Analisi e progetto di antenne stampate attive
Autore
Massimo Olivieri - Politecnico di Torino - [1996-97]
Documenti
Abstract
Il termine ‘antenna attiva’ indica l’utilizzo combinato di un’antenna e di un elemento attivo per il trattamento del segnale proveniente o diretto all’elemento irradiante; per ‘antenna stampata attiva’ si intende una configurazione in cui l’antenna e la circuiteria attiva sono integrate sullo stesso substrato: per questo viene anche chiamata ‘antenna integrata attiva’.
Le antenne attive hanno conosciuto il maggior sviluppo con l’avvento delle antenne planari: tra queste, l’antenna stampata con metallizzazione a forma di piazzola (patch), è a tutt’oggi l’elemento irradiante più diffuso in questo ambito.
La possibilità di una forte integrazione tra i due elementi è data dalla natura stampata stessa del patch, il cui substrato il più delle volte funge da supporto (circuito stampato) per il circuito attivo. Per ridurre le dimensioni, minimizzare le perdite in trasmissione e aumentare il rapporto segnale rumore in ricezione si cerca di avere il dispositivo attivo il più possibile vicino all’antenna, talvolta direttamente sulla superficie del radiatore. Questo si rende necessario anche perché, a microonde e a frequenze millimetriche, l’elemento attivo, che per ragioni di spazio è un dispositivo allo stato solido, non è in grado di fornire elevati livelli di potenza.
Le antenne attive hanno nel basso livello di potenza irradiato il principale inconveniente. Il loro naturale ambito di utilizzo è perciò dato dai sistemi di trasmissione su brevi distanze. Sistemi intelligenti per autostrade (tipo TELEPASS), sistemi di identificazione automatica, sistemi di monitoraggio remoto di vibrazioni, sensori per allarmi anti intrusione e radar ad effetto Doppler per corte distanze sono degli esempi di applicazioni che fanno uso di antenne attive. Esse possono anche essere impiegate in schiere ad alta densità di integrazione, quali quelle per applicazioni come comunicazioni mobili o sistemi radar.
Il presente lavoro di tesi si innesta nel filone di progetto di antenne attive integrate in configurazione ad oscillatore il cui elemento attivo è un transistor. Il lavoro prevede il progetto di due moduli, ambedue in trasmissione, per applicazioni in Banda S (2.5GHz) e in Banda X (10GHz). Si è adottata una configurazione multistrato in cui l’elemento irradiante e la parte attiva si trovano sulle facce opposte di una struttura costituita da due substrati dielettrici separati da un piano metallico, con fessura di accoppiamento.
Il progetto dell’elemento irradiante consiste nella determinazione dei parametri geometrici ed elettrici della struttura in modo che venga soddisfatta la condizione di risonanza alla frequenza data come specifica, e venga assicurato un valore di adattamento di 50A in ingresso. La maggior parte di questi parametri viene fissata in base a considerazioni di ordine pratico - reperibilità dei materiali, compatibilità col modello adottato per l’analisi, caso di patch quadrato, massimizzazione dell’accoppiamento linea di alimentazione/patch. Per la determinazione delle restanti variabili di progetto si fa uso di un metodo che si può definire metodo ibrido iterativo. E’ ibrido perché prevede l’utilizzo di due tipi di approcci per lo studio della struttura: il Modello a Cavità, già visto nell’analisi, con cui si ottiene una rappresentazione circuitale ‘grezza’ dell’antenna, e un modello più rigoroso che risolve il problema elettromagnetico mediante in Metodo dei Momenti (MoM). Il primo, benché meno accurato, consente di invertire le espressioni derivanti dall’analisi per ottenere dei grafici di progetto. Il progetto stesso viene poi affinato iterativamente usando la simulazione rigorosa, implementata dal programma ENSEMBLE. L’utilizzo dei due metodi in sequenza permette un notevole risparmio di tempo di CPU.
Lo studio fatto in questa tesi ha prodotto i valori di progetto dei parametri geometrici e elettrici dell’antenna attiva in Banda S precedentemente descritta.
In particolare ci si è attenuti ad alcune considerazioni che permettono di realizzare l’antenna nel Laboratorio di Campi Elettromagnetici del Politecnico di Torino, relativamente alla scelta dei materiali - legata alla disponibilità - e alla specifica sulla frequenza.
Le antenne attive hanno conosciuto il maggior sviluppo con l’avvento delle antenne planari: tra queste, l’antenna stampata con metallizzazione a forma di piazzola (patch), è a tutt’oggi l’elemento irradiante più diffuso in questo ambito.
La possibilità di una forte integrazione tra i due elementi è data dalla natura stampata stessa del patch, il cui substrato il più delle volte funge da supporto (circuito stampato) per il circuito attivo. Per ridurre le dimensioni, minimizzare le perdite in trasmissione e aumentare il rapporto segnale rumore in ricezione si cerca di avere il dispositivo attivo il più possibile vicino all’antenna, talvolta direttamente sulla superficie del radiatore. Questo si rende necessario anche perché, a microonde e a frequenze millimetriche, l’elemento attivo, che per ragioni di spazio è un dispositivo allo stato solido, non è in grado di fornire elevati livelli di potenza.
Le antenne attive hanno nel basso livello di potenza irradiato il principale inconveniente. Il loro naturale ambito di utilizzo è perciò dato dai sistemi di trasmissione su brevi distanze. Sistemi intelligenti per autostrade (tipo TELEPASS), sistemi di identificazione automatica, sistemi di monitoraggio remoto di vibrazioni, sensori per allarmi anti intrusione e radar ad effetto Doppler per corte distanze sono degli esempi di applicazioni che fanno uso di antenne attive. Esse possono anche essere impiegate in schiere ad alta densità di integrazione, quali quelle per applicazioni come comunicazioni mobili o sistemi radar.
Il presente lavoro di tesi si innesta nel filone di progetto di antenne attive integrate in configurazione ad oscillatore il cui elemento attivo è un transistor. Il lavoro prevede il progetto di due moduli, ambedue in trasmissione, per applicazioni in Banda S (2.5GHz) e in Banda X (10GHz). Si è adottata una configurazione multistrato in cui l’elemento irradiante e la parte attiva si trovano sulle facce opposte di una struttura costituita da due substrati dielettrici separati da un piano metallico, con fessura di accoppiamento.
Il progetto dell’elemento irradiante consiste nella determinazione dei parametri geometrici ed elettrici della struttura in modo che venga soddisfatta la condizione di risonanza alla frequenza data come specifica, e venga assicurato un valore di adattamento di 50A in ingresso. La maggior parte di questi parametri viene fissata in base a considerazioni di ordine pratico - reperibilità dei materiali, compatibilità col modello adottato per l’analisi, caso di patch quadrato, massimizzazione dell’accoppiamento linea di alimentazione/patch. Per la determinazione delle restanti variabili di progetto si fa uso di un metodo che si può definire metodo ibrido iterativo. E’ ibrido perché prevede l’utilizzo di due tipi di approcci per lo studio della struttura: il Modello a Cavità, già visto nell’analisi, con cui si ottiene una rappresentazione circuitale ‘grezza’ dell’antenna, e un modello più rigoroso che risolve il problema elettromagnetico mediante in Metodo dei Momenti (MoM). Il primo, benché meno accurato, consente di invertire le espressioni derivanti dall’analisi per ottenere dei grafici di progetto. Il progetto stesso viene poi affinato iterativamente usando la simulazione rigorosa, implementata dal programma ENSEMBLE. L’utilizzo dei due metodi in sequenza permette un notevole risparmio di tempo di CPU.
Lo studio fatto in questa tesi ha prodotto i valori di progetto dei parametri geometrici e elettrici dell’antenna attiva in Banda S precedentemente descritta.
In particolare ci si è attenuti ad alcune considerazioni che permettono di realizzare l’antenna nel Laboratorio di Campi Elettromagnetici del Politecnico di Torino, relativamente alla scelta dei materiali - legata alla disponibilità - e alla specifica sulla frequenza.
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