Università di Pisa
Facoltà di Ingegneria
Corso di laurea in
Ingegneria delle Telecomunicazioni
Misure su un prototipo di array di
antenne in microstriscia per
applicazioni UMTS
Candidato: Emanuele Giorgi
Relatori: Prof.. P. Nepa
Tirocinio svolto presso:
RTW - Ride The Wave
Ing. A. Armogida
Anno accademico 2005/ 2006
Progetto del Dip. Ing. Informazione
per Selex Communications
Lavoro svolto:





Assemblaggio di due prototipi
- specifiche di progetto
- ottimizzazione
Aggiornamento del programma (LabVIEW)
Misura dei parametri “S”
Misura dei diagrammi di irradiazione
Misura del guadagno
Descrizione Dell’Antenna


Array 4x4, +/- 45°
Bande operative UMTS I, ISM, UMTS II
Componenti che costituiscono l’antenna



Circuito stampato (PCB)
Elementi radianti (i patch
metallici)
Piano metallico
Sito di misura e strumentazione
Sito Di Misura

Camera Semi-anecoica
- Efficacia di schermatura
~100dB da 100Khz a 18Ghz
- Rivestimento interno:
Ferriti e coni assorbenti
Strumentazione:

Analizzatore Vettoriale di Reti (VNA)
- Connessione GPIB

Posizionatore a singolo asse
- Rotazione 360°, risoluzione 0,02°
- Connessione GPIB
Programma LabVIEW (1/3)


Controllo della strumentazione in camera
Lavoro di tirocinio:
- Verifica dei moduli non funzionanti
- Implementazione di Calibrazione e Step Variabile
Funzioni del programma:


Controllo combinato dei due strumenti di misura
Salvataggio su PC dei dati acquisiti
Programma LabVIEW (2/3)
Pannello Frontale del VNA:

Freq. Start e Stop

Averaging

Smoothing

Selezione
parametro S

Grafico qualitativo

Calibrazione
Programma LabVIEW (3/3)
Pannello Frontale del Posizionatore:

Impostazione intervallo
angolare (variabile)

Velocità

Indicatore posizione corrente
Misura parametri “S” (1/3)
ROS (Return Loss) – S11 dal VNA
 Isolamento Co-Polare – S12 dal VNA
 Isolamento Cross-Polare – S12 dal VNA

Specifiche: tutto al di sotto dei –10dB
Ottimizzazione :

Assemblaggio di una sola colonna

Misure con variazioni:
- Distanza tra PCB e piano metallico
- Dimensione dei Patch superiori
- Air Gap tra i Patch
 Assemblaggio del Prototipo “II”
Misura parametri “S” (2/3)

Misure effettuate al banco su entrambi i prototipi
 Calibrazione VNA
 Carichi adattati (50) alle porte non utilizzate
Esempio Grafici (RL UMTS I, Prot. I – Prot. II)
Return Loss
-5
-5
-10
- 10
-15
-20
-25
-30
-35
|S11|
-40
|S22|
Retur n Loss
0
S P aram eter (dB)
S Parameter (dB)
0
- 15
- 20
- 25
- 30
- 35
|S 11|
|S 22|
- 40
- 45
-45
- 50
-50
1.9
1.92
1.94
1.96
1.98
2
2.02
2.04
2.06
Freq (GHz)
2.08
2.1
2.12
2.14
2.16
2.18
2.2
1.9
1.9 2
1.94
1 .96
1 .98
2
2.02
2.04
2.0 6
Freq ( GHz)
2.0 8
2 .1
2 .12
2 .1 4
2.1 6
2.18
2.2
Misura parametri “S” (3/3)
Risultati
RL a - 45° : al di sotto dei –10db nel Pr. II, supera la soglia nel Pr. I
 RL a +45° : efficacemente sotto la soglia
 Isolamenti Co e Cross- Polari:
- Molto al di sotto dei –10dB
- Isolamento Cross-Polare un po’ alto in UMTS II



Conclusioni sul Prototipo II
- Isolamenti simili al Prototipo I
- RL migliore, meno fluttuante, sempre sotto a –10dB
Fasi successive  Prototipo II
Diagrammi di irradiazione (1/3)

Misure effettuate in camera
 Calibrazione VNA
Setup del sito

Antenna TX : Array
Antenna RX: Standard Gain Horn
Distanza : 5m ( λ ~ 15 Cm @ 2GHz)
Altezza : 170 Cm

VNA esterno



Puntamento delle antenne

Livella a bolla e puntatore Laser

Puntamento elettrico
Diagrammi di irradiazione (2/3)
Piano delle Misure

Broadside
- Azimut / Elevazione, Co e Cross Polare
 Beamforming
- Azimut Co-Polare, +15° / –30°
- Utilizzo di 4 sfasatori
UMTS II Up-Link - AZIMUT, E-45, Co-polar
10
f=2.5GHz
0
f=2.53 5GHz
f=2.57 GHz
Amplitude(dB)
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-175
Risultati BroadSide
-150
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
Fre quenc y(GHz)
50
75
100
125
150
175
UMTS II Up-Link - AZIMUT, E-45, X-polar
0
-5

HPBW intorno a 18°~22°
f=2.5GHz
f=2.53 5GHz
-10
f=2.57 GHz


SLL inferiori ai –13dB
Isolamenti Cross-Polari intorno
ai –13 ~ –15dB
Amplitude(dB)
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-175
-150
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
Fre quenc y(GHz)
50
75
100
125
150
175
Diagrammi di irradiazione (3/3)
UMTS II Down-Link - ELEV, E+45, Co-polar
5
0
Problemi in Down-Link UMTS
II in elevazione :
f=2.65 5GHz
f=2.69 GHz
-10
Amplitude(dB)

f=2.62 GHz
-5
-15
-20
-25
- Forte asimmetria

-30
-35
-40
-175
Verifica con connettori
ruotati di 180°
-150
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
Fre quenc y(GHz)
50
75
100
125
150
175
UMTS II Up-Link - Beamforming +15 °, E-45
10
f=2.5GHz
0
f=2.53 5GHz
f=2.57 GHz
Risultati Beamforming
Amplitude(dB)
-10
-20
-30
-40

Beamforming a +15° :
-50
-175
Risultati più variabili,
da –25° a –35°
-100
-75
-50
-25
0
25
Fre quenc y(GHz)
50
75
100
125
150
175
5
Amplitude(dB)
Beamforming a –30° :
-125
Up-Link UMTS I - Beamforming -30°, E-45
+12° in UMTS I e +14° in UMTS II

-150
0
f=1.92 GHz
-5
f=1.95 GHz
-10
f=1.98 GHz
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-175
-150
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
Fre que ncy(GHz)
50
75
100
125
150
175
Misure di Guadagno
Metodo delle tre antenne:

Array 4x4 (Prototipo II)
 2 antenne a singolo elemento
Gain UMTS I

3 misure
19.00
18.00
Grafici risultanti
Amplitude
17.00
16.00
15.00
14.00
13.00
12.00
11.00
G.Array
10.00

1.9
UMTS I : 16 ~ 18 dB
1.925
1.95
1.975
2
2.025
2.05
2.075
2.1
2.125
2.15
Frequency(GHz)
Gain ISM e UMTS II

ISM, UMTS II :
+17dB fino a 2.5 GHz
Decadimento (+ 8dB a 2.7 GHz )
20.00
18.00
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
G.Array
6.00
2.4
2.425
2.45
2.475
2.5
2.525
2.55
2.575
2.6
2.625
2.65
2.675
2.7
2.175
2.2
Conclusioni

Durante il tirocinio è stata assemblata e misurata l’antenna

Proposta versione ottimizzata (incremento prestazioni ROS)

L’antenna (ottimizzata) rispetta le specifiche di progetto
- Buono il Beamforming dell’ Array

Problema:
- Asimmetria diagramma elevazione in Down Link UMTS II

Il Programma LabVIEW ha ottimizzato e velocizzato il lavoro