OPUSCOLO INFORMATIVO SU CAMPI ELETTROMAGNETICI.pdf
Summary of "Enhancing MIMO antenna isolation characteristic by manipulating the propagation of surface wave"
1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA
Tesi di laurea triennale
A.A. 2019/2020
Summary of “Enhancing MIMO antenna
isolation characteristic by manipulating the
propagation of surface wave”
Laureando: Relatrice:
Manuel Kosovel Prof.ssa Giulia Buttazzoni
3. 3
Introduzione
La tecnologia MIMO (Multiple-input multiple-output) è diventata la tecnologia più utilizzata nella
quinta generazione 5G, poiché offre un’alta velocità di trasmissione e una grande capacità di canale.
Tuttavia, in questa tecnologia la distanza tra le antenne, poiché ridotta (minore di mezza lunghezza
d’onda), provoca effetti di mutuo accoppiamento, che influiscono considerevolmente sull’efficienza
dell’antenna.
In questo articolo, gli autori Zhuo Yang, Jun Xiao e Quibo Ye propongono una soluzione per
diminuire il mutuo accoppiamento inserendo:
• strutture EBG (Electromagnetic bandgap) “a fungo” con fessure interdigitali,
• risonatori circolari CSRR (Complementary split ring resonator),
• strutture con difetti nel piano di massa HDGS (H-shape defected ground structure).
Nello studio citato, sono state prese in esame due antenne patch stampate sullo stesso substrato, che
lavorano a 3,25 GHz, frequenza adatta alla tecnologia 5G (minore di 6 GHz).
Infine, è stato costruito un prototipo dell’antenna proposta, che è stato misurato e analizzato. I risultati
delle misure mostrano come il mutuo accoppiamento diminuisca di circa 12dB.
Configurazione dell’antenna
Nella Fig.1 viene raffigurata la configurazione del modello proposto dell’antenna MIMO, stampata
su un foglio FR4 rettangolare (𝜀 𝑟 = 4,4, 𝑡𝑎𝑛𝛿 = 0,02), spesso 3𝑚𝑚 e di dimensione 70*40𝑚𝑚2
.
Sul foglio sono collocate due antenne a microstriscia (antenne patch) in configurazione H-plane, che
condividono lo stesso piano di massa. La distanza tra il bordo dell’antenna e il bordo del foglio è
uguale a 10𝑚𝑚. La struttura EBG è inserita nello spazio tra le antenne, fissata con fori metallizzati
di 1𝑚𝑚; il CSSR e l’HDGS, invece, vengono posti sulla parte inferiore del foglio: il primo sui due
bordi esterni, il secondo sotto le due antenne patch.
4. 4
Figura 1 Struttura dell’antenna. (a) Vista dall’alto. (b) Vista dal basso. (c) Vista dal lato.
Parametro 𝑳 𝟏 𝑳 𝟐 𝑳 𝟑 𝑳 𝟒 𝑳 𝟓 𝑳 𝟔 𝑳 𝟕 𝑳 𝟖
Valore(mm) 70 40 24 20 4,8 8 0,1 10
Parametro 𝑳 𝟗 𝑳 𝟏𝟎 𝑳 𝟏𝟏 𝑳 𝟏𝟐 𝑳 𝟏𝟑 𝑳 𝟏𝟒 𝑳 𝟏𝟓 𝑳 𝟏𝟔
Valore(mm) 3,9 4,1 0,1 14 18 7 3,5 4,5
Parametro 𝑳 𝟏𝟕 𝑳 𝟏𝟖 𝑳 𝟏𝟗 𝑳 𝟐𝟎 𝑳 𝟐𝟏 𝒉
Valore(mm) 0,9 0,3 2 2,6 0,3 3
Tabella 1 Misure geometriche dell’antenna
Il concetto di disaccoppiamento
Il mutuo accoppiamento tra le antenne deriva principalmente dalla propagazione delle onde
superficiali. Il campo elettrico che si propaga sulla componente 𝑦, in accordo con la teoria di
propagazione delle onde, ha la seguente espressione:
𝐸(𝑦 , 𝑡) = 𝐸0 𝑒 𝑗𝑘𝑦
∙ 𝑒 𝑗𝑤𝑡 (1)
𝑘 = 𝜔 ∙ √ 𝜇𝜀 (2)
(a)
(b)(c)
5. 5
dove 𝑒 𝑗𝑤𝑡
è la convenzione temporale, 𝐸0 è l’ampiezza dell’onda superficiale, 𝑘 è il numero d’onda
del materiale che può essere espresso con la formula (2), 𝜔 è la velocità angolare dell’onda viaggiante,
𝜇 è la permeabilità ed 𝜀 è la permettività del materiale.
Nei materiali naturali, dove 𝜇 ed 𝜀 hanno valori positivi, le onde elettromagnetiche viaggiano
normalmente. Esistono particolari strutture periodiche artificiali, dove si possono ottenere
permeabilità e permettività negative a specifiche frequenze di risonanza, che influiscono sulla
propagazione delle onde: nei materiali single-negative SNG, dove solo uno dei due, 𝜇 o 𝜀, è negativo,
le onde elettromagnetiche decadono. Invece, nei double-negative DNG, dove sono simultaneamente
negativi, l’energia dell’onda elettromagnetica viene riflessa.
Dunque, si constata che l’utilizzo di materiali artificiali con particolari proprietà elettromagnetiche
permette la soppressione delle onde superficiali che si propagano tra le antenne.
EBG
L’EBG (Electromagnetic bandgap) è un materiale artificiale con due caratteristiche principali, che
influiscono sulla propagazione delle onde elettromagnetiche: la riflessione di fase, utilizzata per
aumentare il guadagno delle antenne e la soppressione delle onde superficiali, per ridurre il mutuo
accoppiamento tra le antenne nella tecnologia MIMO.
In questo articolo, nella struttura EBG
“a fungo” vengono inserite delle
periodiche fessure interdigitali per
aumentare il disaccoppiamento. Nella
Fig.2 vengono raffigurati due
diagrammi di dispersione: il primo
della struttura EBG senza le fessure,
il secondo con le fessure interdigitali. Si nota come la stop band aumenti nel diagramma a destra.
Questo accade, poiché si aggiunge un effetto capacitivo. Per illustrare meglio l’effetto introdotto dalle
fessure, nella Fig.3 viene rappresentato il modello circuitale equivalente della struttura EBG con le
fessure interdigitali diviso in tre sezioni: A, B e C. Nella sezione A: 𝐶𝑆1 è la capacità indotta da tre
fessure interdigitali, l’induttanza 𝐿 𝑃1 equivale alla patch metallica e la capacità shunt 𝐶 𝑃1 rappresenta
l’effetto d’accoppiamento tra la patch metallica e il piano di massa. Siccome le sezioni A e C sono
Figura 2 Diagrammi di dispersione della struttura EBG senza le fessure
interdigitali (sinistra) e con le fessure interdigitali (destra)
6. 6
simmetriche rispetto alla sezione B, il modello
equivalente della sezione C è uguale a quello
della sezione A. Nella sezione B la capacità 𝐶 𝑃2
e l’induttanza 𝐿 𝑉 rappresentano rispettivamente
le piastre parallele e il foro.
Semplificando il circuito equivalente si ottiene un circuito risonante 𝐿𝐶. Quando le onde superficiali
si propagano attraverso la struttura EBG, si verifica un effetto risonante alla frequenza 𝜔0 = 1/√𝐿𝐶,
dove 𝐿 è l’induttanza e 𝐶 è la capacità equivalente del modello circuitale della struttura EBG. La
permeabilità della struttura EBG può essere ricavata dalla seguente espressione:
𝜇 𝑒𝑓𝑓 = 1 +
𝐹 𝜔0
𝜔2 − 𝜔0
2
+ 𝑖𝛾
(3)
dove 𝛾 è il fattore di dissipazione, 𝐹 è il volume occupato dal materiale metallico in una cella e 𝜔 è
la velocità angolare dell’onda superficiale. La permeabilità negativa può essere ottenuta quando 𝜔
sta al di sotto di 𝜔0, dove il valore di 𝜔0 è strettamente legato alla struttura fisica dell’EBG. Questo
ci permette di modificare le dimensioni geometriche della struttura, per ottenere 𝜇 𝑒𝑓𝑓 negativo. La
propagazione delle onde superficiali in un materiale con permeabilità negativa, viene soppressa
considerevolmente.
Per verificare se la struttura EBG “a fungo” con le fessure
interdigitali effettivamente influisce sul mutuo
accoppiamento, sono stati simulati il coefficiente di
riflessione 𝑆11 e il coefficiente di trasmissione 𝑆12.
Comparando i due grafici dei coefficienti di riflessione nella
Fig.4, la frequenza di lavoro dell’antenna leggermente
aumenta dopo l’inserimento della struttura EBG. Il
coefficiente di trasmissione (vedere Fig.5), invece,
diminuisce di circa 9dB alla frequenza di risonanza.
Quest’ultimo dato rende l’inserimento della struttura EBG ragionevole ed efficace per aumentare il
disaccoppiamento. Oltre ai coefficienti di trasmissione e di riflessione, sono state studiate le correnti
superficiali e la distribuzione del campo elettrico tra le due antenne (vedere Fig. 6 e Fig.7). La
Figura 3 (a) Le tre sezioni del modello fisico. (b) Il circuito
equivalente della struttura EBG.
Figura 4 Il coefficiente di riflessione S11 della
MIMO antenna senza e con la struttura EBG
7. 7
simulazione è stata fatta alimentando la prima antenna e
collegando alla seconda un carico di 50Ω. Analizzando le
due figure risulta che il campo elettrico si attenua
gradualmente nella struttura EBG, vincolandosi tra le
fessure interdigitali. L’intensità del campo elettrico nella
seconda antenna diminuisce rispetto alla configurazione
senza la struttura EBG. Lo stesso vale per la corrente
superficiale: inserendo la struttura EBG, la corrente
superficiale nella seconda antenna patch viene soppressa.
CSRR
Per aumentare ulteriormente l’isolamento tra
le antenne, vengono introdotti gli CSRR
(Complementary split-ring resonator) posti
sui bordi della superficie inferiore
dell’antenna. Il CSRR è una struttura
artificiale che si comporta come un circuito
risonante 𝐿𝐶 (vedi Fig.8) con frequenza di risonanza 𝜔0 = 1/√𝐿𝐶, dove 𝐿 è l’induttanza e 𝐶 la
capacità equivalente della struttura. La capacità e l’induttanza equivalente dipendono fortemente dalla
struttura fisica del CSRR.
La permeabilità del CSRR può essere calcolata con l’espressione (3). Quando 𝜔 è maggiore di 𝜔0, la
struttura ottiene un’alta permeabilità 𝜇 𝑒𝑓𝑓, consentendo di veicolare e comprimere le onde
magnetiche. Questo permette di ridurre il mutuo accoppiamento, sopprimendo le onde superficiali.
Figura 5 Il coefficiente di trasmissione S21 della
MIMO antenna senza e con la struttura EBG
Figura 6 Distribuzione del campo elettrico superficiale simulato
delle due antenne H-plane alla frequenza 3,25 GHz con e senza la
struttura EBG (la figura a sinistra e la figura a destra
rispettivamente)
Figura 7 Distribuzione della corrente superficiale simulata
delle due antenne H-plane alla frequenza 3,25 GHz con e
senza la struttura EBG (la figura a sinistra e la figura a destra
rispettivamente)
Figura 8 Il modello fisico e il corrispondente circuito equivalente
8. 8
Nella Fig.9 sono raffigurate le distribuzioni del
campo elettrico con e senza la struttura CSRR. Il
campo elettrico viene attratto dalla struttura
CSRR nella prima antenna e diminuisce
d’intensità nella seconda. Per quanto riguarda la
corrente superficiale, viene soppressa in
vicinanza alla struttura CSRR (vedi Fig.10).
Nell’analisi sono stati studiati i coefficienti di
riflessione 𝑆11 e di trasmissione 𝑆12 con e
senza la struttura CSRR (vedi Fig.11 e Fig. 12).
Si constata che il coefficiente di riflessione non
varia in modo significativo, diversamente dal
coefficiente di trasmissione che, invece,
diminuisce di 2dB alla frequenza di lavoro,
confermando gli effetti descritti
precedentemente.
HDGS
Per ultimo viene inserita una struttura con difetti nel piano di massa, il HDGS (H-shape Defected
ground structure). Nelle figure 13 e 14 sono rappresentati i coefficienti di trasmissione 𝑆12 e di
riflessione 𝑆11. Si osserva che l’impedenza dell’antenna peggiora lievemente (Fig.13), invece
l’isolamento migliora (Fig.14).
Figura 9 Distribuzione del campo elettrico superficiale simulato
delle due antenne H-plane alla frequenza 3,25 GHz con e senza la
struttura CSRR (la figura a sinistra e la figura a destra)
rispettivamente)
Figura 10 Distribuzione della corrente superficiale simulata delle
due antenne H-plane alla frequenza 3,25 GHz con e senza la
struttura CSRR (la figura a sinistra e la figura a destra
rispettivamente)
Figura 12 Il coefficiente di trasmissione
S12 della MIMO antenna con e senza la
struttura CSRR
Figura 11 Il coefficiente di riflessione S11
della MIMO antenna con e senza la struttura
CSRR
9. 9
Risultati sperimentali
Infine, è stato costruito il prototipo
dell’antenna proposta, successivamente
misurato e analizzato. Le figure 16, 17 e 18
comparano il coefficiente di riflessione,
trasmissione e il guadagno simulato e
misurato. Si osserva che il coefficiente di
riflessione e il guadagno misurato non
presentano grosse variazioni rispetto a quelli simulati, come invece accade per il coefficiente di
trasmissione. Questo viene attribuito principalmente alla fabbricazione, all’assemblaggio e agli errori
di allineamento delle strutture CSRR e EBG. Si nota, però, che l’errore massimo nella banda di lavoro
è di circa 2dB, che può considerarsi accettabile. I risultati ottenuti avvalorano lo studio eseguito,
poiché si ottiene una diminuzione del mutuo accoppiamento tra le antenne di circa 12dB.
Figura 13 Il coefficiente di riflessione
S11 della MIMO antenna con e senza la
struttura HDGS
Figura 14 Il coefficiente di trasmissione
S12 della MIMO antenna con e senza la
struttura HDGS
Figura 15 Il prototipo dell’antenna proposta: vista dall’alto (sinistra) e
vista da sotto (destra)
Figura 16 Comparazione tra il
coefficiente di riflessione simulato e
misurato
Figura 17 Comparazione tra il
coefficiente di trasmissione simulato e
misurato
Figura 18 Comparazione tra il
guadagno dell’antenna simulato e
misurato
10. 10
Bibliografia
• Z. Yang, J. Xiao, and Q. Ye, ‘‘Enhancing MIMO antenna isolation characteristic by
manipulating the propagation of surface wave,’’ IEEE Access, vol. 8, pp. 115572–115581,
2020.
