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Analisi e progetto di antenne stampate attive

Informazioni tesi

  Autore: Massimo Olivieri
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 1996-97
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Elettronica
  Relatore: Giuseppe Vecchi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 220

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.

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Introduzione L antenna attiva Ł un dispositivo che consta di due elementi, un elemento irradiante e un elemento attivo: il collegamento dei due elementi porta ad una nuova antenna con prestazioni sensibilmente migliori in termini di guadagno, larghezza di banda e rapporto segnale-rumore. L idea di utilizzare antenne attive pu essere fatta risalire al lontano 1928 [6]. Una piccola antenna con un tubo a vuoto fu usata in un ricevitore radio che lavorava intorno a 1Mhz. Negli anni 60 e 70 lo studio delle antenne accompagnate da elementi attivi ricevØ un grosso impulso soprattutto perchØ erano appena stati inventati, e conoscevano un grosso sviluppo, i transistor ad alta frequenza. Infatti in quegli anni si assiste ad un fiorire di numerosi studi e sperimentazioni supportati piø da spirito pionieristico che da linee guida certe. Gli anni 80 e 90 fanno registrare un ulteriore sviluppo nel campo delle antenne attive, sviluppo sostenuto dall applicazione di tecniche comunemente usate nella gamma di frequenze quasi-ottiche anche al campo di frequenze millimetriche. Il tipo di antenna piø utilizzato Ł quella stampata poichØ offre non pochi vantaggi dal punto di vista dell ingombro, del peso, della riproducibilit , dell adattabilit a superfici curve, unitamente a soddisfacenti caratteristiche elettriche. Tra le antenne in tecnologia stampata, l elemento a piazzola metallica (patch) nelle sue varie forme - rettangolare, circolare - Ł il tipo di antenna piø studiata perchØ dotata di guadagno piø elevato di altre - dipolo stampato, slot -. Il concetto che sta alla base delle antenne attive integrate Ł quello di ottenere l integrazione dei due elementi sullo stesso substrato: la natura stampata stessa del patch permette di offrire il supporto anche per la parte attiva. L elemento attivo, da parte sua, Ł contornato da un circuito stampato che realizza la configurazione richiesta dall applicazione. La singola antenna attiva non si presenta per attraente quando si tratta di fornire discreti livelli di potenza e soprattutto quando questa Ł richiesta a frequenze di funzionamento sempre piø elevate. Il problema fondamentale risulta essere la diminuzione della potenza disponibile da dispositivi allo stato solido al crescere della frequenza operativa. Infatti, la domanda sempre crescente di radar e sistemi di comunicazione alle frequenze millimetriche, che fanno uso di schiere di antenne attive, ha dato luogo alla necessit di avere trasmettitori ad alta potenza basati su dispositivi allo stato solido. I sistemi che lavorano alle frequenze millimetriche presentano antenne piø piccole e forniscono una banda piø ampia e una migliore efficienza di quelli a microonde. Inoltre, se comparati con i sistemi a frequenze ottiche, mostrano una migliore penetrazione attraverso nebbia, nuvole e polvere. E poco probabile che, in un futuro prossimo, i trasmettitori e gli amplificatori basati su dispositivi allo stato solido superino i tubi ad onda progressiva (travelling-wave tubes, TWT) in livelli di potenza di uscita o in efficienza [103].

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