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Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia
Segunda parte, Tema III
Dpto. de Ingeniería InformáticaEscuela Politécnica Superior
Universidad Autónoma de Madrid
Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación, 2o cuatrimestre (6 créditos ECTS)
Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz (jorge.ruizcruz@uam.esJose Luis Masa Campos (joseluis.masa@uam.es)
Colaborador: José Manuel Fernández (jmfdez@gr.ssr.upm.es), Grupo de Radiación. Dpto. SSR.UPM
22
Segunda parte de ACAF:Antenas
ACAF (2007 – 2008)
I. Principios básicos de una antena
II. Antenas lineales
III. Antenas impresas
IV. Antenas banda ancha, multibanda e independientes de la frecuencia
V. Agrupación de antenas. Arrays
VI. Antenas de apertura. Bocinas
VII. Reflectores
Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. www.eps.uam.es/~acafMaster en Ingeniería Informática y Telecomunicaciones
Escuela Politécnica Superior. Universidad Autónoma de MadridJosé Luis Masa Campos. joseluis.masa@uam.es
3
1. Estructura y características básicas, limitaciones, aplicaciones
2. Configuraciones habituales de parches
3. Elección del substrato
4. Diagramas de radiación
5. Ancho de banda
6. Diferentes formas de alimentar un parche
Ø Ventajas e Inconvenientes
7. Análisis de tipos de parches : rectangular, cuadrados, circulares, ranuras, PIFAS
8. Polarización
9. Técnicas de ensanchamiento de banda en antenas de parches
10. Técnicas de ensanchamiento de haz en antenas de parches
11. Ejemplo : diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas
III. Antenas impresas
ACAF (2007 – 2008) Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. Parte II.
4
§ En antena plana se utilizan parches diseñados en tecnología microstrip § Parches :Ø Lámina metálica de tamaño resonante (0.25λ - 1λ)
longitud del parche = 0.5λ ⇒ resonante en el modo fundamental
muy delgada (espesor : 10 – 50µm ⇒ típicamente: 18µm y 35µm )
ØEl parche resuena en una de sus dimensiones (el largo) y radia en la otra (el ancho)
§ Substrato :Ø Lámina dieléctrica que sustenta el parche
espesor : 0.005λ - 0.2λØConstantes dieléctricas generalmente en el rango : 1 ≤ εr ≤ 12
§ Plano de masa :§ Excitación :Ø Suministra la energía RF a los parches
1.- Estructura y características básicas
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
5
En contra:
ØAlto Q (> 50) ⇒ banda estrecha : 1%-5%
ØRadiación espuria (línea de alimentación, onda de superficie (modos de substrato), bordes …) ⇒ estropean el comportamiento de la antena
ØRequieren substratos de calidad
ØLimitación de potencia ⇒baja potencia
ØImpedancia de entrada: difícil de calcular y de ajustar
ØPolarización cruzada ⇒ pobre pureza de polarización (Contrapolar alta)!⇒ Relación (CP/XP) > 20 dB
ØEficiencia reducida en arrays (pérdidas en las líneas de la red de alimentación)
A favor:
ØBajo perfil, peso y volumen reducidos
ØBajo coste
ØRobustez mecánica (montado en superficies rígidas)
ØFacilidad de fabricación
ØRepetividad
ØVersátiles (frecuencia, polarización, diagramas,…)
ØCompatibles con dispositivos activos
ØFáciles de agrupar en arrays
ØAdaptables a superficies curvas
1.- Estructura y características básicas. Limitaciones
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Ø Rango de frecuencias : 100 MHz – 50 GHz
Ø Como elemento radiante aislado y sobre todo en arraysAplicaciones típicas:
§ 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 (hipertermia))
§ Telemetría (guiado de misiles, sensores)§ Observación de la tierra
§ Sistemas de vigilancia, identificación y control (alarmas, peajes)
1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
7
Antena de estación base DCS1800Ø Frecuencia : 1805 - 1880 MHz (Digital Cellular System)
Ø Ganancia: 15 dBi
Ø Tilt: -2°
1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
8
• Agrupación de antenas con barrido mecánico
Comunicaciones móviles por satélite
1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
9
• Agrupación de antenas con barrido electrónico
Comunicaciones móviles por satélite
1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
10
ØFormas de parche más habituales:
ØOtros tipos de parches:
cuadrado rectangular dipolo circular
elíptico triangular anillo
2.- Configuraciones habituales de parches
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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2.- Configuraciones habituales de parches
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
12
ØConstante dieléctrica: generalmente en el rango de 1 ≤ εr ≤ 12, aunque se utilizan poco los valores εr > 5.
Øespesor : 0.005λ ≤ h ≤ 0.2λØPerdidas en el substrato: Øprecisa substratos de calidad ⇒ tangente de pérdidas : tan(δ) < 0.002
frecuencia de resonancia disminuye
Aumentar la longitud resonante del parche
Aumentar el espesor del substrato
Para aumentar el ancho de banda
Longitud resonante del parche disminuye
Frecuencia de resonancia aumentaSi espesor del substrato disminuye
Dimensiones pequeñas del plano de masa
Ancho de banda disminuye
3.- Elección del sustrato
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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0.000613GaAs
0.0001> 80Barium – titanate oxides
Ceramic dielectrics
0.00210.5RT Duroid 6010
(PTFE1 ceramic)
0.00092.2RT Duroid 5880
(teflon + glass fiber)
0.00092.17CuClad
0.0023.5Kapton
0.00092.33Taconic
< 0.00011.02Honeycomb
0.0011.07Rohacell Foam
0.014.4Epoxy fiberglass FR-4
Perdidas: tan(δ)Constante dieléctrica: εrSustrato
1 Polytetrafluoroethylene (Teflon)
3.- Elección del sustrato
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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bajagrandeMayor eficiencia de radiación
bajagrandeMenor sensibilidad frente a tolerancias
bajagrandeAumentar el ancho de banda
bajapequeñoBajas pérdidas (por onda de superficie,…)
altapequeñoPequeñas dimensiones de antenas
altapequeñoDisminuir la radiación de la líneas
εrEspesor del substrato
Ø Interesan substratos gruesos y constantes dieléctricas εr bajas
ØLos materiales que mejor se adaptan al diseño de antenas impresas microstrip son para los εr ≤ 5 (cercana a 1, como “foam” o simplemente aire):
ØMejores valores de eficiencia de radiaciónØMayor ancho de bandaØMenores pérdidas
¿Cómo resolver las contradicciones ?ØConfiguraciones multicapa ⇒ Técnicas de banda ancha
3.- Elección del sustrato
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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⇒ Adoptar una solución de compromiso– Espesor del substrato h
ØDisminuir las pérdidas por ondas de superficie ⇒ h
ØAumentar el ancho de banda ⇒ h
– Constante dieléctrica del substrato εr
ØPequeñas dimensiones ⇒ εr
– Anchura de línea w
ØPequeñas dimensiones ⇒ w << λg/2
ØDisminuir la radiación de las líneas ⇒ w << λg/2
3.- Elección del sustrato
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Ø Para un solo elemento:• Ganancia típica: 5-7 dB• Ancho de haz a -3dB: 60°-90°
Ø Efecto del dieléctrico (Ancho de haz, onda de superficie)Ø Efecto del plano de masa y dieléctrico finitos
Plano finito, sin dieléctrico εr=1 Plano finito, con dieléctrico
4.- Diagramas de radiación
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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•El ancho de banda se define respecto a:
ØImpedancia de entrada
ØPolarización (relación axial)
ØVariación del diagrama de radiación en banda
•Para parches simples y dieléctricos delgado (⇒ 1-2%, ROE < 2 (-9.542 dB))
•Se pueden desintonizar por tolerancias, cambios de temperatura, presencia de radomos, etc.
•Para muchas aplicaciones se requieren anchos banda mayores
5.- Ancho de banda
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Sonda coaxial :ØRequiere soldadura
ØControl de la impedancia de entrada : impedancia inductiva con dieléctricos gruesos.
ØElimina la radiación espuria (bajo nivel)
ØLimitado ancho de banda
ØDifícil adaptación para substratos gruesos (h > 0.02λ)
Línea microstrip :ØEl más simple
ØControl de la impedancia de entrada
ØEl mismo substrato para parche y línea
ØSubstratos gruesos ⇒ radiación espúria de la línea y ondas de superficie
ØAcoplo entre parche y línea ⇒ generación de altos niveles de contrapolar
ØAncho de banda (típicamente: 2% y 5%)
ØLas líneas microstrip y las sondas coaxiales radian más con substratos de εr bajos ⇒afecta a peor el nivel de polarización cruzada y los niveles de lóbulos secundarios.
Lco
Rpar LparCpar
Lli
Rpar Lpar
Cpar
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Acoplo por apertura :ØEl que sufre menor contaminación por radiación espuria
ØBuena pureza de polarización
ØDistinto substrato para parche y línea
ØTípicamente, se utiliza un material de alta constante dieléctrica para el substrato inferior y uno delgado y de menor constante dieléctrica para el superior
ØLongitud de la ranura : el nivel de acoplamiento está determinado principalmente por la longitud, así como el nivel de radiación trasera
ØTípicamente, se utilizan ratios de longitud/anchura de ranura = 10
ØPosición de la línea de alimentación respecto a la ranura: Para lograr un máximo acoplamiento, la línea de alimentación debe colocarse perpendicular a la ranura y en su punto central.
ØAnchura de la línea de alimentación: Para el nivel de acoplamiento a la ranura, las líneas estrechas se acoplan más fuertemente de las anchas.
Rpar Cpar
CacopLpar
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Acoplo por proximidad :
ØBuena pureza de polarización
ØAusencia de radiación contrapolar
ØMayor ancho de banda (alcanza valores del 13%)
ØBaja radiación espuria
ØDistinto substrato para parche y línea
Cacop
Rpar Lpar
Cpar
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Alimentación por contacto directo vs. Alimentación por acoplo de energía
ØAusencia de taladros que provoquen difracciones
ØDispositivos de banda estrecha
ØNo conexión física entre la alimentación y el elemento radiante
ØAlimentaciones por cable coaxial o línea microstrip adaptadas en muchos casos 50Ω
ØIndeseable incremento en el espesor global de la antena
ØBuena pureza de polarizaciónØAlto nivel de polarización cruzada
ØBuena supresión de modos de órdenes altos
ØAlto nivel de lóbulos secundarios (SLL)
ØMejor adaptación a los arrays de antenasØProblemas de adaptación
ØMenor radiación espuriaØRadiaciones indeseadas
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche. Ventajas e inconvenientes
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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•El parche resuena en una de sus dimensiones (el largo L) y radia en la otra (el ancho W).
•Polarización : lineal, circular, dual
•La impedancia de entrada es de:
– En el borde : 180Ω - 300Ω– En el centro : 0Ω
Parche rectangular
Plano de masa
Substrato dieléctrico
W
Lt
Líneas de campo para el modo principal: Modo TM010
Antena sectorial 65° & 90° polarización vertical
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Plano E(Plano YZ)
Comparativa modelos y medidas del diagrama de radiación de un parche rectangular
Plano HPlano XZ
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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•Diseño: Modelo de línea de transmisión desarrollado por Derneryd [3]
En la práctica, para el primer modo resonante TM10, el parche rectangular se diseña fácilmente siguiendo los pasos descritos en [4].
§El cálculo del Ancho W se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahly Bhartia :
El parámetro W no influye en la frecuencia de resonancia, por lo que en principio se podría variar.
ØSi se toma W menor, disminuye la eficiencia.
ØCon W mayor se obtiene mayor eficiencia, pero pueden aparecer modos de orden superior que modifican las distribuciones de campos.
§La longitud L se calcula como :
Con:
21
0
21
2
−
+= r
fcW ε
lf
cLeff
∆−= 22
0
ε
( )
( )
0.3 0.2640.412
0.258 0.8
eff
eff
Wtl t
Wt
ε
ε
+ + ∆ =
− +
121 1 1 12
2 2r r
efft
Wε ε
ε−+ − = + +
[3] I.J. Bahl, P. Bhartia, “Microstrip Antennas”, Artech House, Dedham,1980.
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Compromiso de diseño de un parche rectangular
-altagruesoRobustez
-bajadelgadoBajo peso
-baja-Baja polarización cruzada
baja
baja
baja
-
baja
baja
Permitividaddel substrato εr
anchogruesoAlta eficiencia de radiación
anchogruesoMenor sensibilidad frente a tolerancias
-delgadoBaja radiación espuria
anchogruesoaumentar ancho de banda
-gruesoBajas pérdidas en conductores
-delgadoBajas pérdidas dieléctricas
Ancho W del parche
Espesor t del substrato
Requisito
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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ØPolarización : lineal, circular, dual
Øgenera altos niveles de contrapolar XP ⇒ polarización dual o polarización circular.
Plano de masa
L
Lt
Substrato dieléctricoParche cuadrado
Antena sectorial 90°polarización doble lineal ±
45° para PCS
7.- Análisis de tipos de parches. Cuadrado
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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ØPolarización : lineal, circular, dual
Øgenera altos niveles de contrapolar XP ⇒ polarización dual o polarización circular.
tPlano de masa
Substrato dieléctrico εr
Parche circular
r
Aproximación: Diseño de un parche circular [6] p.75598.791 10
r
Ff ε
⋅=
1221 ln 1.7726
2r
Frt FF t
ππε
= + +
f en [Hz], t y r en [cm]
Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz
7.- Análisis de tipos de parches. Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• Longitud de la ranura:
• Anchura de la ranura:
• Polarización: lineal, circular, dual
• Excitado por el acoplo de campo
Plano de masa
Metalt
l
wSubstrato dieléctrico
2gl
λ=
10lw = Antena para recepción de TV vía
satélite (DBS) a 12 GHz
Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz
7.- Análisis de tipos de parches. Ranura
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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§ Antena de parche rectangular cortocircuitado alimentado convencionalmente por sonda coaxial.§ Sin substrato dieléctrico, trabaja únicamente con chapa metálica:
ØParche rectangular :ØLongitud del parche L = λ0/4
ØCortocircuitoØPlano de masa
⇒ La longitud del parche de reduce de λ0/2 a λ0/4 situando un plano de cortocircuito entre el elemento radiante y el plano de masa siguiendo las líneas de campo eléctrico sin que las características de funcionamiento se vean significativamente afectadas.§ Aplicación típica: antena integrada en terminales comerciales de comunicaciones
móviles.
Antena F invertida planar
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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•Características de funcionamiento de la antena:–Frecuencia de resonancia–Ancho de banda–Campos radiados–Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche y plano de masa)
•Parámetros importantes para determinar las características de funcionamiento de la antena:ØTamaño del cortocircuito Ws ⇒ afecta en la distribución de corrientesØRelación de aspecto entre lados del parche W/L (longitud L y ancho W)ØAltura h del parche sobre el plano de masa
Aumentando Ws
Ancho de banda aumenta
disminuyendo Ws
Aumentando h
Incrementando W/L
Frecuencia de resonancia disminuye
WL
h
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
31
– Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche) en una PIFA para diferentes ratios W/L y diferentes Ws:
ØSe muestra cómo afectan Ws y la relación W/L a la distribución de corrientes en la cara inferior del parche a la frecuencia de resonancia
ØPara W-Ws<L, la corriente fluye hacia el lado en circuito abierto, el lados más largo del parche.
ØAl contrario, para W-Ws > L, la corriente fluye hacia el circuito abierto en el lado estrecho del parche. Al disminuir Ws, la longitud efectiva que debe recorrer la corriente es mayor ⇒ se logra disminuir la fercuencia de resonancia de la antena, manteniendo el tamaño constante.
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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ØBanda ancha ⇒10%
ØFrecuencia de resonancia múltiple
ØVolumen reducido
ØFacilidad de fabricación
Ø Polarización linealØGran flexibilidad en el diseño: estructuras planas o tridimensionales
ØGanancia ⇒ 7 - 8 dB
Ø Influencia del plano de masa: tamaño finito y pequeño introduce un alto nivel de componente contrapolar
ØNingún dieléctrico ⇒ no aparición de ondas de superficie que deterioren el funcionamiento de la antena
En contra:A favor:
•Posición y orientación de la PIFA en el plano de masa
ØLa PIFA debe colocarse cerca de la esquina del plano de masa, donde el cortocircuito está colocado en el extremo del plano de masa.
Para un comportamiento óptimo en ganancia y ancho de banda
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• Un parche microstrip con forma sencilla y alimentación única produce un campo radiado de polarización lineal.
• La polarización cambia con difracciones y reflexión• Se puede obtener polarización circular:
§ La polarización circular es una buena forma para atenuar el efecto de reflexiones.§ Para un solo elemento:ØAlimentación única y formas específicasØAlimentación múltiple
§ Para arrays:ØRotación secuencial
• Se puede obtener polarización dual:§ Para un solo elemento:ØAlimentación múltiple y formas específicas
8.- Polarización
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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ØPolarización circular, excitación única:
• Se basan en la excitación de 2 modos ortogonales, casi degenerados (frecuencias de resonancia parecidas).
• Forma del parche: desviación de una geometría con modos degenerados.
• El punto de excitación es crítico para generar los 2 modos con idéntica amplitud.
• La condición de polarización circular se cumple a una frecuencia intermedia entre las dos resonancias (banda muy estrecha!).
D) Cuadrada con esquinas cortadas
B) Ligeramente elíptica
C) Cuadrada con ranuraA) Ligeramente rectangular
A B C D
45º-45º
8.- Polarización Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
35
• Parche simétrico: circular o cuadrado.
• Dos puntos de excitación separados 90° y con desfasaje de 90°.• Se consigue un ancho de banda mayor.
• La misma configuración sirve para polarización dual.
ØPolarización circular, 2 puntos de excitación:
8.- Polarización Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
36
• El desfase se puede conseguir mediante líneas de alimentación de distinta longitud o bien mediante circuitos híbridos que consiguen el mismo efecto.
8.- Polarización Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
37
Doble parche rectangular
ØPolarización circular, 2 puntos de excitación y 2 elementos:
•Alimentados cada una por acoplo por apertura
•La misma configuración sirve para polarización dual
8.- Polarización Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
38
• Solo sirve para arrays.
• Se basa en subarrays de 4 elementos con polarización lineal.
• La polarización esta girada 90° de un elemento a otro.
• Se consigue un ancho de banda mayor.
ØPolarización circular, rotación secuencial:
8.- Polarización Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• En los últimos años, las antenas de parches microstrip de doble polarización lineal han suscitado un gran interés por permitir duplicar la capacidad de comunicación de una banda reutilizándola en polarización. Esto es lo que se está haciendo en muchos sistemas de comunicaciones actuales, tales como:
Ø Antenas de telefonía móvilØ Sistemas de satélites de comunicaciones
• La forma de parche cuadrado es la geometría habitual para este tipo de polarización:
Ø Inconveniente: generación de altos niveles de contrapolar por polarización dual o polarización circular
• Una antena de parches microstrip es capaz de radiar señales de doble polarización lineal :
Ø Si es excitada por dos puntos de alimentación ortogonalesØ Dos alimentaciones independientes que se corresponden con dos
polarizaciones lineales ortogonales individuales
8.- Polarización Dual
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Polarización dual
Ø Los dos puntos de alimentación son excitados de manera completamente independiente con igual amplitud y fase.
Ø En arrays de antenas microstrip, la doble polarización se obtiene interconectando series de parches doblemente polarizados.
Array de polarización dual
1/0°
1/0°
1/0°
1/0°
8.- Polarización Dual
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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•El ancho de banda se puede mejorar :
ØEl método más simple y directo: Aumentado el volumen : Dieléctricos más gruesos con constante dieléctrica εr baja.§Ventajas:
−Aumenta el ancho de banda
−Aumenta la eficiencia
§Inconvenientes: substrato grueso⇒ perdidas por formación de ondas de superficie−Restan potencia del diagrama de radiación
−Aumentan el nivel de lóbulos secundarios SLL
ØCon parches parásitos coplanares (más resonancias)
ØCon una red adaptadora externa
ØPerturbaciones resonantes
ØParches apilados
ØCon configuraciones multicapa
⇒ más resonancias
⇒ Ancho de banda
9.- Técnicas de ensanchamiento de banda
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• Disminuir el ancho W (dimensión radiante) del parche ⇒aumenta el ancho de haz en acimut
• Espesor del substrato disminuye ⇒ disminuye el ancho de haz en acimut• La influencia del plano de masa finito en el diagrama de radiación, tiende
por lo general a reducir la anchura del haz por efecto de la difracción en el borde de dicho plano de masa
• Con parches parásitos coplanares al elemento radiante:– El diagrama de radiación es modificado según sea:Ø La distancia de separación entre dichos parches parásitos y el
elemento radianteØ La anchura de los parches parásitos
aumenta el ancho de haz en acimut
Si separamos más los parches parásitos del elemento radiante y aumentamos la anchura de los parches parásitos
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
43
Ø Con parches parásitos coplanares al elemento radiante
§ Ejemplo: Antenas sectoriales para sistemas DECT 3500 (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)
– Frecuencia: 3400-3600 MHz
– 16 elementos
– Polarización : lineal vertical
Ancho de haz en azimuth a -3dB:
Sectorial 120°
Sectorial 90°
Sectorial 60°
120º±5º
90º±5º
60º±5º
• Las tres antenas han sido diseñadas con la misma red de alimentación y con la misma estructura de ranuras.
Ø Cambiando la estructura de los parches y la separación de estos con respecto al plano de las ranuras se han conseguido las especificaciones de ancho de haz en el plano horizontal correspondientes a las antenas sectoriales de 60º, 90º y 120°.
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Sectorial 90°
diel #4 : 8mmL16 S90-120ETSIT - S.R. MOYANO
aluminio espesor 1.5mm
P16 S120
L16 S90-120 P16 S90ETSIT - S.R. MOYANO
aluminio espesor 1.5mm
L16 S90-120ETSIT - S.R. MOYANO
aluminio espesor 1.5mm
P16 S60
Sectorial 120°
diel #4 : 9mm
Sectorial 60°
diel #4 : 5mm
ØParche alimentado por acoplamiento a través de una ranura a una línea de transmisión.
diel. #1diel. #2
diel. #3 metal #1
metal #2diel. #4
diel.#5ranura
línea dealimentación metal #3
a
bt
wb2 h
b1
diel. #1
diel. #2
diel. #3
metal #1
metal #2
diel. #4
metal #3diel.#5
b3
parcheranura
línea dealimentación
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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60º90º120º
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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11. Ejemplos de
diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• Programas de líneas impresas:
Ø AppCADØ Microwave Office
Ø Agilent ADS
• Programas de líneas impresas y antenas:Ø Ansoft Ensemble v. 8.0 (Método de los Momentos (MoM))
Ø CST Studio Suite 2006 (Ecuaciones Integrales de Maxwell ⇒ FiniteIntegration Time Domain (FITD))
11.- Programas de simulación
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• f = 7.55 GHz
• Polarización lineal
σ=107mhos/m, espesor=35 µm
Metal 3 (cobre)
Ancho = 2.46 mmLínea 50Ω
εr=2.2, tgδ=0.0008, espesor: h= 0.794 mm
Dieléctrico 2
CaracterísticasMaterial
hmetal #2
Parche + línea 50 Ω
diel. #1
W = 12.45mm
L = 16mmx = 3.32mm
L’ = 28.1mm
L’’ = 32mm
y = 8mm
Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006
11.- Parche rectangular con línea microstrip
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
49
Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche rectangular con línea microstrip
50
• f = 1.9 GHz
• Polarización lineal
σ=107mhos/m, espesor=35 µm
Metal 3 (cobre)
Ancho = 2.62 mmLínea 50Ω
εr=2.94, tgδ=0.0008, espesor: h= 1.016 mm
Dieléctrico 2
CaracterísticasMaterial
hmetal #2
Parche + línea 50 Ω
diel. #1
46.3 mm
46.3 mm14.2 mm
Simulación ENSEMBLE v. 8.0
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche cuadrado con línea microstrip
51
• f = 2400 – 2500 MHz
• Polarización lineal
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)
Conductor eléctrico perfectoPlano de masa)
εr=2.33, tgδ=0.045, espesor: h= 0.7 mmDieléctrico 2 (Taconic)
CaracterísticasMaterialx
yL= 40.6mm
L= 40.6mm
x = 15.25 mm, y = 20.3 mm
h
metal #3
parche
diel. #2sonda coaxial50 Ω
sonda coaxial: ∅ 1.2mm
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche cuadrado con sonda coaxial
52
• f = 2400 – 2500 MHz
• Polarización lineal
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)
Conductor eléctrico perfectoPlano de masa
εr=2.33, tgδ=0.045, espesor: h= 0.7 mmDieléctrico 2 (Taconic)
CaracterísticasMaterial
x = -9.2 mm
h
metal #3
parche
diel. #2sonda coaxial50 Ω
sonda coaxial: ∅ 1.2mm
xy
r = 23mm
L = 30mm
L = 30mm
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche redondo con sonda coaxial
53
• f = 2400 – 2500 MHz
• Polarización lineal
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)
εr=1 , espesor(b2)=6.5mmDieléctrico 1 (Aire)
εr=2.33, tgδ=0.045, espesor: h= 0.5 mmDieléctrico 2 (Taconic)
CaracterísticasMaterial
xy
L= 52mm
L= 52mm
x = 8 mm, y = 26 mm
hb1
diel. #1
metal #3
parche
diel. #2sonda coaxial50 Ω
sonda coaxial: ∅ 1.2mm
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche cuadrado con sonda coaxial
54
• f = 2920 MHz
• Polarización linealεr=2.62, tgδ=0.004, espesor: h= 3.23 mmDieléctrico 1
Anchura w = 4 mm, h1= 1.64mmLínea de alimentación 50Ω
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 2 (cobre)
CaracterísticasMaterial
h1
metal #2
parche
diel. #1línea de alimentación 50Ω
h2 h
Simulación con plano de masa infinito Simulación con plano de masa finito
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche redondo con acoplo por proximidad
55
• f = 36.7 – 37 GHz
• Polarización circular σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)
εr=2.17, tgδ=0.0008, espesor: h= 0.5 mmDieléctrico 2
CaracterísticasMaterial
hmetal #2
parche
diel. #1sonda coaxial
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche redondo con sonda coaxial
56
• La anchura máxima de línea es de 0.47 mm, mientras que la inferior es de 0.36 mm.• Anchuras mayores empiezan a producir efectos de radiación considerables.• Como consecuencia de la radiación de la línea que alimenta el parche radiante:
Ø El valor de contrapolar (LHCP) es algo alto.Ø En el caso del plano φ=90º, existe una clara asimetría del diagrama de radiación
⇒ aumenta el valor de contrapolar.Ø Se produce un claro empeoramiento de la relación axial para ángulos alejados
del máximo de radiación.
εr=2.46, tgδ=0.004, espesor: h =0.5 mmDieléctrico2(Taconic TLX_0)
σ=6·107 mhos/m, espesor=17 µmMetalización1 (cobre)
CaracterísticasMaterialth
diel. #2
metal #1
0.47 mm
•f = 36.85 GHz
•Polarización circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche cuadrado con línea microstrip
57
• Frecuencia: 3400-3600 MHz• Polarización : lineal vertical• Ancho de haz en elevación a -3dB:
90°±5°• ROE < 1.25
diel. #1diel. #2
diel. #3 metal #1
metal #2diel. #4
diel.#5ranuralínea de
alimentación metal #3
bt
wb2 h
b1
diel. #1
diel. #2
diel. #3
metal #1
metal #2
diel. #4
metal #3diel.#5
b3
parcheranuralínea de
alimentación
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 1 (cobre)
εr=1.1+j0.001,tgδ=0.001, espesor(b2)=3.7 mmDieléctrico 3 (CP4)
εr=1.1+j0.001, tgδ=0.001, espesor(b1)=10 mmDieléctrico 1 (CP10)
εr=4.8, tgδ=0.01, espesor=125 µmDieléctrico 2 (Laminex)
Espesor = 2mmMetal 2 (alumnio)
εr=1.1+j0.001, tgδ=0.001, espesor(b2)=8mmDieléctrico 4 (CP8)
εr=4.8+j0.08, tgδ=0.041, espesor 1.5 mmDieléctrico 5 (fibra de vidro)
CaracterísticasMaterial
W
L
b
l
aTb
Tl
ll
Wl
Parámetros del diseño
4.5 mmAncho de línea 100Ω : wl
12 mmDistancia desde el centro de la ranura - final del stub: a
6 mmAncho de la ranura b
27.5 mmLongitud de la ranura l
18 mmLongitud Transformador λg/4: Tl
16 mmLongitud de línea ll
7.8 mmAncho Transformador λg/4: Tb
23 mmAncho del parche W
20 mmLongitud del parche L
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche rectangular con acoplo por apertura
58
• Resultados de simulación:
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- Parche rectangular con acoplo por apertura
59
• Banda: 1710-1880 MHz
• ROE <1.3 (-17.7 dB)
• Polarización: lineal vertical
• Ancho de haz en acimut : 65º±5º
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 1 (cobre)
σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)
εr=1, espesor=12 mmDieléctrico 1 (Aire)
εr=3, tgδ=0.0001, espesor: h=1.58 mmDieléctrico 2 (Taconic)
Espesor = 2mmMetal 2 (alumnio)
εr=1, espesor=10mmDieléctrico 3 (Aire)
εr=4.2, tgδ=0.02, espesor: h = 1 mmDieléctrico 4 (fibra de vidro)
CaracterísticasMaterial
Parámetros del diseño
6 mmAncho de la ranura b
30 mmLongitud de la ranura l
80 mmAncho del parche W
59 mmLongitud del parche L
≤ 40 mm
Plano de masa
Aire 1
Aire 2
Excitación
Ranura
Parche
Fibra : εr = 4.2, h= 1 mm
Taconic : εr = 3, h= 1.58 mm
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- DCS (Digital Cellular System)
60
• Banda: 1850-1990 MHz• ROE <1.3 (-17.7 dB)• Polarización: doble lineal ±45º• Aislamiento : 26 dB.• Nivel de radiación contrapolar: -18 dB• Ancho de haz en acimut : 90º±5º
60 mm4 mm
42 mm12 mm20 mm
1 mm
Elemento radiante:Longitud de la ranura:Ancho de la ranura: Lado del parche:Distancia parche-ranura:Radio interior del anillo:Anchura de la línea:
10 mmDieléctrico (CP10)
2 mmDieléctrico (Foam Rohacell)
8 mmDieléctrico (Aire)
espesorParámetro:
1
2
110 Ω
110 Ω
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- PCS (Personal Communications System)
61
75 Ω
75 Ω
2
1
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- PCS (Personal Communications System)
62
Condición:
El acoplamiento del acoplador debe ser igual al conjugado del parámetro S21 del elemento radiante:
ØMódulo igualesØFases conjugadas
• Mejora en el aislamiento entre puertas2
1
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
11.- PCS (Personal Communications System)
63
[1] J.R. James, P.S. Hall, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEE Electromagnetic waves series, Peter Peregrinus Ltd, 1989.
[2] R. Garg, P. Barthia, I. Bahl, A. Ittipiboon, “Microstrip antenna design handbook”, Ed. Artech House, 2001.
[3] A Derneryd, “Linearly Polarized Microstrip Antennas”, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-24,pp.846-851, 1976.
[4] I.J. Bahl, P. Bhartia, “Microstrip Antennas”, Artech House, Dedham,1980.
[5] K. Hirasawa, M. Haenishi, “Analysis, Design and Measurements of small and low profile antennas”, Ed. Artech House, London, 1992.
[6] C.A. Balanis, “Antenna Theory, Analysis and Design”, Ed. John Wiley & Sons, New York, 1997.
[7] K.F. Lee, W. Chen, “Advances in Microstrip and Printed Antennas”, John Wiley, 1997.
[8] J.F. Zürcher, F.E. Gardiol, “Broadband Patch Antennas”, Ed. Artech House, 1995.
[9] D.M. Pozar, “Microstrip antenna aperture-coupled to a microstripline”, Electronics Letters, vol. 21, pp. 49-50, January 1985.
[10] D. M. Pozar, D.H. Schaubert, “Microstrip Antennas: The Analysis and design of Microstrip Antennas and Arrays”. IEEE Press, 1995.
[11] E. Aloni, R. Kastner, “Analysis of a dual circularly polarized microstrip antenna fed by crossed slots”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 42, n°8, pp. 1053-1058, August 1994.
[12] J. Torres Martín, “Diseño, Análisis, Construcción y Medida de antenas para el sistema PCS de Telefonía Móvil”, Proyecto fin de carrera, 2004.
[13] M. Martínez-Vázquez, “Antenas Integradas para Terminales Móviles de Tercera Generación”, Tesis Doctoral, Valencia 2003.
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
Referencias
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