Diseño de antena microstrip CS 1459
ANTENA IMPRESA O ANTENA MICROSTRIP1
DEFINICIÓN: Las
antenas impresas, de tipo parche también denominadas antenas microstrip
(micro tira) se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre
substrato dieléctrico. Las dimensiones se eligen de forma que la estructura
disipe la potencia en forma de radiación.
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.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Las 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. El dieléctrico es eléctrica-mente delgado (0.003l <h <0.05l),
para evitar fugas y ondas superficiales. La permisividad es a (3< εr<
10), para que las líneas de campo estén confinadas en torno a la línea
microstrip.
FORMA DE LOS PARCHES Se 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.
TÉCNICAS DE ALIMENTACIÓN Técnicas por contacto ·
Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación) ·
Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching) 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
PREVISIONES E INCONVENIENTES Las características
más importantes de este tipo de antenas son su bajo perfil, se pueden adaptar a
la forma de la estructura (plana o curvada), su fabricación es sencilla y
barata, son robustas, combinables con circuitos integrados de microondas, y se
pueden diseñar para trabajar a diversas frecuencias y con distintas
polarizaciones. Los inconvenientes más importantes son su baja eficiencia,
limitada potencia, alto factor de calidad, pobre pureza de polarización, son de
banda estrecha y además la radiación de las líneas puede modificar los
parámetros de las antenas.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS: ·
Son livianas y ocupan poco volumen. · Fáciles de adaptar
a distintas superficies. · Bajos costos de fabricación y facilidad para
fabricarlas en serie. · Soporta tanto polarización lineal como
polarización circular. · Fácilmente integrables a sistemas integrados de
microondas (MICs) · Pueden diseñarse para trabajar a distintas
frecuencias. ·
Mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas. DESVENTAJAS: ·
Son de pequeño ancho de banda · Baja potencia ·
Baja ganancia · Limitada potencia ·
Baja pureza de polarización · La radiación de los bordes puede afectar los
parámetros de la antena.
APLICACIONES Las aplicaciones más importantes son
para antenas de los sistemas de teledetección (sistemas de radar a bordo de
satélites), sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores
de calor en tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones
militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas. Entre
otras tenemos: · Comunicaciones móviles (estaciones base, teléfono,
automóvil). ·
Antenas en aviones (navegación, altímetros, telefonía). ·
Satélites de comunicaciones.· Radares (Phased arrays) con conformado electrónico
de haz. ·
Biomédicas (aplicadores de calor en medicina (hipotermia)). ·
Telemetría (guiado de misiles, sensores). · Observación de la
tierra.
DISEÑO Considerando que el sustrato utilizado en el
diseño de la antena es de una altura h muy pequeña (h<0.05·λ) para el cual
el campo a lo largo del eje Z se considera constante, la frecuencia de
resonancia se determina utilizando el modo TMmn0: Donde Xmn representa los
ceros de la derivada de la función de Bessel Jm(X) y determina el orden de la
frecuencia de resonancia. Los valores de Xmn se presentan en la siguiente
tabla: Como el parche se ve eléctricamente más largo, aparece el concepto de
radio efectivo “ae”. Para el modo TM110, la expresión de la frecuencia de
resonancia se reduce: Se consideró: µr=1 (para el cobre, material del parche).
Se reemplazó a por ae.
Despejando para obtener una expresión para ae en
función de fr: Finalmente se puede calcular el radio a del parche circula
mediante la expresión: Para calcular la distancia del centro al punto de
alimentación del parche “Sf” se emplea la siguiente expresión: DISEÑO PARA
RECEPSIÓN ISDB-T Se tiene las siguientes especificaciones: Banda: UHF Rango de
frecuencias: 470 MHz - 746 MHz Frecuencia central: 608 MHz Impedancia
característica: 75 Ω Sustrato: Baquelita εr=4.35 Altura h del sustrato: 1.5 mm
Con estos datos se procede a calcular las dimensiones de la antena: Radio efectivo ae: Radio a de la antena: Punto de alimentación Sf: Longitud del sustrato: Donde L es la longitud del lado mínimo que debe tener el sustrato.
Dimensiones de la antena: 27 cm de alto X 14 Cm, de ancho.
SIMULACIÓN Para obtener los parámetros característicos de la antena se procede a realizar una simulación con el programa ANTENNA MAGUS, obteniendo los siguientes resultados: Típico Mínimo Máximo Patrón de Lóbulo radiación único Ganancia (dBi) 7 5 8 Ancho de banda 5 0.3 15 (%) Impedancia (Ω) 75 Diagrama de radiación normalizado (dB) a la frecuencia central: Patrón de radiación tridimensional:
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 (e = 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. 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.