Antenna Super UWB-MIMO a basso profilo: La Rivoluzione per Satelliti e 5G è Qui!

Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi di un progetto entusiasmante su cui abbiamo lavorato, qualcosa che potrebbe davvero cambiare le carte in tavola nel mondo delle comunicazioni wireless. Parliamo di un’antenna, ma non una qualsiasi: una super antenna UWB-MIMO a 4 porte, compatta e dal profilo basso, pensata per un sacco di applicazioni fichissime, dalle comunicazioni satellitari al 5G e oltre.

Perché Abbiamo Bisogno di Antenne Migliori?

Viviamo in un’era affamata di dati. Vogliamo velocità stratosferiche, connessioni stabili ovunque, dal nostro smartphone ai sensori intelligenti sparsi per casa o in fabbrica (il famoso Internet of Things, o IoT), fino alle comunicazioni con i satelliti che orbitano sopra le nostre teste. Tecnologie come il 4G LTE, il Wi-Fi, il 5G (sia nelle bande sotto i 6 GHz, chiamate FR1, sia nelle onde millimetriche, FR2, che arrivano fino a 52 GHz) e persino le future evoluzioni (il “Beyond 5G”) richiedono antenne sempre più performanti.

L’Europa, ad esempio, ha designato la banda dei 26 GHz come pioniera per il 5G, e le frequenze millimetriche sono sempre più usate nell’automazione industriale e nell’IoT. Ma progettare componenti che funzionino bene a queste frequenze altissime, dove i segnali si attenuano facilmente, è una bella sfida. Serve qualcosa che abbia una larghezza di banda enorme (Ultra-Wideband, UWB, e persino Super UWB, S-UWB, con rapporti di banda superiori a 10:1!), sia compatto, e magari abbia anche un guadagno elevato.

Qui entra in gioco la tecnologia UWB, che usa impulsi brevissimi per trasmettere dati e opera nella banda senza licenza tra 3.1 e 10.6 GHz. Ma noi volevamo spingerci oltre!

La Nostra Idea: Un Design Unico a Forma di “d”

Ecco la nostra creatura: un’antenna microstrip su singolo strato, super compatta (parliamo di dimensioni totali di 70×70 mm per il sistema a 4 antenne, e 32×31 mm per il singolo elemento!), che lavora su un range di frequenze pazzesco: da 2.5 a 50 GHz! Questo significa una larghezza di banda di impedenza del 320.2%, roba da non credere. Copre praticamente tutto: bande S, C, 4G LTE, sub-6 GHz, UWB standard, e le bande satellitari X, Ka, K e Ku.

Il segreto? Un design innovativo basato su un patch radiante a forma di lettera “d” e un piano di massa metallico molto particolare, a forma di semicerchio con una curvatura studiata ad hoc. Questa forma non è casuale: modifica la distribuzione delle correnti elettriche sull’antenna, influenzando induttanza e capacità, e permettendoci di ottenere questa incredibile larghezza di banda. Il substrato scelto è il Roger RT/Duroid 3003, un materiale ottimo per le alte frequenze, stabile e affidabile.

MIMO: Moltiplicare la Potenza

Ma non ci siamo fermati all’antenna singola. Per aumentare ancora le prestazioni, soprattutto la velocità di trasmissione dati e l’affidabilità del segnale in ambienti complessi (multipath), abbiamo creato un sistema MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). In pratica, abbiamo preso quattro di queste nostre antenne a “d” e le abbiamo posizionate sulla stessa scheda, ma in modo intelligente: ortogonali tra loro, cioè a 90 gradi l’una rispetto all’altra.

Questa disposizione ortogonale è fantastica perché aiuta a tenere le antenne “isolate” tra loro, riducendo le interferenze reciproche (il cosiddetto mutual coupling). Per migliorare ulteriormente l’isolamento, abbiamo introdotto una piccola striscia rettangolare nel piano di massa comune, posizionata strategicamente tra le quattro antenne. Risultato? Un isolamento superiore a 20 dB (in molti casi anche oltre i 25 dB!) su tutta l’enorme banda di funzionamento. Questo è fondamentale per far funzionare bene un sistema MIMO.

Abbiamo simulato tutto al computer usando un software specializzato (CST Microwave Studio), ottimizzando ogni dimensione. Abbiamo anche usato l’analisi dei modi caratteristici (CMA) per capire esattamente quali “modi” di risonanza contribuissero a questa banda così larga.

Dalla Simulazione alla Realtà: I Test sul Campo

Ovviamente, le simulazioni sono belle, ma la prova del nove è la realtà. Abbiamo quindi costruito un prototipo fisico dell’antenna MIMO a 4 porte e l’abbiamo testato in laboratorio con un analizzatore di rete vettoriale (un Rohde e Schwarz ZVA 67, per gli addetti ai lavori) e in una camera anecoica per misurare i diagrammi di radiazione e il guadagno.

I risultati? Strepitosi! Le misure sperimentali hanno confermato le prestazioni previste dalle simulazioni:

• Larghezza di banda: Confermata da 2.5 a 50 GHz (VSWR < 2).
• Isolamento: Ottimo, sempre sopra i 20-22 dB tra le porte.
• Coefficiente di Correlazione dell’Inviluppo (ECC): Bassissimo, inferiore a 0.013. Questo valore indica quanto le antenne siano indipendenti l’una dall’altra, e più è basso, meglio è per il MIMO (il limite pratico è 0.5, noi siamo mooolto sotto!).
• Guadagno di Diversità (DG): Superiore a 9.98 dBi, vicinissimo al valore ideale di 10 dB. Questo significa che il sistema sfrutta benissimo la diversità spaziale per migliorare il segnale.
• Guadagno dell’antenna: Stabile e buono, con picchi intorno ai 6 dBi e oltre 3.5 dBi su gran parte della banda.
• Efficienza di radiazione: Elevata, fino all’87%, grazie anche al substrato di alta qualità.

Certo, qualche piccola differenza tra simulato e misurato c’è sempre, dovuta a tolleranze di fabbricazione, all’effetto del connettore SMA usato per il test, alle saldature… ma l’accordo generale è eccellente.

Analisi nel Dominio del Tempo e Confronti

Abbiamo anche verificato il comportamento dell’antenna nel dominio del tempo, un aspetto cruciale per le applicazioni UWB che usano impulsi molto brevi. Abbiamo simulato la trasmissione tra due antenne identiche poste a 30 cm di distanza in diverse configurazioni (faccia a faccia, faccia a lato, lato a lato). I risultati mostrano una buona trasmissione del segnale (S21) e soprattutto un ritardo di gruppo (Group Delay) molto costante (circa 1.31 ns con variazioni minime), il che indica che l’antenna non distorce gli impulsi UWB.

Infine, abbiamo confrontato la nostra antenna con altre antenne MIMO per onde millimetriche e sub-6 GHz pubblicate di recente. Beh, lasciatemelo dire con un po’ di orgoglio: la nostra proposta si difende benissimo, superando molte altre in termini di isolamento, guadagno, larghezza di banda e prestazioni MIMO (ECC, DG).

Conclusioni: Un Passo Avanti per il Wireless

In sintesi, abbiamo progettato e testato con successo un’antenna super UWB-MIMO a 4 porte, compatta, con un design innovativo a forma di “d” e un piano di massa ottimizzato. Le sue prestazioni sono notevoli: banda larghissima (2.5-50 GHz), isolamento elevato, eccellenti parametri MIMO (ECC 9.98 dBi), buon guadagno ed efficienza.

Questo la rende una candidata ideale per una vasta gamma di applicazioni moderne e future: dalle comunicazioni satellitari al 5G (mmWave e sub-6G), dall’IoT ai radar veicolari, dai dispositivi indossabili intelligenti ai sensori remoti. È un design semplice, planare e quindi facilmente integrabile in circuiti più complessi.

Crediamo davvero che questo lavoro rappresenti un significativo passo avanti nella progettazione di antenne, aprendo la strada a sistemi di comunicazione wireless sempre più potenti e versatili. Il futuro è connesso, e noi stiamo lavorando per renderlo possibile!

Fonte: Springer