Come realizzare un’antenna patch o microstrip

L’antenna patch, o a microstrip, è l’antenna più discreta nella sua categoria di guadagno, perché meno voluminosa, seguita subito dopo dall’antenna quad, poi dall’antenna a tromba e dall’antenna a imbuto. Altri vantaggi, che la rendono utile ad es. nella telefonia mobile e nei sistemi RFID, sono il basso costo, le dimensioni ridotte, il basso profilo, la facilità di fabbricazione e implementazione, la larghezza di banda stretta. Le antenne patch sono progettabili per la banda UHF e fino a 100 GHz. Lo scopo di questo articolo è la realizzazione di un’antenna patch per la banda a 2,4 GHz (microonde) usata dal Wi-Fi.

Un’antenna patch – o antenna microstrip (microstriscia) – è un’antenna a banda stretta a fascio largo. Si chiama anche antenna “stampata”. Ha una geometria fisica bidimensionale, dunque è un tipo di antenna radio con un profilo basso, che può essere montata su una superficie piana. È costituita da un foglio rettangolare piatto o “patch” di metallo, montato su un foglio di metallo più grande chiamato piano terra: si tratta, dunque, dell’originale antenna a microstrip descritta da Howell nel 1972.

La dimensione di un’antenna microstrip è inversamente proporzionale alla sua frequenza, per questo motivo è diventata più popolare negli ultimi anni perché le frequenze usate adesso sono più alte. L’antenna microstrip sta diventando assai diffusa nel mercato della telefonia mobile. Le forme quadrata, rettangolare, a dipolo (striscia) e circolare sono le più comuni a causa della facilità di analisi e fabbricazione e le loro attraenti caratteristiche, come una bassa radiazione di polarizzazione incrociata.

Struttura e impieghi delle antenne patch

L’antenna patch più semplice utilizza una patch che è lunga una lunghezza d’onda, in modo che la superficie metallica agisca come un risonatore in modo simile alle antenne a dipolo a mezza onda. In pratica, i due fogli di metallo insieme formano un pezzo risonante della linea di trasmissione a microstriscia con una lunghezza di circa una metà della lunghezza d’onda delle onde radio. Il meccanismo di radiazione deriva da discontinuità su ciascun bordo troncato della linea di trasmissione a microstriscia.

Un tipico esempio di antenna patch per la banda dei 2,4 GHz (Wi-Fi, microonde) usata in una rectenna (antenna + rettificatore). L’antenna patch è sul lato destro.

La radiazione ai bordi fa sì che l’antenna agisca come se fosse leggermente più grande dal punto di vista elettrico rispetto alle sue dimensioni fisiche, quindi affinché l’antenna sia risonante viene utilizzata una lunghezza della linea di trasmissione microstrip leggermente più corta della metà della lunghezza d’onda alla frequenza di interesse. L’antenna patch risulta principalmente pratica alle frequenze delle microonde, in cui le lunghezze d’onda sono abbastanza brevi da rendere le patch più piccole.

Un’antenna patch viene di solito fabbricata montando una lamiera sagomata su un substrato dielettrico isolante, come un pannello di circuito stampato, con uno strato metallico continuo legato al lato opposto del substrato che forma un piano di massa. Alcune antenne patch non usano un substrato dielettrico e sono invece costituite da una patch metallica montata sopra un piano di massa mediante distanziali dielettrici. La struttura risultante è meno robusta, ma ha una larghezza di banda più ampia.

La struttura tipica di un’antenna patch.

La distanza tra la striscia metallica della patch e il piano di terra o massa – chiamata altezza del substrato o dielettrica h – determina la larghezza di banda. Di solito, 0,003 λ0 ≤ ℎ ≤ 0,05 λ0, cioè h è una piccola frazione della lunghezza d’onda della radiazione che ci interessa (λ0). Un substrato più spesso aumenta in una certa misura il guadagno dell’antenna, ma può portare a effetti indesiderati come l’eccitazione di onde di superficie che riducono l’efficienza e perturbano la raccolta della radiazione.

Le forme di antenna patch comune sono quadrate, rettangolari, circolari ed ellittiche. Tuttavia la forma non è limitata. Qualsiasi forma continua è fattibile. Le antenne patch sono meccanicamente robuste e possono essere modellate per adattarsi alla superficie curva di un veicolo. Sono spesso montate all’esterno di aerei e veicoli spaziali o sono incorporate in dispositivi di comunicazione radio mobile. Hanno un’elevata diversità di polarizzazione e possono essere connesse a formare una schiera multipla.

Varie possibile forme di un’antenna patch.

L’antenna patch è ampiamente utilizzata nei dispositivi portatili wireless a causa della facilità di fabbricazione sui circuiti stampati. Antenne a patch multiple realizzate sullo stesso substrato – chiamate antenne a microstriscia – possono essere utilizzate per realizzare schiere di antenne ad alto guadagno e schiere a fasi in cui il fascio può essere guidato elettronicamente. Le antenne patch possono essere progettate per operare a frequenze che vanno dalla banda UHF fino a 100 GHz.

Infine, le antenne patch vengono anche usate nei sistemi radio “a identificazione di frequenza” (RFID, o Radio-Frequeny Identification), tecnologia che consente comunicazioni a brevi distanze e di identificare in modo automatico e ad una certa distanza oggetti, animali e persone dotati di un’etichetta intelligente (tag) RFID. La lettura dei tag RFID – dispositivi passivi, o trasponder, composti da un chip e da una piccola antenna patch – avviene attraverso onde radio ed un opportuno lettore.

Guadagno e polarizzazione di un’antenna patch

Le antenne, di per sé, non hanno guadagno perché sono strutture passive. Il guadagno di un’antenna è definito come la direttività dell’antenna moltiplicata per un fattore che rappresenta l’efficienza della radiazione. L’efficienza della radiazione è sempre inferiore al 100%, quindi il guadagno dell’antenna è sempre inferiore alla direttività dell’antenna. L’efficienza (h) quantifica le perdite nell’antenna, ed è definita come il rapporto fra la potenza irradiata (Pr) e la potenza in ingresso (Pi): h = Pr / Pi.

Il piano in cui varia il campo elettrico è noto anche come piano di polarizzazione. L’antenna patch di base è polarizzata linearmente, poiché il campo elettrico varia in una sola direzione. Questa polarizzazione può essere qualsiasi cosa tra verticale e orizzontale a seconda dell’orientamento della patch. Il piano di polarizzazione è il piano xz nel solito sistema di coordinate cartesiano. Per prestazioni ottimali del sistema, le antenne di trasmissione e ricezione devono avere uguale polarizzazione.

L’antenna patch di base finora descritta produce polarizzazione orizzontale, mentre quando ruotata di 90°, la corrente scorre nel piano verticale e l’antenna è polarizzata verticalmente. Molte applicazioni, come ad es. le comunicazioni satellitari, non funzionano bene polarizzazione lineare perché l’orientamento relativo delle antenne è sconosciuto a causa della rotazione di Faraday. In queste applicazioni, la polarizzazione circolare è utile in quanto non è sensibile all’orientamento dell’antenna.

La polarizzazione lineare (a) e circolare (b).

Il campo elettrico di una patch non si ferma bruscamente vicino ai bordi della patch come se fosse in una cavità, ma si estende oltre la periferia esterna. Queste estensioni di campo fanno irradiare la patch. Il modo fondamentale di una patch rettangolare viene spesso indicato usando la teoria delle cavità come modo “TM10”. L’espressione “TM” sta per una distribuzione del campo magnetico tra patch e terra, che è trasversale all’asse z dell’antenna (nel solito sistema di coordinate x, y e z).

In un’antenna polarizzata circolarmente, il campo elettrico varia in due piani ortogonali (direzione x e y) con la stessa magnitudine e una differenza di fase di 90°. Il risultato è l’eccitazione simultanea di due modi: il modo TM10 (direzione x) e il modo TM01 (direzione y). Un modo è eccitato con un ritardo di fase di 90° rispetto all’altro modo. Per avere la polarizzazione circolare, possiamo progettare la larghezza e la lunghezza della patch uguali, ottenendo un riquadro quadrato.

Il meccanismo della polarizzazione circolare in una patch quasi quadrata.

Normalmente, l’antenna patch ha un guadagno tra 5 dB e 6 dB. Tuttavia, l’antenna patch consente, come accennato in precedenza, la realizzazione di una rete (microstriscia) di antenne piatte. Il loro guadagno previsto e teorico (a 2,4 GHz) varia in base al numero di elementi. Più cellule ci sono, più l’antenna è direttiva e la sua superficie (quadrata o rettangolare) è importante. In particolare, il guadagno teorico a 2,4 GHz risulta essere, a seconda del numero di celle impiegate:

  • 2 celle: 12 dBi
  • 4 celle: 15 dBi (= parabola di circa 30 cm)
  • 8 celle: 18 dBi
  • 16 celle: 21 dBi (= parabola di circa 60/65 cm)

Queste antenne planari sono disponibili per polarizzazione lineare orizzontale o verticale o per polarizzazione circolare sinistra o destra. Nel Wi-Fi è preferibile la polarizzazione lineare, mentre la polarizzazione circolare è utilizzata soprattutto dai radioamatori e nei sistemi RFID. Ad es. l’illustrazione mostrata qui sotto illustra il design di un’antenna a 2,4 GHz, con polarizzazione lineare a 16 elementi “H” (con patch di 63 x 50 mm ciascuna) con le rispettive linee di accoppiamento.

Una microstrip di antenne patch a 2,4 GHz con polarizzazione lineare a 16 elementi.

Il circuito mostrato in figura misura 38 x 39 cm e dà un guadagno di 21 dBi, il che rende questa antenna aerea con il miglior rendimento (coefficiente k) e la più efficiente rispetto alle sue dimensioni (ingombro L x l x P = 45 x 45 x 4,5 cm, con Pmax 13 cm con attacco per palo). Inoltre, il rapporto avanti / indietro è uno dei migliori, 38 dB, il che fornisce un’elevata protezione contro le interferenze posteriori (180°) dell’antenna. Per passare dalla polarizzazione “H” alla “V”, il pannello viene ruotato di 90°.

Un’antenna è connessa attraverso una linea di trasmissione collegata direttamente alla patch tramite alcuni dei bordi (feed) della patch stessa. Dunque, la linea di trasmissione è facile da realizzare e usa di solito lo stesso substrato dell’antenna. Lo svantaggio è che possono apparire nel diagramma di radiazione (che è la rappresentazione tridimensionale del guadagno dell’antenna) dei lobi secondari indesiderati, che tendono a limitare la qualità dell’antenna generando interferenza o perdita di direttività.

FIGURA p.24  https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/84392/Final%20Report%20(UPC).pdf

Una patch rettangolare eccitata nella sua modalità fondamentale ha una direttività massima in direzione perpendicolare alla patch (asse z o lato del bordo). La direttività diminuisce quando ci si allontana dal bordo verso altezze più basse. La direttività dell’antenna può anche essere specificata rispetto a quella di un dipolo. Un dipolo ha 2,15 dBi di direttività rispetto un radiatore isotropico. In ogni caso, la media integrata del diagramma della direttività su un’intera sfera deve essere 0 dBi.

Il tipico diagramma di radiazione per una patch quadrata a mezza onda.

Anche le telecamere wireless (o alcune) analogiche – ad esempio le webcam Wi-Fi – sono dotate di un’antenna piatta che utilizza una patch con una dimensione tipica di 31,5 x 31,5 mm, con un feed situato a 11 mm dal bordo. Se il quadrato viene ritagliato su 2 lati opposti, la polarizzazione prevista è circolare, quindi perdiamo 3 dB se unita con una lineare. La dimensione della faccia posteriore (collegata alla massa coassiale) non è critica, e spesso va da 40 a 50 mm come lato.

Nel caso della tecnologia RFID, la polarizzazione circolare è importante perché, indipendentemente dall’orientamento del ricevitore, quest’ultimo riceverà sempre una componente del segnale cercato. Per ottenere la polarizzazione circolare, esistono due opzioni principali: la prima è collegare la patch a due feed perpendicolari; la seconda opzione è troncare la struttura della patch, in questo modo di solito i sistemi completi possono essere più piccoli rispetto alla prima opzione.

Un’antenna a patch con gli angoli troncati per avere una polarizzazione circolare.

In pratica, la polarizzazione circolare può essere ottenuta creando una patch con due frequenze di risonanza in direzioni ortogonali. Un modo per implementare questo è realizzare una patch quasi quadrata con lunghezze leggermente diverse nell’asse x e y. Ciò causa l’eccitazione di due modai ortogonali con lo sfasamento di 90° richiesto. Collegando il feed dell’antenna vicino alla diagonale si divide la potenza equamente tra i due modi ortogonali, realizzando la polarizzazione circolare.

La patch troncata agli angoli (spesso utilizzata nelle antenne GPS L1), è un’altra implementazione della stessa idea. Le patch quasi quadrate e quelle troncate agli angoli hanno un’ampiezza di banda della polarizzazione circolare più piccola (dall’1 al 3%) rispetto alla patch a due feed (almeno il 3%): la larghezza di banda della polarizzazione dell’antenna è determinata principalmente dalla larghezza di banda dello splitter di fase (ad es. un partitore di potenza Wilkinson o altro splitter).

Come fare una patch a 2,4 GHz per il Wi-Fi

La banda di frequenza a 2,4 GHz, che si estende da circa 2,4 GHz a 2,5 GHz (per cui il centro approssimativo della banda è 2,45 GHz, ed è dunque questa in pratica la frequenza che può essere utilizzata per i calcoli), è usata, nelle sue sottobande, per numerose applicazioni: Wi-Fi, ISM e servizi di radioamatori. Le antenne amatoriali per la banda a 2,4 GHz sono di vario tipo, a seconda dello scopo desiderato – principalmente la direttività e la copertura desiderata – e dello spazio disponibile.

È possibile realizzare un’antenna patch o microstrip per tale banda usando la basetta in rame e vetronite spessa 1 mm usata per i circuiti stampati. Peraltro, aggiungendo un filtro passa-basso e un diodo Schottky, si può ottenere una “rectenna” a banda stretta per la raccolta di energia dalle onde elettromagnetiche nella banda dei 2,45 GHz che può raggiungere un’efficienza di conversione RF-DC del 63%. Per altre informazioni sulle rectenne, v. l’articolo Come costruire una semplice rectenna.

Un’antenna a patch linearmente polarizzata per l’uso a 2,45 GHz.

L’antenna linearmente polarizzata mostrata in figura è stata fabbricata su un substrato di 1 mm di spessore. Le dimensioni del feed a 50 Ohm sono di 20 × 1,9 mm. Le dimensioni dell’antenna sono invece di 30 × 31 mm. La struttura è progettata per migliorare il guadagno e la direzionalità dell’antenna. Questo aumento di guadagno corrisponde a una migliore efficienza di trasmissione e/o ricezione della potenza. Ciascun foro quadrato nella massa posta sul retro della basetta misura 6,6 × 7,0 mm.

In generale, un modo classico per connettere un’antenna patch è usando un cavo coassiale o un connettore (ad es. a 50 Ohm) montato sul punto di impedenza appropriata. Sebbene il cavo coassiale abbia una larghezza di banda di solo un paio di punti percentuali, è ancora molto utile per molte applicazioni come GPS e WLAN. Un altro modo per connettersi alla patch è una linea sul bordo della patch stessa. Con questo ultimo tipo di feed, la trasformazione di impedenza a un valore utile è necessaria.

I due tipi di feed a un’antenna patch: con cavo coassiale (a sinistra) o una linea di rame come la patch posta sul bordo della stessa (a destra).

Ciò perché l’impedenza vicino al bordo della patch è piuttosto alta (tipicamente, un paio di centinaia di Ohm), come vedremo meglio. Il vantaggio di questa struttura è la possibilità di posizionare i circuiti vicino agli elementi sullo stesso substrato ed evitare una scheda multistrato. Inoltre, gli elementi possono essere collegati in parallelo nello stesso piano per formare una schiera di patch, o microstriscia. Siamo inoltre in grado di ottenere un’alta direttività dell’antenna utilizzando una schiera di patch.

Una buona soluzione è una combinazione delle antenne delle due precedenti figure. Manteniamo il feed a microstrip della seconda figura e creiamo un inserto per trovare lo stesso punto di impedenza della prima figura. Gli spazi vuoti distorcono il diagramma di radiazione dell’elemento, ma ne vale la pena per il vantaggio di poter collegare un circuito di impedenza standard direttamente all’elemento. Ricordiamo che l’ampiezza di banda di impedenza di una patch di base è un paio di punti percentuali.

Una linea di feed a microstriscia per un’antenna patch.

Se invece vogliamo usare un cavo coassiale (ad es. a 50 Ohm) montato sul punto di impedenza appropriata come possiamo individuare questo punto? Un’antenna patch a mezza onda funziona in quella che si chiama “modalità fondamentale”: il campo elettrico è zero al centro della patch, massimo (positivo) su un lato e minimo (negativo) sul lato opposto, come possiamo vedere chiaramente nella figura seguente. Questi minimi e massimi cambiano continuamente lato come la fase del segnale RF.

Come si vede dalla figura qui sotto, l’impedenza è intorno ai 50 Ohm a circa ¼ di lunghezza della patch. La posizione dell’attacco per il cavo coassiale su un’antenna patch eccitata nella sua modalità fondamentale si trova quindi in genere al centro della direzione della larghezza della patch (asse y) e da qualche parte lungo la patch nella direzione della lunghezza risonante (asse x). La posizione esatta lungo la lunghezza di risonanza è determinata dalla distribuzione del campo elettromagnetico nella patch.

Distribuzione dell’impedenza lungo la lunghezza della patch (in alto) e la distribuzione della corrente e l’attacco a 50 Ohm sulla superficie della patch (in basso).

Dalla grandezza della corrente e della tensione, possiamo determinare che l’impedenza è minima (teoricamente 0 Ohm) al centro della patch e massima vicino ai bordi. Ciò significa che ci sono due punti in cui l’impedenza è di 50 Ohm in qualche punto lungo l’asse della lunghezza di risonanza (x) dell’elemento e questo punto è dove normalmente ti connetti all’antenna. La possibilità di connettersi alla patch in altri punti di impedenza è abbastanza utile e impedenze fino a 200 Ohm sono comuni.

Se vogliamo eccitare la polarizzazione circolare nella patch, il modo più semplice è perturbare due dei suoi quattro angoli. Con questo escamotage possiamo eccitare i due modi ortogonali con una differenza temporale di 90° tra di loro. A causa della perturbazione, occorre modificare leggermente le dimensioni assolute della patch (e anche quelle relative per ottenere un rapporto assiale uguale a 0 dB). In pratica, sia la lunghezza che la larghezza della patch dovranno essere pari a 28,2 mm.

Dimensioni della perturbazione in una singola antenna patch per 2,4 GHz.

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