3.5 ANTENAS MICROSTRIP

3.5.1 Descripción general 3.5.2 Alimentación de un parche sencillo 3.5.3 Modelo de línea de transmisión3.5.4 Campo de radiación3.5.5 Impedancia de entrada3.5.6 Métodos de análisis3.5.7 Alimentación para polarización circular3.5.8 Ejemplos de arrays microstrip prácticos y su alimentación

3.5.1 Descripción generalEl parche forma una cavidad resonante. Las aperturas paralelas a XZ forman un array que radia en fase hacia en la dirección del eje Z. Cada apertura es equivalente a una línea de corriente magnética orientada según X

Z

X

Y

L

W

h

εr

Parche: tamaño 0.25λ a 1λ, grosor 10 a 50 micras Substrato dieléctrico: Mayor que el parche, grosor 0.005 λ a 0.2 λPlano de masa: Tamaño como el substrato.Frecuencias típicas: 400MHz a 40 GHzAplicaciones: antenas de aeronaves, de móviles, WLAN, alimentadores de reflectores, biomedicina, telemetría, etc.

3.5.1 Ventajas e inconvenientesVENTAJAS.

Pequeño tamaño y poco pesoAjustable a superficies no planasFabricación sencilla y económica a gran escalaRobustez mecánica (montado en superficies rígidas)Sencillez de realización de arraysFácil integración en equipos y circuitosAdecuado para diseño CAD

INCONVENIENTESEstructura resonante con pequeño ancho de bandaPerdidas en el sustrato (precisa sustratos de calidad tanδ<0.002)Poca pureza de polarizaciónLimitaciones de potencia

3.5.1 Otras formas de parches radiantes

3.5.1 Consideraciones de ancho de banda

Definición de ancho de banda respecto aImpedancia de entrada (típica 1-2% para VSWR<2)GananciaPolarizaciónSLLEficiencia

Ensanchamiento de la bandaSubstratos mas gruesos(y con mayores pérdidas)Elementos parásitosRedes pasivas externasDiseños no resonantes (arrays de onda progresiva)

3.5.2 Alimentación mediante línea microstrip

3.5.2 Alimentación por acoplo electromagnético

Acoplamiento a través de ranura en el plano de masa

Acoplamiento por proximidad

3.5.2 Alimentación por sonda coaxial

3.5.2 Alimentación mixta. Ejemplo

3.5.3 Circuito equivalente en el modelo de línea de transmisión

2/1

1212

12

1 −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−+

+=

Whrr

efεεε

ef

efg

efcc

k

YZ

εβ

ελλ

εη

0

01

=

===

La constante dieléctrica eficaz tiene en cuenta la propagación de la onda en el sustrato y el aire

)10

(2ln636.01120

22411

1200

00

2

00

λλπ

λλπ

λ<

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= hhWBhWG

3.5.3 Impedancia característica y longitud de onda en el parche

wh

3.5.3 Longitud efectiva y frecuencia de resonancia

( )

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++

=∆∆+=8.0258.0

264.03.0412.02

hW

hW

hLLLLef

ef

ef

ε

ε

0

0010

0010

2

λ

ε

cf

Lcf

r

efefr

=

=

220 g

efefL

λε

λ==

3.5.3 Procedimiento de diseñoFijados la frecuencia de trabajo f, y el sustrato (espesor h y constante dieléctrica εr)

efg

rref W

hελλεεε 0

2/1

1212

12

1=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−+

+=

−

12

20

0 +==

r

Wfc

ελ

λ1

2

(El cálculo de W se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahl y Bhartia)

3( )

( )LLLL

hW

hW

hL gef

ef

ef

∆−=∆−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++

=∆ 22

28.0258.0

264.03.0412.0

λ

ε

ε

3.5.4 Fuentes de radiación para un parche rectangular

3.5.4 Campo de radiación de un lado

Wh x

zApertura de iluminación uniforme y polarización “z”

zh

h

W

W

hWEfyEzxEa ˆcos

cossin

cossin

cossinsinˆ),( 00

θλ

π

θλ

π

φθλ

π

φθλ

π ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=⇒=vv

( )[ ] ynfnrr

ejEjkr

ˆˆˆˆ −=××−=− vv

λ

[ ]φθ

λπ

φθλ

π

λ cossin

cossinsinˆˆ 0 W

W

hWExrr

ejEjkr ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

×=−vConsiderando h<< λ

y

3.5.4 Modelo de dipolo magnético

φθπ

φθλ

πεηωωη

φθ

φθ

πε

πε

φθ

φθ

cossin

cossinsin)ˆˆ(1)ˆ(

ˆcossin

cossin2

sin2

2'2ˆ

4

cossin'ˆ'ˆ''2)(ˆ2)ˆˆ(2ˆ2

0

02/

2/

cossin'0

000

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×=⇒=×=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==

=⋅===×=×−=

−

−

−

−

∫W

rehExrjE

kFrjE

xjk

Wkj

rehEdxehEx

reF

xrrxzrhExIxEzyEEnM

jkr

jkrW

W

jkxjkr

mas

vvv

v

vvvv

W

h x

z

sMv

Se llega finalmente a la misma expresión

3.5.4 Radiación de los dos lados

Se introduce un factor de array:

h x

z

W

Ly

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=+=

⋅−⋅φθ

λπ sinsincos2

ˆˆ2

ˆˆ2 LeeFA

ryLjkryLjk

[ ] ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×=−

φθλ

πφθ

λπ

φθλ

π

λsinsincos

cossin

cossinsin2ˆˆ 0

LW

W

hWExrr

ejEjkrv

φφθφθφθ ˆsinˆcoscosˆcossinˆ −+= rx

3.5.4 Campos de radiación en los planos principales

Plano E (PlanoYZ)

Plano H (PlanoXZ)

[ ]θ

λπ

θλ

πφθ

λ

θθθφ

sin

sinsin2ˆcos

ˆcosˆsinˆ0

0 W

W

hWEr

ejE

rx

jkr ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

+==

−v

[ ] ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−==−

θλ

πθλ

φφ

sincos2ˆ

ˆˆ90

0LhWE

rejE

xjkrv

3.5.4 Campos de radiación en los planos principales

Plano E (PlanoYZ)Plano H (PlanoXZ)

3.5.5 Impedancia de entradaLa impedancia de entrada sin considerar el acoplo entre los dos slots es:Se puede considerar el acoplo mediante la siguiente expresión (donde G12 es la conductancia mútua y el signo “+” es para resonancias antisimétricas y “-”para simétricas)Dicha impedancia puede ser reducida al utilizar la alimentación de la figura

121G

Rin =

)(21

121 GGRin ±

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= 0

20 cos)0()( y

LRyR inin

π

L

W

y0

3.5.5 Impedancia de entrada

3.5.6 Modelo de la cavidad resonante

3.5.6 Métodos de análisis

Modelo de línea de transmisiónModelo de cavidad resonanteMétodo de diferencias finitasMétodo de elementos finitosMétodo de ecuaciones integrales (p.ej. MoM)

Dominio naturalDominio espectral

3.5.7 Alimentación para polarización circular

3.5.7 Alimentación para polarización circular

3.5.8 Alimentación de arrays microstrip

Modelos de alimentación serie y paralelo

Ejemplo práctico de alimentación paralelo o corporativa

3.5.8 Alimentación de arrays microstrip

Ejemplo de alimentación corporativa

Ejemplo de alimentación mixta

3.5.8 Alimetación de elementos parásitos

YAGI Microstrip

3.5.8 Reflectarrays

3.5.8 Array de polarización dual

3.5.8 Array inflable para aplicaciones espaciales con polarización dual