Università di PisaUniversità di PisaFacoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Corso di laurea in Corso di laurea in Ingegneria delle TelecomunicazioniIngegneria delle Telecomunicazioni

Misure su un prototipo di array di antenne in microstriscia per

applicazioni UMTS

Anno accademico 2005/ 2006Anno accademico 2005/ 2006

Candidato: Emanuele Giorgi

Tirocinio svolto presso: RTW - Ride The Wave

Relatori: Prof.. P. Nepa

Ing. A. Armogida

Progetto del Dip. Ing. Informazioneper Selex Communications

Assemblaggio di due prototipi- specifiche di progetto- ottimizzazione

Aggiornamento del programma (LabVIEW)

Misura dei parametri “S” Misura dei diagrammi di irradiazione Misura del guadagno

Lavoro svolto:Lavoro svolto:

Descrizione Dell’AntennaDescrizione Dell’Antenna Array 4x4, +/- 45° Bande operative UMTS I, ISM, UMTS II

Circuito stampato (PCB) Elementi radianti (i patch

metallici) Piano metallico

Componenti che costituiscono l’antenna

Sito di misura e strumentazioneSito di misura e strumentazione

Camera Semi-anecoica

- Efficacia di schermatura ~100dB da 100Khz a 18Ghz

- Rivestimento interno:

Ferriti e coni assorbenti

Analizzatore Vettoriale di Reti (VNA)

- Connessione GPIB

Posizionatore a singolo asse

- Rotazione 360°, risoluzione 0,02°

- Connessione GPIB

Sito Di Misura

Strumentazione:

Programma LabVIEW (1/3)Programma LabVIEW (1/3)

Controllo combinato dei due strumenti di misura Salvataggio su PC dei dati acquisiti

Funzioni del programma:

Controllo della strumentazione in camera Lavoro di tirocinio:

- Verifica dei moduli non funzionanti

- Implementazione di Calibrazione e Step Variabile

Programma LabVIEW (2/3)Programma LabVIEW (2/3)

Pannello Frontale del VNA:

Freq. Start e Stop

Averaging

Smoothing

Selezione

parametro S

Grafico qualitativo

Calibrazione

Programma LabVIEW (3/3)Programma LabVIEW (3/3)

Impostazione intervallo angolare (variabile)

Velocità

Indicatore posizione corrente

Pannello Frontale del Posizionatore:

Misura parametri “S” (1/3)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 :

Misure con variazioni:

- Distanza tra PCB e piano metallico

- Dimensione dei Patch superiori

- Air Gap tra i Patch

Assemblaggio del Prototipo “II”

Assemblaggio di una sola colonna

Misura parametri “S” (2/3)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

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 2.12 2.14 2.16 2.18 2.2Freq (GHz)

S P

ara

mete

r (d

B)

|S11|

|S22|

Misura parametri “S” (3/3)Misura parametri “S” (3/3)Risultati

Conclusioni sul Prototipo II

- Isolamenti simili al Prototipo I

- RL migliore, meno fluttuante, sempre sotto a –10dB

Fasi successive Prototipo II

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

Diagrammi di irradiazione (1/3)Diagrammi di irradiazione (1/3)

Setup del sito

Misure effettuate in camera Calibrazione VNA

Puntamento delle antenne

Antenna RX: Standard Gain Horn

Livella a bolla e puntatore Laser

Puntamento elettrico

Antenna TX : Array

Distanza : 5m ( λ ~ 15 Cm @ 2GHz) Altezza : 170 Cm

VNA esterno

Diagrammi di irradiazione (2/3)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

Risultati BroadSide

HPBW intorno a 18°~22°

UMTS II Up-Link - AZIMUT, E-45, Co-polar

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

-175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175

Fre quenc y(GHz)

Am

plitu

de(d

B)

f=2.5GHz

f=2.53 5GHz

f=2.57 GH z

UMTS II Up-Link - AZIMUT, E-45, X-polar

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175

Fre quenc y(GHz)

Am

plitu

de(d

B)

f=2.5GHz

f=2.53 5GHz

f=2.57 GHz

SLL inferiori ai –13dB

Isolamenti Cross-Polari intorno ai –13 ~ –15dB

Diagrammi di irradiazione (3/3)Diagrammi di irradiazione (3/3)

Problemi in Down-Link UMTS II in elevazione :

Risultati Beamforming

UMTS II Up-Link - Beamforming +15 °, E-45

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

-175 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175

Fre quenc y(GHz)

Am

plitu

de(d

B)

f= 2.5GHz

f= 2.53 5GHz

f= 2.57 GH z

- Forte asimmetria

+12° in UMTS I e +14° in UMTS II

Risultati più variabili,

da –25° a –35°

Beamforming a +15° :

Beamforming a –30° :

Verifica con connettori

ruotati di 180°

Misure di GuadagnoMisure di Guadagno

Gain UMTS I

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

1.9 1.925 1.95 1.975 2 2.025 2.05 2.075 2.1 2.125 2.15 2.175 2.2

Frequency(GHz)

Am

plitu

de

G.Array

Gain ISM e UMTS II

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

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

G.Array

Metodo delle tre antenne:

3 misure

Grafici risultanti

UMTS I : 16 ~ 18 dB

ISM, UMTS II :

+17dB fino a 2.5 GHz

Decadimento (+ 8dB a 2.7 GHz )

Array 4x4 (Prototipo II) 2 antenne a singolo elemento

ConclusioniConclusioni

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