Antenne Rivoluzionarie: Più Potenza e Banda Larga con i Conduttori Magnetici Artificiali!

Ciao a tutti, appassionati di tecnologia e futuri maghi delle onde radio! Oggi voglio parlarvi di una sfida che mi ha tenuto incollato al banco di laboratorio (e al simulatore, ovviamente!) per un bel po’: come diavolo si fa a creare un’antenna che sia allo stesso tempo piccola, con una banda larghissima e un guadagno da urlo? Sembra quasi chiedere la luna, vero? Le antenne planari, quelle piatte e comode da integrare ovunque, spesso peccano proprio in termini di guadagno quando si cerca di farle funzionare su tante frequenze. Ma io non mi sono dato per vinto!

Un’antenna che fa la differenza: la sfida della banda larga e del guadagno elevato

Nel mondo delle comunicazioni wireless, che si tratti del 5G che sta spopolando o delle future reti che ancora possiamo solo immaginare, la fame di antenne performanti è insaziabile. Servono dispositivi compatti, efficienti e capaci di gestire un sacco di dati, il che significa ampia larghezza di banda. E se poi ci aggiungiamo un bel guadagno, che si traduce in segnali più forti e comunicazioni più stabili, allora abbiamo fatto bingo. Ecco, il mio obiettivo era proprio questo: un’antenna planare che non scendesse a compromessi.

Generalmente, per migliorare le prestazioni si ricorre a “trucchetti” come le metasuperfici, materiali ingegnerizzati con proprietà elettromagnetiche fuori dal comune. Tra queste, le Superfici a Conduttore Magnetico Artificiale (AMCS) sono particolarmente affascinanti. Pensate che possono anche aiutarci a schermare frequenze indesiderate o a far passare solo quelle che ci servono, un po’ come un buttafuori super selettivo all’ingresso di una discoteca di segnali UWB (Ultra-Wideband).

Le AMCS sono fondamentali in un sacco di applicazioni: dal 5G ai servizi satellitari fissi e mobili, dai radar a bordo di aerei o a terra fino ai radar per le auto a guida autonoma. Insomma, roba seria! Il problema è che spesso i design esistenti con AMCS hanno una larghezza di banda di riflessione limitata, il che strozza un po’ le potenzialità dell’antenna. La mia missione? Creare un’AMCS a banda larga che potesse davvero dare una marcia in più a un’antenna già performante.

La mia creatura: un’antenna a monopolo stampata a banda larga

Ho iniziato progettando un’antenna a monopolo stampata, una specie di stella, pensata per irradiare il segnale in modo omnidirezionale. L’idea era di avere un’ottima corrispondenza di impedenza (fondamentale perché l’antenna “accetti” bene il segnale dalla sorgente) e un’alta efficienza di radiazione su un intervallo di frequenze bello ampio: da 3.9 a 7.2 GHz, che significa una larghezza di banda del 60%! Mica male per un oggettino di soli 30 mm x 20 mm. Questa antenna, da sola, mostrava un guadagno che variava da 2 dBi a 4.5 dBi. Buono, ma si poteva fare di più.

Per darle quella spinta in più, ho progettato una AMCS compatta, composta da sole 3×3 celle elementari, per una dimensione totale di 9×9 cm. L’ho posizionata parallelamente all’antenna, a una distanza precisa di 1.75 cm dietro di essa. E qui la magia: il guadagno dell’antenna con l’AMCS è schizzato fino a 9 dBi, senza sacrificare la larghezza di banda o l’adattamento di impedenza! Anzi, l’efficienza di radiazione è rimasta sopra il 98% su una banda operativa addirittura leggermente più ampia, da 3.6 a 7.2 GHz (66% di larghezza di banda).

Ovviamente, non mi sono fidato solo delle simulazioni. Ho costruito fisicamente sia l’antenna che l’AMCS e le ho messe alla prova. Le misure di adattamento di impedenza, guadagno ed efficienza di radiazione hanno confermato i risultati simulati. Che soddisfazione!

Nel dettaglio: come è fatta l’antenna “stellare”

L’antenna che ho disegnato è una patch a monopolo planare a forma di stella, alimentata da una guida d’onda coplanare (CPW). Sia la patch radiante che l’alimentatore CPW sono stampati su un lato di un substrato Rogers RO4003 C (un materiale con ottime proprietà dielettriche, costante dielettrica eepsilon;_r=3.55 e basse perdite). Il lato opposto è lasciato nudo.

La geometria a stella è formata da un cerchio centrale e sei cerchi circostanti uniformemente distribuiti. Al centro della patch radiante c’è uno slot circolare, il cui raggio R_S è stato accuratamente sintonizzato per ottimizzare la distribuzione della corrente superficiale, migliorando l’adattamento di impedenza e le caratteristiche di radiazione. Inoltre, ho inserito cinque fessure lungo il perimetro della patch e due fessure lungo l’estensione della linea di alimentazione per affinare ulteriormente l’adattamento. Ogni singolo parametro, dal raggio dei cerchi alla larghezza delle fessure, è stato ottimizzato con ore e ore di simulazioni parametriche usando CST Simulator. Un lavoro certosino, ve lo assicuro!

• Studio parametrico: Ho variato parametri come R_P (raggio dei cerchi esterni della stella), R_C (raggio del cerchio su cui giacciono i centri dei cerchi esterni), Y_P (distanza tra fine CPW e centro patch), R_S (raggio slot centrale), W_F (larghezza conduttore centrale CPW) e W_G (larghezza slot laterali CPW). Ogni modifica impattava la risposta in frequenza, e trovare il giusto equilibrio è stata la chiave. Ad esempio, R_P=10.5 mm si è rivelato ottimale per la massima larghezza di banda.

Dopo aver definito il design ottimale, ho fabbricato un prototipo. Il processo di fabbricazione ha utilizzato tecniche di litografia convenzionali. Per le misure, ho saldato un connettore coassiale SMA all’estremità della regione CPW. Le misure con l’analizzatore di rete vettoriale (VNA) Agilent N9918 A hanno mostrato un’ottima concordanza con le simulazioni, confermando una banda di adattamento da 3.7 GHz a 7.2 GHz.

Caratteristiche di radiazione dell’antenna “nuda”

Senza l’AMCS, l’antenna si comporta come un radiatore omnidirezionale, con un diagramma di radiazione a “figura di otto”, tipico dei monopoli. Il guadagno massimo, come detto, variava tra 2 dBi e 4.5 dBi. L’efficienza di radiazione era costantemente sopra il 98% nella banda operativa, mentre l’efficienza totale (che tiene conto anche delle perdite di adattamento) si manteneva sopra l’85%. Questi ottimi valori sono dovuti anche alla struttura a singola faccia e all’alimentazione CPW, che riduce il confinamento del campo nel substrato, non essendoci un piano di massa posteriore.

L’ingrediente segreto: la Superficie a Conduttore Magnetico Artificiale (AMCS)

Ora, come potenziare questo gioiellino? Le antenne omnidirezionali hanno un guadagno intrinsecamente più basso di quelle direttive. Una soluzione classica è mettere una superficie metallica riflettente dietro. Il problema è che un metallo (conduttore elettrico perfetto, PEC) sfascia l’onda riflessa di 180°. Se l’antenna è troppo vicina, si ha interferenza distruttiva. Bisogna allontanarla, aumentando l’ingombro.

E se invece usassimo un Conduttore Magnetico Perfetto (PMCS)? Questo riflette le onde in fase con quelle incidenti! Ciò significa che possiamo avvicinare l’antenna al riflettore senza problemi, anzi, ottenendo interferenza costruttiva e quindi un guadagno maggiore. Purtroppo, i PMCS naturali non esistono. Ma possiamo crearli artificialmente: ecco le AMCS! Sono metasuperfici, strutture periodiche planari progettate ad hoc.

La mia AMCS è stata pensata per avere un’alta impedenza superficiale, che corrisponde a un coefficiente di riflessione con fase 0° alla risonanza. L’unità base della mia AMCS è composta da tre cornici metalliche concentriche, ognuna formata combinando una cornice quadrata e una circolare, stampate sulla superficie superiore di un substrato Rogers RO4003 C (lo stesso dell’antenna). Crucialmente, per ottenere una AMCS a banda larga, il lato inferiore del substrato è lasciato nudo, senza rame. Questo la rende una struttura AMCS stampata su un solo lato.

Le simulazioni dell’unità cella AMCS hanno mostrato che la condizione di fase di riflessione tra -90° e +90° (tipica per il funzionamento AMCS) era soddisfatta nella banda da 3.7 a 7.3 GHz, quindi una larghezza di banda del 68%! Inoltre, il coefficiente di trasmissione era bassissimo (sotto i -60 dB), a conferma che la superficie si comporta egregiamente come riflettore.

Matrimonio perfetto: l’antenna e l’AMCS insieme

Per le applicazioni pratiche, un’AMCS infinita non è realizzabile. Ho quindi studiato una configurazione finita, con il minor numero possibile di celle, un array 3×3. Ho posizionato la mia antenna a stella a una certa altezza H sopra questa AMCS. Anche qui, ottimizzazione a gogo!

Ho variato parametri dell’AMCS come la larghezza delle strisce ad anello (W_R) e la separazione tra di esse (W_S), osservando l’impatto su |S₁₁| (adattamento) e sul guadagno dell’antenna. Ad esempio, con W_R=2.0 mm ho ottenuto il guadagno più alto e stabile. Similmente, W_S=0.3 mm si è rivelata la scelta migliore per la stabilità del guadagno.

Fondamentale è stata l’altezza H dell’antenna sopra l’AMCS. Con H=17.5 mm ho ottenuto il guadagno più elevato e stabile sull’intera banda di frequenza, mantenendo un ottimo adattamento di impedenza. A questa distanza, la banda di adattamento si è estesa a 3.6-7.2 GHz (66%). L’accoppiamento tra antenna e AMCS ha dato i suoi frutti!

Con l’AMCS, il diagramma di radiazione è diventato molto più direttivo, con una radiazione frontale potenziata e quella posteriore ridotta. Il guadagno massimo è passato da 2.5 dBi a 8.37 dBi a 4 GHz, e da 3.16 dBi a 6.16 dBi a 5 GHz. Un incremento notevole! L’efficienza di radiazione è rimasta sopra il 98%, e quella totale sopra l’85% nella banda 3.7–7.2 GHz.

La prova del nove: fabbricazione e misure sperimentali

Come anticipato, non potevo esimermi dal costruire tutto. Ho fabbricato l’AMCS 3×3 su substrato Rogers RQ4003 C. Poi ho posizionato l’AMCS a H=17.5 mm dietro l’antenna a stella, usando un blocchetto di schiuma (con permittività vicina a quella dell’aria, eepsilon;_r=1.01) come distanziatore. Ho fissato antenna e AMCS sulle facce opposte della schiuma con un adesivo.

Le misure di |S₁₁| con il VNA hanno mostrato una banda di adattamento da 3.3 a 7.1 GHz, in ottimo accordo con le simulazioni (3.7-7.2 GHz). Quindi, l’AMCS non ha rovinato l’adattamento, anzi! Anche le misure di guadagno hanno confermato i risultati simulati, mostrando la stessa tendenza con la frequenza.

Confrontando il mio lavoro con altri design recenti pubblicati, la mia antenna offre una delle più ampie bande di adattamento (70% se consideriamo la banda misurata) e larghezza di banda AMCS (49%). Forse è leggermente più grande di alcuni design ultra-compatti, ma le prestazioni parlano da sole.

Un passo avanti per le comunicazioni wireless

In conclusione, sono riuscito a sviluppare un’antenna a monopolo planare stampata con eccellente adattamento di impedenza ed efficienza di radiazione superiore al 98%. Da sola, offre un guadagno da 2 a 4.5 dBi sulla banda 3.6-7.2 GHz. Ma la vera svolta è stata l’introduzione della AMCS compatta (solo 3×3 celle!). Questa ha permesso di incrementare il guadagno fino a 9 dBi, mantenendo l’ampia larghezza di banda e l’alta efficienza.

Le antenne basate su AMCS come questa sono cruciali per una marea di applicazioni moderne e future, dal 5G alle comunicazioni satellitari, dai radar aeronautici e terrestri a quelli per le auto autonome. Aver dimostrato sperimentalmente la validità di questo design, con risultati così vicini alle simulazioni, è una grande soddisfazione e apre la strada a ulteriori sviluppi. Spero che questo mio “viaggio” nel mondo delle antenne vi abbia affascinato almeno un po’!

Fonte: Springer