Un antenna Ground Plane (GP) è di fatto un dipolo verticale di cui una metà virtuale, ottenuta specchiando con il piano di terra lo stilo a $\frac{\lambda }{4}$.

Il piano di terra è costituito da radiali, in genere almeno 4, lunghi circa $\frac{\lambda }{4}$. Aumentando il numero di radiali si ottiene un piano di terra meglio definito. L’impedenza caratteristica dell’antenna dipende molto dall’angolo che i radiali formano con il piano orizzontale (lo stilo è verticale). In genere si adotta un angolo di 45° per ottenere una impedenza, al punto di alimentazione, di circa 50 ohm.

Per questo lavoro, l’intento è di realizzare due antenne uguali per la frequenza di 868MHz che verranno usate in un prossimo progetto per il quale la stabilità geometrica e la riproducibilità è importante, per questo motivo si è preferito sostituire i radiali con un piano conico in lamiera di rame per evitare i problemi di radiali facilmente piegabili, anche accidentale, cambiando la geometria e l’impedenza dell’antenna.

Per capirne il comportamento la GP è stata simulata con Matlab. Matlab prevede una GP con radiali, non con un piano conduttore, per cui la simulazione è stata fatta con 32 radiali, il numero massimo consentito, per meglio approssimare la superfice conica. Le varie dimensioni sono modificabili a piacere, come pure la inclinazione dei radiali. La simulazione è stata usata, in modo particolare, per individuare l’angolo ottimale per i radiali: il risultato mostra un comportamento ottimo con un angolo a 36°, suggerisce un radiale di 81 mm e lo stilo di 79 mm. Con queste misure sono stati provati due differenti coni di 45 e 36°: l’angolo finale scelto è di 36°

La realizzazione pratica vede lo stilo realizzato rimuovendo il conduttore esterno e il dielettrico di un cavo coassiale semirigido. Lo stesso cavo è munito di connettore SMA ed usato come supporto dell’antenna. Il cono, in lamiera di rame di 3 decimi di mm, è direttamente saldato al conduttore esterno del cavo nel punto dove comincia lo stilo. Disegnato lo sviluppo del cono, direttamente sulla lamiera, basta tagliare il contorno con una comune forbice. In figura lo sviluppo del cono: il diametro esterno è 2*81= 162 mm, il diametro interno è uguale al diametro del cavo coassiale (4 mm) e l’angolo ${\alpha}$ è 254° per il cono a 45° e 290° per il cono a 36°. I due lembi sono stati ravvicinati e saldati a stagno per ottenere la superfice desiderata.

Saldato il cono al cavo coassiale, la taratura è stata effettuata misurando le caratteristiche della GP con il NanoVNA e lo stilo è stato accorciato per le migliori caratteristiche (lo stilo è inizialmente di 85mm). Nelle figure che seguono sono riportati i risultati sella simulazioni con Matlab.

Simulazioni:

Nelle figure, dall’alto al basso, da sinistra a destra: la rappresentazione della GP in Matlab (il colore indica l'intensità della corrente), l'andamento del parametro S11 (o il Return Loss a meno del segno), il diagramma di radiazione orizzontale, verticale e il diagramma di radiazione in 3D. Da notare che il diagramma di radiazione orizzontale, nella simulazione, è diverso dal caso reale. L’antenna ha una simmetria circolare e il diagramma atteso è un cerchio. Il problema deriva dallo stilo, che in Matlab è piatto di larghezza definita e spessore infinitesimale. La larghezza dello stilo è stata corretta per rapportarla al diametro dello stilo reale (raggi equivalente)[1], ma questo non risolvere il problema.

Di seguito si riportano diagrammi delle misure effettuate con NanoVNA, i grafici sono la media di 5 scansioni di frequenza da 750 a 900 MHz:

Queste misure si riferiscono all’antenna tarata aggiustando la lunghezza dello stilo che, rispetto alla simulazione è 2-3 mm più corto. In figura il marker verde è a 867,5 MHz.

Nella figura che segue si riporta il confronto fra la simulazione e l’antenna reale con lunghezza dello stilo di 79 mm come da simulazione.

La linea blu è il risultato della simulazione a 868 MHz, quella gialla è la misura. Il marker verde è a 845,5 MHz. Si può notare che l’antenna reale risuona circa 23 MHz più in basso.

L’antenna costruita è riportata nelle foto che seguono. Il NanoVNA, nelle foto, funge semplicemente da supporto (cliccare sulla foto per allargare).