Antenna SWB Rivoluzionaria: Banda Larga e Stop alle Interferenze, Tutto in Tasca!

Ragazzi, parliamoci chiaro: nel mondo frenetico delle comunicazioni wireless di oggi, avere un segnale pulito e potente è fondamentale. Che si tratti del nostro smartphone, del Wi-Fi di casa, dei sistemi radar o di dispositivi portatili sempre più sofisticati, la richiesta è sempre la stessa: più banda, meno interferenze e dimensioni ridotte. Le antenne Ultra-Wideband (UWB) sono state un passo avanti, coprendo frequenze da 3.1 a 10.6 GHz, ma spesso sono limitate a comunicazioni a corto raggio. E se volessimo di più? Se avessimo bisogno di coprire distanze maggiori e uno spettro ancora più ampio?

Ecco dove entra in gioco il concetto di Super-Wideband (SWB). Parliamo di antenne con un rapporto di banda di almeno 10:1, capaci di gestire sia comunicazioni a corto che a lungo raggio, inglobando anche lo spettro UWB. Fantastico, no? Beh, non è tutto oro quello che luccica.

La Sfida: Dimensioni e Interferenze

Il problema principale con molte antenne, specialmente le classiche monopole (che sono ottime per la banda larga, facili da costruire e leggere), è la dimensione. Spesso sono ingombranti. Inoltre, nello spettro SWB coesistono diverse tecnologie, come WiMAX, WLAN e bande X, che possono creare fastidiose interferenze. Immaginate di voler usare tutta la potenza della vostra super antenna, ma di essere disturbati da segnali indesiderati! Serve un modo per “zittire” queste specifiche frequenze senza compromettere il resto della banda.

Molte soluzioni proposte in passato soffrivano di dimensioni eccessive (alcune grandi come un foglio A4!) o rapporti di banda non eccezionali, oppure non avevano modo di filtrare le interferenze. Altre ancora, pur introducendo filtri (notch), li avevano fissi, non adattabili a diverse situazioni.

La Nostra Soluzione: Piccola, Potente e Intelligente

Ed è qui che entra in gioco la nostra piccola meraviglia! Abbiamo progettato e costruito un’antenna monopolo alimentata tramite una guida d’onda coplanare (CPW), pensata appositamente per applicazioni SWB. La nostra creatura è incredibilmente compatta, misura solo 34 x 36 mm² (praticamente tascabile!), ed è costruita su un substrato F4B con uno spessore di appena 1 mm. Questo materiale non è scelto a caso: ha basse perdite dielettriche e garantisce un’ottima efficienza di radiazione su tutta la banda operativa, che nel nostro caso va da 2.44 GHz fino a oltre 25 GHz! Un rapporto di banda pazzesco di 12.30:1 e una larghezza di banda frazionaria del 170%.

L’alimentazione CPW è un’altra scelta strategica: è semplice da integrare con altri circuiti, ha basse perdite e facilita la fabbricazione. Abbiamo ottimizzato con cura la distanza tra la linea di alimentazione e il piano di massa (solo 0.20 mm) per ottenere un adattamento d’impedenza eccellente su tutta questa vasta gamma di frequenze. E le prestazioni? Un guadagno medio di 4.90 dB con picchi fino a 6.0 dB, numeri di tutto rispetto che la rendono perfetta per applicazioni ad alte prestazioni.

Il Filtro Magico: Addio Interferenze

Ma come abbiamo risolto il problema delle interferenze? Qui arriva la parte più interessante. Abbiamo introdotto nel radiatore dell’antenna (la parte che effettivamente trasmette e riceve il segnale) un risonatore ad anello complementare rettangolare (CRR). In pratica, abbiamo “intagliato” una fessura a forma di anello rettangolare. Questo piccolo dettaglio agisce come un filtro “notch”, ovvero crea una sorta di “buco” nella risposta in frequenza dell’antenna, bloccando selettivamente una banda stretta di frequenze. Questo ci permette di eliminare specifiche interferenze, ad esempio quelle provenienti da sistemi Wi-Fi o altre comunicazioni che operano all’interno dello spettro SWB/UWB, senza disturbare il funzionamento generale dell’antenna. La posizione e la larghezza di questa banda “bloccata” dipendono precisamente dalle dimensioni dell’anello intagliato.

Rendere il Filtro Intelligente: La Riconfigurabilità

Avere un filtro è ottimo, ma cosa succede se l’interferenza cambia frequenza? Le soluzioni tradizionali con filtri fissi non potrebbero adattarsi. Ecco perché abbiamo fatto un passo in più: abbiamo reso il nostro filtro riconfigurabile! Come? Inserendo un componente elettronico minuscolo all’interno dell’anello CRR: un diodo varactor (SMV2201).

Un diodo varactor è un componente speciale la cui capacità elettrica cambia in base alla tensione continua (DC) che gli viene applicata. Modificando questa tensione dall’esterno, possiamo cambiare la capacità del risonatore CRR. E poiché la frequenza di risonanza (e quindi la frequenza del notch) dipende dalla capacità, possiamo letteralmente spostare la banda di frequenza bloccata! Possiamo sintonizzare il nostro filtro per eliminare interferenze a frequenze diverse, semplicemente regolando una tensione. Questa capacità di adattamento dinamico è un vantaggio enorme rispetto ai sistemi con notch fisso e apre le porte ad applicazioni in ambienti radio complessi e variabili. Abbiamo ovviamente progettato un circuito di polarizzazione apposito per controllare il diodo varactor senza disturbare il segnale RF dell’antenna, usando induttori RF choke e condensatori di blocco DC.

Dalla Teoria alla Pratica: Design e Test

Ovviamente, non siamo arrivati a questo risultato al primo tentativo. Il design è frutto di un’evoluzione metodica. Siamo partiti da un design base, per poi modificare i bordi del radiatore introducendo una struttura “difettosa” e una forma semi-ellittica per migliorare l’adattamento d’impedenza e ampliare la banda. Anche il piano di massa è stato ottimizzato (diventando una Defective Ground Structure – DGS) per migliorare l’accoppiamento e l’efficienza.

Abbiamo simulato approfonditamente il comportamento dell’antenna e poi abbiamo costruito dei prototipi reali, sia nella versione SWB “pura” sia in quella con il notch riconfigurabile. I risultati sperimentali sono stati fantastici: le misure effettuate in laboratorio hanno confermato le prestazioni previste dalle simulazioni, con un’ottima corrispondenza su tutta la banda da 2.44 a 25 GHz e per le diverse configurazioni del notch (abbiamo testato diverse capacità del varactor, spostando il notch da circa 10 GHz a 8 GHz). L’impedenza d’ingresso si mantiene stabile intorno ai 50 Ohm (valore standard per un buon matching) e l’efficienza di radiazione totale simulata è costantemente intorno al 90% su quasi tutta la banda operativa, il che significa che l’antenna spreca pochissima energia.

Abbiamo anche analizzato la distribuzione delle correnti sulla superficie dell’antenna alle frequenze di notch. Questo ci ha confermato che è proprio il risonatore CRR a “lavorare” per filtrare l’interferenza, concentrando la corrente in quella zona specifica, mentre il resto del radiatore continua a funzionare efficacemente. I diagrammi di radiazione (come l’antenna “spara” il segnale nello spazio) mostrano un comportamento eccellente, con buona direzionalità e purezza di polarizzazione, specialmente alle frequenze più basse e centrali della banda.

Perché la Nostra Antenna Fa la Differenza

Confrontando la nostra antenna con altre soluzioni SWB presenti in letteratura, emergono chiari vantaggi. Molte antenne esistenti sono più grandi, hanno rapporti di banda inferiori, guadagni più bassi o mancano completamente della funzione di notch. Quelle che hanno un notch, spesso lo hanno fisso. La nostra antenna combina:

• Dimensioni compatte (0.27λ × 0.29λ alla frequenza minima).
• Banda larghissima (SWB, rapporto 12.30:1, 170% di banda frazionaria).
• Buon guadagno ed efficienza (picco 6.0 dB, efficienza >90%).
• Funzione notch riconfigurabile per eliminare dinamicamente le interferenze.

Questo mix di caratteristiche la rende una soluzione estremamente versatile e performante, superiore a molte alternative in termini di compattezza, flessibilità e prestazioni complessive, specialmente se consideriamo il rapporto tra dimensioni e larghezza di banda (BDR), che nel nostro caso è molto elevato (2172.8).

Conclusioni e Prospettive Future

In sintesi, abbiamo sviluppato un’antenna SWB monopolo alimentata via CPW che non è solo compatta ed efficiente su una banda di frequenza incredibilmente ampia (2.44-25 GHz), ma integra anche un’innovativa funzione di notch riconfigurabile tramite diodo varactor. Questa capacità di filtrare dinamicamente le interferenze, unita alle dimensioni ridotte e alle ottime prestazioni, la rende una candidata ideale per una vasta gamma di applicazioni moderne: dai sistemi di comunicazione wireless di nuova generazione ai radar avanzati, fino ai dispositivi portatili dove spazio e versatilità sono cruciali. È un passo avanti significativo nel design delle antenne SWB, offrendo una soluzione robusta, flessibile e pronta per le sfide del futuro delle telecomunicazioni.

Fonte: Springer