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Introduction
The training's job discussed in this thesis consists in the assembling and
measurement of the electrical parameters of a prototype of a microstrip array of
aperture-coupled patches for UMTS Base Stations, operating in the three bands
UMTS I, ISM and UMTS II. Such antenna comes from a project developed by the
collaboration between the Department of Information Engineering of the
University of Pisa and Selenia Mobile S.P.A. The prototypes (two, as we are
going to see) have been realized following the plan’s datas came from the
Laboratory of Electromagnetism of the University of Pisa, with Prof. Ing. Paolo
Nepa as supervisor.
In particular, the job I have executed has been the following:
ƒ assembling the two prototypes of the antenna
ƒ updating and integrating of new ruotines in the control software for the
measurement’s instrumentation (developed in LabVIEW)
ƒ doing measurements on the antenna ("S" parameters, radiation patterns
and gain)
All the job has been carried out like an activity of training in the company RTW
Ride The Wave S.r.l, of Navacchio (Pisa), reference Ing Andreina Armogida.
RTW is a private Company, spin-off of the University of Pisa, operating in the
area of electromagnetics engineering, planning, measuring and testing of antennas
and others components operating at microwaves frequencies.
The thesis developes the folowing subjects:
ƒ Description about the antenna prototype
ƒ Description about measurement sites
ƒ Used instrumentation
ƒ Used Software (LabVIEW)
ƒ Measurements
ƒ Conclusions
ƒ Appendix: Short introduction to “Smart Antenna”
List of the acronyms used in the text:
ƒ AUT Antenna Under test
ƒ DUT Device Under test
ƒ PCB Printed Circuit Board
ƒ RL Return Loss
ƒ VNA Vector Network Analyzer
ƒ UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems
ƒ ISM IndustryScientific and Medical
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1 Descrizione dell’antenna
1.1 Introduzione [1] [6]
L’antenna in questione è un Array 4x4 in microstriscia, in doppia polarizzazione
- 45° / + 45°, che funziona nelle tre bande operative UMTS I, ISM e UMTS II (nel
grafico sottostante di Figura 1 si possono vedere le bande in cui viene utilizzata).
Figura 1 – Bande frequenziali dell’antenna
Sono stati assemblati due prototipi: entrambi si basano su un identico circuito di
distribuzione del segnale, realizzato in microstriscia su una struttura multistrato. Il
primo prototipo (Tipo I) riproduce esattamente i dati di progetto forniti
dall’Università di Pisa, il secondo prototipo (Tipo II) è frutto dell’attività di
ottimizzazione del primo mediante misure al banco e presenta alcune variazioni
che consentono di migliorare le prestazioni complessive dell’antenna nelle tre
bande operative. Nel capitolo 5 è spiegata anche la procedura utilizzata per
ottenere il prototipo ottimizzato.
1.2 Descrizione
L’antenna è costituita essenzialmente da tre componenti:
ƒ Il circuito stampato (PCB) a tre livelli di metallizzazione (una per ciascun
lato del PCB più una interna), sul quale è presente la microstriscia per
l’alimentazione degli elementi radianti
ƒ Gli elementi radianti, ovvero i patch metallici sospesi sul lato superiore del
PCB
ƒ Il piano metallico sul lato inferiore del PCB
L’array è costituito da 4 colonne spaziate di d
H
= 85 mm, ciascuna delle quali è
costituita di 4 elementi radianti allineati in verticale con spaziatura d
V
= 105 mm e
alimentati in parallelo mediante una rete a microstriscia. L’elemento radiante è
costituito da due patch quadrati in configurazione “stacked” (cioè uno sopra
l’altro) e ruotati di 45° rispetto alla direzione d’allineamento. L’antenna opera in
polarizzazione doppia -45°/+45° rispetto alla verticale e presenta in totale 8 porte,
2 per colonna. Gli elementi sono alimentati in microstriscia tramite una rete di
distribuzione del segnale su una struttura a doppio strato.
Up-link
1.920 2.690
GHz
UMTS I UMTS II ISM
1.980
Down-link
2.110 2.170 2.400 2.485
Up-link Down-link
2.500 2.570 2.620
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In Figura 2 è schematizzato il modello dell’array, dove sono state evidenziate
colonne e polarizzazioni.
Figura 2 – Schema dell’array 4x4 in doppia polarizzazione
Per riferirsi alle diverse porte si farà uso della notazione definita di seguito. Come
illustrato in Figura 2, le colonne vengono identificate con le lettere A, B, C e D a
partire dalla prima di sinistra e procedendo verso destra. Ciascuna colonna ha due
porte di ingresso, una per polarizzazione, di cui si indica con “porta 1” quella
relativa alla polarizzazione “E-45°” e con “porta 2” quella relativa alla
polarizzazione “E+45°”. Per indicare una porta di ingresso si farà riferimento alla
polarizzazione (1 o 2) e alla lettera che identifica la colonna (A, B, C o D), p.es. la
porta “Input 2C” indica la porta in polarizzazione E+45° sulla colonna C.
Colonna A Colonna B Colonna C Colonna D
V
H
E+45°E-45°
E 45° E +45°
Input 1B
(E 45°)
Input 2C
(E +45°)
Input 1C
(E 45°)
Input 2D
(E +45°)
Input 1D
(E 45°)
d
H
= 85 mm
Input 2A
(E +45°)
Input 1A
(E 45°)
Input 2B
(E +45°)
d
V
= 105 mm
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1.2.1 Caratterizzazione del singolo elemento radiante
L’elemento singolo dell’antenna è costituito da una microstriscia su entrambi i lati
del layer PCB e l’elemento radiante consiste in una coppia di patch quadrati in
alluminio sospesi “in aria” sopra la microstriscia (configurazione stacked). Il
substrato per la microstriscia è stato scelto di materiale Arlon AD 300 che
possiede una costante dielettrica relativa Η
r
=3.
I due patch sono alimentati elettromagneticamente con una tecnica di
accoppiamento ad apertura che verrà ora descritta. Le linee di alimentazione in
microstriscia presenti sui due lati del PCB, sono rispettivamente le fonti per i due
tipi di polarizzazioni ortogonali, una alimenta la polarizzazione a –45°, l’altra la
polarizzazione a +45°. All’interno del piano del PCB sul quale sono stampate le
microstrisce, è presente una terza metallizzazione interna (piano di massa) nella
quale sono presenti due aperture ortogonali, posizionate proprio nel punto in cui
verranno posizionati i patch, ognuna delle aperture caratterizza una delle due
polarizzazioni. Le linee di alimentazione in microstriscia sono quindi accoppiate
al patch tramite queste due fessure incrociate aperte sul piano di massa compreso
tra i due substrati.
La sezione verticale del singolo elemento è riportata in Figura 3, questa è valida
per entrambi i prototipi e le grandezze che caratterizzano la struttura dell’antenna
sono indicate in Tabella 1, dove L1 e L2 sono rispettivamente le dimensioni del
patch 1 che lavora alle frequenze più basse e del patch 2 che lavora a quelle più
alte, mentre H1 e H2 sono le altezze degli spessori in polistirene che serviranno
per distanziare i patch, mentre D è la distanza dal piano metallico.
Figura 3 – Struttura verticale del singolo elemento
Il primo prototipo, nel seguito indicato con “Prototipo I”, è stato costruito sulla
base delle specifiche di progetto dell’università di Pisa, mentre il secondo,
indicato con “Prototipo II”, è una versione in cui sono stati fatti variare e poi
ottimizzati alcuni parametri al banco di misure al fine di migliorare le prestazioni
1 oz. copper (Line 2)
31 mils AD300
1 oz.copper (Ground plane + Slots)
1 oz. copper (Line 1)
H
1
31 mils AD300
D
Metallic plate
1 mm Aluminium (Patch 2)
Air gap 2
L
1
L
2
1 mm Aluminium (Patch 1)
Air gap 1
H
2
PCB
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di Return Loss sulle colonne. I parametri che sono stati modificati, indicati in
rosso in Figura 3, sono:
- la distanza tra il circuito stampato e il piano metallico posteriore, D;
- la dimensione del lato del patch2, L2;
- la distanza verticale tra il patch 1 e il patch 2 (air gap 2), H2.
I valori dei parametri H1 e L1 sono rimasti inalterati nelle due soluzioni.
I valori dei parametri che caratterizzano i due prototipi sono riportati in Tabella 1,
dove le variazioni apportate nel Prototipo II rispetto al Prototipo I vengono
evidenziate in rosso.
D
(mm)
H
1
(mm)
L
1
(mm)
H
2
(mm)
L
2
(mm)
PROTOTIPO I 5.4 13 51 18 31
PROTOTIPO II 4.2 13 51 10 45
Tabella 1 - Parametri geometrici dei due prototipi
Di seguito si può vedere anche la Figura 4 che mostra una sezione del singolo
elemento visto dall’alto: si identificano le aperture sul piano di metallizzazione
interno del substrato e il suo modo di accoppiamento con le due linee in
microstriscia.
Figura 4 – Geometria dell’antenna vista dall’alto
Line 1 (Pol -45 deg)
Line 2 (Pol -45 deg)
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E’ interessante notare che questo tipo di doppia polarizzazione a ±45°, ha uno
scopo preciso: in questa struttura, polarizzazioni inclinate a ±45°, sono preferite a
polarizzazioni verticale/orizzontale perché formano diagrammi di irradiazione
identici e sono ugualmente sensibili a segnali in polarizzazione orizzontale o
verticale.
1.2.2 Circuito stampato di alimentazione
Il circuito stampato di alimentazione è realizzato su laminato Arlon AD300 di
spessore 3,1 mm a doppio strato e come abbiamo appena visto, contiene tre livelli
di metallizzazione, realizzati con il metodo della fotoincisione. Nella
metallizzazione centrale che costituisce il piano di massa, è stato inciso un array
di 4 x 4 fessure a croce, ruotate di 45° rispetto alle direzioni di allineamento e ai
bordi del circuito, che irradiano i campi a ±45°, proprio perché suono ruotati
rispetto al verticale di ±45°.
Il circuito stampato ha dimensioni 392 x 429 mm ed è riportato in Figura 5,
completo dei connettori SMA sulle porte di ingresso.
Per poter connettere in maniera corretta gli adattatori SMA sulle 8 linee a
microstriscia di ingresso è stato necessario portare sulla superficie del circuito il
riferimento di massa dal livello di metallizzazione interna, non direttamente
accessibile. In prossimità del bordo inferiore del circuito ed in corrispondenza
delle linee a microstriscia, su entrambe le facce del circuito sono stati realizzati
dei pads di rame con dei fori metallizzati che realizzano il collegamento elettrico
tra il piano di massa interno e i pads stessi, come illustrato in Figura 6. Su questi
pads sono stati fissati i connettori SMA, come risulta in Figura 5, saldando il
conduttore centrale alla microstriscia e quello esterno al pad.
Sono stati utilizzati adattatori SMA da pannello con 50 : d’impedenza e garantiti
fino ai 18GHz.
Figura 5 - PCB per array 4x4 con connettori SMA
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Figura 6 – Pad con fori metallizzati per l’inserimento dei connettori SMA
1.3 Assemblaggio dell’antenna
Per ciascuno dei due prototipi, al di sopra del circuito stampato e in
corrispondenza delle fessure a croce, sono stati posti 16 stack di due patch in
alluminio di spessore 1 mm (sono stati fissati con del nastro biadesivo sul PCB). I
due patch dello stack sono stati assemblati utilizzando degli spessori in
polistirene espanso, di altezza tale da realizzare l’air gap richiesto. Il polistirene è
stato scelto in quanto ha un Η
r
#1, così da fare in modo che gli spessori venissero
visti come aria dagli elementi radianti, per non andare ad interferire con le
specifiche di progetto. Lo stack di patch si differenzia nei due prototipi. Le
dimensioni dei patches e l’altezza degli spessori in polistirene dei due stack sono
elencati in Tabella 1 e illustrati in Figura 7
(1-a) (2-a)
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(1-b) (2-b)
(1-a) Vista dall’alto prot. Tipo I (1-b) Vista di lato prot. Tipo I
(2-a) Vista dall’alto prot. Tipo II (2-b) Vista di lato prot. Tipo II
Figura 7 – Assemblaggio dei prototipi, dettagli sui patch
Come illustrato in Figura 8, mediante viti e distanziali in teflon il circuito
stampato è stato fissato al di sopra di una piastra di alluminio delle stesse
dimensioni del circuito stampato e con uno spessore di 3mm. La distanza tra il
circuito stampato e la piastra è D=5.4 mm per il Prototipo I e D=4.2 mm per il
Prototipo II.
Tale piano è servito anche per fissare l’antenna al palo del posizionatore in camera
anecoica.
Figura 8 - Assemblaggio del piano metallico
Viti e distanziali in Teflon
D
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In Figura 9 e Figura 10 sono riportate le foto dei due prototipi assemblati nella
loro versione definitiva.
Figura 9 - Versione finale dell’antenna - Prototipo Tipo I
Figura 10 -Versione finale dell’antenna - Prototipo Tipo II
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