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Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia Segunda parte, Tema III

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(1)

Antenas y Circuitos de

Alta Frecuencia

Segunda parte, Tema III

Dpto. de Ingeniería Informática

Escuela Politécnica Superior

Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación,

2

o

cuatrimestre (6 créditos ECTS)

Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz (jorge.ruizcruz@uam.es

Jose Luis Masa Campos (joseluis.masa@uam.es) Colaborador: José Manuel Fernández (jmfdez@gr.ssr.upm.es), Grupo de Radiación. Dpto. SSR.UPM

(2)

Segunda parte de ACAF:

Antenas

I. Principios básicos de una antena

II. Antenas lineales

III. Antenas impresas

IV. Antenas banda ancha, multibanda e independientes de la frecuencia

V. Agrupación de antenas. Arrays

VI. Antenas de apertura. Bocinas

VII. Reflectores

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. www.eps.uam.es/~acaf

Master en Ingeniería Informática y Telecomunicaciones Escuela Politécnica Superior. Universidad Autónoma de Madrid

(3)

1. Estructura y características básicas, limitaciones, aplicaciones 2. Configuraciones habituales de parches

3. Elección del substrato 4. Diagramas de radiación 5. Ancho de banda

6. Diferentes formas de alimentar un parche

Ø Ventajas e Inconvenientes

7. Análisis de tipos de parches : rectangular, cuadrados, circulares, ranuras, PIFAS

8. Polarización

9. Técnicas de ensanchamiento de banda en antenas de parches 10. Técnicas de ensanchamiento de haz en antenas de parches

11. Ejemplo : diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas

(4)

§ En antena plana se utilizan parches diseñados en tecnología microstrip

§ Parches :

Ø Lámina metálica de tamaño resonante (0.25l - 1l)

longitud del parche = 0.5l Þ resonante en el modo

fundamental

muy delgada (espesor : 10 – 50mm Þ típicamente: 18mm y

35mm )

ØEl parche resuena en una de sus dimensiones (el largo) y radia en

la otra (el ancho) § Substrato :

Ø Lámina dieléctrica que sustenta el parche

espesor : 0.005l - 0.2l

ØConstantes dieléctricas generalmente en el rango : 1 £ er £ 12

§ Plano de masa :

§ Excitación :

Ø Suministra la energía RF a los parches

(5)

En contra:

ØAlto Q (> 50) Þ banda estrecha : 1%-5% ØRadiación espuria (línea de alimentación, onda de superficie (modos de substrato),

bordes …) Þestropean el comportamiento de la antena

ØRequieren substratos de calidad

ØLimitación de potencia Þbaja potencia ØImpedancia de entrada: difícil de calcular y de ajustar

ØPolarización cruzada Þpobre pureza de polarización (Contrapolar alta)!Þ Relación (CP/XP) > 20 dB

ØEficiencia reducida en arrays (pérdidas en las líneas de la red de alimentación)

A favor:

ØBajo perfil, peso y volumen reducidos ØBajo coste

ØRobustez mecánica (montado en superficies rígidas)

ØFacilidad de fabricación ØRepetividad

ØVersátiles (frecuencia, polarización, diagramas,…)

ØCompatibles con dispositivos activos ØFáciles de agrupar en arrays

ØAdaptables a superficies curvas

(6)

Ø

Rango de frecuencias : 100 MHz – 50 GHz

Ø

Como elemento radiante aislado y sobre todo en arrays

Aplicaciones típicas:

§

Comunicaciones móviles (estaciones base, teléfono, automóvil)

§

Antenas en aviones (navegación, altímetros, telefonía)

§

Satélites de comunicaciones

§

Radares (Phased arrays) con conformado electrónico de haz

§

Biomédicas (aplicadores de calor en medicina (hipertermia))

§

Telemetría (guiado de misiles, sensores)

§

Observación de la tierra

§

Sistemas de vigilancia, identificación y control (alarmas, peajes)

(7)

Antena de estación base DCS1800

Ø

Frecuencia : 1805 - 1880 MHz (Digital Cellular System)

Ø

Ganancia: 15 dBi

Ø

Tilt: -2°

(8)

• Agrupación de antenas con barrido mecánico

Comunicaciones móviles por

satélite

(9)

• Agrupación de antenas con barrido electrónico

Comunicaciones móviles por satélite

(10)

Ø

Formas de parche más habituales:

Ø

Otros tipos de parches:

cuadrado rectangular dipolo circular

elíptico triangular anillo

(11)
(12)

ØConstante dieléctrica: generalmente en el rango de 1 £ er £ 12, aunque se utilizan poco los valores er > 5.

Øespesor : 0.005l £ h £ 0.2l

ØPerdidas en el substrato:

Øprecisa substratos de calidad Þ tangente de pérdidas : tan(d) < 0.002

frecuencia de resonancia disminuye Aumentar la longitud resonante del parche

Aumentar el espesor del substrato

Para aumentar el ancho de banda

Longitud resonante del parche disminuye

Frecuencia de resonancia aumenta

Si espesor del substrato disminuye

Dimensiones pequeñas del plano de masa

Ancho de banda disminuye

(13)

0.0006 13

GaAs

0.0001 > 80

Barium – titanate oxides Ceramic dielectrics 0.002 10.5 RT Duroid 6010 (PTFE1 ceramic) 0.0009 2.2 RT Duroid 5880 (teflon + glass fiber)

0.0009 2.17 CuClad 0.002 3.5 Kapton 0.0009 2.33 Taconic < 0.0001 1.02 Honeycomb 0.001 1.07 Rohacell Foam 0.01 4.4 Epoxy fiberglass FR-4 Perdidas: tan(d) Constante dieléctrica: er Sustrato 1 Polytetrafluoroethylene (Teflon)

(14)

baja grande

Mayor eficiencia de radiación

baja grande

Menor sensibilidad frente a tolerancias

baja grande

Aumentar el ancho de banda

baja pequeño

Bajas pérdidas (por onda de superficie,…)

alta pequeño

Pequeñas dimensiones de antenas

alta pequeño

Disminuir la radiación de la líneas

er Espesor del substrato

Ø Interesan substratos gruesos y constantes dieléctricas er bajas

ØLos materiales que mejor se adaptan al diseño de antenas impresas microstrip son para los er £ 5 (cercana a 1, como “foam” o simplemente aire):

ØMejores valores de eficiencia de radiación ØMayor ancho de banda

ØMenores pérdidas

¿Cómo resolver las contradicciones ?

ØConfiguraciones multicapa Þ Técnicas de banda ancha

(15)

Þ

Adoptar una solución de compromiso

– Espesor del substrato h

Ø

Disminuir las pérdidas por ondas de superficie

Þ

h

Ø

Aumentar el ancho de banda Þ

h

– Constante dieléctrica del substrato

e

r

Ø

Pequeñas dimensiones

Þ e

r

– Anchura de línea w

Ø

Pequeñas dimensiones Þ

w << l

g

/2

Ø

Disminuir la radiación de las líneas

Þ

w <<

l

g

/2

3.- Elección del sustrato

(16)

Ø Para un solo elemento:

• Ganancia típica: 5-7 dB

• Ancho de haz a -3dB: 60°-90°

Ø Efecto del dieléctrico (Ancho de haz, onda de superficie)

Ø Efecto del plano de masa y dieléctrico finitos

Plano finito, sin dieléctrico er=1 Plano finito, con dieléctrico

(17)

•El ancho de banda se define respecto a:

Ø

Impedancia de entrada

Ø

Polarización (relación axial)

Ø

Variación del diagrama de radiación en banda

•Para parches simples y dieléctricos delgado (

Þ

1-2%, ROE

< 2 (-9.542 dB))

•Se pueden desintonizar por tolerancias, cambios de

temperatura, presencia de radomos, etc.

•Para muchas aplicaciones se requieren anchos banda

mayores

(18)

Sonda coaxial :

ØRequiere soldadura

ØControl de la impedancia de entrada : impedancia inductiva con dieléctricos gruesos.

ØElimina la radiación espuria (bajo nivel)

ØLimitado ancho de banda

ØDifícil adaptación para substratos gruesos (h > 0.02l)

Línea microstrip :

ØEl más simple

ØControl de la impedancia de entrada

ØEl mismo substrato para parche y línea ØSubstratos gruesos Þ radiación espúria de

la línea y ondas de superficie

ØAcoplo entre parche y línea Þ generación de altos niveles de contrapolar

ØAncho de banda (típicamente: 2% y 5%)

ØLas líneas microstrip y las sondas coaxiales radian más con substratos de er bajos

Þafecta a peor el nivel de polarización cruzada y los niveles de lóbulos secundarios.

Lco

Rpar Lpar Cpar

Lli

Rpar Lpar Cpar

(19)

Acoplo por apertura :

ØEl que sufre menor contaminación por radiación espuria ØBuena pureza de polarización

ØDistinto substrato para parche y línea

ØTípicamente, se utiliza un material de alta constante dieléctrica para el substrato inferior y uno delgado y de menor constante dieléctrica para el superior

ØLongitud de la ranura : el nivel de acoplamiento está determinado principalmente por la longitud, así como el nivel de radiación trasera

ØTípicamente, se utilizan ratios de longitud/anchura de ranura = 10

ØPosición de la línea de alimentación respecto a la ranura: Para lograr un máximo acoplamiento, la línea de alimentación debe colocarse perpendicular a la ranura y en su punto central.

ØAnchura de la línea de alimentación: Para el nivel de acoplamiento a la ranura, las líneas estrechas se acoplan más fuertemente de las anchas.

Rpar Cpar

Cacop Lpar

(20)

Acoplo por proximidad :

ØBuena pureza de polarización

ØAusencia de radiación contrapolar

ØMayor ancho de banda (alcanza valores del 13%)

ØBaja radiación espuria

ØDistinto substrato para parche y línea

Cacop

Rpar Lpar Cpar

(21)

Alimentación por contacto directo vs. Alimentación por acoplo de energía

Ø

Ausencia de taladros que provoquen

difracciones

Ø

Dispositivos de banda estrecha

Ø

No conexión física entre la alimentación y el

elemento radiante

Ø

Alimentaciones por cable coaxial

o línea microstrip adaptadas en

muchos casos 50

W

Ø

Indeseable incremento en el espesor global

de la antena

Ø

Buena pureza de polarización

Ø

Alto nivel de polarización

cruzada

Ø

Buena supresión de modos de órdenes

altos

Ø

Alto nivel de lóbulos secundarios

(SLL)

Ø

Mejor adaptación a los arrays de antenas

Ø

Problemas de adaptación

Ø

Menor radiación espuria

Ø

Radiaciones indeseadas

6.- Diferentes formas de alimentación de un parche. Ventajas e

(22)

•El parche resuena en una de sus dimensiones (el largo L) y radia en la otra (el ancho W).

•Polarización : lineal, circular, dual •La impedancia de entrada es de:

– En el borde : 180W- 300W – En el centro : 0W Parche rectangular Plano de masa Substrato dieléctrico W L t

Líneas de campo para el modo principal: Modo TM010

Antena sectorial 65° & 90° polarización vertical

(23)

Plano E (Plano YZ)

Comparativa modelos y medidas del diagrama de radiación de un parche rectangular

Plano H Plano XZ

(24)

•Diseño: Modelo de línea de transmisión desarrollado por Derneryd [3]

En la práctica, para el primer modo resonante TM10, el parche rectangular se diseña fácilmente siguiendo los pasos descritos en [4].

§El cálculo del Ancho W se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahl y Bhartia :

El parámetro W no influye en la frecuencia de resonancia, por lo que en principio se podría variar.

ØSi se toma W menor, disminuye la eficiencia.

ØCon W mayor se obtiene mayor eficiencia, pero pueden aparecer modos de orden superior que modifican las distribuciones de campos.

§La longitud L se calcula como : Con: 2 1 0 2 1 2 -÷ ø ö ç è æ + = r f c W e l f c L eff D -= 2 2 0 e

(

)

(

)

0.3 0.264 0.412 0.258 0.8 eff eff W t l t W t e e æ ö + ç + ÷ è ø D = æ ö - ç + ÷ è ø 1 2 1 1 1 12 2 2 r r eff t W e e e -+ - æ ö = + ç + ÷ è ø

(25)

Compromiso de diseño de un parche rectangular

-alta

grueso

Robustez

-baja

delgado

Bajo peso

-baja

-Baja polarización cruzada

baja

baja

baja

-baja

baja

Permitividad

del substrato

e

r

ancho

grueso

Alta eficiencia de radiación

ancho

grueso

Menor sensibilidad frente a

tolerancias

-delgado

Baja radiación espuria

ancho

grueso

aumentar ancho de banda

-grueso

Bajas pérdidas en conductores

-delgado

Bajas pérdidas dieléctricas

Ancho W

del parche

Espesor t del

substrato

Requisito

(26)

Ø

Polarización : lineal, circular, dual

Ø

genera altos niveles de contrapolar XP

Þ

polarización dual o polarización

circular.

Plano de masa L L t Substrato dieléctrico Parche cuadrado Antena sectorial 90° polarización doble lineal ±

45° para PCS

(27)

ØPolarización : lineal, circular, dual

Øgenera altos niveles de contrapolar XP Þ polarización dual o polarización circular.

t

Plano de masa

Substrato dieléctrico er

Parche circular r

Aproximación: Diseño de un parche circular [6] p.755

9

8.791 10

r

F

f

e

×

=

1 2

2

1

ln

1.7726

2

r

F

r

t

F

F

t

p

pe

=

ì

é

æ

ö

ù

ü

+

+

í

ê

ç

÷

ú

ý

è

ø

ë

û

î

þ

f en [Hz], t y r en [cm] Antena para recepción de TV vía

satélite (DBS) a 12 GHz

(28)

• Longitud de la ranura: • Anchura de la ranura:

• Polarización: lineal, circular, dual • Excitado por el acoplo de campo

Plano de masa Metal t l w Substrato dieléctrico 2 g l = l 10 l

w= Antena para recepción de TV vía

satélite (DBS) a 12 GHz

Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz

(29)

§ Antena de parche rectangular cortocircuitado alimentado convencionalmente por sonda coaxial.

§ Sin substrato dieléctrico, trabaja únicamente con chapa metálica: ØParche rectangular :

ØLongitud del parche L = l0/4 ØCortocircuito

ØPlano de masa

Þ La longitud del parche de reduce de l0/2 a l0/4 situando un plano de cortocircuito entre el elemento radiante y el plano de masa siguiendo las líneas de campo

eléctrico sin que las características de funcionamiento se vean significativamente afectadas.

§ Aplicación típica: antena integrada en terminales comerciales de comunicaciones móviles.

Antena F invertida planar

7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F

(30)

•Características de funcionamiento de la antena: –Frecuencia de resonancia

–Ancho de banda –Campos radiados

–Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche y plano de masa)

•Parámetros importantes para determinar las características de funcionamiento de la antena:

ØTamaño del cortocircuito Ws Þ afecta en la distribución de corrientes ØRelación de aspecto entre lados del parche W/L (longitud L y ancho W) ØAltura h del parche sobre el plano de masa

Aumentando Ws

Ancho de banda aumenta

disminuyendo Ws

Aumentando h

Incrementando W/L

Frecuencia de resonancia disminuye

W L

h

7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F

(31)

– Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche) en una PIFA para

diferentes ratios W/L y diferentes Ws:

ØSe muestra cómo afectan Ws y la relación W/L a la distribución de corrientes en la cara inferior del parche a la frecuencia de resonancia ØPara W-Ws<L, la corriente fluye hacia el lado en circuito abierto, el lados más largo del parche.

ØAl contrario, para W-Ws > L, la corriente fluye hacia el circuito abierto en el lado estrecho del parche. Al disminuir Ws, la longitud efectiva que debe recorrer la

corriente es mayor Þ se logra

disminuir la fercuencia de resonancia de la antena, manteniendo el tamaño constante.

7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F

(32)

ØBanda ancha Þ10%

ØFrecuencia de resonancia múltiple ØVolumen reducido

ØFacilidad de fabricación

ØPolarización lineal ØGran flexibilidad en el diseño: estructuras

planas o tridimensionales

ØGanancia Þ7 - 8 dB

ØInfluencia del plano de masa: tamaño finito y pequeño introduce un alto nivel de componente contrapolar

ØNingún dieléctrico Þno aparición de ondas de superficie que deterioren el funcionamiento de la antena

En contra: A favor:

•Posición y orientación de la PIFA en el plano de masa

ØLa PIFA debe colocarse cerca de la esquina del plano de masa, donde el cortocircuito está colocado en el extremo del plano de masa.

Para un comportamiento óptimo en ganancia y ancho de banda

7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F

(33)

• Un parche microstrip con forma sencilla y alimentación

única produce un campo radiado de polarización lineal.

• La polarización cambia con difracciones y reflexión

• Se puede obtener polarización circular:

§

La polarización circular es una buena forma para

atenuar el efecto de reflexiones.

§

Para un solo elemento:

ØAlimentación única y formas específicas

ØAlimentación múltiple

§

Para arrays:

Ø

Rotación secuencial

• Se puede obtener polarización dual:

§

Para un solo elemento:

ØAlimentación múltiple y formas específicas

(34)

ØPolarización circular, excitación única:

• Se basan en la excitación de 2 modos ortogonales, casi degenerados (frecuencias de resonancia parecidas).

• Forma del parche: desviación de una geometría con modos degenerados.

• El punto de excitación es crítico para generar los 2 modos con idéntica amplitud.

• La condición de polarización circular se cumple a una frecuencia intermedia entre las dos resonancias (banda muy estrecha!).

D) Cuadrada con esquinas cortadas

B) Ligeramente elíptica

C) Cuadrada con ranura A) Ligeramente rectangular A B C D 45º -45º

8.- Polarización Circular

(35)

• Parche simétrico: circular o cuadrado.

• Dos puntos de excitación separados 90° y con desfasaje de 90°.

• Se consigue un ancho de banda mayor.

• La misma configuración sirve para polarización dual.

Ø

Polarización circular, 2 puntos de excitación:

(36)

• El desfase se puede conseguir mediante líneas de alimentación de distinta

longitud o bien mediante circuitos híbridos que consiguen el mismo efecto.

(37)

Doble parche rectangular

ØPolarización circular, 2 puntos de excitación y 2 elementos:

•Alimentados cada una por acoplo por apertura

•La misma configuración sirve para polarización dual

(38)

• Solo sirve para arrays.

• Se basa en subarrays de 4 elementos con polarización lineal. • La polarización esta girada 90° de un elemento a otro.

• Se consigue un ancho de banda mayor.

ØPolarización circular, rotación secuencial:

(39)

• En los últimos años, las antenas de parches microstrip de doble

polarización lineal han suscitado un gran interés por permitir duplicar la

capacidad de comunicación de una banda reutilizándola en polarización. Esto es lo que se está haciendo en muchos sistemas de comunicaciones actuales, tales como:

Ø Antenas de telefonía móvil

Ø Sistemas de satélites de comunicaciones

• La forma de parche cuadrado es la geometría habitual para este tipo de polarización:

Ø Inconveniente: generación de altos niveles de contrapolar por polarización dual o polarización circular

• Una antena de parches microstrip es capaz de radiar señales de doble polarización lineal :

Ø Si es excitada por dos puntos de alimentación ortogonales

Ø Dos alimentaciones independientes que se corresponden con dos polarizaciones lineales ortogonales individuales

(40)

Polarización dual

Ø Los dos puntos de alimentación son excitados de manera completamente independiente con igual

amplitud y fase.

Ø En arrays de antenas microstrip, la doble polarización se obtiene interconectando series de parches

doblemente polarizados.

Array de polarización dual 1/0°

1/0°

1/0° 1/0°

(41)

•El ancho de banda se puede mejorar :

ØEl método más simple y directo: Aumentado el volumen : Dieléctricos más gruesos con constante dieléctrica er baja.

§Ventajas:

-Aumenta el ancho de banda

-Aumenta la eficiencia

§Inconvenientes: substrato gruesoÞperdidas por formación de ondas de superficie

-Restan potencia del diagrama de radiación -Aumentan el nivel de lóbulos secundarios SLL ØCon parches parásitos coplanares (más resonancias) ØCon una red adaptadora externa

ØPerturbaciones resonantes ØParches apilados

ØCon configuraciones multicapa

Þmás resonancias

ÞAncho de banda

(42)

• Disminuir el ancho W (dimensión radiante) del parche Þaumenta el ancho de haz en acimut

• Espesor del substrato disminuye Þdisminuye el ancho de haz en acimut • La influencia del plano de masa finito en el diagrama de radiación, tiende

por lo general a reducir la anchura del haz por efecto de la difracción en el borde de dicho plano de masa

• Con parches parásitos coplanares al elemento radiante: – El diagrama de radiación es modificado según sea:

Ø La distancia de separación entre dichos parches parásitos y el elemento radiante

Ø La anchura de los parches parásitos

aumenta el ancho de haz en acimut

Si separamos más los parches parásitos del elemento radiante y aumentamos la anchura de los parches parásitos

(43)

Ø Con parches parásitos coplanares al elemento radiante

§ Ejemplo: Antenas sectoriales para sistemas DECT 3500 (Digital Enhanced Cordless

Telecommunications)

– Frecuencia: 3400-3600 MHz – 16 elementos

– Polarización : lineal vertical

Ancho de haz en azimuth a -3dB:

Sectorial 120° Sectorial 90° Sectorial 60° 120º±5º 90º±5º 60º±5º

• Las tres antenas han sido diseñadas con la misma red de alimentación y con la misma estructura de ranuras.

Ø Cambiando la estructura de los parches y la separación de estos con respecto al plano de las ranuras se han conseguido las especificaciones de ancho de haz en el plano horizontal

correspondientes a las antenas sectoriales de 60º, 90º y 120°.

(44)

Sectorial 90° diel #4 : 8mm L16 S90-120 ETSIT - S.R. MOYANO aluminio espesor 1.5mm P16 S120 L16 S90-120 P16 S90 ETSIT - S.R. MOYANO aluminio espesor 1.5mm L16 S90-120 ETSIT - S.R. MOYANO aluminio espesor 1.5mm P16 S60 Sectorial 120° diel #4 : 9mm Sectorial 60° diel #4 : 5mm

ØParche alimentado por acoplamiento a través de una ranura a una línea de transmisión.

diel. #1 diel. #2 diel. #3 metal #1 metal #2 diel. #4 diel.#5 ranura línea de alimentación metal #3 a b t w b2 h b1 diel. #1 diel. #2 diel. #3 metal #1 metal #2 diel. #4 metal #3 diel.#5 b3 parche ranura línea de alimentación

(45)

60º 90º

120º

(46)

11. Ejemplos de

diseño y análisis de antenas impresas microstrip con

programas

(47)

• Programas de líneas impresas:

Ø

AppCAD

Ø

Microwave Office

Ø

Agilent ADS

• Programas de líneas impresas y antenas:

Ø

Ansoft Ensemble v. 8.0 (Método de los Momentos (MoM))

Ø

CST Studio Suite 2006 (Ecuaciones Integrales de Maxwell

Þ

Finite

Integration Time Domain (FITD))

(48)

• f = 7.55 GHz • Polarización lineal s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 3 (cobre) Ancho = 2.46 mm Línea 50W er=2.2, tgd=0.0008, espesor: h= 0.794 mm Dieléctrico 2 Características Material h metal #2 Parche + línea 50 W diel. #1 W = 12.45mm L = 16mm x = 3.32mm L’ = 28.1mm L’’ = 32mm y = 8mm

Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006

(49)

Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006

(50)

• f = 1.9 GHz • Polarización lineal s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 3 (cobre) Ancho = 2.62 mm Línea 50W er=2.94, tgd=0.0008, espesor: h= 1.016 mm Dieléctrico 2 Características Material h metal #2 Parche + línea 50 W diel. #1 46.3 mm 46.3 mm 14.2 mm Simulación ENSEMBLE v. 8.0

(51)

• f = 2400 – 2500 MHz • Polarización lineal

s=107mhos/m, espesor=35 mm

Metal 3 (cobre)

Conductor eléctrico perfecto Plano de masa) er=2.33, tgd=0.045, espesor: h= 0.7 mm Dieléctrico 2 (Taconic) Características Material x y L= 40.6mm L= 40.6mm x = 15.25 mm, y = 20.3 mm h metal #3 parche diel. #2 sonda coaxial 50 W sonda coaxial: Æ 1.2mm

(52)

• f = 2400 – 2500 MHz • Polarización lineal

s=107mhos/m, espesor=35 mm

Metal 3 (cobre)

Conductor eléctrico perfecto Plano de masa er=2.33, tgd=0.045, espesor: h= 0.7 mm Dieléctrico 2 (Taconic) Características Material x = -9.2 mm h metal #3 parche diel. #2 sonda coaxial 50 W sonda coaxial: Æ 1.2mm x y r = 23mm L = 30mm L = 30mm

(53)

• f = 2400 – 2500 MHz • Polarización lineal s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 3 (cobre) er=1 , espesor(b2)=6.5mm Dieléctrico 1 (Aire) er=2.33, tgd=0.045, espesor: h= 0.5 mm Dieléctrico 2 (Taconic) Características Material x y L= 52mm L= 52mm x = 8 mm, y = 26 mm h b1 diel. #1 metal #3 parche diel. #2 sonda coaxial 50 W sonda coaxial: Æ 1.2mm

(54)

• f = 2920 MHz • Polarización lineal e r=2.62, tgd=0.004, espesor: h= 3.23 mm Dieléctrico 1 Anchura w = 4 mm, h1= 1.64mm Línea de alimentación 50W s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 2 (cobre) Características Material h1 metal #2 parche diel. #1 línea de alimentación 50W h2 h

Simulación con plano de masa infinito Simulación con plano de masa finito

(55)

• f = 36.7 – 37 GHz

• Polarización circular Metal 3 (cobre) s=107mhos/m, espesor=35 mm

er=2.17, tgd=0.0008, espesor: h= 0.5 mm Dieléctrico 2 Características Material h metal #2 parche diel. #1 sonda coaxial

(56)

• La anchura máxima de línea es de 0.47 mm, mientras que la inferior es de 0.36 mm. • Anchuras mayores empiezan a producir efectos de radiación considerables.

• Como consecuencia de la radiación de la línea que alimenta el parche radiante: Ø El valor de contrapolar (LHCP) es algo alto.

Ø En el caso del plano f=90º, existe una clara asimetría del diagrama de radiación

Þaumenta el valor de contrapolar.

Ø Se produce un claro empeoramiento de la relación axial para ángulos alejados

del máximo de radiación.

er=2.46, tgd=0.004, espesor: h =0.5 mm Dieléctrico2(Taconic TLX_0) s=6·107 mhos/m, espesor=17 mm Metalización1 (cobre) Características Material t h diel. #2 metal #1 0.47 mm •f = 36.85 GHz •Polarización circular

(57)

• Frecuencia: 3400-3600 MHz • Polarización : lineal vertical

• Ancho de haz en elevación a -3dB: 90°±5° • ROE < 1.25 diel. #1 diel. #2 diel. #3 metal #1 metal #2 diel. #4 diel.#5 ranura línea de alimentación metal #3 b t w b2 h b1 diel. #1 diel. #2 diel. #3 metal #1 metal #2 diel. #4 metal #3 diel.#5 b3 parche ranura línea de alimentación s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 3 (cobre) s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 1 (cobre) er=1.1+j0.001,tgd=0.001, espesor(b2)=3.7 mm Dieléctrico 3 (CP4) er=1.1+j0.001, tgd=0.001, espesor(b1)=10 mm Dieléctrico 1 (CP10) er=4.8, tgd=0.01, espesor=125 mm Dieléctrico 2 (Laminex) Espesor = 2mm Metal 2 (alumnio) er=1.1+j0.001, tgd=0.001, espesor(b2)=8mm Dieléctrico 4 (CP8) er=4.8+j0.08, tgd=0.041, espesor 1.5 mm Dieléctrico 5 (fibra de vidro)

Características Material W L b l a Tb Tl ll Wl

Parámetros del diseño

4.5 mm Ancho de línea 100W: wl

12 mm Distancia desde el centro de la

ranura - final del stub: a

6 mm Ancho de la ranura b 27.5 mm Longitud de la ranura l 18 mm Longitud Transformador lg/4: Tl 16 mm Longitud de línea ll 7.8 mm Ancho Transformador lg/4: Tb 23 mm Ancho del parche W

20 mm Longitud del parche L

(58)

• Resultados de simulación:

(59)

• Banda: 1710-1880 MHz • ROE <1.3 (-17.7 dB)

• Polarización: lineal vertical

• Ancho de haz en acimut : 65º±5º

s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 1 (cobre) s=107mhos/m, espesor=35 mm Metal 3 (cobre) er=1, espesor=12 mm Dieléctrico 1 (Aire) er=3, tgd=0.0001, espesor: h=1.58 mm Dieléctrico 2 (Taconic) Espesor = 2mm Metal 2 (alumnio) er=1, espesor=10mm Dieléctrico 3 (Aire) er=4.2, tgd=0.02, espesor: h = 1 mm Dieléctrico 4 (fibra de vidro)

Características Material

Parámetros del diseño

6 mm Ancho de la ranura b

30 mm Longitud de la ranura l

80 mm Ancho del parche W

59 mm Longitud del parche L

£40 mm Plano de masa Aire 1 Aire 2 Excitación Ranura Parche Fibra : er= 4.2, h= 1 mm Taconic : er= 3, h= 1.58 mm

(60)

• Banda: 1850-1990 MHz • ROE <1.3 (-17.7 dB)

• Polarización: doble lineal ±45º • Aislamiento : 26 dB.

• Nivel de radiación contrapolar: -18 dB • Ancho de haz en acimut : 90º±5º

60 mm 4 mm 42 mm 12 mm 20 mm 1 mm Elemento radiante: Longitud de la ranura: Ancho de la ranura: Lado del parche: Distancia parche-ranura: Radio interior del anillo: Anchura de la línea:

10 mm Dieléctrico (CP10)

2 mm Dieléctrico (Foam Rohacell)

8 mm Dieléctrico (Aire) espesor Parámetro: 1 2 110 W 110 W

(61)

75 W

75 W

2 1

(62)

Condición:

El acoplamiento del acoplador debe ser igual al conjugado del parámetro S21 del elemento radiante:

ØMódulo iguales ØFases conjugadas

• Mejora en el aislamiento entre puertas 2

1

11.- PCS (Personal Communications System)

(63)

[1] J.R. James, P.S. Hall, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEE Electromagnetic waves series, Peter Peregrinus Ltd, 1989.

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[12] J. Torres Martín, “Diseño, Análisis, Construcción y Medida de antenas para el sistema PCS de Telefonía Móvil”, Proyecto fin de carrera, 2004.

[13] M. Martínez-Vázquez, “Antenas Integradas para Terminales Móviles de Tercera Generación”, Tesis Doctoral, Valencia 2003.

Referencias

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