Arreglo de antenas de microtira para aplicaciones satelitales

(1)

para Aplicaciones Satelitales

por

Brian Juli´

an S´

anchez Ruiz

Tesis sometida como requisito parcial para obtener el

grado de

MAESTRO EN CIENCIAS EN EL ´

AREA DE

CIENCIA Y TECNOLOG´

IA DEL ESPACIO

en el

Instituto Nacional de Astrof´ısica,

´

Optica y Electr´

onica

Agosto 2018

Tonantzintla, Puebla

Bajo la supervisi´

on de:

Dr. Roberto Stack Murphy Arteaga

Investigador Titular INAOE

c

INAOE 2018

El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y

distribuir copias parcial o totalmente de esta tesis

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El siguiente trabajo esta dedicado a todas esas personas que influyeron en mi y que me apoyaron hasta el final de esta parte de mi vida.

A mi familia.

Por el apoyo y comprensión que me dieron al empezar y culminar esta parte de mi vida. Los consejos y la buena vibra otorgada. Y no menos importante, por la motivación y cariño que me dieron de principio a fin con lo cual me impulsaron en mi superación personal.

A mis amigos.

Por el apoyo académico y persona, además de esos buenos momentos que ayuda-ron a disminuir el estrés y la presión aparente, as´ı como la compañ´ıa y la buena vibra compartida durante todo este viaje.

A mi asesor.

Por la gu´ıa constante, apoyo y motivación que al final se convirtieron en una pie-za clave para mi superación académica y de investigación cient´ıfica aqu´ı lograda.

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Gracias a mi familia que estuvo conmigo de principio a fin y que sin ellos no tendr´ıa la motivación suficiente para lograr alcanzar las metas propuestas hasta este momento. Gracias por esa buena vibra y cariño que me otorgaron y que fue de gran apoyo en todo este tiempo mientras se realizaba este trabajo y los demás que se realizaron y están por venir.

Un agradecimiento y felicitación a mis compañeros y amigos que estuvieron presentes durante esta etapa y que gracias a ellos el estrés y presión se volvió menor. Que esta amistad dure mucho tiempo.

Gracias a mi asesor de tesis el Dr. Roberto Stack Murphy Arteaga por darme esa gu´ıa y compartirme el conocimiento pertinente que fue provechoso para lograr alcanzar esta meta. As´ı como disminuir la complejidad del trabajo y aumentar las capacidades m´ıas para la investigaci´on y resoluci´on de problemas.

Y no menos importante un agradecimiento al INAOE, instituto donde me su-peré en el carácter personal y academico, por haberme dado la oportunidad de ser parte de esta comunidad y as´ı lograr aprovechar de todas las ventajas que se tienen al ser un estudiante más en este maravilloso espacio.

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En este trabajo se realiza un arreglo de antenas de microtira de tipo parche rectangular para operar a 14 GHz, una frecuencia de aplicaciones satelitales es-pec´ıficamente en la banda Ku. Este arreglo es de 2x2 e incluye una modificación en el plano de tierra utilizando la técnica DGS, mejorando y cambiando el com-portamiento del arreglo en sus diferentes parámetros de funcionamiento.

Para su simulación se utilizó el programa HFSS de ANSYS Electronics y los cálculos de las medidas en cada sección del arreglo en MATLAB. Las medidas utilizadas para estas simulaciones, as´ı como los materiales y modelo implementa-dos son buscando una proximidad a la realidad en comportamientos: utilización de bloques y materiales diseñados en el programa con caracter´ısticas reales para su fabricación, además de ajustar las medidas con el menor número de decimales para realizar una fabricación más simple y precisa.

Se obtiene un mejoramiento de los parámetros a nivel simulación donde los parámetros S11 van de ser -31.8302 dB a -37.9741 dB, una razón de onda

estacio-naria (VSWR) de 0.4451 dB a 0.2194 dB y una resistencia de entrada de 50.986 Ω a 49.7038 Ω, todo esto con la implementaci´on de la t´ecnica DGS.

Se fabricó el arreglo teniendo el plano de tierra modificado con DGS y sin esta modificación, obteniendo resultados en las mediciones donde la frecuencia central del arreglo sin DGS se encuentra en el orden de 13.4 GHz, mientras que con DGS es del orden de 13.8 GHz, además se mejora el ancho de banda y se verifica el mejoramiento de las figuras de mérito utilizando la técnica DGS y trabajando en aplicaciones en la banda Ku.

Palabras clave: Arreglo de antenas de microtira, banda Ku, t´ecnica DGS.

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This thesis presents the design of a microstrip array for the 14 GHz band. This frequency, in the ku-band, is significally used for satellite comunications. The array consists of four antennas in a 2x2 configuration and uses DGS techni-ques to adjust some parameter values.

The array was simulated on HFSS (ANSYS Electronics), with values calcu-lated using MATLAB. The simulations were defined in a way that the structure approached a real one the most, by using 3D blocks and accurate material values.

By having a DGS plane, S11shifts from -31.8302 dB to -37.9741 dB; VSWR

at-tain a value of 0.2194 dB (in contrast to 0.4451 dB for the not degenerate ground plane); whereas the imput impedance goes from almost 50.986 Ω to 49.7038 Ω.

The array was fabricated having measure results which the radiation frequency is in the order of 13.4 GHz without DGS and 13.8 GHz with DGS, the band width is improved with this modification and is verified more improvements of parame-ters values using DGS technique.

Key words: Microstrip array, Ku-band, DGS technique.

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1. Introducci´on 1

1.1. Banda ku y aplicaciones . . . 2

1.2. Uso de la t´ecnica DGS (Defected Ground Structure) . . . 2

1.3. Ventajas y desventajas encontradas en este trabajo . . . 3

1.3.1. Ventajas . . . 3

1.4. Justificaci´on y aplicaci´on del proyecto . . . 4

2. Marco te´orico 7 2.1. Antenas de microtira tipo parche rectangular . . . 7

2.2. Arreglo de antenas de microtira . . . 8

2.3. Estructura de tierra tefectuosa o modificada (DGS) . . . 10

2.4. Estado del arte . . . 11

2.4.1. Dise˜no de antena tipo parche utilizando una estructura de tierra defectuosa DGS [10] . . . 12

2.4.2. Mejora de ancho de banda utilizando DGS en una antena tipo parche para aplicaciones en la banda K y Ka [11] . . . 14

2.4.3. Nuevo diseño de tierra perforada en forma de panal de abe-jas para antena de parche con alta ganancia para servicio fijo de radiodifusión, movil y frecuencia de bajada para apli-caciones satélitales[12] . . . 17

2.4.4. Diseño de una antena en forma de hexadecágono circular con DGS para banda Ku y comunicaciones satelitales [13] . 20 2.4.5. DGS en forma de moño para reducir el acoplamiento entre elementos de un arreglo plano [14] . . . 24

2.4.6. Estudio de la configuraci´on de alta ganancia utilizando un par de aberturas en forma de anillos desplazados para apli-caciones en GSAT [15] . . . 26

2.4.7. Diseño de un arreglo de antenas de 2x2 con supresión de armónicos utilizando una abertura en forma de T en el uso de DGS y l´ınea ranurada [16] . . . 31

2.4.8. Estructura de tierra modificada integrada a un arreglo de antenas de microtira para mejorar propiedades de radiaci´on [17] . . . 35

2.4.9. Resumen de resultados del estado del arte . . . 39

(12)

3. Desarrollo te´orico 41

3.1. Ecuaciones y procedimiento de dise˜no . . . 41

3.2. Dise˜no de Antena con 50 Ω . . . 47

3.2.1. C´alculos para el dise˜no del parche rectangular . . . 47

3.2.2. Simulaciones y resultados de la antena . . . 48

3.3. Dise˜no de Antena con 100 Ω . . . 57

3.3.1. Simulaciones y resultados de la antena . . . 58

3.4. Dise˜no del Arreglo . . . 65

3.5. Inclusi´on de DGS en el arreglo . . . 77

3.6. Discusión y comparación de resultados de simulación . . . 87

3.6.1. Mejoras y contribuciones del trabajo en comparaci´on a los art´ıculos reportados . . . 88

4. Fabricación y medición del arreglo 91 4.1. Medición a 2 cm. de separación . . . 94

4.1.1. Mediciones y resultados del arreglo sin DGS: . . . 94

4.1.2. Mediciones y resultados del arreglo con DGS: . . . 96

4.2. Medici´on a 5 cm. de separaci´on . . . 98

4.2.1. Medici´on y resultados del arreglo sin DGS: . . . 98

4.3. Medici´on con una separaci´on no definida y sin direccionarse . . . 100

4.3.1. Medici´on y resultados del arreglo sin DGS: . . . 101

4.4. Comparaci´on de resultados y comentarios . . . 104

4.5. Justificaci´on de los resultados . . . 105

5. Conclusiones 107 6. Trabajos futuros 109 Referencias . . . 110

(13)

1.1. Ejemplo de aplicaci´on que puede ser utilizada para el arreglo de

este trabajo [21] . . . 5

2.1. Dise˜no de la antena de microtira tipo parche rectangular [3] . . . 7

2.2. Diferentes dise˜nos de antenas microtira [3] . . . 8

2.3. Arreglo en Serie (1x4) [3] . . . 9

2.4. Arreglo en paralelo con una sola l´ınea de transmisi´on (4x1) [3] . . 9

2.5. Arreglo en paralelo hacia un punto (2x2) [5] . . . 9

2.6. Arreglo en paralelo hacia un punto (4x4) [5] . . . 10

2.7. Ejemplos de geometr´ıas comunes en DGS [10] . . . 10

2.8. Algunas configuraciones comunes para DGS en LT. a) Aberturas, b) L´ıneas serpenteadas, c) Variaci´on de aberturas con figuras, d) Aberturas tipo mancuerna [8]. . . 11

2.9. Dise˜no de la antena a) Parche dise˜nado para 10 GHz, b) Plano de tierra con DGS [10] . . . 12

2.10. Resultados presentados en el art´ıculo, con una antena utilizando DGS [10] . . . 13

2.11. Dise˜no de la antena a) vista superior, b) vista inferior [11] . . . . 14

2.12. P´erdidas por retorno con plano de tierra normal [11] . . . 15

2.13. Pérdidas por retorno con plano de tierra modificado (DGS) [11] . 15 2.14. Patrón de radiación de la antena [11] . . . 16

2.15. Diseño de la antena con su modificación en el plano de tierra [12] 17 2.16. Parámetro S11 y ancho de banda de la antena [12] . . . 18

2.17. Antena fabricada [12] . . . 18

2.18. P´erdidas por retorno medidas de la antena [12] . . . 19

2.19. Dise˜no de la antena con DGS [13] . . . 20

2.20. P´erdidas por retorno de las dos antenas (comparaci´on) [13] . . . . 21

2.21. Antena fabricada con la ranura en forma de anillo [13] . . . 21

2.22. Plano de tierra modificado con DGS [13] . . . 21

2.23. P´erdidas por retorno en HFSS, CST y las medidas [13] . . . 22

2.24. Patr´on de radiaci´on (ganancia) a 13.67 GHz [13] . . . 22

2.25. Patr´on de radiaci´on (ganancia) a 15.28 GHz [13] . . . 23

2.26. Dise˜no del arreglo con su respectivo plano de tierra [14] . . . 24

2.27. Arreglo con modificaciones y el original sin modificar [14] . . . 25

(14)

2.28. Par´ametros S11 de la antena con y sin DGS (simulado y medido)

[14] . . . 25

2.29. Dise˜no de la antena con sus respectivas aberturas [15] . . . 27

2.30. Primer arreglo de 1x2 sin DGS [15] . . . 27

2.31. Coeficiente de reflexi´on del arreglo de 1x2 sin DGS [15] . . . 28

2.32. Dise˜no de segundo arreglo de 1x4 sin DGS [15] . . . 28

2.33. Coeficiente de reflexi´on del arreglo de 1x4 sin DGS [15] . . . 29

2.34. Arreglo final de 1x2 con DGS [15] . . . 29

2.35. Coeficiente de reflexi´on del arreglo final de 1x2 con DGS [15] . . . 30

2.36. Dise˜no de la antena, arreglo de 2x2 y ubicaci´on de las diferentes capas del arreglo [16] . . . 31

2.37. Modificaci´on en la l´ınea de transmisi´on y el plano de tierra del arreglo [16] . . . 32

2.38. Arreglo fabricado [16] . . . 32

2.39. P´erdidas por retorno del parche con y sin la abertura [16] . . . 33

2.40. P´erdidas por retorno antes y despu´es de las modificaciones en el arreglo [16] . . . 33

2.41. P´erdidas por retorno del arreglo simulado y medido [16] . . . 34

2.42. Dise˜no del arreglo utilizado en el trabajo [17] . . . 35

2.43. Arreglo, vista frontal [17] . . . 36

2.44. Arreglo, vista trasera con la modificaci´on DGS [17] . . . 36

2.45. Par´ametros S, simulados y medidos a lo largo del Plano E [17] . . 37

2.46. Par´ametros S, simulados y medidos a lo largo del plano H [17] . . 37

2.47. Patr´on de radiaci´on en el plano E [17] . . . 38

2.48. Patr´on de radiaci´on en el plano H [17] . . . 38

3.1. Efecto y expansi´on del parche por efectos electr´ıcos [3] . . . 42

3.2. Parche con l´ınea incrustada [3] . . . 43

3.3. Alimentaci´on por sonda a trav´es del substrato [3] . . . 45

3.4. Adaptaci´on de impedancias en un arreglo de 2x2 [5] . . . 45

3.5. Arreglo con acoplamiento de impedancias (dise˜nado en este proyecto) 46 3.6. Diagrama de flujo representando el procedimiento de dise˜no para las dimensiones de la antena . . . 49

3.7. Dise˜no de la antena con l´ınea de 50Ω y a 14 GHz . . . 51

3.8. Modelo de la antena en HFSS . . . 51

3.9. Par´ametro S11 de la antena con medidas ajustadas . . . 52

3.10. Impedancia (parte real e imaginaria) . . . 52

3.11. VSWR . . . 53

3.12. Ganancia de la antena en el haz principal . . . 53

3.13. Directividad de la antena en el haz principal . . . 54

3.14. Ganancia PR . . . 54

3.15. Ganancia PR (Vista superior (theta = 0) . . . 55

3.16. Directividad PR . . . 55

3.17. Directividad PR (vista superior (theta = 0) . . . 56

(15)

3.21. Par´ametros S11 de la antena con medidas ajustadas . . . 60

3.22. Impedancia (parte real e imaginaria) . . . 60

3.23. VSWR . . . 61

3.24. Ganancia de la antena en el haz principal . . . 61

3.25. Directividad de la antena en el haz principal . . . 62

3.26. Ganancia PR . . . 62

3.27. Ganancia PR (Vista superior (theta = 0) . . . 63

3.28. Directividad PR . . . 63

3.29. Directividad PR (vista superior (theta = 0) . . . 64

3.30. Simulación de la antena con el patrón de radiación (ganancia) . . 65

3.31. Arreglo con impedancias deseadas en cada l´ınea . . . 66

3.32. Arreglo con variables en cada secci´on . . . 66

3.33. Modelo del arreglo con medidas . . . 68

3.34. Los tri´angulos usados para cortar las puntas y uniones del arreglo 68 3.35. Modelo del arreglo simulado . . . 69

3.36. Par´ametro S11 del arreglo simulado con medidas ajustadas . . . . 70

3.37. Impedancia de entrada del arreglo (parte real e imaginaria) . . . . 70

3.38. VSWR del arreglo con medidas ajustadas . . . 71

3.39. Ganancia del arreglo en el haz principal . . . 71

3.40. Directividad del arreglo en el haz principal . . . 72

3.41. Ganancia PR del arreglo . . . 72

3.42. Ganancia PR (Vista superior (theta = 0) del arreglo . . . 73

3.43. Ganancia PR (Vista superior (phi= 90◦) del arreglo . . . 73

3.44. Directividad PR del arreglo . . . 74

3.45. Directividad PR (vista superior (theta = 0) del arreglo . . . 74

3.46. Directividad PR (vista superior (phi= 90◦) del arreglo . . . 75

3.47. Simulación del arreglo con el patrón de radiación (ganancia) . . . 76

3.48. Conector SMA-Jack montable con dos orificios para l´ıneas de trans-misi´on tipo microtira . . . 76

3.49. Modelo del conector dentro de la simulaci´on del arreglo (vista lateral) 77 3.50. Conector insertado en el arreglo . . . 77

3.51. Patr´on utilizado para la t´ecnica DGS . . . 78

3.52. DGS implementado en el plano de tierra del arreglo . . . 78

3.53. Arreglo con DGS (vista superior - arreglo) . . . 79

3.54. Arreglo con DGS (vista inferior - plano de tierra modificado) . . . 79

3.55. Par´ametro S11 del arreglo simulado con DGS . . . 80

3.56. Impedancia de entrada del arreglo con DGS (parte real e imaginaria) 81 3.57. VSWR del arreglo con DGS . . . 81

3.58. Ganancia del arreglo en el haz principal . . . 82

3.59. Directividad del arreglo en el haz principal . . . 82

3.60. Ganancia PR del arreglo con DGS . . . 83

(16)

3.62. Ganancia PR (Vista superior (phi= 90◦) del arreglo con DGS . . 84 3.63. Directividad PR del arreglo con DGS . . . 84 3.64. Directividad PR (vista superior (theta = 0) del arreglo con DGS . 85 3.65. Directividad PR (vista superior (phi= 90◦) del arreglo con DGS . 85 3.66. Simulación del arreglo con DGS incluyendo el patrón de radiación

(ganancia) . . . 86 3.67. Modelo del conector dentro de la simulaci´on del arreglo con DGS(vista

lateral) . . . 86 3.68. Conector insertado en el arreglo, creando una intersecci´on entre el

puerto y el DGS . . . 87

4.1. Comparación entre el tamaño del arreglo y una moneda nacional mexicana (arreglo vista superior) . . . 91 4.2. Comparación entre el tamaño del arreglo y una moneda nacional

mexicana (arreglo vista inferior o plano de tierra) . . . 92 4.3. Comparaci´on de la placa y el dise˜no DGS con una moneda nacional

mexicana . . . 92 4.4. Arreglo con el conector SMA soldado en la parte inferior (plano de

tierra sin DGS) . . . 93 4.5. Arreglo con el conector SMA soldado en el plano de tierra con DGS 93 4.6. Base con los dos arreglos en medición a 2 cm. de separación . . . 94 4.7. Parámetros S del arreglo sin DGS a 2 cm. de separación . . . 94 4.8. Resistencia y reactancia del arreglo sin DGS a 13.3897 GHz . . . 95 4.9. Parámetros S del arreglo con DGS a 2 cm. de separación . . . 96 4.10. Resistencia y reactancia del arreglo con DGS a 13.7998 Ghz . . . 97 4.11. Parámetros S del arreglo a 5 cm de distancia y sin DGS . . . 98 4.12. Impedacia de entrada del arreglo a 5 cm de distancia y sin DGS . 99 4.13. Parámetros S del arreglo con DGS a 5 cm. de separación . . . 99 4.14. Resistencias y reactancias del arreglo con DGS . . . 100 4.15. Resistencias y reactancias del arreglo con DGS . . . 101 4.16. Parámetros S del arreglo a una separación no definida y sin DGS . 101 4.17. Impedacia de entrada del arreglo con una separación no definida y

sin DGS . . . 102 4.18. Par´ametros S del arreglo con DGS a una separaci´on no definida . 103 4.19. Resistencias y reactancias del arreglo con DGS . . . 103

(17)

1.1. Bandas de frecuencia, para comunicaciones y radar [1] . . . 1

1.2. Aplicaciones de la banda Ku [2] . . . 2

2.1. Ventajas y desventajas de las antenas de microtira . . . 8

2.2. Resultados mostrados en el trabajo investigado [10] . . . 14

2.5. Resultados simulados y medidos de la antena [13] . . . 23

2.6. Resultados simulados y medidos del arreglo con y sin DGS [14] . . 26

2.7. Resultados de las diferentes simulaciones de la antena y arreglos, con y sin DGS [15] . . . 30

2.8. Resultados simulados y medidos del arreglo con modificaciones [14] 34 2.9. Antenas con DGS . . . 39

2.10. Arreglos con DGS . . . 39

3.1. Medidas de la antena calculadas, ajustadas en simulaci´on y el error del ajuste a 14 GHz . . . 48

3.2. Resultados de la simulaci´on en HFSS de la antena a 50 Ω y a 14 GHz . . . 58

3.3. Medidas de la antena calculadas, ajustadas en simulaci´on y error del ajuste a 14 GHz y 100Ω de impedancia . . . 58

3.4. Resultados de la simulaci´on en HFSS de la antena a 100 Ω y a 14 GHz . . . 64

3.5. Variables asignadas para el arreglo con su respectivo valor calculado 67 3.6. Variables con un valor ajustado y error de dicho ajuste en la simu-laci´on . . . 67

3.7. Medidas de cada lado de los tri´angulos utilizados para cortar sec-ciones del arreglo . . . 69

3.8. Resultados de simulaciones del arreglo con y sin DGS a 14 GHz . 87 4.1. Comparaci´on de resultados simulados y medidos sin DGS . . . 104

4.2. Comparaci´on de resultados simulados y medidos con DGS . . . . 105

(18)

(19)

Introducci´

on

En este proyecto se desarrolla un arreglo de antenas, con el objetivo de crear un dispositivo versátil con el cual se propone el uso de nuevas técnicas y la im-plementación de mejoras en alguna técnica existente para las comunicaciones satelitales. El arreglo estará compuesto de antenas de tipo microtira.

Se busca ampliar y mejorar las capacidades que poseen las antenas de tipo microtira en la frecuencia deseada. La mejora se realiza creando un arreglo con modificaciones en el plano de tierra, se plantea variar e incrementar la eficiencia de los parámetros de comportamiento de las antenas (patrón de radiación, direc-tividad, ganancia, etc.). Las antenas están diseñadas para operar en la banda Ku, que presenta las frecuencias que se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1.1: Bandas de frecuencia, para comunicaciones y radar [1] Nombre de la banda Frecuencias

HF 3-30 MHz

VHF 30-300 MHz UHF 300-1000 MHz

L 1-2 GHz

S 2-4 GHz

C 4-8 GHz

X 8-12 GHz

Ku 12-18 GHz

K 18-27 GHz

Ka 27-40 GHz

V 40-75 GHz

W 75-110 GHz

Ondas milim´etricas 110-300 GHz

(20)

1.1. Banda ku y aplicaciones

La banda Ku comprende las frecuencias de 12 a 18 GHz, que son utilizadas en su mayor´ıa para aplicaciones satelitales, dentro de las cuales se encuentra el Servicio Satelital Fijo (FSS - Fixed Satellite Service), que representa el servicio de telefon´ıa móvil y permite a los usuarios que lo utilizan realizar o recibir llamadas de celular en áreas especificas (en donde haya cobertura y el servicio se encuentre disponible). También se encuentra el Servicio Satelital de Radiodifusión (BSS -Broadcasting Satellite Service), utilizado para la transmisión de canales de tele-visión y radio en las diferentes regiones del mundo.

En la siguiente tabla se muestra la distribuci´on de frecuencias que operan en la banda Ku [2].

Tabla 1.2: Aplicaciones de la banda Ku [2] Servicio Frecuencia Aplicaci´on

FSS 14 GHz Subida FSS 11.7-12.2 GHz Bajada BSS 12.2-12.7 GHz Subida/Bajada

Con esa información vemos que la frecuencia de 14 GHz se encuentra dentro del rango de utilización en las comunicaciones satelitales, siendo esta frecuencia utilizada en este trabajo para realizar el diseño de las antenas y el arreglo. La frecuencia de 14 GHz también se encuentra dentro de la banda ku y los servicios disponibles en esta banda, por lo que, el diseño planteado en este trabajo también propone la realización de técnicas con las cuales se pueden tener un mejoramiento en el ancho de banda y acoplamiento del arreglo.

1.2. Uso de la t´

ecnica DGS (Defected Ground

Structure)

Se utiliza la técnica de Estructura de Tierra Modificada (DGS), que consiste en la modificación del plano de tierra creando aberturas y ranuras en el mismo plano, que cambian los parámetros de comportamiento de una antena o arreglo de antenas. Se modifican entonces, los parámetros más importantes como son el parámetro S11, la razón de onda estacionaria (VSWR), la impedancia de entrada

y el acoplamiento del arreglo, el ancho de banda, entre otros.

Se investigaron algunos trabajos que hacen uso de la t´ecnica DGS y que tienen caracter´ısticas similares a las que se presentan en este trabajo (presentados en el

(21)

siguiente cap´ıtulo). La mayor´ıa de estos trabajos hacen uso de DGS y alguna mo-dificaci´on en las propias antenas para mejorar el comportamiento y par´ametros de salida.

En este proyecto se ocupa únicamente la técnica DGS para el diseño del arre-glo sin la realización de alguna otra modificación.

1.3. Ventajas y desventajas encontradas en este

trabajo

Tomando en cuenta que se realiza un arreglo con antenas de tipo parche rec-tangular de microtira, la frecuencia central a 14 GHz y el uso de la técnica DGS se encuentran las siguientes ventajas y desventajas en el diseño y realización del trabajo.

1.3.1. Ventajas

Las ventajas que este proyecto presenta son las siguientes:

Facilidad en el dise˜no, ya que se utilizan c´alculos y modelos de la antena parche, adaptando las diferentes dimensiones de las antenas utilizadas en la arquitectura del arreglo.

Utilización de un arreglo de 2x2 y la técnica DGS en altas frecuencias, que no han sido utilizadas en ninguno de los trabajos investigados (véase el es-tado del arte en 2.4).

Uso de la técnica DGS para mejorar las figuras de mérito sin alterar el ran-go de frecuencias de trabajo. Adaptando medidas y diseños para mantener como frecuencia central 14 GHz.

Diseño único en el que se crea las figuras y aberturas del DGS, personalizan-do el diseño del plano de tierra a una estructura que no haya sido diseñada anteriormente o en algún otro trabajo similar.

Diseño con medidas ajustadas a pocos decimales para una fabricación sim-ple. Además de la realización de simulaciones haciendo uso de sólidos (re-ferente a los distintos bloques de diseño), con caracter´ısticas especificas en

(22)

los materiales utilizados en simulaci´on (grosor, volumen del cobre, sustrato, etc.) para recrear comportamientos que sean lo m´as cercanos a la realidad y no ideales.

Desventajas

Y aunque existan muchas ventajas al realizar el arreglo, tambi´en se tienen algunas desventajas presentadas a continuaci´on:

El plano de tierra modificado con DGS puede generar una radiaci´on se-cundaria creando l´obulos laterales y secundarios que pueden afectar a la ganancia total.

La frecuencia de trabajo es muy alta y el comportamiento del arreglo es susceptible a cambios si se modifican las medidas de las antenas.

No se puede recrear de manera exacta todas las condiciones que se pue-den encontrar en la realidad en las simulaciones, esto se debe al uso de sustratos que no han sido caracterizados a la frecuencia de 14 GHz. En la fabricación del arreglo se deben utilizar sustratos que están a nuestra dispo-sición y estos no presentan las caracterizaciones necesarias para el proyecto.

La fabricación del arreglo debe tener dimensiones y secciones muy exactas y cercanas al diseño de la simulación para no presentar pérdidas ni cambios en el comportamiento del mismo.

Por el dise˜no planteado y por el uso de antenas de tipo microtira, la eficien-cia de radiaci´on puede ser bastante baja (e ¡90 %).

1.4. Justificaci´

on y aplicaci´

on del proyecto

En este proyecto se realiza el diseño de un arreglo el cual propone una nueva técnica en comunicaciones la cual opere en frecuencias que se encuentran en la banda Ku, cabe resaltar que se utiliza la técnica DGS para su implementación. La técnica DGS es muy poco estudiada, por lo que en este trabajo se utilizará y se analizará las ventajas y desventajas que la técnica DGS puede brindar en el desarrollo de arreglos para comunicaciones.

En la actualidad existen muchos trabajos enfocados en la realizaci´on de an-tenas y arreglos con DGS, pero ninguno que opere en la banda Ku como en este

(23)

trabajo.

La utilización propuesta en este trabajo para el arreglo diseñado en la banda Ku, es para la comunicación entre un dron y un satélite en donde la aplicación más usual es para la telemetr´ıa de dicho dron y la detección de riesgos en zonas de guerra o con desastres naturales.

Figura 1.1: Ejemplo de aplicaci´on que puede ser utilizada para el arreglo de este trabajo [21]

(24)

(25)

Marco te´

orico

En este proyecto se realiza un arreglo para comunicaciones satelitales y se bus-ca realizar la interacción de estación terrestre a satélite. Para realizar este enlace es necesario ajustar la frecuencia del arreglo a 14 GHz (véase 1.2). Por esta razón es utilizada una antena de tipo microtira que es útil para estas frecuencias y que además presenta caracter´ısticas de diseño simples de calcular y modelar, además de su instalación, además de ser antenas discretas y fáciles de manipular.

2.1. Antenas de microtira tipo parche

rectangu-lar

Las antenas de tipo microtira (microstrip en inglés) son las antenas que, como su nombre lo dice están hechas en una tira de conductor sobre una placa de un material dieléctrico o substrato aislante [3].

Figura 2.1: Dise˜no de la antena de microtira tipo parche rectangular [3]

(26)

Estas antenas se pueden ver como antenas impresas en una placa. Pueden ser de varias formas geom´etricas, desde cuadradas, rectangulares y circulares, has-ta anillos circulares, dipolares, etc. En este trabajo se utiliza la forma rechas-tangular.

Figura 2.2: Diferentes dise˜nos de antenas microtira [3]

Las antenas de microtira poseen muchas ventajas y desventajas en cuanto a dise˜no y comportamiento, algunas de las cuales se enumeran a continuaci´on:

Tabla 2.1: Ventajas y desventajas de las antenas de microtira

Ventajas Desventajas

- Dise˜no reducido y f´acil de integrar - Factor de calidad alto (Q >100) - Alto rendimiento en aplicaciones - Ancho de banda reducido

de alta frecuencia - Baja eficiencia - Manufactura simple y barata utilizando - Baja potencia

la tecnolog´ıa de circuitos impresos - Baja pureza de polarización - Puede ser montada en cualquier - Pérdidas ocasionadas por ondas superficie por su soporte mecánico superficiales en el substrato

dado por el substrato - Criterios de dise˜no muy estrictos - Son f´aciles de acoplar

2.2. Arreglo de antenas de microtira

Las antenas de microtira no sólo pueden ser utilizadas de formal individual, sino que también se pueden diseñar arreglos de estas antenas. Los arreglos ayudan a mejorar el comportamiento de varios aspectos de radiación que no se encuen-tran al utilizar una simple antena. Un arreglo puede mejorar la directividad, la ganancia, entre otras caracter´ısticas [3], [4], [5].

(27)

Los arreglos de tipo microtira pueden ser de varios tipos y con un número indefinido de antenas, entre los diseños más comunes se encuentran los siguientes:

Figura 2.3: Arreglo en Serie (1x4) [3]

Figura 2.4: Arreglo en paralelo con una sola l´ınea de transmisi´on (4x1) [3]

Figura 2.5: Arreglo en paralelo hacia un punto (2x2) [5]

En este proyecto se opta por realizar el dise˜no de un arreglo de 2x2, utilizando la alimentaci´on por medio de un puerto incrustado en el centro, tal y como se puede ver en el arreglo de 4x4 (Figura 2.6).

(28)

Figura 2.6: Arreglo en paralelo hacia un punto (4x4) [5]

2.3. Estructura de tierra tefectuosa o

modifica-da (DGS)

La técnica DGS (Defected Ground Structure) es utilizada para modificar, me-jorar o cambiar algunas caracter´ısticas y parámetros encontrados ya sea en una l´ınea de transmisión o una antena de tipo microtira. Esta técnica consiste, como su nombre lo dice, un cambio en la estructura del plano de tierra realizando aber-turas [6], [7], [8], [9]. Algunas de las formas más comunes de DGS se muestran en la figura 2.7.

(29)

Las modificaciones en el plano de tierra alteran la distribución de corriente en la superficie del mismo, dando como resultado una excitación y propagación controlada por las ondas electromagnéticas a través de la placa de substrato. Esta alteración también cambia las caracter´ısticas de una l´ınea de transmisión como puede ser la capacitancia y la inductancia de la misma, dando una mejor´ıa en la capacitancia e inductancia efectiva [9].

En l´ıneas de transmisión y filtros realizados en microtira, los cambios del com-portamiento por el uso de DGS son según la geometr´ıa de las aberturas realizadas en la modificación. El circuito, l´ınea o filtro podrá comportarse de diferente mane-ra, por ejemplo, una l´ınea con DGS podrá acoplarse más fácilmente a los puntos donde quiera ser conectada, podr´ıa hasta comportarse como un filtro si se ocupa la geometr´ıa adecuada [6], [8].

Figura 2.8: Algunas configuraciones comunes para DGS en LT. a) Aberturas, b) L´ıneas serpenteadas, c) Variaci´on de aberturas con figuras, d) Aberturas tipo mancuerna [8].

En antenas la técnica DGS funciona de tal manera que ayuda al acoplamiento de las l´ıneas con la antena, o con el punto de carga, mejora el ancho de banda, reduce los armónicos de salida y reduce el tamaño de fabricación. Aunque esta técnica trae consigo desventajas, por ejemplo, producir una radiación y lóbulos secundarios o traseros, puede llegar a afectar a la ganancia y al final cambiar la frecuencia central con la cual se diseñó primeramente la antena (véase la sección 2.4).

2.4. Estado del arte

Para tener un punto de partida en el diseño del arreglo se hizo una inves-tigación de art´ıculos de trabajos relacionados, útiles para lograr desarrollar las

(30)

t´ecnicas que se necesitan en este proyecto, y tener en cuenta dichos art´ıculos para realizar una comparaci´on de los resultados que se obtuvieron en estos art´ıculos con respecto a los encontrados en este trabajo, y denotar las mejor´ıas que se lo-gran en este proyecto.

Nota: La resolución de algunas figuras y gráficas pueden ser buenas o ma-las dependiendo del art´ıculo en el cual fueron mostradas, además incluirán la referencia del art´ıculo del cual fueron tomadas.

2.4.1. Dise˜

no de antena tipo parche utilizando una

estruc-tura de tierra defectuosa DGS [10]

En este art´ıculo se propone el uso de DGS (Defected Ground Structure) para modificar la frecuencia de operación de una antena sin tener que modificar las dimensiones de la misma. La antena de este art´ıculo esta diseñada para trabajar en la frecuencia de 10 GHz, utilizando el siguiente diseño:

(a) Dise˜no de la antena para 10 GHz

(b) Plano de tierra modificado con la t´ecnica DGS

Figura 2.9: Dise˜no de la antena a) Parche dise˜nado para 10 GHz, b) Plano de tierra con DGS [10]

El diseño DGS que se muestra en la figura 2.9(b) con la cual cambian la fre-cuencia central de la antena a 3.5 GHz con respecto a los 10 GHz del diseño original y modifican el comportamiento de esta. El diseño incluye anillos un una ranura principal que se encuentra en el centro del plano de tierra.

El art´ıculo también muestra resultados encontrados con el uso de DGS y la antena sin esta modificación utilizando el software de análisis CST-MW y ADS, presentando diferencias en los resultados tal y como se ve en la figura 2.10(a).

(31)

(a) Pérdidas por retorno de la antena sin DGS, utilizando método de simulación y optimización CST-MW y ADS

(b) Par´ametros S11de la antena con DGS utilizando CST-MW

Figura 2.10: Resultados presentados en el art´ıculo, con una antena utilizando DGS [10]

En este art´ıculo se realiza la simulación del sistema, pero no se presentan resultados de la antena implementada de manera real. Solamente se tienen re-sultados teóricos de la antena y de simulación, además de sólo tener vista de un parámetro de la antena, sin mostrar como se comporta el patrón, ni tampoco la ganancia que se tiene utilizando esta técnica.

Se tiene un resumen de los resultados generales encontrados en este trabajo en la tabla 2.2.

(32)

Tabla 2.2: Resultados mostrados en el trabajo investigado [10] Variable Resultado Variable Resultado Fc s/DGS 10 GHz Fc c/DGS 3.5 GHz PS11 @ 10 GHz ≈ −33 dB PS11 @ 3.5 GHz ≈ −32 dB

Ganancia @ 3.5 GHz 2.6 dB

Donde Fc es la frecuencia central de trabajo o frecuencia resonante central.

Observaciones y comentarios

En este art´ıculo se realizan solamente las simulaciones de la antena, pero es un buen ejemplo de cómo puede la técnica DGS modificar el comportamiento de ésta, espec´ıficamente para modificar la frecuencia de resonancia para una sola antena. A diferencia de éste, en mi proyecto no se modifica la frecuencia de ra-diación en simulación, en vez de eso, se mejoran los parámetros de acoplamiento y de comportamiento no sólo de una antena sino de un arreglo de antenas, de forma teórica e implementada.

2.4.2. Mejora de ancho de banda utilizando DGS en una

antena tipo parche para aplicaciones en la banda K

y Ka [11]

Al igual que en el art´ıculo anterior se utiliza la técnica DGS, pero en este caso no sólo se realiza el cambio de diseño en el plano de tierra, sino también en la antena. Esto con el objetivo de mejorar el ancho de banda que posee la antena, y lograr as´ı tener mucho más flexibilidad en las frecuencias en las que la antena puede trabajar.

(a) Parche de microtira con abertu-ras

(b) Plano de tierra modificado con la t´ecnica DGS

(33)

Como se puede observar en la figura 2.11(b) el diseño del plano de tierra es muy diferente al del art´ıculo anterior, solamente que en éste no se hace referencia a las medidas o geometr´ıa utilizada para crear ese diseño. Se muestran también dos gráficas de resultados los cuales presentan las pérdidas por retorno y una comparación de la antena con un plano de tierra normal y uno modificado.

Figura 2.12: P´erdidas por retorno con plano de tierra normal [11]

(34)

El patr´on de radiaci´on que obtienen al utilizar DGS se muestra en la siguiente figura:

Figura 2.14: Patr´on de radiaci´on de la antena [11]

Utilizan un substrato comercial Duroid de 1.5748 mm de espesor. Simulando la antena en HFSS. No se encuentran resultados medidos de la antena, teniendo resultados solamente te´oricos y simulados.

Por lo que se pueden resumir los resultados encontrados en este art´ıculo en la siguiente tabla:

Tabla 2.3: Resultados mostrados en el trabajo investigado [11]

Variable Resultado Variable Resultado

Fc s/DGS 14 GHz Fc c/DGS 20.62 GHz PS11 @ 14 GHz -21.5698 dB PS11 @ 20.62 GHz -46.0674 dB

Ganancia @ 20.62 GHz 5.4633 dB G. Max-PR @ 20.62 GHz 7.5915 dB BW @ 14 GHz 1.86 GHz BW @ 20.62 GHz 11.38 GHz

Donde Fc es la frecuencia resonante, G. Max-PR es la ganancia máxima en el patrón de radiación en el lóbulo principal y BW es el ancho de banda tomando en cuenta un valor aproximado de -10 dB en las pérdidas por retorno.

El art´ıculo utiliza la técnica DGS para modificar la frecuencia resonante y aumenta de manera significativa el ancho de banda pasando a ser de 1.8663 GHz a 11.3853 GHz utilizando ésta técnica. Aunque se muestra un mejoramiento de

(35)

los par´ametros S11 en la frecuencia de 20.62 GHz, ya que se reduce hasta -24

dB las pérdidas por retorno y se agranda el ancho de banda considerando como referencia el valor de -10 dB utilizando la técnica DGS. Tomando en cuenta lo anterior, en mi proyecto se utiliza la técnica DGS para mejorar los parámetros sin cambiar la frecuencia resonante, aún sin cambiar el ancho de banda.

2.4.3. Nuevo dise˜

no de tierra perforada en forma de panal

de abejas para antena de parche con alta ganancia

para servicio fijo de radiodifusi´

on, movil y

frecuen-cia de bajada para aplicaciones sat´

elitales[12]

En este art´ıculo se propone el dise˜no del plano de tierra en forma de un panal de abejas, con una antena de parche con alta ganancia, que trabaja a una fre-cuencia de 11.85 GHz, perteneciente a la banda X.

En las siguientes figuras se presentan el dise˜no de la antena y del plano de tierra modificado.

(a) Antena de Parche (b) Plano de tierra

(36)

En el art´ıculo se encuentran resultados te´oricos y medidos, de los cuales a con-tinuaci´on se muestran los resultados simulados de la antena que ellos proponen.

Figura 2.16: Par´ametro S11 y ancho de banda de la antena [12]

En las figura 2.17 se muestra la antena fabricada en este trabajo, hecha en una placa FR-4.

(a) Vista superior de la antena (b) Vista inferior de la antena, mostrando el plano de tierra

(37)

Con esta antena midieron y encontraron el resultado siguiente:

Figura 2.18: P´erdidas por retorno medidas de la antena [12]

En el art´ıculo se reportan varios resultados, de los cuales se hace un resumen en la siguiente tabla:

Tabla 2.4: Resultados mostrados en el trabajo investigado [12] Simulados

Variable Resultado Variable Resultado

Fc c/DGS 11.85 GHz PS11 @ 11.85 GHz -39.57 dB

BW 105 MHz Frecuencias de BW 11.801-11.901 GHz Impedancia-Entrada 48.23 Ω Dir. @ 11.85 GHz 8.995 dB

Gan. @ 11.85 GHz 8.874 dB

Medidos

Fc Medido 11.912 GHz PS11 Medido -28.728 dB

BW Medido 11.89-11.99 GHz

Donde Fc es la frecuencia resonante, BW es el ancho de banda, Dir. es la directividad de la antena y Gan. la Ganancia.

Solamente se muestran resultados de la antena con DGS en simulación y fa-bricada (medición), pero los resultados medidos muestran en comparación con los simulados que la frecuencia central se desplazó de 11.85 GHz a 11.91 GHz, tenien-do una variación del ancho de banda. Y aunque estos resultados pueden resultar

(38)

favorables para las aplicaciones en la banda X (como se plantea en el art´ıculo), no se realizó una comparación de la antena con DGS y sin DGS, por lo que no se puede generar una discusión de resultados obtenidos ocupando la técnica DGS.

En esta tesis s´ı se realizan dos arreglos, tanto en simulaci´on como en fabrica-ci´on (con y sin DGS).

2.4.4. Dise˜

no de una antena en forma de hexadec´

agono

circular con DGS para banda Ku y comunicaciones

satelitales [13]

En este art´ıculo se realizó una antena con forma de hexadecágono, en la cual se implementa la técnica DGS para mejorar y ajustar los parámetros de compor-tamiento de la misma. Esta antena tiene como objetivo trabajar en la banda Ku, teniendo dos frecuencias de resonancia, la frecuencia de 13.67 GHz y 15.28 GHz obtenida al simular la antena en CST. La técnica DGS fue aplicada en el plano de tierra y además se le realizaron aberturas a la antena en forma de anillo. El objetivo de las aberturas en la antena es el conseguir una polarización circular. A esta antena se le conoce como HDCP (Hexa-Decagon Circular Patch).

(a) Dise˜no de la antena (b) Plano de tierra modificado con DGS

Figura 2.19: Dise˜no de la antena con DGS [13]

En este art´ıculo se muestran resultados de simulación y medición de la antena ya fabricada. Se tiene una comparación de la antena con y sin DGS en simula-ción. Aunque solamente muestran la antena fabricada con DGS y al igual que el art´ıculo anterior no se tiene una comparación con la antena fabricada sin DGS. En la figura 2.20 se muestra la comparación de las pérdidas por retorno de la antena con y sin modificaciones.

(39)

Figura 2.20: P´erdidas por retorno de las dos antenas (comparaci´on) [13]

En el art´ıculo se reporta la fabricaci´on de la antena con las modificaciones en la propia antena y el plano de tierra, mostrando lo siguiente:

Figura 2.21: Antena fabricada con la ranura en forma de anillo [13]

(40)

Al final muestran una comparaci´on de las simulaciones realizadas de la ante-na, y los resultados que obtuvieron al realizar las mediciones de la misma.

Figura 2.23: P´erdidas por retorno en HFSS, CST y las medidas [13]

También se incluye el patrón de radiación de la antena en las dos frecuencias diferentes con las cuales se diseñó la antena.

(41)

Figura 2.25: Patr´on de radiaci´on (ganancia) a 15.28 GHz [13]

En el art´ıculo se encuentran m´as resultados los cuales se resumen en la si-guiente tabla:

Tabla 2.5: Resultados simulados y medidos de la antena [13] Simulados

Variable Resultado Variable Resultado Fc1 s/DGS 13.5 GHz Fc2 s/DGS 15.3 GHz PS11 @ 13.5 GHz -16.73 dB PS11 @ 15.3 -17.34 dB

Gan. @ 13.5 GHz 3.53 dBi Gan. @ 15.3 GHz 4.28 dBi Fc1 c/DGS 13.67 GHz Fc2 c/DGS 15.28 GHz PS11 @ 13.67 GHz -42.18 dB PS11 @ 15.28 GHz -38.39 dB

Gan. @ 13.67 GHz 8.01 dBi Gan. @ 15.28 GHz 6.01 dBi BW1 @ 13.67 GHz 854 MHz BW2 @ 15.28 GHz 1140 MHz

Medidos (antena HDCP)

Fc1 13.54 GHz Fc2 15.06 GHz

PS11 @ 13.54 GHz -23.91 dB PS11 @ 15.06 -22.71 dB

Donde Fc1 y Fc2 son las dos frecuencias en las que la antena trabaja, BW1 y BW2 son los anchos de banda que corresponden a cada frecuencia de trabajo (Fc1 y Fc2).

La antena tiene las ventajas de tener dos frecuencias de trabajo y de tener valores medidos muy cercanos a los que se obtienen en simulaci´on. Y aunque es-tos valores son muy cercanos tienen la desventaja de tener mucha susceptibilidad

(42)

de cambio de valores con la modificaci´on del anillo principal en la antena. En el art´ıculo no muestran la ganancia que la antena posee al ser fabricada; esto se planea cambiar en nuestro trabajo, midiendo y comparando la mayor´ıa de los valores que se obtienen en simulaci´on.

A diferencia del art´ıculo mostrado, en esta tesis se desarrolla adem´as la compa-raci´on de las simulaciones con mediciones del sistema con y sin las modificaciones DGS.

2.4.5. DGS en forma de mo˜

no para reducir el

acoplamien-to entre elemenacoplamien-tos de un arreglo plano [14]

En este art´ıculo se muestra el diseño de un arreglo de antenas planas de forma triangular. Se aplica la técnica DGS en el plano de tierra agregando figuras en forma de moño, con el propósito de mejorar el acoplamiento entre las antenas. El arreglo está diseñado para trabajar a una frecuencia central de 1.955 GHz.

Figura 2.26: Dise˜no del arreglo con su respectivo plano de tierra [14]

Utilizando este dise˜no en general se muestra en el art´ıculo la fabricaci´on del arreglo en un substrato FR-4, tal y como se muestra en la figura 2.27.

(43)

Figura 2.27: Arreglo con modificaciones y el original sin modificar [14]

Además de presentar el arreglo fabricado, en el art´ıculo también se muestran los resultados simulados y medidos, utilizando la modificación DGS y sin ésta, realizando una comparación de los resultados obtenidos.

(44)

En las siguientes tablas se muestra un resumen de los resultados simulados y medidos del arreglo:

Tabla 2.6: Resultados simulados y medidos del arreglo con y sin DGS [14] Simulados

Variable Resultado Variable Resultado Fc s/DGS 1.9575 GHz Fc c/DGS 1.951 GHz PS11 @ 1.9575 GHz ≈ -22 dB PS11 @ 1.951 GHz ≈ -24 dB

BW s/DGS 15 MHz BW c/DGS 10 MHz Medidos

Fc s/DGS 1.955 GHz Fc c/DGS 1.9525 GHz PS11 @ 1.955 GHz ≈ -16 dB PS11 @ 1.9525 GHz ≈ -17 dB

BW s/DGS 30 MHz BW c/DGS 29 MHz

En este art´ıculo se diseña un arreglo de 1x2 antenas, teniendo como principal objetivo el funcionamiento a 1.955 GHz con aplicaciones en la banda L. El art´ıcu-lo muestra resultados de la antena en simulación y medidas, teniendo similitudes y cercan´ıa en la frecuencia resonante y además teniendo valores favorables de pérdidas por retorno. Las ventajas resultan en un buen acoplamiento del arreglo, el problema que se encuentra en éste art´ıculo es con respecto a la alimentación, ya que este tiene alimentación en las antenas por separado. Se desconoce el patrón de radiación del arreglo y las ganancias que éste pudo tener.

En esta tesis no se busca una alimentación separada o independiente, se unen las l´ıneas de cada antena para lograr tener una sola alimentación central. Un arreglo con buena directividad y además una aplicación del DGS para frecuen-cias más altas a la del art´ıculo.

2.4.6. Estudio de la configuraci´

on de alta ganancia

uti-lizando un par de aberturas en forma de anillos

desplazados para aplicaciones en GSAT [15]

En este art´ıculo se plantea la modificación de las antenas realizando aberturas en forma de dos anillos encontrados, además de proponer arreglos de 1x2 y 1x4 en donde se modifica el plano de tierra. Dichas modificaciones tienen el objetivo de incrementar la ganancia y mejorar el ancho de banda que presentan en los diseños principales de los arreglos.

(45)

El parche de este art´ıculo fue dise˜nado para una frecuencia de trabajo de 11 GHz, que despu´es de realizar las aberturas en s´ı mismo, trabaja a una frecuencia de 12.63 GHz.

Figura 2.29: Dise˜no de la antena con sus respectivas aberturas [15]

Al tener el diseño de un solo parche, proponen el diseño de un arreglo de 1x2, para posteriormente realizar modificaciones para un arreglo de 1x4. Al final en este art´ıculo se crea el diseño de un arreglo de 1x2, incluyendo la modificación en el plano de tierra.

(46)

De este primer arreglo se obtienen los resultados de las simulaciones obteni-das, se muestra en la figura 2.31 el coeficiente de reflexi´on que obtuvieron del arreglo de 1x2.

Figura 2.31: Coeficiente de reflexi´on del arreglo de 1x2 sin DGS [15]

El dise˜no del arreglo de 1x4 elementos se muestra en la siguiente figura:

(47)

Con base en el arreglo que se muestra en la figura anterior (2.32), se obtuvo el coeficiente de reflexi´on del mismo.

Figura 2.33: Coeficiente de reflexi´on del arreglo de 1x4 sin DGS [15]

Por ultimo se muestra el dise˜no del arreglo de 1x2 con la modificaci´on DGS, la cual consiste en aberturas en la parte inferior de cada antena del arreglo actuando como un filtro pasa-banda (marcado en el c´ırculo rosa de la imagen).

(48)

El coeficiente de reflexión que obtuvieron al realizar la simulación del arreglo modificado (figura 2.34), se muestra a continuación:

Figura 2.35: Coeficiente de reflexi´on del arreglo final de 1x2 con DGS [15]

Al final, se muestra un resumen y una comparación de los resultados obteni-dos en simulación de la antena y de cada arreglo diseñado en este art´ıculo.

Tabla 2.7: Resultados de las diferentes simulaciones de la antena y arreglos, con y sin DGS [15]

Antena con anillos encontrados

Variable Resultado Variable Resultado Fc 12.63 GHz PS11 @ 12.63 GHz -18.318 dB

Ganancia 8.65 dB Directividad 8.65 dB Eficiencia 100 %

Arreglo 1x2 s/DGS, con antenas modificadas Fc 12.66 GHz PS11 @ 12.66 GHz -12.688 dB

Ganancia 10.0449 dB Directividad 10.473 dB Eficiencia 90.71 %

Arreglo 1x4 s/DGS, con antenas modificadas Fc 12.63 GHz PS11 @ 12.63 GHz -14.024 dB

Arreglo 1x2 c/DGS y antenas modificadas

Fc 12.89 GHz PS11 @ 12.89 GHz -10.682 dB

(49)

El art´ıculo mostrado anteriormente usa la técnica DGS, encontrando valo-res de gran utilidad para las comunicaciones en los valo-resultados obtenidos en éste, teniendo como primer desventaja el haber sido una investigación y diseño de carácter teórico, y no haber fabricado y medido los arreglos que fueron plantea-dos en este art´ıculo. Además de presentar en el último arreglo (mostrado en la figura 2.35) un coeficiente de reflexión con un pico con valor mayor a 0 dB.

En ésta tesis se mejorará el hecho de utilizar un arreglo con mayor cantidad de elementos, con el objetivo de mejorar la directividad y la ganancia, además de producir, como antes fue mencionado, un diseño teórico y una fabricación de los arreglos tratando de obtener resultados iguales en frecuencia pero con mejor´ıas en cuando a la ganancia y coeficientes de reflexión del arreglo modificando el plano de tierra con DGS.

2.4.7. Dise˜

no de un arreglo de antenas de 2x2 con

supre-si´

on de arm´

onicos utilizando una abertura en forma

de T en el uso de DGS y l´ınea ranurada [16]

En este art´ıculo se muestra el diseño de un arreglo de 2x2 utilizando antenas de tipo parche para una frecuencia resonante de 2.45 GHz, donde se realiza una modificación en la l´ınea de transmisión del arreglo y la inclusión de la técnica de DGS en el plano de tierra. Además de utilizar dos placas de substrato de permi-tividad r = 4.3 y una separación de aire de r = 1 entre estas dos placas.

Figura 2.36: Dise˜no de la antena, arreglo de 2x2 y ubicaci´on de las diferentes capas del arreglo [16]

(50)

Se muestran las modificaciones que se realizaron en la l´ınea de transmisi´on como en el plano de tierra, con el objetivo de mejorar el comportamiento del arreglo y eliminar arm´onicos que se generan fuera de la frecuencia resonante.

Figura 2.37: Modificaci´on en la l´ınea de transmisi´on y el plano de tierra del arreglo [16]

El arreglo del art´ıculo fue fabricado y se muestra en la siguiente figura:

(51)

Al realizar la abertura en la antena de parche se obtiene una mejor´ıa en su comportamiento disminuyendo las p´erdidas por retorno que ´esta posee, obtenien-do los resultaobtenien-dos mostraobtenien-dos en la figura 2.39.

Figura 2.39: P´erdidas por retorno del parche con y sin la abertura [16]

As´ı mismo se muestran los resultados del arreglo al incluir la modificaci´on de la antena, de la l´ınea de transmisi´on y del plano de tierra en forma de T.

Figura 2.40: P´erdidas por retorno antes y despu´es de las modificaciones en el arreglo [16]

(52)

En el art´ıculo también se muestra la comparación de las pérdidas por retorno que resultan del arreglo al ser simulado y fabricado (mediciones obtenidas de éste).

Figura 2.41: P´erdidas por retorno del arreglo simulado y medido [16]

Al final se realiza un resumen de los resultados que se muestran en el art´ıculo, enlistados en la siguiente tabla:

Tabla 2.8: Resultados simulados y medidos del arreglo con modificaciones [14] Simulados

Variable Resultado Variable Resultado Fc c/DGS 2.45 GHz PS11 @ 2.45 GHz -33.44 dB

BW c/DGS 130 MHz Ganancia 14.20 dB Medidos

Fc c/DGS 2.53 GHz PS11 @ 2.53 GHz -34.71 dB

BW s/DGS 130 MHz BW c/DGS 10 dB

Las mejor´ıas realizadas en el arreglo en este art´ıculo se deben a tres modifica-ciones diferentes: una modificación en la antena (dos aberturas), una abertura en la l´ınea de transmisión (funcionando como un filtro pasa-bajas), y por último, el DGS del plano de tierra en forma de T. En conjunto las modificaciones mejoran las pérdidas por retorno y crean un filtro para eliminar armónicos en diferen-tes frecuencias que no sean la resonante. El diseño también incluye tres capas

(53)

dieléctricas, con dos substratos y una separación entre éstas de aire, creando una capa dieléctrica con permitividad r = 1.

El art´ıculo presenta muchas ventajas del uso de estas técnicas aunque éstas sean solamente útiles en las frecuencias que se plantean, si las frecuencias suben la técnica pueden ir perdiendo su efectividad. Al igual que en caso de las capas dieléctricas, al incrementar la frecuencia y disminuir el tamaño éstas pueden ser un obstáculo en el diseño.

En esta tesis se plantea el uso de frecuencias más altas, y el uso de técnicas que pueden ser más fáciles de manipular en estas frecuencias. Utilizando también diseños más simples pero que poseen grandes ventajas por su versatilidad y faci-lidad de fabricación.

2.4.8. Estructura de tierra modificada integrada a un

arre-glo de antenas de microtira para mejorar

propieda-des de radiaci´

on [17]

En este art´ıculo se diseña y fabrica un arreglo de 2x2 utilizando antenas de parche rectangular, alimentando las antenas de manera independiente insertando puertos SMA en cada una de éstas. Además se modifica el plano de tierra con la técnica DGS para reducir el tamaño de la impresión en un 50 %. El arreglo está diseñado para aplicaciones en la banda X.

(54)

La alimentación de cada antena es independiente e incrustan los puertos SMA en cada una, creando 4 puntos de alimentación. Además de realizar la modifica-ción DGS mejorando la fabricación y reduciendo la superficie de fabricación la placa de substrato en un 50 %. El arreglo fue fabricado y se muestra en las figuras 2.43 y 2.44.

Figura 2.43: Arreglo, vista frontal [17]

(55)

Se muestran resultados simulados y medidos de los par´ametros S en general, realizando la comparaci´on del comportamiento del arreglo con y sin DGS, sepa-rando los resultados en dos partes que van a lo largo del plano E y el plano H, mostrados en la figura 2.45 y figura 2.46 respectivamente.

Figura 2.45: Par´ametros S, simulados y medidos a lo largo del Plano E [17]

(56)

Al igual que los parámetros S, en el art´ıculo se muestran los resultados si-mulados y medidos del patrón de radiación y ganancia del arreglo a lo largo del plano E y plano H.

Figura 2.47: Patr´on de radiaci´on en el plano E [17]

Figura 2.48: Patr´on de radiaci´on en el plano H [17]

Los resultados presentados muestran que la reducci´on de las impresiones en el sustrato ayudan a realizar un dise˜no con resultados enfocados a las frecuencia que se desea y elimina los cambios y perturbaciones que se originan en las l´ıneas

(57)

de transmisi´on de cada antena.

La frecuencia final que posee el arreglo es de 10.14 GHz (frecuencia medida), y como se puede observar en las gráficas de los parámetros S (véase las figuras 2.45 y 2.46), éstos parámetros no tienen una mejor´ıa sino solamente cambian al incluir la técnica DGS. Por ejemplo los parámetros S11 en especifico, suben de al

menos -32 dB a -23 dB.

En esta tesis se mejoran los par´ametros S11, y al contrario de este art´ıculo,

se incluyen l´ıneas de transmisión en cada antena del arreglo para tener una sola alimentación central. Aunque no se disminuirá a gran medida la superficie del arreglo en comparación al del art´ıculo mostrado.

2.4.9. Resumen de resultados del estado del arte

Se presenta un resumen de los resultados simulados que se encontraron en cada art´ıculo y en donde se hizo uso del DGS; estos resultados son útiles para realizar comparaciones y mejoras en lo que se verá en el siguiente cap´ıtulo, donde se presenta el diseño teórico y simulaciones del arreglo hecho en esta tesis. En la siguiente tabla se muestran los resultados de las antenas:

Tabla 2.9: Antenas con DGS

Art´ıculo Frecuencia PS11 Ganancia Modificaci´on

2.4.1 [10] 3.5 GHz ≈ - 33 dB 2.6 dB DGS 2.4.2 [11] 20.62 GHz -46.06 dB 7.59 dB En antena y DGS 2.4.3 [12] 11.85 GHz -39.57 dB 8.874 dB DGS 2.4.4 [13] 13.67 GHz -42.18 dB 8.01 dB En antena y DGS

15.28 GHz -38.39 GHz 6.01 dB

En la siguiente tabla se muestran los arreglos encontrados:

Tabla 2.10: Arreglos con DGS

Art´ıculo Frecuencia PS11 Ganancia Modificaci´on

2.4.5 [14] 1.951 GHz ≈ - 24 dB No mostrado En antenas y DGS 2.4.6 [15] 12.89 GHz -10.68 dB 9.37 dB En antenas y DGS 2.4.7 [16] 2.45 GHz -33.44 dB 14.20 dB En antenas, LT y DGS 2.4.8 [17] ≈ 9.75 GHz ≈ -30 dB ≈ 12 dB DGS

(58)

En todos los art´ıculos investigados para el estado del arte de este trabajo hay desventajas al usar DGS, donde las principales son:

Las frecuencias con las cuales fueron dise˜nados inicialmente cambian. Una vez simulada la antena o el arreglo la frecuencia al no usar el DGS y cuando se utiliza cambia.

En algunos casos se utiliza el DGS para cambiar la frecuencia original, pero esto no implica una mejor´ıa en los par´ametros de comportamiento, sino solo un cambio de frecuencias.

El DGS cambia los resultados que se obtienen en todos los art´ıculos presen-tados y en muy pocos se encuentra una mejor´ıa de éstos. Los parámetros S11 resultan ser menores en comparación con los obtenidos antes de utilizar

DGS.

El dise˜no de las antenas y arreglos en algunos casos son emp´ıricos y carecen de ecuaciones o un sustento matem´atico en el cual se basen.

Algunos de estos art´ıculos no fabricaron la antena o arreglo, teniendo sólo estudios teóricos en donde presentan el diseño y realizan las simulaciones de ´

este. En algunos casos no se encuentran el análisis de varios parámetros im-portantes para su validación (por ejemplo, VSWR, Directividad, Eficiencia, etc.).

Teniendo ´estas desventajas, se pueden enlistar las mejoras que se realizan en esta tesis, y que se mostrar´an en el siguiente cap´ıtulo.

1. La frecuencia para la que se dise˜nan las antenas y arreglo es de 14 GHz, buscando una alternativa de recepci´on de datos en esa frecuencia y en la banda Ku para aplicaciones satelitales.

2. No se cambia la frecuencia de operación en el diseño teórico, las simulacio-nes muestran al arreglo con y sin DGS con un funcionamiento en la misma frecuencia de 14 GHz.

3. La inclusi´on del DGS mejora el acoplamiento del arreglo sin cambiar la fre-cuencia.

4. Se presentan los resultados de las simulaciones del arreglo con y sin DGS, desde los par´ametros S11 hasta la eficiencia que tiene el mismo.

5. El arreglo se fabricar´a con y sin DGS con el objetivo de medir y comparar los resultados medidos con los simulados.

(59)

Desarrollo te´

orico

Como se pudo observar en el cap´ıtulo anterior, la mayor´ıa de los art´ıculos y trabajos presentados realizan las modificaciones DGS y el diseño de éste de manera emp´ırica, creando formas para sus fines espec´ıficos y en algunos casos diseñan las antenas ocupando ecuaciones predefinidas en la literatura.

En este proyecto se trabajará con las ecuaciones de diseño que se plantean en la siguiente sección, realizando el cálculo con estas ecuaciones y siguiendo el procedimiento de diseño encontrado en la literatura general de antenas.

3.1. Ecuaciones y procedimiento de dise˜

no

Se ocupan las siguientes expresiones matemáticas, en donde hay que calcular cada sección de la antena, tomando como referencia la frecuencia central de ope-ración, la permitividad eléctrica o constante dieléctrica del substrato y el grosor de éste.

Para realizar el dise˜no entonces, se deben seguir los siguientes pasos:

Calcular el ancho del parche con una buena eficiencia de radiaci´on [3],[18]. Se calcula a partir de:

W = v0 2fr

r

2

r+ 1

(3.1)

dondev0 es la velocidad de la luz en el espacio libre,fr la frecuencia central

de operaci´on, r la permitividad del substrato.

(60)

Enseguida se debe determinar la constante diel´ectrica efectiva de la antena de microtira en donde la l´ınea o antena se encuentra sobre el substrato y que debe tener un valor dentro del rango de 1< ref f < r utilizando la

ex-presión 3.5, la cual es utilizada ya que cumple la condición 3.4. En muchos casos el valor de ref f debe ser muy cercano a la constante dieléctrica del

substrato y mayor a 1 [3],[18].

W/h≤1 (3.2)

ef f =

+ 1 2 + −1 2 "

1 + 12h

W

−1/2

+ 0.04

1−W

h

2#

(3.3)

W/h >1 (3.4)

ref f =

r+ 1

2 +

r−1

2

1 + 12 h

W

−1/2

(3.5)

donde h es la altura o grosor del substrato.

Una vez encontrado el ancho del parche, se procede a calcular ∆L, el cual es una longitud extendida del parche al tener un efecto de curvatura en las l´ıneas de campo el´ectrico debido a efectos de borde en todo el parche y substrato (v´ease figura 3.1), esta londigutd se calcula utilizando [3],[18]:

Figura 3.1: Efecto y expansi´on del parche por efectos electr´ıcos [3]

∆L= 0.412h(ref f + 0.3)

W

h + 0.264

(ref f −0.258) W_h + 0.8

(61)

Teniendo los valores anteriores se calcula el largo del parche a partir de la siguiente expresi´on [3],[18]:

L= v0 2fr

√

ref f

−2∆L (3.7)

Ya que el parche que se est´a utilizando en el proyecto es una antena con la l´ınea incrustada (mostrada en la figura 3.2), se debe calcular el largo de la inserci´on [3],[18].

Figura 3.2: Parche con l´ınea incrustada [3]

X =k0W (3.8)

I1 =−2 + cos(X) +XSi(X) +

sin(X)

X (3.9)

G1 =

I1

120π2 (3.10)

G12=

1 120π2

Z π

0 "

sin k0W

2 cos(θ)

cos(θ)

#2

J0(k0Lsin(θ)) sin3(θ)dθ (3.11)

y0 =

L π

h

arc cos(p2Z(G1±G12) i

(3.12)

donde k0 es la constante de propagaci´on de la onda en el espacio libre, Si

es el seno integral, G1 es la conductancia de una ranura,G12 es la

conduc-tancia mutua entre ranuras, I1 es la corriente superficial, J0 es la funci´on

(62)

Por último se calcula el grosor de la l´ınea de transmisión, con la cual se alimentará y acoplarán las antenas [4],[3], [18], [1].

Tomando en cuenta que el espesor del conductor es muy peque˜no, puede ser considerado como t = 0, por lo tanto se tienen las siguientes expresiones que se deben resolver seg´un sea el caso [4],[3]:

- Para W/h≤1

Z0 = 60

1 √ ef f ln 8h W0

+0.25W0

h

(3.13)

- Para W/h >1

Z0 =

120π

√

ef f

1

W0/h+ 1.393 + 0.667 ln (1.444 +W0/h)

(3.14)

dondees la permitividad del substrato yZ0 es la impedancia que deseamos

en la entrada.

Para el diseño de este arreglo, es importante tomar en cuenta las impedancias de cada l´ınea (tamaño y longitud) y la separación entre cada elemento (entre antenas). Dependiendo de la frecuencia que se utilice es tanto el tamaño de cada antena, l´ınea y separación entre estas. Considerando los siguientes pasos en el diseño [3], [18], [4], [5]:

Para comenzar, se debe realizar el diseño de las antenas antes para consi-derar la impedancia de entrada de cada una de éstas y as´ı acoplarlas con las impedancias de cada l´ınea de transmisión en el arreglo.

Definida la frecuencia central y la longitud de onda. Se define la separación entre cada antena, realizando un cociente en la longitud de onda, de 0.5λo hasta 0.25λ. Al final se debe adaptar la separación a conveniencia, ya que la separación entre elementos influye en el haz principal y en todo el patrón de radiación, as´ı como en la directividad del arreglo.

Configurar las l´ıneas de transmisión para lograr el acomplamiento de cada antena hacia el centro del arreglo a la l´ınea de transmisión de la alimenta-ción. La configuración que se utiliza en este proyecto es el conjunto de dos

(63)

t´ecnicas que se basa en la reducci´on de impedancias en paralelo y serie [3], [5], [19].

El arreglo que se diseña en este trabajo, como ya se mencionó, es de 2x2, con una alimentación en el centro del mismo. El tipo de alimentación es de tipo directo con la inserción de la l´ınea a través del substrato tal y como se muestra en la figura 3.3.

Figura 3.3: Alimentaci´on por sonda a trav´es del substrato [3]

Un ejemplo de adaptaci´on de impedancias se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.4: Adaptaci´on de impedancias en un arreglo de 2x2 [5]

Donde la impedancia en el punto B,ZB y Zo2 son iguales a:

ZB=Zo2 =ZAkZA=

(ZA) (ZA)

ZA+ZA

(64)

Adem´as de la impedancia del punto C,ZC es igual a:

ZC =Zo2 kZo2 =

(Zo2) (Zo2)

Zo2+Zo2

(3.16)

Y por ultimo la impedanciaZE es de 100Ω ya que en las l´ıneas con

impedan-cias Zo3 y Zo4 junto con ZC, se realiza una transformaci´on de impedancias

de λ/4 para lograr adaptar la l´ınea de salida (ZE) con una impedancia que

no tenga pérdidas y logre ser acoplada en el siguiente punto de conexión o el acoplamiento con la alimentación principal [5], [19], [3], [7]. Este método se ocupa para altas frecuencias y sirve para lograr acoplar una l´ınea con otra que se encuentra cerca de la l´ınea o punto de carga sin alterar las ca-racter´ısticas del arreglo y sin generar pérdidas [20].

Zo3 = p

ZCZo4 (3.17)

En este trabajo, al ser de 2x2 con una alimentaci´on en el centro, el dise˜no de las impedancias quedar´ıa tal y como se muestra en la figura 3.5.

Figura 3.5: Arreglo con acoplamiento de impedancias (dise˜nado en este proyecto)

Donde ahora la transformaci´on de impedancias estar´ıa definida por:

Zo2 = p

(65)

3.2. Dise˜

no de Antena con 50

Ω

Tomando en cuenta las ecuaciones y procedimiento de dise˜no anterior, se reali-zan las operaciones utilireali-zando las caracteristicas con las que se estar´a trabajando con una placa de substrato FR-4 de fibra de vidrio con r = 4.4, un grosor de h

= 1 mm y 1 onza de conductor (35µm de espesor).

Se enlistarán entonces los casos realizados con sus respectivos resultados de cada uno de ellos, los cálculos de cada ecuación fueron hechas en MATLAB para las l´ıneas de transmisión y las diferentes secciones de la antena, utilizando las ecuaciones 3.3, 3.13, 3.5, 3.14.

3.2.1. C´

alculos para el dise˜

no del parche rectangular

Calculo de W (ancho de la antena), utilizando (3.1), donde v0 puede ser

considerado como 3×108 _m/s, _f

r = 14 GHz, r= 4.4 y h = 1 mm:

W = v0 2fr

r

2

r+ 1

= 6.5205mm (3.19)

Se determina ref f a partir de (3.5), y se calcula ∆L de (3.6):

ref f =

r+ 1

2 +

r−1

2

1 + 12 h

W

−1/2

= 3.7087 (3.20)

∆L= 0.412h(ref f + 0.3)

W

h + 0.264

(ref f −0.258) W_h + 0.8

= 0.44357mm (3.21)

Ahora se calcula el largo de la antena L, dado por (3.7):

L= v0 2fr

√

ref f

−2∆L= 4.6763mm (3.22)

Se obtiene el largo de la inserci´on de la l´ınea y0, aunque para esto se debe

calcularX (3.8), I1 (3.9), G1 (3.10) y G12 (3.11):

y0 =

L π

h

arc cos(p2Z(G1±G12) i

= 1.7248mm (3.23)

En la ecuaci´on anterior Z es la impedancia que se desea para el dise˜no de la antena, en este caso, se desea una impedancia de 50Ω.