Con questo articolo vogliamo fornire ai nostri lettori una breve introduzione alle antenne a microstriscia per passare poi ad alcuni progetti per la realizzazione di antenne direttive ad elevato guadagno per la banda ISM a 2.4GHz e 5GHz.
Le patch antenna o antenne in microstriscia, sono costituite da un elemento metallico sottile (elemento radiante) posto sopra un substarto dielettrico che lo separa dal piano di massa. Lo spessore (h) di questo substrato dielettrico deve essere piccolo rispetto alla lunghezza d’onda. L’elemento radiante è progettato in modo che il massimo del diagramma di radiazione si abbia nella direzione normale all’antenna (broad side).
Le configurazioni strutturali più comuni per l’elemento radiante sono di tipo quadrato, rettangolare e circolare.
I vantaggi di questa tipologia di antenne (molto diffuse in ambito industriale e consumer) sono la semplicità/rapidità di realizzazione, peso ridotto e la conformità (con opportuni accorgimenti) alle diverse superfici (ad esempio: montaggio su aerei, macchine, ecc..).
Modificando la geometria della patch è possibile variare la frequenza di risonanza, la polarizzazione, il beam pattern (diagramma di radiazione) e l’impedenza caratteristica di ingresso dell’antenna. Gli svantaggi sono la bassa efficienza e la scarsa larghezza di banda. Per aumentare la larghezza di banda è possibile incrementare lo spessore del substrato dielettrico (h); questa soluzione può però causare una diminuzione dell’efficienza globale dell’antenna per effetto dell’innesco di onde superficiali.
Tipicamente i valori di permettività (εr) del substrato variano tra 2.2 e 12. La vetronite FR4 (utilizzata comunemente per la realizzazione di circuiti stampati) presenta una permettività εr pari a circa 4.5 alla frequenza di 2.45 GHz mentre laminati in materiali a base di teflon e ceramica appositamente realizzati per applicazione a microonde (ad esempio Arlon 25) presentano una εr pari a 3.4 o inferiore.
Substrati spessi con bassi valori di εr sono preferibili poiché consentono di ottenere efficienze superiori e una banda di frequenza più ampia.
Substrati sottili con elevati valori di costante dielettrica sono invece più indicati per l’utilizzo nei circuiti a microonde perché in questo caso i campi sono maggiormente confinati (minimizzando radiazioni ed accoppiamenti indesiderati). L’efficienza in questo caso è chiaramente inferiore poiché le perdite sono elevate e la larghezza è in genere minore.
Dato che le antenne a microstriscia sono spesso integrate con altri dispositivi a microonde, è necessario trovare delle soluzioni di compromesso. L’alimentazione della patch può avvenire tramite cavo coassiale o linea a microstriscia (variando la posizione del punto di alimentazione è possibile modificare l’impedenza d’ingresso dell’antenna).
Dimensionamento
Analizziamo una procedura semplificata per il dimensionamento della patch: supponiamo di conoscere le caratteristiche del substrato dielettrico (ovvero la permettivita εr e lo spessore h ) e di voler progettare (determinare le grandezze W e L) un’antenna che risuoni alla frequenza fr :
1) Determiniamo W per ottenere la massima efficienza: 
dove
2) Calcoliamo la permettività dielettrica effettiva (substrato dielettrico e aria)
4) Calcoliamo la lunghezza effettiva (per eccitare il modo TM010):
3) Calcolo L:
Ad esempio, supponiamo di disporre di un laminato FR4 (vetronite) il cui spessore è pari a h=1.6 mm e εr = 4.5 e di vole realizzare una antenna patch la cui banda di funzionamento sia centrata su fr=2.45GHz. Calcolando le quantità secondo le formule descritte precedentemente otteniamo:
1) W = 0.0369 m
2) εr_eff = 4.17
3) Leff=0.002996 m
4) L =0.002996 - 2·7.363·10-4 = 0.02848 m
Con queste semplici operazioni otteniamo le dimensioni W e L della patch da stampare sul substrato dielettrico a nostra disposizione (per il nostro esempio abbiamo ottenuto W=36.9 mm e L= 28.5 mm ).
Per maggiori informazioni si consiglia di consultare il libro:
Antenna Theory
Analysis and Design Edizione: 3rd Revised edition;
di: Constantine A. Balanis
Editore: John Wiley & Sons Inc
Array
Per ottenere guadagni elevati queste antenne sono spesso impiegate in schiere o array d’antenne. Le schiere d’antenne sono costituite da più elementi radianti identici, opportunamente distanziati tra loro le cui alimentazioni sono sfasate per ottenere configurazioni direttive. Presentiamo ora una serie di progetti per la realizzazione pratica di queste antenne:
- Antenna Patch 5GHz 15dBi (in lavorazione)
