ITMI20100914A1 - Antenna planare compatta. - Google Patents

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ITMI20100914A1 IT000914A ITMI20100914A ITMI20100914A1 IT MI20100914 A1 ITMI20100914 A1 IT MI20100914A1 IT 000914 A IT000914 A IT 000914A IT MI20100914 A ITMI20100914 A IT MI20100914A IT MI20100914 A1 ITMI20100914 A1 IT MI20100914A1
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Guido Moiraghi
Luca Moiraghi
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Description

“Antenna planare compattaâ€
La presente invenzione concerne un’antenna planare compatta.
Sono note nello stato della tecnica antenne planari o “patch†anche note come antenne microstrip rettangolari. Esse consistono di un singolo piano di metallo sospeso su un piano di massa ed un substrato di dielettrico disposto fra il piano di massa ed il piano di metallo; l’assemblaggio dell’antenna à ̈ generalmente contenuto in un involucro plastico che protegge l’antenna da possibili danneggiamenti. Sono usate in svariate applicazioni in quanto presentano una struttura compatta e leggera, un basso profilo, una geometria conformabile alle superfici e sono infine facilmente interfacciabili con la rete di alimentazione del segnale (che può comprendere amplificatori, filtri e/o divisori di potenza). Tra gli svantaggi possiamo citare l’efficienza medio-bassa (per materiali a basso costo), una banda di funzionamento intrinsecamente stretta (dovuta al funzionamento di tipo risonante) e la possibilità non remota di eccitare onde superficiali nel substrato, sorgenti di radiazione spuria. Il funzionamento dell’antenna planare à ̈ di tipo risonante e la frequenza di risonanza dipende principalmente da forma e dimensione della regione stampata e dalla costante dielettrica del substrato. L’impedenza di ingresso dipende invece dal punto di alimentazione, per cui bisognerà scegliere una modalità per alimentare l’antenna che porti il segnale nei pressi del punto corrispondente all’impedenza desiderata.
Il piano di metallo ha una lunghezza pari a metà lunghezza d’onda nel caso in cui Tantenna venga utilizzata in radiofrequenza. Le antenne a microstricia hanno diversi vantaggi rispetto alle convenzionali antenne a microonde, dato che possono coprire facilmente una vasta gamma di frequenze, tipicamente dai 100MHz ai 100GHz. Dette antenne hanno un peso contenuto, un volume contenuto, un’alta robustezza meccanica ed un basso costo di fabbricazione. Tuttavia presentano alcuni svantaggi legati alla banda stretta ed al guadagno abbastanza basso, intorno ai sei decibel; à ̈ possibile aumentare la banda utilizzando strati di dielettrico ad alta permettività ed à ̈ possibile aumentare il guadagno con array di antenne a microstriscia.
È noto che i fenomeni di radiazione di una linea a microstriscia possono essere considerevolmente ridotti se il substrato impiegato à ̈ sottile ed ha una permittività elevata. Per tali motivi, nel voler realizzare antenne a microstriscia con alta efficienza di irradiazione, si preferiranno substrati spessi a bassa permittività.
La lunghezza del patch determina fortemente la frequenza di risonanza ed à ̈ un parametro critico nella determinazione della banda; infatti normalmente un’antenna a microstriscia ha una larghezza di banda molto più piccola rispetto a quella di una normale antenna risonante. L’aumento dell’altezza del substrato ed una costante dielettrica più piccola possono aumentare la larghezza di banda ma ciò potrebbe portare a parametri geometrici incompatibili con la scala di integrazione scelta. In prima approssimazione la frequenza di risonanza à ̈ inversamente proporzionale alla lunghezza ed alla radice quadrata della permittività relativa del dielettrico. Dato che per un patch reale la larghezza e la lunghezza hanno misura finita, i campi ai bordi sono soggetti al “fringing effect†(effetto di bordo). Questo effetto à ̈ dovuto al fatto che le linee di campo si trovano a dover attraversare un mezzo disomogeneo formato da due dielettrici distinti: il substrato e l’aria.
Esistono altre antenne planari, molto usate in trasmissioni wireless, aventi una lunghezza pari a 1/4 della lunghezza d’onda ed aventi il piano metallico radiante cortocircuitato al piano di massa, come le antenne PIFA (Planar Inverted F- Antenna).
In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione à ̈ quella di fornire un’antenna planare compatta diversa dalle antenne note. L’antenna in accordo all’invenzione ha abbia dimensioni ridotte e preferibilmente un’alta selettività della larghezza di banda alla frequenza di risonanza.
In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante un’antenna planare compatta, in particolare per installazione in un autoveicolo, comprendente un elemento radiante a striscia alimentato elettricamente, un piano di massa con il quale detto elemento radiante a striscia à ̈ connesso ad una prima estremità mediante collegamento metallico e ad una seconda estremità, opposta alla prima estremità, mediante un condensatore variabile, un circuito stampato la cui superficie inferiore à ̈ solidale al piano di massa, uno strato di materiale dielettrico disposto fra l’elemento radiante a striscia ed il circuito stampato, detto elemento radiante a striscia essendo sostanzialmente parallelo a detto piano di massa, caratterizzato dal fatto che detto strato di materiale dielettrico ha una costante dielettrica relativa compresa fra 3 e 6.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:
la figura 1 à ̈ una vista dall’alto dell’antenna planare compatta in accordo ad una forma di realizzazione della presente invenzione;
la figura 2 à ̈ una vista schematica in sezione trasversale dell’antenna di figura 1; le figure 3 e 4 mostrano diagrammi del guadagno dell’antenna di figura 1 in funzione della frequenza;
la figura 5 mostra una vista schematica in sezione trasversale dell’antenna planare compatta in accordo ad una variante della forma di realizzazione della presente invenzione;
la figura 6 à ̈ una vista dall’alto dell’antenna planare compatta di figura 5;
la figura 7 mostra un diagramma del guadagno dell’antenna di figura 5 in funzione della frequenza;
la figura 8 mostra un autoveicolo in cui à ̈ installata l’antenna planare compatta di figura 1 o di figura 5;
la figura 9 mostra più in dettaglio l’antenna planare compatta di figura 1 o di figura 5 fissata all’autoveicolo.
Con riferimento alle figure 1 e 2 à ̈ mostrata un’antenna planare compatta in accordo ad ima forma di realizzazione della presente invenzione. L’antenna comprende un elemento metallico radiante a striscia o microstriscia 1 avente preferibilmente una lunghezza equivalente ad 1/4 della lunghezza d’onda della frequenza di risonanza, ad esempio della frequenza Fo=434MHz. Detto elemento metallico a striscia 1 à ̈ connesso a massa GND ad un’estremità 11 e nell’estremità opposta 12 à ̈ connesso ad un condensatore variabile 5 connesso a massa; detto condensatore variabile 5 viene regolato per accordare il circuito risonante dell’antenna alla risonanza sulla frequenza di lavoro.
L’antenna comprende una base piana 2 con un circuito stampato la cui faccia inferiore completamente ramata à ̈ il piano di massa 3; l’elemento metallico a striscia 1 à ̈ parallelo al piano di massa 3. L’altezza h dell’antenna rispetto al piano di massa à ̈ di circa 7 mm; lo spazio fra l’elemento metallico a striscia 1 ed il piano di massa 3 viene riempito in parte dal materiale del circuito stampato ed in parte da materiale dielettrico 6 con opportuna costante dielettrica ed opportuno fattore di perdita. Il materiale dielettrico, in particolare plastico, 6 à ̈ incollato all’ elemento radiante a striscia 1 ed alla base piana 2 con circuito stampato ottenendo in tal modo una struttura planare rigida e stabile anche in presenza di forti vibrazioni meccaniche riscontrabili, ad esempio, nel caso in cui l’antenna sia installata in un’automobile.
L’antenna comprende una piccola microstriscia 7 solidale all’elemento metallico a striscia 1 ed atta all’alimentazione dell’ antenna; attraverso la microstriscia 7 viene effettuato anche l’adattamento di impedenza. In particolare l’elemento metallico a striscia 1 comprende una piccola fessura rettangolare 15 dalla parte dell’ estremità 11 che si protrae verso l’estremità 12. L’estremità 14 della fessura à ̈ il punto di contatto fra la microstriscia 7 e l’elemento metallico 1.
La geometria dell’antenna planare compatta in accordo all’ invenzione à ̈ di tipo rettangolare ma in modo che l’elemento metallico 1 à ̈ maggiore dello strato di dielettrico 6 ed inferiore al circuito stampato 2 con piano di massa 3.
Lo strato 6 di materiale dielettrico ha una costante dielettrica relativa εΓcompresa fra 3 e 6 che consente di ridurre la dimensione dell’antenna planare; infatti può essere utilizzato un elemento a striscia in metallo avente una lunghezza equivalente ad 1/4 della lunghezza d’onda mentre lo spessore dell’antenna à ̈ inferiore ad un centimetro.
Inoltre lo strato 6 di materiale dielettrico ha un fattore di perdita tan6Ecompreso fra 0,02 e 0,1 che consente di rendere selettiva la larghezza di banda alla frequenza di risonanza dell’antenna, cioà ̈ consente di ottenere una larghezza di banda inferiore a 30 Mhz. Ad esempio alcuni materiali dielettrici che possono essere usati sono il materiale FR4 (Glass Reinforced Epoxy) con costante dielettrica 4,7 e fattore di perdita 0,03, il materiale PMMA (Poly Methyl Metacrylate) con costante dielettrica 3,7 e fattore di perdita 0,06 ed il materiale ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) con costante dielettrica 3,5 e fattore di perdita 0,09.
L’antenna esibisce una risonanza regolata su una frequenza compresa fra 300 megaherzt ed 1 gigahertz
Nella figura 3 sono mostrati i diagrammi dell’ antiguadagno dell’antenna AG e del VSWR ( Voltage Standing Wave Ratio), cioà ̈ un parametro che indica il rapporto tra i valori di tensione massima e minima di un pattern d’onda stazionaria, in decibel, in funzione della frequenza nel caso in cui il dielettrico sia il materiale PMMA; si nota che la larghezza di banda centrata sulla frequenza di risonanza Fo=434MHz à ̈ di 15 Mhz con un guadagno di alcuni decibel.
Nella figura 4 sono mostrati i diagrammi dell’antiguadagno dell’antenna AG e del VSWR, in decibel, in funzione della frequenza nel caso in cui il dielettrico sia il materiale ABS; si nota che la larghezza di banda centrata sulla frequenza di risonanza Fo=434MHz à ̈ di 25 Mhz con un guadagno di alcuni decibel ma inferiore al guadagno dell’antenna in figura 3.
Un’antenna planare compatta in accordo ad una variante della forma di realizzazione della presente invenzione à ̈ mostrata nelle figure 5 e 6. Detta antenna differisce dall’antenna delle figure 1 e 2 per la presenza di un filtro SAW 20 con il relativo circuito di adattamento di impedenza 21 accoppiati con la piccola microstriscia 7 che consente l’alimentazione dell’antenna.
Il filtro SAW 20 consente un aumento della selettività dell’antenna particolarmente adatto in caso di impiego dell’antenna in un automobile mantenendo le caratteristiche di stabilità meccanica ed alta affidabilità dell’antenna, come visibile nel diagramma dell’antiguadagno dell’ antenna AG di figura 7 con larghezza di banda centrata sulla frequenza di risonanza Fo=434MHz.
L’antenna in accordo alla presente invenzione à ̈ atta ad essere utilizzata nei sistemi di trasmissione e ricezione dati per veicoli, preferibilmente per autoveicoli. L’antenna viene prima disposta all’interno di un involucro di plastica ed a tenuta stagna 200 che viene fissato al telaio 201 di un autoveicolo 202, preferibilmente alla superficie esterna del fondo del telaio 201 dell’autoveicolo 202, in particolare nella parte centrale 203 del fondo del telaio 201, come visibile nelle figure 8 e 9; l’involucro di plastica 200 può essere fissato al telaio 201 dell’autoveicolo semplicemente mediante viti o bulloni che si impegnano con fori dell’involucro e con fori realizzati sulla superficie esterna del fondo dell’autoveicolo. L’antenna à ̈ configurata principalmente per ricevere i dati trasmessi da particolari trasmettitori 300 della pressione dei pneumatici 301 disposti all’interno dei pneumatici stessi; preferibilmente detti trasmettitori sono quelli descritti nella domanda di brevetto EP 1787831 della stessa Richiedente. In particolari detti trasmettitori sono associati alle valvole dei pneumatici come descritto nelle figure della domanda di brevetto EP 1787831 e nella relativa descrizione; ogni trasmettitore 300 à ̈ atto ad effettuare una modulazione a posizione di impulso del segnale rappresentativo della pressione del pneumatico 301. L’antenna planare compatta in accordo alla presente invenzione à ̈ atta a ricevere i segnali a modulazione di impulso derivanti da detti trasmettitori 300. L’antenna planare compatta in accordo all’invenzione à ̈ collegata con un ricevitore (non visibile nelle figure) posto alfintemo dell’autoveicolo per la demodulazione del segnale ricevuto dall’antenna.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Antenna planare compatta, in particolare per installazione in un veicolo, comprendente un elemento radiante a striscia (1) alimentato elettricamente, un piano di massa (3) con il quale detto elemento radiante a striscia à ̈ connesso ad una prima estremità (11) mediante collegamento metallico e ad una seconda estremità (12), opposta alla prima estremità, mediante un condensatore variabile (5), un circuito stampato (2) la cui superficie inferiore à ̈ solidale al piano di massa (3), uno strato di materiale dielettrico (6) disposto fra l’elemento radiante a striscia (1) ed il circuito stampato (2), detto elemento radiante a striscia (1) essendo sostanzialmente parallelo a detto piano di massa (3), caratterizzato dal fatto che detto strato di materiale dielettrico ha una costante dielettrica relativa compresa fra 3 e 6.
  2. 2. Antenna planare compatta secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto elemento radiante a striscia (1) ha una lunghezza equivalente ad 1/4 della lunghezza d’onda.
  3. 3. Antenna planare compatta secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto strato di materiale dielettrico (6) ha un fattore di perdita compreso fra 0,02 e 0,1.
  4. 4. Antenna planare compatta secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che l’altezza dell’antenna fra l’elemento radiante a striscia (1) ed il piano di massa (2) à ̈ inferiore ad 1 cm.
  5. 5. Antenna planare compatta secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che l’altezza dell’antenna fra l’elemento radiante a striscia (1) ed il piano di massa (2) à ̈ sostanzialmente di 7 mm.
  6. 6. Antenna planare compatta secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto elemento radiante a striscia (1) comprende una fessura (15) e detta antenna comprende un collegamento metallico (7) per l’alimentazione elettrica dell’elemento radiante a striscia (1) disposto all’interno di detta fessura (15) ed a contatto con il bordo interno (14) di detta fessura (15).
  7. 7. Antenna planare compatta secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un collegamento metallico (7) per l’alimentazione elettrica dell’elemento radiante a striscia (1) connesso ad un’estremità (14) dell’elemento radiante a striscia (1) ed un filtro SAW (20) con il relativo circuito di adattamento di impedenza (21) connessi fra deta estremità (14) dell’elemento radiante a striscia (1) e deto collegamento metallico (7).
  8. 8. Antenna planare compata secondo la rivendicazione 1, caraterizzata dal fato che l’antenna à ̈ configurata per esibire una risonanza regolata su una frequenza compresa fra 300 megaherzt ed 1 gigahertz.
  9. 9. Veicolo comprendente un telaio (201) ed almeno una coppia di ruote provviste di pneumatici (301), almeno un pneumatico essendo provvisto di un trasmetitore (300) di un segnale rappresentativo della pressione del pneumatico, deto veicolo comprendendo un apparato per la ricezione dell’ almeno un segnale emesso da deto almeno un trasmetitore, deto apparato di ricezione comprendendo un’antenna (200), caraterizzato dal fato che detta antenna à ̈ connessa al telaio (201) del veicolo ed à ̈ l’antenna complanare compata come definita in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  10. 10. Veicolo secondo la rivendicazione 9, caraterizzato dal fato che deta antenna à ̈ connessa alla superficie esterna del fondo del telaio del veicolo.
  11. 11. Veicolo secondo la rivendicazione 9 o 10, caraterizzato dal fato che deta antenna à ̈ disposta in un involucro di plastica a tenuta stagna (200) fissato al telaio del veicolo.
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