Esempi di progetto di antenne a patch per terminali

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1 Esempi di progetto di antenne a patch per terminali Docente: Filiberto Bilotti Sommario Antenne a patch di forma poligonale Antenna a patch per terminali UMTS Antenne a patch di forma poligonale con shorting post Antenne a patch di forma poligonale con fenditure circolari per alloggiare telecamere Antenne a patch di forma poligonale caricate con Superfici Reattive (HIS/RIS) III-VI-2 1

2 Antenne a patch di forma poligonale (I) Le antenne per terminali di sistemi di telefonia mobile non richiedono prestazioni di purezza di polarizzazione. Ciò significa che si possono utilizzare tutti i modi fondamentali di un patch per creare un funzionamento di tipo multi-frequenza o a larga banda. I patch di forma rettangolare sono dotati di soli due modi fondamentali. III-VI-3 Antenne a patch di forma poligonale (II) Confronto tra patch di forma rettangolare e patch di forma poligonale III-VI-4 2

3 Antenne a patch di forma poligonale (III) Vantaggi principali: introduzione di nuovi gradi di libertà nel progetto riduzione di peso e di ingombro riduzione dell area del patch ad una fissata frequenza di lavoro Alcuni svantaggi: riduzione della banda d impedenza del singolo modo riduzione della purezza di polarizzazione e della forma del diagramma di radiazione III-VI-5 Progetto di un antenna poligonale per UMTS (I) Primo passo di progetto picco indesiderato W L Input Reflection Coefficient Magnitude Substrato: aria; spessore: 5 mm; dim. patch:w=7.2 cm, L=6.2 cm III-VI-6 3

4 Progetto di un antenna poligonale per UMTS (II) Secondo passo di progetto forma irregolare: migliore adattamento e funzionamento a frequenze più alte ϕ 0.25W 0.25L W L/2 L ŷ Input Reflection Coefficient Magnitude ˆx ϕ = 0 ϕ = 7 ϕ = 12 ϕ = 19 III-VI-7 Progetto di un antenna poligonale per UMTS (III) Terzo passo di progetto piccola variazione delle dimensioni del patch per riportare il funzionamento in banda 0.25 W' 0.25 L' W' L' Input Reflection Coefficient Amplitude -2-25dB -3 L'=L+0.3; W'=W+0.4 L'=L+0.3; W'=W dB III-VI-8 4

5 Progetto di un antenna poligonale per UMTS (IV) Quarto passo di progetto y piccola variazione della posizione del probe (1.6, 6.575) (6.6, 6.575) (0, 3.35) (2, 1.35) (0, 0) (7.2, 0) (8.375, 3.35) x Input Reflection Coefficient Magnitude -2-25dB III-VI-9 Altriesempidiprogetto(I) Antenna per UMTS substrato di FR-4 privo di perdite (0, 2.4) (0.8, 3.2) (0.4, 0.4) (3.2, 3.2) (4.1, 2.6) (4.1, 0.9) Input Reflection Coefficient Amplitude (0, 0) (2.7, 0) III-VI-10 5

6 Altri esempi di progetto (II) Antenna per UMTS substrato di FR-4 con perdite (0.8, 3.2) (3.2, 3.2) (0, 2.4) (0.4, 0.4) (0, 0) (2.7, 0) (4.1, 2.6) (4.1, 0.9) Input Reflection Coefficient Magnitude -2-25dB III-VI-11 Altri esempi di progetto (III) Antenna per UMTS 5 cm dimensione finita del piano di massa (0.8, 3) (3.2, 3) (4, 2.4) (0, 2.2) 4 cm (0.4, 0.4) (4, 0.7) (0, 0) (2.6, 0) Input Reflection Coefficient Magnitude -2 ε r1 = mm -25dB III-VI-12 6

7 Altriesempidiprogetto(IV) Antenna per UMTS 5 cm presenza di un cover plastico (0, 2.2) (0.8, 3) (0.4, 0.4) (0, 0) (2.6, 0) ε r2 = 2.2 (3.2, 3) ε r1 = 4.4 (4, 2.4) 4 cm (4, 0.7) 1 mm 7 mm Input Reflection Coefficient Magnitude -2-25dB III-VI-13 Altriesempidiprogetto(V) Antenna per Wi-Fi funzionamento dual band (0.8, 2.75) (2.7, 2.75) (3.3, 2.25) (0, 1.95) (0.4, 0.4) (3.3, 1) (0, 0) (2.4, 0) Input Reflection Coefficient Magnitude -2-25dB III-VI-14 7

8 Altri esempi di progetto (VI) Antenna per UMTS ŷ (1.8, 1.7) (0.7, 1.55) (-1.8, 1.4) (0, 1.52) (-1.5, 0) (1.6, 0) (-0.49, 0) (-1.8, -1.4) (0, -1.52) (0.7, -1.55) (1.8, -1.7) ˆx [ref]:y.j. Wang, et al., IEEE MTT, Vol. 9, No. 8, pp , Aug Input Reflection Coefficient Magnitude -2-25dB [ref] this talk III-VI-15 con shorting post (I) Se si inserisce un conduttore verticale in corrispondenza del centro del patch così da non alterare la condizione al contorno, il patch continua a operare sul modo fondamentale. λ 0 /4 III-VI-16 8

9 con shorting post (II) La dimensione del patch risulta dimezzata e, di conseguenza, sarà dimezzata anche la potenza irradiata dal patch. Per diminuire la dimensione risonante del patch si può intervenire anche con dei semplici post metallici che collegano la superficie del patch al piano di massa. Il posizionamento opportuno del post permette di selezionare la frequenza di risonanza. III-VI-17 con shorting post (III) L introduzione di un post metallico provoca l insorgere di un nuovo modo (modo zero) che risuona ad una frequenza molto più bassa rispetto a quella del modo fondamentale del patch. Tuttavia, a seconda della sua posizione, il post permette di modificare anche la frequenza di risonanza del modo fondamentale del patch. III-VI-18 9

10 con shorting post (IV) Il post, infatti, si comporta come un carico induttivo in serie rispetto al circuito LC che caratterizza la risonanza del modo fondamentale L L sp b C Equivalent Circuit a III-VI-19 con shorting post (V) L induttanza del post varia al variare della sua posizione sul patch. Se il post è disposto al centro del patch, su di esso opera una tensione nulla: ne segue che non scorre corrente e non ci sono effetti sul modo fondamentale (L sp =0). Mano a mano che si posiziona il post dal centro del patch al bordo radiante L sp aumenta. III-VI-20 10

11 con shorting post (VI) Antenna di partenza (senza shorting post) Gain [dbi] 40 (8,30) (32,30 ) (40,24) (0,22) 50 (4,4) (40,7) (0,0) 6 (26,0) ε r =2.2 1mm ε r =4.4 7 mm 4.0 dbi 3.5 dbi 3.0 dbi 2.5 dbi 2.0 dbi 1.5 dbi 1.0 dbi 0.5 dbi 0.0 dbi Normalized Radiation Pattern [db] Return Loss [db] 0 db -5 db -10 db -15 db -20 db -25 db -30 db db -5 db -10 db -15 db -20 db -25 db -30 db -35 db φ=0 φ=90-40 db -45 db Elevation Angle [degrees] III-VI-21 con shorting post (VII) Effetti della posizione dello shorting post Return Loss [db] (x C,y C ) (x C + 2 mm,y C ) (x C + 4 mm,y C ) (x C + 6 mm,y C ) (x C + 8 mm,y C ) Return Loss [db] (x C,y C ) (x C,y C - 1 mm) (x C,y C - 2 mm) (x C,y C - 3 mm) (x C,y C - 4 mm) III-VI-22 11

12 con shorting post (VIII) Antenna finale (con shorting post) Gain [dbi] 40 (8,30) (32,30 ) (40,24) (0,22) 50 (21,11) (4,4) (40,7) (0,0) 6 (26,0) ε r =2.2 1mm ε r =4.4 7 mm 4.0 dbi 3.5 dbi 3.0 dbi 2.5 dbi 2.0 dbi 1.5 dbi 1.0 dbi 0.5 dbi 0.0 dbi Return Loss [db] Normalized Radiation Pattern [db] 0 db -5 db -10 db -15 db -20 db -25 db db -5 db -10 db -15 db -20 db -25 db -30 db -35 db φ=0 φ=90-40 db -45 db Elevation Angle [degrees] III-VI-23 con fenditure circolari (I) La presenza di fenditure sul patch permette di aumentare il percorso risonante delle correnti e diminuire la frequenza di risonanza del modo fondamentale del patch. L L b r C Equivalent Circuit a a a III-VI-24 12

13 6 Laboratorio di con fenditure circolari (II) 40 (8,30) (32,30) 0 db Antenna finale (con fenditura circolare) Gain [dbi] 50 (40,24) (0,22) 8 (4,3) (23,12.5) (40,7) (0,0) (26,0) εr=2.2 1mm εr=4.4 7 mm 3.0 dbi 2.5 dbi 2.0 dbi 1.5 dbi 1.0 dbi 0.5 dbi 0.0 dbi -0.5 dbi -1.0 dbi Return Loss [db] -5 db -10 db -15 db -20 db -25 db εr=2.2 Normalized Radiation Pattern [db] 0 db -5 db -10 db -15 db -20 db -25 db -30 db -35 db φ=0 φ=90-40 db -45 db Elevation Angle [degrees] III-VI-25 con RIS/HIS (I) Antenna a patch rettangolare con RIS (disco ad effetto capacitivo d adattamento). 8 mm 16 mm 8 mm 7.5 mm 12 mm 22 mm 4 mm 36 mm 7.5 mm 15 mm 36 mm cover dc = 2mm, ε = 2 rc substrate ds = 2mm, ε = 6 rs d = 4mm, ε = 25 RIGP RIGP rrigp III-VI-26 13

14 con RIS/HIS (II) Svantaggi: guadagno basso intensa radiazione posteriore i Return Loss [db] -2-25dB -3-35dB Broadside Antenna Gain [dbi] -2dBi -4dBi -6dBi -8dBi i Normalized Radiation Pattern [db] φ=0 φ=90-12dbi Elevation Angle [degrees] III-VI-27 con RIS/HIS (III) Patch poligonali per allargare la banda: Geometria: aumento delle dimensioni del piano di massa per aumentare il guadagno 9.5 mm 14 mm 14.2 mm 22 mm 40 mm 8 mm 8 mm 4 mm 50 mm (0 ; 20.6) (9.5 ; 20.6) (15 ; 16.4) (15 ; 3.5) (0 ; 0) (11.5 ; 0) cover dc = 2mm, ε rc = 2 substrate ds = 2mm, ε rs = 6 RIGP drigp = 4mm, ε rrigp = 25 III-VI-28 14

15 con RIS/HIS (IV) Vantaggi: aumento del guadagno riduzione della radiazione posteriore 2dBi Return Loss [db] -2-25dB dBi Broadside Antenna Gain [dbi] i -1dBi -2dBi -3dBi -4dBi i -6dBi -7dBi Normalized Radiation Pattern [db] φ=0 φ=90-8dbi Elevation Angle [degrees] III-VI-29 con RIS/HIS (V) 9 mm 9 mm 5.8 mm 5.2 mm 50 mm 40 mm 8 mm 8 mm 4 mm 50 mm 30 mm Configurazione finale che tiene conto della presenza del piano di massa esteso (carcassa del terminale mobile). Effetti attesi: aumento del guadagno e riduzione della radiazione posteriore. III-VI-30 15

16 con RIS/HIS (VI) Vantaggi: aumento ulteriore del guadagno riduzione ulteriore della radiazione posteriore 4dBi Return Loss [db] -2-25dB Gain [dbi] 2dBi i -2dBi -4dBi -6dBi -8dBi Normalized Radiation Pattern [db] -2 φ=0-3 φ= Elevation Angle [degrees] III-VI-31 per schede PCMCIA (I) Le antenne attive incorporano nello stesso componente l elemento passivo (antenna) e la circuiteria attiva (oscillatore, amplificatore, ecc.) Le antenne attive vengono classificate a seconda del tipo di dispositivo attivo. Vantaggi delle antenne attive: maggiore compattezza maggiore efficienza maggiore guadagno III-VI-32 16

17 per schede PCMCIA (II) Schema a blocchi di un antenna attiva del tipo ad oscillatore: Oscillator 2 Matching Network V ctrl Tuning Tank Circuit 1st Stage Generator Matching Network Mixer Matching Network 2nd Stage Buffer Matching Network Antenna III-VI-33 per schede PCMCIA (III) Implementazione circuitale dei singoli blocchi: IF IN LO IN RF OUT Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-34 17

18 IN IN OUT OUT Laboratorio di per schede PCMCIA (IV) Oscillatore a riflessione e teoria della Resistenza Differenziale Negativa (RDN) Combinazione elemento passivo: Tank Circuit Tank Circuit Out Generator elemento attivo: Generator Oscillazione: RDN > perdite IF IN Γ G Γ T LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-35 per schede PCMCIA (V) L oscillatore è progettato per oscillare a 2.33 GHz. Choke 1 Tank Circuit Choke 2 Generator La portante prodotta dall oscillatore viene modulata da un segnale IF a 110 MHz. IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-36 18

19 IN IN OUT OUT Laboratorio di per schede PCMCIA (VI) Il Choke 1 garantisce: trasferimento della tensione V CTRL su D 1 isolamento RF Il Choke 2 garantisce: polarizzazione di Q 1 isolamento RF IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-37 per schede PCMCIA (VII) Il Tank Circuit permette di sintonizzare la frequenza di oscillazione del VCO IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-38 19

20 IN OUT IN OUT Laboratorio di per schede PCMCIA (VIII) Il blocco Generator è costituito da: BJT in configurazione Collettore Comune rete di polarizzazione del transistor induttanza L 4 usata come Choke partitore di reazione in tensione R 1, C 5 IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna Q LOAD III-VI-39 per schede PCMCIA (IX) 7.3 mm BFR360F 9.0 mm BFR360F BBY58 02W BBY58 02W IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-40 20

21 IN OUT IN OUT Laboratorio di per schede PCMCIA (X) IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna 9.8 mm Mixer Output GHz dbm GHz dbm GHz dbm DB( Pharm[PORT_3,1,1] ) (dbm) Schematic 1 Max Frequency (GHz) 8.5 mm Max2661 III-VI-41 per schede PCMCIA (XI) 7.3 mm BGA mm BGA 614 IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-42 21

22 IN OUT IN OUT Laboratorio di per schede PCMCIA (XII) IF IN GHz db Filter Response 12.2 GHz db LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna GHz db 9.76 GHz -8.6 db 7.9 mm GHz db DB( S[1,1] ) Filter 15 Frequency (GHz) DB( S[2,1] ) Filter 7.3 mm III-VI-43 per schede PCMCIA (XIII) L elemento radiante è costituito da un antenna a patch caricata su una HIS a due livelli Patch antenna Probe feed h a h 2 h 1 h c Antenna substrate Two-layer HIS Circuit substrate La HIS serve per aumentare il guadagno e ridurre la radiazione posteriore Passive and active circuitry IF IN LO RF Oscillatore Mixer Buffer Filtro Antenna III-VI-44 22

23 per schede PCMCIA (XIV) Lx patch antenna Wx ha PCMCIA card ground plane -2dB -4dB -6dB Ly PCMCIA card ground plane Wy patch antenna shorting pin Sp Spp probe Sg Return Loss [db] -8dB -12dB -14dB -16dB -18dB -2-22dB -24dB i 4.8dBi dBi Gain [dbi] 4.4dBi dBi i III-VI-45 per schede PCMCIA (XV) L introduzione della HIS ha portato ad una drastica diminuzione della radiazione posteriore e ad un incremento del guadagno Return Loss [db] -2-25dB -3-35dB Gain [dbi] III-VI-46 23

24 per schede PCMCIA (XVI) L antenna attiva è stata realizzata e misurata ottenendo un guadagno pari a 18.6 db e 19.4 db nel caso di assenza e presenza di HIS. Il VCO è l elemento più delicato sia in fase di progetto che in fase di realizzazione. Oscillation dBm -1.2dBm -1.5dBm -1dBm -3dBm -2.9dBm -3.3dBm -3.2dBm -4.5dBm -3.9dBm -4.6dBm -4.2dBm -3.6dBm Simulation Measurements Tuning Voltage [Volt] III-VI-47 per schede PCMCIA (XVII) L antenna attiva considerata ha un costo estremamente limitato: 2.5 Euro. Tecnologia a montaggio superficiale SMD III-VI-48 24