Analisi e progetto di antenne stampate attive

Introduzione
13
Tuttavia, i dispositivi allo stato solido offrono gi  ora la potenzialit  di un
miglioramento di svariati ordini di grandezza in affidabilit  e in riduzione di
dimensioni, peso e richiesta di un basso livello di tensione di alimentazione.
La potenza di uscita di un singolo dispositivo allo stato solido Ł purtroppo limitata
da problemi termici e di impedenza che diventano tanto piø determinanti nel
comportamento del dispositivo quanto piø elevata Ł la frequenza di lavoro. Di qui la
necessit  di combinare insieme le uscite di diversi diodi o transistori in maniera tale da
raggiungere i livelli di potenza richiesti dalla particolare applicazione.
Tante e differenti sono state le tecniche di combinazione della potenza nel campo di
frequenze a microonde e millimetriche negli ultimi 20 anni. Le tecniche piø usate  sono
sostanzialmente quattro, e dipende dal livello in cui tale combinazione Ł attuata: a
livello di chip, di circuito, spaziale o un insieme delle tre soluzioni. La grossa categoria
della combinazione a livello di circuito pu  essere ancora divisa in combinatori
risonanti (che si servono di cavit  risonanti in guida l onda rettangolare e cilindrica) e
non risonanti (accoppiamento ibrido, guida d onda conica, linee radiali e combinatori
Wilkilson). Purtuttavia, il grande svantaggio di questi approcci per l accoppiamento
della potenza risulta ancora essere l efficienza non elevata dovuta alle perdite delle
strutture.
La tecnica della combinazione di potenza nello spazio, tipica delle frequenze quasi-
ottiche, permette di avere efficienze maggiori.
Ci sono due differenti modi di avvicinarsi allo studio della combinazione spaziale di
potenza secondo metodi  quasi ottici : l approccio detto ad antenna attiva ( active
antenna approach) e quello a griglia (grid approach).
Il problema della combinazione spaziale della potenza si presenta soprattutto quando
si devono sincronizzare piø antenne di una stessa schiera.
Una schiera di antenne attive, ognuna delle quali Ł di fatto un oscillatore accoppiato
con gli altri, che integra sorgenti di potenza allo stato solido in una struttura periodica
combinando spazialmente la potenza, Ł un esempio di studio che segue il primo
approccio.
Esso richiede il progetto e l ottimizzazione di ciascun elemento indipendentemente
da tutta la schiera. In tal modo la singola unit  pu  essere integrata nella struttura
avendo cura di combinare spazialmente la potenza. D ora in avanti, nell esposizione
delle configurazioni, si intender  la schiera studiata secondo questo punto di vista.
Secondo questo filone di studio sono state  analizzate le schiere di antenne attive
riportate nel seguito.
Nell approccio a griglia invece, la schiera viene considerata come se fosse una
griglia di elementi molto corti spaziati tra loro da distanze molto minori di una
lunghezza d onda. Anche se di ciascuna cella della schiera possa esserne fatto il modello
ad antenna attiva consistente in un dispositivo attivo e una antenna molto corta,
l accoppiamento mutuo Ł cos  forte che la griglia deve essere analizzata utilizzando
tecniche di analisi tipiche di una guida  l onda TEM. Questa Ł la maggiore differenza tra
i due approcci.
Introduzione
14
Le configurazioni riportate nel Capitolo 1 si possono classificare secondo diversi
schemi di cui quello ad oscillatore e quello ad amplificatore sono i piø importanti.
Tra tutte quella ad oscillatore ha ricevuto la maggiore attenzione, per i maggiori
livelli di potenza trattati, per la compattezza e per l estrema modularit .
La sua versione con diodo inoltre, garantisce il funzionamento sino a frequenze
dell ordine di centinaia di GHz.
Il presente lavoro di tesi si inserisce nel filone di antenne attive integrate in
configurazione ad oscillatore. Come riportato nei capitoli dedicati al progetto, l antenna
realizzata viene progettata per operare in un contesto trasmissivo ad una frequenza di
2.5 GHz.
Dopo aver passato in rassegna un certo numero di configurazioni diversificate per
funzione - ricevente o trasmittente, campo di operativit  in frequenza, struttura - mono o
multistrato, trattamento del segnale - oscillante o amplificante, applicazione pratica e
livello di integrazione - elemento singolo o schiera, il discorso viene scomposto
idealmente in due parti: l analisi ed il progetto.
Trasversalmente a queste due si identificano altri due livelli di studio: il livello
antenna e quello circuito attivo.
Si tratta quindi in sequenza l analisi dell antenna (Capitolo 2) e dell oscillatore
(Capitolo 3), il progetto dell antenna (Capitolo 4) e dell oscillatore (Capitolo 5).
L ultimo capitolo - il sesto - Ł invece dedicato alla realizzazione pratica dell antenna
attiva in configurazione ad oscillatore, precedentemente progettata, in tecnologia
stampata.
Si portano avanti due progetti parallelamente, uno in banda S - con frequenza
centrale circa 2.5 GHz - e l altro in banda X - con frequenza 10GHz, ma per i motivi
specificati nel Capitolo 6, vengono date le misure di progetto sono per quello in banda
S.
Lo schema seguente riporta la suddivisione tematica del lavoro.
BANDA S (f
osc
 = 2.5 GHz) BANDA X (f
osc
 =10 GHz)
Antenna Oscillatore Antenna Oscillatore
Analisi Capitolo 2 Capitolo 3 Capitolo 2 Capitolo 3
Progetto Capitolo 4 Capitolo 5 Capitolo 4 Capitolo 5
Realizzazione pratica Capitolo 6 
Capitolo 1
Antenne attive:  stato dell arte 
1.1  Introduzione
Le antenne integrate attive hanno conosciuto un rapido sviluppo negli ultimi
vent anni, in concomitanza con lo spostamento della frequenza massima di utilizzo dei
transistor a valori sempre piø elevati da una parte, e con i progressi ottenuti nell ambito
dell integrazione monolitica con tali elementi attivi dall altra.
La loro relativa semplicit  di costruzione, l elevata riproducibilit  in grandi volumi e
la possibilit  di poter disporre di schiere di numerosi elementi per la combinazione della
potenza sono solo alcune ragioni che hanno reso fertile questo terreno di studio.
Come tutti gli ambiti a incalzante sviluppo, anche le antenne attive soffrono la
mancanza di una panoramica completa e attenta ai repentini mutamenti tecnologici dello
stato dell arte .
Questo Ł probabilmente dovuto al fatto che, tranne qualche schema collaudato e
utilizzato per progetti portati avanti da alcune case costruttrici, la maggior parte delle
configurazioni esistenti nascono come prototipo e rimangono relegate nell ambito della
ricerca.
Il presente capitolo si propone di dare uno spaccato di quanto esiste in tema di
antenne attive integrate non pretendendo di essere esaustivo dell argomento.
La via seguita Ł quella di riportare la descrizione non solo di dispositivi che hanno
visto la luce solo nei laboratori di ricerca ma anche di quelli che fanno parte di sistemi
in uso piø complessi, cercando di toccare un po  tutte le funzioni che un antenna attiva
pu  espletare.
1.2Classificazione delle antenne attive integrate (AIA)
Le antenne attive integrate possono essere classificate in base al contesto in cui sono
inserite e possono assumere diversi nomi che dipendono dalla funzione che esse
espletano nei sistemi radio.
Due categorie principali secondo le quali si pu  fare una prima separazione con
intenti tassonomici sono date dall antenna in ricezione o in trasmissione.
Altri tipi  possono avere tutte e due le funzioni: si parler  allora di trasponditori,
transricevitori, ripetitori e cosi via.
Una classificazione rigida in base alla funzione svolta dall antenna non pu  per 
essere fatta o, meglio, pu  risultare ridondante dal momento che, per esempio, un
amplificatore pu  essere integrato con un antenna alla sua porta di ingresso o a quella di
uscita diventando un ricevitore o un trasmettitore rispettivamente. Addirittura se posta
sia in ingresso che in uscita siamo in presenza di un ripetitore. Comunque si colleghino
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
16
i moduli, tutte le combinazioni permesse hanno una caratteristica in comune:
l integrazione di un elemento attivo (amplificatore) coll antenna.
Un metodo piø semplice ed efficace per classificare le antenne attive integrate e
quello di mettere l accento sulla funzione che svolge il dispositivo attivo presente. Tanto
dipende, per , dalla definizione che si d  del componente attivo. Assumiamo qui una
definizione che comprende una grande variet  di dispositivi a semiconduttore [L15].
Secondo questo enunciato il componente attivo Ł quel dispositivo pu  essere usato per
amplificare, rettificare o trasformare l energia da un forma ad un altra. Circuiti attivi
fondamentali come oscillatori, amplificatori, miscelatori e moltiplicatori impiegano
dispositivi attivi per svolgere le funzioni che a loro si richiedono.  Infatti  i dispositivi
attivi  usati nelle suddette configurazioni provvedono a generare segnali  a RF,
amplificano segnali a RF o convertono il segnale da una frequenza ad un altra. Perci  le
funzioni basilari dei circuiti attivi sono l oscillazione, l amplificazione e la conversione
di frequenza.
In forza di tutto ci , le antenne attive integrate possono benissimo essere classificate
in tre grandi gruppi in base al tipo di schema in cui sono inserite. Si parler  allora di
antenna integrata attiva di tipo oscillatore, tipo amplificatore e di tipo convertitore di
frequenza.
Questi tre tipi fondamentali possono ulteriormente essere combinati insieme per
portare a termine  funzioni piø complesse, formando cos  moduli piø articolati, per
esempio il modulo tranricevitore (transceiver).
Nei paragrafi che seguono mostreremo le peculiarit  di ciascun tipo e il contesto in
cui si inserisce, non mancando di illustrare le configurazioni proposte a tutt oggi da vari
ricercatori.
1.3  Struttura circuitale delle antenne integrate attive
Le antenne attive integrate richiedono l integrazione di dispositivi attivi  e di antenne
passive sullo stesso substrato
1
.
Dispositivi a semiconduttore e antenne a circuito stampato  sono la naturale scelta
per l elemento attivo e per l antenna passiva.
Dei vantaggi dell antenna stampata (a microstricia) si far  cenno nel capitolo
dedicato all analisi dell elemento irradiante; Ł qui sufficiente anticipare che tutte le
caratteristiche che sono indice di ridotto ingombro, di leggerezza e di adattabilit 
rispetto alla forma sono certamente di primaria importanza in un ambiente integrato
quale quello che l antenna attiva integrata stessa rappresenta.
1.3.1  Elemento attivo a due terminali (una porta) [50]
L antenna attiva Ł realizzata incorporando un dispositivo attivo  a una porta o a due
porte in un antenna passiva. In generale sono maggiormente utilizzati dispositivi a due
                                                          
1
in realt  questo non Ł sempre vero, potendoci essere delle configurazioni in cui parte passiva e parte
attiva sono  situate su substrati differenti, come quella studiata nel presente lavoro.
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
17
porte (FET, BJT, MESFET) poichØ hanno una migliore efficienza di conversione di
potenza DC-RF rispetto a quelli ad una porta e, in alcuni casi, migliori prestazioni in
termini di rumore.
Nonostante questo il progetto e lo sviluppo di antenne attive che utilizzano
dispositivi ad una porta non deve essere trascurato, dal momento che esse presentano
una notevole facilit  di costruzione e reti di polarizzazione piø semplici,  dando luogo a
compatti e affidabili oscillatori.
Se osserviamo una semplice antenna a microstricia, che consta di un patch
conduttore e di un piano di massa, un dispositivo attivo a una porta pu  essere
facilmente connesso a queste due metallizzazioni, con un terminale connesso al patch e
l altro connesso  al piano di massa.  Il segnale di polarizzazione in continua per il diodo
Ł allora semplicemente applicato tra il patch e il piano di massa. Per contro, i transistori
di solito richiedono due segnali di polarizzazione separati , introducendo il problema di
come applicarli e come isolarli.
Negli oscillatori  a combinazione spaziale di potenza l elemento attivo piø
frequentemente utilizzato Ł il diodo Gunn. L integrazione dell antenna col diodo pu 
essere eseguita secondo tre differenti schemi riportati in figura 1.3.1 In ciascuno di
questi il patch funziona da risonatore e da elemento irradiante adattato all impedenza
dello spazio libero.
a) b) c)
diodo
Figura 1.3.1 -  L antenna attiva a diodo
L elemento attivo a una porta pu  essere integrato direttamente sulla struttura
irradiante, come mostrato in figura 1.3.1.a. L insieme dei due elementi offre semplicit 
di costruzione, ma di solito presenta qualche difficolt  nell ottenere l adattamento tra il
dispositivo gi  nel suo contenitore e il patch stesso. Questo Ł dovuto al punto di
alimentazione del transistor o del diodo utilizzato, che pu  essere considerato distribuito
lungo i fili di collegamento che connettono il dispositivo a semiconduttore vero e
proprio ai piedini di uscita dal suo contenitore. Inoltre, nella parte piø alta della banda di
frequenza alle microonde, le dimensioni del contenitore dell elemento attivo diventano
non piø trascurabili se paragonate a quelle del patch.
Dato che i dispositivi attivi a una porta richiedono una bassa impedenza di carico,
devono essere piazzati vicino al centro del patch. Questa Ł per  la zona del patch in cui
l impedenza cambia rapidamente con la posizione, e il problema del punto di
alimentazione distribuito diventa sempre piø significativo.
La presenza del diodo all interno dell antenna porta anche a disturbi sulla
distribuzione della corrente superficiale, causando l eccitazione di modi superiori e
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
18
contribuendo ad aumentare il livello di polarizzazione incrociata. Questo Ł pertanto un
tipo di alimentazione che ben si presta per configurazioni a mixer o a moltiplicatore di
frequenza con dispositivi a un porta.
La figura 1.3.1.b mostra un secondo modo di alimentare l antenna. La tacca di
metallo asportata dal patch serve per procurare l adattamento, dato che il valore
dell impedenza di ingresso varia in funzione della lunghezza della parte asportata. Il
punto di alimentazione Ł questa volta spostato rispetto al bordo irradiante della
lunghezza della tacca. In questo caso il problema principale da cui la configurazione Ł
affetta Ł dato da un elevato bloccaggio dell apertura, ma Ł molto utile per progettare
amplificatori o per altre applicazioni a due porte.
Una soluzione migliore di queste due Ł riportata in figura 1.3.1.c in cui viene
introdotto un invertitore di impedenza (un trasformatore a quarto d onda) tra il
monoporta attivo e il patch, per convertire il circuito equivalente da parallelo a serie. Il
rischio di eccitazione di modi trasversali mentre l oscillazione cresce durante il
transitorio Ł cos  ridotto. Questo metodo permette anche di avere un adattamento
ottimale dell impedenza attiva all impedenza del patch, ma occupa molto spazio e, se
integrato in una schiera di elementi oscillanti, risulta sorgente di accoppiamento mutuo e
di polarizzazione incrociata.
Piø avanti si vedr  come viene risolto questo problema e verranno illustrate anche
alcune configurazioni che fanno uso di diodi come elementi attivi.
1.3.2 Elemento attivo a tre  terminali (due porte)
1.3.2.a Tipo a oscillatore
Il prototipo di antenna attiva integrata a oscillatore consta di un dispositivo attivo
responsabile delle oscillazioni e di un elemento passivo irradiante connesso alla sua
porta di uscita. E  anche chiamato oscillatore quasi-ottico dal momento che la potenza a
RF generata viene irradiata nello spazio libero. PoichØ questa configurazione deve
soddisfare l esigenza sempre piø pressante di compattezza e allo stesso tempo di poter
disporre di sorgenti di segnale ad elevata potenza, Ł stato recentemente al centro di
molte attenzioni.
Gli oscillatori integrati possono utilizzare elementi a due terminali (diodi Gunn e
IMPATT) di qui si Ł gi  parlato, e a tre terminali (MESFET, HEMT e HBT).
Lo sviluppo delle antenne attive integrate a microonde e ad onde millimetriche si
concentr  all inizio soprattutto su dispositivi a due terminali, spostandosi poi quelli a tre
terminali che continuano a suscitare ancora interesse grazie ai vantaggi che offrono.
Infatti i dispositivi a diodo sono richiesti in tutte quelle applicazioni in cui Ł necessario
disporre di elevata potenza, ma hanno  lo svantaggio  di presentare  una bassa  efficienza
di conversione di potenza da DC a RF. Si capisce quindi che nel progetto di questo tipo
di oscillatori  giocano un ruolo importante considerazioni legate alla dissipazione del
calore.  Con i transistor si raggiungono invece efficienze di conversione DC-RF
maggiori, ma hanno un campo di utilizzo dal punto di vista della frequenza limitato dal
valore della frequenza di taglio piø bassa rispetto ai diodi.
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
19
Di recente, tuttavia, i progressi fatti a livello tecnologico  hanno reso disponibili
dispositivi con portatori ad alta mobilit , HBT e HEMT, i quali dispongono di un
elevato
guadagno, alta efficienza di conversione DC-RF e bassa figura di rumore per frequenze
nel campo onde millimetriche.
I dispositivi a tre terminali hanno anche il vantaggio di essere facilmente integrabili
con strutture a circuito planare, sia in tecnologia ibrida che monolitica.
Gi  da queste considerazioni del tutto generali si pu  capire come nel progetto delle
antenne attive integrate i transistori abbiano assunto un posizione predominante rispetto
ai diodi, migliorando cos  le prestazioni del sistema finale.
L elemento irradiante Ł di solito rappresentato da antenne risonanti in microstriscia,
come antenne a piazzola metallica (patch antennas) o ad apertura (slot antennas).
 Queste non sono solo viste come carico dall elemento attivo, ma servono anche
come risonatori col compito di determinare la frequenza di oscillazione. Come si vedr 
quando si tratter  piø approfonditamente l elemento irradiante, un informazione molto
importante nel progettare l oscillatore sar  il valore di impedenza di ingresso
dell antenna.
Alcune volte Ł utile avere un oscillatore  quasi-ottico di cui sia possibile far variare
la frequenza di oscillazione con continuit  entro un certo campo. A tale scopo vengono
inseriti dei diodi varactor o altri elementi che riescono a spostare la frequenza del
circuito semplicemente facendo variare caratteristiche elettriche o meccaniche del
componente. Si vedr piø avanti anche un modo di sintonizzazione ottenuto
intervenendo direttamente sull antenna a patch [66] piuttosto che su elementi del
circuito dell oscillatore.
 Nell eventualit  di dover far variare la frequenza di risonanza per , dovendo essere
garantito un accettabile livello di potenza irradiata su tutta la banda coperta, si preferisce
usare altri tipi di antenna, in particolare antenne a banda larga come antenne a notch o a
bow-tie.[94,95]
Due esempi di antenne attive di tipo oscillatore sono riportati in figura 1.3.2. Una
integra un diodo Gunn e un antenna a patch, l altro ha come elemento attivo un FET
integrato in un antenna a slot.
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
20
λ
1 s
FET
Gunn diode
open stub
slot antenna
(backside)
negative
resistance
oscillator
(topside)
a)
b)
patch
DC bias
Figura 1.3.2 -  Antenne attive di tipo oscillatore: a) con diodo Gunn  b) con FET
Un importante tecnica permette la sincronizzazione di diversi oscillatori inseriti in
una schiera di antenne integrate attive e rappresenta la risposta al problema della
combinazione dei segnali provenienti da tutti gli elementi della schiera. Essa si chiama
 injection locking , che pu  essere tradotta come  aggancio per iniezione di segnale .
L aggancio pu  avvenire anche tramite l accoppiamento mutuo degli elementi risonanti
-che sono anche irradianti- e allora si parler  di  inter-injection locking  di oscillatori
accoppiati. Si vedr  come questa sia la via per lo studio e il progetto di schiere di
antenne in cui Ł necessario combinare spazialmente la potenza quando la direzione di
irradiazione Ł fissa, o fare la scansione del fascio nelle schiere a fascio scandibile
(phased arrays).
A titolo di esempio viene qui inserito lo schema di un oscillatore cosiddetto quasi
ottico
1
2
4
3
5
6
imput
match
output
match
Receive Patch Transmit Patch
FET
microstrip
coupler
Amplifier
Figura 1.3.3 -  Schema di principio di un oscillatore a due porte [96]
1.3.2.b Configurazione ad amplificatore
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
21
Questo tipo di antenna attiva integra un dispositivo attivo a tre terminali utilizzato in
una delle tre configurazioni base le cui caratteristiche elettriche dipendono da quale
terminazione Ł stata messa a massa.
L elemento attivo che funge da amplificatore presenta quindi due porte, una di
ingresso e l altra di uscita,  alle quali viene collegata l antenna. Quando l antenna Ł
collegata alla porta di ingresso, l antenna attiva integrata funziona da ricevitore, quindi
le prestazioni  dell amplificatore a livello di rumore saranno determinanti per la buona
riuscita del progetto: in particolare si dovr  scegliere un dispositivo attivo a basso
rumore (LNA).
Se l antenna Ł invece collegata soltanto alla porta di uscita l antenna attiva integrata
che si ottiene funziona da trasmettitore.
L ultimo caso Ł quello in cui l antenna viene integrata o in ingresso o in uscita,
rendendo il circuito un amplificatore, detto in gennere  quasi-ottico , che riceve e
trasmette segnali previa amplificazione (transceiver) (figura 1.3.4).
input
a)
b)
elemento attivo
output
Figura 1.3.4 -  Antenna integrata attiva di tipo amplificatore:
a) antenna trasmittente  b) antenna ricevente
Ci sono molti benefici ad integrare antenne passive e dispositivi attivi in
configurazioni di tipo amplificatore. Uno di questi Ł il sensibile aumento del  guadagno
dell antenna e della sua larghezza di banda, e, nelle applicazioni in cui questo Ł
determinante, aumenta il rapporto segnale - rumore.
Inoltre questa configurazione pu  essere integrata in una struttura a schiera qualora
sia necessario maneggiare livelli di potenza considerevoli.
Purtroppo l antenna attiva integrata ad amplificatore non ha ricevuto la stessa
attenzione prestata all oscillatore negli anni passati: tuttavia sembra che in questi ultimi
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
22
anni ci si stia iniziando ad occupare dell amplificatore quasi-ottico inserito in schiere di
numerosi elementi [97].
1.3.2.C  Tipo a convertitore di frequenza
L inizio dello  sviluppo di questo tipo di antenna attiva pu  essere fatto risalire al
1977.
Infatti il primo dispositivo inventato fu un mixer quasi-ottico nella banda 100-120
GHz, che doveva rimpiazzare il mixer a guida l onda. Il concetto di approccio quasi-
ottico, cioŁ, come gi  detto, l applicazione di tecniche tipiche di frequenze quasi ottiche
alle onde millimetriche e alle microonde, segn  l inizio di un fortunato sviluppo di
questi dispositivi. Molte energie vennero concentrate sul mixer quasi-ottico, ma qualche
lavoro venne fatto anche su moltiplicatori quasi-ottici.
 Di recente, col crescente interesse verso componenti per sistemi autostradali
intelligenti - tipo TELEPASS - e per sistemi di riconoscimento remoto di identit 
sempre piø a basso costo e di semplice fabbricazione, un interessante soggetto di studio
Ł a tutt oggi rappresentato da mixer autooscillanti o basati su segnali a frequenza
subarmonica della frequenza di interesse.
Un mixer quasi ottico consta di un antenna ricevente e di un mixer, ed Ł di solito
inserito in un contesto ricettivo per isolare la frequenza voluta. Il mixer Ł poi composto,
come di solito, da un elemento che introduce non linearit , atto a generare le armoniche
del segnale di ingresso che qui Ł quello ricevuto dall antenna,  da un oscillatore
chiamato oscillatore locale, eventualmente sintonizzabile, che provvede alla generazione
della frequenza locale di battimento, e da un filtro o un amplificatore a banda stretta che
provvede ad isolare ed amplificare il segnale di interesse. In generale in un antenna
attiva integrata di questo tipo, l oscillatore locale pu  avere una identit  propria ovvero
pu  esistere solo la sua funzione, provvedendo l elemento attivo stesso alla generazione
della frequenza locale.
Per tutta risposta a queste due filosofie, l oscillatore locale pu  essere integrato nello
stesso substrato o il suo segnale pu  essere fornito da una sorgente esterna per
propagazione attraverso spazio libero. Quando invece non esiste un oscillatore separato
fisicamente, la sua funzione pu  essere espletata dal mixer stesso divenendo un mixer
autooscillante, sfruttando le propriet  non lineari del dispositivo attivo per operare la
conversione di frequenza.
Alcune volte Ł per  un problema realizzare un oscillatore locale a frequenze
millimetriche con potenza di segnale sufficiente da poter pilotare il mixer: vedremo piø
avanti come sia possibile aggirare quest ostacolo sfruttando un mixer  auto-oscillante
 alimentato  da segnale a frequenza sottomultipla di quella di interesse - mixer
subarmonico -. In tal modo Ł necessario un oscillatore locale di sola met  potenza.
Un altro ambito di utilizzo di un mixer auto-oscillante  alimentato
subarmonicamente  Ł quella di un transponder per sistemi di identificazione remoti.
Anche questo progetto verr  presentato piø avanti tra le configurazioni.
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
23
1.3.2.d Tipo a transricevitore
Le funzioni che un antenna attiva integrata pu  assolvere non sono limitare solo ai
tre tipi sopra descritti. Alcune antenne attive nella configurazione ad oscillatore possono
essere leggermente modificate per essere usate come circuiti a transricevitore. In questi
circuiti l elemento attivo, che tra l altro Ł sempre un FET, ha una doppia funzione,
quella di sorgente del segnale trasmesso e quella di mixer auto-oscillante per la
conversione di frequenza del segnale ricevuto. Questo tipo di circuito pu  essere usato
come modulo transricevitore CW ad effetto Doppler.
1.4 Applicazioni delle schiere di antenne attive
integrate
Le singole antenne attive integrate sono molto spesso utilizzate come elementi di schiere
piø complesse per diverse applicazioni.
Come sottolineato all inizio di questo capitolo, l esigenza di trattare livelli di
potenza elevati, o comunque non fornibili da un singolo elemento attivo, ha fatto delle
antenne attive integrate uno dei candidati piø idonei all integrazione in schiere mono e
bidimensionali.
Le ridotte dimensioni, l elevata ripetibilit  dei processi di fabbricazione tipiche di
queste antenne e, soprattutto, la possibilit  di  alloggiare  circuiteria attiva e passiva
sullo stesso substrato, portano alla creazione di schiere con numerosi elementi.
I segnali in uscita dai singoli elementi devono in qualche modo essere considerati
insieme se si vuole in uscita  un livello di potenza dato dalla somma delle potenze
relative alle singole uscite. La potenza irradiata deve cioŁ poter essere combinata in
parallelo.
Questo modo di gestire i singoli elementi  prende il nome di combinazione di
potenza (power combining).
L integrazione delle antenne attive come elementi di schiere non Ł solo limitata alla
combinazione di potenza.
Considerando infatti le relazioni tra le fasi dei segnali dei singoli elementi della
schiera Ł possibile ottenere delle schiere di antenne attive a scansione del fascio (active
phased arrays), con possibilit  di orientare il massimo della potenza irradiata, e quindi
il lobo principale del diagramma di irradiazione della schiera, secondo diverse direzioni.
Nelle prossime sezioni di questo paragrafo analizzeremo pertanto quello che succede
all interno di una schiera di antenne attive, in particolare divideremo le schiere in due
grosse categorie in base a quanto appena detto, a seconda che la schiera sia progettata
per avere un segnale di elevata potenza nella direzione ortogonale al piano su cui si
trovano le antenne stesse (broadside) o che serva per orientare il fascio secondo una
certa direzione.
1.4.1 Schiere di antenne attive per la combinazione spaziale di potenza
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
24
La combinazione dei segnali in potenza, secondo tecniche di tipo quasi-ottico,
utilizzando sia l approccio ad antenna attiva che quello a griglia, Ł stato un settore in cui
non si Ł mai smesso di osservare una continua crescita di interesse.
Per quel che riguarda il primo tipo di approccio, sicuramente la configurazione di
antenna attiva che ha ricevuto piø attenzione Ł stata e continua ad essere quella ad
oscillatore. In questo campo infatti sono stati fatti molti passi avanti e sono stati proposti
parecchi progetti che verranno illustrati piø avanti.
La difficolt  maggiore di questo tipo di progetto Ł quella di sincronizzare tutti gli
oscillatori  alla stessa frequenza e chiaramente alla stessa fase. E  infatti noto che perchØ
i segnali irradiati da diversi elementi si possano sommare in fase bisogna assicurare che
in un certo punto dello spazio i cammini percorsi dai segnali stessi differiscano per
multipli della lunghezza d onda. Questi requisiti tecnici cos  difficili  da poter essere
soddisfatti hanno da sempre reso il progetto delle schiere irto di difficolt  ma allo stesso
tempo non privo di attrattiva.
Ci sono diversi modi di sincronizzare degli oscillatori accoppiati.
Gli oscillatori possono essere infatti agganciati in fase per iniezione di un segnale
esterno (external-injection locking) o per mutua sincronizzazione degli oscillatori stessi
(inter-injection locking).
Un esempio di schiera con combinazione di potenza agganciata tramite iniezione di
un segnale esterno Ł quella mostrata in figura 1.4.1
external
signal
patch
on back
side
Figura 1.4.1 -  Schiera 4x4 di oscillatori agganciati
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
25
Si tratta di una schiera bidimensionale di 4 x 4 oscillatori a FET. Gli oscillatori  sono
tutti agganciati ad un segnale esterno in termini di frequenza e di fase. La potenza pu 
cos  essere combinata spazialmente nella direzione broadside. Si nota come sia richiesta
una sorgente di segnale esterno e dello spazio in piø sul substrato per permettere la
distribuzione del segnale mediante una combinazione di tratti di linea e divisori di
potenza in microstriscia.
Il vantaggio delle schiere di oscillatori mutuamente sincronizzati risiede nella
maggiore compattezza del layout, dal momento che non Ł necessario portare alcun
segnale esterno ai singoli elementi. Il meccanismo interno di sincronizzazione mutua Ł
noto col nome di aggancio per inter-iniezione (inter-injection locking).
Esistono sostanzialmente due vie per realizzare la sincronizzazione mutua. Esse si
distinguono per il grado di accoppiamento che possono offrire. Si parla di
accoppiamento debole (strong coupled oscillators) e di accoppiamento forte (weak
coupled oscillators).
L accoppiamento debole Ł quel tipo di accoppiamento che si ha inevitabilmente tra
gli elementi della schiera per via dell irradiazione. E  debole perchØ si attua per mezzo
dei segnali irradiati.
L accoppiamento forte Ł dovuto invece a dei segnali che raggiungono tutti gli
elementi della schiera attraverso delle interconnessioni progettate appositamente per
creare determinate relazioni di fase tra un elemento e l altro. Non Ł per  necessario
nessun segnale esterno.
Un esempio di circuito con accoppiamento debole Ł mostrato nelle figure riportate
sotto, in cui una schiera 4x4 di oscillatori a diodi Gunn (figura 1.4.2)
a)  pianta
b)  sezione
patch with
  diode
Bias lines
   Brass 
heatsink and
ground plane
dielectric
substrate
Figura 1.4.2 -  Schiera di oscillatori a diodo con accoppiamento debole
Capitolo 1  -    Antenne attive:  stato dell arte 
26
e un analoga schiera a transistori MESFET (figura 1.4.3) hanno gli elementi collegati
solo dalle linee di alimentazione:
Figura 1.4.3 -  Schiera di oscillatori a MESFET con accoppiamento debole
La densit  di integrazione pu  essere cos  elevata sia con diodo, che viene montato
direttamente sul patch, che con MESFET, situato al centro del patch, diviso per esigenze
di  impaccamento. La tecnica dell accoppiamento debole ha quindi il vantaggio di
presentare un circuito molto semplice. Purtroppo l accoppiamento attraverso
irradiazione non pu essere controllato facilmente. D altra parte, invece,
l accoppiamento forte permette di controllarne l entit  attraverso il progetto delle
interconnessioni tra gli elementi.
In figura 1.4.4 Ł riportato un esempio di schiera di antenne a oscillatore con
accoppiamento forte [49].
patch  antennas
Gunn diode
bias line
λ
g2/2
λ
g2/4
λ
g1/2
Figura 1.4.4 -  Schiera di oscillatori con accoppiamento forte sulla seconda armonica.