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”
MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE
“alimentazione in cavo coassiale”
MODALITÀ DI ALIMENTAZIONE
“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
.
Frequenze di risonanza per il modo TM01
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
Frequenze di risonanza per il modo TM01
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
Formule empiriche per l’analisi di patch
rettangolari
eqrr L
cfε2
=
abrr
eqr u
−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
++
+=
1012
12
1 εεε
Formule empiriche per l’analisi di patch
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+
=
FORMULE DI HAMMERSTAD
2)/101)(1(
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Leff
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εε
rr LL
cfε)2(2 Δ+
=
TM20
TM01
TM20
TM01
TM20
TM30
TM01
TM20
TM30
TM20
TM30
TM20
TM30
TM30
TM40
TM01
+ TM20
TM30TM40
TM01
+ TM20
TM20
TM30
TM40
TM01
TM20
TM30
TM40
TM01
TM20
TM30
TM40
TM01
TM20
TM30
TM40
TM01
TM20
TM40
TM50
TM01
+ TM30
TM20
TM40
TM50
TM01
+ TM30
TM20
TM40
TM50
TM01
+ TM30
TM20
TM40
TM50
TM60
TM01
+ TM30
TM20 TM50
TM60
TM01
+ TM40
TM20
TM50
TM60TM01
+ TM40
TM20
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
TM01
TM01
TM01
TM01
TM01
TM01
TM01
TM01
TM01
TM01
TM02
TM01
TM02
TM01
TM02
TM01TM02
TM01TM02
TM01
TM02
TM01
TM02
TM01
TM02
TM01
TM02
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
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
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