UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PISA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PISA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI Tesi di laurea Progetto di antenne planari multibanda per applicazioni WLAN Relatori: Candidato Chiar.mo Prof. Ing. G.Manara Carlo Ugolini Prof. Ing. P.Nepa ANNO ACCADEMICO

2 Introduzione 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 ). 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. III

3 Introduzione 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 IV

4 Introduzione 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 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. V

5 Introduzione VI

6 Capitolo1 Capitolo 1 Applicazioni in sistemi WLAN 1

7 Applicazioni in sistemi WLAN 2

8 Capitolo1 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, 3

9 Applicazioni in sistemi WLAN 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 4

10 Capitolo1 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 5

11 Applicazioni in sistemi WLAN 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 a (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]. Potenza (mw) e.i.r.p ISM WLAN, Bluetooth, HomeRF SRD 2,4 2,4835 HIPERLAN/2 HIPERLAN/2 5,150 5,350 5,470 5,725 5,825 Frequenza (GHz) HIPERLAN = HIgh PErformance Radio Local Area Network HomeRF = Home Radio Frequency SRD = Short Range Devices WLAN = Wireless Local Area Network N-SRD = Non-specific Short Range Devices N-SRD Fig. 1.1: Bande di frequenze CEPT per le WLAN 6