DISEÑO DE UN ARREGLO FASORIAL DE ANTENAS DE PARCHE CON TÉCNICA DE REDUCCIÓN DE ESTRUCTURA DE MICROCINTA IMPERFECTA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

“

DISEÑO DE UN ARREGLO FASORIAL DE

ANTENAS DE PARCHE CON TÉCNICA DE

REDUCCIÓN DE ESTRUCTURA DE

MICROCINTA IMPERFECTA”

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

SIP

–

20130564

PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

ARANA ORTEGA EDSON KEVIN

PORTILLO GARCÍA ISAÍ AZGAD

ASESOR TÉCNICO:

DR. JOSÉ ALFREDO TIRADO MÉNDEZ

CO-ASESOR TÉCNICO:

DR. ROBERTO LINARES Y MIRANDA

ASESOR METODOLÓGICO:

ING. JULIO CÉSAR NIEVES GODÍNEZ

AGRADECIMIENTOS

Al CONACYT por su apoyo financiero para desarrollar prototipos de antenas a través del proyecto

127856.

Al Laboratorio de Radiocomunicaciones del CINVESTAV por las facilidades brindadas para el

desarrollo de antenas.

Al Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética de la ESIME-Zacatenco por las facilidades

brindadas para la realización de las mediciones de la antena.

El logro al que se ha llegado en todo este trayecto de aprendizaje es debido a la dedicación, al gusto, a

la paciencia y a la constancia, que a pesar de que hubo tropiezos nunca existió una razón para quedarse

atrás. Por ésta razón quisiera agradecerle a la persona que hasta el momento ha sido el motor de todo lo

que he logrado, por su apoyo, por su cariño, por su comprensión, esa persona que siempre me motivo

para hacer lo que más he querido, esa persona es mi madre, gracias por ser una mujer admirable, una

mujer que ha luchado por ella y por sus hijos, que nos ha enseñado a ser grandes personas, que nos ha

apoyado en cada momento, en victorias o derrotas. Por esto y muchas cosas más, muchas gracias

madre.

A mi familia, tíos, primos, abuelitos, que me apoyaron desde el inicio de ésta etapa para poder lograr

ésta meta, que nunca me dieron la espalda sino que me animaban para seguir adelante.

De igual manera quisiera agradecer a esa gran amigo que he tenido a lo largo de la vida, esa persona

con la que he compartido historias en todo este tiempo, que nunca me ha dejado solo en los momentos

más difíciles y que me ha apoyado en los momentos en que más lo necesito, a ti, hermano, muchas

gracias. A mi hermana, que aunque en ocasiones ha sido difícil la relación, hemos aprendido a convivir

como hermanos, a aprender el uno del otro, el mejorar día a día.

Al Dr. José Alfredo Tirado, asesor de este proyecto de investigación, por sus asesorías constantes que

nos sirvieron de mucha ayuda para poder avanzar día con día, por los conocimientos brindados, y más

especialmente por la confianza que nos tuvo para poder llevar a cabo éste trabajo.

A mi compañero de proyecto, porque sin él no habría podido llegar hasta donde estamos, porque más

que un compañero es un amigo, con el que pude compartir este momento tan importante para ambos,

con el que pasé presiones, diferencias, desvelos, tan sólo para llegar a la conclusión de este viaje.

A todos aquellos profesores y profesoras que me brindaron un poco de su conocimiento para poder

saber lo que ahora sé, que nunca se limitaron a enseñar, y en los que pude encontrar más que una

relación de profesor

–

alumno.

A todas aquellas personas que me dieron su amistad en todo este tiempo, gracias por sus consejos, por

sus regaños, por su tiempo que me brindaron, gracias por formar parte de esta etapa de mi vida en la

que espero que aún sigan. Gracias por compartir cada momento que pasamos.

A to

das éstas personas que han formado parte de mi vida y que formaron parte de esta etapa …

MUCHAS GRACIAS.

A mi madre, por ser el ejemplo de dedicación y constancia, por el amor incondicional, el apoyo

incomparable e ilimitado y por todas esas exhortaciones que con amor me diste en esta etapa de

formación profesional.

A mi padre, por fomentar en mí el anhelo de seguir buscando lo mejor de lo mejor y por todas aquellas

enseñanzas ejemplares.

Al Dr. José Alfredo Tirado Méndez, por la oportunidad que me dio de trabajar con usted en este

proyecto de titulación y la confianza que me ha brindado.

Página I

CONTENIDO

Objetivo General ... IV Objetivos Particulares ... IV Justificación ... V

Capítulo I Antenas De Parche ...1

1.1 Parámetros ...3

1.1.1 Patrón De Radiación ...4

1.1.1.1 Lóbulos De Patrones De Radiación ...5

1.1.1.2 Regiones De Campo ...6

1.1.2 Intensidad De Radiación ...8

1.1.3 Directividad ...8

1.1.4 Ganancia ... 10

1.1.5 Polarización ... 11

1.1.6 Impedancia ... 12

1.1.7 Ancho De Banda ... 12

1.1.8 Densidad De Potencia Radiada ... 12

1.1.9 Área Efectiva ... 14

1.1.10 Longitud Efectiva ... 14

1.1.11 Eficiencia ... 14

1.1.12 Ancho De Haz De Media Potencia ... 15

1.1.13 Eficiencia Del Haz ... 15

1.2 Geométrias Empleadas En Antenas De Parche ... 16

1.2.1 Geometría Rectangular ... 16

1.1.2 Geometría Circular ... 17

1.2.3 Geometría De Anillo ... 17

1.2.4 Geometría De Dipolos ... 18

1.2.5 Geometría Triangular ... 19

Página II

1.4 Arreglos De Antenas ... 23

1.4.1 Arreglos Lineales ... 25

1.4.2 Arreglo Plano ... 28

Conclusiones Del Capítulo I ... 29

Capítulo II Antenas De Parche Rectangular ... 30

2.1 Antena Parche Convencional A 2.4 GHz ... 31

2.1.1 Tipos De Alimentación ... 34

2.1.1.1 Alimentación Directa ... 34

2.1.1.1.1 Alimentación Por Microcinta ... 34

2.1.1.1.2 Alimentación Por Conector Coaxial ... 35

2.1.1.2 Alimentación Por Proximidad ... 36

2.1.1.3 Alimentación Por Apertura ... 37

2.1.2 Diseño De Una Antena Parche A 2.4 GHz ... 39

2.1.3 Simulaciones Y Resultados ... 49

2.2 Arreglos De Antenas Parche... 67

2.2.1 Diseño De Un Arreglo De Antenas De 1x2 ... 68

2.2.1.1 Simulaciones Y Resultados ... 71

2.2.2 Diseño De Un Arreglo De Antenas De 1x4 ... 73

2.2.2.1 Simulaciones Y Resultados ... 77

Conclusiones Del Capítulo II ... 80

Capítulo III Diseño Del Arreglo De Antenas Con DMS ... 82

3.1 Técnica De Reducción Por Medio De Estructura De Microcinta Imperfecta (DMS) ... 82

3.2 Antena De Parche Reducida Con Defecto De Microcinta (DMS) ... 87

3.3 Arreglos De Antenas De Parche Reducidas Por DMS ... 91

3.3.1 Arreglo De 1x2 ... 91

3.3.1.1 Simulaciones Y Resultados ... 91

3.3.2 Arreglo De 1x4 ... 94

3.3.2.1 Simulaciones Y Resultados ... 94

Conclusiones Del Capítulo III ... 97

Capítulo IV Construcción Y Caracterización Del Arreglo ... 98

Conclusiones Del Capítulo IV ... 114

Página III

Referencias ... 123

Lista De Figuras ... 125

Lista De Tablas ... 127

Página IV

OBJETIVO GENERAL

Diseñar, simular, construir, optimizar y caracterizar un arreglo de antenas de tamaño pequeño con

técnica DMS.

OBJETIVOS PARTICULARES



Diseño de antenas en paralelo.



Estudio y comprensión de estructuras imperfectas.



Aplicación de la técnica DMS en antenas parche.

Página V

JUSTIFICACIÓN

Las necesidades que la sociedad actualmente ha desarrollado por mantenerse comunicada y no sólo de

manera alámbrica, sino a través de dispositivos móviles, han hecho que se diseñen y desarrollen

sistemas con mayor independencia, de bajo costo y tamaños pequeños. De estos dispositivos, un

parámetro muy importante, para comunicaciones inalámbricas, es la antena.

Capítulo 1 Página 1

Capítulo I

Antenas de Parche

El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define a una antena como aquella parte de un sistema

transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas [1]. Las formas de

las antenas son muy variadas, pero todas tienen en común el ser una región de transición entre una zona donde

existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, a la que puede además asignar un

carácter direccional.

Las ondas que viajan en el espacio están caracterizadas por su frecuencia y su longitud de onda, estas

características están relacionadas con la velocidad de propagación del medio. El conjunto de todas las

frecuencias, también llamado espectro de frecuencias o espectro electromagnético, se divide por décadas en

distintas bandas. Existen distintas aplicaciones en las cuales las antenas deben estar configuradas para transmitir

o recibir ondas en bandas específicas de frecuencias. Existen organismos de normalización, que determinan

porciones de ese espectro. El espectro de frecuencias se muestra a continuación en la tabla 1.1, en donde se ve la

gama de las distintas frecuencias.

Capítulo 1 Página 2 Como se ha mencionado, dependiendo de la aplicación de la antena ésta tendrá diferentes parámetros. Esto nos

permite tener una diversidad de tipos de antenas.

Una antena resonante es una antena de onda estacionaria con una reactancia de entrada de valor cero cuando se

encuentra en resonancia, por lo que su impedancia de entrada será real. Las antenas resonantes funcionan bien en

una simple o en una selección estrecha de bandas de frecuencias. Estás antenas son muy populares cuando una

estructura simple con una buena impedancia de entrada sobre una banda estrecha de frecuencias es necesaria.

Tiene un lóbulo principal amplio y su ganancia es baja o moderada (unos pocos dB) [2].

Existen otro tipo de antenas conocidas como antenas impresas, las cuales son construidas usando técnicas de

fabricación de circuitos impresos, de tal manera que una porción de la capa de metal (metalización) es

responsable de la radiación. Las antenas de microcinta con elementos de parche, y arreglos de parche, son las

formas más comunes de antenas impresas y fueron ideadas en la década de 1950 y las investigaciones de las

antenas de parche (patch) iniciaron en la década de 1970, con lo cual dieron lugar al diseño de varias

configuraciones de antenas útiles.

Estas antenas son populares entre los ingenieros por su bajo perfil con el que cuentan, además por la facilidad de

configuración para geometrías especializadas, así como los bajos costos al producirlas en grandes cantidades.

A partir de este punto comenzaremos a hablar y a concentrarnos en la Antena de Parche, entonces, las antenas

tipo parche son también conocidas como antenas impresas (microstrip antennas), estas consisten en un parche

metálico dispuesto sobre un sustrato dieléctrico, colocado encima de un plano metálico, mostrada en la figura

1.1. El parche es habitualmente de forma rectangular o circular y de dimensiones del orden de media longitud de

onda (λ/2). Cuando se selecciona la forma de parche, estas antenas son muy versátiles respecto a la frecuencia de

resonancia, polarización, patrones de radiación e impedancia. Pero algunas de sus desventajas con las que cuenta

Capítulo 1 Página 3

(a) (b)

Figura 1.1 Ejemplo de Antena de Parche (a) Antena Microcinta, (b) Vista lateral de la antena

La antena de parche pertenece a la clase de las antenas resonantes y su comportamiento resonante es el

responsable del principal desafío en el diseño de la antena de microcinta, que es el lograr el ancho de banda

adecuado. El parche resuena en una de sus dimensiones que es el largo y radia en la otra dimensión que es el

ancho [3]. Los diseños convencionales de parches producen anchos de banda tan bajos, alrededor del 2%. La

naturaleza resonante de una antena de microcinta nos indica que por debajo de las frecuencias de la banda UHF

(0.3 _– 3 GHz) se vuelven excesivamente grandes. Estas antenas son usadas típicamente en frecuencias de 1 hasta

100 GHz.

En este tipo de estructuras existen modos de propagación que se llaman ondas superficiales los cuales viajan

dentro del sustrato y se dispersan en los bordes y discontinuidades de la superficie, tales como el truncamiento

del dieléctrico y el plano de tierra, degradando el patrón de la antena y las características de polarización.

1.1

PARÁMETROS

La mayor parte de las antenas son dispositivos recíprocos, ya que se comportan del mismo modo en transmisión

como en recepción. Las antenas son tratadas como trasmisor o como receptor según corresponda la situación en

Capítulo 1 Página 4 posteriormente radiar la densidad de potencia de la onda electromagnética. En el modo de recepción, las antenas

actúan recogiendo ondas electromagnéticas entrantes y las transforma en variaciones de voltajes, posteriormente

las direccionan a un punto de alimentación común donde una línea de transmisión es unida. En algunos casos, las

antenas enfocan las ondas de radio como los lentes enfocan las ondas ópticas [2]. Las antenas se caracterizan por

una serie de parámetros, y a partir de estos pueden ser clasificadas. Los principales parámetros que se usan en las

antenas se enuncian a continuación.

1.1.1

Patrón de Radiación

El patrón de radiación (o simplemente patrón) es quizá la característica más importante de las antenas; específica

las variaciones angulares de radiación en una distancia fija alrededor de una antena cuando ésta está

transmitiendo.

El patrón de radiación es una representación gráfica de las propiedades de radiación (campo lejano) de una

antena en función de las distintas direcciones del espacio, a una distancia fija [2]. Vemos que los campos de

radiación de una antena en transmisión varían de manera inversa con respecto a la distancia (1/r), donde r es la

distancia desde la antena al punto de análisis o de medición. Con la antena situada en el origen y manteniendo la

distancia de manera constante, se expresará el campo eléctrico en función de las variables angulares (θ, ϕ), donde

estas variables representan el campo eléctrico en coordenadas esféricas (r, θ, ϕ), como se muestra en la figura

Capítulo 1 Página 5 Figura 1.2Sistema de coordenadas esféricas.

La radiación es cuantificada sólo por el valor de la densidad de potencia S en una distancia r de la antena.

Cuando recibe, la antena responde a una entrante de una dirección dada conforme al valor del patrón en esa

dirección. Las antenas pueden tener el patrón de radiación: isotrópico, direccional y omnidireccional [4]; cada

uno de estos parámetros los podemos describir como:

 Isotrópico: este patrón es el ideal y físicamente no realizable, se define como una antena sin

perdidas, teniendo la misma radiación en todas las direcciones. Con frecuencia es utilizada como

referencia para expresar las propiedades directivas de las antenas.

 Direccional: es aquella antena que tiene la propiedad de radiar o recibir ondas electromagnéticas

con mayor eficiencia en algunas direcciones que en otras.

 Omnidireccional: es el patrón que esencialmente tiene un comportamiento no direccional en un

plano dado.

1.1.1.1

Lóbulos de patrones de radiación

Un lóbulo de radiación es una porción del patrón de radiación, limitado por las regiones donde la intensidad de

radiación es relativamente baja. Los lóbulos de radiación cuentan con una clasificación, la cual se hace

Capítulo 1 Página 6 principal, lóbulo menor, lóbulo lateral y lóbulo trasero o posterior [4]. Las características de cada lóbulo se

mencionan enseguida:

 El lóbulo mayor o también conocido como haz principal, se define como el lóbulo de radiación

que contiene la dirección máxima de radiación. En algunas antenas, como las antenas de haz

dividido, pueden tener más de un lóbulo mayor.

 Un lóbulo menor es cualquier lóbulo a excepto del lóbulo mayor.

 El lóbulo lateral es un lóbulo de radiación que usualmente se encuentra adyacente al lóbulo

principal.

 Un lóbulo trasero es un lóbulo de radiación cuyo eje hace un ángulo de aproximadamente 180°

con respecto al haz de la antena. Este lóbulo ocupa la dirección opuesta al lóbulo principal.

En la figura 1.3 podemos observar ciertos patrones de radiación de diferentes tipos de antenas y ver sus

variaciones de los lóbulos de acuerdo a ciertas características de cada una de ellas.

1.1.1.2

Regiones de campo

El espacio que rodea a una antena es dividido usualmente en tres regiones: región reactiva, región radiada

(Fresnel) y la región de campo lejano (Fraunhofer). [4]

La región reactiva, es una porción del campo cercano que rodea inmediatamente a la antena en donde el campo

reactivo predomina. Este campo se delimita comúnmente por la siguiente distancia r.



62

.

0

D

r



(1.1)

Donde:

Capítulo 1 Página 7 λ, es la Longitud de Onda.

La región de radiación o región de Fresnel es la región que se encuentra entre la región reactiva y la región de

campo lejano, donde los campos de radiación predominan y la distribución del campo angular es dependiente de

la distancia de la antena. Si la antena tiene una magnitud máxima, la cual es muy chica comparada a la longitud

de onda, este campo no existirá. El límite interno de este campo está dado por la ecuación anterior y su límite

externo está dado por la siguiente distancia r:



2

2

D

r



(1. 2)

La región de campo lejano, conocida como región de Fraunhofer, es la región del campo de una antena donde la

distribución del campo angular es totalmente independiente de la distancia de la antena. En esta región, los

componentes del campo son esencialmente transversales y la distribución angular es independiente de la

distancia radial donde se realizan las mediciones.

El límite interno está dado por la ecuación anterior y el límite externo se da por el infinito.

Capítulo 1 Página 8

1.1.2 Intensidad de Radiación

La intensidad de radiación en una dirección dada se define como la potencia de radiación de una antena por

unidad del ángulo sólido [4]. Este es un parámetro de un campo lejano. Se obtiene con una simple multiplicación

de la densidad de radiación por el cuadrado de la distancia.

rad

W r

U 2

Donde:

U, es la Intensidad de radiación. [W/unidad del ángulo]

Wrad, es la Densidad de radiación.

r, es la Distancia.

1.1.3 Directividad

La directividad D de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una

dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia promedio que radiaría a esa misma distancia una

antena isotrópica que radiase la misma potencia que la antena [4].

El promedio de la intensidad de radiación es igual al total de energía radiada de la antena dividido entre 4π. Si la

dirección no llega a estar especificada, se tomará que la máxima intensidad de radiación está implícita.

En otras palabras, la directividad de una fuente no isotrópica es igual al radio de la intensidad de radiación en

una dirección dada sobre una fuente isotrópica.

rad

P U U

U

D 4



0





Donde:

Capítulo 1 Página 9 U0, es la Intensidad de radiación de una fuente isotrópica.

Prad, es la Potencia total radiada. [W]

Pero si la dirección no está especificada, implicará que la dirección máxima de la intensidad de radiación se

llegue a expresar de la siguiente manera:

rad máx máx máx máx

P

U

U

U

U

U

D

D

4



0 0

0









Donde:

Umáx, es la Máxima intensidad de radiación.

D0, es la Directividad Máxima.

En el caso de las antenas con componentes de polarización ortogonal, definimos la directividad parcial de una

antena, para una polarización dada en una dirección, como la parte de la intensidad de radiación correspondiente

a una polarización dada dividida por el total de la intensidad de radiación promedio sobre todas las direcciones.

Teniendo esta definición para una directividad parcial, tenemos ahora en una dirección dada a la directividad

total como la suma de las directividades parciales para cualquier de las dos polarizaciones ortogonales. De esta

manera D0 se vería modificada para las componentes ortogonales θ y φ, quedando expresada de la siguiente

Capítulo 1 Página 10

D



D



D

   



P

P

U

D





4

(1.7)

_{   }





P

P

U

D





4

1.1.4 Ganancia

La ganancia se define como la relación de la intensidad, en una dirección dada, a la intensidad de radiación que

sería obtenida si la potencia aceptada de la antena fuera radiada isotrópicamente. La intensidad de radiación

correspondiente a la potencia radiada isotrópicamente es igual a la potencia aceptada por la antena dividida por 4π. entrada totalde Potencia radiación de Intensidad

G4



 

in

P U

G4







(1.9)

Como es de notarse, la directividad es únicamente determinada por el patrón de radiación de una antena. Cuando

una antena es usada en un sistema (como una antena transmisora), estamos en realidad interesados en como la

antena transforma la potencia disponible en sus terminales de entrada para la potencia radiada, junto con sus

propiedades directivas.

En muchos casos también se trata con la ganancia relativa, la cual se define como la relación de ganancia de

potencia en una dirección dada con respecto a la ganancia de potencia de una antena de referencia en su

Capítulo 1 Página 11 antenas. Usualmente se usa como antena de referencia a un dipolo, antena de bocina o cualquier otra antena que

su ganancia pueda ser calcula o conocida, en muchos casos se hace la antena de referencia es una fuente sin

perdidas isotrópica. Cuando la dirección no establecida, la ganancia de potencia es comúnmente tomada en la

dirección de la máxima radiación.

1.1.5 Polarización

La polarización de una antena es la polarización de la onda radiada en una dirección dada por la antena cuando

transmite. También se puede comprender como una indicación o figura geométrica de la orientación del vector

del campo eléctrico en un punto fijo del espacio al transcurrir el tiempo [5]. La polarización de una antena en

una dirección es la de la onda radiada por ella en esa dirección. Para ondas con variación temporal sinusoidal esa

figura es en general una elipse, pero hay dos casos particulares que son: si la figura trazada es un segmento, la

onda se denomina linealmente polarizada y si es un círculo, circularmente polarizada, como se muestra en la

figura 1.4.

Capítulo 1 Página 12

1.1.6 Impedancia

La impedancia de entrada de una antena es la razón del voltaje a corriente en las terminales de la antena [4]. El

objetivo usual es igualar la impedancia de entrada de la antena a las características de impedancia de la línea de

transmisión a la que está conectada.

1.1.7 Ancho de Banda

El ancho de banda, es el rango de frecuencias con funcionamiento aceptable de la antena como medida por uno o

más de los parámetros de funcionamiento [2]. El ancho de banda es calculado de dos caminos. Primero es

asignar

f

f

satisfactorio. La frecuencia central es denotada como

f

porcentaje de la frecuencia central o también definida como la razón entre la frecuencia superior y la frecuencia

inferior.

1.1.8 Densidad de Potencia Radiada

Es natural asumir que la energía y la potencia están asociadas con los campos electromagnéticos. El valor usado

para describir la unión de la potencia con una onda electromagnética es el vector de Poynting instantáneo

definido como:

W





E



x

H



Donde:

W



E



Capítulo 1 Página 13 Ya que el vector de Poynting es una densidad de potencia, la potencia total que cruza una superficie cerrada se

puede obtener mediante la integración de la componente normal del vector de Poynting dentro de toda la

superficie.







W

n

da

P



ˆ

Donde:

P, es la Potencia Total Instantánea.

n

ˆ

da, es el Área Cerrada de la Superficie.

A partir de esto surge la necesidad de calcular el promedio de la densidad de potencia debido a la utilización de

campos variantes en el tiempo. Para satisfacer esto, se necesita integrar el vector de Poynting instantáneo. Si

tenemos los campos instantáneos

E



H



obteniendo lo siguiente:

e z y x

E( , , )

e

z

y

x

H

(

,

,

)

Siendo:

a z t e E t z

E( , ) ₀   cos(





Y:

a

z

t

e

E

t

z

H

(

,

)

cos(







)









Capítulo 1 Página 14

1.1.9 Área Efectiva

La antena extrae potencia del frente de onda incidente, por lo que presenta una cierta área de captación o área

efectiva

A

potencia de la onda incidente que representa físicamente la porción del frente de onda que la antena ha de

interceptar y drenar de él toda la potencia contenida hacia la carga.

1.1.10 Longitud Efectiva

La longitud efectiva de una antena está definida mediante la relación entre la tensión inducida en circuito abierto

en bornes de la antena y la intensidad del campo incidente en la onda; es un parámetro propio de una antena

lineal delgada actuando como receptora, y que indica su capacidad de absorber energía electromagnética.

1.1.11 Eficiencia

La eficiencia total de una antena se expresa por eo, es usada para tomar en cuenta las pérdidas en las terminales

de entrada y dentro de la estructura de la antena [4]. Muchas de las perdidas suelen ser debido a la reflexión del

material, la conducción y las pérdidas del dieléctrico. El total de la eficiencia se puede expresar de la siguiente

manera.

Donde:

eO , es la Eficiencia Total.

er, es la Eficiencia de Reflexión.

ec , es la Eficiencia de Conducción.

Capítulo 1 Página 15 Usualmente ec y ed son muy difíciles de capturar, pero pueden ser determinados experimentalmente. Incluso por

mediciones, estos no pueden separase, entonces por conveniencia podemos escribir la expresión como:

)

1

(

0



e

e



e





e

directividad y Γ es el coeficiente de reflexión en el puerto de entrada.

1.1.12 Ancho de Haz de Media Potencia

El término de ancho de haz por sí mismo usualmente está reservado para describir el ancho de haz a -3dB [4]. El

ancho de haz de la antena es un factor de calidad muy importante, y en algunas ocasiones es usado como un

equilibrio entre el ancho de haz y el nivel del lóbulo lateral, es decir, así como el ancho de haz decrezca el lóbulo

lateral se incrementa y viceversa. Así también, el ancho de haz de la antena se usa para describir la capacidad de

resolución de la antena a distinguir entre dos fuentes radiantes adyacentes u objetivos de radar.

1.1.13 Eficiencia del Haz

Otro parámetro que es usado frecuentemente para juzgar la calidad de transmisión o recepción de las antenas es

la eficiencia de haz. Para una antena con su lóbulo mayor dirigido a lo largo del eje z, la eficiencia del haz se

define por:

Capítulo 1 Página 16

1.2 GEOMETRÍAS EMPLEADAS EN ANTENAS DE

PARCHE

Las antenas de parche tienen diferentes geometrías, entre las cuales, podemos encontrar las siguientes formas:

cuadrado, rectangular, línea delgada (dipolo), circular, elíptica, triangular y otras tantas formas posibles. Las

formas de parche pueden ser utilizadas para obtener efectos especiales, como polarización circular [6]. En este

punto se tratarán algunas de las formas, así como las facilidades que cada forma nos puede dar para su

desarrollo.

Figura 1.5 Tipos de geometrías empleadas en las antenas parche

1.2.1 Geometría Rectangular

La antena de parche de forma rectangular, como se muestra en la figura 1.5 (b), es por mucho la configuración

extensamente usada, es el tipo de antena que cuenta con un bajo perfil, el cual ayuda a que pueda ser montado

sobre superficies planas. Esta forma consiste de una hoja plana rectangular o en forma de parche de metal

montada sobre una larga hoja de metal a la que le nombramos plano de tierra. Este tipo de antenas son fáciles de

fabricar y así mismo de modificar y caracterizar.

La radiación en los bordes provoca que la antena se comporte eléctricamente más grande que lo estipulado por

Capítulo 1 Página 17 operación, ancho de banda angosto, flexibilidad de la línea de alimentación, escaneo por luz, patrón directivo y

la facilidad de obtener esta forma de parches.

1.1.2 Geometría Circular

Esta forma en que se puede poner el parche es la forma más popular dentro de las antenas de parche. Esta

geometría se muestra en la figura 1.5 (d) y cuenta con las mismas características que la forma rectangular. No

solo llama la atención hablando de un solo elemento, sino también cuando se trata de arreglos de antenas. Este

tipo de forma de la antena de parche tiende a ser ligeramente más pequeña que la rectangular. En algunas

aplicaciones, como los arreglos de antenas, las geometrías circulares ofrecen ciertas ventajas sobre las otras

geometrías. [7]

El modo de transmisión soportado por la antena parche circular se puede encontrar mediante el tratamiento del

parche, plano de tierra y el material entre los dos como una cavidad circular. En las antenas de parche de forma

circular, el radio del parche es el único grado de libertad para controlar los modos de la antena.

1.2.3 Geometría de Anillo

Esta forma de antenas es geométricamente y eléctricamente una configuración intermedia entre un circuito

impreso y un parche [6]. Existen peculiares propiedades asociadas con las antenas de anillo. El tamaño de estas

antenas es substancialmente menor a las formas de los parches anteriormente mencionados y depende de la

anchura de la microcinta que se esté utilizando. En general la circunferencia principal del anillo equivale a la

longitud de onda de la guía de microcinta utilizada. Su geometría es mostrada en la figura 1.5 (h).

La separación de los modos resonantes pueden ser controlados por los radios externo e interno del anillo. El

ancho de banda de impedancia de esta antena se encuentra que es varias veces más grande que el que se puede

Capítulo 1 Página 18 La microcinta de estructura de anillo ha sido usada para medir la constante dieléctrica del sustrato y propuesta

como un radiador para aplicaciones médicas. [6]

1.2.4 Geometría de Dipolos

Las antenas de dipolo se pueden considerar como el tipo más viejo de antenas, pero por otro lado los dipolos

impresos vienen llegando después de una demostración exitosa de la operación de la antena de parche en forma

rectangular [6]. Los dipolos impresos han encontrado un uso generalizado en los arreglos de antenas debido a

que el área que ocupan es menor comparada con las otras antenas de microcinta. El dipolo impreso es tratado

como un parche rectangular para llegar a los diseños principales, se muestra en la figura 1.5 (c).

Una antena con una tira rectangular estrecha se le llama dipolo de microcinta mientras que a una antena

rectangular amplia se le conoce como antena de parche. Las geometrías básicas se muestran en la figura 1.6,

donde se compone de tres formas, en la primera se muestra la forma típica de un dipolo impreso con

alimentación al centro con línea, la siguiente es una configuración de moño, enseguida esta la cinta de

conductores coplanares y por último dipolos de geometría de moño.

Figura 1.6 Dipolos impresos básicos y geometrías de microcinta. (a) Dipolo de cintas coplanares de alimentación central. (b) Geometría del dipolo tipo moño con tiras rectangulares,

Capítulo 1 Página 19 Las geometrías de las antenas de dipolo y rectangulares son muy similares, por lo que se esperaría que las

características de radiación fueran similares excepto por esas características que dependen de la proporción del

ancho y longitud. El ancho de la brecha que existe entre los dipolos no afecta las características así como la

longitud del dipolo si es más chica que la longitud de onda. La distribución de la corriente longitudinal para los

modos fundamentales es similar, tanto para los dipolos como para la geometría rectangular. Así mismo los

parámetros de radiación y ganancia son similares. Las longitudes resonantes son ligeramente diferentes debido a

la dependencia de la efectividad de la constante dieléctrica en el ancho de la cinta. Otro punto importante es que

la impedancia de entrada, el ancho de banda y la radicación de cruce polar pueden diferir por mucho.

Las ventajas del dipolo, como ya se mencionó, son: el área que se utiliza comparada con la forma rectangular es

menor y la componente de cruce polar es también menor debido a que la componente transversal de la corriente

en la cinta decrece directamente conforme a la relación del ancho y largo de la cinta. Los dipolos son más

adecuados para ondas milimétricas de las frecuencias en particular donde el sustrato puede ser eléctricamente

grueso y por lo tanto el ancho de banda de los dipolos puede ser significativo.

1.2.5 Geometría triangular

En la forma triangular se ha encontrado que proporciona características de radiación similares a la de los parches

rectangulares pero con un tamaño mejor, en la figura 1.5 (f) se muestra la geometría típica de este tipo de antena

de microcinta. El tamaño de estas antenas puede ser además reducido. En la siguiente figura (1.7) se muestra una

Capítulo 1 Página 20 Figura 1.7 Configuraciónde una antena de microcinta de un triángulo equilátero

La más simple de las formas triangulares que comprende un conductor de triángulo equilátero sobre una base de

sustrato dieléctrico. La forma de triángulo equilátero puede ser cargada con una hendidura o ranura para producir

una antena compacta polarizada circularmente.

Por último las geometrías de cuadrado; la cual es una derivación de la forma de parche simplemente que

modificando las longitudes del parche de tal manera que todos sus lados sean iguales, la forma rectangular y

dipolo son las más comunes, debido a su fácil análisis y fabricación. También cuentan con características

atractivas de radiación. Los dipolos de microcinta son atractivos debido a que inherentemente poseen un amplio

ancho de banda y ocupan un menor espacio, lo que lo hace muy conveniente para arreglos de antenas.

1.3 CARACTERÍSTICAS DEL SUSTRATO

El sustrato de la antena parche es una lámina que sustenta el parche con un espesor de aproximadamente 0.005λ

hasta 0.2λ, como es mostrada en la expresión 1.19.





El valor de las contantes dieléctricas (permitividades) de estos sustratos se encuentran generalmente en el

Capítulo 1 Página 21



El intervalo de la constante dieléctrica mostrado anteriormente es el típico, aunque se llegan a utilizar poco los

valores de_r 5[8]. Para poder tener una muy buena elección del sustrato se deben tomar en cuenta varios

aspectos como son: el ancho de banda, la frecuencia de resonancia y la longitud del parche. Para poder precisar

un sustrato de calidad tenemos que tomar en cuenta que la tangente de pérdidas debe de ser:

Otros aspectos a tomar en cuenta es que:

Si el espesor del sustrato disminuye:

 Ancho de Banda disminuye.

 Frecuencia de Resonancia aumenta.

 Longitud Resonante del Parche disminuye.

Para aumentar el ancho de banda debemos:

 Aumentar el grosor del sustrato.

 Aumentar la longitud resonante del parche.

 Disminuir la frecuencia de resonancia.

 Se tendrán dimensiones pequeñas del plano de tierra.

Los materiales de sustrato que mejor se adaptan al diseño de una antena de parche son los que tienen una

constante dieléctrica 5_r, como por ejemplo el aire que tiene una constante dieléctrica igual a uno. Algunas

ventajas que se obtienen en el diseño de las antenas al tener un sustrato de alta calidad son:

 Mejores valores en la eficiencia de radiación.

Capítulo 1 Página 22

 Menores Pérdidas.

Para obtener ciertas ventajas tenemos que considerar en un juego el tamaño del sustrato y el valor de la

permitividad relativa, esto se muestra en los siguientes puntos. Si se quiere:

 Disminuir la radiación de las líneas, el espesor del sustrato debe de ser pequeño y εr alta.

 Pequeñas dimensiones de antenas, el espesor del sustrato debe de ser pequeño y εr alta.

 Bajas perdidas (por onda de superficie), el espesor del sustrato debe de ser pequeño y εr bajo.

 Aumentar el ancho de banda., el espesor del sustrato debe de ser grande y εr bajo.

 Mayor eficiencia de radiación, el espesor del sustrato debe de ser grande y εr bajo.

 Menor sensibilidad frente a tolerancias, el espesor del sustrato debe de ser grande y εr bajo.

Algunos materiales que se llegan a utilizar dentro de los sustratos son los siguientes materiales, los cuales se

muestran en la tabla, donde se indican las permitividades relativas (εr) y la pérdidas que suelen tener [8].

Tabla 1.2 Valores de las contantes dieléctricas y las pérdidas correspondientes en diversos tipos de sustratos

Sustrato

Constate Dieléctrica:

εr

Pérdidas:

ta δ

Epoxy fiberglass FR-4 4.4 0.01

Rohacell Foam 1.07 0.001

Honeycomb 1.02 < 0.0001

Taconic 2.33 0.0009

Kapton 3.5 0.002

CuClad 2.17 0.0009

RT Duroid 5880 (teflon +glass fiber) 2.2 0.0009

RT Douroid 6010 (PTFE (teflon) ceramic) 10.5 0.002

GaAs 13 0.0006

Capítulo 1 Página 23

1.4 ARREGLOS DE ANTENAS

Varias antenas pueden ser organizadas en espacio e interconexión para producir un patrón de radiación

direccional. Tal configuración de antenas es conocida como arreglos de antenas o simplemente un arreglo. La

introducción del diseño y construcción de estos arreglos de antenas surgió en los años 1920 con el uso de los

sistemas de radio de onda corta ya que se deseaba un patrón de radiación más directivo para las

radiocomunicaciones. Durante la 2ª Guerra Mundial, los arreglos de antenas de microondas fueron muy

utilizados en los sistemas de radar, pero hoy en día esos arreglos que trabajan en frecuencias de microondas y

cercanas a ellas son muy utilizadas en los sistemas de comunicaciones satelitales [4].

En estos arreglos, varias antenas pequeñas que forman el arreglo son utilizadas para poder obtener el mismo

nivel de rendimiento que resulta de una sola antena sencilla de tamaño más grande, así los problemas mecánicos

que se pueden presentar en una antena sencilla grande son intercambiados con los problemas de alimentación del

gran número de antenas del arreglo, pero con los avances en las tecnologías de estado sólido está alimentación es

de mejor y mayor calidad y además los costos de producción son más bajos. Los arreglos de antenas son los

únicos que tienen la capacidad del barrido del lóbulo principal, esto es que al cambiar la fase de las corrientes

que salen de cada uno de los elementos (antenas) del arreglo principal, el patrón de radiación puede ser

escaneado a través del espacio. Por esta razón son llamados de igual manera como “arreglos de fase” y tienen un

gran número de aplicaciones, particularmente en radares.

Los arreglos pueden ser encontrados en muchas configuraciones geométricas; la configuración más elemental es

la del “arreglo lineal”, en el cual los centros de los elementos del arreglo se encuentran a lo largo de una línea

recta y estos pueden, o no, estar igualmente espaciados. Sin embargo, si los centros de los elementos del arreglos

se encuentran localizados en un plano (sobre del plano), son conocidos como arreglos planares o arreglos planos.

Algunos ejemplos de los arreglos planos son los “arreglos circulares o rectangulares”; en los cuales si los centros

Capítulo 1 Página 24 Entonces, el patrón de radiación de un arreglo es determinado por varios aspectos como son: el número de

elementos que formen parte del arreglo, así como sus orientaciones, sus posiciones en el espacio y la amplitud y

la fase de la corriente de alimentación en cada uno de ellos [2]. Con estos parámetros y tratando a cada elemento

del arreglo como una fuente puntual isotrópica, nosotros podremos obtener el patrón de radiación del arreglo que es llamado “el factor de arreglo” que de manera adelantada se puede decir que es el principio de multiplicar el

patrón de radiación de elementos sencillos por el número de elementos que conformen al arreglo.

En muchas aplicaciones, es necesario diseñar antenas con características muy directivas, es decir, con ganancias

muy altas para satisfacer las demandas de la comunicación de larga distancia. Esto solo se puede lograr mediante

el incremento del tamaño eléctrico de la antena.

Una forma de lograr este incremento es ampliando las dimensiones de los elementos, a menudo permiten tener

mayores características directivas. Otra manera es formar un montaje de elementos de radiación en una

configuración eléctrica y geométrica. Esta nueva antena será formada por múltiples elementos, y a esto se

refiere como un arreglo. En la mayoría de los casos los elementos de un arreglo son idénticos, esto no es

necesario pero es con frecuencia conveniente, simple y muy práctico [4]. Según la IEEE, un arreglo de antenas

se compone de un número de elementos idénticos que en general son radiantes, los cuales están dispuestos,

orientados y excitados para obtener un patrón de radiación prescrito [9].

Cabe destacar que el campo total del campo del arreglo es determinado por el vector de adición de los campos

radiados para los elementos individuales. Esto asume que la corriente en cada elemento es la misma tal como la

de un elemento aislado. Generalmente este no es el caso y depende de la separación de los elementos. Si lo que

se desea es proporcionar parámetros muy directivos, es necesario que los campos de los elementos del arreglo

tengan interferencia constructiva en las direcciones deseadas, e interferencia destructiva en el espacio restante.

Un factor más que se debe contemplar en un arreglo de antenas es el factor de arreglo el cual es, en general, una

Capítulo 1 Página 25 espaciamientos. Si los elementos del arreglo son idénticos en amplitudes, fases y espaciamientos, el factor de

arreglo será de forma simple.

Se tiene que considerar un patrón de multiplicación siempre y cuando se trate de arreglos de elementos idénticos,

este patrón trata del producto del campo lejano de un simple elemento, en un punto de referencia seleccionado

(usualmente el origen) y el factor del arreglo a estudiar. Se tiene que recalcar que este factor de multiplicación es

sólo válido para arreglos con cualquier número de elementos idénticos, en los cuales no es necesario que tengan

magnitudes, fases y separaciones idénticas entre ellos.

Existe una inmensa gama de arreglos de antenas utilizadas para aplicaciones personales, comerciales y militares,

las cuales utilizan diferentes elementos incluyendo dipolos, bucles, aperturas, microcintas, reflectores y muchas

más. Dentro de esta gama de arreglos existe un arreglo simple y es de los más prácticos ya que se constituye por

colocar los elementos a lo largo de una línea. Pero también existen arreglos los cuales se explicaran enseguida.

1.4.1 Arreglos Lineales

Según la IEEE un arreglo lineal es aquel en el cual los puntos correspondientes de los elementos de radiación se

encuentran a lo largo de una línea recta [10]. Este es el arreglo más utilizado, debido a su forma sencilla. Este

tipo de arreglo nos permite tener dos características diferentes, que dependiendo de la aplicación que se desee

utilizar podremos elegir la que mejor convenga. Las características con las que cuenta son: tener un arreglo con

amplitud y espaciamientos uniformes como se muestra en la figura 1.8:

Capítulo 1 Página 26 En esta característica del arreglo lineal se tiene que todos los elementos tienen amplitudes idénticas pero cada

elemento sucesivo tiene una fase progresiva que conduce una corriente de excitación relativa a la anterior. Con

esto podemos decir que un arreglo en donde todos sus elementos son de magnitud idéntica y cada uno cuenta con

una fase progresiva se le conoce como un arreglo uniforme.

Los puntos importantes en esta característica es que el factor de arreglo puede ser obtenido mediante la

consideración de que los elementos del arreglo son fuentes puntuales [11]. Si el elemento actual no es una fuente

isotrópica, el campo total puede ser formado mediante la multiplicación del factor de arreglo de una fuente

isotrópica por el campo de un simple elemento. Esto es el patrón de multiplicación y se aplica sólo para arreglos

de elementos idénticos.

Nos encontraremos con dos formas de poder tener un máximo de radiación, por medio de “Broadside” el cual

permiten tener la máxima radiación direccionada en el eje normal del arreglo o por medio de “End-Fire”, que es

tener la máxima radiación a lo largo del eje del arreglo.

En muchas aplicaciones es deseable tener la máxima radiación de un arreglo, así que para tener este máximo en

el Broadside al eje del arreglo mostrado en la figura 1.9 es necesario tener la misma fase de excitación, aunque la

separación entre los elementos puede ser de cualquier valor. Pero para asegurarnos de que no hay un máximo

principal en otras direcciones la separación entre los elementos no debe de ser igual a los múltiplos de la

Capítulo 1 Página 27 Figura 1.9 Patró de Radia ió Broadside, θ=90°

Puede llegar a ser necesario que se radie hacia una sola dirección, en esta situación utilizamos la radiación de

End-Fire, mostrado en la figura 1.10. La condición para que exista esta radiación es que la separación de los

elementos debe de ser de λ/2.

Figura 1.10 Patrón de Radiación End-Fire, θ=0°

En este arreglo también nos permite tener otro tipo de máxima radiación la cual ahora la conoceremos como

arreglo de fase, en donde suponemos que la máxima radiación del arreglo será requerida en una orientación a un

Capítulo 1 Página 28 que mediante el control de la fase progresiva entre los elementos, la máxima radiación puede ser enfocada en

cualquier dirección de un arreglo.

Ahora bien si lo que se necesita es un arreglo lineal que sea directivo,éste se tendrá por medio de un arreglo

Broadside, y se necesitara tener un separación pequeña entre elementos, esta separación es mucho menor a la

longitud de onda.

También se podrá obtener mediante el arreglo End-Fire en donde se necesitará tener, al igual que el anterior, una

pequeña separación entre elementos, mucho menor a la longitud de onda.

La diferencia entre un Broadside y un End-Fire es que el Broadside nos dará la máxima radiación en un ángulo θ=90° y un End-Fire a un ángulo de θ=0°.

1.4.2 Arreglo Plano

Según la IEEE este tipo de arreglo es en el cual los puntos correspondientes de los elementos de radiación se

encuentran en un plano [12]. En este tipo de arreglos se pueden posicionar los elementos individuales a lo largo

de un campo de forma de rectángulo. Este tipo de arreglos son más versátiles y pueden ser utilizados para

proporcionar los parámetros más simétricos con lóbulos laterales inferiores [11].

Cuando el espaciamiento entre los elementos es igual o mayor a la longitud de onda, se forma la máxima

Capítulo 1 Página 29 Figura 1.11 Arreglo Plano

CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO I

Las antenas son aquellas partes de un sistema que son las responsables de transformar voltajes en las ondas

electromagnéticas para poder radiarlas posteriormente, así como también son capaces recibir ondas

electromagnéticas; estas son caracterizadas y definidas por una serie de parámetros que nos dicen su

funcionamiento y clasificación.

Dentro de estas clasificaciones que se obtienen se encuentran las antenas tipo parche que no son más que una

placa metálica sobre un material dieléctrico llamado sustrato que cuenta con cierta característica de

permeabilidad eléctrica y un plano de tierra. Las antenas de microcinta o de parche, son antenas resonantes, ya

que funcionan como antenas al operar en su frecuencia de resonancia.

Una característica muy importante en cualquier tipo de antena es la directividad que depende de la ganancia de la

antena y de sus lóbulos de radiación, entonces, entre mayor ganancia tenga en su lóbulo principal, la antena será

más directiva. Otra manera de hacer que una antena sea más directiva es por medio de arreglos de antenas, que

consisten en agrupaciones de elementos de antenas que hacen que la ganancia de la antena sea mucho mayor y

por ende se pueda direccionar; existen varios tipos de arreglos de antenas como puede ser los lineales y los

Capítulo 2 Página 30

Capítulo II

Antenas de Parche Rectangular

Las antenas microstrip o de microcinta, se hicieron muy populares en los años 1970 por su diversidad de

aplicaciones. Estas antenas consisten en un parche metálico sobre un sustrato y un plano de tierra y una línea de

transmisión de microcinta para poder alimentarla; pueden tomar diferentes configuraciones o geometrías como

las ya mencionadas con anterioridad. La antena de parche, así como la línea de transmisión de microcinta

consisten en un ancho W, en una longitud física L, un grueso o espesor de sustrato h y un plano tierra; de igual

manera las líneas de transmisión cuentan con otro tipo de longitud de la que depende el desfasamiento que puede

tener la señal aplicada a la microcinta, está es la longitud de fase l. Sin embrago las configuraciones más

populares de las antenas parche son las geometrías cuadradas y rectangulares debido a la facilidad que las

comprende tanto en análisis, fabricación, características de radiación y montaje superficial [13]. Las principales

aplicaciones de las antenas tipo parche son para sistemas de teledetección, GPS, antenas móviles, altímetros de

aviones, aplicaciones militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas [14].

Cuando vamos aumentando la frecuencia, las dimensiones eléctricas de las antenas aumentan y sus formas

empiezan a diferir de las geometrías lineales. Encontramos estructuras cuya misión es el confinamiento y la

conformación de la radiación de una fuente primaria hasta conseguir frentes de onda capaces de generar

diagramas secundarios de directividades elevadas y formas de diagrama específicas. En ellas, el responsable de

la formación del diagrama de la antena no es ya la fuente primaria, sino la distribución de campos eléctricos y

magnéticos en el frente de onda presente en la apertura de salida de la antena al espacio libre, conformados por

Capítulo 2 Página 31

2.1 ANTENA PARCHE CONVENCIONAL A 2.4 GHz

El parche rectangular se comporta como antena al ser usualmente operado cerca de la resonancia y al poder

obtener un valor real en la impedancia de entrada de esté. Varios modelos están disponibles para poder obtener

la frecuencia de resonancia de los parches rectangulares o antenas de parche; uno de ellos es el modelo de

cavidad en el cual usualmente se obtienen resultados precisos de este valor a la frecuencia de resonancia.

Los campos presentes en el parche, actúan para poder extender la longitud efectiva del mismo parche, por lo que

la longitud de un parche de media onda es ligeramente menor que una media longitud de onda en el material de

sustrato dieléctrico. Esto es similar al hecho de acortar un dipolo de media onda para poder obtener la resonancia

de dicho dipolo. El acortamiento de la longitud o reducción de la longitud depende de factores como son la

permitividad eléctrica del material ( ), el grosor del sustrato (h) y el ancho del parche (W)

Hay varias fórmulas que están disponibles para poder estimar la longitud resonante de un parche, pero en la

práctica en muchas ocasiones es necesario hacer unos ajustes para poder aproximarse más al valor deseado de

está longitud [2]. Una expresión con la cual podemos obtener un valor aproximado para la longitud de un parche

resonante de media longitud de onda es:

√

Donde:

, es la Longitud de Onda del Espacio Libre.

, es la Longitud de Onda en el Dieléctrico.

, es la Constante Dieléctrica del Sustrato.

Para la antena de parche de media onda, la región entre los conductores (sustrato dieléctrico) actúa como una

cavidad de línea de transmisión de media longitud de onda que está en circuito abierto en sus terminaciones. En

Capítulo 2 Página 32 en el dieléctrico. Las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a los conductores como es requerido por las

condiciones de frontera y se parecen mucho a las placas paralelas de un capacitor. Entonces, las líneas de campo

en los extremos, están expuestas al medio espacio superior (z > 0) y son responsables de la radiación.

El modo de onda estacionaria con una separación de media longitud de onda entre los extremos, conduce a los

campos eléctricos que son de fase opuesta en las mitades izquierda y derecha (negativo y positivo del eje x), ver

figura 1.1(a). Por lo tanto, el total de la franja de campos en las orillas es de 180° fuera de fase y son iguales en

magnitud. Vista desde la parte superior, las componentes x de las franjas en realidad están en fase, conduciendo

a un patrón de radiación tipo broadside; donde el pico máximo de radiación o el lóbulo principal se encuentran

direccionados en el eje +z. Este modelo sugiere un análisis de aproximación llamado campo de apertura, donde

el parche tiene dos aperturas de ranuras radiantes con campos eléctricos en el plano del parche. Para el caso del

parche de media onda, las ranuras son iguales en magnitud y fase. Los campos a lo largo de los bordes asociados

con las ranuras 1 y 2 son constantes, mientras que los otros campos a lo largo de los otros bordes vistos en la

figura 1.1 (b) tienen simetría impar y su radiación es cancelada en la dirección broadside y son generalmente

olvidados.

El ancho de las ranuras antes mencionadas, es a menudo tomado para ser igual al espesor de los sustratos, que es

, donde s es el ancho de las ranuras y h es el ancho del sustrato dieléctrico. La radiación del parche es

linealmente polarizada en el plano xz, que es paralelo a los campos eléctricos de las ranuras.

El patrón de radiación de una antena de parche rectangular es bastante amplio con una dirección máxima normal

al plano de la antena [2]. El cálculo del patrón para el parche rectangular es fácilmente realizado por la creación

de corrientes superficiales magnéticas equivalentes de la franja de campos eléctricos usando

n

ˆ

magnética en el plano de tierra magnético si nosotros asumimos que h es pequeño. Entonces, las componentes

del campo lejano se derivan como:

Capítulo 2 Página 33

(2.3)

Siendo:

(2.4)

Y β es la constante de fase usual en el espacio libre. El primer factor es el factor de patrón de radiación para una

fuente lineal uniforme de ancho Wen la dirección y. El segundo factor es el factor del arreglo para un arreglo de

dos elementos a lo largo de los ejes x correspondientes a la ranura de borde. La longitud L del parche es obtenida

por (2.1). El ancho del parche W es seleccionado para dar la adecuada resistencia de radiación en la entrada,

comúnmente 50 Ω. El plano principal de patrones o modelos se deriva como:

(2.5)

(2.6)

Esta simple expresión del modelo descuida los efectos del sustrato y el ancho de la ranura. Las impedancias de

entrada típicas en el borde de un parche resonante rectangular se encuentran dentro del rango de los 100 Ω a los

400 Ω; una expresión que puede aproximar los valores de la impedancia de entrada del parche rectangular donde

la reactancia toma el valor de cero en resonancia y el parche es resonante con borde alimentado es:

(2.7)

Así, la impedancia de entrada es reducida por ampliar el parche. Por ejemplo, para un dieléctrico de valor

, una relación de ancho-longitud de W/L=2.7, da como resultado un valor de impedancia de entrada de

Capítulo 2 Página 34

2.1.1 Tipos de Alimentación

En el diseño de antenas de parche o microcinta, un aspecto muy importante que debe de considerarse para que la

antena pueda tener un efecto de radiación lo más eficientemente posible a las frecuencias deseadas es la técnica

de alimentación que tendrá esta antena. Existen muchos métodos para poder alimentar las antenas impresas, los

cuales pueden ser a través de: líneas impresas, ranuras, cables coaxiales, o bien por acoplamiento de cavidades; a

pesar de que existe una gran variedad de métodos, podemos clasificarlos en tres categorías principales que son:

alimentación directa, alimentación por proximidad y alimentación por apertura. Sin embargo las más habituales

son las antenas impresas de alimentación directa por medio de microcinta (línea de transmisión) o por una

conexión con un cable coaxial [14].

2.1.1.1 Alimentación Directa

Son las maneras de alimentación que requieren un contacto directo entre la antena y la estructura de

alimentación, las formas principales en que se encuentra la alimentación de la antena es por medio de una

microcinta que se encuentra unida en el mismo plano del parche, y otra alimentación es mediante un conector

coaxial para antenas poco directivas. Aunque son más fáciles de colocar tienen algunas desventajas como son el

no poder optimizar por separado el esquema de alimentación y el de la antena, ya que ambas trabajan sobre el

mismo sustrato, por lo que se deben tomar en cuenta de la misma manera las características de alimentación y las

características de la antena. Estos métodos de acoplamiento directo son los más viejos y los más populares

aunque solamente proveen un pequeño grado de libertad para poder ajustar la impedancia del parche.

2.1.1.1.1 Alimentación por Microcinta

Consiste en realizar una conexión directa entre la antena y la microcinta de alimentación (línea de transmisión)

como se muestra en la figura 2.1. Esta alimentación se diseña para obtener una impedancia deseada. Este método

es el más sencillo de realizar, sin embargo presenta una peor eficiencia en relación al ancho de banda y

Capítulo 2 Página 35 El parche rectangular se alimenta normalmente a lo largo de una línea central en el parche en el plano

E



evita la excitación de un segundo modo de resonancia ortogonal al modo deseado, lo que conduciría a un exceso

de polarización cruzada [2].

Aunque es solo un método, hay dos maneras de poder alimentar una antena de manera directa con microcinta, la

primer manera es conectando directamente la microcinta al borde de la antena o por medio de inserciones en la

antena. En el caso de poner la microcinta al borde de la antena de parche producirá un mayor acoplamiento de

impedancias tanto de la microcinta como de la antena de parche, y en el caso de incluir inserciones en el parche,

el tamaño de la profundidad de estas inserciones hará el acoplo de estas impedancias.

Figura 2.1 Ejemplos de alimentación por microcinta

2.1.1.1.2 Alimentación por Conector Coaxial

Este otro método es mostrado en la figura 2.2 y consiste en que el conector coaxial alimente de manera directa a

la antena parche y la parte negativa del conector sea colocado al plano de tierra de la antena. En este método, la

mejora del acoplamiento de las impedancias es colocando el conector en la mejor posición con respecto al

parche; este es uno de los métodos más empleados pero a la vez es uno de los más difíciles de realizar, sin

embargo pueden existir excepciones, ya que en algunos casos es simple implementarlo por la ampliación del

conductor central del conector unido al plano de tierra hasta el parche y el conector del cable coaxial debe

Capítulo 2 Página 36 Figura 2.2 Alimentación por coaxial

2.1.1.2 Alimentación por Proximidad

Está otra manera de alimentación consiste en que la línea de alimentación no tiene contacto directo con la antena

de parche, sino que el acoplo es de manera electromagnética, como se muestra en la figura 2.3. Aquí se tiene a la

antena parche sobre un sustrato y debajo de él se encuentra una línea de alimentación sobre otro sustrato y éste

sobre un plano tierra, por lo que se forma una estructura multicapa. Éste método tiene la ventaja, que la antena

de parche, así como la estructura de alimentación, pueden optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas

de sustratos dieléctricos, un sustrato dieléctrico se utiliza para obtener las mejores características de la antena

(sustratos más anchos con permitividades eléctricas bajas) y de la alimentación (sustratos delgados y con