Tirocinio Sistemi per dispositivi wireless

ABSTRACT

In questo articolo si cercherà di dimostrare che attraverso l’utilizzo di particolari dielettrici

come superstrati di una antenna è possibile migliorare notevolmente le prestazioni

dell’antenna. In generale, il superstrato, è la componente dell’antenna che, insieme al piano

di massa, contribuisce alla creazione della cavità risonante, la quale è alla base delle

antenne a risonatore. Si andranno quindi ad esaminare sia le tecniche di progettazione e

costruzione, sia i risultati delle misurazioni, concludendo infine con delle considerazioni

generali. Nella sezione I sarà presentata una breve introduzione sulle tecnologie principali,

sviluppate negli ultimi anni, che permettono di ottenere antenne ad alto guadagno ed

efficienza ma a costi contenuti. Nella sezione II, in particolare nelle 3 sottosezioni relative ai

3 casi, saranno esposti i design di alcune antenne a risonatore e la loro caratteristiche

operative e strutturali. Nella sezione III saranno esposte le misurazioni effettuate con ogni

progetto di antenna e i vari risultati ottenuti, per avere una valutazione delle prestazioni delle

tre RCAs.

I. INTRODUZIONE

Le antenne a cavità risonante (RCAs), hanno suscitato interesse negli ultimi anni poiché

offrono caratteristiche di radiazione direttiva, comparabili alle antenne tradizionali, utilizzando

configurazioni e meccanismi di alimentazione semplici. Il cuore delle RCAs è costituito da

una cavità risonante che si forma tra un superstrato riflettente posto, ad una appropriata

distanza da una sorgente elettromagnetica, e il piano di massa. Questa cavità risonante, alle

frequenze operative, permetterà di avere un miglioramento della radiazione direzionale. Le

problematiche più impegnative con questo tipo di antenna sono l’adattamento ottimale

dell’impedenza in banda stretta e la limitata larghezza di banda della direttività. Nel corso

degli anni sono state sviluppate ed implementate nuove tecniche per il miglioramento delle

prestazioni, in particolare negli ultimi 10 anni l’utilizzo di superstrati realizzati tramite superfici

ad alta riflettività, ovvero delle superfici selettive in frequenza (FSS), ha permesso di

migliorare notevolmente la larghezza di banda. Questo miglioramento però è stato presto

eguagliato e superato dall’utilizzo di antenne compatte a cavità risonante (CRCA) con

superstrato completamente dielettrico in PGS (permittivity-gradient surface). Un’antenna di

questo tipo, grazie alle sue prestazioni, può essere classificata come antenna a medio

guadagno, ma un array composto da queste antenne potrebbe avere anche applicazioni ad

alto guadagno, infatti il singolo dispositivo presenta un guadagno di picco compreso tra i 15

e i 20 dBi [1]. Un superstrato composto da PGS ha però un imponente limite, il costo; infatti

l’eccessivo costo di realizzazione e degli stessi materiali, non permettono un’ampia

diffusione delle antenne con questo tipo di configurazione. E’ stato quindi introdotto un

nuovo modello di CRCA che utilizza un superstrato molto leggero composto da materiale a

basso costo e stampato con stampante 3D [2]. Questo metodo permette di utilizzare un

solo materiale, del quale viene variata la

concentrazione per realizzare il gradiente di permettività che, nella configurazione classica

veniva realizzata attraverso l’utilizzo di numerosi materiali differenti. Inoltre il materiale

utilizzato per la fabbricazione del superstrato, con la stampa 3D, è l’ABS, ovvero un

materiale molto economico e facilmente reperibile, mantenendo però un gradiente effettivo

molto simile a quello dei materiali classici delle CRCA [1], [3]. Attraverso la stampa 3D è

inoltre possibile realizzare un superstrato non planare e altamente trasmittente, in grado di

migliorare notevolmente le caratteristiche di radiazioni direttiva di una RCA. Le classiche

antenne di questo tipo in generale non presentano una buona distribuzione di campo

sull’apertura, infatti quest’ultima non risultando uniforme, compromette la direttività per il

campo lontano. Per migliorare questo aspetto è stato quindi introdotto un superstrato

trasparente rettificatore di fase (PRTS), in grado di correggere la fase del campo vicino e in

questo modo migliorare anche la direttività per il campo lontano [4]. Anche in questo caso

l’utilizzo della stampa 3D con filamenti di acido polilattico, ha permesso di ridurre

considerevolmente sia i costi che i tempi di fabbricazione. Questi due espedienti utilizzano

entrambi la stampa 3D, ovvero una tecnica costruttiva, in rapida crescita, ecologica, a basso

costo, accurata e rapida che trova applicazioni nell’industria e negli altri campi della ricerca

scientifica [5], [6]. Questa offre maggiore flessibilità, migliore accuratezza a costi minori

rispetto ai tradizionali metodi di fabbricazione ed inoltre possiede la capacità di produrre

strutture estremamente complesse. Materiali eterogenei con geometrie complicate possono

essere efficientemente sviluppati utilizzando la fabbricazione additiva (AM) e la tecnica della

modellazione a deposizione fusa (FDM) [7]. Inoltre, poiché incollaggio e lavorazione non

sono presenti, questo metodo permette di ottenere un prodotto finale fisicamente robusto [8].

C’è quindi un crescente interesse nell’utilizzo di tecniche di produzione 3D per la

progettazione di componenti alle radio frequenze (RF) [9], [10]. Tuttavia, una delle

preoccupazioni principali è di garantire che un componente RF stampato in 3D abbia simili

prestazioni a quelli prodotti tradizionalmente. Il PRTS è utilizzato nella regione di campo

vicino dell’RCA per migliorare significativamente l'uniformità della distribuzione dell’apertura

di fase della zona di campo vicino, inoltre incrementa considerevolmente la direttività del

campo lontano della RCA e questo risulta utile per le applicazione a medio ed alto

guadagno. In confronto ai riflettori tradizionali, questa antenna non risente del problema del

blocco dell’alimentazione e risulta migliore anche di una semplice antenna horn, che deve

essere più alta e deve avere più piccola sfasatura angolare per generare livelli simili di

guadagno. Mentre le strutture dielettriche utilizzate fino ad ora, per le antenne RCA, sono

ottenute da un unico blocco di materiale che viene inciso e quindi modellato a seconda

dell’applicazione, il PRTS viene realizzato mediante stampa 3D utilizzando del PLA. Questa

seconda tecnica oltre ad essere più veloce ed accurata, consente un notevole risparmio

economico sia dal punto di vista dei materiali sia dei mezzi di costruzione [4], [11], [12].

Un’ulteriore configurazione per le antenne RCA si basa sull’utilizzo di superfici parzialmente

riflettenti (PRS), queste possono inoltre avere due diverse composizione, possono infatti

essere costituite da un singolo dielettrico o da più dielettrici; entrambe rappresentano quindi

il futuro delle tecnologie wireless a causa del loro basso profilo del loro prodotto guadagno-

banda senza precedenti [13], [14]. L’implementazione di queste nuove tecnologie è stata

resa necessaria dal fatto che alle frequenze delle onde millimetriche, la perdita lungo la linea

è molto alta. Per ovviare a questo problema sono necessarie antenne low-cost, altamente

efficienti, con alto guadagno e con larghezza di banda elevata. Antenne ad apertura, come

le antenne paraboliche o le antenne horn offrono una soluzione semplice, per ottenere un

alto guadagno e una ampia larghezza di banda, ma sono costose, ingombranti e hanno alto

profilo, Gli array di antenne stampate invece sono una delle

soluzioni low cost per raggiungere un alto guadagno, ma buoni conduttori e perdite

dielettriche alle frequenze delle onde millimetriche limitano le loro applicazioni. In proposito

sarà presentato il progetto di due antenne PRS di cui si è studiata la risposta e le

caratteristiche alla frequenza operativa di 60 GHz [15].

II. CONFIGURAZIONE DELLE ANTENNE

Nelle 3 sottosezioni presenti sono analizzate le caratteristiche principali e i punti salienti di

tre configurazioni di antenna, proposti come soluzione del problema posto in introduzione.

La configurazione classica delle RCAs comprende un’alimentazione primaria, ovvero il piano

di massa in PEC ed un superstrato uniforme parzialmente riflettente. Il ground e il

superstrato sono separati da una spazio pari alla metà della lunghezza d’onda (� /2), dove

0

� 0

rappresenta la lunghezza d’onda nello spazio vuoto alla frequenza operativa. Questa

regione, piena di aria, tra il ground e il superstrato, forma una cavità che viene eccitata

dall’alimentazione primaria e risuona alla frequenza desiderata. Le classiche RCAs, ottenute

da superstrati uniformi, hanno una non uniforme distribuzione della fase sull’apertura fuori

dalla cavità soprattutto per bande di frequenza ampie [16]. L’uniformità della distribuzione

della fase sull’apertura si migliora usando dei superstrati che abbiano una trasmissione del

ritardo di fase che vari lateralmente, ovvero dei superstrati con una configurazione tale da

poter ridurre il ritardo di fase, dal centro verso i bordi [1]. Nelle RCAs è possibile variare la

fase del campo elettromagnetico incidente, principalmente in due modi, la prima attraverso

un singolo dielettrico di cui viene variato lo spessore in vari punti, a seconda della necessità,

la seconda soluzione prevede l’utilizzo di più dielettrici, quindi cambiando il gradiente di

permettività viene variato il ritardo di fase in vari punti. La seconda soluzione è di grande

interesse poiché conduce ad una geometria planare che elimina gli svantaggi, come zone

d’ombra sull’apertura che sono causate da una geometria del superstrato non planare [17],

[4]. II a. ANTENNA COMPATTA A CAVITÀ RISONANTE CON SUPERFICIE A

GRADIENTE DI PERMITTIVITÀ

Partendo da un concetto primario basato sull’utilizzo del gradiente di permettività

come correttore del ritardo di fase, si è sviluppata la RCA basata sul PGS. Per

realizzare il superstrato sono stati fabbricati 3 anelli dielettrici concentrici, tutti con

costante dielettrica diversa l’una dall’altra; inoltre è stato posto a 3 il numero di anelli

da posizionare poiché aumentarne eccessivamente il numero non migliora le

performance in modo significativo ed inoltre rende la fabbricazione più complessa [1].

Il superstrato è sospeso ad una distanza di 13.7 mm sopra il piano di massa, ovvero

condizione per la risonanza ideale del CRCAs, affinché vengano raggiunte le

massime prestazioni irradiative [18], [19]. Il ground è composto da una lamina di

metallo con raggio R = 27 mm, con uno slot quadrato di alimentazione posto al

centro (1