita` del
Michigan, Rochester, Brooklyn, ...) esimoltiplicarono le pubblicazioni sci-
entifiche che cominciarono a considerare i diversi aspetti di questa tecnologia:
modulazioni, spettro, interazioni col corpo umano, tipi di impulso, progetto
dell’antenna ecc. . . Diverse aziende si focalizzarono sull’UWB come per es-
empio: la Time-Domain, la Multispectral Solution, la Extreme Spectrum e
la Pulselink.
Fino a dieci anni fa, comunque, l’UWB e` rimasto in sordina , poco conosciuto
e forse anche ostacolato. La sua semplicita` circuitale (e quindi il basso cos-
to) e nel contempo gli enormi vantaggi che sembra offrire (altissimi bit-rate,
bassi consumi, elevata sicurezza,. . . ) lo rendono estremamente competitivo
soprattutto nel campo delle reti di comunicazione locali e personali al punto
di poter mettere in crisi standard consolidati come il WI-FI ed il Bluetooth.
Comunque le continue pressioni esercitate non solo dalle consolidate aziende
che lavorano ormai da anni sull’UWB (Time-Domain ecc. . . ), ma anche da un
numero sempre crescente di aziende importanti (Intel, Philips,Texas Instru-
ments, Samsung, . . . ), hanno portato alla gia` citata assegnazione di spettro
senza licenza da parte della FCC nel 2002. Da quel momento in poi l’inter-
esse per l’UWB e` esploso, ma soprattutto si sono moltiplicati gli investimenti
e le proposte di standard in sede IEEE, fra cui l’ormai consolidato 802.15
(WPAN).
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 10
1.2 Attivita` industriale ed accademica e prin-
cipali aree di applicazione
Una delle caratteristiche che rendono interessante questa nuova tecnologia e`
il fatto di avere innumerevoli aree di applicazione, in ognuna delle quali si
sfruttano, tutti o in parte, i diversi pregi dell’UWB. Le aree principali sono:
• Radar.
• Dispositivi di posizionamento.
• Progetti in ambito militare.
• Sistemi per la riproduzione di immagini.
• Campionamento Ultra veloce.
• Sistemi di scansione in ambito medico.
• Comunicazioni W-PAN/LAN.
Nell’elenco vengono considerate quelle aree che hanno avuto un grande svilup-
po o in cui si sta investitendo molto negli ultimi anni [4]. Noi ci soffermeremo
in particolare sull’ultima area e cioe` sulle tecniche per trasmettere infor-
mazione in ambito wirelesss. Di seguito inseriamo un elenco delle principali
aziende che commercializzano prodotti del mondo UWB [5]:
• Aether Wire & Location (USA).
– Dispositivi di comunicazione e localizzazione a bassa potenza.
– Progetti per la DARPA (Defense Advanced Research Project Agen-
cy).
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• Intel (USA).
– Trasmissioni dati UWB tra dispositivi (wireless USB).
• Skycross (USA).
– Produzione di antenne.
• Pulse-Link (USA).
– Sviluppo di una piattaforma UWB per la trasmissione video wire-
less.
– Comunicazioni a corto ed a lungo raggio (km).
• Time Domain (USA).
– Comunicazioni wireless (homeW-LAN) e radar ad alta definizione.
– Realizzazione del chipset UWB “PulseON”.
• Multispectral Solution (MSSI) (USA).
– Reti di comunicazioni ad alta velocita`
– Dispositivi radar capaci di evitare ostacoli e collisioni.
– Sistemi di trasporto intelligente.
• Freescale (Xstreme Spectrum, USA).
– Realizzazione del chipset UWB“Trinity”.
• Wisair (Israele).
– Sviluppo di chipset per comunicazioni wireless ad alte prestazioni
basate sull’UWB. I chipset della Wisair promettono connettivita`
a basso costo, basso consumo di potenza ed alti bit-rate.
Capitolo 1: Sistemi Ultra WideBand 12
• McEwan Tecnologies (USA).
– Tecnologia radar.
• Furaxa (USA).
– Campionamento ultraveloce e studio della generazione di impulsi.
• Farr-reasearch (USA).
– Studio di antenne UWB.
• IBM Zurich Reasearch lab, Rueschlikon.
– Studi sugli aspetti in banda base dell’UWB.
• Pulsicom.
– Sistemi di posizionamento.
• General Atomics.
– Sviluppo di sistemi di comunicazione basati sulla tecnicnologia
“Spectral Keying
TM
”, che rappresenta la base della proposta di
standard 802.15.3 richiesta all’IEEE.