Tirocinio Sistemi per dispositivi wireless

ANTENNA A CAVITÀ’ RISONANTE

Riassunto.

Un superstrato stampato 3D non planare e altamente trasmittente è presentato per

incrementare le caratteristiche di radiazione direttiva di un'antenna a cavità risonante (RCA).

Le RCAs classiche sono caratterizzate da una distribuzione del campo d’apertura non

uniforme che compromette la loro direttività a campo lontano. Il concetto di correzione della

fase del campo vicino è stato usato per creare un rettificatore di fase a superstrato

trasparente (PRTS), il quale è stato fabbricato usando la tecnologia della stampa 3D. Il

PTRS è stampato mediante i filamenti di acido polilattico, i quali sono facilmente accessibili.

Questo ha un costo ed un peso significativamente inferiore comparato con le sue controparti

pubblicate più recentemente, mentre le sue prestazioni risultano simili. La tecnologia di

stampa 3D produce il prototipo in meno di 4 ore, il che è considerevolmente meno rispetto ai

tradizionali metodi di fabbricazione. Le misurazione sul prototipo indicano risultati molto

vicini tra i risultati misurati e quelli attesi. Sono state rilevati incrementi considerevoli nelle

performance dell’antenna, dovuta alla correzione della distribuzione dell’apertura di fase.

Altri notevoli aspetti comprendono l’incremento del picco della direttività di 7.3 dB (da 13-

20.3 dBi), una significativa riduzione dei lobi laterali un incremento dell'efficienza

dell’apertura del 36.1% con un PRTS che costa meno di 2.5 USD.

I. INTRODUZIONE

La stampa 3D è 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. Questa offre maggiore flessibilità, migliore accuratezza e a costi minori rispetto

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

estremamente complesse. Materiali eterogenei con geometrie complicati possono essere

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

modellazione a deposizione fusa (FDM). Inoltre, poiché incollaggio e lavorazione non sono

presenti, questo metodo permette di ottenere un prodotto finale fisicamente robusto. Prima

della stampa, la modellazione assistita dal computer permette di eliminare tutti i comuni

errori nel modello 3D, garantendo la correttezza la consistenza del progetto. Si ipotizza che

la tecnologia di stampa 3D divenga un mercato da miliardi di dollari nella prossima decade a

causa dell’aumento della domanda nell’automotive e nelle industrie di produzione. C’è un

crescente interesse nell’utilizzo di tecniche di produzione 3D per la progettazione di

componenti alle radio frequenze (RF). Tuttavia, una delle preoccupazioni principale è di

garantire che un componente RF stampato in 3D abbia simili prestazioni a quelli prodotti

tradizionalmente, come l’utilizzo della lavorazione a controllo numerico del computer. Questo

articolo indaga sull’utilizzo delle tecnologie della stampa 3D per realizzare superstrati non

riflettenti correttori di fase, chiamato d’ora in poi superstrato trasparente rettificatore di fase

(PRTS), per antenne a cavità risonante. Il PRTS è utilizzato entro la regione di campo vicino

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

della zona di campo vicino. Il PRTS incrementa considerevolmente La direttività a campo

lontano della RCA e questo risulta utile per le applicazione da medio ad alto guadagno

inclusi il backhaul network, le trasmissioni punto a punto, le comunicazioni satellitari, etc. In

confronto ai riflettori tradizionali, l’antenna proposta non risente del problema del blocco

dell’alimentazione. Questa è anche molto meglio di un semplice horn, che deve essere più

alto e deve avere più piccola sfasatura angolare per generare livelli simili di guadagno. La

tecnica della rettificazione della fase del campo vicino è stata recentemente dimostrata per

sviluppare strutture correttrici di fase a basso profilo come un'alternativa efficiente alle

tradizionali lenti costruite utilizzando tecniche basate su raggi. Il rettificatore di fase a campo

vicino, anche conosciuto come correttore di fase o equalizzatore di ritardo, può essere

applicato ad ogni antenna di apertura, ma è stato dimostrato per le RCAs come un caso di

esempio. Tutte le strutture completamente dielettriche e rettificatrici di fase utilizzate per la

rettificazione della fase in campo vicino, sono ottenute da un blocco spesso di materiale

dielettrico commerciale utilizzando una macchina CNC. Questo metodo si costoso che lungo

poiché la macchine devono utilizzare varie misure di punte di trapano e alcune punte

delicate vengono spesso rotte quando vengono fatte lavorazioni delicate come la ceramica.

Un design stampo 3D migliorato del PRTS è stato realizzato per la correzione di fase per il

campo vicino che permette di raggiungere livelli di prestazioni simili alle tradizionali strutture

completamente dielettriche di correzione di fase. Il PRTS proposto è realizzato in PLA e

fabbricato attraverso una lavorazione a singolo step. Il PLA è una dei polimeri per stampa

3D più ampiamente disponibili ed economici ed è stato utilizzato per numerose applicazioni

negli ultimi anni. Nella sezione II dell’articolo, il processo di rettificazione di fase è

brevemente spiegato. La sezione III analizza le caratteristiche di riflessione e trasmissione

del materiale dielettrico contestualizzandole nell’utilizzo nei PRTS. Un esempio di design del

PRTS è fornito nella sezione IV, mentre i risultati misurati e attesi sono discussi nella

sezione V.

II. CONFIGURAZIONE DEL DESIGN

Nonostante il PRTS possa essere progettato per ogni apertura radiante, per una giusta

comparazione con la struttura del correttore di fase per campo vicino precedentemente

riportata, è stato progettato per il classico RCA. La RCA qui considerata comprende un

piano di ground e una superficie parzialmente riflettente (PRS). Una patch viene montata su

un substrato di tipo Rogers UltraLam2000 (t = 1.57 mm e εr = 2.5), mentre il PSR è

1 1

formato da un Rogers ottagonale TMM4 (t = 3.175 mm e εr = 4.5) con massima

2 2

dimensione laterale di 4.2λ (115.2 mm) nel piano xy, la quale forma l'apertura della RCA. Lo

0

spazio tra il piano di ground e il PRS è circa λ /2 (13.3mm), una condizione necessaria per la

0

risonanza della cavità che si forma tra il PRS e il piano di ground dell’antenna patch. La

classica RCA, considerata qui, è stata riportata con una alta distribuzione non uniforme della

apertura di fase, la quale diminuisce la sua figura di radiazione di campo lontano. Per

stimare la non uniformità di fase dell'antenna, una simulazione full-wave della RCA è stata

elaborata su CST Microwave Studio e la fase della componente dominante del campo

elettrico viene esaminata su punti discreti di un ipotetico piano di input della superficie

rettificante (RS-IP). La RS-IP viene posizionata 6 mm sopra il PRS della RCA e la sua

apertura quadrata ha una grandezza di 4.2λ (115.2 mm) nel piano xy. Il piano è equamente

0

diviso in 18 x 18 segmenti quadrati di grandezza pari a 6.4 mm, per mappare la fase della

componente dominante del campo. La fase rilevata su ogni segmento della RS-IP viene

indicata con φ (x,y). La φ (x,y) è poi utilizzata per calcolare il ritardo di fase necessario in

in in

ogni segmento quadrato in modo che si ottenga una fase uniforme ( o φ (x,y) = costante)

out

sui segmenti corrispondenti in un altro piano parallelo ipotetico denominato piano di output

della superficie rettificatrice (RS-OP). La trasformazione della distribuzione di fase da φ (x,y)

in

a φ (x,y), rispettivamente, può essere ottenuta inserendo il materiale PLA di altezza h(x,y)

out

che fornisca il ritardo di fase richiesto φ (x,y) ( dove φ (x,y) = φ (x,y) - φ (x,y) ). Il materiale

d d out in

dielettrico di altezza h(x,y), occupante lo spazio tra la RS-IP e la RS-OP oltre a fornire il

ritardo di fase può anche influenzare la caratteristiche radiative della RCA riflettendo indietro

il campo elettrico incidente. Quindi, risulta utile quantificare le caratteristiche di trasmissione

e di riflessione del materiale dielettrico-PLA utilizzato per il PRTS.

III. CARATTERISTICHE TRASMISSIVE DEL PLA

Il PLA è di gran lunga il materiale più comunemente utilizzato nella stampa 3D FDM,

principalmente per il suo basso costo è per la sua facilità di manipolazione. Le caratteristiche

trasmissive del PLA (ampiezza e fase) possono essere ottenute usando il rapporto calcolato

analiticamente del campo elettrico trasmesso ed incidente attraverso una lastra dielettrica

infinitamente estesa del PLA, utilizzando:

dove h è l’altezza del dielettrico PLA, k è il numero d’onda del PLA. e sono i coefficienti

1 1 2

di trasmissione intrinseca dall’aria al dielettrico (input) e dal dielettrico all’aria (output) delle

interfacce del PLA. In modo analogo, p e p sono i coefficienti di riflessione delle rispettive

1 2

interfacce. Utilizzando questa equazione ed un’altra è possibile calcolare il valore dei

coefficienti di trasmissione e di riflessione del PLA variando la sua altezza. Dal grafico che si

ottiene è evidente che il valore del coefficiente di trasmissione resta maggiore di 1.2 dB,

indipendentemente dall’altezza; quindi un superstrato fatto di PLA può essere

tranquillamente equiparato ad un superstrato trasparente. Il ritardo di fase della trasmissione

attraverso il PLA ( φ ) di altezza h, può essere espresso come la fase del numero

PLA

complesso ottenuto dall’equazione T. Il ritardo di fase totale tra RS-IP e RS-OP attraverso un

PLA di altezza arbitraria è la somma del ritardo di fase nel PLA e nell’aria ed è dato da:

dove k è il numero d’onda nello spazio libero e t - h è l’altezza della ragione d’aria. La

0

distanza massima tra il PS-IP e il PS-OP è impostata a t = 21 mm, e il ritardo di fase di

trasmissione per altezze variabili del PLA è rappresentato nel grafico. I dati assoluti sono poi

normalizzati per comprendere meglio il range possibile del ritardo di fase. Questo range di

fase può essere poi utilizzato per convertire ogni ritardo di fase richiesto nell’altezza

appropriata del PLA in ogni segmento del PRTS.

IV. DESIGN DEL PRTS

I valore della fase elettrica rilevati nella RS-IP della RCA sono mostrati nel grafico

bidimensionale, evidenziando una simmetria circolare nella distribuzione di fase. Prendendo

spunto dalla simmetria preesistente, una strategia