Antenna custom UWB per il rilevamento della posizione

09/09/2019

IMPORTANTE: tutte le informazioni e le esperienze riportate in questo articolo sono frutto dell'attività di progettazione, sviluppo e realizzazione di antenne custom professionali svolta da ElettroMagnetic Services Srl con il metodo AntennaSuMisura. Per saperne di più, clicca qui.

 

Progettazione e costruzione di un'antenna custom UWB realmente a "larga banda"

 

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Ecco un’interessante case history riguardante la richiesta per un sistema di posizionamento che impiega la tecnologia UWB (real-time location system for tracking).

La particolare applicazione non solo ha imposto i requisiti di tipo elettrico caratteristici delle antenne UWB, ma anche requisiti di tipo meccanico e di installazione, in modo da rendere il prodotto perfettamente rispondente alle esigenze del Cliente.

In sistemi di questo tipo, molto complessi e costosi, l’importanza dell’antenna è fondamentale per garantirne il corretto funzionamento.

E’ stato quindi realizzato un prodotto su misura di elevata qualità, con caratteristiche di radiazione costanti su tutta la banda richiesta ed una costruzione robusta, compatibile con l’installazione in ambienti di logistica e/o stoccaggio merci di grandi dimensioni.

 

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LE CARATTERISTICHE DI UN’ANTENNA ADATTA A SISTEMI UWB

La peculiarità dei sistemi che si basano sulla tecnologia UWB è quella di trasmettere una serie di impulsi estremamente brevi (dai 10 ai 10000 picosecondi) utilizzando una banda di frequenza molto ampia rispetto ai sistemi tradizionali.

Questo comporta una certa difficoltà nel rilevamento del segnale e quindi la necessità di utilizzare antenne con particolari caratteristiche, che permettano la ricezione di tutte le componenti dello spettro del segnale stesso con la stessa efficienza, senza introdurre significative distorsioni nella fase di tali componenti di frequenza.

Per questo motivo la scelta e la definizione di queste antenne avviene tenendo conto di requisiti particolari, diversi rispetto a quelli utilizzati nelle antenna tradizionali.

Hai la necessità di acquistare o realizzare un’antenna da utilizzare con sistemi che utilizzano la tecnologia UWB?

Al termine della versione in PDF di questo articolo, che puoi liberamente scaricare cliccando qui, trovi un paragrafo con alcuni utilissimi consigli e suggerimenti.

 

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ESIGENZE E REQUISITI

Le specifiche tecniche pervenuteci dal Cliente sono le seguenti:

Banda operativa: 3.25GHz ÷ 4.25GHz;

Return loss: > 10dB (ROS migliore di 2);

Diagramma di radiazione in azimut: omnidirezionale;

Diagramma di radiazione in elevazione: 40°, con downtilt di 30°;

Dimensioni meccaniche massime: 150mm × 150mm (Altezza×Diametro);

Montaggio: a soffitto, mediante opportuna staffa, disegnata dal Cliente.

Unitamente a queste specifiche tecniche vengono prese in considerazione alcune particolari esigenze, comuni a tutte le antenne a larga banda progettate per questa particolare applicazione e che si possono riassumere in 3 punti principali

 

Caratteristiche del diagramma di radiazione ben precise ed invarianti su tutta la banda

Per poter garantire la giusta precisione al sistema di rilevamento, non solo è necessario che l’antenna presenti diagrammi di radiazione precisi e puliti, ma anche che le caratteristiche di radiazione si mantengano costanti all’interno dell’intera banda operativa.

E’ abbastanza comune imbattersi in antenne definite “a larga banda” solamente perché in grado di mantenere un sufficiente livello di adattamento all’interno della banda operativa.

Nel caso qui in esame è invece necessario considerare il termine “a larga banda” in un senso più ampio, includendo anche altre specifiche elettriche, dovendo fornire al Cliente un’antenna in grado di garantire il corretto funzionamento dell’intero sistema. Sottovalutare questo fatto e fidarsi di prodotti non rispondenti a questo requisito, ha causato spesso problemi su sistemi già installati che hanno comportato ingenti spese per la loro soluzione.   

 

Rispetto delle dimensioni meccaniche richieste

L’antenna deve essere realizzata rispettando le dimensioni massime fornite dal Cliente.

Solo in questo modo si potrà evitare che queste vengano urtate e danneggiate da macchinari in movimento all’interno dell’area destinata al deposito dei container.

 

Grado di protezione adeguato ad una installazione in esterno

L’antenna dovrà presentare caratteristiche di robustezza meccanica adeguate ad una installazione in esterno, per evitare che la persistente esposizione agli agenti atmosferici, sia con il caldo estivo che con il freddo invernale, obblighi a continue operazioni di riparazione e/o sostituzione.

Inoltre dovrà essere garantito il grado di protezione IP66, sigillando opportunamente l’antenna per scongiurare infiltrazioni d’acqua che potrebbero danneggiarla, pregiudicando quindi l’affidabilità dell’intero sistema.

 

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L’ANALISI PRELIMINARE

La prima fase del progetto riguarda un’analisi tecnica volta ad indentificare la configurazione di elemento radiante migliore, ovvero in grado di garantire i seguenti requisiti:

- Caratteristiche elettriche, sia di adattamento che di radiazione, costanti per tutta la banda operativa richiesta;

Diagramma di radiazione in elevazione che implementi il downtilt richiesto per garantire una buona copertura anche nelle zone vicine al punto di installazione dell’antenna;

Possibilità di installare l’antenna su soffitti di materiali diversi, senza che questo modifichi le caratteristiche di radiazione dell’antenna.

Per ragioni di riservatezza, non ci è possibile in questa sede fornire informazioni più dettagliate in merito alle diverse tipologie di elemento radiante ricercate ed analizzate ed alla conseguente scelta effettuata.

È invece possibile elencare le principali caratteristiche dell’elemento radiante che si è deciso di realizzare per questo progetto:

Configurazione di elemento radiante intrinsecamente a larga banda;

Struttura asimmetrica per ottenere il downtilt richiesto nel piano E;

Aggiunta di un riflettore metallico alla base per minimizzare l’influenza della superficie su cui l’antenna viene montata.

Una volta identificata la soluzione ideale e dopo aver condiviso i risultati ottenuti con il Cliente, si è potuto procedere con le successive fasi del progetto.

 

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CARATTERISTICHE TECNICHE DELL’ANTENNA SVILUPPATA E RISULTATI FINALI

La prima fase del progetto ha avuto come scopo quello di determinare l’elemento radiante migliore per questa particolare applicazione, mediando tra i requisiti elettrici richiesti e le specifiche meccaniche dell’involucro, costituito dal radome con la flangia di interfaccia meccanica.

A tal proposito sono state condotte numerose simulazioni al calcolatore su cinque differenti modelli elettromagnetici di elementi UWB che potevano rivelarsi idonei allo scopo.

Teniamo inoltre a sottolineare che, per evitare di realizzare un’antenna che non soddisfi pienamente le esigenze di esclusività richieste dalla particolare applicazione, la scelta delle tipologie di elementi radianti UWB dai quali partire con il progetto non deve essere suggerita da un qualsiasi software di simulazione, come spesso accade negli attuali tool elettromagnetici, ma deve essere frutto dell’esperienza e del know-how maturato in anni di attività di progetto sulle antenne.

In questo modo si è potuto definire con precisione sia la struttura radiante ottimale sia la forma e le dimensioni meccaniche del radome che minimizza la distorsione dei parametri di radiazione nella banda operativa.

Una volta terminata l’ottimizzazione del modello elettromagnetico dell’elemento radiante precedentemente identificato, si procede con la realizzazione del primo prototipo nell’officina meccanica interna.

L’elemento radiante è realizzato in ottone, mentre il riflettore è in alluminio, con un trattamento di anodizzazione conduttiva nella versione definitiva di produzione.

Il connettore, di tipo SMA femmina, viene fissato al centro del riflettore in alluminio posto alla base dell’antenna.

Si prevede anche un centratore in materiale plastico (PVC) da inserire sull’elemento radiante, in modo da evitare che eventuali vibrazioni portino alla rottura del cavo di alimentazione che lo collega al connettore.

Sia il radome che la flangia con i fori predisposti per il fissaggio alla staffa sono realizzati in PVC di adeguato spessore, per ottenere una elevata rigidità meccanica.

Il fissaggio tra l’antenna e la flangia è realizzato per mezzo di una colla bicomponente che assicura la realizzazione di una struttura completamente stagna e perfettamente rispondente alle esigenze di waterproofing espresse dal Cliente.

Le misure di caratterizzazione dell’antenna svolte nella camera anecoica, confermano l’ottenimento delle prestazioni previste all’inizio del progetto, garantendo al Cliente un prodotto in linea con le aspettative.

Il Cliente, dopo aver testato il prototipo fornito al termine delle attività, ne conferma la conformità anche rispetto alle loro esigenze meccaniche legate all’installazione in esterno. 

 

Per vedere le immagini dell’antenna realizzata ed i diagrammi di radiazione misurati in camera anecoica, abbiamo preparato un documento tecnico di 7 pagine in formato PDF da scaricare, stampare e conservare.

 

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Flaminio Bollini

ElettroMagnetic Services Srl

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