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FUNDAMENTOS Y DISEÑO

En el presente es el proyecto del Primer Bimestre de Sistemas de Comunicación Radiantes. Consta de fundamentos y diseño para una antena tipo parche microstrip

Patricio Montenegro C.Marco Betancourt P.05 de octubre de 2012

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ContenidoINTRODUCCIÓN..................................................................................................................................2

ANTENAS MICROSTRIP TIPO PARCHE.................................................................................................2

APLICACIONES................................................................................................................................2

DISEÑO...........................................................................................................................................3

MÉTODOS DE DISEÑO................................................................................................................3

MODOS DE ANÁLISIS......................................................................................................................4

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO..............................................................................................4

FORMA DE LOS PARCHES...............................................................................................................6

TÉCNICAS DE ALIMENTACIÓN........................................................................................................7

DISEÑO DE UNA ANTENA MICROSTRIP TIPO PARCHE........................................................................8

SIMULACIÓN................................................................................................................................10

CONCLUSIONES................................................................................................................................11

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ANTENAS MICROSTRIP

INTRODUCCIÓNLas antenas Microstrip son un tipo de antenas planas. Son una extensión de la línea de trasmisión Microstrip Las antenas planas son monomodo. Son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesférica. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elmentos de un array. La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiación Su estructura se basa en: - Parche metálico de dimensiones comparables a la longitud de onda - Sustrato dieléctrico sin pérdidas - Plano de masa

Inconvenientes

Baja eficiencia - Baja potencia - Alto Q - Pobre pureza de polarización - Banda estrecha - Radiación espuria de las líneas

Ventajas

Bajo perfil - Conformable a estructuras - Fabricación sencilla y barata - Robustas - Combinable con circuitos integrados de microondas - Versátiles en la elección de la frecuencia de resonancia o polarización

ANTENAS MICROSTRIP TIPO PARCHEExisten varios tipos de antenas microstrip, la más común es la antena parche.Esta antena es de banda estrecha y esta fabricada cubriendo los elementos de la antena en un metal con sustrato dieléctrico formando una superficie plana. Las formas más comunes de los parches son cuadrados, rectangulares, circulares y elípticas pero es posible cualquier forma.

APLICACIONESEstas antenas suelen estar montadas en aviones ,naves espaciales o incorporadas a radios de comunicaciones móviles. Las antenas microstrip son baratas de construir gracias a su simple estructura. Estas antenas también son utilizadas en UHF ya que el tamaño de la antenas es directamente proporcional al ancho de banda de la frecuncia de resonancia. Una sola antena microstrip puede tener una ganancia de 6-9dBi. Un array de estas antenas consigue mayores ganancias que una sola antena microstrip. La antena microstrip más utilizada es la de parche rectangular .Esta antena es aproximadamente la mitad de la sección de la longitud de onda de la línea de transmisión de una microstrip rectangular. Una ventaja de estas antenas es la diversidad de polarización, pueden ser fácilmente diseñadas para estar polarizadas en vertical, horizontal, circular derecha o circular izquierda.

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DISEÑOEste tipo de antenas se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre sustrato dieléctrico. Su estructura consiste en un parche metálico sobre un sustrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor varia entre 0.003 y 0.05 y su constante dieléctrica puede tomar valores entre 2 y 12. En la parte inferior hay un plano conductor perfecto.

Las antenas parche son un tipo popular de antena cuyo nombre viene del hecho de que consisten básicamente en un parche de metal tapado por un soporte plano que normalmente es de plástico y lo protege de daños.

Los primeros diseños datan de la década de los 50, y se empiezan a utilizar en sistemas a partir de los años 70. La estructura consiste en un Parche metálico (dimensiones comparables a λ), sobre un substrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor oscila entre 0.003λ y 0.05 λ. La constante dieléctrica (εr) puede tomar valores típicos de 2 a 12. En la parte inferior de la estructura se tiene un plano conductor perfecto.

MÉTODOS DE DISEÑOExisten diversos autores que muestran muchas formas de diseñar arreglos de antenas tipo microstrip, y otros se ocupan de antenas simples. Para nuestro caso se van a analizar los criterios

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de diseño de tres autores fundamentalmente, siendo ellos: Balanis, Bahl y Bhartia, y Benalla y Gupta.

Método de Benalla y Gupta

se puede observar que el método que ellos plantean aplica solamente en el diseño de antenas microstrip rectangulares de 2 puertos, en el cual trabajan con un arreglo de antenas microstrip. Por tal razón esta forma de diseño no aplica para lo que se busca en este trabajo el cual consiste en diseñar un módulo de antena tipo microstrip para transmitir en la banda UHF.

Método de Bahl y Bhartia

La forma en que Bahl y Bhartia plantean el diseño de una antena tipo microstrip se basa en una geometría rectangular (figura 3) y en el conocimiento de "r(constante diel´ectrica del sustrato), fr(frecuencia de resonancia en Hz) y el grosor del sustrato h.

Método de Balanis

El método de Balanis se basa en una recopilación de varios autores, y en el cual se muestra la manera de diseñar una antena microstrip rectangular. Este sistema como se verá más adelante se basa en el análisis por el método de cavidades resonantes.

MODOS DE ANÁLISISExisten diversos métodos de análisis para una antena tipo microstrip, sea cual sea la forma del parche. Entre los más conocidos están

Modelo de línea de transmisión

Modelo de cavidades resonantes

Método de diferencias finitas

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOLas antenas microstrip se pueden analizar de muy diversas formas, desde los modelos más simples, basados en líneas de transmisión o cavidades hasta los más complejos, utilizando métodos numéricos o espectrales.

La línea de transmisión microstrip consiste en un conductor separado por un dieléctrico sobre un plano de masa.

El modo fundamental es quasi-TEM, estando la mayor parte del campo confinado en el dieléctrico.

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El dieléctrico es eléctricamente delgado (0.003λ <h <0.05 λ), para evitar fugas y ondas superficiales. La permitividad es a (3< εr< 10), para que las líneas de campo estén confinadas en torno a la línea microstrip

La radiación se hace presente en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura especialmente si su tamaño es comparable a la longitud de onda. No obstante el efecto de bordes se manifiesta en el contorno de la estructura y depende del grosor y la permitividad del dieléctrico.

El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W × ΔL . La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase, donde L = λ /2. La radiación existente en los flancos laterales del parche se cancela entre sí. El circuito equivalente es una línea de transmisión de longitud L, con dos impedancias que simulan las pérdidas de radiación y la capacidad de la discontinuidad y el circuito abierto

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FORMA DE LOS PARCHESSe pueden encontrar radiadores de las formas más diversas, aunque las geometrías más habituales son las circulares y rectangulares.

Otras formas menos habituales son las elípticas, triangulares o en forma de anillo.

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TÉCNICAS DE ALIMENTACIÓN

Existen varios métodos para alimentar una antena microstrip, los cuales pueden ser a través de una línea impresa, una sonda coaxial, por acoplamiento de cavidades o ya sea a través de ranuras.

Técnicas por contacto

Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación)

Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching)

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Técnicas sin contacto

Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo CPL (Cross Polarization Level)

Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%),

Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa

DISEÑO DE UNA ANTENA MICROSTRIP TIPO PARCHE

Ganancia: 16dB

Frecuencia: 2.4 GHz

Impedancia Característica: 50Ω

Altura h de sustrato: 1.5mm

Radio efectivo:

ae=8.79e7fr√εr

ae= 8.79e72.4GHz∗√4.35

ae=0.017mae=17mm

Radio de la antena:

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a= ae

1+ 2hπ∗εr∗ae

∗[ ln( 2∗ae2h )+1.7726]12

a= 0.0175

1+ 2∗1.5e-3π∗εr∗0.0175

∗[ ln( 2∗0.01752∗1.5e-3 )+1.7726]12

a=0.017ma=17mm

Punto de alimentación:

Sf=0.02064π

arcsen(√ Zo196 )Sf=0.02064π∗arcsen(√ 50196 )Sf=3.47mmm

Longitud del sustrato:

L=6 h+2aL=6∗1.5e-3+2∗17e-3L=43mm

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SIMULACIÓN

CONCLUSIONES

El método utilizado para el análisis de la antena por el modelo de la línea de transmisión es el sugerido por los autores Bahl y Bhartia ya que presenta ventajas con respecto a la elaboración física de la antena que como se menciona anteriormente es la gran limitante que se posee.

En cuanto al material dieléctrico, se opta por utilizar una baquelita comercial de constante dieléctrica ( = 4.35), y en cuanto al material del conductor se opta por el cobre para aprovechar el uso de placas para diseño de circuito impreso (baquelita y cobre) y no tener que usar otros materiales difíciles de conseguir.

De la experiencia en el laboratorio al momento de probar la antena, se pudo apreciar el problema de la poca potencia que radia la antena tipo microstrip de forma circular, pues no tiene ganancia.

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Darle ganancia a la antena significaría realizar un arreglo de microstrip, pero para la banda de frecuencias que se requiere (Televisión Digital ISDB-T) el diseño sería demasiado grande y poco práctico.

Haciendo simulaciones se pudo analizar el problema de potencia de radiación y ganancia de las antenas microstrip, observándose que para arreglos de microstrip a altas frecuencias (reducción del tamaño del parche) la ganancia y potencia de radiación aumentan, lo cual deja ver claramente que la eficiencia de las antenas microstrip es ideal cuando se está trabajando con frecuencias altas, es decir, frecuencias por encima de los 2 GHz.

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