Diseño, construcción y medida de prototipos docentes de antenas: las antenas dipolo

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(1)TRABAJO FIN DE GRADO GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MEDIDA DE PROTOTIPOS DOCENTES DE ANTENAS: LAS ANTENAS DIPOLO. ÁLVARO MORSO GRANERO 2019.

(2) TRABAJO FIN DE GRADO. Tı́tulo:. Diseño, construcción y medida de prototipos docentes de antenas: Las antenas dipolo.. Tı́tulo (inglés):. Design, manufacture and measure of teaching prototypes: Dipole antennas. Autor:. Álvaro Morso Granero. Tutor:. Alfonso Tomás Muriel Barrado. Ponente:. Manuel Sierra Pérez. Departamento:. Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones. MIEMBROS DEL TRIBUNAL CALIFICADOR. Presidente: Vocal: Secretario: Suplente:. FECHA DE LECTURA:. CALIFICACIÓN:.

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(4) UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones Grupo de Radiación. TRABAJO FIN DE GRADO. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MEDIDA DE PROTOTIPOS DOCENTES DE ANTENAS: LAS ANTENAS DIPOLO Álvaro Morso Granero 2019.

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(6) Resumen Este Trabajo Fin de Grado forma parte de una iniciativa desarrollada por el Grupo de Radiación de la ETSIT UPM, cuyo objetivo principal es el desarrollo de distintos prototipos de antenas con los que complementar la docencia. Concretamente, este proyecto estará centrado en las antenas dipolo, unas antenas tradicionales que continúan utilizándose en la actualidad. El proyecto comienza con la presentación de un estudio de la evolución histórica de las antenas dipolo, desde su invención, hasta la actualidad. Posteriormente, se muestra un análisis de distintos modelos matemáticos con los que se pueden diseñar este tipo de antenas. En base a uno de los modelos, se procede con el diseño de cuatro prototipos de dipolos para operar en la banda de UHF, concretamente a 1 GHz. La razón de la elección de esta banda es el tamaño de la antena, ya que un mayor tamaño facilita la visualización de ésta. Los diseños se encuentran clasificados en función del posicionamiento con la alimentación y del tipo de balun, estando dos alineados y dos situados perpendicularmente a la misma. En cuanto al balun, se emplean de tipo bazooka, de lı́nea microstrip y un hı́brido de 180o . Para una completa ejecución del proyecto, se han fabricado tres de los cuatro prototipos diseñados. En este proceso se hace un estudio de las mejores opciones de fabricación, decantándose por una de ellas. A continuación, se preparan para su medida, soldando los dispositivos necesarios en cada modelo. Finalmente, para hacer una correcta evaluación del proyecto, se procede con la medida de cada uno de los prototipos. Las medidas de adaptación se realizan con un analizador de redes y los diagramas de radiación en la cámara anecoica de la ETSIT UPM.. Palabras clave: Antena dipolo, balun, microstrip, hı́brido de 180o , conector SMA, parámetro S 11 , diagrama de radiación V.

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(8) Abstract This Bachelor Thesis is part of an initiative developed by the ETSIT UPM Radiation Group, whose main objective is the development of different prototypes of antennas to complement the teaching. Specifically, this project will focus on dipole antennas, traditional antennas that continue to be used in a wide range of applications. The project begins with the presentation of a study of the historical evolution of dipole antennas, from their invention to the present day. Later, an analysis of different mathematical models to design dipole antennas it is shown. Based on one of the models, we proceed with the design of four prototypes of dipoles to operate in the UHF band, specifically at 1 GHz. The reason for choosing this band is the size of the antenna, as a larger size facilitates the visualization of it. The designs are classified according to the positioning with the feed and the type of balun, being two aligned and two located perpendicularly to it. As for the balun, they are used of type bazooka, of line microstrip and a hybrid of 180o . For a complete execution of the project, three of the four prototypes designed have been manufactured. In this process a study is made of the best manufacturing options, opting for one of them. Later they are prepared for measurement, welding the necessary devices to each model. Finally, to make a correct evaluation of the project, we proceed with the measurement of each of the prototypes. The adaptation measurements are carried out with a network analyser and the radiation diagrams in the anechoic chamber of the ETSIT UPM.. Keywords: Dipole antenna, balun, microstrip, 180o hybrid, SMA connector, S 11 parameter, radiation pattern VII.

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(10) Agradecimientos En este capı́tulo me gustarı́a dar las gracias a todas la personas que han apoyado en la realización de este Trabajo Fin de Grado, especialmente: A Alfonso y a Manuel por darme la gran oportunidad de poder realizar este proyecto, y por toda la ayuda y todas las facilidades que me han dado a lo largo de estos meses. A mi familia, por apoyarme durante toda la carrera, especialmente en los momentos más difı́ciles. A mis amigos, con los que he pasado mucho tiempo a lo largo de estos años y sin ellos habrı́a sido imposible llegar hasta aquı́. A los miembros del grupo de radiación por toda la ayuda que me han proporcionado con los montajes y las medidas de las antenas.. IX.

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(12) Índice general Resumen. V. Abstract. VII. Lista de Figuras. XV. Lista de Tablas. XIX. 1. Introducción y objetivos. 1. 1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 2. Marco Histórico. 3. 2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 2.2. La evolución de las antenas dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 2.3. Actualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 3. Modelado. 7. 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 3.2. Modelo Sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 3.2.1. Estudio del dipolo en Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 3.3. Método de los momentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 3.4. Prototipos de balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 4. Dipolo colineal con la alimentación. 15 XI.

(13) 4.1. Dipolo de hilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 4.1.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 4.1.2. Técnica de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 4.1.3. Balun Bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 4.1.4. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 4.2. Dipolo impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 4.2.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 4.2.2. Técnica de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 4.2.3. Balun Bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 4.2.4. Propuesta de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 5. Dipolo frente a masa. 27. 5.1. Dipolo con balun de lı́nea microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 5.1.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 5.1.2. Técnica de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 5.1.3. Balun de lı́nea microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 5.1.4. Propuesta de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 5.2. Dipolo con hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 5.2.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 5.2.2. Técnica de Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 5.2.3. Hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 5.2.4. Diseño propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 6. Fabricación y medida. 39. 6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 6.2. Proceso de fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 6.3. Procedimiento de medida y resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41.

(14) 6.3.1. Dipolo impreso con balun bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 6.3.2. Dipolo con balun de lı́nea microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 6.3.3. Dipolo con hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 7. Conclusiones y lı́neas futuras. 49. 7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 7.2. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 7.3. Lı́neas Futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. A. Impacto del proyecto. i. A.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. i. A.2. Impacto ético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. i. A.3. Impacto económico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. i. A.4. Impacto social . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ii. A.5. Impacto medioambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ii. B. Presupuesto económico para el proyecto. iii. C. Hojas de especificaciones. vii. Bibliografı́a. xiii.

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(16) Índice de figuras 2.1. Avioneta con el dipolo para onda corta [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 2.2. Array de dipolos de Telefunken Company [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.3. Estructura de una antena Yagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.4. Estructura antena log periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.5. Dipolo impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 3.1. Resistencia de radiación en función de la longitud del dipolo . . . . . . . . . . . .. 10. 3.2. Reactancia de entrada en función del radio, a (m), y de la longitud del dipolo . . .. 10. 3.3. Diagrama de radiación del dipolo de hilo en Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 3.4. Distribución de corrientes en un dipolo recto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 3.5. Estructura de un balun partido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 3.6. Estructura de un balun bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 4.1. Estructura del dipolo con el balun bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 4.2. Parámetros S de la lı́nea coaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 4.3. Corte transversal del balun bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 4.4. Parámetro S 11 en la Carta Smith para distintas medidas del gap en mm . . . . . . .. 18. 4.5. Vistas del modelo final del dipolo de hilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 4.6. Parámetro |S 11 | del dipolo de hilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 4.7. Diagrama de radiación del dipolo de hilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 4.8. Estructura inicial del dipolo impreso con el balun bazooka . . . . . . . . . . . . .. 20. 4.9. Cálculo de dimensiones de la lı́nea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. XV.

(17) 4.10. Lı́nea Microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 4.11. Parámetros S de la lı́nea microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 4.12. Parámetro |S 11 | del diseño inicial del dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 4.13. Parámetro S 11 en la Carta Smith del diseño inicial del dipolo . . . . . . . . . . . .. 23. 4.14. Estructura final del dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 4.15. Parámetro |S 11 | del diseño final del dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 4.16. Parámetro S 11 en la Carta Smith del diseño inicial del dipolo . . . . . . . . . . . .. 25. 4.17. Diagrama de radiación del dipolo impreso colineal con la alimentación . . . . . . .. 26. 5.1. Estructura inicial del dipolo impreso con el balun de lı́nea microstrip . . . . . . . .. 28. 5.2. Divisor en T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 5.3. Parámetros S del divisor en T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 5.4. Codo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 5.5. Parámetros S del codo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 5.6. Estructura completa del balun con la alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 5.7. Módulo de los parámetros S de la estructura completa del balun con la alimentación. 30. 5.8. Fase de los parámetros S de la estructura completa del balun con la alimentación .. 31. 5.9. Parámetro |S 11 | del diseño sin chaflán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 5.10. Estructura final del dipolo con balun de linea microstrip . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 5.11. Parámetro |S 11 | del dipolo con balun de lı́nea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 5.12. Parámetro S 11 en la Carta Smith del dipolo con balun de lı́nea . . . . . . . . . . .. 33. 5.13. Diagrama de radiación del dipolo con balun de lı́nea . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 5.14. Estructura inicial del dipolo impreso con el balun de lı́nea microstrip . . . . . . . .. 34. 5.15. Alimentación del hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 5.16. SYPJ-2-33+ de Mini-circuits [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 5.17. Parámetros S 21 y S 31 del hı́brido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 5.18. Esquema del hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36.

(18) 5.19. Vista superior de la huella del hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 5.20. Vista interior de un taladro metalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 6.1. Soporte metálico para la medida en la cámara anecoica . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 6.2. Taladros de las antenas para unir al soporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 6.3. Taladros para la conexión a masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 6.4. Conector SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 6.5. Medida con el analizador de redes y en la cámara anecoica . . . . . . . . . . . . .. 42. 6.6. Dipolo con balun bazooka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 6.7. Parámetro |S 11 | simulado y medido del dipolo impreso con balun bazooka . . . . .. 43. 6.8. Componentes CP y XP de las medidas y de la simulación del campo en el corte φ = 0 44 6.9. Componentes CP y XP de las medidas y de la simulación del campo en el corte Θ = 90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 6.10. Componente CP en detalle de la medida y de la simulación del campo en el corte Θ = 90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 6.11. Dipolo con balun de lı́nea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 6.12. Parámetro |S 11 | simulado y medido del dipolo impreso con balun de lı́nea . . . . .. 46. 6.13. Componentes CP y XP de las medidas y la simulación del campo en el corte φ = 0. 46. 6.14. Componentes CP y XP de las medidas y la simulación del campo en el corte φ = 90. 46. 6.15. Dipolo con hı́brido de 180o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 6.16. Parámetro |S 11 | simulado y medido del dipolo impreso con el hı́brido de 180o . . .. 47. 6.17. Componentes CP y XP de las medidas y la simulación del campo en el corte φ = 0. 48. 6.18. Componentes CP y XP de las medidas y la simulación del campo en el corte φ = 90. 48. C.1. Divisor SYPJ-2-33+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. viii. C.2. Divisor SYPJ-2-33+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ix. C.3. Conector coaxial RS 526-5791 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. x. C.4. Conector coaxial RS 526-5791 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xi.

(19) C.5. Medidas del conector coaxial RS 526-5791 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xii.

(20) Índice de cuadros 3.1. Parámetros de un dipolo en función de su longitud [4] . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 3.2. Parámetros y medidas del dipolo de hilo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 3.3. Resultados finales del dipolo en Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 4.1. Especificaciones de la lı́nea coaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. B.1. Coste final del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. v. XIX.

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(22) CAPÍTULO. Introducción y objetivos 1.1.. Introducción. Hoy en dı́a, el campo de las comunicaciones se encuentra en un crecimiento continuo, especialmente el área las comunicaciones inalámbricas. Éste se debe a la gran cantidad de ventajas que estos sistemas ofrecen con respecto a los sistemas tradicionales por cable. Uno de los elementos más importantes de las comunicaciones inalámbricas son las antenas, y concretamente, unas de las más utilizadas son las que se van a tratar en este proyecto, las antenas dipolo. Las antenas dipolo fueron las primeras antenas en inventarse, y hoy en dı́a se siguen utilizando en multitud de aplicaciones. Sus principales caracterı́sticas (diagrama de radiación omnidireccional, simplicidad en el diseño, y coste relativamente bajo) les permiten ser la primera opción para muchos radioenlaces. A partir de los dipolos, han ido surgiendo otros muchos tipos de antenas con ganancias y diagramas de radiación completamente distintos, que nos permiten que sean usadas para aplicaciones muy diversas. En la actualidad los modelos más empleados siguen siendo los dipolos de hilo. Sin embargo, en el campo de la investigación los prototipos impresos son los que más llaman la atención, siendo hoy en dı́a los que más se desarrollan en bandas de frecuencia superiores a 1 GHz.. 1.2.. Objetivos. El Proyecto Fin de Grado tiene una finalidad principal que es el diseño y fabricación de distintos prototipos de antenas dipolo enfocados a la docencia. Para cumplirla, hay que seguir un orden de objetivos más concretos: Estudio de la historia de las antenas dipolo, explicando sus primeras aplicaciones y su evolución hasta la actualidad. 1. 1.

(23) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS. Investigación de las distintas metodologı́as de diseño de los dipolos, elaborando un modelo matemático generalista. Se va a detallar el modelo más común para el diseño de dipolos, el modelo sinusoidal, haciendo también un modelo en Matlab de un dipolo de longitud λ/2. A su vez, se realizará una introducción del funcionamiento y la idea del método de los momentos. Diseño de distintos prototipos de antenas dipolo a 1 GHz. Como se ha comentado, la intención primordial para trabajar a esta frecuencia, es conseguir que estos prototipos sean lo suficientemente visuales como para que una persona no muy experta en este campo pueda tanto apreciar, como entender con facilidad, el funcionamiento de los dipolos. Fabricación de los prototipos diseñados. Con este objetivo se consigue dar un paso hacia delante después del diseño, y ası́ poder apreciar realmente los prototipos de dipolos que se habı́an simulado en un ordenador. Medida de los dipolos tras la fabricación. Llevando a cabo este objetivo, se conseguirá una mayor soltura en el uso de un analizador de redes, y también se tendrá una idea del funcionamiento de una cámara anecoica. Comparación de los resultados de la simulación con los medidos, para evaluar si realmente los dipolos están bien diseñados y cuales son los efectos que puede producir el proceso de fabricación.. 2.

(24) CAPÍTULO. Marco Histórico 2.1.. Introducción. Las antenas dipolo junto con las antenas de lazo fueron inventadas para un experimento por Heinrich Hertz a finales del siglo XIX [5]. Este experimento consistı́a en enfrentar estas dos antenas y comprobar si las chispas que se producı́an en el espacio entre los brazos del dipolo, se generaban también en la separación del lazo. Desde entonces, las antenas dipolo se han empleado para multitud de comunicaciones siguiendo actualmente en constante utilización y desarrollo. Las antenas dipolo [6] son consideradas unas de las antenas más simples y más versátiles para una gran multitud de aplicaciones. Casi todas las formas y configuraciones imaginables tienen una aplicación útil como antena, pueden estar confeccionadas a partir de un hilo sólido o de conductores tubulares, siendo relativamente simples en concepto, fáciles de construir y muy económicas. Las topologı́as comprenden desde lı́neas más tradicionales como dipolos formados por hilos rectos, hasta modelos más innovadores como pueden ser dipolos microstrip. Además de por su topologı́a, están caracterizadas en función de su longitud; desde el dipolo corto, (l λ), hasta el dipolo de media longitud de onda (l = λ/2). Sin embargo, en algunas aplicaciones también se trabaja con dipolos de mayor longitud utilizando diversas formas de alimentación, aunque el diseño más frecuente sigue siendo el de media longitud de onda.. 2.2.. La evolución de las antenas dipolo. Unos años más tarde, tras el experimento de Heirich Hertz, Guglielmo Marconi puso en práctica el uso de los dipolos estableciendo un enlace de comunicaciones entre St Johns’s y Poldhu Cornwall, al otro extremo del Atlántico. Al año después, Marconi regularizó este servicio de mensajerı́a transatlántica con estaciones receptoras en Nueva Escocia y en el Cabo Cod. La estación transmisora en Poldhu contaba con una antena con forma ventilador que se sostenı́a con dos torres de madera 3. 2.

(25) CAPÍTULO 2. MARCO HISTÓRICO. de 60 metros. Por otro lado, para la recepción, Marconi hizo uso de una cometa para tender un cable de 200 metros situado perpendicularmente a un array de cables metálicos situados sobre el suelo, haciendo la función de un monopolo sobre un plano de masa [5]. A finales del siglo XIX se empezó trabajando con longitudes de onda muy grandes entre 2.000 y 10.000 metros, por lo tanto, la longitud de las antenas tenı́a que ser bastante pequeña, l << λ, las resistencias eran menores a 1 Ω y la potencia de radiación del orden de varios kilowatios [5]. Desde entonces, se han usado las antenas de dipolo en muchas situaciones con infinidad de variantes, y poco a poco, se ha evolucionado hacia longitudes de onda mas pequeñas. A principios del siglo XX, una de las primeras aplicaciones de los dipolos, fue para el estudio de comunicaciones de onda corta a baja potencia para distancias del orden de los 500 km. Inicialmente, este estudio se llevó a cabo entre dos estaciones base situadas en Berlı́n y en Munich, donde los dipolos tenı́an una longitud de 16m, aproximadamente entre λ/2 y λ/4, dependiendo de la frecuencia de trabajo. Posteriormente, la comunicación se estableció entre una de las dos estaciones base y una pequeña avioneta con un dipolo de hilo entre las alas (Fig. 2.1). La máxima distancia que se cubrió entre la base y la avioneta fue de 1000 km [1].. Figura 2.1: Avioneta con el dipolo para onda corta [1] En 1931, Telefunken Company elaboró uno de los primeros arrays de dipolos formado por 64 elementos. Este array estuvo diseñado para el establecimiento de comunicaciones transatlánticas, por ello la necesidad de antenas directivas [2]. El array contaba con dos planos de 32 dipolos, uno excitado desde el transmisor, y el otro situado a una distancia de λ/4 que actuaba como un reflector. En la Fig. 2.2 se muestra la estructura con el array de dipolos de Telefunken Company. A partir de los años 50, se empezó a trabajar con otros tipos de arrays de dipolos, como las antenas Yagi. Aunque ésta fue inventada a finales de los años 20, la mayorı́a de las investigaciones se empezaron a hacer años más tarde. Como por ejemplo en 1956, cuando se hizo un estudio matemático del comportamiento en términos de impedancia de los elementos parásitos en las antenas Yagi [7]. Las principales ventajas por las que se empezaron a usar este tipo de antenas, son por4.

(26) 2.2. LA EVOLUCIÓN DE LAS ANTENAS DIPOLO. Figura 2.2: Array de dipolos de Telefunken Company [2] que tienen un diagrama más directivo que el de un solo dipolo, y porque pueden trabajar con tanto polarización lineal como circular. En estos años también se desarrollaron unas antenas formadas por dipolos, llamadas log periódicas [8]. Este tipo de antenas son similares a las antenas Yagi, siendo de banda muy ancha, bastante directivas y contando también con polarización lineal y circular. Sin embargo, se consigue un ancho de banda mayor con menor nivel de lóbulos secundarios, sacrificando algo de ganancia. Y en las Yagi, solo un elemento del array es el que está alimentado, mientras que las log periódicas todos los elementos están alimentados, y generalmente, de forma trenzada.. Figura 2.3: Estructura de una antena Yagi. Figura 2.4: Estructura antena log periódica. En la Fig. 2.3 y Fig. 2.4, se pueden observar las estructuras de forma esquemática de la antena Yagi y la log periódica. En la Yagi, se tiene el elemento alimentado, representado con la letra F, el reflector con la R y los dos directivos, D1 y D2. Por el otro lado, se puede ver la log periódica con los elementos alimentados de forma alterna. Unos años más tarde, se empezaron a investigar y desarrollar las primeras antenas planas. Éstas comenzaron a utilizarse en multitud de aplicaciones gracias a varios factores: su pequeño tamaño, su ligereza, su bajo perfil, el reducido coste, la fácil fabricación, y la facilidad de desarrollar arrays [9]. 5.

(27) CAPÍTULO 2. MARCO HISTÓRICO. En los años 60, se tiene constancia de uno de los primeros dipolos impresos [10]. En la Fig. 2.5 se puede ver la estructura de un dipolo impreso genérico, de longitud λ/2 y con un balun de lı́nea.. Figura 2.5: Dipolo impreso. 2.3.. Actualidad. Hoy en dı́a, las antenas dipolo siguen siendo unas de las antenas mas utilizadas. Aún siendo las primeras antenas que se pusieron en práctica y unas de las más simples, hay multitud de aplicaciones en las que se siguen usando tanto dichas antenas, como derivadas de las mismas. Esto es debido a las virtudes que poseen con respecto a otros tipos de antenas. Las principales ventajas de este tipo de antenas son: facilidad de adaptación con lı́neas de transmisión, longitud razonable, y diagrama de radiación omnidireccional [11]. Con antenas derivadas, como las Yagi o las log periódica se pueden conseguir diagramas mucho más directivos, ganancias bastante superiores y mayores anchos de banda con menores lóbulos secundarios. Aunque no se ha hablado de los dipolos microstrip, estos son los más desarrollados e investigados en la actualidad, ya que admiten una gran variedad de topologı́as y sus estructuras planas permiten que se puedan posicionar más fácilmente, optimizando el espacio ocupado. Algunas de las aplicaciones actuales para las que se siguen usando este tipo de antenas son: comunicaciones móviles, WIFI, televisión, antenas de vehı́culos, radiodifusión FM [12].... 6.

(28) CAPÍTULO. Modelado 3.1.. Introducción. En este capı́tulo se va a elaborar un estudio de los modelos teóricos de diseño de la antenas dipolo. El estudio va a estar centrado en el diseño del dipolo de hilos rectos alimentados de forma equilibrada. Se va a comenzar detallando la aproximación del modelo sinusoidal, posteriormente, se mostrará un modelo elaborado en Matlab siguiendo el modelo sinusoidal, y finalmente se darán unas nociones del método de los momentos. Adicionalmente, se mencionarán distintas metodologı́as de alimentación con las que cuentan estos tipos de antenas, dando especial importancia al uso del balun.. 3.2.. Modelo Sinusoidal. Los dipolos de hilo generalmente están alimentados de forma equilibrada, de forma que las corrientes de cada hilo son de la misma magnitud y de signo contrario. La distribución de corriente a lo largo de la antena es sinusoidal y se representa de la siguiente forma. L L − |z| , |z| < I(z) = Im sin k 2 2. (3.1). Se puede ver en la tercera columna del Cuadro. 3.1 de forma esquemática la corriente en varios dipolos de distintas longitudes, donde cada figura muestra el módulo de la corriente a lo largo del hilo del dipolo. La corriente de entrada corresponde con el valor de la corriente en el punto de alimentación. En el caso de un dipolo de l = λ/2, la corriente tendrá su valor máximo en ese punto, y para l = λ la corriente será nula. Si se integra la corriente en el dipolo podemos conseguir el campo radiado en el plano E (plano que contiene la dirección de propagación y el vector polarización). En el caso de un dipolo recto en el eje z no se tendrá componente en φ, por lo tanto, la polarización del dipolo será lineal. 7. 3.

(29) CAPÍTULO 3. MODELADO. e− jkr cos Eθ = jηIm 2πr. . kL 2 cosθ. . − cos. kL 2. sinθ. (3.2). Observando la última columna del Cuadro. 3.1 se pueden ver los diagramas de radiación en el plano E (plano que contiene la dirección de propagación y al vector de polarización, es decir, cualquier plano que contenga al dipolo) para distintas longitudes de los brazos de los dipolos [13]. Además, a medida que la longitud del dipolo aumenta también crecen el número de lóbulos secundarios [14], lo cual se refleja en el caso de l = 3λ/2 y de l = 2λ. Para el cálculo de la potencia radiada [14], hay que integrar el vector de Poynting del campo radiado sobre una esfera de radio r. Resultando: Z 1 |E|2 r2 dΩ Pr = 2η 4π. (3.3). Con respecto a la impedancia de entrada, ésta se divide en la parte real, resistencia de de radiación o resistencia de entrada (Rrad ), y en la parte imaginaria, la reactancia de entrada (Xa ). Se puede hallar la impedancia de entrada de la siguiente manera [15]: 2Prad h i Im2 sin2 k L2 η L ZL ≈ ln −1 π 2a −ZL Xa = tan KL 2 Rrad =. (3.4). (3.5) (3.6). Las expresiones anteriores de la resistencia de radiación tienen un denominador que se anula para una longitud multiplo de la longitud de onda. Una aproximación más realista y que es una forma habitual para calcular de manera más rápida y aproximada la Rrad es a partir de la siguiente fórmula [16]:. Rrad.  2     20 π Lλ        2,4  = 24,7 π Lλ        4,17    11,14 π Lλ. λ 2. 0<L<. λ 4. λ 4. λ 2. <L<. (3.7). < L < 0,637λ. Se puede comprobar en el Cuadro. 3.1 que la resistencia de radiación para las longitudes l = λ y l = 2λ, al ser nula la corriente de entrada, es infinita. Esto se justifica porque el modelo sinusoidal no deja de ser una aproximación. 8.

(30) 3.2. MODELO SINUSOIDAL. Longitud. Caracterı́sticas. Corriente. Diagrama de radiación. Rr = 73 Ω l=λ/2. D = 1, 64 o. o. ∆θ−3dB = 78 Rr = ∞ Ω l=λ. D = 2, 41 o. o. ∆θ−3dB = 48. Rr = 99, 5 Ω l = 3λ/2. D = 2, 17 o. o. ∆θ−3dB = 33 Rr = ∞ Ω l = 2λ. D = 2, 52 o. o. ∆θ−3dB = 27. Cuadro 3.1: Parámetros de un dipolo en función de su longitud [4]. Para el calculo de la eficiencia de la antena (a ), hay que hallar la resistencia de pérdidas (Rdis ) a partir de la potencia disipada, que depende de la distribución de corriente y de la resistencia superficial, R s [15]: 1 Rs = = σδ Pdis. Rdis. r. ωµ 2σ. I 2 Rs L sin(kL) = m 1− 8πa kL. (3.8) ! (3.9). R s L 1 − sin(kL) 2Pdis kL = ' kL 2 2 2 Im sin 2 4πasin kL 2. (3.10). Rrad Rrad + Rdis. (3.11). a =. De las principales caracterı́sticas de un dipolo, solo faltan por definir la ganancia y la directividad, que se pueden obtener a partir de la potencia radiada, del campo y de la eficiencia del dipolo. 9.

(31) CAPÍTULO 3. MODELADO. D = 4π. |E|2 2ηPrad. (3.12). G = a D. 3.2.1.. (3.13). Estudio del dipolo en Matlab. En base al modelo sinusoidal, en esta sección se va a llevar a cabo un análisis en Matlab de un dipolo de hilos rectos. Inicialmente definimos sus principales parámetros en el Cuadro. 3.2: Parámetros. Especificaciones. Unidades. Frecuencia central. 1. GHz. Longitud. 75. mm. Diámetro. 0,3. mm. I0. 1. A. µ. 4π10−7. H/m. σ. 5,96 ∗ 107. S/m. Cuadro 3.2: Parámetros y medidas del dipolo de hilo. Figura 3.1: Resistencia de radiación en función de Figura 3.2: Reactancia de entrada en función del la longitud del dipolo. radio, a (m), y de la longitud del dipolo. Como se puede comprobar, la longitud total del dipolo es de λ/2, y siguiendo el modelo sinusoidal se pueden ir calculando todas sus caracterı́sticas, empezando por la impedancia de entrada del dipolo. En la Fig. 3.1 y en la Fig. 3.2 se puede observar la impedancia de entrada dividida en la 10.

(32) 3.2. MODELO SINUSOIDAL. resistencia y la reactancia. Ambas gráficas están representadas en función de la longitud del dipolo y la reactancia también en función de su radio. En la parte real de la impedancia se puede ver como a medida que crece la longitud del dipolo, la resistencia también aumenta su valor. Esto solo sucede hasta l/λ = 1, dónde según el modelo sinusoidal es infinita. Algo parecido pasa con la parte imaginaria, siendo el crecimiento mucho más exponencial cuando se llega l/λ = 1. En l/λ = 0,5 se ve perfectamente la longitud para la que el dipolo es resonante, sin importar el radio del mismo. A continuación en la Fig. 3.3 se tiene el campo radiado por el dipolo y sus respectivos cortes en los plano E y H (plano ortogonal al plano E). Se puede comprobar como el diagrama del dipolo es omnidireccional en el corte Θ = 90, y en el corte φ = 90 se pueden ver los nulos en el eje z.. (a) Diagrama de radiación completo. (b) Corte plano φ = 90. (c) Corte plano Θ = 90. Figura 3.3: Diagrama de radiación del dipolo de hilo en Matlab. En el Cuadro. 3.3 se tienen el resto de parámetros del dipolo, que se han calculado siguiendo el modelo sinusoidal. El valor tan alto de la eficiencia se debe a que los dipolos de media longitud de onda son de las antenas con mejor eficiencia [17], y al estar el modelo simulado sin pérdidas, ésta se incrementa aún más si cabe.. 11.

(33) CAPÍTULO 3. MODELADO. Parámetros. Especificaciones. Unidades. Potencia radiada. 36,5648. W. Impedancia de entrada. 73,1296. Ω. Resistencia de pérdidas. 0,0324. Ω. Eficiencia. 99,996. %. Directividad. 2,15. dB. Ganancia. 2,15. dB. Cuadro 3.3: Resultados finales del dipolo en Matlab. 3.3.. Método de los momentos. Otro modelo comúnmente usado en este tipo de antenas es el denominado Método de los Momentos (MoM) [18]. Este modelo se sirve de métodos electromagnéticos más precisos utilizados para el cálculo de ciertos parámetros de las antenas. Para la mayorı́a de los problemas de interés práctico, las ecuaciones planteadas previamente no pueden resolverse analı́ticamente. Por lo tanto, debemos emplear métodos computacionales para obtener una solución. En este método la ecuación general a resolver se expresa como: L( f ) = g. (3.14). Siendo L un operador que puede ser tanto diferencial como integral, f es la función a resolver, y g es la función conocida. El Método de los Momentos [19] cuenta con dos pasos: la expansión de la solución y la minimización del error residual. En el paso de la expansión de la solución, se escogen un conjunto de funciones base conocidas, tanto en el espacio como en el tiempo, y se emplean para expandir f. Tenemos las funciones base como φ j siendo j el ı́ndice de de cada una de las funciones base, independientes entre sı́. Por lo tanto, f será una aproximación de f̄ en términos de suma ponderada de N funciones básicas: f ' f¯ =. N X. a jφ j. (3.15). n=1. dónde los an son los coeficientes de ponderación a buscar. El segundo paso serı́a la minimización del error residual, definido como: R = L f¯ − g 12. (3.16).

(34) 3.4. PROTOTIPOS DE BALUN. Para encontrar la solución exacta al problema habrı́a que conseguir que el error residual fuese cero en todo el dominio de la solución. Para ello, definimos unas funciones conocidas de ponderación, Wi . El error residual será cero cuando su producto escalar con las funciones de ponderación sea nulo. < R, Wi >= 0. (3.17). El producto interior se refiere a una integral sobre el dominio de solución definido en un espacio funcional particular. La Fig. 3.4 muestra una comparación de la distribución de corriente del modelo sinusoidal con el método de los momentos. Para el dipolo de l=λ/2 los resultados son bastante parecidos. Sin embargo, para el de l=λ se aprecia un diferencia significativa en el punto de alimentación, donde la corriente tiene un valor pequeño pero no nulo [13]. Esto deriva en que la resistencia de radiación sea alta pero nunca infinita.. (a) l=λ/2. (b) l=λ. Figura 3.4: Distribución de corrientes en un dipolo recto. 3.4.. Prototipos de balun. En función de la topologı́a del dipolo, se suelen utilizar distintas técnicas de alimentación. Si se habla de un dipolo de hilo, la lı́nea más utilizada es la coaxial, gracias a su fácil adaptación y fabricación [20]. Sin embargo en dipolos impresos, la lı́nea microstrip suele ser la más habitual. Uno de los problemas que surge al usar estas lı́neas como técnica de alimentación, es el hecho de que al ser asimétricas, no alimentan los brazos del dipolo simétricamente, y por lo tanto, hacen que el dipolo no se comporte correctamente. 13.

(35) CAPÍTULO 3. MODELADO. Para solucionar este problema se inventó un dispositivo llamado balun (”balanced to unbalanced”), cuya función es alimentar simétricamente los brazos del dipolo. Es decir, que los brazos del dipolo tengan la misma tensión e intensidad de corriente pero con polaridades opuestas. Aunque existen una gran variedad de balunes, se va a proceder a explicar los dos de los más utilizados y los empleados en el proyecto. El balun bazooka consiste en una sección coaxial de longitud λ/4, formada por el exterior del cable coaxial que se comporta como el interior de la sección, y por el tubo metálico concéntrico de mayor diámetro. Lo que se consigue con este balun es impedir el flujo de la corriente exterior del cable coaxial, que producirı́a un desequilibrio en la alimentación, transformando el cortocircuito en un circuito abierto en el punto donde la corriente se podrı́a fugar hacia el conductor exterior del coaxial. La estructura se puede observar en la Fig. 3.6. El balun partido es el que se puede ver en la Fig. 3.5. Está formado por una sección bifilar de longitud λ/4, constituida por el coaxial y un cilindro del mismo diámetro unido al coaxial y a uno de los brazos de la antena. El funcionamiento es similar, transformando el cortocircuito de un extremo en un circuito abierto.. Figura 3.5: Estructura de un balun partido. Figura 3.6: Estructura de un balun bazooka. Aunque en este apartado se han explicado dos tipos de balun, existen otras muchas configuraciones de balun, utilizando un transformador, un circuito LC, o ferritas. En nuestro caso se ha probado un balun de transformador a 1GHz.. 14.

(36) CAPÍTULO. Dipolo colineal con la alimentación 4.1. 4.1.1.. Dipolo de hilo Estructura. En esta sección se explicará y detallará el diseño de un dipolo de hilo en tecnologı́a de lı́nea coaxial. Al ser un dipolo colineal con la alimentación, esta misma se encontrará en lı́nea con ambos brazos. Para el balanceado de las corrientes que circulan por el dipolo se usará un balun bazooka que se comportará también como uno de los brazos del dipolo. En la Fig. 4.1 se puede apreciar la estructura propuesta para la antena, mostrando la lı́nea coaxial, el balun, y los dos brazos del dipolo.. Figura 4.1: Estructura del dipolo con el balun bazooka. 4.1.2.. Técnica de alimentación. Como se ha explicado anteriormente, la impedancia de un dipolo es de 73 Ω, es por ello que para conseguir una buena adaptación, la lı́nea coaxial que se utilizará para alimentar la antena tendrá una impedancia cercana a la mencionada. Este tipo de lı́neas pueden ser tanto rı́gidas como flexibles, pero debido al uso de un balun que se sostiene sobre la lı́nea, se usará un modelo de lı́nea coaxial rı́gida. 15. 4.

(37) CAPÍTULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACIÓN. La impedancia caracterı́stica de una lı́nea coaxial se define como: V0 Z0 = = I0. r. b. µ ln( a ) 2π. (4.1). Siendo la permitividad eléctrica, µ la permeabilidad magnética del dieléctrico del coaxial, a y b el radio interior y exterior del coaxial respectivamente. En el Cuadro. 4.1 se tienen las caracterı́sticas de la lı́nea coaxial, observando tras la simulación de un tramo de la lı́nea, que la impedancia no es exactamente 73 Ω. Esto es debido a que se ha seguido un modelo comercial. Para evitar problemas con la alimentación, la longitud del coaxial será del orden de dos veces la longitud del balun. La Fig. 4.2 presenta el |S 21 | y el |S 12 | de la lı́nea coaxial de longitud 160 mm, apreciando que a 1 GHz, prácticamente no hay ni pérdidas ni reflexiones.. Parámetros. Especificaciones. Unidades. a. 0,61. mm. b. 3,62. mm. r. 2,25. F/m. µr. 1. H/m. Z0. 71,22. Ω. Cuadro 4.1: Especificaciones de la lı́nea coaxial. Figura 4.2: Parámetros S de la lı́nea coaxial. 16.

(38) 4.1. DIPOLO DE HILO. 4.1.3.. Balun Bazooka. Como se ha comentado previamente, el balun que se utilizará en este modelo, será un balun bazooka. Consiste en un cilindro concéntrico de mayor radio que el conductor exterior del coaxial al que rodea, y se conecta creando un cortocircuito en la parte superior. El balun actúa como un transformador, siendo la longitud del balun de λ/4 para que este cortocircuito se transforme en un circuito abierto, impidiendo que la corriente circule por la parte interior del balun, provocando un desequilibrio en las corrientes que circulan por el dipolo. El balun, al comportarse como uno de los brazos de la antena, tendrá el mismo radio exterior que el otro brazo. El grosor será de 1mm para que se pueda sostener rı́gidamente, y haya un mı́nimo de separación con la lı́nea coaxial. En la Fig. 4.3 se puede ver un corte transversal de la alimentación del dipolo, donde se pueden apreciar la longitud del balun y de la lı́nea coaxial.. Figura 4.3: Corte transversal del balun bazooka. 4.1.4.. Simulación. Una vez se ha diseñado tanto la lı́nea coaxial como el balun que la recubre, se procede a diseñar el otro brazo del dipolo. Para ello se extiende el interior del cable coaxial una longitud gap, que es la separación entre brazos del dipolo. El radio de los brazos del dipolo se ajusta para que la banda de resonancia esté centrada en 1 GHz. Un aumento del radio del dipolo deriva en un desplazamiento de la banda de resonancia hacia frecuencias menores, por lo tanto, para compensar este efecto habrı́a que acortar la longitud del dipolo a algo menos de λ/2. Por otro lado, el gap que se deja para conectar ambos brazos del dipolo introduce una carga reactiva, comportándose tal y como se puede observar en la Fig. 4.4. A medida que se aumenta el gap, incrementa la parte imaginaria de la impedancia del dipolo. A continuación, se muestra en la Fig. 4.5 la estructura final del dipolo, incluyendo la vista superior, la inferior, y un corte transversal por el eje z. Los mejores resultados se han obtenido para una la longitud del dipolo de λ/2, y ajustando tanto el radio, como el gap a 0,024λ y a 5 mm, respectivamente. 17.

(39) CAPÍTULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACIÓN. Figura 4.4: Parámetro S 11 en la Carta Smith para distintas medidas del gap en mm. (a) Corte transversal completo del dipolo de hilo. (b) Vista superior. (c) Vista inferior. Figura 4.5: Vistas del modelo final del dipolo de hilo En la Fig. 4.6 se presenta el parámetro |S 11 | del dipolo de hilo, donde se puede comprobar que la banda de resonancia se encuentra completamente centrada a 1 GHz, y el ancho de banda relativo a -10dB es cercano a un 11 %. Este ancho de banda de adaptación es bastante aceptable, ya que valor tı́pico para un dipolo de hilo puede ser de un 8-10 %. En la Fig. 4.7 se muestra el diagrama de radiación a 1 GHz, que como se puede comprobar, es prácticamente omnidireccional en todo φ, teniendo su máximo prácticamente en el eje perpendicular al del dipolo, Θ = 90. La ganancia es de 1,81dB, y la eficiencia de radiación y la total son de un 99 %, prácticamente ideales e iguales a las simuladas en el modelo en Matlab, Cuadro. 3.3.. 18.

(40) 4.1. DIPOLO DE HILO. Figura 4.6: Parámetro |S 11 | del dipolo de hilo. (a) Diagrama de radiación completo. (b) Corte plano φ = 90. (c) Corte plano Θ = 90. Figura 4.7: Diagrama de radiación del dipolo de hilo. 19.

(41) CAPÍTULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACIÓN. 4.2. 4.2.1.. Dipolo impreso Estructura. En este capı́tulo se detallará el diseño y la fabricación de la antena dipolo en tecnologı́a de lı́nea microstrip. Para llevar a cabo este diseño se irán definiendo cada una de las partes del sistema siguiendo el orden del modelo anterior. La estructura propuesta para este dipolo impreso, contará con tres capas como se puede observar en la Fig. 4.8. La capa superior contará con uno de los brazos del dipolo y la lı́nea microstrip, la intermedia será el sustrato dieléctrico, y la inferior contará con un balun bazooka impreso que también se comportará como segundo brazo del dipolo.. (a) Vista lateral. (b) Vista superior. (c) Vista inferior. Figura 4.8: Estructura inicial del dipolo impreso con el balun bazooka. 20.

(42) 4.2. DIPOLO IMPRESO. 4.2.2.. Técnica de alimentación. La alimentación de este sistema se realizará mediante lı́nea microstrip. Como el grosor del sustrato es mucho menor que la longitud de onda [21], se consideran que los campos son quasiTEM. Como parte de la lı́neas de campo se propagan por el dieléctrico y, parte por el aire, se tienen que calcular la constante dieléctrica efectiva, e f f mediante: e f f =. 1 r + 1 r − 1 + q 2 2 1+. (4.2) 12d W. Siendo d el espesor del sustrato y W el ancho de la pista. La lı́nea irá impresa sobre el sustrato dieléctrico que se ha elegido, un FR-4 genérico, con una constante dieléctrica relativa, r = 4, 3 y con una tan(δ) = 0,0025. Se ha escogido este sustrato ya que conviene que la constante dieléctrica no sea muy alta a efectos de ancho de banda y también de eficiencia [22] de la antena. Si se quisiera una antena de tamaño de antena más reducido, convendrı́a usar un sustrato con una r más alta, aunque llevarı́a a una menor precisión en la obtención de los resultados. Para el cálculo de las dimensiones de la lı́nea microstrip, se hace uso de las siguientes fórmulas. Obteniendo como resultado final W/d = 1,9465 que se aproxima a 1,9. Como el sustrato que se va a usar es de 1 mm, el ancho de la pista será de 1,9 mm.. Z0 A= 60. r. r + 1 r − 1 0,11 0,23 + + 2 r + 1 r B=. W 8eA = 2A d e −2. ! (4.3). 377π √ 2Z0 r. para. (4.4). W <2 d. " !# W 2 r − 1 0,61 = B − 1 − ln(2B − 1) + ln(B − 1) + 0,39 − d π 2r r. (4.5). para. W >2 d. (4.6). También existe una macro para el cálculo de impedancias de lı́neas de transmisión que nos proporciona CST STUDIO, como se puede ver en la Fig. 4.9. Una vez tiene la lı́nea microstrip diseñada Fig. 4.10 se sitúan los puertos y se procede con su simulación. A continuación, en la Fig. 4.11 se pueden ver parte de los parámetros S de nuestra lı́nea de transmisión, y como se puede comprobar, los parámetros |S 21 | y |S 12 | son idénticos y nos muestran que no hay apenas pérdidas en la lı́nea de longitud 30 mm. 21.

(43) CAPÍTULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACIÓN. Figura 4.9: Cálculo de dimensiones de la lı́nea. Figura 4.10: Lı́nea Microstrip. Figura 4.11: Parámetros S de la lı́nea microstrip. 4.2.3.. Balun Bazooka. El balun que lleva este prototipo es un modelo impreso de balun bazooka que se puede observar en la vista inferior de la Fig. 4.8. Este está formado por el plano de masa que acompaña a la lı́nea microstrip de la cara superior, llegando hasta el punto en el que se dividen los brazos. Estos brazos hacen tanto la funcionalidad de un balun como la de uno de los brazos del dipolo, teniendo una longitud de λ/4. Este prototipo de balun es el modelo impreso del balun bazooka del dipolo de hilo que se ha diseñado previamente.. 4.2.4.. Propuesta de diseño. En esta sección se mostrará el diseño completo del dipolo, empezando por un modelo inicial del que se evaluarán los parámetros S, y a continuación se mostrará el diseño definitivo indicando los 22.

(44) 4.2. DIPOLO IMPRESO. cambios realizados. Se comienza con la estructura mostrada en la Fig. 4.8, en cuya cara superior se encuentra uno de los brazos del dipolo, que está alimentado por una la lı́nea microstrip. Este brazo, es rectangular y tiene una longitud aproximada de λ/4. En la cara inferior, como se ha comentado previamente, está situado el plano de masa y el balun bazooka. La lı́nea central de la Fig. 4.8 tiene que ser lo suficientemente ancha para que el campo se pueda propagar por la lı́nea microstrip, por eso, se le da una anchura de 10 mm. La longitud de los brazos será de aproximadamente λ/4, y probando con distintas anchuras de brazo y del cortocircuito se consigue que la banda de resonancia se centre en 1 GHz.. Figura 4.12: Parámetro |S 11 | del diseño inicial del dipolo. Se puede ver en la Fig. 4.12 que el ancho de banda de adaptación está centrado en 1 GHz y que es de un 9 % aproximadamente, algo inferior al objetivo que se tiene marcado. Además, en la Fig. 4.13 se presenta el S 11 del dipolo en la Carta Smith, y como se puede comprobar, no está perfectamente adaptado.. Figura 4.13: Parámetro S 11 en la Carta Smith del diseño inicial del dipolo 23.

(45) CAPÍTULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACIÓN. Para adaptar mejor la antena, se hace un chaflán tanto en las esquinas inferiores del brazo de la cara superior, como en las esquinas superiores del balun. Las medidas del chaflán se hacen por igual en las cuatro esquinas, obteniendo como mejor resultado l chaflan = 8 mm. La Fig. 4.14 presenta la vista superior e inferior del prototipo definitivo del dipolo impreso posicionado de forma colineal con la alimentación. En la Fig. 4.15 se muestra el resultado final del parámetro |S 11 | de la antena. Viendo la gráfica se puede verificar que la resonancia del dipolo está centrada en 1GHz y que el ancho de banda es más razonable que el modelo sin recortes llegando a un 12 %. Al igual que en gráficas anteriores, se corta el eje de ordenadas a -35dB ya que los valores por debajo son prácticamente despreciables. De esta forma, se puede observar con más detalle la gráfica completa.. (a) Vista superior. (b) Vista inferior. Figura 4.14: Estructura final del dipolo. Figura 4.15: Parámetro |S 11 | del diseño final del dipolo Si se ve el S 11 en la Carta Smith (Fig. 4.16), se puede comprobar que el valor mı́nimo del S 11 24.

(46) 4.2. DIPOLO IMPRESO. de la banda de resonancia está mucho mas cerca del centro. Esto indica que la impedancia que se ve en la antena a 1 GHz es de prácticamente 50 Ω.. Figura 4.16: Parámetro S 11 en la Carta Smith del diseño inicial del dipolo. En la Fig. 4.17 se puede observar el diagrama de radiación, prácticamente omnidireccional en el plano XY, es decir, en el corte Θ = 90. Si se observara la gráfica ampliada se podrı́a apreciar un rizado de ±0,2dB que da explicación a la máxima diferencia de ganancias en este plano, 0.4dB. Tanto la eficiencia de radiación como la total son de un 83 % en ambos casos, algo más bajas que las del anterior modelo debido a las mayores pérdidas.. (a) Diagrama de radiación completo. 25.

(47) CAPÍTULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACIÓN. (b) Corte plano φ = 0. (c) Corte plano Θ = 90. Figura 4.17: Diagrama de radiación del dipolo impreso colineal con la alimentación. 26.

(48) CAPÍTULO. Dipolo frente a masa 5.1. 5.1.1.. Dipolo con balun de lı́nea microstrip Estructura. Este prototipo de dipolo está formado por tres capas, como se puede observar en la Fig. 5.1. En la capa inferior, se ve el plano de masa que cubrirá la alimentación de la antena. La capa intermedia tendrá exclusivamente el sustrato dieléctrico, concretamente el FR-4 genérico que se ha utilizado en el modelo anterior. Y, por último, en la capa superior se tendrá el divisor en T, el balun y los dos brazos del dipolo.. 5.1.2.. Técnica de alimentación. La alimentación de este dipolo será parecida al modelo anterior usando también tecnologı́a microstrip. El sustrato utilizado para esta lı́nea será el mismo que el del prototipo anterior, un FR-4 con constante dieléctrica relativa r = 4,3, y una tan(δ) = 0,0025. Por lo tanto, la anchura de la linea para 50Ω será la misma, W=1,9 mm. Se comienza diseñando el divisor en T, para ello se tiene en cuenta que en el puerto de entrada tiene una Zin = 50Ω, y en los dos de salida Zout = 50Ω, es decir, una impedancia equivalente Zeq = 25Ω. Para no tener una fuerte reflexión y poder adaptar el divisor, se hace uso de un transformador λg /4 que ayuda a adaptar la impedancia equivalente de salida mediante un transformador de impedancia intermedia. Tanto la longitud del transformador como su impedancia, vienen dadas por las siguientes fórmulas. λg λ0 c = √ = = 41, 5mm √ 4 4 e f f 4 f e f f Ztra f o =. p Zin Zout = 35,35Ω 27. (5.1) (5.2). 5.

(49) CAPÍTULO 5. DIPOLO FRENTE A MASA. (a) Vista lateral. (b) Vista superior. Figura 5.1: Estructura inicial del dipolo impreso con el balun de lı́nea microstrip. Una vez se tiene la impedancia y la longitud del transformador λg /4, queda por saber la anchura del mismo. Para ello, se sigue el mismo procedimiento del capı́tulo anterior, obteniendo como resultado una anchura de 3,3 mm. La estructura final del divisor en T se puede ver en la Fig. 5.2. En la Fig. 5.3 se muestran los parámetros S más relevantes del divisor. Se puede ver que el |S 11 | esta centrado en 1 GHz y cumple con el ancho de banda que se pretende que tenga el dipolo. Si se centra la atención en el |S 21 | y en el |S 31 |, ambos tienen la misma respuesta en frecuencia, y a 1 GHz las salidas se encuentran a -3,34dB cada una. Los 0,34dB de diferencia son debidos a pérdidas del sustrato y del cobre de la lı́nea. 28.

(50) 5.1. DIPOLO CON BALUN DE LÍNEA MICROSTRIP. Figura 5.2: Divisor en T. Figura 5.3: Parámetros S del divisor en T. 5.1.3.. Balun de lı́nea microstrip. En este apartado, se va a diseñar un balun de lı́nea para este dipolo. Partiendo del divisor en T, hay que conseguir, que tanto la corriente como la tensión de cada uno de los brazos, sea igual en magnitud y de polaridad opuesta. Para que se cumpla esta condición, tendrá que haber una diferencia de longitud de λg /2 entre las dos lı́neas microstrip que llegan a los brazos del dipolo.. Figura 5.4: Codo. Figura 5.5: Parámetros S del codo. Se comienza diseñando los codos que se utilizarán en el balun. Éstos tendrán una impedancia de 50Ω y su estructura se puede ver en la Fig. 5.4. Como se puede apreciar, se hace un chaflán de 45o 29.

(51) CAPÍTULO 5. DIPOLO FRENTE A MASA. en la esquina del codo para que no se originen capacidades perjudiciales que hagan que las esquinas radien. La Fig. 5.5 nos muestra el |S 21 | y el |S 12 | del codo, donde se puede comprobar que prácticamente no hay pérdidas en la lı́nea. Una vez se tienen el divisor en T y los codos, nos queda diseñar dos lı́neas microstrip de longitud cualquiera, y, para conseguir el desfase de 180o , se necesitarán otras dos lı́neas de impedancia 50 Ω y de longitud λg /4. En la Fig. 5.6 se puede ver la estructura final del balun con el divisor en T.. Figura 5.6: Estructura completa del balun con la alimentación. A continuación, se muestra en la Fig. 5.7 el módulo de los parámetros S de la estructura completa. Se puede ver que a 1 GHz el |S 11 | es aceptable encontrándose por debajo de -30dB. También se puede observar que el |S 31 | tiene más pérdidas que el |S 21 |, esto es debido a las dos lineas adicionales de λ/4 con las que cuenta el brazo de la derecha.. Figura 5.7: Módulo de los parámetros S de la estructura completa del balun con la alimentación Con respecto a la fase del S 21 y del S 31 , en la Fig. 5.8 se puede comprobar que la diferencia de fases entre ambos parámetros es de 178,68o , prácticamente 180o . Esto permitirá lo comentado previamente, que tanto la corriente como el voltaje tengan polaridad inversa en cada uno de los brazos del dipolo. 30.

(52) 5.1. DIPOLO CON BALUN DE LÍNEA MICROSTRIP. Figura 5.8: Fase de los parámetros S de la estructura completa del balun con la alimentación. 5.1.4.. Propuesta de diseño. Una vez se tiene diseñado tanto el sistema de alimentación como el balun, se procede a diseñar los dos brazos del dipolo que irán situados perpendicularmente a la alimentación del sistema. La longitud del dipolo será algo menor que λ/2 y la anchura será de 0,043λ. En la Fig. 5.1 se muestra la estructura del diseño inicial remarcando el gap, que se irá ajustando hasta conseguir un equilibrio entre una buena adaptación a 1 GHz y un ancho de banda considerable. La lı́nea discontinua muestra el punto donde se corta la masa. El mejor resultado se ha obtenido para un gap=1 mm. La Fig. 5.9 muestra el parámetro |S 11 | de este prototipo, y como se puede comprobar, la banda se encuentra centrada a 1 GHz y el ancho de banda es de un 23 %, bastante superior al del dipolo impreso con el balun bazooka.. Figura 5.9: Parámetro |S 11 | del diseño sin chaflán Para mejorar estos resultados, especialmente la adaptación en la frecuencia central, se hace un chaflán en las dos esquinas centrales de la parte superior del dipolo. Se ha ido probando con distintas longitudes, llegando a la más óptima, l cha f lan = 6mm (longitud de las aristas que forman 90o ). La estructura se muestra en la Fig. 5.10. A continuación, en la Fig. 5.11 se puede observar mejora en términos de adaptación, teniendo a 1 GHz el |S 11 | por debajo de los -35dB. Y con respecto al ancho de banda se ha conseguido una mı́nima mejora de un 2 % en la parte superior de la banda. 31.

(53) CAPÍTULO 5. DIPOLO FRENTE A MASA. Figura 5.10: Estructura final del dipolo con balun de linea microstrip. Figura 5.11: Parámetro |S 11 | del dipolo con balun de lı́nea. En la Fig. 5.12 se obtiene el S 11 representado en la Carta Smith. Visualizando el tercer marcador se puede comprobar que el prototipo está perfectamente adaptado a los 50Ω. Finalmente, se muestra en la Fig. 5.13 el campo radiado por el dipolo a 1 GHz. Como se puede comprobar, el diagrama no tiene la misma forma que los dos anteriores. Esto se debe al plano de masa que termina donde comienzan los brazos del dipolo, situados paralelamente al mismo. Los anchos de haz en elevación y en azimut son 198.5o y 79o respectivamente, siendo el valor en azimut bastante parecido a la elevación de los anteriores modelos. En cuanto a las eficiencias, tanto la de radiación como la total son de un 81 % y la ganancia es mayor que la de los otros prototipos ya que a esta antena no se la puede considerar omnidireccional sino directiva. Si se observa el corte en el plano φ = 90, el máximo de radiación no está en Θ = 0, esto es debido a una pequeña diferencia de 0,06dB que se puede considerar despreciable. 32.

(54) 5.1. DIPOLO CON BALUN DE LÍNEA MICROSTRIP. Figura 5.12: Parámetro S 11 en la Carta Smith del dipolo con balun de lı́nea. (a) Diagrama de radiación completo. (b) Corte plano φ = 90. (c) Corte plano φ = 0. Figura 5.13: Diagrama de radiación del dipolo con balun de lı́nea 33.

(55) CAPÍTULO 5. DIPOLO FRENTE A MASA. 5.2.. 5.2.1.. Dipolo con hı́brido de 180o. Estructura. En esta sección, se va a diseñar otro prototipo de dipolo bastante similar al anterior. La lı́nea de alimentación será perpendicular a los brazos del dipolo y se hará por lı́nea microstrip. La diferencia es la técnica que se va a utilizar para el balun, siendo un hı́brido comercial el que se utilizará para este prototipo.. (a) Vista lateral. (b) Vista superior. Figura 5.14: Estructura inicial del dipolo impreso con el balun de lı́nea microstrip 34.

(56) 5.2. DIPOLO CON HÍBRIDO DE 180o. En la Fig. 5.14 se puede observar la estructura del dipolo. En la capa inferior la masa, en la intermedia el FR-4 genérico, y en la superior se tendrán tanto los brazos del dipolo, como la lı́nea microstrip y el hı́brido que irá posicionado sobre la huella.. 5.2.2.. Técnica de Alimentación. Al igual que para los dos modelos anteriores, la alimentación del dipolo se hará mediante lı́nea microstrip. El sustrato dieléctrico será un FR-4 convencional y la impedancia de la lı́nea se seguirá manteniendo en 50 Ω. Por ello, las dimensiones de la lı́nea serán las mismas las de los dos modelos anteriores. Esta lı́nea microstrip será la entrada al hı́brido de 180o que se detallará en la siguiente sección.. Figura 5.15: Alimentación del hı́brido de 180o La Fig. 5.15 muestra la estructura de la alimentación de la antena formada por la lı́nea microstrip de 1,9 mm de anchura y por un codo con un chaflán de 45o . Los parámetros |S 21 | y |S 31 | de cada una de las partes se pueden observar en las Fig. 4.11 y Fig. 5.5.. 5.2.3.. Hı́brido de 180o. En este apartado, se va a detallar el balun que se utilizará para este prototipo. El balun elegido será un hı́brido de 180o cuyo esquema se puede ver en la Fig. 5.18. Este mismo contará con tres puertas, una puerta de entrada y dos de salida. La señal entra por la puerta 1, y por la puerta 2 sale la misma señal con la mitad de potencia, y por la puerta 3 la señal desfasada 180o con la mitad de potencia. El hı́brido que se ha elegido es el modelo SYPJ-2-33+ de la Fig. 5.16, ya que es un modelo que se adapta perfectamente a las necesidades expuestas, y es relativamente económico. En la Fig. 5.17 se puede observar el módulo de los parámetros S 21 y S 31 del hı́brido. A 1 GHz se 35.

(57) CAPÍTULO 5. DIPOLO FRENTE A MASA. Figura 5.16: SYPJ-2-33+ de Mini-circuits [3]. Figura 5.17: Parámetros S 21 y S 31 del hı́brido. Figura 5.18: Esquema del hı́brido de 180o. puede ver que las pérdidas no son de 3dB, esto es debido a que es un dispositivo pasivo que cuenta con unas pérdidas de inserción, que no superan 1dB a 1 GHz. El resto de parámetros se pueden observar en la Fig. C.2.. Figura 5.19: Vista superior de la huella del hı́brido de 180o 36.

(58) 5.2. DIPOLO CON HÍBRIDO DE 180o. Para posicionar el hı́brido en la parte superior de la antena, se diseña la huella según las medidas de la hoja de especificaciones del hı́brido (Fig. C.2). El hı́brido irá soldado a la huella donde hará contacto con la lı́nea microstrip de entrada, las dos lı́neas microstrip de salida, y la masa. La Fig. 5.19 muestra la vista superior de la huella donde irá situado el hı́brido. La puerta 1 será la puerta de entrada, y las otras dos serán las de salida. Como se puede apreciar, a la salida de las tres puertas se tiene una lı́nea microstrip con un codo idéntico al de la Fig. 5.4. Ambos tienen una anchura de 1,9 mm para poder continuar con la impedancia de 50 Ω.. Figura 5.20: Vista interior de un taladro metalizado. Los taladros de la Fig. 5.19 se pueden observar con mas detalle en la Fig. 5.20. Estos taladros, atraviesan la estructura completa de la antena, desde la huella del hı́brido hasta la masa. Siguiendo las recomendaciones del fabricante se les ha dado un diámetro de 0,5 mm. Para que cumplan su funcionalidad, que es conectar el hı́brido a masa, se ha metalizado todo su interior con cobre.. 5.2.4.. Diseño propuesto. El diseño final de este prototipo será similar al del dipolo con balun de linea microstrip. La linea microstrip será la entrada del hı́brido de 180o de donde saldrán las otras dos lı́neas que alimentarán los brazos del dipolo. La estructura final se puede ver en la Fig. 5.14.. 37.

(59) CAPÍTULO 5. DIPOLO FRENTE A MASA. 38.

(60) CAPÍTULO. Fabricación y medida 6.1.. Introducción. En este capı́tulo se detallará el desarrollo que se ha llevado a cabo para la fabricación y la medida de los tres prototipos de dipolos impresos. Se comenzará explicando los cambios que se han hecho en el diseño de las antenas para adaptarlas al proceso de medida. Posteriormente, se explicará el proceso de generación de los archivos de fabricación y de los programas utilizados para ello. Finalmente, se hará una comparación de los resultados simulados y medidos de cada uno de los tres dipolos. Concretamente, en la sección de medida se llevará a cabo una explicación tanto del proceso como de los aparatos utilizados para medir estas antenas.. 6.2.. Proceso de fabricación. Para comenzar el proceso de fabricación, se han hecho una serie de pequeños cambios en la estructura de los dipolos con objeto de facilitar su medida y posicionamiento en la cámara anecoica. En primer lugar, se han hecho dos taladros no metalizados de métrica 3 para la sujeción de la antena en un soporte que ira unido al posicionador de la cámara. Este soporte se puede observar en la Fig. 6.1. Por cada uno de los agujeros de la cara horizontal del soporte hay un par de taladros en la cara inferior. Estos últimos nos sirven para sujetar la antena en el posicionador de la cámara con dos varillas metálicas. Adicionalmente, se ha tenido que prolongar la masa de los dipolos ya que la cara horizontal del soporte no puede estar en ningún caso ni haciendo contacto con los brazos del dipolo, ni en la parte inferior de los mismos. Para que la antena quede centrada en el posicionador, los dos taladros que se han hecho en la antena tienen que estar situados simétricamente con respecto al eje central de los brazos del dipolo. Los taladros que se han hecho en el dipolo se pueden ver en la Fig. 6.2. Se ha escogido la antena con el hı́brido de 180o ya que se puede apreciar como los taladros están centrados con respecto al 39. 6.

(61) CAPÍTULO 6. FABRICACIÓN Y MEDIDA. Figura 6.1: Soporte metálico para la medida en la cámara anecoica. centro del diagrama de radiación y no con respecto a la alimentación.. Figura 6.2: Taladros de las antenas para unir al soporte. A continuación, para conseguir una mejor conexión del conector SMA con la lı́nea microstrip, y especialmente con la masa del dipolo, se han añadido dos pequeñas lı́neas metálicas a ambos lados de la lı́nea microstrip de los tres dipolos (Fig. 6.3). El punto medio de las lı́neas está distanciado 5,33 mm para que las patas de masa del conector se encuentren centradas. El objetivo es conseguir una buena conexión a masa tanto en parte inferior como en la superior. Con el fin de que haya una conexión a masa en la cara superior, se han hecho dos taladros de 0,5 mm de diámetro, metalizados en su interior. Su estructura interior se puede observar en la figura Fig. 5.20. El conector que se ha utilizado para los tres prototipos es el RS 526-5791 [23] de la Fig. 6.4. Se trata de un conector SMA que cuenta con cinco patas, la central es la que hará contacto con la lı́nea microstrip, las dos superiores con las dos lı́neas de la cara superior, y las inferiores con la masa de la cara inferior. El espacio que hay entre las patas inferiores y las superiores es de 1,22 mm, la distancia perfecta para que se pueda posicionar cómodamente el sustrato con las dos caras de cobre. 40.

(62) 6.3. PROCEDIMIENTO DE MEDIDA Y RESULTADOS. Figura 6.3: Taladros para la conexión a masa. Figura 6.4: Conector SMA. Las cinco patas del conector irán soldadas con estaño a su respectiva lı́nea. Una vez se han diseñado los tres modelos en CST STUDIO SUITE, se procede a la exportación de los archivos para la fabricación. Para ello, se sitúan las antenas en el plano XY del programa, y se van exportando los archivos de cada una de las capas de forma que la capa a exportar se encuentre interseccionada por el plano XY. En este caso, los archivos que se han tenido que exportar son: TOP y BOTTOM para las caras superior e inferior donde está el cobre, CUT para los bordes exteriores de la PCB, DRILL para los taladros no metalizados, y METALLIZED DRILL para los taladros metalizados. El formato de estos archivos es gerber, un archivo de fabricación de placas de circuitos impresos. Con respecto al sustrato, se ha utilizado para los tres prototipos el FR-4-Standard Tg 130-140 que nos proporciona el fabricante. A continuación, con los gerbers generados correctamente, se ha procedido con la búsqueda de un fabricante de PCBs. Se han estado analizando distintos fabricantes internacionales, llegando a la conclusión de que el más adecuado para nuestros requerimientos era JLPCB [24]. Las principales razones son el bajo coste de fabricación y la menor demora en el envı́o, no superando la semana desde el envı́o de los archivos de fabricación.. 6.3.. Procedimiento de medida y resultados. Una vez se han fabricado los tres dipolos, se procede a soldar los conectores SMA tal y como se ha explicado en la sección de fabricación. Para el dipolo con el hı́brido de 180o , se suelda también el propio chip sobre la huella. Lo recomendado para este proceso es usar pasta de soldadura, pero debido a que no se puso máscara de soldadura sobre la superficie de la antena, este proceso no se ha podido realizar. La solución ha sido soldar con estaño la parte exterior del chip correspondiente 41.

(63) CAPÍTULO 6. FABRICACIÓN Y MEDIDA. a cada una de las patas, y a la masa. El proceso de medida se divide en dos partes:. Medida del parámetro S 11 : Para la medida de este parámetro, se comienza conectando la sonda al puerto 1 del analizador de redes, y proceder con una calibración ”FULL-ONEPORT”para la banda de frecuencia que se quiera. La calibración necesita de un kit de calibración con la carga, el cortocircuito y el circuito abierto estandarizados. Una vez calibrado, se conecta a la antena y se procede con la medida del parámetro S 11 (Fig. 6.5). Medidas del diagrama de radiación: Estas medidas se han realizado en la cámara anecoica de la ETSIT UPM (Fig. 6.5). Con el posicionador situado a 3 metros de la bocina (antena con la que se realizan las medidas del campo radiado), se han ido midiendo las componentes copolar (CP) y contrapolar (XP) de cada uno de los prototipos. Mencionar que el eje z es el que está orientado desde el posicionador hasta la bocina.. (a). (b). Figura 6.5: Medida con el analizador de redes y en la cámara anecoica. 6.3.1.. Dipolo impreso con balun bazooka. En la Fig. 6.6 se puede ver tanto la cara superior, como la inferior del dipolo impreso con balun bazooka fabricado y con del conector SMA soldado. A continuación se muestra en la Fig. 6.7 la superposición del parámetro |S 11 | medido y el simulado. Como se puede comprobar, la resonancia está prácticamente centrada en 1 GHz, habiéndose desplazado algo menos de 20 MHz hacia la izquierda. En cuanto al ancho de banda, este se ha re42.

(64) 6.3. PROCEDIMIENTO DE MEDIDA Y RESULTADOS. (a) Vista superior. (b) Vista inferior. Figura 6.6: Dipolo con balun bazooka ducido de un 12 % a un 9 %. Esta variación en el ancho de banda, al no ser muy grande, se puede clasificar como un efecto negativo de la fabricación.. Figura 6.7: Parámetro |S 11 | simulado y medido del dipolo impreso con balun bazooka. Cabe mencionar, que el S 11 no se ha medido idealmente con el analizador de redes, ya que el diagrama de radiación de este dipolo es omnidireccional en Θ = 90 y no ha sido posible cubrir el máximo de radiación con absorbente. Sin embargo, con los otros dipolos si se ha podido ya que sus diagramas son más directivos. La Fig. 6.8 y la Fig. 6.9 muestran una comparación entre la simulación y la medida de los cortes φ = 0 y Θ = 90 del diagrama de radiación. En el corte Θ = 90 se puede comprobar que el diagrama es omnidireccional, y más en detalle se puede observar la Fig. 6.10, dónde se puede comprobar como la diferencia entre la CP de la medida y de la simulación no supera los 0.5dB. En φ = 0 se 43.

(65) CAPÍTULO 6. FABRICACIÓN Y MEDIDA. pueden identificar claramente los nulos de radiación situados en la parte positiva y negativa del eje z, es decir en Θ = 0 y en φ = ±180o . Con respecto a las componentes contrapolares (XP), en la Fig. 6.9 se puede ver una diferencia de 25dB entre los valores medidos y los simulados. Este hecho de debe a que en la rotación de la antena en la cámara anecoica, es fácil que el dipolo no se encuentre posicionado perfectamente en lı́nea con la bocina y aparezca una mı́nima componente copolar.. Figura 6.8: Componentes CP y XP de las medidas y de la simulación del campo en el corte φ = 0. Figura 6.9: Componentes CP y XP de las medidas y de la simulación del campo en el corte Θ = 90 44.