Al Politecnico di Torino e il Trasmettitore dielettrico stampabile in 3D con larghezza di banda migliorata a onde millimetriche

Il prototipo dell’antenna per trasmettitori dielettrici stampati 3D offre caratteristiche avanzate di una nuova progettazione di cella unitaria

Un’antenna transmitarray (TA) è costituita da una fonte di alimentazione illuminante e da una superficie planare di trasmissione periodica, che trasforma un’onda in entrata in una desiderata in uscita. È un buon candidato per un’opzione di antenna a basso costo per l’utilizzo dei satelliti nelle bande X, Ku, K e Ka, in quanto può sfruttare i vantaggi degli array e degli obiettivi a fasi. Sebbene abbia una migliore tolleranza agli errori di superficie rispetto a un reflectarray, i due hanno una similarità: possono essere costituiti da più strati di elementi stampati di varie dimensioni, che aiuta a trasformare l’onda sferica incidente in uno planare.

Abbiamo visto diversi tipi diversi di antenne stampate in 3D nel corso degli ultimi anni , ma non questo tipo. Un gruppo di ricercatori con sede presso l’ Università Politecnica di Torino(Politecnico di Torino) ha pubblicato un articolo dal titolo ” Trasmettitore dielettrico stampabile in 3D con larghezza di banda migliorata a onde millimetriche “, sulla loro nuova configurazione perforata dielettrica TA.

Unità-cellula Transmitarray: (a) Vista dall’alto; (b) Vista laterale di uno dei due strati con foro piramidale troncato; (c) Vista 3D della cella simulata in CST MW Studio.
L’abstract dice: “In questo articolo, una struttura dielettrica a tre strati viene presentata come un innovativo elemento cellula-unità per antenne Transmitarray (TA) con larghezza di banda migliorata. È costituito da uno strato centrale, con un foro quadrato di dimensioni variabili, utilizzato per compensare la fase del campo incidente e situato tra altri due strati identici con fori quadrati rastremati linearmente, che fungono da circuiti di adattamento. L’efficacia di questa cella unitaria è dimostrata dal risultato numerico e sperimentale qui presentato. Come primo passo, tre diverse trasmettitori con dimensioni crescenti sono progettate e simulate: la loro larghezza di banda di guadagno di 1 dB, centrata a 30 GHz, varia dal 30,9% della configurazione più piccola, con dimensioni di 10λ0 × 10λ0, al 17,5% di il 20λ0 × 20λ0 TA. Viene quindi progettata una cella unitaria leggermente modificata, con l’obiettivo di realizzare un prototipo con una tecnica di produzione additiva (AM). Un trasmettitore dielettrico stampato in 3D con una dimensione di 15.6 × 15 × 15.6λ0 è stato fabbricato e caratterizzato sperimentalmente. Il prototipo misurato mostra prestazioni eccellenti, raggiungendo una larghezza di banda di guadagno di 1 dB del 21,5%: questi risultati dimostrano le caratteristiche avanzate della cella unitaria introdotta e dimostrano la fattibilità di TA con le tecniche AM. ”
La cella unitaria proposta dal team è costituita da un elemento dielettrico forato a triplo strato. Un buco quadrato, con una dimensione W variabile, nello strato centrale compensa la fase del campo incidente, e gli strati esterni, come hanno scritto i ricercatori, “presentano un foro piramidale troncato con la base più piccola avente dimensione W e simulando un circuito di adattamento rastremato. ”

“L’aggiunta di queste strutture rastremate consente di migliorare le prestazioni dell’AT per quanto riguarda la sua larghezza di banda”, ha spiegato il team.
Immagini del prototipo TA stampato in 3D.
I TA hanno una larghezza di banda limitata, a causa della “banda intrinseca stretta” dell’elemento radiante dell’antenna e della dipendenza dalla frequenza del ritardo di fase spaziale dei percorsi dall’alimentazione a ciascun elemento. Adottando strati dielettrici perforati, come ha fatto la squadra universitaria, è possibile controllare la fase del campo incidente modificando la dimensione dei fori.

“Dalla teoria della linea di trasmissione, è noto che la limitazione della larghezza di banda del trasformatore di impedenza può essere superata utilizzando una linea di trasmissione rastremata, cioè una linea di trasmissione la cui impedenza caratteristica varia continuamente secondo un profilo predefinito, nella maggior parte dei casi lineare o esponenziale. Questo concetto è applicato qui per progettare una cella di unità TA a tre strati “, hanno spiegato i ricercatori.
In parole povere, il team è stato in grado di migliorare la larghezza di banda dell’AT sfruttando questo concetto di abbinamento affusolato.

Sono stati progettati e analizzati numericamente tre TA di dimensioni diverse per testare quanto sia efficace la cellula unitaria proposta dal team. I ricercatori hanno anche utilizzato un Objet30commerciale di Stratasys per stampare in 3D un prototipo del loro transmitarray dielettrico in due parti, che hanno poi simulato con CST MW Studio e caratterizzato sperimentalmente.

“La soluzione più adatta per la fabbricazione di TA sembra essere l’uso di una tecnica di produzione additiva (AM), dal momento che l’uso di un dielettrico convenzionale, come quello considerato nelle configurazioni numericamente analizzate, richiederebbe di realizzare fori di dimensioni variabili e questo non è praticabile con approcci di lavorazione convenzionali, specialmente a onde millimetriche “, hanno scritto i ricercatori.
Configurazione della misurazione nella camera anecoica.
Tuttavia, il team ha dovuto modificare leggermente la cella unitaria a causa della risoluzione limitata dell’ugello della stampante 3D; inoltre, la dimensione minima dei fori originali doveva essere aumentata.

“Un prototipo di medie dimensioni che lavora su una banda centrata a 30 GHz è stato finalmente prodotto e caratterizzato sperimentalmente: i risultati ottenuti confermano le buone prestazioni della configurazione proposta, raggiungendo una larghezza di banda di 1 dB del 21,5% e un’efficienza di apertura del 38,6% “, Hanno concluso i ricercatori. “Le caratteristiche dell’antenna potrebbero essere ulteriormente migliorate quando il materiale dielettrico con un valore maggiore di? R sarà disponibile per stampanti ad alta risoluzione.”
Co-autori del lavoro sono Andrea Massaccesi, Paola Pirinoli, Valentina Bertana, Giorgio Scordo, Simone Luigi Marasso e Matteo Cocuzza  dell’IMEM-CNR e Gianluca Dassano.

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