Nuevas propuestas de antenas Microstrip de Banda Ancha

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(1)NUEVAS PROPUESTAS DE ANTENAS MICROSTRIP DE BANDA ANCHA. Erika Junnieth Daza Narváez. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica Bogotá, Colombia 2017.

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(3) NUEVAS PROPUESTAS DE ANTENAS MICROSTRIP DE BANDA ANCHA Erika Junnieth Daza Narváez. Trabajo de grado para optar al título de: Ingeniera Electrónica Director: Ing. Carlos Arturo Suárez, Ph.D.. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica Bogotá, Colombia 2017.

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(5) Nota de aceptación. Jurado..

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(7) Agradecimientos A Dios, porque nada es posible sin él. A mis padres Ever Daza y Adriana Narváez por su incondicional apoyo, por su total entrega y comprensión, por su paciencia y por hacer de mis sueños algo posibles. A mi hermano Alex y a mi prima Laura por creer en mí, por su apoyo, su comprensión, su amor y por ser mi fortaleza. A mis familiares por sus consejos y motivación para ser una mejor persona y un excelente profesional. A mi director de tesis por su confianza y apoyo en cada paso de este trabajo, por guiarme en el proceso de aprendizaje e investigación en esta hermosa carrera y por abrir las puertas del grupo de investigación GRECO. A mis amigos por dejarme ser parte de sus vidas y hacerme sentir en casa aun estando lejos de los mío..

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(9) Resumen El propósito del trabajo propuesto es diseñar e implementar antenas Microstrip de banda ancha para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores que operen en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y las bandas de 915MHz y 2.4GHz respectivamente, con ganancias superiores 3.5dBi y polarización lineal..

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(11) Tabla de Contenido 1.. Capítulo ................................................................................................................................. 1. 1.. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................... 4 1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN............................................................................................ 4 1.3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 4 1.4. OBJETIVOS........................................................................................................................... 5 1.4.1. General......................................................................................................................... 5 1.4.2 Específicos......................................................................................................................... 5 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES .................................................................................................. 5. 2.. Capítulo ................................................................................................................................. 7. 2.. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 7 2.1. TECNOLOGÍA MICROSTRIP................................................................................................... 7 2.1.1. Alimentación ................................................................................................................ 8 2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBSTRATOS PARA ANTENAS DE MICROSTRIP .......................... 13 2.3 ANTENA CÓNICA DE RANURAS. .......................................................................................... 16 2.4. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL ............................................................................................ 17 2.4.1 Método de Gazit. ......................................................................................................... 18 2.4.2. Método utilizando elipses ........................................................................................... 19 2.5. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 21. 3.. Capítulo ............................................................................................................................... 27. 3.. METODOLOGÍA .................................................................................................................... 27 3.1. DISEÑO ANTENA VIVALDI CON RANURA CÓNICA HACIENDO USO DE MODELO.................. 27 3.1.1. Elección de sustrato. ................................................................................................... 28 3.1.2. Diseño de la Slotline ................................................................................................... 29 3.1.3. Diseño de la Microstrip ............................................................................................... 30 3.1.4. Diseño de la Taper ...................................................................................................... 32 3.1.5. Apertura exponencial ................................................................................................. 32 3.1.6. Primer diseño haciendo uso de modelo. ..................................................................... 33 3.1.7. Simulación. ................................................................................................................. 33 3.1.8. Variación de parámetros............................................................................................. 35. I.

(12) 3.1.9. Optimización de parámetros....................................................................................... 39 3.1.10.. Diseño de Slots. .................................................................................................... 42. 3.1.11. Diseño Con doble Stub Radial. .................................................................................. 52 3.2. DISEÑO ANTENA VIVALDI CON RANURA CÓNICA A PARTIR DE ARTÍCULO BASE. ................ 58 3.2.1. Diseño calcado............................................................................................................ 59 3.2.2. Implementación de Slots y ranuras curvas. ................................................................. 61 3.2.3. Implementación de diferentes diseños. ..................................................................... 62 3.3. DISEÑO ANTENA VIVALDI ANTIPODAL ............................................................................... 64 3.3.1. Elección artículo base. ................................................................................................ 64 3.3.2. Diseño ........................................................................................................................ 65 3.3.4. Diseño antena vivaldi antipodal con elipse parasita. ................................................... 66 3.3.5. Diseño antena vivaldi antipodal sin elipse parasita. .................................................... 68 3.4 ANTENAS FABRICADAS. ...................................................................................................... 70 3.4.1. Antenas vivaldi con ranura cónica. .............................................................................. 70 3.4.2. Antenas Vivaldi Antipodal. .......................................................................................... 71 4.. Capitulo ............................................................................................................................... 73. 4.. RESULTADOS Y ANÁLISIS ..................................................................................................... 73 4.1. ANTENAS VIVALDI CON RANURA CÓNICA. ......................................................................... 73 4.1.1 Antena Base (Antena 13) ............................................................................................. 73 4.1.2. Antena cónica de ranura con slots curvos (Antena 27) ................................................ 75 4.1.3. Antena cónica de ranura con slots curvos inferiores y stub radial dividido de 40°. (Antena 38) .......................................................................................................................... 77 4.1.4. Antena cónica de ranura con slots curvos inferiores y stub radial dividido de 53° (Antena 39). ......................................................................................................................... 79 4.1.5.. Comparación resultados medidos antenas vivaldi con ranura cónica..................... 81. 4.2. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL CON ELIPSE PARASITA ......................................................... 82 4.2.1 Antena vivaldi antipodal con elipse parasita. ............................................................... 82 4.1.10.. Antena vivaldi antipodal sin elipse parasita. .......................................................... 84. 4.1.11.. Comparación antenas vivaldi antipodal ................................................................. 86. 5.. Capítulo ............................................................................................................................... 89. 5.. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ............................................................................... 89 5.1. CONCLUSIONES. ................................................................................................................ 89 5.2. TRABAJOS FUTUROS .......................................................................................................... 90. 6. II. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 91.

(13) Lista de figuras Figura 2.1 Geometrías representativas de elementos Microstrip tipo parche. .................................. 8 Figura 2.2. Vista lateral de una antena Microstrip. ......................................................................... 8 Figura 2.3 Alimentación por cable coaxial. .................................................................................... 9 Figura 2.4Parche de microcinta alimentado por una línea acoplada a uno de sus bordes. .............. 10 Figura 2.5 Línea de cinta acoplada a uno de sus bordes con una ranura en medio. ....................... 10 Figura 2.6 Alimentación por línea de cinta insertada en el parche radiador ................................... 11 Figura 2.7 Alimentación por el método de Proximidad................................................................. 12 Figura 2.8 Alimentación por el método de Apertura. .................................................................... 13 Figura 2.9 Antena Vivaldi de ranura cónica con transición de microcinta a línea ranurada............ 17 Figura 2.10 Antena vivaldi Antipodal. ......................................................................................... 18 Figura 2.11 Diseño de la antena Vivaldi Antipodal mediante la metodología de Gibson (1979). Tomada [26] con propósitos académicos. .................................................................................... 18 Figura 2.12 Vivaldi Antipodal diseñada con tres elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos. ................................................................................................................................. 20 Figura 2.13 Vivaldi antipodal diseñada con elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos. 21 Figura 2.14 Configuración de (a) la TSA tradicional antipodal, (b) la estructura modificada, Y (c) estructura miniaturizada. . Tomada de [30] con propósitos académicos. ........................................ 22 Figura 2.15 Diseño Antena Vivaldi Antipodal con elipse parasita. . Tomada de [35] con propósitos académicos. ................................................................................................................................. 23 Figura 2.16 Antenas Vivaldi con ranuras. (a) AVA original. (b) AVA con RSE. (c) AVA con TSE. Tomada de [36] con propósitos académicos.................................................................................. 24 Figura 2.17 Diseño de la antena en la parte inferior. Tomada de [37] con propósitos académicos 25 Figura 2.18 Diseño de la antena en la parte superior. Tomada de [37] con propósitos académicos 25 Figura 2.19 Diseño con ranuras circulares. Tomada de [38] con propósitos académicos. ............. 26 Figura 3.1 Parámetros de diseño y geometría de la antena Vivaldi con ranura cónica. ................ 28 Figura 3.2 Antena vivaldi con ranura cónica. (a) Diseño final. (b) Resultados parámetros S(11), simulación. .................................................................................................................................. 34 Figura 3.3 Diagrama simulado Antenas vivaldi con ranuras cónicas escaldas ............................... 34 Figura 3.4 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . .......................... 36 Figura 3.5 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ........................... 36 Figura 3.6 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ........................... 37 Figura 3.7 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ........................... 37 Figura 3.8 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ............................ 38 Figura 3.9 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro ℎ . .......................... 38 Figura 3.10 Diagrama simulado según la modificación realizada. (a) Parámetros S11. (b) Eficiencia. (c) Ganancia. (d) Radiación........................................................................................................... 40 Figura 3.11 Comparación antenas modificadas. (a) parámetros S11. (b) Eficiencia. (c) Ganancia. (d) Radiación. ............................................................................................................................... 41. III.

(14) Figura 3.12 Variaciones en la geometría del taper, (a) Slots rectangulares internos inferiores. (b) Slots rectangulares internos superiores. (c) Slots rectangulares internos en todo el taper. ........... 42 Figura 3.13 Parámetros antena vivaldi con Slots rectangulares. .................................................. 43 Figura 3.14 Comparación parámetros S11 según la modificación realizada. ................................. 43 Figura 3.15 Diferentes geometrías de Slots ................................................................................. 44 Figura 3.16 Parámetros antena vivaldi con Slots curvos ............................................................... 45 Figura 3.17 Parámetros antena vivaldi con diferentes tipos de Slots. .......................................... 45 Figura 3.18 Comparación parámetros S11 según la modificación realizada. ................................. 46 Figura 3.19 Slots curvos construidos por medio de funciones exponenciales .............................. 47 Figura 3.20 Diseño con Slots curvos. (Antena 23) Antena base. (Antena 24) Escalada en el eje y 1.1. (Antena 25) Escalada en el eje y 1.2....................................................................................... 47 Figura 3.21 Comparación según la modificación realizada. Antena 112.5mm (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. .................................................................................................................................................... 49 Figura 3.22 Comparación según la modificación realizada. Antena 135mm. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. .................................................................................................................................................... 51 Figura 3.23 Comparación según la modificación realizada. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. ............................ 52 Figura 3.24 Parámetros de diseño y geometría en la Microstrip taper. ........................................ 52 Figura 3.25 Antena con Slots Curvos. (a) Diseño con Stub Radial doble. (b) Comparación parámetros S11. (c) Diagrama de Eficiencia. (d) Diagrama de Ganancia. (e) Diagrama de radiación. .................................................................................................................................................... 53 Figura 3.26 Diseño con doble Stub radial y 2 Slots curvos ............................................................ 55 Figura 3.27 Comparación de antenas con doble Stub radial y 2 Slots curvos. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. .................................................................................................................................................... 55 Figura 3.28 Comparación de antenas con ranuras inferiores. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. ............................ 57 Figura 3.29 Diseño antena calcada ............................................................................................. 59 Figura 3.30 Comparación simulación de antenas calcadas del artículo base................................. 60 Figura 3.31 Diseño modificado. (a) Diseño modificado con Stub Radial duplicado, (b) Resultados simulación parámetros S11. ......................................................................................................... 61 Figura 3.32 Diseño modificado. (a) Diseño modificado con Stub Radial duplicado con slots curvos, (b) Resultados simulación parámetros S11. .................................................................................. 61 Figura 3.33 Diferentes diseños implementados en la antena vivaldi con ranura cónica. .............. 62 Figura 3.34 Simulación parámetros S11 ....................................................................................... 63 Figura 3.35 Diseño AUTOCAD. (a) diseño a partir de elipses, plano positivo. (b) diseño final, plano positivo (c) diseño a partir de elipses, plano tierra. (d) diseño final, plano tierra.......................... 65 Figura 3.36 Diseño antena vivaldi antipodal con elipse parasita, (a) diseño final en HFSS. (b) Excitación por medio de lumped port. ......................................................................................... 67 Figura 3.37 Resultados simulación parámetros S11 antena Vivaldi con elipse parasita. ............... 67 Figura 3.38 Resultados Simulados. (a) Diagrama de Ganancia. (b) Diagrama de Radiación en 13.6GHz ....................................................................................................................................... 68 IV.

(15) Figura 3.39 Diseño antena vivaldi antipodal sin elipse parasita, (a) diseño final en HFSS. (b) Excitación por medio de lumped port. ......................................................................................... 69 Figura 3.40 Diagrama simulado parámetros S11, antena vivaldi sin elipse parasita. ..................... 69 Figura 3.41 Diagramas simulado, antena vivaldi sin elipse parasita. (a) Diagrama de Ganancia. (b) Diagrama de Radiación. ............................................................................................................... 70 Figura 3.42 Diseños Fabricados. .................................................................................................. 70 Figura 3.43 Comparación de antenas fabricadas. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Ganancia. (c) Diagrama de Eficiencia. (d) Diagrama de radiación. ................................................. 71 Figura 3.44 Comparación de antenas fabricadas. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de radiación. (c) Diagrama de Ganancia ............................................................................................ 72 Figura 4.1 Diagrama Medido con RODHE..................................................................................... 73 Figura 4.2 diagrama medido en ANRITSU .................................................................................... 74 Figura 4.3 Diagrama medido y simulado parámetros S11. ........................................................... 74 Figura 4.4 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra............. 75 Figura 4.5 Diagrama medido con RODHE. .................................................................................... 75 Figura 4.6 Diagrama medido con Anritsu ..................................................................................... 76 Figura 4.7 comparación resultados obtenidos y simulados, antena vivaldi con slots curvos. ....... 76 Figura 4.8 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ............ 77 Figura 4.9 Parámetros S11 diagrama medido. ............................................................................. 77 Figura 4.10 Diagrama en Anritsu. ................................................................................................ 78 Figura 4.11 Parámetros S11 comparación medido y simulado. ................................................... 78 Figura 4.12 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra........... 79 Figura 4.13 Parámetros S11 diagrama medido. ........................................................................... 79 Figura 4.14 Diagrama en Anritsu ................................................................................................. 80 Figura 4.15 Comparación parámetros S11 diagrama medido y simulado. .................................... 80 Figura 4.16 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ........... 81 Figura 4.17 Parámetros con RODHE, comparación diagrama medido en las 4 antenas. ............... 81 Figura 4.18 Comparación diagrama medido con Anritsu .............................................................. 82 Figura 4.19 Diagrama Medido con RODHE, antena Vivaldi con elipse parasita. .......................... 83 Figura 4.20 Diagrama medido en ANRITSU .................................................................................. 83 Figura 4.21 Comparación parámetros S11 medido y simulado. .................................................... 84 Figura 4.22 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra. .......... 84 Figura 4.23 Diagrama Medido con RODHE, antena Vivaldi sin elipse parasita. ............................ 85 Figura 4.24 Diagrama medido en ANRITSU .................................................................................. 85 Figura 4.25 Comparación parámetros S11, diagrama medido y simulado. ................................... 85 Figura 4.26 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ........... 86 Figura 4.27 Diagrama medido antena Vivaldi con elipse parasita y sin elipse parásita. ................ 86 Figura 4.28 Comparación diagrama antenas medidas y simuladas con elipse y sin elipse. ............ 87 Figura 4.29 Resultados Artículo base. Tomada de [35] con propósitos académicos...................... 87. V.

(16) VI.

(17) Lista de Tablas Tabla 2.1 Constantes dieléctricas de algunos substratos de material compuesto (f = 10GHz). ........ 14 Tabla 2.2Características de los substratos expuestos a una frecuencia de 10GHz........................... 15 Tabla 2.3Algunas características de sustratos de la empresa TACONIC ........................................ 16 Tabla 3.1 Algunas características del sustrato RF300600 .............................................................. 29 Tabla 3.2 Valores iniciales para la slotline, 0=3GHz .................................................................... 30 Tabla 3.3 Algunas características del sustrato RF300600 .............................................................. 32 Tabla 3.4 Característica primer diseño haciendo uso de modelo. ................................................. 33 Tabla 3.5 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 35 Tabla 3.6 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 39 Tabla 3.7 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 42 Tabla 3.8 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 44 Tabla 3.9 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 46 Tabla 3.10 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos. ................................. 48 Tabla 3.11 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos. ................................. 50 Tabla 3.12 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos .................................. 54 Tabla 3.13 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 56 Tabla 3.14 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 58 Tabla 3.15 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 60 Tabla 3.16 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 62 Tabla 3.17 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 63 Tabla 3.18 características elipses ................................................................................................. 65 Tabla 3.19 características sustrato Rogers/RT Duroid 6002 .......................................................... 66 Tabla 3.20 Características de simulación antena vivaldi antipodal con elipse parasita. ................ 66 Tabla 3.21 Características de simulación antena vivaldi antipodal sin elipse parasita. .................. 68. VII.

(18) VIII.

(19) 1. Capítulo Introducción En la actualidad, el diseño de dispositivos electrónicos que permiten la portabilidad en los sistemas de comunicaciones es de suma utilidad, ya que con ello se pueden realizar implementaciones más pequeñas cumpliendo con los criterios de eficiencia en el consumo de potencia, eficiencia en el uso del ancho de banda y una buena relación de costo beneficio. El diseñar e implementar dispositivos cada vez más pequeños en los sistemas de comunicaciones incluye a las antenas. El desarrollo de antenas para la industria de aplicaciones móviles de telefonía y datos, redes de área local inalámbricas (WLAN), así como en redes de área personal inalámbricas (WPAN) ha experimentado un crecimiento muy rápido en años recientes impulsado por las demandas exigidas por los usuarios en términos de sus funcionalidades y por el deseo de movilidad en la comunicación y el rompimiento de las conexiones físicas a la red, convirtiéndose en el fragmento de mayor y más rápido crecimiento dentro del área de las telecomunicaciones [1]. En este sentido, la marca wi-fi que no es más que el estándar IEEE 802.11b de secuencia directa se desarrolla como mecanismo de conexión de dispositivos electrónicos de forma inalámbrica, el cual permite que el creciente número de dispositivos habilitados con wi-fi pueden conectarse a internet a través de un punto de acceso de red inalámbrica. El mercado actual ofrece una gran variedad de dispositivos y aplicaciones como es el caso de computadores personales, televisores inteligentes, videoconsolas, teléfonos inteligentes, reproductores de música y otros sistemas que hacen uso de esta marca [2]. Por otra parte, otra de las tecnologías con amplia investigación en la actualidad son las redes de sensores inalámbricas o WSN, por sus siglas en inglés (Wireless Sensor Network), las cuales han contribuido a que el ser humano pueda monitorear, controlar e interactuar con diferentes entornos de forma remota, a diferencia de las redes cableadas, estas redes proporcionan mayor versatilidad al permitir realizar enlaces a través de una interfaz radio eléctrica [3]. Al interior del grupo GRECO se ha incursionado en el diseño de antenas de alta ganancia, amplio ancho de banda, resonancia múltiple, polarización simple, dual o circular, haciendo uso de tecnologías como: sustratos microstrip, antenas plana F invertida (PIFA), antena F invertida (IFA), antenas de placa suspendida (SPA), monopolos cargados, antenas cargadas con celdas meta material (CSRR); en este sentido, en [4] se presenta el diseño y optimización de una antena logarítmica periódica operando a una frecuencia de 869MHz - 2.778GHz, con ganancia de 2.74dBi y 3.06dBi en las bandas inferior y superior respectivamente, la cual fue diseñada sobre sustrato microstrip. Por otra parte, en este mismo trabajo se investiga el 1.

(20) diseño de una antena de parche suspendido (SPA) de alto perfil que opera en el rango de 2.18 GHz – 2.58 GHz (6.58%), logrando ganancias superiores a 7.2dBi. Por otra parte, en [5] se presenta el diseño de una antena de placa suspendida circular (SPA) con polarización circular configurable de RHCP a LHCP la cual opera en el rango de 1.92GHz – 3.30GHz (52.87%), ganancia de 8.18 dBi, así mismo, en este mismo trabajo se presenta el diseño de una antena microstrip del tipo parche circular cortocircuitado en el centro que opera en el rango de 2.16GHz – 3.21GHz (39.18%) y una ganancia de 6.26dBi. De igual manera, en [6] se reporta el diseño de una antena en anillo circular cortocircuitado con polarización circular y sentido de giro reconfigurable, con mejoramiento de la relación axial mediante el uso de un acoplador híbrido de 90°. La estructura total presenta dimensiones de 76 mm x 76 mm x 3 mm, por lo que puede ser integrada en una de las caras de un satélite CubeSat 1U. El diseño propuesto muestra un amplio ancho de banda de impedancia del 33.33 % en el rango de frecuencias de 1.9GHz a 2.66GHz para un coeficiente de reflexión inferior a -10 dB y una ganancia máxima de 6.1dBi a una frecuencia central de 2.35GHz. Las antenas usadas tradicionalmente para operar en grandes anchos de banda han sido las antenas Vivaldi y la logarítmica. A este respecto, la antena Vivaldi, también conocida como la ranura cónica Vivaldi antena (TSVA) fue propuesto inicialmente por Gibson en 1979 [7]. El presente trabajo surge como una continuación de las investigaciones llevadas a cabo en [4], donde se estudiaron la antena logarítmica periódica sobre sustrato microstrip para aplicaciones en redes de sensores (WSN) y con base en este, se pretende mejorar los resultados alcanzados para aplicaciones en el mismo tipo de redes y por otra parte presentar soluciones para antenas en las bandas de WI-FI de 2.4GHz y 5GHz. Una vez finalizado el estudio minucioso de la literatura se llegó a la conclusión de que la antena idónea que satisface las exigencias requeridas es la antena Vivaldi ya que es una antena de onda viajera del tipo “End-Fire” o longitudinal, con polarización lineal, alta ganancia y gran ancho de banda. La antena Vivaldi posee una geometría exponencial cónica, por lo que el escalamiento continuo y la curvatura gradual de la estructura radiante aseguran teóricamente un ancho de banda ilimitado, el cual se restringe en la práctica por las dimensiones de la placa exponencial cónica y por la línea de alimentación. Otra de las características de la antena vivaldi que la hace idónea para las aplicaciones antes descritas es que la ganancia de las antenas Vivaldi depende tanto de la longitud como de la curvatura de la ranura cónica. Teniendo en cuenta lo anterior, las prestaciones de las antenas Vivaldi, las hacen idóneas para utilizarse en los sistemas objeto de esta investigación a saber: WI-FI y WSN, teniendo en cuenta que poseen alta ganancia y gran ancho de banda, pudiendo cubrir más de dos octavas. El grupo GRECO cuenta con las línea de investigación en elementos radiantes y la línea de antenas activas y/oreconfigurables con resultados reportados en la literatura [1], [4-6], [818], lo cual le permite hoy investigar en el desarrollo de nuevas propuestas tendientes al mejoramiento de parámetros de antenas en las tecnologías existentes, o diseño de antenas para nuevas aplicaciones o servicios que requiera el mercado. Esta experiencia le permite 2.

(21) hoy cumplir con los objetivos propuestos en este trabajo, al igual hacer parte de nuevas investigaciones en el desarrollo de antenas para diversas aplicaciones, proponiendo nuevas geometrías/tecnologías, mejorando parámetros o adaptando las geometrías de antenas que ofrece hoy algunas de las tecnologías existentes para que cumpla con los especificaciones que la aplicación requiera, poniendo especial dedicación en tareas de exploración de nuevas técnicas que pueden ser empleadas para mejorar cada uno de los parámetros principales para las aplicaciones que así lo requieran.. 3.

(22) 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A pesar del avance existente en cuanto a diseño de antenas de reducido tamaño y altas prestaciones en parámetros como: ganancia, ancho de banda se requiere explorar nuevas propuestas de antenas de reducido tamaño y bajo perfil que respondan en anchos de banda amplia para aplicaciones en sistemas como es el caso de WI-FI en las bandas de 2.4GHz y 5GHz, o redes de sensores (WSN) en las bandas de 915MHz y 2,4GHz.. 1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ¿Es posible diseñar una antena en tecnología microstrip con anchos de banda superiores a 2:1, con ganancias que superen un nivel de 3.5dBi, con tamaño reducido y bajo perfil?. 1.3. JUSTIFICACIÓN El presente trabajo surge de la motivación por desarrollar nuevas propuestas de antenas con amplias prestaciones y tamaño y perfil reducidos, particularmente motiva el investigar en el desarrollo de antenas con ancho de banda grande y alta ganancia, lo cuales se constituyen en uno de los objetos de investigación al interior del grupo GRECO. Trabajos previos en el grupo GRECO presentaron diversas soluciones de antenas microstrip con gran ancho de banda [1], [4-6], sin embargo, en este trabajo se pretende explorar nuevas propuestas de antenas que operen en anchos de banda mayores a 2:1, con ganancias que superen un nivel de 3.5dBi, con tamaño reducido y bajo perfil, para aplicaciones en sistemas como es el caso de WIFI y redes de sensores (WSN) en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y 915MHz, 2,4GHz respectivamente. Teniendo en cuenta las exigencias anteriormente descritas y la curiosidad por investigar las antenas Vivaldi debido a que ofrecen una ganancia significativa, polarización lineal y ancho de banda amplio, resultados que se obtienen debido a su geometría exponencial cónica, a su escalamiento continuo y la curvatura gradual de la estructura radiante, lo cual asegura teóricamente un gran ancho de banda haciéndola flexible para diferentes aplicaciones que requieran un gran ancho de banda a diferentes frecuencias, y que por otra parte, todo esto se puede lograr sin aumentar significativamente el tamaño de la antena, teniendo en cuenta que la frecuencia de la antena se restringe en la práctica por las dimensiones de la placa exponencial cónica y por la línea de alimentación. Esta clase de antenas posee una limitación de banda a altas frecuencias la cual es producida por las estructuras de transición entre la tecnología microstrip y la slotline, mientras que a bajas frecuencias es generada por la limitación en el ancho del parche o “taper” de la antena.. 4.

(23) 1.4. OBJETIVOS 1.4.1. General Diseñar y caracterizar una antena microstrip con ancho de banda de impedancia mayor a 2:1 y ganancia superior a 3.5dBi para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores (WSN), que posea reducido tamaño y bajo perfil.. 1.4.2 Específicos • • •. •. Determinar la tecnología y material apropiados que permitan diseñar antenas microstrip con anchos de banda superiores a 2:1 y ganancias mayores a 3.5dBi. Optimizar los diseños propuestos con mínimo dos software de simulación. Diseñar y optimizar antenas planas sobre sustratos microstrip con anchos de banda superior a 2:1 para aplicaciones en las bandas de WIFI 2.4GHz y 5GHz o en las bandas de 900MHz y 2.4GHz para aplicaciones en redes de sensores, con ganancia superior a 3.5dBi. Fabricar los prototipos y caracterizarlos en impedancia y en diagrama hasta donde sea posible con los equipos disponibles en el laboratorio de la Universidad.. 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES • •. •. 5. Las antenas resultado de este trabajo podrán ser caracterizadas en impedancia hasta una frecuencia de 13.7GHz, teniendo en cuenta que esta es la frecuencia máxima de medida para uno de los VNA disponible en el laboratorio de la Universidad Distrital. En cuanto a la caracterización en diagrama, estas están limitadas a las prestaciones que brinda la cámara semi-anecoica CASSYLAB2 y los generadores de RF disponibles en el laboratorio de la Universidad Distrital a saber: En banda baja hasta 3GHz si en su momento se encuentra en operación el generador Hameg, por otra parte, es posible caracterizar antenas (si es necesario) en banda X mediante el generador Marconi disponible en el laboratorio, sin embargo esta medida queda restringida a un rango de 9GHz a 10GHz debido a la disponibilidad de antenas de referencia igualmente disponibles en el laboratorio. Otra de las limitaciones que se deben tener en cuenta es la disponibilidad en la Universidad de líneas de transmisión para altas frecuencias..

(24) 6.

(25) 2. Capítulo Marco Teórico Las antenas Vivaldi hacen parte de la familia de Tapered Slot Antennas (TSA) [7]. Esta familia pertenece al tipo de antenas de onda viajera de radiación longitudinal (End-fire traveling wave antennas), es decir antenas planas cuyas distribuciones de corriente y voltaje pueden ser representadas por una o más ondas viajeras, las cuales usualmente van en la misma dirección y se propagan con una velocidad de fase menor o igual a la velocidad de la luz [19], [20].. 2.1. TECNOLOGÍA MICROSTRIP El concepto de antenas de microcinta fue introducido por primera vez por Deschamps en 1953, y posteriormente recibieron considerable atención de forma práctica por Munson y Howell en los años setentas. Las ventajas de las antenas de microcinta son numerosas, tal como bajo perfil y peso, volumen reducido, bajo costo, facilidad de la instalación y fabricación fácil utilizando la tecnología de circuitos impresos, dando lugar al diseño de varias configuraciones para diferentes aplicaciones [20]. Las antenas de microcinta pueden ser de diferentes geometrías en su presentación simple, en donde la más común consiste de un parche rectangular impreso por una de las caras de un substrato dieléctrico (doble cara) y un plano de masa en la cara contraria. Sin embargo, también pueden ser cuadradas, circulares, triangulares, dipolo, elíptico y de anillo como se observa en la figura 2.1. Las antenas de microcinta han demostrado ser unos excelentes radiadores electromagnéticos para muchas aplicaciones debido a sus ventajas adicionales, como lo son: la integración fácil con circuitos de montaje superficial (MICs) en el mismo substrato, facilidad de adaptar la impedancia y la frecuencia a los valores deseados, posibilidad de operación de la antena en banda múltiple. Los sustratos Microstrip constan de dos películas conductores separados por un dieléctrico como se observa en la figura 2.2. El espesor del dieléctrico, su permitividad dieléctrica así como la tangente de pérdidas junto con las ecuaciones que modelan su comportamiento permiten calcular el ancho de la línea de transmisión, la geometría del parche en caso que se trate de una antena, o el circuito de microondas deseado como es el caso de un acoplador híbrido, divisor de potencia, desfasador, rede de Butler, etc. para lo cual el mercado ofrece una gran variedad de substratos que se pueden usar dependiendo del dispositivo que se requiere diseñar.. 7.

(26) Las desventajas principales de la tecnología microstrip radica en los bajos niveles de potencia que pueden manejar debido a la naturaleza de las mismas, al igual que a las pérdidas de potencia asociadas al conductor, al dieléctrico y a la radiación por discontinuidades, por otra parte, esta tecnología ofrece un reducido ancho de banda con las geometrías básicas [1], [20], los cuales pueden ser ampliados grandemente como es el caso de una antena Vivaldi diseñada sobre un sustrato microstrip.. Figura 2.1 Geometrías representativas de elementos Microstrip tipo parche.. Figura 2.2. Vista lateral de una antena Microstrip.. 2.1.1. Alimentación La alimentación de una antena microstrip genera variaciones en el comportamiento de la misma, al igual que en la facilidad o dificultad de su fabricación. A continuación se exponen varias de las técnicas reportadas en la literatura para alimentar este tipo de antenas. 8.

(27) 2.1.1.1. Alimentación por contacto. ALIMENTACIÓN POR CABLE COAXIAL El acoplamiento de potencia a través de una sonda, es uno de los mecanismos básicos para la transferencia de señal de microondas. Dicha sonda puede tratarse del conductor interno de una línea coaxial que se extiende a través del dieléctrico y se suelda al parche, mientras que el conductor exterior es conectado al plano a tierra como se observa en la figura 2.3. La alimentación mediante sonda coaxial tiene como ventaja la simplicidad de diseño, ya que se debe limitar solamente al posicionar el punto de alimentación de manera que se ajuste el nivel de impedancia de entrada de la mejor manera posible, sin embargo, también cuenta con algunas limitaciones como se nota a continuación. En primer lugar, cuando se trata de agrupaciones alimentadas por coaxial, será necesario realizar varios empalmes por soldadura, lo cual dificulta la fabricación y compromete la fiabilidad. En segundo lugar, cuando se emplean substratos más gruesos con el fin de incrementar el ancho de banda del parche, se requerirá de sondas más largas, lo cual da lugar a un incremento en la radiación no deseada proveniente del coaxial; incrementa la potencia de onda superficial y la dificultad para adaptar la impedancia a los valores requeridos, debido al incremento en la inductancia equivalente en el puerto de alimentación [21].. Figura 2.3 Alimentación por cable coaxial.. ALIMENTACIÓN POR LÍNEA DE MICROCINTA La excitación de la antena de microcinta mediante una línea metálica plana impresa sobre el mismo substrato cuenta con algunas limitaciones. El acoplamiento entre la línea de microcinta y el parche puede ser llevado a cabo mediante el diseño de un transformador 9.

(28) cuarto de onda que se conecta en uno de sus bordes, esto para acoplar la impedancia en el borde del parche que suele presentar valores en el rango de 200Ω ≤ ≤ 300Ω al valor de impedancia requerido en la línea de transmisión, con el inconveniente que agranda la antena, este tipo de alimentación se muestra en la figura 2.4. Por otra parte, se suele emplear la estrategia de dejar una pequeña ranura entre ambos como se observa en la figura 2.5 con el objetivo de adaptar impedancias, de manera que no se tengan que utilizar elementos adicionales para hacerlo [21].. Figura 2.4Parche de microcinta alimentado por una línea acoplada a uno de sus bordes.. Figura 2.5 Línea de cinta acoplada a uno de sus bordes con una ranura en medio.. El transformador cuarto de onda puede generar la propagación de radiación no deseada, aparte que no se los puede acomodar en agrupaciones grandes debido al espacio requerido en el substrato. Por otra parte, la línea de alimentación bloquea parte de la radiación proveniente de uno de los bordes del parche, lo cual se traduce en una reducción de ganancia, seria desventaja cuando se emplea este tipo de alimentación en frecuencias muy altas donde el acoplamiento del radiador se compara con el ancho de la línea que lo alimenta. Por otra parte, la alimentación mediante separación línea/parche, debe ser pequeña si se pretende un eficiente acoplamiento de potencia. Sin embargo, una separación, por más pequeña que sea, 10.

(29) puede limitar la capacidad de la antena de manipular la potencia entregada; sin perder de vista que una línea cuyo extremo permanece abierto, daría lugar a radiación no deseada [21]. La técnica de inserción de la línea de transmisión mediante una ranura (inset) que penetra el parche como se muestra en la figura 2.6, abolió tales desventajas. El tamaño ( ) de la penetración de la ranura en el parche depende del punto en el cual la impedancia de entrada de la antena sea de 50Ω. El punto resulta ser aproximadamente el mismo que para la alimentación por coaxial. Sin embargo, la sección de línea de transmisión se inserta a lo largo del parche, se debe modelar como una guía de ondas coplanar (en el mismo plano) con plano a tierra de tamaño finito y paredes conductoras [21].. Figura 2.6 Alimentación por línea de cinta insertada en el parche radiador. .. 2.1.1.2. Alimentación sin contacto ALIMENTACIÓN POR PROXIMIDAD También conocida como alimentación por acoplamiento electromagnético, en estos métodos la alimentación no tiene contacto directo con el radiador si no que el acoplamiento es electromagnético. En este método se tiene al radiador sobre un substrato dieléctrico y en la parte inferior de esta estructura se tiene una línea de alimentación de otro substrato dieléctrico con un plano tierra. Este método tiene como ventaja que el radiador así como la estructura de alimentación puede optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas de substratos dieléctricos; un substrato para obtener las mejores características del radiador (substratos más anchos con permitividad baja) y en la alimentación (Substratos delgados y con permitividad alta). Finalmente, su principal desventaja radica en la dificultad de construcción, debido a que es multicapa, lo cual a su vez resulta un aumento de grosor de la antena. En la Figura 2.7 se muestra la estructura general de este método. [21-24]. 11.

(30) Figura 2.7 Alimentación por el método de Proximidad. ALIMENTACIÓN POR APERTURA El método de apertura presenta similitud con el de proximidad debido a que también utiliza dos substratos dieléctricos uno para el radiador y otro para la alimentación. La estructura de este método está compuesta por un radiador sobre un substrato dieléctrico y sobre un plano de tierra compartido seguido de otro substrato dieléctrico para la alimentación y finalmente una línea de alimentación en la parte inferior de la estructura. Para lograr la excitación, una línea de cinta en el substrato inferior se acopla electromagnéticamente al parche mediante una apertura en el plano a tierra. El plano tierra tiene una apertura cuyas dimensiones y posición influyen en la impedancia y por ende fundamentales a la hora de mejorar el ancho de banda. Esta configuración cuenta con dos características fundamentales: amplio ancho de banda y el encapsulamiento de la radiación proveniente del alimentador hasta el acoplamiento irradiante. Una ventaja con respecto a la alimentación por proximidad es que en la alimentación por apertura, al estar la línea de alimentación en la parte inferior y separada de la antena por el plano tierra, la radiación de esta es mínima en la dirección de radiación de la antena con lo que se evita que haya interferencias y polarizaciones cruzadas. En resumen, esta técnica de alimentación puede diseñarse de manera que se permita aumentar el ancho de banda ajustando la forma y tamaño de la ranura junto con el ancho de la línea, permitiendo alcanzar anchos de banda de impedancia de alrededor del 21%. La mayor dificultad de esta técnica es su construcción, ya que posee múltiples capas y además se debe aumentar su grosor. En la Figura 2.8 se muestra la estructura general de este método. [2124].. 12.

(31) Figura 2.8 Alimentación por el método de Apertura.. 2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBSTRATOS PARA ANTENAS DE MICROSTRIP El primer paso en el diseño de una antena microstrip es la elección del substrato adecuado, ya que este proporciona el soporte mecánico al elemento, esto significa que debe estar compuesto de un material dieléctrico que puede afectar su rendimiento, ya sea en una antena, en dispositivos pasivos de microondas, o líneas de transmisión. Para poder llevar a cabo la elección apropiada del sustrato, se deben considerar varios de sus parámetros al mismo tiempo a saber: rango de frecuencias de operación, espesor del sustrato dieléctrico, constante dieléctrica y su variación en función de la temperatura y de la frecuencia y la tangente de pérdidas entre otros. El mercado ofrece una interesante variedad de sustratos en diversos materiales a saber: PTFE (politetrafluoroetileno), poliestireno, poliolefina, polifenileno, alumina, zafiro, cuarzo, materiales ferromagnéticos y semiconductores, lo cual permite disponer de una considerable flexibilidad en la elección del dieléctrico idóneo. No existe “el substrato ideal”, sino la elección dependerá de la aplicación que lo requiera. Aplicaciones en baja frecuencia implican utilizar un substrato con alta constante dieléctrica para poder mantener un reducido tamaño, pero en el caso de antenas de microcintas se suelen utilizar substratos con baja constante dieléctrica, [1], [20]. Las constantes dieléctricas de algunos substratos compuestos recomendables para antenas de microcintas se enumeran en la tabla 2.1.. 13.

(32) Tabla 2.1 Constantes dieléctricas de algunos substratos de material compuesto (f = 10GHz).. εp. Tanδ. Materiales. RT/Duroid 5870 RT/Duroid 5880 RT/Duroid 6002 RT/Duroid 6006 RT/Duroid 6010,5 Ultralam 2000 RD 3003 TMM-3 TMM-4 TMM-6 TMM-10 Trans- Tech DMAT Trans- Tech S-145. 2,33 ± 0,02 2,2 2,94 6,0 ± 0,15 10,5 ± 0,25 2,5 ± 0,05 3,0 ± 0,04 3,25 4,5 6,5 9,8 9,8 - 14. 0,0012 0,0009 0,0012 0,0019 0,0024 0,0022 0,0013 0,0016 0,0017 0,0018 0,0017 <0,0002. 10. <0,0002. Taconic-TLY. 2,17-2,20 ± 0,02 2,2-2,33 ±0,03 2,45-2,65 ± 0,04 2,62 2,75 3,0 3,2 2,95 2,45-2,65 ± 0,04 3,0 ± 0,01 3,5 ± 0,05. 0,0009. Materiales. Taconic-TLP Taconic-TLX Taconic-TLA Taconic-TLC. Taconic-TLE Taconic-TLT Taconic-RF-30 Taconic-TLF-35A. 0,0009. εp. Tanδ. Arion DiClad 527 Arion DiClad 870 Arion DiClad 880 Arion DiClad 810 Arion Epsilam-10 Arion Cuclad 250 Arion Cuclad 233 Arion Cuclad 217 Arion IsoClad 917 Arion IsoClad 933 Epoxy FR4 GE313 Trans- Tech D450 Trans- Tech S8400 Taconic-RF35TCA Taconic-RF-35TC. 2,5 ± 0,04 2,33 ± 0,04 2,20 ± 0,04 10,5 ± 0,25 10,2 ± 0,25 2,4 – 2,6 2,33 ± 0,02 2,17 ± 0,02 2,17 ± 0,02 2,33 ± 0,02 4,4 4,5. 0,0019 0,0012 0,0009 0,0015 0.002 0,0018 0,0014 0,0008 0,0011 0,0014 0,01 <0,0004. 10,5. <0,0001. 3,5 ± 0,05. 0,0017. 3,5 ± 0,05. 0,0011. 0,00150,0021 0,0012 0,0022 0,0028 0,0030 0,0026 -. Taconic-RF-35. 3,5 ± 0,1. 0,0018. Taconic-RF-35A2 Taconic-RF-41, RF-43, RF-45 Taconic-TRF-43 Taconic-RF-60TC. 3,5 ± 0,05 4,1 4,3 4,5 ± 0,15 4,3 ± 0,15 6,15± 0,15. 0,0018 0,0038 0,0033 0,0037 0,0035 0,0020. 0,0014 0,002. Taconic-60A Taconic-RF-30A. 6,15± 0,25 2,97 ± 0,07. 0,0028 0,0012. En la tabla 2.2 se puede observar algunas características de los sustratos expuestos a una frecuencia de 10GHz.. 14.

(33) Tabla 2.2Características de los substratos expuestos a una frecuencia de 10GHz. Sustrato. Constante dieléctrica. Constante de perdida. Estabilidad dimensional. Resistencia Química. Rango de temperatura. 9.8 9.4 ; 1.6. .0004 .0001. Excelente Excelente. Excelente Excelente. Hasta + 1600 -24 a + 370. Costo relativo Medio a alto Muy alto. Silicon (>10 Ω-m). 13 11.9. -0006 .004. Excelente Excelente. Excelente Excelente. -55 a + 260 -55 a + 260. Muy alto Alto. ferrita. 9.0 a 16.0. .001. Excelente. Excelente. -24 a + 370. Medio. 2.1 2.18 + 0.05 2.55. .0004 .0003 .0016. Pobre Pobre Bueno. Excelente Bueno Pobre. -27 a +260 -27 a + 200 -27 a + 193. Medio Medio Medio. 2.54. .0005. Bueno. Bueno. -27 a +110. Medio. 2.32. .0005 .0009 a .0022. Pobre. Excelente. -27 a + 110. Bajo. Excelente. Excelente. -27 a +260. Medio. Cerámica Alúmina Zafiro. Semiconductores GaAs(>10 Ω-m). Ferromagnéticos Sintéticos PTEF(teflón) Polipropileno Polioxido de fenileno(PPO) Mezcla de poliestireno enlazado Poliolefina irradiada. Compuestos PTFE- vidrio, red entrelazada. 2.17 a 2.55. PTFE- vidrio, fibra. 2.17 a 2.55. Regular. Excelente. -27 a + 260. 2.47 10.2. .0009 a .0015 .0006 .002. Excelente Excelente. Excelente Bueno. -27 a + 260 -15 a + 170. Medio a alto Alto Alto. 2.62. .001. Bueno. Bueno. -27 a +110. Bajo. 2.6. .0005. Bueno. Bueno. -27 a +110. 2.65. .0005. Bueno. Bueno. -27 a +110. Medio a alto Medio a alto. 3 a 15. .0005 a .0015. Regulas a bueno. Regular. -27 a +110. Medio a alto. 2.55 2.3. .0015 .001. Excelente Excelente. -27 a + 260 -27 a + 260. Teflón –cuarzo, reforzado Teflón –cerámica, rellenado Poliolefina irradiada con vidrio reforzado. 2.47. .0006. Bueno Regular a bueno Bueno. Excelente. -27 a + 260. Medio Medio a alto Alto. 10.3. .002. Bueno. Excelente. -27 a + 260. Bajo. 2.42. .001. Regular. Excelente. -27 a + 100. Medio. Poliolefina –cerámica. 3 a 10 4.5. .001 .002. Pobre Excelente. Excelente Excelente. -27 a + 100 -27 a + 593. Alto Medio a alto. PTFE- cuarzo, reforzado PTFE- ceramica, compuesto Mezcla poliestireno –vidrio enlazado Mezcla poliestireno –cuarzo entrelazado Mezcla poliestireno – cuarzo con tramas entrelazadas Mezcla poliestireno –cerámica entrelazado, rellenado de polvo Teflón-vidrio, reforzado Teflón –cerámica, reforzado. Vidrio –enlazado mica. 15.

(34) En La tabla 2.3 se puede observar las características de alguno de los sustratos que fabrica la empresa TACONIC. Tabla 2.3Algunas características de sustratos de la empresa TACONIC. sustratos. Constante Dieléctrica. Tangente de perdida. Grosor (mm). TLY-5A-0200-CVH/CVH. 2.17 +/-0.02. 0.0009. 0,508. RF-30-0600-CLH/CLH. 3.00 +/-0.10. 0.0014. 1,524. RF-43-0620-CLH/CLH. 4.30 +/-0.15. 0.0033. 1,575. TLX-0-0200-CH/CH. 2.45 +/-0.04. 0.0019. 0,508. RF-35A2-0200-E-C1/C1. 3.50 +/-0.5. 0.0016. 0,51. RF-35-0600-CLH/CLH. 3.5 +/-0.1. 0.0018. 1,524. TLC-32. 3.20 +/-0.05. 0.003. ≥0.79. TLP-5-0300. 2.20 +/- 0.03. 0.0009. 0,78. RF-60A-0600. 6,15. 0.0038. 1,52. TLY-5-L-0050. 2,2. 0.0009. 0,13. 2.3 ANTENA CÓNICA DE RANURAS. Las antenas cónicas de ranura (TSAs), también conocidas como antenas de corte, pertenecen a la clase general de antenas de onda viajera (TWAs). Siendo una antena impresa, esto abre la discusión sobre los métodos de alimentación, permite seleccionar el enfoque principal en los diseños y mide las características de una transición apropiada entre una ranura lineal y cualquier otra línea de transmisión. La antena Vivaldi de ranura cónica es considerada como el diseño original, el cual consiste básicamente de una línea ranurada con forma de cono exponencial, la cual se fabrica en una sola capa de metalización de un substrato dieléctrico. El perfil cónico exponencial de este tipo de antena crea una transición suave de la línea ranurada al espacio libre. Esta estructura presenta dos limitaciones para lograr que opere en banda ancha a saber: En primer lugar la línea ranurada comienza a radiar significativamente si se satisface la siguiente condición: 16.

(35) = Donde:. 2. (2.1). Es el ancho de la ranura y Es la longitud de onda en el material dieléctrico.. La abertura final del cono exponencial define la frecuencia más baja de operación, mientras que el ancho de la ranura al inicio de la estructura cónica se calcula para la frecuencia superior. El uso de transiciones de este tipo era común en los primeros diseños, sin embargo, en los últimos años ha sido remplazado por las antenas Vivaldi antipodal. La transición de microcinta a línea ranurada es la más utilizada para las antenas de ranura cónica, como la que se muestra en la figura 2.9. [21].. Figura 2.9 Antena Vivaldi de ranura cónica con transición de microcinta a línea ranurada. 2.4. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL La antena Vivaldi antipodal fue investigada con el propósito de solucionar los problemas de alimentación que tenía el diseño original [25]. La configuración antipodal, se crea en un substrato dieléctrico con metalización en ambos lados. Esta antena se alimentada con una. 17.

(36) línea de microcinta a través de una transición de líneas paralelas, como se muestra en la figura 2.10.. Figura 2.10 Antena vivaldi Antipodal.. La antena Vivaldi antipodal se puede diseñar empleando diferentes metodologías a saber:. 2.4.1 Método de Gazit. En la figura 2.11. Se muestra el bosquejo de la antena Vivaldi antipodal, donde se ilustran los parámetros empleados en las ecuaciones de diseño. Figura 2.11 Diseño de la antena Vivaldi Antipodal mediante la metodología de Gibson (1979). Tomada [26] con propósitos académicos.. Las ecuaciones de diseño empleadas por [25] son las propuestas por Gibson, P. J., en [7] y se definen de la siguiente manera:. =. 18. +. (2.2).

(37) =. ! " $% # &# $%". =. ;. # $%. # $%. " !#. $%". &# $%". (2.3). La transición de ranura cónica tiene una razón de apertura R y los dos puntos P1(( , * ) y. P2(( , * ) definen la curvatura exponencial. Las constantes y dadas en la ecuación (2.3), se determinan por las coordenadas del primer y último punto de la curva exponencial. Debido a que la antena antipodal opera como una antena resonante en la parte final de la estructura, que corresponde a la frecuencia más baja de operación. El ancho de la abertura W se calcula con respecto a esta frecuencia y se relaciona con la constante dieléctrica efectiva del substrato, como se muestra en la siguiente ecuación:. = Donde. 2. +. ,-#... (2.4). es la frecuencia mínima y + es la velocidad de la luz [26].. Las ecuaciones (2.2) y (2.3) han sido empleadas en [27-29] para diseñar este tipo de antenas, debido a que la curvatura que se obtiene con las ecuaciones puede ser moldeada fácilmente. Sin embargo la ecuación (2.2) tiene algunas limitaciones, ya que proporciona una curvatura de un punto a otro, pero si se quiere alargar o disminuir la longitud de la antena, es necesario volver a calcular la curvatura y las constantes. y. dadas en la ecuación (2.3).. 2.4.2. Método utilizando elipses Una alternativa que ha surgido es emplear elipses para obtener las curvaturas de la antena [25]. Sin embargo la limitante que tiene este método de diseño, es que la elipse tiene una curvatura única y que generalmente para hacer un cambio en su curvatura se tiene que aplicar una nueva elipse, lo cual hace que su diseño sea complicado. La metodología propuesta por [30] emplea tres elipses como se muestra en la figura 2.12, y cuyas coordenadas se pueden determinar de la siguiente manera:. 19.

(38) 1 − (( − ( 3 *=/ ∗ 1 +* 4. 56 7 = 1,2,3. (2.5). Donde 4 , / , 4 y 4 , / muestran el eje mayor y menor de la parte interna y externa de la elipse respectivamente, mientras que las coordenadas (( , * 3, (( , * 3 * (( , * 3 y corresponden a los centros de las elipses [30].. Figura 2.12 Vivaldi Antipodal diseñada con tres elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos.. Una alternativa adicional que emplea cuatro elipses para formar la estructura completa de la antena como la que se muestra en la figura 2.13, es la propuesta [31] como sigue: #... <; =. ; es al ancho, de las elipses. Donde. 20. ;,. =. 8. √-:. @,A =>:?>. =. =. √-: ;. 2. ,. ,. ;. =. #... @,A BC:D>. =. ;. <; es la longitud de la antena,. 2. @,A =>:?> y. − 2. (2.6). .. (2.7). @,A BC:D> corresponden a los radios.

(39) Figura 2.13 Vivaldi antipodal diseñada con elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos.. 2.5. ESTADO DEL ARTE El campo de la tecnología Microstrip ha tenido un gran avance para distintas aplicaciones en las cuales el tamaño, el diseño y otros parámetros son fundamentales, a partir del momento en el cual se desarrolla investigación en torno a esta tecnología, aparecen distintas líneas y desarrollos que son de gran importancia para cualquiera de las aplicaciones que se requiera, a partir de diversas modificaciones en el diseño de la antena Vivaldi tradicional se busca adecuar los parámetros de desempeño y disminuir el tamaño de la antena. Algunas de estas modificaciones se centran en el diseño de la estructura de alimentación, mientras que otras prestan especial atención a la geometría del taper y la introducción de ranuras de diferente geometría. Es de gran importancia conocer a profundidad el diseño adecuado para lograr tener resultados requeridos conociendo diferentes tipos de antenas que se han estudiado en los últimos años. Una de las prioridades son los parámetros más importantes que describen el funcionamiento de una antena como el diagrama de radiación, ganancia, directividad, ancho de banda y características del sustrato, por lo que es importante estudiar cada uno de ellos. Gracias a grandes avances en las antenas vivaldi existen tres tipos fundamentales de antenas Vivaldi, que pueden ser utilizarse para diseñar la estructura radiante, la Antena Vivaldi de ranura cónica, la Antena Vivaldi antipodal y Antena Vivaldi antipodal balanceada [32]. La antena vivaldi con ranura cónica cuenta con varios parámetros necesarios y de gran importancia a la hora de diseñarla, uno de los primeros parámetros a tener en cuenta en su diseño es el la elección del substrato adecuado, ya que proporciona el soporte mecánico al elemento, esto significa que debe estar compuesto de un material dieléctrico que puede afectar su rendimiento teniendo en cuenta características como la constante dieléctrica, tangente de pérdida y su variación en función de la temperatura y de la frecuencia y uniformidad del espesor. Ya que no es posible encontrar el sustrato ideal hay que tener en cuenta que cuando se trabaja a baja frecuencia implica utilizar un substrato con alta 21.

(40) constante dieléctrica para poder mantener el pequeño tamaño, pero en el caso de antenas de Microstrip se suelen utilizar substratos con baja constante dieléctrica [26]. Otro de los parámetros importantes es el perfil cónico de la ranura la cual presenta dos limitaciones para conseguir una banda ancha de operación de la antena. En primer lugar la línea ranurada comienza a radiar significativamente bajo la ecuación (2.1). Generalmente la abertura final del cono exponencial define la frecuencia más baja que puede ser radiada por la estructura, mientras que el ancho de la ranura al inicio de la estructura cónica se calcula para la frecuencia de corte superior. La segunda limitación es al ancho de la ranura, ya que la ranura tiende a ser más pequeña al aumentar la frecuencia máxima de operación, lo que hace más complicado el proceso de alimentación [26]. En [33] se presenta un método para diseñar una antena con ranura cónica antipodal alimentada con microstrip, que tiene un rendimiento de banda ultralarga (UWB) y dimensiones miniaturizadas. El método propuesto modifica la estructura de la antena para establecer una conexión directa entre el alimentador de microstrip y el radiador. Esa modificación, que elimina la necesidad de utilizar cualquier transición y / o baluns en la estructura de alimentación, es el primer paso en la miniaturización propuesta. En el segundo paso de la miniaturización, el radiador y el plano de tierra se ondulan para permitir una reducción adicional del tamaño de la antena sin poner en peligro su rendimiento. Los resultados simulados y medidos confirman los beneficios del método adoptado en la reducción de la superficie de la antena, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de la banda ancha. El diseño de la antena con ranura cónica atipodal alimentada con microstrip se muestra en la figura 2.14.. Figura 2.14 Configuración de (a) la TSA tradicional antipodal, (b) la estructura modificada, Y (c) estructura miniaturizada. . Tomada de [30] con propósitos académicos.. En [34] se presenta el diseño de dos tipos diferentes de antena Vivaldi para la formación de haz electromagnético. La primera es una antena Vivaldi antipodal, mientras que la otra es una antena cónica de Vivaldi. Ambos son antenas de banda ultra ancha para la banda de frecuencia de 1GHz a 5GHz. Tienen una baja distorsión de impulso y la relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR) es inferior a 2 en todo el ancho de banda. Las antenas se utilizan para la formación de haz de radio por impulso. En [35] se presenta un nuevo método para mejorar la directividad y el ancho de banda de la estructura de la antena Vivaldi 22.

(41) antipodal. El método se basa en la introducción de un parche elíptico parásito en la abertura para mejorar el acoplamiento de campo entre los brazos y producir una radiación más fuerte en la dirección final. Este enfoque mejora la directividad sin comprometer el rendimiento de baja frecuencia y elimina la necesidad de sustratos dieléctricos delgados eléctricamente. La estructura de antena propuesta, incluyendo la línea de alimentación y las medidas de transición 140 × 66 × 1,5 mm , tiene un pico de ganancia> 0 dBi en el rango de frecuencias 2-32 GHz y > 10 dBi en el rango de los 6 -21 GHz, el diseño de la antena vivaldi antipodal con elipse parasita se puede observar en la figura 2.15.. Figura 2.15 Diseño Antena Vivaldi Antipodal con elipse parasita. . Tomada de [35] con propósitos académicos.. Otro de los diseños a tener en cuenta en el diseño de antenas Vivaldi es la de emplear diferentes geometrías de slots, uno de los más eficientes en las antenas Vivaldi son los slots curvos formados por funciones exponenciales en el perfil externo del taper planteados en [36]. En [36] en el diseño se emplea una nueva estructura de borde ranurado cónico (TSE). El TSE propuesto tiene la capacidad de ampliar la limitación de ancho de banda en perfil bajoy mejorar las características de radiación en las frecuencias más bajas. También se fabrica un prototipo de la antena modificada y se estudia experimentalmente. Los resultados medidos muestran un acuerdo razonable con los simulados que validan el procedimiento de diseño y confirman los beneficios de la modificación. En la figura 2.16 se puede observar las diferentes geometrías de slots propuestos. La Antena Vivaldi antipodal tiene un diseño diferente, su configuración se crea en un substrato dieléctrico con metalización en ambos lados. Esta antena es alimentada con una línea de microcinta a través de una transición de líneas paralelas, La antena Vivaldi antipodal se puede diseñar empleando diferentes metodologías, el método de Gazit, el método de Bourqui y el método de las Elipses el cual es utilizado en [31] .. 23.

(42) Figura 2.16 Antenas Vivaldi con ranuras. (a) AVA original. (b) AVA con RSE. (c) AVA con TSE. Tomada de [36] con propósitos académicos.. La primera parte de la metodología de diseño consiste en elegir la frecuencia mínima de operación, seleccionar el substrato y calcular la constante dieléctrica efectiva para obtener la abertura de la antena W. Una vez que se ha obtenido la abertura, es importante definir las dimensiones y curvatura inicial de la antena, y encontrar la respuesta a los parámetros F , con respecto al de la antena, el cual debe cumplir la relación: F , ≤ −10GH.. En [31] se investiga una antena Vivaldi modificada con polarización cruzada mejorada que funcione en el rango de frecuencias de banda ultra-ancha (UWB) (3.1-10.6 GHz) para ser utilizado como sondas múltiples para el sistema de tomografía de microondas. El estudio incluye la investigación de las características de radiación de la antena, los pasos de diseño de la antena, los efectos de sensibilidad de fabricación en el rendimiento de la antena, empleando el método de las 4 elipses. El acoplamiento mutuo de elementos adyacentes, a pesar de su proximidad, es menor que -17dB y las variaciones de fidelidad para las antenas situadas delante del transmisor son inferiores al 10%. En [37], con el fin de mejorar la directividad de la antena utilizada en las redes de área local inalámbrica (WLAN) IEEE 802.11a (MHz), se puede aplicar en varias antenas de diferentes sistemas de comunicación inalámbrica de vehículos como se muestra en la figura 2.17 y 2.18, se propone y fabrica una antena Vivaldi mejorada con directores planares delante de la abertura de la ranura cónica y de las ranuras transversales. Estos resultados medidos y simulados muestran que la antena mejorada de Vivaldi aumenta en 1,5 dB de ganancia en comparación con la normal en la IEEE 802.11a (MHz) WLAN. También tiene una alta directividad en la IEEE 802.11b (MHz) WLAN, IEEE 802.11y (MHz) WLAN u otros sistemas de comunicación inalámbrica (2400-4900 MHz). Además, la antena Vivaldi modificada en este trabajo puede mejorar la capacidad de resistencia a la distorsión de polarización causada por el techo del coche, que actúa como un gran plano de tierra en comparación con el convencional.. 24.

(43) Figura 2.17 Diseño de la antena en la parte inferior. Tomada de [37] con propósitos académicos. Figura 2.18 Diseño de la antena en la parte superior. Tomada de [37] con propósitos académicos. Otro de los artículos que se estudió para el diseño de diferentes geometrías de ranuras fue [38], el estudio en este artículo es la reducción de la sección transversal radar (RCS) de la antena Vivaldi mediante modificaciones estructurales. Esto se realiza retirando una porción del metal del radiador e implementando ranuras periódicas adyacentes al borde radiante. Estas ranuras reducen las reflexiones perpendiculares del radiador, lo que provoca la reducción de la RCS monostática. La antena Vivaldi propuesta funciona de 4 a 12 GHz con una reducción adicional de 10 dB RCS en comparación con la antena Vivaldi de referencia. El diseño de esta antena se observa en la figura 2.19.. 25.

(44) Figura 2.19 Diseño con ranuras circulares. Tomada de [38] con propósitos académicos.. Como articulo base para el diseño de la antena vivaldi con ranura cónica fue [39], En este documento, se estudian dos tipos diferentes de antena Vivaldi, están diseñados y probados adecuados para la formación de haces electromagnéticos. La primera es una antena Vivaldi antipodal, mientras que la otra es una ranura de antena Vivaldi ranurada. Ambos son ultra banda ancha antenas para la banda de frecuencia de 1GHz a 5GHz. Estas antenas tienen baja distorsión de impulso y la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es menor de 2 en todo el ancho de banda. Las antenas son utilizadas para la formación de haz de radio de impulso.. 26.