Antenne per Stazioni Radio Base: Antenne per UMTS

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1 Antenne per Stazioni Radio Base: Antenne per UMTS Docente: Filiberto Bilotti Sommario Antenne per stazioni radio base di sistemi UMTS concetto di dipolo a larga banda concetto di dipolo parassita per aumentare la banda d impedenza esempio di un pannello per stazione radio base UMTS in tecnologia dipolare esempio di un pannello per stazione radio base UMTS in tecnologia stampata II-VII-2 1

2 Osservazione Fondamentale Le caratteristiche di copertura delle antenne per UMTS non differiscono da quelle esposte in precedenza (antenne omnidirezionali, antenne direttive, antenne intelligenti, ecc.) L unica differenza riguarda il fatto che il progetto deve tener conto della larghezza di banda del singolo radiatore, la quale deve essere almeno pari alla banda di frequenze assegnate ad UMTS. II-VII-3 Requisiti di Frequenza del Sistema UMTS La banda di frequenze impiegate in Europa da UMTS è di seguito riportata: DCS 1800 DCS 1800 DECT IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS up-link down-link : MHz : MHz BW=14.6% II-VII-4 2

3 Dipolo a Larga Banda Concetti Fondamentali (I) Nel caso di UMTS si rende necessario progettare un radiatore che lavori a larga banda. Le antenne a dipolo sono delle antenne risonanti che, cioè, lavorano bene ad una determinata frequenza. Per allargare la banda d impedenza delle antenne a dipolo si utilizzano diverse tecniche. II-VII-5 Dipolo a Larga Banda Concetti Fondamentali (II) Tra le diverse tecniche impiegate se ne considerano nel seguito due: impiego di antenne dipolari tozze (i.e. il raggio della sezione trasversale del dipolo non è più molto piccolo rispetto alla lunghezza del dipolo) impiego di dipoli parassiti (i.e. si pongono in vicinanza del dipolo alimentato uno o più dipoli non alimentati e di lunghezza poco diversa) II-VII-6 3

4 Dipolo a Larga Banda Antenna Dipolare Tozza (I) ẑ + V G ~ ˆx L ŷ L aumento del raggio a della sezione trasversale del dipolo rende più dolce l andamento della reattanza d ingresso nell intorno della prima risonanza. 2a II-VII-7 Dipolo a Larga Banda Antenna Dipolare Tozza (II) 300 Reattanza d'ingresso [Ohm] f 0 =900 MHz L=15.67cm a=1.5mm a=7.8mm a=15.6mm Frequenza [GHz] II-VII-8 4

5 Dipolo a Larga Banda Antenna Dipolare Tozza (III) La resistenza d ingresso varia poco con il raggio della sezione trasversale del dipolo. Ne segue che si riesce a conseguire un buon adattamento d impedenza in una banda di frequenze via via più ampia all aumentare del raggio della sezione trasversale del dipolo. II-VII-9 Dipolo a Larga Banda Antenna Dipolare Tozza (IV) 0.0dB -2.5dB -5.0dB Return Loss [db] -7.5dB -10.0dB -12.5dB -15.0dB -17.5dB L=15.67cm a=1.5mm a=7.8mm a=15.6mm -20.0dB Frequenza [GHz] II-VII-10 5

6 Dipolo a Larga Banda Antenna Dipolare Tozza (V) All aumentare del raggio della sezione trasversale del dipolo la frequenza di risonanza si sposta verso il basso. Per centrare nuovamente la frequenza di funzionamento all interno della banda d interesse si deve ulteriormente ridurre la lunghezza del dipolo (per esempio: 0.45 λ 0 ). II-VII-11 Progetto di Antenna Dipolare Tozza per UMTS (I) Passo 1 Si progetta un dipolo di lunghezza pari a L=0.45λ 0, essendo λ 0 la lunghezza d onda corrispondente alla frequenza centrale f 0 della banda d interesse: f0 = 2.050GHz λ 0 = 14.68cm L = 0.45λ0 6.58cm II-VII-12 6

7 Progetto di Antenna Dipolare Tozza per UMTS (II) Passo 2 Si valuta il Return Loss del dipolo di lunghezza L trovata nel passo precedente al variare del raggio a della sezione trasversale. Passo 3 Individuata una soglia di bontà sul RL (es. < - 10dB), si sceglie il valore di a che permette il rispetto ottimo di tale requisito. II-VII-13 Progetto di Antenna Dipolare Tozza per UMTS (III) 0dB -5dB -10dB a=0.09 L a=0.10 L Return Loss [db] -15dB a=0.01 L -20dB a=0.02 L -25dB a=0.08 L -30dB a=0.03 L -35dB a=0.07 L a=0.04 L -40dB a=0.06 L a=0.05 L -45dB Frequenza [GHz] II-VII-14 7

8 Progetto di Antenna Dipolare Tozza per UMTS (IV) In definitiva, dunque, le caratteristiche geometriche del dipolo sono: L = 0.45λ0 6.58cm a = 0.04L 2.63mm Si può far vedere che il diagramma di radiazione del dipolo ha solo variazioni lievi al variare della frequenza di lavoro nella banda di UMTS. II-VII-15 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (I) Un altra tecnica molto diffusa per ottenere dei radiatori a larga banda è quella di utilizzare accanto alle antenne direttamente alimentate dei radiatori parassiti. I radiatori parassiti irradiano un campo elettromagnetico per effetto della corrente indotta che si genera sulla loro superficie investita dal campo prodotto dai radiatori direttamente alimentati. II-VII-16 8

9 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (II) + L1 L2 VG ~ I due dipoli hanno lunghezze diverse e, pertanto, risuonano a due frequenze diverse. II-VII-17 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (III) Se le frequenze di risonanza dei due dipoli sono sufficientemente distanti tra loro (i.e. le lunghezze sono abbastanza diverse) si ottiene un funzionamento dual-band. Se le frequenze di risonanza dei due dipoli sono prossime tra loro (i.e. le lunghezze sono leggermente diverse) si ottiene un funzionamento a larga banda. II-VII-18 9

10 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (IV) 0dB -5dB -10dB Return Loss [db] -15dB -20dB -25dB -30dB -35dB L 1 =14.8 cm L 2 =7.5 cm -40dB Frequenza [GHz] II-VII-19 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (V) 0dB -5dB -10dB Return Loss [db] -15dB -20dB -25dB -30dB -35dB L 1 =9.4 cm L 2 =5.9 cm -40dB Frequenza [GHz] II-VII-20 10

11 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (VI) Confrontando gli andamenti del Return Loss ottenuti nel caso del dipolo tozzo e nel caso dell impiego di dipoli parassiti si trova che nel secondo caso di consegue un adattamento migliore. La struttura è più complicata rispetto a quella del singolo dipolo, ma aumentano i gradi di libertà a disposizione del progettista. II-VII-21 Impiego di Dipoli Parassiti Concetti di Base (VII) Risultati migliori si possono ottenere se si alimentano direttamente entrambi i dipoli. Questa soluzione in genere non viene adottata per ragioni economiche dal momento che si dovrebbe prevedere una seconda rete di alimentazione. II-VII-22 11

12 Esempio di Pannello di Antenne Dipolari per UMTS (I) Utilizzando la tecnica dei dipoli parassiti, il singolo radiatore del pannello ha la seguente struttura: s 1 D 1 D 2 s s 2 t È stata prevista anche la presenza di un rivestimento di natura plastica che serve per preservare i radiatori dal vento e dalla pioggia. II-VII-23 Esempio di Pannello di Antenne Dipolari per UMTS (II) Dati ottenuti a seguito di ottimizzazione: Angolo del Riflettore Diametro dei Dipoli (D 1 =D 2 ) Lunghezza Dipolo Alimentato (L 1 ) Lunghezza Dipolo Parassita (L 2 ) Altezza Riflettore Larghezza del Riflettore Distanza tra Dipolo Alimentato e Parassita ( s) Distanza tra Dipolo Alimentato e Centro del Riflettore (s) Distanza tra Dipolo Alimentato e Rivestimento Costante Dielettrica del Rivestimento Spessore del Rivestimento mm 58.8 mm 94.3 mm 200 mm 200 mm 8 mm 69 mm 10 mm 2 10 mm II-VII-24 12

13 Esempio di Pannello di Antenne Dipolari per UMTS (III) Return Loss [db] 0dB -5dB -10dB -15dB -20dB -25dB -30dB -35dB -40dB Frequenza [GHz] La grandezza rispetto alla quale è stata ottimizzata la struttura è il Return Loss alla porta d ingresso del radiatore alimentato. II-VII-25 Esempio di Pannello di Antenne Dipolari per UMTS (IV) Il numero di radiatori da impiegare nel pannello dipende dal tipo di cella che si deve coprire e dalle caratteristiche del canale. All aumentare del numero di radiatori il fascio è più stretto sul piano verticale. II-VII-26 13

14 Laboratorio di Esempio di Pannello di Antenne Dipolari per UMTS (V) Diagramma di radiazione sul piano orizzontale e sul piano verticale di un allineamento di 12 radiatori alla frequenza centrale di UMTS (f0=2.050 GHz). II-VII-27 Esempio di Pannello di Antenne Dipolari per UMTS (VI) Diagrammi agli estremi della banda di UMTS: II-VII-28 14

15 tecnologia integrata Si mostra ora il progetto di un antenna per stazione radio base per UMTS da utilizzarsi in ambiente indoor. L antenna è realizzata in tecnologia integrata ed è costituito da 4 radiatori e utilizza la diversità di polarizzazione. I quattro radiatori sono alimentati con la stessa fase e con le ampiezze II-VII-29 tecnologia integrata (I) Impiego di patch parassita e alimentazione tramite aperture Porta 2 d 4 d 3 d 2 d 1 t 3 t 2 g 2 t 1 g 1 spessore materiale ε r d 4 10 mm foam 1.06 d 3 6 mm foam 1.06 Porta 1 d 2 d mm 25 mm FR-4 FR II-VII-30 15

16 tecnologia integrata (II) Patch alimentato D1 = 62mm D2 = 54.5mm Patch parassita L2 = 43mm Linee di Alimentazione a 50 Ω L1 = 21mm Slot x 2 mm Slot x 2 mm II-VII-31 tecnologia integrata (III) RL RL GHz % GHz 24.76% II-VII-32 16

17 tecnologia integrata (IV) Quando si usano due porte è necessario che queste rimangano il più possibile isolate tra loro. II-VII-33 tecnologia integrata (V) Il guadagno del singolo elemento si mantiene tra 7 e 8 db nella banda di UMTS. db II-VII-34 17

18 tecnologia integrata (VI) II-VII-35 tecnologia integrata (VII) Progetto di un allineamento costituito da due radiatori. Separazione minore di λ 0 d onda per evitare grating lobes. Porta 2 d = 0.92λ 0 Porta 1 II-VII-36 18

19 tecnologia integrata (VIII) Perché risulti che B = A / 0.44, bisogna progettare un divisore di potenza sbilanciato. 50Ω λ / Ω 50Ω 50Ω λ /2 λ /4 λ /4 50Ω Ω 50Ω A B II-VII-37 tecnologia integrata (IX) GHz RL RL % GHz 24.57% II-VII-38 19

20 tecnologia integrata (X) L isolamento si mantiene inferiore ai -35dB e il guadagno è intorno ai 10 db. II-VII-39 tecnologia integrata (XI) II-VII-40 20

21 tecnologia integrata (XII) Progetto dell allineamento finale costituito da quattro radiatori. d =138 mm H =121 mm L =501 mm H d d d L II-VII-41 tecnologia integrata (XIII) 50Ω Divisore di λ/4 λ/4 potenza 50 Ω 50Ω Ω Ω Porta 2 Porta 1 II-VII-42 21

22 tecnologia integrata (XIV) GHz RL RL % GHz 30.12% II-VII-43 tecnologia integrata (XV) L isolamento si mantiene inferiore ai -33dB e il guadagno è intorno ai 12 db. II-VII-44 22

23 tecnologia integrata (XVI) II-VII-45 tecnologia integrata (XVII) Livello dei lobi laterali (side lobes) a 20 db. Larghezza di fascio a metà potenza pari a 16. II-VII-46 23