ANTENNA DI AUTOMOBILE A DOPPIA BANDA 
INSTALLATA SUL VETRO PER TELEFONI CELLULARI

SISTEMI RADIO INTEGRATI VEICOLARI
* Radio AM/FM 
* Telefono cellulare (in Europa, GSM a 900 MHz; DCS a 1800 MHz)
* Navigazione (GPS) e tracking
* Sistemi antifurto
* Servizi speciali 

RICHIESTE DEL MERCATO
* Ridurre al minimo il numero di antenne su una stessa automobile
* Ridurre al minimo i danni arrecati all'autovettura per l'installazione di nuove antenne
* Rendere le antenne invisibili o perlomeno poco visibili
* Ridurre dimensioni e costi

PUNTI DI INSTALLAZIONE
* Parte superiore del tetto (vicino al parabrezza anteriore o posteriore)
* Vetro
* Paraurti


TENDENZE
* Antenne (combinate) polifunzionali
* Esempio:
* Antenna combinata per AM/FM/GSM/DCS/GPS (SatflexÒ) 
* Antenna a stilo per AM/FM e telefono cellulare
* Antenna ad anello per GPS

 

ANTENNA AD ANELLO GPS
* Semplice, non evidente, conveniente
* Adatta ad essere integrata (piccola, impronta riutilizzabile, accoppiamento con gli altri componenti di dimensioni ridotte)

* Caricamento capacitivo concentrato in derivazione
* La desintonizzazione minima funge da discriminatore per la polarizzazione (RHC)
* Sia l'anello sia la base sono realizzati con tecniche PCB standard
* Esempio: l'antenna GPS di 20 mm. di diametro e di 10 mm. di altezza ha un guadagno di 4-6 dBi
* Lo spazio circostante permette di installare altre antenne e di montare un filtro e un preamplificatore GPS
* Un buon isolamento dall'antenna a stilo in posizione centrale (>20 dB a bande radio-telefono) 

Brevetto USA 5.977.921

ANTENNE UNIPOLARI MULTIBANDA PER AM/FM E TELEFONO CELLULARE
* Il mercato richiede antenne più corte
* Lunghezza abituali: 0,4 - 0,7 m.

CONSIDERAZIONI SU AM 
* L'antenna a stilo è elettricamente corta (impedenza capacitiva; 4 - 10 pF) 

CONSIDERAZIONI SU FM
* L'antenna a stilo è più corta di una lunghezza di un quarto d'onda
* Sintonizzazione con induttanza alla base
* Cavi tra l'antenna e dispositivi radio spesso troppo lunghi (5 m.)
* Il preamplificatore AM/FM può essere realizzato all'interno della base dell'antenna o sistemato in un contenitore adiacente


CONSIDERAZIONI SUL TELEFONO CELLULARE
* GSM: 890 - 960 MHz (Europa)
* DCS: 1710 - 1880 MHz (Europa)
* L'antenna a stilo è elettricamente lunga
* Un'antenna unipolare più lunga di l/4 può dare un guadagno maggiore (ad es. unipolare 3l/4, unipolare con caricamento induttivo, sistema di antenne allineate)
* Il guadagno e il diagramma di radiazione possono essere messi in pericolo, se l'antenna viene inclinata
* Un'antenna unipolare lunga circa l/4 a GSM e lunga l/2 a DCS rappresenta una soluzione preferibile
* L'antenna a stilo AM/FM dovrebbe essere accorciata per le bande del telefono cellulare tramite una bobina ad alta impedenza (con autoantirisonanza 1 - 1,5 GHz) 

TIPICA ANTENNA A STILO 
SATFLEX®


ANTENNE MONTATE SUL VETRO
* Evitare di praticare fori nella carrozzeria metallica dell'automobile per installare una nuova antenna
* Le antenne vengono incollate al parabrezza (anteriore o posteriore), solitamente vicino alla parte superiore (per avere una copertura migliore)
* Due casi tipici:
* L'antenna è composta da una parte ed è posta all'interno dell'automobile
* L'antenna è composta da due parti: una posta all'interno e l'altra all'esterno dell'automobile. Le due parti sono accoppiate attraverso il vetro 

APPLICAZIONE TIPICA PER TELEFONO CELLULARE
* GSM: 890 - 960 MHz (Europa)
* DCS: 1710 - 1880 MHz (Europa)


POSIZIONE DELL'ANTENNA




* L'antenna dovrebbe essere montata nel punto più alto possibile per ridurre al minimo l'ombra provocata dalla carrozzeria dell'automobile 
* Le parti interne ed esterne sono accoppiate capacitivamente (condensatore piano formato da due elettrodi incollati al vetro)
* L'antenna a stilo esterna può essere inclinata

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO


* Antenna unipolare con contrappeso a coppa
* Il circuito di adattamento può essere sistemato nella coppa (senza figura)

DISPERSIONE LUNGO IL CAVO COASSIALE
* Diametro coppa 40 mm., altezza 15 mm.
* Diametro esterno cavo coassiale 3 mm.
* In realtà un conduttore spesso viene esteso in un conduttore sottile 
* Le correnti nel conduttore sottile sono di entità relativamente piccola
* Per le applicazione commerciali non è necessaria alcuna bobina di arresto speciale


ANTENNA UNIPOLARE
* Il diagramma di radiazione di un'antenna unipolare troppo lunga (superiore a circa 0,6 lunghezze d'onda) può avere nodi profondi (dovuti all'inclinazione o all'installazione accanto al bordo del piano di massa)
* Per facilitare l'adattamento, l'antenna unipolare dovrebbe essere vicina alla risonanza (quarto d'onda) in entrambe le bande (GSM/DCS)
* Il rapporto delle frequenze di risonanza richieste è di circa 2:1
* La lunghezza totale dell'antenna unipolare è di circa 80 mm.: lunghezza quarto d'onda a GSM (890-960 MHz)
* Per la banda DCS (1710 - 1880 MHz), l'antenna unipolare è interrotta da un circuito oscillante al centro
* Il circuito oscillante può essere formato da una bobina di conduttori (due spire) e un condensatore (formato da due lamine metalliche su un isolatore Mylar) in parallelo, tramite una bobina ad autoantirisonanza (lunghezza conduttore circa mezza lunghezza d'onda) o tramite una struttura coassiale realizzata all'interno dell'antenna unipolare 


CONDENSATORE ATTRAVERSO IL VETRO
* Gli elettrodi sono incollati al parabrezza
* L'elettrodo superiore porta l'antenna unipolare
* L'elettrodo inferiore porta la coppa, alla quale è fissato tramite un dielettrico anulare
* L'elettrodo inferiore è collegato alla linea di trasmissione coassiale attraverso componenti supplementari
* La capacità è di circa 5 pF (a seconda dello spessore e della permettività del parabrezza)


CHE COSA C'È NELLA COPPA?
* La parte più critica della progettazione dell'antenna per la banda DCS è il collegamento tra la linea di trasmissione e l'elettrodo inferiore del condensatore 
* La parte radiante dell'antenna dovrebbe essere posizionata nel punto più alto possibile per ridurre al minimo l'influenza della carrozzeria dell'automobile sul diagramma di radiazione
* La radiazione maggiore deve provenire dall'antenna a stilo (unipolare) e non dall'interno della coppa; 
* La coppa contiene la transizione dalla linea di trasmissione all'elettrodo inferiore e al circuito di adattamento 


TRANSIZIONE TRA LA LINEA DI TRASMISSIONE 
E LA PIASTRA DEL CONDENSATORE

* Utilizzare un conduttore tra la linea di trasmissione e la piastra del condensatore inferiore (figura a sinistra) crea una notevole riflessione nel punto di congiunzione tra conduttore e piastra. L'onda lanciata dalla linea di trasmissione non raggiunge l'antenna unipolare, quindi in pratica non irradia
* Ciò è simile alla riflessione che riduce la dispersione lungo la linea coassiale 
* Una transizione graduale (conica) rappresenta la soluzione (figura destra)
* Il cono è ottimizzato per impedenza di ingresso e radiazione 
* L'impedenza è tale da poter essere facilmente adattata ad una linea di trasmissione coassiale di 50 W nelle bande GSM e DCS


CIRCUITO DI ADATTAMENTO

* Posizionato sulla scheda di un circuito stampato (FR-4, spesso 20 mil), in fondo alla coppa
* Dal piedino (della connessione al cono) al collegamento del cavo coassiale, è presente una linea di trasmissione (microstriscia) (T)
* Nel collegamento del cavo coassiale viene connesso un circuito oscillante (L e C in parallelo, entrambi realizzati come brevi microstrisce) 

PROCEDURA DI PROGETTAZIONE
* Soprattutto per mezzo di simulazioni al computer
* Due metodi iterattivi sperimentali
* Programmi utilizzati:
* AWAS per Windows: Analisi di diffusori e antenne filari (Djordjevic, Bazdar, Sarkar, Harrington, Artech House, 1995)
* WIPL-D: Modelli elettromagnetici di strutture dielettriche e metalliche composte (Kolundzija, Ognjanovic, Sarkar, Artech House, 2000) 

MODELLO AWAS
* Approssimazione griglia di conduttori della coppa
* Griglia caricata capacitivamente per simulazione dei condensatori attraverso il vetro
* Circuito LC sull'antenna unipolare
* Circuito di adattamento all'interno della coppa

MODELLO AWAS E RISULTATI

* Struttura completa e dettaglio della coppa


* Magnitudine del coefficiente di riflessione


MODELLI WIPL


* Modello iniziale per la valutazione dell'influenza del tetto dell'automobile 



MODELLI WIPL

* Modello con collegamento a piedino alla piastra del condensatore inferiore 


* Modello con collegamento conico alla piastra del condensatore inferiore


RISULTATI WIPL

* Ammettenza di ingresso per il modello con cono (blu) e con piedino (giallo) 


* Magnitudine del coefficiente di riflessione per il modello con cono (blu) e con piedino (giallo)


RISULTATI SPERIMENTALI

* Magnitudine del coefficiente di riflessione

RISULTATI SPERIMENTALI


* Coefficiente di riflessione nella carta di Smith (griglia di ammettenza) 
 

Pubblicato
L.Niccolai, A. Djordjevic et al.
URSI 2000 Salt Lake City, Utah, 16-21 luglio 2000