ITTO20080768A1 - Antenna monopolo planare a doppia banda - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“ANTENNA MONOPOLO PLANARE A DOPPIA BANDA”

La presente invenzione è relativa ad un’antenna monopolo planare a doppia banda strutturata per poter essere integrata in un apparecchio comunicante con reti di comunicazione wireless locali.

È noto che negli ultimi anni si è verificata una considerevole diffusione delle cosiddette reti di comunicazione wireless locali, in seguito indicate con “reti WLAN”, le quali sono strutturate per permettere a degli apparecchi di comunicazione, disposti in posizioni remote tra loro, di poter scambiare dati attraverso la rete WLAN senza attuare alcun collegamento fisico, ossia senza fili, con la rete stessa.

La diffusione delle suddette reti WLAN ha determinato una progressiva evoluzione delle tecnologie/architetture dei sistemi di comunicazione che ha portato alla realizzazione di sistemi ed apparecchi di comunicazione cosiddetti dual-band, in grado cioè di operare secondo una doppia banda di frequenze.

Nelle tecniche di comunicazione attuali molte antenne sono strutturate per operare specificamente in una singola banda di frequenza quale ad esempio 2.4 GHz o 5.2 GHz. Pertanto per poter attuare una comunicazione in una doppia banda di frequenze, gli apparecchi di comunicazione per reti WLAN a doppia banda attualmente noti debbono necessariamente essere provvisti di circuiti elettronici di adattamento delle antenne particolarmente complessi e costosi.

Esiste quindi l’esigenza, nel settore dei sistemi e degli apparecchi di comunicazione per reti WLAN a doppia banda di poter realizzare delle antenne, che siano strutturate per poter operare in una doppia banda di frequenze distinte e contestualmente consentano di semplificare i relativi circuiti elettronici di adattamento delle impedenze in modo tale da causare una riduzione dei costi degli apparecchi.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un antenna monopolo planare strutturata in modo tale da poter operare in una doppia banda di frequenze.

Scopo della presente invenzione è inoltre quello di realizzare un antenna monopolo planare avente una struttura semplice, delle dimensioni ridotte, in cui il pattern di radiazioni nel piano di azimuth sia omnidirezionale, in cui la polarizzazione dell’antenna sia principalmente verticale ed il suo guadagno sia sostanzialmente simile al guadagno di un dipolo ideale.

Secondo la presente invenzione viene realizzata una antenna monopolo planare a doppia banda, come esplicitato nella rivendicazione 1, e preferibilmente, ma non necessariamente, in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente una vista prospettica, con parti rimosse per chiarezza, di una antenna monopolo planare a doppia banda realizzata secondo i dettami della presente invenzione;

- la figura 2 mostra schematicamente una vista in elevazione frontale dell’antenna monopolo planare mostrata in figura 1;

- la figura 3 è una vista in elevazione laterale dell’antenna monopolo planare mostrata in figura 1;

- le figure 4 e 5 sono un primo ed un secondo diagramma rappresentante l’andamento del return loss Is e rispettivamente del SWR dell’antenna al variare della frequenza;

- le figure 6 e 7 sono un terzo e quarto diagramma dell’andamento del guadagno dell’antenna nella prima e rispettivamente seconda banda di frequenze;

- la figura 8 mostra la carta di Smith caratterizzante il comportamento dell’antenna presentante una configurazione in cui la fessura centrale è priva delle sue porzioni superiori; mentre

- la figura 9 mostra la carta di Smith caratterizzante il comportamento dell’antenna presentante una configurazione in cui la fessura centrale è provvista delle sue porzioni superiori; mentre

- la figura 10 è un vista in scala ingrandita della carta di Smith in cui è visibile la sovrapposizione dei comportamenti delle antenne, in cui le rispettive fessure centrali sono realizzate secondo la configurazione senza e, rispettivamente, con le porzioni superiori.

Con riferimento alle figure 1, 2 e 3 con il numero 1 è indicato nel suo complesso una antenna monopolo planare, la quale è installabile in un apparecchio di comunicazione 2 per reti di comunicazione WLAN (non illustrate) ed è atta operare in una prima banda di frequenza f1 compresa tra circa 2.4-2.5GHz ed una seconda banda di frequenza f2 compresa tra circa 5.1 e 5.8 GHz.

L’antenna 1 è accoppiata stabilmente ad una porzione planare di base 4, ricavata preferibilmente ma non necessariamente in un circuito stampato, ad esempio, una scheda elettronica e comprende un piano di massa 5 fissato stabilmente sulla faccia superiore della porzione planare base 4, una lamina a microonde 6 o lamina RF (Radio Frequency), la quale si estende a sbalzo dalla porzione planare di base 4, al disopra del piano di massa 5, lungo un asse longitudinale L in modo tale da disporsi in una posizione sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura della porzione di base 4, ed una lastra piana radiante 7, la quale è fissata stabilmente su una delle due facce della lamina a microonde 5 ed è sagomata in modo tale da presentare una feritoia o apertura centrale 8 passante sagomata ad H.

L’antenna 1 comprende, inoltre, una microstriscia di alimentazione 9, la quale è fissata stabilmente sul piano di massa 5 e si estende rettilinea lungo un asse B sostanzialmente perpendicolare all’asse longitudinale L in modo tale da presentare una estremità distale collegata elettricamente alla lastra piana radiante 7 attraverso un elemento di collegamento 40 fissato stabilmente sulla lamina a microonde 6 e l’altra estremità distale collegata ad un dispositivo elettronico di ricetrasmissione (non illustrato) dei segnali.

La microstriscia di alimentazione 9 ha quindi la funzione di collegare l’antenna 1 ad un dispositivo elettronico di ricetrasmissione dei segnali e può essere realizzata tramite una guida d’onda complanare (CPW) fissata stabilmente al pano di massa 5 e presentante preferibilmente, ma non necessariamente, una impedenza di circa 50 Ohm.

Per quanto riguarda il piano di massa 5, esso ha una forma sostanzialmente rettangolare ed è definito da uno strato in materiale elettricamente conduttivo fissato sulla faccia superiore del circuito 4 stampato, mentre la lamina a microonde 6 o lamina RF ha una forma sostanzialmente rettangolare e comprende un substrato a microonde, il quale può essere realizzato tramite polytetrafluoroethylene (PTFE) o materiale termoplastico, o materiale ceramico, o resine termoindurenti, quali ad esempio resine epossidiche rinforzate in fibra di vetro del tipo FR4 o qualsiasi altro tipo di materiale similare.

La lamina a microonde 6 è atta inoltre ed essere fissata con un proprio bordo laterale inferiore alla porzione di base 4, in modo tale da disporsi al disopra del piano 5 di massa, attraverso degli elementi di saldatura e/o incollaggio e/o elementi dielettrici di giunzione.

Per quanto riguarda invece lastra piana radiante 7 essa è realizzata tramite uno strato di materiale metallico, quale ad esempio rame dorato superficialmente e può essere fissata centralmente alla lamina a microonde 5 in modo tale da essere collegata elettricamente all’elemento di collegamento 40.

In particolare, nell’esempio mostrato in figura 1, la lastra piana radiante 7 ha una forma sostanzialmente rettangolare, è fissata centralmente sulla faccia della lamina a microonde 6 rivolta verso la microstriscia di alimentazione 9, mentre l’elemento di collegamento 40 è definito da una striscia in materiale conduttore disposta nella parte inferiore della lamina a microonde 6 e collegante il bordo inferiore della lastra piana radiante 7 con la microstriscia di alimentazione 9.

Per quanto riguarda invece l’apertura centrale 8 della lastra piana radiante 7, essa comprende due rami laterali 10 i quali si estendono rettilinei e paralleli all’asse longitudinale L dell’antenna 1 e sono posizionati da bande opposte rispetto al piano di mezzeria della lamina a microonde 6 ad una distanza D1 prestabilita uno dall’altro, ed un ramo centrale 11 di collegamento, il quale si estende ortogonale all’asse longitudinale L in modo tale da unirsi con le proprie estremità ai due rami laterali 10.

In particolare, ciascuna estremità del ramo centrale 11 termina in corrispondenza di un punto intermedio I di un corrispondente ramo laterale 10, così da suddividerlo in una coppia di tratti di ramo, in cui un tratto inferiore 10a, rappresenta la porzione del ramo laterale 10 che si estende a partire dal ramo centrale 11 verso il piano di massa 5 sottostante, mentre il tratto superiore 10b rappresenta la porzione del ramo laterale 10 che si estende a partire dal tratto centrale 11 nella direzione opposta al piano di massa 5 stesso. Nella fattispecie, il punto intermedio I di intersezione tra il ramo centrale 11 ed il ramo laterale 10 è compreso tra, ma non coincide con le due estremità del ramo laterale 10.

Con riferimento alla figura 2, l’apertura centrale 8 ad H suddivide la lastra piana radiante 7 in una primo 7a e secondo elemento radiante 7b atti, in uso a formare dei percorsi risonanti dell’antenna operanti alla frequenza f2 e rispettivamente alla frequenza f1.

In dettaglio, il primo elemento radiante 7a corrisponde alla porzione della lamina a microonde 6 presente inferiormente all’apertura centrale 8 ossia delimitata tra il ramo centrale 11 ed i tratti inferiori 10a, mentre il secondo elemento radiante 7b corrisponde alla restante porzione della lamina a microonde 6 presente superiormente all’apertura centrale 8, ossia delimitata tra il ramo centrale 11 ed i tratti superiori 10b.

Nell’esempio mostrato in figura 1, il primo elemento radiante 7a è dimensionato per poter operare alla frequenza f2, mentre il secondo elemento radiante 7b è dimensionato per poter operare alla frequenza f1.

Da quanto sopradescritto è opportuno precisare che la presenza dei tratti superiori 10b al ramo centrale 11 nell’apertura centrale 8 è essenziale in quanto consente di ottenere adattamento di impedenza contemporaneo su entrambe le bande di frequenza f1 ed f2 dell’antenna 1.

In altre parole, la presenza dei tratti superiori 10b al ramo centrale 11 permette di impiegare un unico circuito elettronico di adattamento di impedenza per entrambe le bande di frequenza f1 ed f2 dell’antenna 1, condizione questa estremamente vantaggiosa in quanto consente di semplificare i circuiti ed abbassare i costi.

Allo scopo di far comprendere l’effetto tecnico ottenuto da una apertura centrale sagomata ad H ricavata sulla lastra piastra radiante 7 è necessario riportare sia la carta di Smith 20 che caratterizza il comportamento dell’impedenza dell’antenna 1, al variare delle due frequenze f1 ed f2, nella condizione in cui l’apertura centrale 8 è priva dei tratti superiori 10b (L2=0) (mostrata in figura 8), sia la carta di Smith 25 che caratterizza il comportamento dell’impedenza della medesima antenna 1 al variare delle due frequenze f1 ed f2, nella condizione in cui l’apertura centrale 8 è provvista invece di due tratti superiori 10b aventi una lunghezza L2>0 in particolare L2=1.6 mm (mostrata in figura 9).

In particolare, nella carta di Smith 20 mostrata in figura 8 (L2=0) il tratto di linea indicato con 21 compreso tra i punti 1 e 2 rappresenta l’andamento dell’impedenza nella banda di f1 tra 2.4 e 2.5 GHz, mentre il tratto di linea indicato con 22 compreso tra i punti 3 e 4 è l’andamento dell’impedenza dell’antenna 1 nella banda f2 compresa tra 5.1 e 5.8 GHz.

Nella carta di Smith 25 mostrata in figura 9 (L2=1.6) il tratto di linea indicato con 26 compreso tra i punti 1 e 2 è l’andamento dell’impedenza nella banda f1, mentre il tratto di linea indicato con 27 compreso tra i punti 3 e 4 è l’andamento dell’impedenza nella banda f2.

Nella figura 10 è riportata una sovrapposizione dei tratti di linea delle carte di Smith 20 e 25, dalla quale si nota che la presenza dei due tratti superiori 10b aventi una lunghezza L2=1.6 mm agiscono in modo analogo ad un induttore collegato in parallelo all’antenna 1 per le frequenze f1 (vedi tratti 21 e 26) e contestualmente agiscono in modo analogo ad un condensatore collegato in parallelo all’antenna 1 per le frequenze f2 (vedi tratti 22 e 27).

Realizzando quindi l’antenna 1 con apertura centrale ad H strutturata in modo tale da presentare dei tratti superiori 10b con lunghezza L2 compresa tra circa 1-3 mm, ed in particolare 1,6 mm, si ottiene una condizione di convergenza delle due bande f1 ed f2 in un unico punto di intersezione, condizione questa che consente di utilizzare un medesimo adattamento di impedenza dell’antenna per le bande di frequenza f1 e f2 .

È opportuno precisare che questa condizione di convergenza non è invece raggiungibile, nei range di frequenze f1 e f2, nel caso in cui la configurazione dell’apertura centrale sia anche sensibilmente diversa dalla configurazione ad H, ad esempio nel caso in cui i tratti superiori 10b della fessura 8 abbiano una lunghezza nulla L2=0.

Nelle figure 4 e 5 sono inoltre riportati i risultati di alcune prove sperimentali eseguite sull’antenna 1 sopra descritta, nelle condizioni in cui: la dimensione D3 della lamina a microonde 6 è compresa tra circa 14-16mm, in particolare 15mm; la dimensione D6 della lamina a microonde 6 è compresa tra circa 24-26 mm, in particolare 25 mm; la dimensione D4 della lastra piana radiante 7 è compresa tra circa 6-8 mm, in particolare 7 mm; la dimensione D5 della lastra piana radiante 7 è compresa tra circa 20 e 21 mm, in particolare 20,3 mm; i tratti inferiori 10a dell’apertura centrale 8 hanno una lunghezza L1 compresa tra circa 6-9 mm, in particolare 8 mm; i tratti superiori 10b hanno una lunghezza L2 compresa tra circa 1-3 mm in particolare 1,6 mm; il ramo centrale ha una lunghezza L3 compresa tra circa 4-5 mm, in particolare 4,9 mm e la larghezza S dell’apertura è compresa tra circa 0,2-0,4 mm, in particolare 0,3 mm; la distanza D7 dell’estremità dei rami 10 rispetto al bordo della lastra piana radiante è di circa 0,5 mm.

In dettaglio, le figure 4 e 5 sono un primo ed un secondo diagramma rappresentante l’andamento del return loss Is e rispettivamente del SWR dell’antenna 1 al variare della frequenza, mentre le figure 6 e 7 sono un terzo e quarto diagramma dell’andamento del guadagno dell’antenna 1 nelle bande di frequenze f1 e rispettivamente f2.

L’antenna sopra descritta presenta i seguenti vantaggi: grazie all’apertura centrale configurata ad H è possibile operare simultaneamente nelle due bande di frequenza f1 ed f2 sopra citate.

Inoltre la presenza dei due tratti superiori 10b permette di ottenere una condizione che consente di attuare un medesimo e contemporaneo adattamento di impedenza dell’antenna per entrambe le bande di frequenza f1 ed f2, condizione questa ottenibile attraverso un semplice circuito adattatore quale ad esempio un economico filtro del tipo a pigreco.

In aggiunta l’apertura centrale configurata ad H consente di ottenere da un lato un conveniente pattern omnidirezionale di radiazioni nel piano di azimuth, e dall’altro un guadagno sostanzialmente simile al guadagno di un dipolo ideale.

Infine il posizionamento ortogonale della lamina a microonde rispetto alla porzione planare di base, consente di compattare l’antenna dal momento che la stessa corrisponde ad un monopolo impiegante una porzione di scheda come riflettore di massa. Inoltre vengono eliminati cavi e connettori determinando quindi una riduzione dei costi ed un aumento delle prestazioni dell’antenna.

Infine, viene aumentata la resistenza meccanica dell’antenna e viene semplificato l’assemblaggio della stessa, essendo quest’ultima realizzabile assieme alla relativa scheda.

Risulta infine chiaro che all’antenna qui descritta ed illustrata possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Antenna (1) monopolo planare operante ad una prima (f1) e ad una seconda (f2) banda di frequenze caratterizzata dal fatto di comprendere: un piano di massa (5) fissato stabilmente sulla faccia superiore di una porzione planare di base (4), una lamina a microonde (6) che si estende a sbalzo dalla detta porzione planare di base (4), al disopra del detto piano di massa (5) lungo un asse longitudinale (L) in modo tale da disporsi in una posizione sostanzialmente perpendicolare al piano di giacitura della porzione planare di base (4) stessa, ed una lastra piana radiante (7) in materiale metallico, la quale è fissata stabilmente su una delle due facce della detta lamina a microonde (5) ed è sagomata in modo tale da presentare una apertura centrale (8) passante sagomata ad H; detta apertura centrale (8) suddividendo detta lastra piana radiante (7) in un primo (7a) e secondo elemento radiante (7b) atti, in uso a formare dei percorsi risonanti dell’antenna (1) operanti alla detta seconda (f2) e rispettivamente prima frequenza (f1).
2. 2. Antenna secondo la rivendicazione 1, comprendente una microstriscia di alimentazione (9), la quale è fissata stabilmente sul detto piano di massa (5) in modo tale da presentare una estremità distale collegata elettricamente alla detta lastra piana radiante (7) attraverso un elemento di collegamento (40) fissato stabilmente sulla detta lamina a microonde (6), e l’altra estremità distale atta ad essere collegata ad un dispositivo elettronico di ricetrasmissione dei segnali.
3. 3. Antenna secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta lastra piana radiante (7) ha una forma sostanzialmente rettangolare ed è fissata centralmente sulla faccia della detta lamina a microonde (6) rivolta verso detta microstriscia di alimentazione (9).
4. 4. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento di collegamento (40) comprende una striscia in materiale conduttore disposta nella parte inferiore della detta lamina a microonde (6) e collegante il bordo inferiore della lastra piana radiante (7) con detta microstriscia di alimentazione (9).
5. 5. Antenna secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta apertura centrale (8) comprende due rami laterali (10), i quali si estendono rettilinei e paralleli al detto asse longitudinale (L) e sono posizionati da bande opposte rispetto al piano di mezzeria della detta lamina a microonde (6), ed un ramo centrale (11) di collegamento, il quale si estende ortogonale al detto asse longitudinale (L) in modo tale da unirsi con le proprie estremità ai detti due rami laterali (10).
6. 6. Antenna secondo la rivendicazione 5, in cui ciascuna estremità del detto ramo centrale (11) termina in corrispondenza di un punto intermedio (I) di un corrispondente ramo laterale (10), così da suddividerlo in un tratto inferiore (10a) che si estende a partire dal ramo centrale (11) verso il detto piano di massa (5) sottostante, ed un tratto superiore (10b) che si estende a partire dal tratto centrale (11) nella direzione opposta al piano di massa (5) stesso.
7. 7. Antenna secondo la rivendicazione 6, in cui la lunghezza (L2) dei detti tratti superiori (10b) è compresa tra circa 1-3 mm.
8. 8. Antenna secondo la rivendicazione 6, in cui la lunghezza (L2) dei detti tratti superiori (10b) è di circa 1,6 mm.
9. 9. Antenna secondo la rivendicazione 5, in cui la lunghezza (L1) dei detti tratti inferiori (10a) è compresa tra circa 6-9 mm.
10. 10. Antenna secondo la rivendicazione 8, in cui la lunghezza (L1) dei detti tratti inferiori (10a) è di circa 8 mm.