Transcript Schiera Stampata di Antenne per la Piena

Schiera Stampata di Antenne per la Piena Copertura della
Banda 57-66 GHz
M.Bozzetti1, G.Carlone1,O.Losito1
1
Politecnico di BARI [email protected]; [email protected];
[email protected]
Abstract.
Per le applicazioni previste dalla Norma IEEE 802.15.3c sono auspicabili antenne ricoprenti
l'intera banda 57-66 GHz . Il presente lavoro indaga sull’impiego di schiere di antenne
stampate su dielettrici a singolo strato ed a basso costo. Le fasi progettuali nella realizzazione di
tali antenne sono: 1°) individuazione di singoli patch con larghezza di banda maggiore di 10
GHz; 2°) configurazione di schiere per ottenere i diagrammi di radiazione richiesti; 3°)
configurazione delle reti di alimentazione e adattamento. Recentemente è apparso in letteratura
un lavoro [4 ]nel quale la piena copertura in banda dei quattro canali previsti dalla Norma citata,
è realizzata da una schiera stampata alimentata da rete di linee co-planari, mentre per schiere
stampate con linee a microstriscia, la copertura in banda si limita a due canali [5]. In questo
lavoro si tenta l’estensione della copertura, con VSWR<2, all’intera banda tramite idonea
progettazione della rete di alimentazione e adattamento.
Keywords: Patch Antenas, Antennas Array, V band antennas array.
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Introduzione
Nel considerare l'utilizzo delle onde millimetriche per applicazioni indoor a corto
raggio, la Norma IEEE 802.15.3c e la Norma ECMA 387 destinano a questo scopo
la banda tra 56 e 67 GHz suddividendola in quattro canali, ciascuno di larghezza pari
a 2160 MHz, con fasce di guardia inferiore (240 MHz) e superiore (120 MHz). La
prerogativa del basso costo si estende ovviamente alle antenne da integrare nei
dispositivi e ciò ha portato allo sviluppo di sistemi di antenne integrati in strutture
multistrato LTCC [1]-[2]-[3]. Per molte applicazioni risulta tuttavia più attrattiva la
disponibilità di antenne planari a strato singolo da realizzare con le tecniche
convenzionali dei circuiti stampati (PCB). I vincoli normativi per le antenne
riguardano essenzialmente il guadagno e la larghezza di banda. Oltre ai vincoli
progettuali rivenienti dalle indicazioni di Normativa Tecnica, risultano esigenze di
tipo applicativo quali l'interfacciabilità con la circuiteria servita ed il contenimento
delle dimensioni fisiche. Nella letteratura più recente è stato reperito un lavoro su una
schiera di antenne a microstriscia con rete di alimentazione a linee coplanari ed
accoppiamento con sonde ad L [4] che esibisce un ROS <2 con un guadagno pari a
16.7 ± 0.5 dBi su tutta la banda tra 57.00 e 66.00 GHz. Nella alimentazione con linea
coplanare il piano metallico sul quale viene realizzata la rete di alimentazione si
affaccia verso la circuiteria sottostante e ciò potrebbe comportare una interferenza
mutua con essa. Questo problema non si pone per schiere di antenne stampate con
rete di alimentazione a microstriscia in quanto il piano di massa effettua una
segregazione completa dei radiatori e della rete di alimentazione verso la sottostante
circuiteria. Invero non sono state reperite in letteratura realizzazioni [5] con
estensione della banda con ROS<2 eccedente due dei quattro canali. Questo lavoro
indaga sulla possibilità di ottenere schiere di antenne stampate con alimentazione a
microstriscia considerando per gli adattamenti stubs in corto circuito. Dal lavoro
condotto emerge la possibilità di ottenere la piena copertura della banda tra 57 e 66
GHz con ROS<2 fin da sistemi a singolo patch. Il raggiungimento di guadagni
superiori a 9 dBi su tutta la banda richiede schiere di 4 elementi, con dimensioni di
ingombro pari a 100 mm 2, mentre per il guadagno di 13,7 dBi occorrono schiere di 8
elementi con dimensioni di ingombro pari a 200 mm 2.
2
Progetto e simulazione della schiera di antenne
Elementi radianti. Riprendendo tipologie di antenna già presenti in letteratura, si
sono considerate schiere di antenne stampate su substrato dielettrico a basso
costo di comune reperibilità: RT Duroid 5880 con ε r=2.2, tg δ =0.0009, spessore
rame 10µm. Per l'altezza h del substrato dielettrico, si sono considerati gli
spessori di maggior diffusione commerciale: 10 mils (0.254 mm), 15 mils (0.381
mm), 20 mils (0.508 mm). Essendo interessati ad ottenere radiazione a
polarizzazione lineare, si sono considerate
antenne stampate a forma
rettangolare, il cui dimensionamento è stato condotto con la metodologia
standard del modello a linea di trasmissione. Come frequenza di risonanza di
progetto, si è scelto il valore di 61 GHz che risulta centrale rispetto all'intera banda.
In relazione alla opportunità di non usare linee a microstriscia di larghezza
confrontabile con le dimensioni delle impronte radianti, per l'impedenza di ingresso
di riferimento si è adottato il valore di 150 Ohm. Le simulazioni condotte con il
software commerciale CST-MS, a seguito di piccole variazioni dimensionali,
conducono ai valori ottimizzati riportati nella Tabella 1. Per la copertura dell'intera
banda con ROS<2 occorre dunque uno spessore di dielettrico pari a 0.508 mm. E'
evidente l'impossibilità di ottenere valori di direttività massima superiori a 7 dBi. Il
miglioramento della direttività richiede dunque il ricorso a schiere di antenne.
Rete di alimentazione ed adattamenti. Per uno spessore di dielettrico pari a
0.508 mm, la larghezza della linea a microstriscia risulta pari a circa 0,16 mm. Il
dimensionamento della rete procede per dar luogo a schiere di tipo Broad-Side e
dunque per alimentare in maniera equifase le antenne costituenti la schiera. In merito
agli adattamenti, in questo lavoro si è voluto indagare circa le possibilità offerte dagli
stubs in cortocircuito.
Tabella 1. ROS, Direttività, efficienza totale in funzione della frequenza
W=1.88mm L=1.4mm
f
[GHz]
57,24
h= 0.254 mm
Dir.
ROS
[dBi]
2,1
6,98
W=1.88mm L=1.28mm
η [dB]
-0,648
h= 0.381mm
f
Dir.
ROS
[GHz]
[dBi]
57.24 2,03 6,55
-18,17
60,50
η [dB]
60,50
1,4
7,06
62,50
2,2
7,25
-0,71
66,88
4,9
7,58
-2,683
-0,572
W=1.88mm L=1.4mm
h= 0.508 mm
f
Dir.
ROS
η [dB]
[GHz]
[dBi]
57,24
1,6
6,34 -0,263
1,13
6,71
-0,046
60,5
1,2
6,58
-0,063
62,50
1,24
7,08
-0,076
62,50
1,4
6,88
-0,127
66,88
2,14
7,36
-0,704
66,88
1,9
6,79
-0,444
Per il posizionamento e lunghezza degli stubs si è seguita la procedura classica che
prevede l'uso della Carta di Smith. Per l’analisi delle schiere da impiegare si è
inizialmente considerata una schiera di 2 elementi allineati nel piano H di dimensioni
1.88 mm x 1.24 mostrata in Fig. 1; il ROS è calcolato rispetto ad una impedenza di
ingresso di valore pari a 150 Ohm; come si nota la zona ROS<2 copre ampiamente
la banda di interesse (57-66 GHz).
Fig. 1. layout dell’array di una schiera di 2 elementi allineati nel piano H, con
andamento del ROS rispetto ad una impedenza di ingresso di valore pari a 150 Ohm.
Il diagramma di radiazione risulta soddisfacentemente stabile in frequenza. Si
osserva, come atteso, il miglioramento nel massimo di direttività rispetto alla antenna
a singola impronta (8,96 dBi contro 6,75 dBi); tale miglioramento non porta però al
raggiungimento del valore richiesto dalla Norma IEEE 802.15.3c per le applicazioni
più spinte (13,7 dBi). Neppure l'aumento del numero di antenne nel piano H, da due
a quattro, consente il raggiungimento di tale valore di direttività. Si osserva che al
fine di mantenere l'adattamento in tutta la banda di interesse sono stati inseriti due
stubs in cortocircuito; le posizioni e le lunghezze di tali stubs sono risultano da Fig.
2. Come risulta dal diagramma di radiazione, ulteriori provvedimenti devono mirare a
restringere il diagramma di radiazione nel piano E. Ciò richiede la ripetizione degli
allineamenti in direzione trasversale.
Fig. 2. Layout dell’array 1x4 nel piano H con diagramma di radiazione alla
frequenza di 61,5 GHz
Schiere 2x2. Si sono considerate schiere con ripetizione sia nel piano E che nel
Piano H. Per la schiera di quattro elementi su substrato di spessore 0,508 mm,
rappresentata in Fig. 3, risulta un sufficiente adattamento rispetto a 150 Ohm, su tra
57 a 66 GHz sia per il ROS che per le caratteristiche di radiazione (Tabella 4).
Fig. 3 layout dell’array 2x2 su substrato di spessore 0,508 mm con diagramma di
radiazione a 61.5 GHz 5b) layout dell’array 4x4 su substrato di spessore 0,381 mm.
Tabella 4. Schiera 2x2 su substrato son spessore 0,508mm
ROS rispetto a 150 Ohm, Direttività, efficienza totale
f [GHz]
57,3 58,5 59,5 60,5 61,5 62,5 63,5 64,5 65,5 66,9
ROS
1,31 1,23 1,21 1,25 1,34 1,44 1,55 1,65 1,72 1,75
Dir [dBi]
11,15 11,20 11,27 11,37 11,52 11,68 11,84 11,94 11,92 11,62
η [dB] -0,14 -0,08 -0,08 -0,12 -0,16 -0,22 -0,27 -0,32 -0,36 -0,40
Come atteso, passando alle schiere planari si ottiene un restringimento del lobo
principale di radiazione anche nel piano E. Successivamente, si sono considerate
formazioni 2x2 su substrato di spessore 0,381 mm e si è messa in conto la possibilità
di ricorrere a stubs di adattamento, come in Fig. 4, ottenendo un buon adattamento
in impedenza rispetto ad una impedenza di riferimento di 50 Ohm. Come si evince
dai dati tabellati nella stessa figura, tale buon risultato non è però accompagnato da
una sufficiente stabilità in frequenza delle caratteristiche di radiazione.
f [GHz]
57,3
60,50
62,50
ROS
1,07
Dir [dBi]
12,39
12,29
11,40
9,55
-0,10
-0,61
-0,35
-0,51
η
[dB]
2,01 1,60
66,90
2,52
Fig. 4 layout dell’array 2x2 su substrato di spessore 0,381 mm con stubs di
adattamento per una impedenza di ingresso pari a 50 Ohm e relativi
parametri caratteristici nella banda di analisi.
3
Conclusioni
Le simulazioni condotte con un software commerciale indicano la possibilità
di realizzare schiere di antenne a microstriscia in grado di coprire l'intera
banda prevista dalla norma IEEE 802.15.3c.
A meno dell'introduzione di
elementi di adattamento, risulta abbastanza agevole ottenere le prestazioni richieste
per una impedenza di riferimento pari a 150 Ohm. Per ottenere la conservazione
delle prestazioni rispetto ad una impedenza di riferimento pari a 50 Ohm occorre far
ricorso ad elementi circuitali di adattamento, quali stubs in corto circuiti di tipo
semplice o doppio. Verso questo obiettivo si intende procedere nel prossimo futuro.
References
[1] J.Xu, Z.N.Chen, X.Qing, and W.Hong, "Bandwidth enhancement for a 60 GHz substrate
integrated waveguide fed cavity array antenna on LTCC", IEEE Trans. on A.P., vol. 59, no 3,
pp.826-832, Mar. 2011.
[2] L.Wang, Y.-X.Guo, and W.-X.Sheng, "Wideband high-gain 60 GHz LTCC L-probe patch
antenna array with a soft surface", IEEE Trans. on A.P., vol.61, no 4, pp. 1802-1809, Apr. 2013.
[3] Y.She, R.Fujino, J.Hirokawa, M.Ando, D. Hanatani, and M. Fujimoto, "LTCC overside
rectangular waveguide slot array antenna with air-layer in the radiating part in the millimeterwave band", IEEE Trans. on A.P., vol. 61, no 4, pp. 1777-1783, Apr. 2013
[4] M.Li, K.M.Luk,"Low-Cost Wideband Microstrip Antenna Array for 60 GHz Applications",
IEEE Trans. on A.P., vol.62, n°6, pp. 3012-3018, June 2014.
[5] B.Biglarbegian, M.Fakharzadeh, D.Busuic, M.R.N.Ahamadi, and S.S.Naeini, "Optimized
Microstrip Antenna Arrays for Emerging Millimeter Wave Wireless Applications", "IEEE Trans.
on A.P., vol.59, n°5, pp 1742-1747, May 2011.