In particolare, il lavoro da me eseguito è stato il seguente:

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1 Introduzione Il lavoro di tirocinio discusso in questa tesi consiste nell assemblaggio e nella misura dei parametri elettrici di un prototipo di array di patch in microstriscia per comunicazioni cellulari, operante nelle tre bande UMTS I, ISM e UMTS II. L antenna in questione è frutto di un progetto sviluppato dalla collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria dell Informazione dell Università di Pisa e Selenia Mobile S.p.A. I prototipi (due, come vedremo) sono stati realizzati sulla base dei dati di progetto forniti dal Laboratorio di Elettromagnetismo Applicato dell Università di Pisa, con la supervisione del Prof. Ing. Paolo Nepa. In particolare, il lavoro da me eseguito è stato il seguente: assemblaggio di due prototipi dell antenna aggiornamento e integrazione di nuove routine nel programma di controllo della strumentazione di misura (in ambiente LabVIEW) effettuazione delle misure sull antenna (parametri S, diagrammi di irradiazione e guadagno) Il tutto è stato svolto come attività di tirocinio presso la ditta RTW Ride The Wave S.r.l, di Navacchio (Pisa), riferimento Ing. Andreina Armogida. RTW è una società privata che opera nell area dell elettromagnetismo, sia per quanto riguarda la progettazione che per quanto concerne le misure ed i test di antenne ed altri componenti operanti alle frequenze delle microonde. La tesi tratta i seguenti argomenti: Descrizione del prototipo di antenna Descrizione dei siti di misura Strumentazione utilizzata Software utilizzato (LabVIEW) Misure Conclusioni Appendice: Breve introduzione alle Smart Antenna Lista degli acronimi utilizzati nel testo: AUT Antenna Under test DUT Device Under test PCB Printed Circuit Board RL Return Loss VNA Vector Network Analyzer UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems ISM Industry Scientific and Medical 1

2 Introduction The training's job discussed in this thesis consists in the assembling and measurement of the electrical parameters of a prototype of a microstrip array of aperture-coupled patches for UMTS Base Stations, operating in the three bands UMTS I, ISM and UMTS II. Such antenna comes from a project developed by the collaboration between the Department of Information Engineering of the University of Pisa and Selenia Mobile S.P.A. The prototypes (two, as we are going to see) have been realized following the plan s datas came from the Laboratory of Electromagnetism of the University of Pisa, with Prof. Ing. Paolo Nepa as supervisor. In particular, the job I have executed has been the following: assembling the two prototypes of the antenna updating and integrating of new ruotines in the control software for the measurement s instrumentation (developed in LabVIEW) doing measurements on the antenna ("S" parameters, radiation patterns and gain) All the job has been carried out like an activity of training in the company RTW Ride The Wave S.r.l, of Navacchio (Pisa), reference Ing Andreina Armogida. RTW is a private Company, spin-off of the University of Pisa, operating in the area of electromagnetics engineering, planning, measuring and testing of antennas and others components operating at microwaves frequencies. The thesis developes the folowing subjects: Description about the antenna prototype Description about measurement sites Used instrumentation Used Software (LabVIEW) Measurements Conclusions Appendix: Short introduction to Smart Antenna List of the acronyms used in the text: AUT Antenna Under test DUT Device Under test PCB Printed Circuit Board RL Return Loss VNA Vector Network Analyzer UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems ISM IndustryScientific and Medical 2

3 1 Descrizione dell antenna 1.1 Introduzione [1] [6] L antenna in questione è un Array 4x4 in microstriscia, in doppia polarizzazione - 45 / + 45, che funziona nelle tre bande operative UMTS I, ISM e UMTS II (nel grafico sottostante di Figura 1 si possono vedere le bande in cui viene utilizzata). UMTS I Up-link Down-link ISM Up-link UMTS II Down-link GHz Figura 1 Bande frequenziali dell antenna Sono stati assemblati due prototipi: entrambi si basano su un identico circuito di distribuzione del segnale, realizzato in microstriscia su una struttura multistrato. Il primo prototipo (Tipo I) riproduce esattamente i dati di progetto forniti dall Università di Pisa, il secondo prototipo (Tipo II) è frutto dell attività di ottimizzazione del primo mediante misure al banco e presenta alcune variazioni che consentono di migliorare le prestazioni complessive dell antenna nelle tre bande operative. Nel capitolo 5 è spiegata anche la procedura utilizzata per ottenere il prototipo ottimizzato. 1.2 Descrizione L antenna è costituita essenzialmente da tre componenti: Il circuito stampato (PCB) a tre livelli di metallizzazione (una per ciascun lato del PCB più una interna), sul quale è presente la microstriscia per l alimentazione degli elementi radianti Gli elementi radianti, ovvero i patch metallici sospesi sul lato superiore del PCB Il piano metallico sul lato inferiore del PCB L array è costituito da 4 colonne spaziate di d H = 85 mm, ciascuna delle quali è costituita di 4 elementi radianti allineati in verticale con spaziatura d V = 105 mm e alimentati in parallelo mediante una rete a microstriscia. L elemento radiante è costituito da due patch quadrati in configurazione stacked (cioè uno sopra l altro) e ruotati di 45 rispetto alla direzione d allineamento. L antenna opera in polarizzazione doppia -45 /+45 rispetto alla verticale e presenta in totale 8 porte, 2 per colonna. Gli elementi sono alimentati in microstriscia tramite una rete di distribuzione del segnale su una struttura a doppio strato. 3

4 In Figura 2 è schematizzato il modello dell array, dove sono state evidenziate colonne e polarizzazioni. Colonna A Colonna B Colonna C Colonna D V E-45 E+45 H d H = 85 mm d V = 105 mm E +45 E 45 Input 2A (E +45 ) Input 1A (E 45 ) Input 2B (E +45 ) Input 1B (E 45 ) Input 2C (E +45 ) Input 1C (E 45 ) Input 2D (E +45 ) Input 1D (E 45 ) Figura 2 Schema dell array 4x4 in doppia polarizzazione Per riferirsi alle diverse porte si farà uso della notazione definita di seguito. Come illustrato in Figura 2, le colonne vengono identificate con le lettere A, B, C e D a partire dalla prima di sinistra e procedendo verso destra. Ciascuna colonna ha due porte di ingresso, una per polarizzazione, di cui si indica con porta 1 quella relativa alla polarizzazione E-45 e con porta 2 quella relativa alla polarizzazione E+45. Per indicare una porta di ingresso si farà riferimento alla polarizzazione (1 o 2) e alla lettera che identifica la colonna (A, B, C o D), p.es. la porta Input 2C indica la porta in polarizzazione E+45 sulla colonna C. 4

5 1.2.1 Caratterizzazione del singolo elemento radiante L elemento singolo dell antenna è costituito da una microstriscia su entrambi i lati del layer PCB e l elemento radiante consiste in una coppia di patch quadrati in alluminio sospesi in aria sopra la microstriscia (configurazione stacked). Il substrato per la microstriscia è stato scelto di materiale Arlon AD 300 che possiede una costante dielettrica relativa ε r =3. I due patch sono alimentati elettromagneticamente con una tecnica di accoppiamento ad apertura che verrà ora descritta. Le linee di alimentazione in microstriscia presenti sui due lati del PCB, sono rispettivamente le fonti per i due tipi di polarizzazioni ortogonali, una alimenta la polarizzazione a 45, l altra la polarizzazione a +45. All interno del piano del PCB sul quale sono stampate le microstrisce, è presente una terza metallizzazione interna (piano di massa) nella quale sono presenti due aperture ortogonali, posizionate proprio nel punto in cui verranno posizionati i patch, ognuna delle aperture caratterizza una delle due polarizzazioni. Le linee di alimentazione in microstriscia sono quindi accoppiate al patch tramite queste due fessure incrociate aperte sul piano di massa compreso tra i due substrati. La sezione verticale del singolo elemento è riportata in Figura 3, questa è valida per entrambi i prototipi e le grandezze che caratterizzano la struttura dell antenna sono indicate in Tabella 1, dove L1 e L2 sono rispettivamente le dimensioni del patch 1 che lavora alle frequenze più basse e del patch 2 che lavora a quelle più alte, mentre H1 e H2 sono le altezze degli spessori in polistirene che serviranno per distanziare i patch, mentre D è la distanza dal piano metallico. PCB L 2 H 2 L 1 H 1 31 mils AD mils AD300 D 1 mm Aluminium (Patch 2) Air gap 2 1 mm Aluminium (Patch 1) Air gap 1 1 oz. copper (Line 2) 1 oz.copper (Ground plane + Slots) 1 oz. copper (Line 1) Metallic plate Figura 3 Struttura verticale del singolo elemento Il primo prototipo, nel seguito indicato con Prototipo I, è stato costruito sulla base delle specifiche di progetto dell università di Pisa, mentre il secondo, indicato con Prototipo II, è una versione in cui sono stati fatti variare e poi ottimizzati alcuni parametri al banco di misure al fine di migliorare le prestazioni 5

6 di Return Loss sulle colonne. I parametri che sono stati modificati, indicati in rosso in Figura 3, sono: - la distanza tra il circuito stampato e il piano metallico posteriore, D; - la dimensione del lato del patch2, L2; - la distanza verticale tra il patch 1 e il patch 2 (air gap 2), H2. I valori dei parametri H1 e L1 sono rimasti inalterati nelle due soluzioni. I valori dei parametri che caratterizzano i due prototipi sono riportati in Tabella 1, dove le variazioni apportate nel Prototipo II rispetto al Prototipo I vengono evidenziate in rosso. D (mm) H 1 (mm) L 1 (mm) H 2 (mm) L 2 (mm) PROTOTIPO I PROTOTIPO II Tabella 1 - Parametri geometrici dei due prototipi Di seguito si può vedere anche la Figura 4 che mostra una sezione del singolo elemento visto dall alto: si identificano le aperture sul piano di metallizzazione interno del substrato e il suo modo di accoppiamento con le due linee in microstriscia. Line 1 (Pol -45 deg) Line 2 (Pol -45 deg) Figura 4 Geometria dell antenna vista dall alto 6

7 E interessante notare che questo tipo di doppia polarizzazione a ±45, ha uno scopo preciso: in questa struttura, polarizzazioni inclinate a ±45, sono preferite a polarizzazioni verticale/orizzontale perché formano diagrammi di irradiazione identici e sono ugualmente sensibili a segnali in polarizzazione orizzontale o verticale Circuito stampato di alimentazione Il circuito stampato di alimentazione è realizzato su laminato Arlon AD300 di spessore 3,1 mm a doppio strato e come abbiamo appena visto, contiene tre livelli di metallizzazione, realizzati con il metodo della fotoincisione. Nella metallizzazione centrale che costituisce il piano di massa, è stato inciso un array di 4 x 4 fessure a croce, ruotate di 45 rispetto alle direzioni di allineamento e ai bordi del circuito, che irradiano i campi a ±45, proprio perché suono ruotati rispetto al verticale di ±45. Il circuito stampato ha dimensioni 392 x 429 mm ed è riportato in Figura 5, completo dei connettori SMA sulle porte di ingresso. Per poter connettere in maniera corretta gli adattatori SMA sulle 8 linee a microstriscia di ingresso è stato necessario portare sulla superficie del circuito il riferimento di massa dal livello di metallizzazione interna, non direttamente accessibile. In prossimità del bordo inferiore del circuito ed in corrispondenza delle linee a microstriscia, su entrambe le facce del circuito sono stati realizzati dei pads di rame con dei fori metallizzati che realizzano il collegamento elettrico tra il piano di massa interno e i pads stessi, come illustrato in Figura 6. Su questi pads sono stati fissati i connettori SMA, come risulta in Figura 5, saldando il conduttore centrale alla microstriscia e quello esterno al pad. Sono stati utilizzati adattatori SMA da pannello con 50Ω d impedenza e garantiti fino ai 18GHz. Figura 5 - PCB per array 4x4 con connettori SMA 7

8 Figura 6 Pad con fori metallizzati per l inserimento dei connettori SMA 1.3 Assemblaggio dell antenna Per ciascuno dei due prototipi, al di sopra del circuito stampato e in corrispondenza delle fessure a croce, sono stati posti 16 stack di due patch in alluminio di spessore 1 mm (sono stati fissati con del nastro biadesivo sul PCB). I due patch dello stack sono stati assemblati utilizzando degli spessori in polistirene espanso, di altezza tale da realizzare l air gap richiesto. Il polistirene è stato scelto in quanto ha un ε r 1, così da fare in modo che gli spessori venissero visti come aria dagli elementi radianti, per non andare ad interferire con le specifiche di progetto. Lo stack di patch si differenzia nei due prototipi. Le dimensioni dei patches e l altezza degli spessori in polistirene dei due stack sono elencati in Tabella 1 e illustrati in Figura 7 (1-a) (2-a) 8

9 (1-b) (2-b) (1-a) Vista dall alto prot. Tipo I (1-b) Vista di lato prot. Tipo I (2-a) Vista dall alto prot. Tipo II (2-b) Vista di lato prot. Tipo II Figura 7 Assemblaggio dei prototipi, dettagli sui patch Come illustrato in Figura 8, mediante viti e distanziali in teflon il circuito stampato è stato fissato al di sopra di una piastra di alluminio delle stesse dimensioni del circuito stampato e con uno spessore di 3mm. La distanza tra il circuito stampato e la piastra è D=5.4 mm per il Prototipo I e D=4.2 mm per il Prototipo II. Tale piano è servito anche per fissare l antenna al palo del posizionatore in camera anecoica. D Viti e distanziali in Teflon Figura 8 - Assemblaggio del piano metallico 9

10 In Figura 9 e Figura 10 sono riportate le foto dei due prototipi assemblati nella loro versione definitiva. Figura 9 - Versione finale dell antenna - Prototipo Tipo I Figura 10 -Versione finale dell antenna - Prototipo Tipo II 10