Arreglo de antenas de parche apilados para la banda de 2 4GHz

Texto completo

(1)i. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Arreglo de antenas de parche apilados para la banda de 2.4GHz Miguel Valentim de Chanja Esteves MsC. Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez. 06/18.

(2) ii. Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: mesteves@uclv.cu. Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) iii. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) iv. PENSAMIENTO. Agua que no es de beber déjala correr. Anastacia A.Chanja.

(5) v. DEDICATORIA Le dedico a mis padres (Sra. Anastacia A. Chanja y Sr. Paixao M. Esteves), Primero porque son el porqué de mi existencia, segundo por haber depositado su fe, confianza e inteligencia para poder llevar adelante una familia de 6 miembros de la que soy parte y me orgullo bastante y los amo. A mis hermanos que siempre me motivan a ser alguien con sed de crecer día-tras-día, no solo por los lazos que nos unen sino por la amistad y compañerismo que me brindan. A mi familia en general, como a mis (tíos, primos, abuelos) mi novia, a los colegas y amigos del aula que siempre me mostraron que era posible alcanzar las metas propuestas en la universidad, y que solamente estudiando se podía logar, y que siempre están allí en los malos y buenos momentos de la vida. A los seres queridos que siempre me dieron suporte y que me sirvieron como fuente de inspiración de esfuerzo y trabajo para seguir adelante aunque muchos no se encuentren en vida a ellos les dedico..

(6) vi. AGRADECIMIENTOS Primero e antes que todo le doy gracias a dios bendito que sin el nada sería posible porque muchas cosas de parte del hombre son imposibles pero no para él, enseguida a mis padres que incondicionalmente me apoyaron aunque desde lejos (Sra. Anastacia A. Chanja y Sr. Paixao M. Esteves), a toda mi familia en general a mi tutor (Ing. Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez) que siempre estuvo presente aportando todo su tiempo y conocimiento. Y a mis amigos que siempre sin importar el momento supieron demostrar lo que es la verdadera amistad, y a todos que de una forma u otra me pudieron dar la energía y suporte necesario para poder llegar a este momento final de la carrera.. Muchas Gracias..

(7) vii. TAREA TÉCNICA. 1. Búsqueda bibliográfica y estudio con base en trabajos relacionados con el tema. 2. Desarrollo de habilidades con el software de diseño de antenas (CAD). 3. Análisis de los diseños realizados basado en diferentes parámetros y criterios de diseño. 4. Obtención de los parámetros principales a partir del software empleado,. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) viii. RESUMEN. En este trabajo de tesis se presenta el diseño, fabricación y medida de un arreglo de antenas impresas con aplicación en Wi-Fi dentro del estándar 802.11e, a 2.4 GHz. Se realiza un estudio técnico de las antenas de microcinta, seguidamente el empleo de la misma tecnología de microcinta en arreglos con apilamiento, se diseña, y se mide una antena de parche rectangular con inserciones con las que se mejora la adaptación de la antena como se pretendía y enseguida se propone un arreglo de cuatro antenas iguales a la antena prototipo interconectadas en paralelo mediante un circuito divisor/combinador de potencia. Utilizando el programa de análisis electromagnético en 3D CST Microwave Studio, se analizan diferentes estructuras de antenas. Las antenas se diseñan sobre un substrato de material FR4. Se muestran resultados teóricos del comportamiento de la antena de parche prototipo y de las mismas conformando el arreglo, del circuito divisor/combinador y de la antena final formada por las cuatro antenas conectadas mediante el divisor de potencia en paralelo. La especificación IEEE 802.11e ofrece un estándar inalámbrico que permite interoperar entre entornos públicos, de negocios y usuarios residenciales, con la capacidad añadida de resolver las necesidades de cada sector. A diferencia de otras iniciativas de conectividad sin cables, ésta puede considerarse como uno de los primeros estándares inalámbricos que permite trabajar en entornos domésticos y empresariales. PALABRAS CLAVE Antena, Diseño, parche, microstrip, arreglo, Apilamiento, radiocomunicaciones, simulación, dieléctrico, sustrato, ganancia, acoplamiento, CST Microwave Studio..

(9) Tabla de contenido PENSAMIENTO ...................................................................................................................iv DEDICATORIA ..................................................................................................................... v AGRADECIMIENTOS .........................................................................................................vi TAREA TÉCNICA .............................................................................................................. vii RESUMEN ......................................................................................................................... viii INTRODUCION ..................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características .......................................................................................................................... 4 1.1.. Antenas microstrip ................................................................................................... 4. 1.1.1. Principio de Funcionamiento de las antenas de microcinta ............................. 6. 1.1.2. Tipos de Alimentación ...................................................................................... 7. 1.1.3. Alimentación mediante línea de transmisión .................................................... 7. 1.1.4. Alimentación mediante cable coaxial. .............................................................. 8. 1.1.5. Alimentación mediante acoplamiento por apertura .......................................... 8. 1.1.6. Alimentación mediante acoplamiento por proximidad ..................................... 9. 1.2.. Modelos de análisis para el cálculo de las antenas microstrip ............................... 10. 1.2.1. Parámetros fundamentales en el Modelo de línea de transmisión ................. 11. 1.2.2. Alimentación por inserción (o ranuras) .......................................................... 13. 1.3.. Estructura de las antenas de parches apilados ........................................................ 16. 1.3.1 1.4.. Principio de funcionamiento de las estructuras de parches apilados ............. 17. Agrupaciones de antenas de parche microstrip ...................................................... 21. 1.4.1. Factor de Arreglo ............................................................................................ 22.

(10) 1.4.2. Características y ventajas de los arreglos de microstrip teniendo en cuenta. algunos parametros ....................................................................................................... 25 1.5.. Divisores de potencia ............................................................................................. 27. 1.6.. Transformador (λ/4) .............................................................................................. 28. Capítulo 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento . 30 2.1. CST MicroWave Studio 2018: Herramienta de modelado y simulación de. antenas microstrip ......................................................................................................... 30 2.2. Metodología de diseño de la antena parche ........................................................ 31. 2.3. Cálculo de las dimensiones fundamentales de la antena parche clásica............. 32. 2.4. Modelado y simulación de la antena de parche básica con alimentación por línea. de transmisión coplanar insertada ................................................................................. 34 2.5. Estructura multicapa o apilamiento de parches .................................................. 39. 2.6. Conclusiones del capítulo ................................................................................... 45. Capítulo 3. Diseño de un arreglo de antenas de parches apilados para la banda de 2.4 GHz .............................................................................................................................................. 46 2.7. Metodología de diseño del arreglo de parches apilados para la banda de 2.4 GHz 46. 2.8. Diseño del arreglo de antenas ............................................................................. 47. Conclusiones ......................................................................................................................... 61 Recomendaciones ................................................................................................................. 61 Referencias............................................................................................................................ 63 Anexos .................................................................................................................................. 66 Anexo I. Alimentación mediante línea de microcinta ...................................................... 66. Anexo. II Alimentación mediante sonda coaxial .............................................................. 66. Anexo. III Alimentación mediante ranura radiante .......................................................... 67.

(11) Anexo IV Anexo V. Alimentación por proximidad acoplada ....................................................... 67 Cálculos analíticos ........................................................................................... 68.

(12) INTRODUCIÓN INTRODUCION La sociedad actual ha desarrollado una enorme necesidad de comunicación que requiere del acceso constante a información. Esto ha propiciado la aparición de un gran Número de nuevas tecnologías que están en constante evolución, proporcionando mejoras en diversos factores como el tamaño, los costes, la adaptación al entorno, etc. Por ello, existe la incesante actividad en investigación y desarrollo de nuevas soluciones que permiten optimizar la calidad del servicio que se ofrece a los usuarios. Hasta ahora se han considerado las antenas como un elemento radiante simple, pero debería hablarse de sistemas de antenas, puesto que, en muchos sistemas de telecomunicación, se emplean conjuntos de antenas agrupadas formando lo que se denomina un array, para conseguir características no alcanzables con un único elemento radiante. Las agrupaciones de antenas consiguen modificar la manera en la que se radian las ondas, por la influencia de los diferentes elementos entre sí, lo que se denomina acoplo electromagnético [1]. Mediante el efecto combinado de los elementos se consigue que el conjunto tenga un comportamiento propio, mejorando las características del mismo y brindando la posibilidad de desarrollar antenas programables o inteligentes Además, los arreglos de antenas permiten la aplicación de técnicas que proporcionan la oportunidad de mejorar la cobertura, alcance y capacidad de los sistemas de telecomunicaciones de gran versatilidad en los ambientes más demandantes a los sistemas de telecomunicación [2]. Por otro lado, la tecnología de circuitos impresos (PCB’s) está alcanzando una mayor importancia día a día. Gracias a ella, se tiene la posibilidad de fabricar antenas de alta ganancia con menores costes, menor tamaño y un peso más reducido en comparación con la tecnología convencional. Será diseñada una antena consistente en un array paralelo de parches. De esta forma se pretende combinar la novedosa tecnología de circuitos impresos (parches), con la idea de mejorar en ancho de banda, ganancia tamaño y a menos costo, buscando aunar las ventajas en un solo dispositivo.. 1.

(13) INTRODUCIÓN Objetivo general: Se propone a partir de los diferentes modelos de análisis de microcintas: Definir una metodología de diseño y estudio de un arreglo de antenas de microcinta con apilamiento para redes WiFi. Objetivos específicos: . Caracterizar las antenas de parche, los arreglos de antenas de parche así como las redes de acoplamiento con líneas de transmisión de microcinta.. . Obtener las características de impedancia y radiación, de un arreglo de antenas de parches apilados optimizado utilizando CST Microwave Studio, diseñado a partir de la metodología propuesta. . Analizar los resultados obtenidos en el proceso las simulaciones de las antenas de parche apilados.. Interrogantes científicas: . ¿Cuál es el estado del arte de los arreglos de antenas de parche apilados y las líneas de transmisión de microcintas?. . ¿Qué características de impedancia y radiación poseen los arreglos de parche apilados diseñados?. . ¿Existe correspondencia entre el diseño analítico y los resultados alcanzados en las simulaciones?. Estructura del Trabajo de diploma: . Capítulo I: Se describirán los fundamentos teóricos de los arreglos de antenas parche, haciendo referencia a sus antecedentes y principales características.. . Capítulo II: Se realizará el diseño analítico y simulación de una antena parche con apilamiento.. . Capítulo III: Se propondra analíticamente la red de alimentacion y se diseñará la misma con su respectivo arreglo con apilamiento y se obtendrán los resultados optimizados mediante simulación de ambas estructuras.. 2.

(14) INTRODUCIÓN El trabajo consta de conclusiones donde se analizarán los resultados obtenidos. También cuenta con Recomendaciones para quienes se interesen en profundizar más en el tema y bibliografía de modo a facilitar el estudio. Los anexos incluirán aquellos aspectos que, por su longitud o complejidad, no se incluyen en el texto del trabajo pero que ayudan a una mejor comprensión de lo que se expone.. 3.

(15) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características.. CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características El capítulo que se presenta a continuación expone las bases teóricas sobre la cual se asienta el trabajo de investigación presentado posteriormente. En esta sección se hace un acercamiento teórico a los arreglos antenas de parche con apilamiento. 1.1.. Antenas microstrip. La invención del concepto de la microcinta se ha atribuido a muchas fuentes y entre las primeras tenemos a Greig y Englemann en 1952 y a Deschamp en 1953. Lewin consideró la naturaleza de la radiación de la línea de cinta, pero hubo poco interés debido a las pérdidas de radiación. En ese tiempo la emisión de la radiación indeseada de los nuevos circuitos de línea de cinta fue apreciada y posteriormente las dimensiones del dieléctrico y de la tira que conducía fueron reducidas para inhibir los efectos de la radiación, así creando la microcinta [3]. Con la influencia del transistor se desarrollaron rápidamente estos circuitos impresos, el interés principal era probable el desarrollo de los filtros de microonda de bajo coste. Pasaron 20 años antes de que la primera antena fuera fabricada, los desarrollos en la década de los 70’s fueron acelerados por la disponibilidad de buenos sustratos con bajas pérdidas y atractivas propiedades térmicas y mecánicas, esta antena fue desarrollada por Howell y Munson [4]. Weirschel desarrolló diferentes geometrías de microcinta para uso con arreglos cilíndricos en cohetes en banda S. El patrón de radiación de un radiador circular fue analizado y medido por Carver. El primer análisis matemático de una amplia variedad de formas de microcinta fue publicado en 1977 por Lo, quien usó la técnica de análisis de expansión modal para analizar formas de radiadores rectangulares, circulares, semicirculares y triangulares [5]. En 1978, la tecnología planar era ampliamente conocida y usada en diversos sistemas de comunicaciones. Esto fue acompañado por el creciente interés de la comunidad teórica de mejorar los modelos matemáticos que se usaban para diseñar.. 4.

(16) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Pese a que los primeros diseños datan de la década de los 50, es alrededor de 1970 cuando las antenas impresas de tipo parche denominadas también antenas microstrip, empiezan a utilizarse de forma habitual en los sistemas de telecomunicaciones. Este tipo de antena consiste en un parche metálico alimentado y dispuesto sobre un substrato dieléctrico que, a su vez, está colocado encima de un plano metálico, tal y como se observa en la Figura 1.1.. Fig. 1.1. Antena microstrip de forma rectangular [6] El parche metálico suele tener un grosor (t) muy reducido (t<<l0), siendo l0 la longitud de onda en el vacío) y unas dimensiones (L y W, en el caso del parche rectangular) que dependerán de la frecuencia de diseño y el tipo de antena a diseñar. Las formas cuadrada, rectangular, dipolo y circular son las más usadas debido a su fácil análisis y fabricación. El substrato dieléctrico que se encuentra debajo del parche está caracterizado por su permeabilidad eléctrica (𝜀𝑟 ) normalmente comprendida entre 2.2 y 12, por el grosor (h) y por la tangente de pérdidas (tan δ). Los substratos gruesos y de reducida 𝜀𝑟 permiten la obtención de antenas con una buena eficiencia y ancho de banda. Sin embargo, estos parámetros hacen que sea difícil integrar la antena en circuitos de microondas. Por el contrario, los substratos finos con gran permeabilidad eléctrica hacen que las dimensiones de la antena sean menores y facilitan su integración con circuitos de microondas. No obstante, como se verá, la disminución de las dimensiones conlleva una pérdida de eficiencia y un menor ancho de banda [3].. 5.

(17) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.1.1. Principio de Funcionamiento de las antenas de microcinta. Las antenas parche microstrip pueden definirse como cavidades planas resonantes en las que el campo electromagnético se desborda por sus bordes, lo que genera la radiación. Por lo que una de sus dimensiones debe ser 𝜆𝑔/2 (por tratarse de antenas resonantes) donde 𝜆𝑔 es la longitud de onda guiada, teniendo en cuenta el material que la rodea, es decir, el substrato sobre el que está colocada. La dimensión resonante del parche depende de la forma del mismo [7]. Cuando se aplica un voltaje al punto de alimentación de la antena, se excita en el parche un modo (se genera una corriente eléctrica) lo que generará campos verticales entre los bordes de la antena y el plano de masa. Debido a que estos campos están separados una distancia 𝜆𝑔/2, se producirá una interferencia constructiva, creando una antena resonante eficiente. La eficiencia de radiación dependerá del material empleado, ya que el confinamiento de los campos estará determinado por la constante dieléctrica del material empleado para el substrato y del grosor del mismo. En las siguientes imágenes se puede apreciar un boceto simplificado del mecanismo de radiación de una antena parche microstrip. En ellas se observa cómo los campos se desbordan por los bordes, hacia el plano de masa, generando la radiación [8].. Fig. 1.2. Dos vistas del esquema de una antena parche microstrip alimentada mediante ranura, y las líneas de campo representadas [9]. 6.

(18) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.1.2. Tipos de Alimentación. Las formas más utilizadas para alimentar una antena microstrip son [10]: . mediante una línea de transmisión. . mediante un cable coaxial. . mediante acoplamiento por apertura. . mediante acoplo por proximidad. 1.1.3. Alimentación mediante línea de transmisión. La alimentación mediante línea de transmisión se caracteriza por su fácil fabricación, ya que todo el parche forma parte del mismo substrato con el que se realiza la antena, tal como muestra la Figura 1.3. El principal inconveniente que supone este tipo de alimentación es que normalmente los parches han de ser alimentados en un punto interior de éstos para lograr una buena adaptación a 50W. Con lo que la línea de alimentación ha de ser introducida en el parche tal y como nos muestra la Figura 1.3, quedando modificada la geometría original e introduciendo efectos no deseados en el diagrama de radiación (radiaciones espurias) [10]Ver anexo I.. Fig. 1.3. Parche alimentado mediante una línea de transmisión [6] Otro problema de este tipo de alimentación es que a medida que se aumenta el grosor del substrato h, tanto las radiaciones espurias como las ondas denominadas de superficie aumentan. Las ondas de superficie se propagan por el substrato con un cierto ángulo quedando atrapadas en el interior de este. Estas ondas reducen la eficiencia de nuestra antena [8].. 7.

(19) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.1.4. Alimentación mediante cable coaxial.. Este tipo de alimentación consiste en alimentar el parche mediante un cable coaxial. El conductor interior del cable coaxial atraviesa el plano de masa y el dieléctrico conectándose directamente al parche mientras que el conductor exterior del cable lo hace al plano de masa (Figura 1.4). Aunque la alimentación coaxial se considera de fácil fabricación, ésta necesita un proceso más elaborado que la alimentación mediante línea de transmisión. Una de las ventajas de este tipo de alimentación es que no se modifica la estructura del parche al alimentarlo en el interior, cosa que provoca menos radiaciones espurias obteniendo, por lo tanto, una antena más eficiente [10] ver anexo II.. Fig. 1.4. Parche alimentado mediante cable coaxial [6] 1.1.5. Alimentación mediante acoplamiento por apertura. La alimentación por apertura o ranura es otro método de alimentación sin contacto directo. Se trata de dos láminas de substrato en las que se coloca la red de alimentación y la antena, pero, en esta ocasión, las láminas se encuentran aisladas por un plano de masa. El acoplo se realiza mediante una apertura o slot en el plano de masa que separa ambas láminas de substrato. La línea de alimentación microstrip puede terminarse tanto en un circuito abierto como en un circuito cerrado [10], el Esquema de alimentación por acople por apertura se representa en la figura 1.5 ver anexo III.. 8.

(20) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características.. Fig. 1.5. Alimentación por apertura [6] 1.1.6. Alimentación mediante acoplamiento por proximidad. Esta técnica de alimentación sin contacto directo fue creada para solucionar las limitaciones de los parches alimentados por contacto directo. Consiste básicamente en un substrato con plano de masa en el cual se encuentra la línea microstrip de alimentación, terminada en circuito abierto. Encima de esa capa de substrato, se encuentra otra lámina de substrato que soporta la antena parche microstrip [10]ver anexo IV. En la Fig.1.6, se puede observar el esquema de una antena parche alimentada mediante esta técnica.. Fig. 1.6: diseño Esquemático de un parche acoplado por proximidad [6]. 9.

(21) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Un atributo clave de los parches alimentados por proximidad es que el mecanismo de acoplamiento tiene naturaleza capacitiva, a diferencia de los parches alimentados por contacto directo, cuya alimentación tenía una naturaleza predominantemente inductiva.. Esta diferencia afecta directamente al ancho de banda obtenible, debido a que el acoplamiento inductivo de las técnicas de alimentación por contacto directo limita en gran medida el ancho de banda, En esta técnica El ancho de banda es mayor en relación a las técnicas de contacto directo [4]. A continuación se muestra una Tabla con un resumen comparativo teniendo en cuenta el tipo de alimentación utilizado en las antenas de microcinta Tabla 1.1. Comparación entre las distintas formas de alimentación. FORMAS DE ALIMENTACIÓN POR MICROCINTA Características Configuración. Línea microcinta Coplanar. Facilidad fabricación. de Fácil. Radiación deseada alimentador Pureza polarización. no Mucha del. Fiabilidad. de Pobre. Mejorada. Adaptación de Fácil impedancia Ancho de banda 2‐5%. 1.2.. Alimentación Coaxial No planar. Acoplamiento de Acoplamiento apertura por proximida Planar Planar. Pobre a causa de Se necesita las soldaduras Perfecta alineación Mucha Mucha. Se necesita Perfecta alineación Mucha. Pobre. Excelente. Pobre. Mejorada. Buena. Buena. Fácil. Fácil. Fácil. 2‐5%. 21%. 13%. Modelos de análisis para el cálculo de las antenas microstrip. Existen dos modelos que permiten obtener las dimensiones W y L de un parche, estos son el de línea de transmisión y el de cavidad.. 10.

(22) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.2.1. Parámetros fundamentales en el Modelo de línea de transmisión. El modelo de línea de transmisión presenta una gran facilidad de diseño, aunque presenta menor precisión, además de que solamente puede ser utilizado para parches rectangulares y cuadrados. El parche radiador es una línea resonante con variaciones transversales del campo. Pero antes es importante resaltar que existen dos tipos de alimentación para el modelo de línea de transmisión que son [11]Ver anexo I: . alimentación en el extremo. . alimentación por inserción (o ranuras). Las variaciones de campo y resonancia del parche, se determinan por la longitud del parche que comúnmente es de media longitud de onda, considerándose los efectos de extensión de los campos. Este modelo permite obtener las dimensiones de los parches (ancho W y Largo L) para una frecuencia en particular, y se calculan mediante las expresiones siguientes:. 𝑊=. 1 2𝑓𝑜 √𝜇0 𝜀0. √𝜀. 2 𝑟 +1. =. 𝑣0 2𝑓𝑜. √𝜀. 2. [Eq. 1.1]. 𝑟 +1. Donde: h: espesor del substrato dieléctrico W: ancho del parche microstrip 𝜀𝑟 : Constante dieléctrica del substrato 𝜇0 : Permeabilidad en el espacio libre 4𝜋 𝑥 10−7 H/m 𝜀0 : Permitividad en el espacio libre 8.854 𝑥 10−12 F/m Para bajas frecuencias la constante dieléctrica efectiva es esencialmente constante. A frecuencias intermedias su valor comienza a incrementarse monótonamente y comienza a acercarse al valor de la constante dieléctrica del sustrato. El valor inicial a bajas frecuencias está dado por la siguiente ecuación:. 𝜀𝑟𝑒𝑓 =. 𝜀𝑟 +1 2. +. 𝜀𝑟 −1 2. 1 ℎ 𝑊. √1+12. ;. 𝑊 ℎ. >1. [Eq. 1.2]. 11.

(23) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 𝑊 ℎ. ∶ Relación que existe entre el ancho de la antena y el espesor del substrato. Por efecto de bordes, eléctricamente el parche de la antena Microstrip se ve más grande que sus dimensiones físicas. Para el plano principal “E” (plano XY) esto se muestra en la figura 1.7:. Fig. 1.7. Imagen del Modelo de alimentación en el extremo y su circuito equivalente [9] Las dimensiones del parche a lo largo de su longitud se han extendido en cada extremo por ∆L, el cual es una función de la permitividad efectiva y la razón W/h. La siguiente ecuación es una relación aproximada para la extensión normalizada de la longitud [11]: ∆𝐿 ℎ. = 0.412. 𝑊 ℎ. (𝜀𝑟𝑒𝑓 +0.3)( +0.264) 𝑊 ℎ. (𝜀𝑟𝑒𝑓 −0.258)( +0.8). [Eq. 1.3]. Así como la longitud del parche ha sido extendida a ∆L en cada lado, la longitud efectiva (𝐿𝑒𝑓 ) del parche es expresada en la siguiente ecuación: 𝐿𝑒𝑓 = 𝐿 + 2∆𝐿. [Eq. 1.4]. Para el modo dominante “TMx010” la frecuencia de resonancia de la antena de microcinta es una función de su longitud como se muestra en la figura 1.8.. Fig. 1.8. Modo TM010 para una Antena Microstrip rectangular [9]. 12.

(24) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. (𝑓𝑟 )010 =. 1 2𝐿 √𝜀𝑟 √𝜇0 𝜀0. =. 𝑣0. [Eq. 1.5]. 2𝐿 √𝜀𝑟. Esta expresión no considera el efecto de borde por lo que debe ser modificada y usada de la siguiente manera la cual si lo incluye:. (𝑓𝑟𝑐 )010 =. 1 2𝐿𝑒𝑓 √𝜀𝑟𝑒𝑓 √𝜇0 𝜀0. =. 1 2(𝐿+2∆𝐿)√𝜀𝑟𝑒𝑓 √𝜇0 𝜀0. [Eq. 1.6]. Por último, para calcular la longitud L real del parche se puede hallar resolviendo la ecuación anterior de modo que:. 𝐿=. 1.2.2. 1 2𝑓𝑟 √𝜀𝑟𝑒𝑓 √𝜇0 𝜀0. − 2∆𝐿. O. 𝐿=. 𝑣0 2𝐿𝑒𝑓 √𝜀𝑟𝑒𝑓. − 2∆𝐿. [Eq. 1.7]. Alimentación por inserción (o ranuras). En este modelo se representa la antena como un circuito formado por dos ranuras, y su circuito equivalente está formado por dos dipolos como se muestra en la Figura 1.9 [9].. Fig. 1.9. Circuito Equivalente del Modelo alimentación por inserción (o ranuras) [3] Cada ranura presenta una admitancia paralelo equivalente: 𝑌 = 𝐺 + 𝑗𝐵. [Eq. 1.8]. Las ranuras se clasifican como la # 1 y la # 2. Para una ranura de ancho finito “W”: 𝑊. 1. 𝐺1 = 120𝜆 [1 − 24 (𝑘0 ℎ)2 ] 0. 𝑊. ;. ℎ 𝜆0. 𝐵1 = 120𝜆 [1 − 0.636 𝑙𝑛(𝑘0 ℎ)] 0. 1. < 10 ;. ℎ 𝜆0. [Eq. 1.9] 1. < 10. [Eq. 1.10]. Donde:. 𝑘0 =. 2𝜋 𝜆0. [Eq. 1.11]. 13.

(25) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 𝜆0 =. 𝑣𝑜. [Eq. 1.12]. 𝑓0. Debido a que las dos ranuras son iguales: 𝑌2 = 𝑌1 ,. 𝐺2 = 𝐺1 ,. 𝐵2 = 𝐵1. [Eq. 1.13]. La admitancia total en la ranura 1 (admitancia de entrada) se obtiene transfiriendo la admitancia de la ranura 2 desde los terminales de salida a los terminales de entrada. Idealmente las 2 ranuras deben estar separadas λ /2, donde “λ” es la longitud de onda en el substrato:. 𝜆=. 𝜆0. [Eq. 1.14]. √ 𝜀𝑟. Debido a la dispersión del flujo, ocurre que 𝐿𝑒𝑓 > 𝐿, por lo que la separación física real de las 2 ranuras es ligeramente menor de 𝜆/2 (0,48 𝜆 < 𝐿 < 0,49 𝜆), a resonancia la admitancia de entrada es real y está dada por:. 𝑌𝑖𝑛 = 2𝐺1. [Eq. 1.15]. La impedancia de entrada también es real y se define como:. 𝑍𝑖𝑛 =. 1 𝑌𝑖𝑛. = 𝑅𝑖𝑛 =. 1 2𝐺1. [Eq. 1.16]. En la expresión anterior se ha despreciado el efecto mutuo entre ambas ranuras. La 𝑍𝑖𝑛 = 𝑅𝑖𝑛 a resonancia puede cambiarse usando una alimentación insertada, colocada a una distancia “y0” desde la ranura.. Figura 1.10. Antena Microstrip con línea de transmisión insertada [9]. 14.

(26) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Esta técnica puede usarse con efectividad para adaptar la antena usando una línea de microcinta de alimentación con una impedancia característica. 120𝜋. 𝑍𝐶 =. 𝑍𝐶 =. 60 √𝜀𝑟𝑒𝑓. 𝑙𝑛 (. 8ℎ. 𝑤0. +. 𝑤0 4ℎ. 𝑤𝑜. ;. 𝑤0 𝑤0 √𝜀𝑟𝑒𝑓 [ ℎ +1.393+0.667 𝑙𝑛( ℎ +1.444)]. ℎ. 𝑤0. );. ℎ. >1. [Eq. 1.17]. ≤1. [Eq. 1.18]. Donde w0 es el ancho de la línea Microstrip. Para los propósitos del diseño, si 𝜀𝑟 y 𝑍0 se saben, el cociente 𝑤0 /ℎ necesario para alcanzar 𝑍0 está dado por: 𝑤0 ℎ 𝑤0 ℎ. 8𝑒 𝐴. =. ; Para 𝑍0 √𝜀𝑟𝑒𝑓 > 89.91 ; Esto es 𝐴 > 1.52. 𝑒 2𝐴 −2 2. = {𝐵 − 1 − 𝑙𝑛(2𝐵 − 1) + 𝜋. 𝜀𝑟 −1 2𝜀𝑟. [𝑙𝑛(𝐵 − 1) + 0.39 −. 0.61 𝜀𝑟. [Eq. 1.19]. ]} ; [Eq. 1.20]. Para 𝑍0 √𝜀𝑟𝑒𝑓 ≤ 89.91 ; Esto es 𝐴 ≤ 1.52 Donde:. 𝐴=. 𝑍0 60. √. 𝜀𝑟 +1 2. +. 𝜀𝑟 −1 𝜀𝑟 +1. (0.23 +. 𝐵=. 0.11 𝜀𝑟. ). 60𝜋2 𝑍0 √𝜀𝑟. [Eq. 1.21]. [Eq. 1.22]. Para buscar las inserciones (notch Width) en el parche usamos [12]:. 𝑓𝑟 =. 𝑐 √2𝜀𝑟𝑒𝑓. 4.65 𝑥 10−12 𝑔. Haciendo 𝑓𝑟 =. g=. 𝑓. + 1.01. [Eq. 1.23]. 𝑓 y despejando g se obtiene. 𝑐. 4.65 𝑥 10−12. √2𝜀𝑟𝑒𝑓. 𝑓. [Eq. 1.24]. 15.

(27) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.3.. Estructura de las antenas de parches apilados. Una antena parche está formada por una metalización, sobre un sustrato dieléctrico y colocado sobre un plano de masa para que se construya la cavidad resonante. La filosofía se utiliza para la antena construida mediante parches apilados, en el que como en las antenas Yagi-Uda, se le coloca un director sobre la antena alimentada, metalizado sobre otro sustrato que la aísla de la antena de abajo y que a su vez funciona como plano de masa de la superior [13]. El esquema es la figura 1.11.. Fig. 1.11. Esquema de parches apilados [14] Para alimentarlos parches apilados se pueden utilizar las técnicas arriba mencionadas pero en este caso se utiliza una sonda coaxial roscada con un conector soldado a la metalización del parche alimentado, como se indica en la figura 1.12.. Fig. 1.12: Vista de alzado de un parche apilado [14]. 16.

(28) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.3.1. Principio de funcionamiento de las estructuras de parches apilados. Antes de realizar una explicación intuitiva de las antenas parche apiladas, queda por definir tres zonas dentro de la cavidad resonante, y que permitirá la fácil comprensión de lo que a continuación se expone. Mirando de perfil la antena, y representando las líneas de campo.. Fig. 1.13. Líneas de campo en la cavidad resonante [14] En la zona entre los planos metálicos, es donde el campo está más concentrado, como si se tratase de una cavidad resonante. Como se indicó más arriba, el espesor del sustrato debe hacerse menor de λ/20, de forma que el campo no presente variaciones en el eje z, pudiéndose considerar que son modos TM lo que ocurre en el interior de la supuesta cavidad [4]. La región donde las líneas de campo escapan de la estructura, es conocida como zona radiante, debido a que el campo se dispersa libremente por el espacio y da lugar al campo radiado por la antena y a la alimentación del parche parásito. Como se observa en el dibujo, el campo radiado por una antena parche, tanto si es simple como si es una estructura apilada, es por los bordes de las zonas metálicas, con lo que en la parte inmediatamente superior al parche y por su zona central, no hay apenas líneas de campo. Esto es una consideración importante, puesto que cuando el tamaño del parche parásito es lo suficientemente pequeño, las líneas de campo desbordadas por el parche alimentado no van a llegar a alimentar al parásito, por tanto sólo se observará una resonancia, como más tarde se indicará. El campo desbordado por una antena parche, es también proporcional al sustrato, ya que como se indicó antes, cuanto peor cavidad resonante sea, mejor antena se puede considerar, puesto que el campo perdido por desbordamientos es mayor. Para ello, el espesor del sustrato 17.

(29) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. debe ser ancho, para que las líneas de campo no se concentren y su permitividad sea lo más cercana posible a la del aire [4]. La tercera región a considerar se debe a que aparecen líneas de campo fuera de la cavidad pero que no son radiadas, son las ondas de superficie, lo que hace que la antena tenga pérdidas de potencia. Estas ondas son provocadas por el salto de índice de refracción y el espesor del sustrato, es decir, si el espesor del sustrato es muy ancho, de forma que la energía no pueda mantenerse en el interior de la cavidad, ésta sale fuera, pero debido a la ley de Snell, si el salto de índice de refracción es muy abrupto, la potencia reflejada en el cambio de medio es muy grande, 𝑅 = 𝜋[(𝑛1 − 𝑛0 )/(𝑛1 + 𝑛0 )]2 o lo suficiente como para que se propague energía por el interior del sustrato [4]. Donde: R: coeficiente de reflexión al cambio de un medio, depende de los índices de refracción de cada uno de los medios, siendo. 𝑛0 : índices de refracción del aire. 𝑛1 : índices de refracción del sustrato. Cuando se tiene una estructura apilada, el comportamiento se supone similar al de un simple parche: el parche alimentado radia de forma que el campo escapa por los lados privilegiados del parche, la mayor parte de esta energía escapa en forma de campo radiado, pero otra parte es capturada por el parche parásito, haciendo que se excite y radie a una frecuencia cercana, puesto que los tamaños son similares, haciendo que el parche de abajo funcione como su plano de masa. Cuando se calcula el tamaño de una antena parche, se hace de forma que su tamaño efectivo (es el tamaño físico del parche más el tamaño debido al desbordamiento del campo, es este tamaño total el que define la frecuencia de resonancia de la antena) sea el de una cavidad resonante a la frecuencia que se quiere transmitir, pero cuando se coloca un parásito sobre la antena, este tamaño efectivo cambia, porque parte del campo radiado es capturado por la antena superior, y entonces el tamaño efectivo de las dos antenas disminuye respecto al que tendrían en solitario, subiendo la frecuencia a la que resuenan. Por otro lado, aunque la antena. 18.

(30) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. superior sea del mismo tamaño que la alimentada, la energía con la que se le excita, es siempre menor, por lo cual los campos que desborda son menores, y su tamaño efectivo es más pequeño que el de la antena de abajo, por tanto su frecuencia de resonancia es mayor. Siguiendo en esta línea, se puede experimentar con varios tamaños del parche superior, ya que dependiendo de su tamaño, va a dar una frecuencia de resonancia u otra, dependiendo si su tamaño es grande, la frecuencia de resonancia estará más cerca de la frecuencia de resonancia del parche de abajo, y si su tamaño va disminuyendo, la frecuencia de resonancia se aleja. En principio, la resonancia debida al parche inferior (que como se indicó arriba siempre queda por debajo), no debe moverse al cambiar el tamaño del parche superior, pero realmente no es así, puesto que aunque no cambie su tamaño físico, si cambia su tamaño efectivo, pues al cambiar de tamaño el parásito, éste captará más o menos energía del de abajo [4]. Los tamaños entre los que se puede variar el parche parásito no pueden ser cualquiera, y como se verá más adelante, no puede tener un tamaño mucho menor que el parche alimentado, ya que no se excitaría (o lo que se excitase no sería suficiente como para considerarlo radiante), ni tampoco tener un tamaño mucho mayor, que taparía la radiación del de abajo, así se comportaría como un parche simple alimentado con una capacidad.. Fig. 1.14. Líneas de campo en la cavidad resonante [15] En microondas, uno de los problemas más importantes a la hora de construir circuitos, es la adaptación, para evitar reflexiones que creen ondas estacionarias y con la consiguiente pérdida de potencia transmitida de unos elementos a otros. Desde el punto de vista de las antenas, es importante disponer de un modelo circuital, que permita conocer su impedancia de entrada desde el lado del circuito.. 19.

(31) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Como se viene diciendo hasta ahora, uno de los métodos de estudio de las antenas parche, es el modelo de cavidad resonante, considerando como cavidad, la zona delimitada por la superficie conductora que constituye el propio parche y el plano de masa situado bajo éste, así como un muro magnético ficticio a lo largo del borde del mismo. En microondas, un resonador es modelado mediante un circuito RLC en paralelo, donde se puede incluir la reactancia que introduce la sonda de excitación y que modifica la frecuencia de resonancia.. Fig. 1.15. Modelo de circuito equivalente de un parche simple [8] La resistencia representa la impedancia, tanto de radiación como de pérdidas en la antena, por lo que determina el Q del resonador, mientras que la bobina y el condensador fijan, la frecuencia de resonancia del circuito. Cuando consideramos una estructura apilada, tenemos dos resonadores acoplados mediante las líneas de campo radiadas por el parche de abajo, así hay que considerar dos resonadores, cada uno que represente a cada parche, y un circuito de acoplo entre los dos que queda por determinar, dependiendo de la relación de tamaños entre las antenas y sus desplazamientos relativos.. Fig. 1.16. Modelo de circuito equivalente para la estructura de parches apilados [8] 20.

(32) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. En principio, los valores de los elementos concentrados, dependerán de las frecuencias de resonancia de cada parche, y mediante el circuito de acoplo se intentarán simular los cambios que experimentan al unirlos en la estructura apilada. Al igual que en instrumentación se utilizan condensadores para medidas de desplazamientos mediante cambios de área de las placas, cambios en la permitividad del sustrato y cambios en la distancia entre planos metálicos, este circuito de acoplo puede considerarse, desde el punto de vista circuital, como un acoplo eléctrico, como si se tratase de un condensador, de hecho, cuando el tamaño del parche superior es lo suficientemente grande como para tapar la radiación de parche inferior, puede considerarse que el parásito está excitado mediante un acoplador. 1.4.. Agrupaciones de antenas de parche microstrip. Una antena parche microstrip simple se considera una antena de ganancia baja a moderada, con ganancias de antena del orden de 5-8 dBi. Una de las mayores ventajas de este tipo de antenas es su facilidad para ser integradas o combinadas en agrupaciones. En múltiples ocasiones el patrón de radiación de un elemento simple es relativamente ancho y provee bajos valores de directividad (ganancia). Existen aplicaciones donde se desea el aumento de estos parámetros, debido a que reporta ventajas: usando antenas de mayor directividad se puede disminuir la potencia de transmisión y mejorar la eficiencia energética del sistema. El aumento de la directividad y la ganancia pueden lograrse con el aumento del tamaño eléctrico de la antena. Hay dos formas de agrandar estas dimensiones. Se puede incrementar las dimensiones físicas de los elementos simples y la otra manera es reunir elementos radiantes en configuraciones geométrica y eléctrica [16]. Esta disposición de varios elementos es conocida como arreglo. Un arreglo de antenas consiste de un conjunto de elementos de antena que se encuentran distribuidos espacialmente en lugares conocidos, con respecto a un único punto de referencia fijo. El patrón de arreglo es el resultado de cinco factores [16]: . Patrón de cada uno de los elementos individuales.. . Su orientación (lineal, bidimensional, etc.).. . Distancia entre elementos.. 21.

(33) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. . Amplitud de excitación de cada elemento individual.. . Diferencia de fase entre elementos.. Un arreglo de antenas puede asumir cualquier forma geométrica. Las configuraciones geométricas de más interés son: lineal, circular, plana y adaptativas. Un arreglo de elementos idénticamente orientados, tiene un campo que puede ser expresado como:. 𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸1−𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜__𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑥 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 [Eq. 1.25] El primer término en la [Eq. 1.25] corresponde al campo del primer elemento del arreglo, Este se sitúa en un punto de referencia a partir del cual van a ser distanciadas las demás antenas. El Factor del Arreglo es una función de la geometría del arreglo y de la fase de excitación entre elementos. Mediante la variación de la distancia y fase entre elementos, así como la distancia entre los mismos, puede ser controlado el patrón resultante del arreglo. 1.4.1. Factor de Arreglo. El factor de arreglo se define del siguiente modo [5]: 𝑗𝑛Ѱ FA(Ѱ) = ∑𝑁−1 𝑛=0 𝑎𝑛 𝑒. Ѱ = kd cos𝜃 + α. [Eq. 1.26] [Eq. 1.27]. Donde: kd cos𝜃 = 𝑘𝑧 𝑑 = 𝑤𝑧. [Eq. 1.28]. α = fase progresiva de las alimentaciones de cada elemento. El factor de arreglo es una función del ángulo Ѱ, de período 2π y los coeficientes de su serie de Fourier dependen únicamente de los coeficientes de la alimentación. Como el ángulo 𝜃, que indica la dirección de radiación en el espacio, solo toma valores reales entre 0 y 2π, se define el margen visible de la agrupación, que es el intervalo de valores que puede tomar el ángulo Ѱ: Ѱ ∈ [−kd + α, kd + α]. 22.

(34) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características.. Fig. 1.17. Representación gráfica del margen visible de una agrupación de antenas dipolo [9] Mediante la agrupación de parches se logra la interacción entre estos por su proximidad. De este modo los campos radiados por cada elemento individual se combinan, es decir, se suman en unas direcciones y se cancelan en otras. Cuando se incrementa la cantidad de parches el patrón se va cancelando en algunas direcciones. Esto es debido a que la energía radiada por los lóbulos laterales se va cancelando por algunas trayectorias y va sumándose a la del lóbulo principal. De esta forma, la antena se vuelve más directiva (aumenta su ganancia), como se puede ver en la figura 1.18.. Fig. 1.18. Patrón de radiación de un arreglo de 2 y 4 parches [17]. 23.

(35) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.2.2. Formas estructurales de los arreglo de antenas de parche. Los parches individuales pueden ser alimentados en serie o en paralelo, tal y como se muestra en la figura 1.23.. Fig. 1.19. Formas de alimentar un arreglo de parches de microcinta [13] En la figura 1.19 (a) se observan varios parches unidos por una línea de transmisión. En este caso, cada parche será alimentado después del anterior, lo que implicará desfasaje entre cada uno de ellos. La alimentación en paralelo, vista en la figura 1.19 (b), permite que la señal llegue a cada elemento al mismo tiempo. Esta red puede llevar energía a un número de antenas que está dado por 2𝑛 (con n=0, 2, 4, 6,...) para mantener la simetría del sistema. En ocasiones a pesar del aumento de la cantidad de elementos es posible experimentar una reducción en la ganancia de la antena. Las causas pueden estar asociadas a la radiación de las líneas de alimentación, imperfecciones en el proceso constructivo, la excitación de ondas de superficie, acoplamiento mutuo entre los parches debido a su cercanía y/o pérdidas óhmicas en las líneas de distribución de energía. A continuación, se muestra una tabla con las ventajas y desventajas de ambas técnicas de implementación de agrupaciones de antenas parche microstrip.. 24.

(36) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Tabla 1.2: comparación de ambas técnicas de implementación de un array de parches [13] Método de alimentación. Ventajas. Inconvenientes  Ancho de banda muy estrecho, incluso más que el de una antena parche individual..  Fácil diseño, red sencilla y compacta. Alimentación en serie.  Pérdidas reducidas..  Técnicas de mejora de ancho de banda poco eficaces para este caso.  Imperfecciones en fabricación provocan rendimiento pobre.. la un.  Transmisión de energía no homogénea entre los elementos. Alimentación en paralelo.  Alimentación independiente.  Buen aislamiento entre las alimentaciones.  Mayor ancho de banda..  Diseño más complejo, se requiere mayor número de líneas de transmisión.. 1.4.2 Características y ventajas de los arreglos de microstrip teniendo en cuenta algunos parametros Las antenas parche en tecnología microstrip permiten trabajar tanto con polarización lineal como con polarización circular, La fácil implementación en agrupaciones para lograr una. mayor directividad. Además, debido a su fácil integración y fabricación, son muy indicadas para trabajar tanto a altas frecuencias como a bajas frecuencias, Entre las ventajas de las antenas parche microstrip, se pueden destacar las enumeradas a continuación [16]: . Tamaño y perfil: En su forma convencional, el volumen de una antena parche es relativamente pequeño comparado con otras antenas. Las implementaciones en una única capa emplean grosores de sustrato menores que 0.05𝜆0 y las aplicaciones multicapa, los denominados parches apilados (del inglés stacked patches), menores. 25.

(37) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. que 0.1 𝜆0, siendo 𝜆0 la longitud de onda en el vacío. Por lo tanto, este tipo de antena puede situarse cerca del plano de masa y funcionar correctamente, El tener un perfil tan delgado hace que las antenas parche microstrip sean idóneas para su instalación en la superficie de numerosos objetos. . Facilidad para implementar agrupaciones o arrays: Las antenas parche microstrip se consideran de ganancia media (normalmente menor que 8 dBi) y para aplicaciones en las que se requiere una mayor directividad, se deben implementar en agrupación la red de alimentación se implementa en la misma tecnología microstrip en la que se desarrolla la antena y la facilidad de añadir más líneas de alimentación. Debido a que las antenas parche básicamente son antenas en dos dimensiones (la altura de la antena y su efecto pueden considerarse despreciables en comparación con la anchura y longitud de la misma), por lo que se puede realizar el diseño en una única capa. Cabe mencionar que, a altas frecuencias, la longitud de onda de trabajo es muy pequeña, por lo que el efecto producido por la altura del elemento radiante no es despreciable.. . Eficiencia: Las antenas parche microstrip pueden considerarse generalmente, elementos radiantes eficientes. Esto puede atribuirse a un único hecho: son elementos radiantes resonantes, por lo que son muy eficientes en un ancho de banda estrecho. Comparadas con otras antenas resonantes, las antenas parche son razonablemente eficientes.. Realizar una red de alimentación implica el acoplamiento entre líneas y elementos de diferentes impedancias características, en este diseño se plantea la técnica del divisor de potencia y del transformador “cuarto de onda”.. 26.

(38) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. 1.5.. Divisores de potencia. Se llama divisor de potencia, diplexor o splitter a un dispositivo que desempeña la función entregar la potencia que recibe a sus entradas a sus N salidas, normalmente de forma equitativa. Los divisores de potencia se emplean en radiofrecuencia y microondas, comunicaciones ópticas, etc, para enviar a varios dispositivos la potencia recibida por un solo puerto, manteniendo las impedancias adaptadas para tener un bajo nivel de potencia reflejada. Los divisores de potencia utilizados con mayor frecuencia son Divisor de potencia Tjunction. El divisor de potencia unión-T de 3 dB (Figura 1.20) está compuesto por tres simples líneas de transmisión conectadas en una sola unión.. Fig. 1.20. Divisor de potencia unión-T [1]. En la discontinuidad se supone que en la unión existirán campos y modos de orden superior por lo que se almacenará energía (Mitter). Dicho fenómeno puede modelarse mediante una reactancia B. Para adaptarlo a la impedancia característica de la entrada: 1 𝑍0. =. 1 𝑍1. +. 1 𝑍2. + 𝑗𝐵. [Eq. 1.29]. Donde 𝑧0 es la impedancia característica de la línea de entrada y 𝑧1 y 𝑧2 son respectivamente las impedancias de las líneas de salida. Generalmente la reactancia B no es despreciable, pero puede ser reducida mediante el uso de otros elementos reactivos sintonizables. Por lo que la ecuación 1.37 se reduciría a: 1 𝑍0. =. 1 𝑍1. +. 1 𝑍2. [Eq. 1.30]. 27.

(39) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Para tener una división equitativa de 3 dB, las impedancias de las líneas de ambas ramas deben ser iguales: 1 𝑍0. 2. = 𝑍 ⟺ 𝑍1 = 𝑍2 = 2𝑍0. [Eq. 1.31]. Por tanto, para tener un divisor de potencia unión-T de 3 dB, las impedancias de las ramas de la división deben ser idénticas y de valor el doble que la impedancia de la línea de entrada. 1.6. Transformador (λ/4) Debido a que entre una línea de transmisión y una antena existen diferentes impedancias para garantizar la mínima cantidad de ondas reflejadas y la máxima transferencia de potencia se hace necesario la realización del acople de impedancias teniendo en cuenta que una línea de transmisión y una antena en general pueden tener distintas impedancias [15]. El diseño de un transformador de λ/4 es simple y bastante útil para adaptar impedancias de carga reales a una línea de transmisión, para ello se coloca una línea de transmisión entre la carga y una línea de alimentación.. Fig. 1.21. Línea adaptadora de impedancia de λ/4 [18].. 𝑍𝑖𝑛 = 𝑍0 ∗. 𝑅𝑙 cos 𝜃+𝑗𝑍0 sin 𝜃 𝑍0 +cos 𝜃+𝑗𝑅𝐿 sin 𝜃. =. 𝑍0 2 𝑅𝐿. 𝑍0 = √R 𝐿 ∗ R G ;. 𝜃=. 𝜋 2. [Eq. 1.32] [Eq. 1.33]. 28.

(40) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de las antenas de microcintas, arreglos y sus características. Por tratarse de una carga netamente resistiva se puede escribir como:. 𝑍𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 = √𝑍𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝑍𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 Donde: λ es la longitud de onda asociada al dieléctrico. Zin es la impedancia que se desea a la entrada de la línea λ/4. Zc es la impedancia de carga vista por la línea λ/4.. 29.

(41) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento. Capítulo 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento En este capítulo, se propone una metodología de diseño de antenas de parche en microcinta, Para realizar el diseño de la antena. Basados en el modelo de análisis de línea de transmisión, se considera la metodología propuesta basada en ecuaciones existentes en la literatura. Se muestran los resultados obtenidos de los análisis electromagnéticos a partir de la Herramienta de simulación en 3D el CST Microwave Studio.. 2.1 CST MicroWave Studio 2018: Herramienta de modelado y simulación de antenas microstrip Es un paquete completo de software para el análisis y diseño electromagnético en la gama de alta frecuencia. Este software proporciona una potente interfaz para el modelamiento de sólidos que se basa en el modelador ACIS (modelación del núcleo). Después de que el componente ha sido modelado, un procedimiento totalmente automático de mallado se aplica antes de iniciar con la simulación. Una característica clave de Microwave Studio 2018 es el método de demanda (Method on Demand), proceso que permite utilizar el simulador o el tipo de malla que sea más adecuado para un problema particular. Todos los simuladores soportan redes hexahedrales con el método PBA, aproximación de frontera perfecta, (Perfect Boundary Aproximation). Algunos también disponen de la técnica TST, técnica de hoja delgada, (Thin Sheet Technique). La aplicación de estas técnicas avanzadas, aumenta la precisión de la simulación sustancialmente en comparación con los simuladores convencionales [19]. El software contiene tres técnicas de simulación diferentes (solucionador transitorio, transient solver, solucionador del dominio de frecuencia, frequency domain solver y eigenmode solver) que se ajustan de mejor manera de acuerdo a sus aplicaciones. Cada simulación de los solvers puede ser visualizada con una variedad de opciones. Otra característica de CST es la parametrización completa de la estructura modelada, que permite el uso de variables en la definición de su componente [19]. Por lo expresado anteriormente. 30.

(42) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento se puede concluir que MicroWave Studio permite realizar el análisis y diseño de dispositivos electromagnéticos en 3D al detalle y con muy buena precisión. 2.2 Metodología de diseño de la antena parche La metodología propuesta en este trabajo para diseñar una antena planar de microcinta se resume en el diagrama de flujo de la Figura 2.1 [17]. La metodología de diseño consiste en los siguientes pasos principales: establecer las especificaciones, seleccionar el substrato sobre el cual se construirá, diseñar un solo elemento (parche) y optimizarlo, obtener el arreglo para dos parches y determinar la separación entre ellos y posteriormente del arreglo 2X2. En cada modificación de la estructura, se realizará un análisis en cuanto varían los parámetros de impedancia, ganancia. Enseguida se diseñan y optimizan las redes de alimentación y se procede a analizar todas las estructuras propuestas, con el fin de decidir cuál es la más adecuada para cumplir las especificaciones del patrón de radiación, que es cubrir los 360º en el plano horizontal o magnético. Una vez formado el arreglo final, se puede variar la relación largo-ancho L/W para mejorar el ancho de banda y la separación entre parches para reducir los lóbulos laterales.. Fig. 2.1. Metodología propuesta para el diseño de la antena planar de microcinta [17]. 31.

(43) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento 2.3 Cálculo de las dimensiones fundamentales de la antena parche clásica Los parámetros a considerar para el diseño de la antena parche son los siguientes: frecuencia de operación (𝑓0 = 2.44 𝐺𝐻𝑧); el sustrato disponible para el diseño es FR4 (fibra de vidrio) con características: permitividad relativa (𝜀𝑟 = 4.3), tangente de pérdidas (𝛼 = 0.02), grosor o altura del sustrato (ℎ = 1.5 𝑚𝑚), grosor o altura de la capa conductora de cobre (𝑡 = 0.035 𝑚𝑚). Los parámetros fundamentales se muestran en la Fig. 2.2.. Fig. 2.2. Parámetros de interés en el cálculo de la antena de parche con alimentación por inserción. Para el cálculo del ancho de la antena (W) se usa, para mayor entendimiento en el procedimiento de cálculo el anexo V. 𝑊 = 38.3 𝑚𝑚. 1. La constante dieléctrica efectiva (𝜀𝑟𝑒𝑓 ) se calcula por: 𝜀𝑟𝑒𝑓 = 4.01 2. Cálculo de la extensión del largo (∆𝐿) mediante: ∆𝐿 = 6.954𝑥10−4 𝑚 ≈ 0. 7 𝑚𝑚. 3. Procedemos con el Cálculo de la longitud L del parche. 𝐿 = 0.0298 m ≈ 30 mm. 32.

(44) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento Cálculo del punto de alimentación El punto de alimentación fue diseñado para el parche clásico con el método de alimentación por inserción de línea, el punto es hecho teniendo en cuenta la longitud del parche. La longitud de onda resultante a la frecuencia de operación viene dada por la Eq. 1.11 y 1.12. 𝜆0 = 0.125 𝑚. 𝑘0 = 50. De la Eq. 1.9 se obtiene la conductancia de radiación teniendo en cuenta los cálculos anteriores. 𝐺1 = 0.00255. Teniendo la conductancia de radiación (G), se procede calculando la resistencia resonante de entrada del parche sabiendo que la impedancia resonante de entrada es de 50Ω y se calcula la posición del punto de alimentación como se muestra a continuación. 𝑅𝑖𝑛. = 196 Ω. El punto de alimentación viene dado por: 𝑌0 = 5.697 mm Seguidamente se busca el Ancho de las ranuras (Gpf) a partir de [Eq. 1.24]: GPf ≈ 0.5 mm. Para el cálculo de la línea de transmisión microstrip coplanar que alimenta la antena en el punto de inserción se considera una línea de transmisión con una Impedancia Z característica de 50 Ω. Para calcular el ancho de la línea de 50 Ω (Eq. 1.19) primero se halla el valor de A (Eq. 1.21): 𝐴 = 1.52 𝑤0 = 0.0029 𝑚 = 2.9 𝑚𝑚. 33.

(45) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento 2.4. Modelado y simulación de la antena de parche básica con alimentación por línea de transmisión coplanar insertada. Los parámetros con los resultados obtenidos en los cálculos teóricos son importados dentro de la lista paramétrica que controla la geometría de la antena en el ambiente de trabajo 3D en el software CST-MS. Utilizando las herramientas de modelado se obtuvo un primer modelo basado en los cálculos anteriores. La antena de parche con inserción y ranuras se muestra se muestra a continuación en la Fig. 2.3.. Fig. 2.3. Primer modelo de parche rectangular con línea de Tx insertada y ranuras A través del comportamiento de las pérdidas por retorno (parámetro S11 en dB) se puede apreciar la poca exactitud de los cálculos teóricos. En la Fig. 2.4 se muestra el comportamiento de S11 (dB) que indica que la antena está resonando en 2.344 GHz. Los cálculos teóricos a pesar de no ser exacto se pueden utilizar como punto de partida para la posterior. simulación.. 34.

(46) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento. Fig. 2.4. Parámetro S11 en dB (Pérdidas por retorno) del primer modelo calculado Como se puede apreciar en la gráfica los resultados no fueron los esperados, puesto que el parche no está mostrando resonancia en la banda de trabajo con fc= 2.44 GHz. La frecuencia inferior 2.4 GHz posee un valor de -7.05 dB mientras que la frecuencia superior de la banda posee -2.82 dB. En las frecuencias de extremos de la banda los valores de S11 (dB) están por encima de -10 dB lo que representa un pobre desempeño de la antena en la banda de trabajo. Como consecuencia de estos resultados y aprovechando las ventajas del CST-MS se realiza la mejoría del desempeño de la antena a través de la optimización de algunos parámetros fundamentales. Optimización y análisis de la antena de parche básica para la banda de 2.4 GHz Para mejorar el comportamiento en la banda de trabajo del modelo original primero se realizó un barrido paramétrico a la magnitud L desde 28 mm a 30 mm. Los resultados de esta operación se muestran en la Fig. 2.5. Se puede observar el peso del parámetro L sobre la frecuencia de resonancia de la antena, que a medida que disminuye su valor hasta 28 mm va aumentando la frecuencia de los picos que presenta mínimos de S 11 (dB). El mejor comportamiento para las pérdidas por retorno estuvo en fc= 2.432 GHz representada en la curva señalada.. 35.

(47) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento. Fig. 2.5. Parámetros S para distintos valores de L Con una longitud del parche L=28.6 mm se muestra un buen comportamiento en gran parte de la banda de trabajo aunque el mínimo de pérdidas por retorno solo llega hasta -13.8 dB. En esa frecuencia la impedancia de la antena Z=54.6-j21.8 Ω que indica que no existe un adecuado acople de impedancia a una línea de Tx de 50 Ω. En la Fig. 2.6 Se demuestra que ajustando el parámetro Y0 a través de un barrido paramétrico se localiza el punto de 50 Ω para la alimentación del parche y a su vez se puede lograr disminuir el valor crítico S11 (dB) y mejorar la adaptación de Z [18]. Para una apreciación más detallada este resultado se muestra una gráfica de variación de Y0 con el valor de L= 28.7mm constante. El mejor comportamiento se muestra en la curva señalada con valor de Y0=8.6mm con el punto de resonancia en fc=2.434 GHz.. Fig. 2.6. Parámetros S para distintos valores de Y0 en la banda de 2.4 GHz. 36.

(48) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento En la Fig. 2.7 se muestra el comportamiento de la ROE en la banda de trabajo que también ofrece una medida del desempeño de la antena considerando el ancho de banda (BW) con valores por debajo de 2. En esta gráfica también se muestra que la antena posee resonancia en fc=2.343 GHz con un ancho de banda de 73 MHz el cual no es suficiente para cubrir los 80 MHz en toda la banda.. Fig. 2.7. Razón de ondas estacionarias (ROE) para distintos valores de Y0=7.7 mm en la banda de 2.4 GHz La directividad en el centro de la banda de la antena de parche simulada es de 2.69 dBi sin embargo debido a las pérdidas por el sustrato de -4.2 dB la eficiencia se ve afectada a 38% dando lugar a una ganancia de potencia de 2.7 dBi. En la Fig. 2.8 se muestra el comportamiento de la ganancia junto al patrón de radiación en 3D.. Fig. 2.8. Patrón de radiación en 3D a 2.44 GHz 37.

(49) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento En la Fig. 2.9 se muestra un modelo de la antena de parche optimizada con sus dimensiones señalizadas.. Fig. 2.9. Primer modelo de parche rectangular con línea de Tx insertada En la optimización de la antena de parche se pudo demostrar el grado de influencia que poseen los parámetros L y Yo en el control de la sintonía de la antena en la frecuencia de interés. Pero los mismos no controlan el BW debido a que este depende mayormente de la constante dieléctrica y la altura (hs) del sustrato [18]. Razones por las cual más adelante se trabajará en un método novedoso que permite mayor apertura en el BW. Como resultados desfavorables, la antena a pesar de lograrse la resonancia en el centro de la banda, posee un BW inferior a lo recomendado y una ganancia relativamente baja. Es por ello que el próximo epígrafe se enfocara la atención en un método novedoso que permite a una antena de parche común lograr mayor apertura de BW y mayor ganancia de potencia.. 38.

(50) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento 2.5. Estructura multicapa o apilamiento de parches. La estructura multicapa contara con el plano de masa y a este se le añade un sustrato con las características: (permitividad relativa 𝜀𝑟 = , tangente de pérdidas 𝛼 = 0.02, grosor o altura del sustrato ℎ = 1.5 𝑚𝑚) similar. En el primer nivel se encuentra el parche optimizado con inserciones alimentado con línea de 50Ω, y en el segundo nivel está el segundo parche parásito modelado con el mismo material que el primer parche y con las mismas dimensiones de ancho W= 38.3 mm y largo L= 28.5 mm como propuesta inicial. Estas estructuras se denominan parches apilados. Existe poca claridad en las bibliografías en cuanto la altura o separación óptima del elemento parasito o parche apilado dando lugar que la misma se halle de forma empírica. En la Fig. 2.10 se muestra una propuesta inicial con separación inicial del apilamiento Sa=12mm.. Fig. 2.10. Modelo de antena de parches apilados con sus dimensiones iniciales En la Fig. 2.11 se muestra la ganancia de potencia de la antena de parche optimizada bajo la influencia del acercamiento del parche parásito. Se puede observar que para una separación Sa=16 equivalente a 0.13λ mm la ganancia es mayor [17].. 39.

(51) CAPÍTULO 2. Metodología y diseño de las antenas y del arreglo de parche con apilamiento. Fig. 2.11. Comportamiento de ganancia para diferentes valores de Sa y parches apilados con dimensiones iguales En la Fig. 2.12 se muestran las pérdidas por retorno S11 (dB) de la antena de parche optimizada bajo la influencia de acercamiento del parche parásito. Se puede observar el corrimiento en frecuencias inferiores y que a medida que aumenta la separación la antena tiende a recuperar la resonancia de parche simple original. A medida que se aleja el elemento parásito, el acople disminuye y también su influencia sobre la impedancia y las pérdidas por retorno en el punto de alimentación [17].. Fig. 2.12: Comportamiento de S11 (dB) para diferentes valores de Sa y parches apilados con dimensiones iguales La afectación ocasionada por el acercamiento de un parche similar y el sustrato que lo soporta está sobre la impedancia del punto de alimentación. En la Fig. 2.13 se muestra un gráfico comparativo donde se puede ver el comportamiento de la ROE del parche con apilamiento y la del parche sin apilamiento. La curva azul representa los valores de la ROE de la antena de. 40.