FACOLTA’ DI INGEGNERIA · Mauro Pelosi. Matr. 0002267. Anno Accademico 2003/2004. Title:...

UNIVERSITA’

DEGLI STUDI DI CASSINO

FACOLTA’

DI INGEGNERIA

TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONITESI DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI

STUDIO E SIMULAZIONE DI ANTENNE STAMPATE

RELATORE:Prof.

Marco Donald

Migliore

CORRELATORE:

Prof.

Fulvio Schettino

CANDIDATO:

Mauro Pelosi

Matr. 0002267

Anno Accademico 2003/2004

Le antenne stampate (patch antennas) sono impiegate in un vasto numero di ambiti

Telefonia cellulare

Comunicazioni wireless

GPS (Global

Positioning

System)

Ricezione broadcast

satellitare

Applicazioni biomedicali

RADAR

Peso contenuto, volume ridotto, basso profilo

Alta versatilità

e robustezza meccanica

Basso costo, facilità

di produzione in serie

Sono ottenibili polarizzazioni lineari e circolari con semplici alimentazioni

Semplice integrazione nei circuiti a microonde

Le linee di alimentazione e le reti di adattamento possono essere realizzate contestualmente alla struttura dell’antenna a microstriscia

VANTAGGIVANTAGGI

SVANTAGGISVANTAGGIBanda relativamente stretta

Guadagno piuttosto basso (~6 dB)

Rete di alimentazione complessa per gli array

ad alte prestazioni

Radiazioni spurie dalle alimentazioni e dalle giunzioni

Eccitazione di onde superficiali

Struttura di un patch rettangolare a microstriscia

MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE

“Inset feed”


“alimentazione in cavo coassiale”


“alimentazione ad accoppiamento elettromagnetico”

Modelli di analisi

Modello a cavità risonante

Modello a linea di trasmissione

Formule empiriche

Alimentazionein microstriscia

Sweep lunghezza

La mesh inCST Microwave Studio

Alimentazione in cavocoassiale

Sweep larghezzaPosizione feed

Confronti conla letteratura

CONFRONTI CON LA LETTERATURA

Confronti tra diversi metodi di analisi nel calcolo dellefrequenze di risonanza di antenne stampate rettangolari

Confronto tra il “Modified Wolff Model “ ed il “CST Microwave Studio”

10.250.16553.1756.009.009

9.140.14763.1757.0010.508

8.270.13363.1758.0012.007

7.700.12443.1759.0014.006

6.800.10983.17511.0017.005

5.840.09433.17513.0019.504

4.240.06853.17519.5029.503

2.890.04673.17530.5045.502

2.310.03733.17538.0057.001

fris.[GHz]mmmmmm

misurah/λdHLWpatch

n.

CARATTERISTICHE DELLE ANTENNE ANALIZZATE

0.58

0.63

0.68

0.73

0.78

0.83

0.88

0.93

0.037

30.0

467

0.068

50.0

943

0.109

80.1

244

0.133

60.1

476

0.165

5

spessore elettrico substrato

freq.

ris

. nor

m.

HammerstadJamesmisuraCSTMS

Frequenze di risonanza normalizzate in funzione dello spessore elettrico del substrato

Errore percentuale nel calcolo della frequenza di risonanza nei diversi metodi analisi relativi ai modelli empirici.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9

n.antenna

erro

re p

erce

ntua

le

MWMMCMHammer.JamesPozar

Errore percentuale nel calcolo della frequenza di risonanza nei diversi metodi analisi relativi ai simulatori.

0123456789

10111213141516171819

1 2 3 4 5 6 7 8 9n.antenna

erro

re p

erce

ntua

le

CST(substrato anisotropo)CST(substrato isotropo)Ensemble

4.12%

4.47%

8.43%

CARATTERISTICHE DELLE ANTENNE ANALIZZATE

1. Patch A εxx

= 3.168 εzz

= 2.642. Patch B εxx

= 2.640 εzz

= 2.643. Patch C εxx

= 2.112 εzz

= 2.64

W 114.3mm ( larghezza del patch)

L 76.2mm (lunghezza del patch)

H 1.59mm (altezza del substrato)

X01.59mm (distanza del feed dal bordo del patch)

Parte reale ed immaginaria dell’impedenza d’ingresso nei diversi patch

Risultati ottenuti

patch Re(Z) Im(Z) frisErr.rel% a 6.44 3.45 0.993Err.rel% b 5.30 2.11 0.993

Err.rel% c 4.82 0.71 1.06

Err.rel.medio% 6.27 2.09 1.01

εreq

fris[Gz]MWM

fris[Gz]CSTMS

Re(Z) [Ω]MWM

Re(Z)[Ω]CSTMS

Im(Z)[ΩMWM

Im(Z)[Ω]CSTMS

a 2.892 1.1380 1.1267 55 58.54 40 41.38

b 2.640 1.1880 1.1772 54 51.14 37 37.78

C 2.361 1.2560 1.2426 49 46.64 35 35.25

Influenza della posizione dell’alimentazione sui parametri di un patch

rettangolare a microstriscia

Sweep dell’alimentazione lungo W

Sweep dell’alimentazione lungo L

Frequenze di risonanza per il modo TM01

in funzione della posizione dell’alimentazione, calcolate in corrispondenza del Max Re(Zin

) e del Min

S1.1

.


in funzione della posizione dell’alimentazione, calcolate in corrispondenza del Min

S1.1

6.900

7.000

7.100

7.200

7.300

7.400

7.500

1.310

1.833

2.357

2.881

3.405

3.929

4.452

4.976

5.500

V

f(m

in S

1.1)

U = 0U = 2,125U = 4,25


in funzione della posizione dell’alimentazione, calcolate in corrispondenza del Max Re(Zin).

6.800

6.850

6.900

6.950

7.000

7.050

7.100

1.3101.8332.3572.8813.4053.9294.4524.9765.500

V

fris.

U = 0U = 2,125U = 4,25

42.0047.0052.0057.0062.0067.0072.0077.0082.0087.0092.0097.00

102.00107.00112.00117.00122.00

0.000

0.810

1.619

2.429

3.238

4.048

4.858

5.667

6.477

7.286

8.096

U

Max

Re(

Zin)

V =2,35V = 3,175V = 4

Max Re(Zin

) per il modo TM01

in funzione della posizione dell’alimentazione

Max Re(Zin

) per il modo TM01

in funzione della posizione dell’alimentazione

20.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00

100.00110.00120.00130.00140.00150.00160.00170.00180.00190.00

1.310

1.833

2.357

2.881

3.405

3.929

4.452

4.976

5.500

V

Max

Re(

Zin)

U = 0U = 2,125U = 4,25

MODELLO A CAVITÀ RISONANTE

MODELLO A LINEA DI TRASMISSIONE

Impedenza d’ingresso dell’antenna

1ZjXZ Lin +=

LLLconLjYYLjYY

LjYYLjYYYY

s

s

s

s =+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

+++

= 2120

20

10

1001 )tan(

)tan()tan()tan(

ββ

ββ

Formule empiriche per l’analisi di patch

rettangolari

rr L

cfε2

=

21

22

0 2 ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

Wn

Lmcf

rr ε


rettangolari

eqrr L

cfε2

=

abrr

eqr u

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

++

+=

1012

12

1 εεε


rettangolari

MODELLO ”JAMES”

MODELLO “HAMMERSTAD”

FORMULE DI JAMES

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ++++⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −

+=r

r

r

r hLLhπε

εεεδ )]88.1/ln(758.0)[1()1(164.0882.0)/( 2

)1()()(0

δεεε

+=

LWff

effeff

rrr

FORMULE DI HAMMERSTAD

2)/101)(1(

2)1()(

2/1−+−+

+=

php rreff

εεε

)833.0/)(258.0)(()264.0/)(3.0)((412.0

+−

++=Δ

hWWhWWh

Leff

eff

εε

rr LL

cfε)2(2 Δ+

=

TM20

TM01

TM20

TM30

TM01

TM20

TM30

TM30

TM40

TM01

+ TM20

TM30TM40

TM01

+ TM20

TM20

TM30

TM40

TM01

TM20

TM40

TM50

TM01

+ TM30

TM20

TM40

TM50

TM60

TM01

+ TM30

TM20 TM50

TM60

TM01

+ TM40

TM20

TM50

TM60TM01

+ TM40

TM20

TM60TM01

+ TM40

Frequenze di risonanza associate al modo TM20

al variare di W

3

4

5

6

7

8

9

10

19 23 27 31 35 39 43 47 51 55

W [mm]

fris

. [G

Hz]

Min S1.1Max Re(Zin)

TM01

TM02

TM01TM02

TM01

TM02

Frequenza di risonanza per il modo TM01

in funzione della lunghezza del patch

2.7

3.2

3.7

4.2

4.7

5.2

5.7

6.2

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

L [mm]

fris

. [G

Hz]

simulazioneHammerstad

DISTRIBUZIONE DELLE CORRENTI SUPERFICIALIPER UN’ALIMENTAZIONE IN CAVO COASSIALE

DISTRIBUZIONE DELLE CORRENTI SUPERFICIALI PER UN’ALIMENTAZIONE AD “INSET”

Influenza della lunghezza del patch

sui parametri dell’antenna

Influenza della larghezza del patch

sui parametri dell’antenna

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STUDIO E SIMULAZIONE DI ANTENNE STAMPATE

RELATORE:Prof.

Marco Donald

Migliore

CORRELATORE:

Prof.

Fulvio Schettino

CANDIDATO:

Mauro Pelosi

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Anno Accademico 2003/2004

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