UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO FACOLTA DI INGEGNERIA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CASSINO FACOLTA DI INGEGNERIA

2 TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI STUDIO E SIMULAZIONE DI ANTENNE STAMPATE RELATORE: Prof. Marco Donald Migliore CORRELATORE: Prof. Fulvio Schettino CANDIDATO: Mauro Pelosi Matr Anno Accademico 2003/2004

3 Le antenne stampate (patch antennas) sono impiegate in un vasto numero di ambiti Telefonia cellulare Comunicazioni wireless GPS (Global Positioning System) Ricezione broadcast satellitare Applicazioni biomedicali RADAR

4 VANTAGGI Peso contenuto, volume ridotto, basso profilo Alta versatilità e robustezza meccanica Basso costo, facilità di produzione in serie Sono ottenibili polarizzazioni lineari e circolari con semplici alimentazioni Semplice integrazione nei circuiti a microonde Le linee di alimentazione e le reti di adattamento possono essere realizzate contestualmente alla struttura dell antenna a microstriscia

5 SVANTAGGI Banda relativamente stretta Guadagno piuttosto basso (~6 db) Rete di alimentazione complessa per gli array ad alte prestazioni Radiazioni spurie dalle alimentazioni e dalle giunzioni Eccitazione di onde superficiali

6 Struttura di un patch rettangolare a microstriscia

7 MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE Inset feed

8 MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE alimentazione in cavo coassiale

9 MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE alimentazione ad accoppiamento elettromagnetico

10 Modelli di analisi Modello a cavità risonante Modello a linea di trasmissione Formule empiriche

11 Alimentazione in cavo coassiale La mesh in CST Microwave Studio Alimentazione in microstriscia Confronti con la letteratura Sweep lunghezza Posizione feed Sweep larghezza

12 CONFRONTI CON LA LETTERATURA Confronti tra diversi metodi di analisi nel calcolo delle frequenze di risonanza di antenne stampate rettangolari Confronto tra il Modified Wolff Model ed il CST Microwave Studio

13 f ris.[ghz] mm mm mm misura h/λ d H L W patch n. CARATTERISTICHE DELLE ANTENNE ANALIZZATE

14 Frequenze di risonanza normalizzate in funzione dello spessore elettrico del substrato freq. ris. norm Hammerstad James misura CSTMS spessore elettrico substrato

15 Errore percentuale nel calcolo della frequenza di risonanza nei diversi metodi analisi relativi ai modelli empirici errore percentuale MWM MCM Hammer. James Pozar n.antenna

16 Errore percentuale nel calcolo della frequenza di risonanza nei diversi metodi analisi relativi ai simulatori. errore percentuale CST(substrato anisotropo) CST(substrato isotropo) Ensemble 8.43% 4.47% 4.12% n.antenna

17 CARATTERISTICHE DELLE ANTENNE ANALIZZATE W 114.3mm ( larghezza del patch) L 76.2mm (lunghezza del patch) H 1.59mm (altezza del substrato) X mm (distanza del feed dal bordo del patch) 1. Patch A ε xx = ε zz = Patch B ε xx = ε zz = Patch C ε xx = ε zz = 2.64

18 Parte reale ed immaginaria dell impedenza d ingresso nei diversi patch

19 Risultati ottenuti ε req fris[gz] MWM fris[gz] CSTMS Re(Z) [Ω] MWM Re(Z)[Ω] CSTMS Im(Z)[Ω MWM Im(Z)[Ω] CSTMS a b C patch Re(Z) Im(Z) fris Err.rel% a Err.rel% b Err.rel% c Err.rel.medio%

20 Influenza della posizione dell alimentazione sui parametri di un patch rettangolare a microstriscia

21 Sweep dell alimentazione lungo L Sweep dell alimentazione lungo W

22 Frequenze di risonanza per il modo TM 01 in funzione della posizione dell alimentazione, calcolate in corrispondenza del Max Re(Z in ) e del Min S 1.1.

23 Frequenze di risonanza per il modo TM 01 in funzione della posizione dell alimentazione, calcolate in corrispondenza del Min S f(min S1.1) U = 0 U = 2,125 U = 4, V

24 Frequenze di risonanza per il modo TM 01 in funzione della posizione dell alimentazione, calcolate in corrispondenza del Max Re(Zin). fris U = 0 U = 2,125 U = 4, V

25 Max Re(Z in ) per il modo TM 01 in funzione della posizione dell alimentazione Max Re(Zin) U V =2,35 V = 3,175 V = 4

26 Max Re(Z in ) per il modo TM 01 in funzione della posizione dell alimentazione Max Re(Zin) U = 0 U = 2,125 U = 4, V

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33 MODELLO A CAVITÀ RISONANTE

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35 MODELLO A LINEA DI TRASMISSIONE

36 Impedenza d ingresso dell antenna Z 1 jx Z L in + = L L L con L jy Y L jy Y L jy Y L jy Y Y Y s s s s = = ) tan( ) tan( ) tan( ) tan( β β β β

37 Formule empiriche per l analisi di patch rettangolari r r L c f ε 2 = = W n L m c f r r ε

38 Formule empiriche per l analisi di patch rettangolari f r = 2 L c ε r eq ε r eq = εr + 1 εr u ab

39 Formule empiriche per l analisi di patch rettangolari MODELLO JAMES MODELLO HAMMERSTAD

40 FORMULE DI JAMES = r r r r h L L h πε ε ε ε δ 1.88)] / ln( 1)[0.758 ( 1) 0.164( ) / ( 2 ) (1 ) ( ) ( 0 δ ε ε ε + = L W f f eff eff r r r

41 FORMULE DI HAMMERSTAD 2 ) / 10 1)(1 ( 2 1) ( ) ( 2 1/ = p h p r r eff ε ε ε ) / )( ) ( ( ) / 0.3)( ) ( ( = Δ h W W h W W h L eff eff ε ε r r L L c f ε ) 2 ( 2 Δ + =

42 FORMULE DI HAMMERSTAD 2 ) / 10 1)(1 ( 2 1) ( ) ( 2 1/ = p h p r r eff ε ε ε ) / )( ) ( ( ) / 0.3)( ) ( ( = Δ h W W h W W h L eff eff ε ε r r L L c f ε ) 2 ( 2 Δ + =

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64 TM 01 TM 20

65 TM 01 TM 20

66 TM 01 TM 30 TM 20

67 TM 20 TM 30

68 TM 20 TM 30

69 TM 20 TM 30

70 TM 01 + TM 20 TM 30 TM 40

71 TM 01 + TM 20 TM 30 TM 40

72 TM 01 TM 30 TM40 TM 20

73 TM 01 TM 30 TM 40 TM 20

74 TM 01 TM 30 TM 40 TM 20

75 TM 01 TM 30 TM 20 TM 40

76 TM 01 + TM 30 TM 50 TM 20 TM40

77 TM 01 + TM 30 TM 50 TM 20 TM 40

78 TM 01 + TM 30 TM 50 TM 20 TM 40

79 TM 01 + TM 30 TM 50 TM 20 TM 60 TM 40

80 TM 20 TM 50 TM 60 TM 01 + TM 40

81 TM 20 TM 50 TM01 + TM 40 TM 60

82 TM 20 TM 01 + TM 40 TM 60

83 TM 20 TM 01 + TM 40 TM 60

84 Frequenze di risonanza associate al modo TM 20 al variare di W 10 9 Min S1.1 Max Re(Zin) 8 fris. [GHz] W [mm]

85 TM01

86 TM01

87 TM01

88 TM01

89 TM01

90 TM01

91 TM01

92 TM01

93 TM01

94 TM01

95 TM 01 TM 02

96 TM 01 TM 02

97 TM 01 TM 02

98 TM 01 TM 02

99 TM 01 TM 02

100 TM 01 TM 02

101 TM 01 TM 02

102 TM 01 TM 02

103 TM 01 TM 02

104 TM 01 TM 02

105 Frequenza di risonanza per il modo TM 01 in funzione della lunghezza del patch fris. [GHz] simulazione Hammerstad L [mm]

106 DISTRIBUZIONE DELLE CORRENTI SUPERFICIALI PER UN ALIMENTAZIONE IN CAVO COASSIALE

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108 DISTRIBUZIONE DELLE CORRENTI SUPERFICIALI PER UN ALIMENTAZIONE AD INSET

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110 Influenza della lunghezza del patch sui parametri dell antenna

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120 Influenza della larghezza del patch sui parametri dell antenna

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139 TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI STUDIO E SIMULAZIONE DI ANTENNE STAMPATE RELATORE: Prof. Marco Donald Migliore CORRELATORE: Prof. Fulvio Schettino CANDIDATO: Mauro Pelosi Matr Anno Accademico 2003/2004