Repblica Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la DefensaUniversidad Nacional Experimental Politcnica de la Fuerza Armada NacionalSan Tome, Edo. AnzoteguiIng. Telecomunicaciones

Profesor:Ing. Luis Suarez Seccin: 7D01Ctedra: Antenas Grupo # 1Bachilleres: Rafaela Martnez C.I: 19.939.090 Edmundo Cortez C.I: 20.549.490Karlina Vidal C.I: 21.176.482Leomarys Urbano C.I: 21.176.991Jos Guzmn C.I: 20.170.286

Noviembre 2014ContenidoIntroduccin.4Marco terico.5Antenas Microstrip.5Desventajas5Ventajas5Historia6Caractersticas.7Configuracin8Ganancia8Impedancia del ancho de banda9Polarizacin circular10Modelos para el anlisis10Modelo de Lneas de Transmisin11Modelo de Cavidad Resonante13Campos de radiacin14Tecnologa microstrip15Antenas planares18Lneas de transmisin20Tcnicas de alimentacin21Alimentacin directa.22Alimentacin por conector coaxial.23Alimentacin por proximidad.25Alimentacin por apertura.25Impedancia de entrada26Acoplamiento27Patrn de radiacin29Arreglo de antenas microstrip.31Tipos de ondas en las lneas de microstrip33Ondas espaciales33Ondas superficiales34Ondas guiadas35Antenas microstrip de ranura35Antenas microstrip de ranura rectangular37Procedimiento de diseo40Conclusin.42Bibliografa.43

Introduccin

La tecnologa microstrip en la cual estn basadas las antenas tipo parche es el resultado de una evolucin que desde sus inicio estuvo regida bajo el principio de realizar diseos de dimensiones reducidas tanto en antenas como en lneas de transmisin que pudieran ser fcilmente acoplados a cualquier dispositivo. Las antenas microstrip datan de los aos 50 aunque no recibieron gran atencin hasta los aos 70, la investigacin en el campo de las antenas microstrip vino motivada por la necesidad de antenas cada vez ms ligeras y compactas para las nuevas aplicaciones operando en frecuencias de microondas que se iban desarrollando. Sus dimensiones se eligen de forma que el parche disipe la potencia en forma de radiacin, se disean a partir de lneas de transmisin o resonadores sobre substrato dielctrico. Las aplicaciones ms importantes son para antenas de los sistemas de teledeteccin, sistemas de posicionamiento global, antenas de mviles, aplicadores de calor en tratamientos de hipertermia, altmetros de aviones, aplicaciones militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas.Estas antenas suelen estar montadas en aviones, naves espaciales o incorporadas a radios de comunicaciones mviles. Estas antenas tambin son utilizadas en UHF ya que el tamao de la antena es directamente proporcional al ancho de banda de la frecuencia de resonancia. Una sola antena microstrip puede tener una ganancia de 6-9dBi.

Marco terico.Antenas Microstrip.Las antenas Microstrip son un tipo de antenas planas. Son una extensin de la lnea de trasmisin Microstrip Las antenas planas son monomodo. Son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesfrica. Debido a su configuracin planar y fcil integracin, este tipo de antenas se suelen usar como elementos de un array. La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiacin.Desventajas Son de pequeo ancho de banda Baja potencia Baja ganancia Baja pureza de polarizacin La radiacin de los bordes puede afectar los parmetros de la antena Radiacin espuria de las lneasVentajas Bajo perfil Conformable a estructuras Fabricacin sencilla y econmica Combinable con circuitos integrados de microondas Verstiles en la eleccin de la frecuencia de resonancia Son livianas y ocupan poco volumen Fciles de adaptar a distintas superficies Bajos costos de fabricacin y facilidad para fabricarlas en serie Soporta tanto polarizacin lineal como circular Fcilmente integrables a sistemas integrados de microondas Mecnicamente robustas al ser montadas en superficies rgidasExisten varios tipos de antenas microstrip, la ms comn es la antena parche. Esta antena es de banda estrecha y est fabricada cubriendo los elementos de la antena en un metal con sustrato dielctrico formando una superficie plana. Las formas ms comunes de los parches son cuadradas, rectangulares, circulares y elpticas pero es posible cualquier forma.La antena microstrip ms utilizada es la de parche rectangular .Esta antena es aproximadamente la mitad de la seccin de la longitud de onda de la lnea de transmisin de una microstrip rectangular. Una ventaja de estas antenas es la diversidad de polarizacin, pueden ser fcilmente diseadas para estar polarizadas en vertical, horizontal, circular derecha o circular izquierda.Este tipo de antenas se disean a partir de lneas de transmisin o resonadores sobre sustrato dielctrico. Su estructura consiste en un parche metlico sobre un sustrato dielctrico sin prdidas. El grosor vara entre 0.003 y 0.05 y su constante dielctrica 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 bsicamente en un parche de metal tapado por un soporte plano que normalmente es de plstico y lo protege de daos.

Historia

Los antecedentes de los circuitos Microstrip se remontan a los aos 50 donde los primeros circuitos impresos para microondas aparecieron con el nombre de striplines. Una stripline est constituida por una tira delgada conductora en un dielctrico, el cual posee dos capaz metalizadas en el exterior. Tanto la placa superior de la estructura como la inferior tienen el mismo potencial. Por su arreglo balanceado las striplines confinan la mayor parte de los campos dentro del dielctrico. A partir de las striplines se empez a utilizar una nueva forma de circuitera de microondas y sus principales aplicaciones son para realizar acopladores de lneas paralelos de alta directividad debido a su naturaleza de acoplamiento intrnseca.Las lneas de Microstrip aparecieron publicadas por primera vez en 1952, muy cerca de la aparicin de las striplines (1951). La diferencia en el nuevo modelo fue que se retiro la parte superior del substrato dejando la lnea conductora en el exterior. A pesar de la cercana de las fechas, la tecnologa Microstrip tardo mas en ganar auge ya que estas estructuras al ser muy abiertas tienen amplias prdidas por radiacin y en particular cuando son utilizadas en substratos de baja permitividad como los que se tenan en aquellos das. Conforme la tecnologa fue avanzando y se fueron creando substratos de menores perdidas, el uso de las lneas de Microstrip fue aumentando ampliamente.El primer modelo para llevar a cabo el diseo de lneas de Microstrip fue llevado a cabo por Wheeler el cual defini una aproximacin cuasi-TEM que todava es usada en modelos actuales.

Caractersticas.

Las antenas tipo parche poseen una tira conductora de largo L, ancho W y grosor t. La tira conductora se encuentra situada en la parte superior de un substrato dielctrico, el cual tiene un ancho h. En la parte inferior del substrato dielctrico se tiene un plano referenciado a tierra. En la figura 1 se ilustra la estructura de una antena de microstrip. La estructura de una antena microstrip consiste en un parche metlico con dimensiones comparables a la longitud de onda, sobre un sustrato dielctrico por un lado, el cual posee un plano de masa en el otro.

Figura 1. Estructura de la antena microstrip.

Configuracin

La antena parche ms simple usa un parche con una longitud que es las mitad de la longitud de onda y un soporte ms largo. El flujo de la corriente va en la direccin del cable de alimentacin, as el vector de potencia y el campo magntico siguen la misma direccin que la corriente. Una antena simple de este tipo radia una onda polarizada linealmente.

Ganancia

En una antena microstrip con parche rectangular mientras la longitud del parche sea la misma que la del dipolo resonante podemos tener 2 dB de ganancia de la directividad de la lnea vertical del parche. Si el parche es cuadrado pueden ser otros 2 o 3 dB. El soporte plano impide la radiacin alrededor de la antena reduciendo la potencia media en todas las direcciones en un factor de 2.lo que hace que la ganancia aumente en 3 dB. Un patrn tpico de diagrama de radiacin de una antena polarizada linealmente de 900 MHz es el dibujado en la figura 2. La figura muestra un corte en el plano horizontal, el plano vertical es muy similar.En esta figura podemos ver que en un ngulo de 90 la radiacin es mxima, mientras que si nos vamos alejando la radiacin es menor y acaba cayendo 3 dB. Tambin se puede ver que por detrs del parche hay una pequea radiacin.

Figura 2.

Impedancia del ancho de banda

La impedancia del ancho de banda de una antena est influenciado por el espacio que hay entre el parche y el soporte plano, cuanta menos distancia haya se radiara menos energa y ms energa se quedara en la inductancia y capacitancia de la antena con lo que el factor Q aumenta. La ecuacin para estimar el ancho de banda de estas antenas es:

Donde d es la altura del parche, W es el ancho, Z0 es la impedancia de espacio libre y Rrad es la resistencia de radiacin de la antena. Una ecuacin reducida podra ser:

Polarizacin circular

Tambin es posible fabricar antenas con ondas polarizadas circularmente. Al introducir un retardador de frecuencia que lo que hace es desfasar el vector en 90 se consigue que sea una radiacin circular.Estas antenas se pueden alimentar de varias formas: A travs de lneas impresas A travs de ranuras Sondas coaxiales Acoplamiento de las cavidades

Modelos para el anlisis Existe una variedad de mtodos y modelos para el anlisis de antenas microstrip, entre los cuales estn como mtodos numricos el Mtodo de los Momentos, el Mtodo de las Diferencias Finitas: en el Dominio del Tiempo (FDTD) y en el Dominio de la Frecuencia (FDFD); y como mtodos analticos el Modelo de Lneas de Transmisin y el Modelo de Cavidad Resonante. Los modelos de Lneas de Transmisin y de Cavidad Resonante son usados ampliamente para el diseo de las antenas con sus respectivas lneas de alimentacin. Modelo de Lneas de Transmisin El anlisis de un elemento radiante de forma rectangular se modela a travs de la teora de lnea de transmisin como dos aperturas radiantes en paralelo. Se asume que cada borde radiante de longitud a irradia hacia la mitad del espacio. La admitancia de entrada segn Munson (Carver y Mink, 1981) viene dada por:

Donde 0 es la longitud de onda en el vaco, , y w es el ancho de la apertura, aproximadamente igual al espesor del dielctrico. Obviando el efecto que produce el punto de alimentacin en el primer borde radiante, se tiene que la admitancia del segundo borde radiante debe ser:

Lo que conlleva a una admitancia de entrada para la frecuencia de resonancia de:

Y una resistencia de entrada igual a:

Figura 3. Modelo de lnea de transmisin segn Munson.

La frecuencia de resonancia est dada por:

Donde el factor de correccin q determina la veracidad de la frecuencia de resonancia y se determina utilizando experimentalmente la misma ecuacin 5 midiendo la frecuencia en un elemento radiante rectangular sobre un substrato conocido. Al obtener este valor de q se asume que el mismo es vlido para otros tamaos del elemento radiante y con el mismo rango de frecuencia. Este modelo aunque es fcil de usar tiene mltiples desventajas, el factor de correccin q debe conocerse por mtodos experimentales, lo cual no resulta cmodo para un diseo de antenas en los cuales no se poseen modelos previos, adems est planteado slo para ser usado en elementos de forma rectangular. El factor de correccin al ser determinado empricamente, obvia las variaciones del campo a lo largo del borde radiante. El modelo tampoco es vlido para elementos con alimentacin insertada.Modelo de Cavidad Resonante

El modelo de cavidad resonante trata al elemento radiante como una cavidad delgada con muros magnticos en la cual predominan los modos TMz. En los bordes magnticos se establecen impedancias para modelar el efecto de la radiacin. Este modelo indica que la frecuencia de resonancia es dependiente de la longitud de la antena segn la siguiente relacin:

Donde Le es la longitud efectiva del elemento radiante. Esta longitud debera de ser media longitud de onda en el sustrato de no ser por el efecto de la dispersin de los campos en la cercana de los bordes fsicos de la antena. Para tomar en cuenta este efecto, a la longitud real de la antena se le aade el factor de correccin L por cada uno de los bordes radiantes, lo que es igual a:

Figura 4. (A) dispersin de los campos en los bordes radiantes de la antena. (B) corte transversal

Segn Hammerstad (Carver y Mink, 1981), el factor de correccin de la longitud viene dado por:

Donde el eff() indica la disminucin progresiva de la constante de permitividad elctrica efectiva del substrato a medida que aumente el grosor de ste. (), segn se desee puede ser visto como W L).

El modelo de cavidad es aplicable a elementos tanto rectangulares como circulares, con una pequea diferencia en la complejidad de clculos.Campos de radiacin La radiacin desde las antenas microstrip sucede por los campos limtrofes generados en los bordes del conductor de la antena microstrip y el plano de masa y se puede entender de forma sencilla considerando el caso de una antena microstrip de parche rectangular. Dicho parche es una pequea fraccin de la longitud de onda por encima del plano de masa, como se puede apreciar en la siguiente Figura 5 (a). Asumiendo que no hay variaciones del campo elctrico a lo largo del ancho y grosor de la estructura del microstrip, la representacin de la configuracin del campo elctrico del elemento radiante puede ser representada como se muestra en la Figura 5 (b). Los campos varan a lo largo de la longitud del parche, la cual es aproximadamente la mitad de la longitud de onda (/2). Por lo que la radiacin puede ser descrita en gran parte por los campos lmites en el circuito abierto de los bordes del parche. Como se aprecia en la Figura 5 (c) el parche puede ser representado aparte por dos ranuras de /2, excitadas en fase y radiando en la mitad del espacio por encima del plano de masa.

Figura 5 (a)

Figura 5 (b)

Figura 5 (c) Tecnologa microstrip La tecnologa Microstrip en su forma elemental, consiste en dos capas conductoras paralelas separadas por un simple substrato dielctrico. El conductor inferior funciona como un plano de tierra, y el conductor superior puede ser un simple elemento rectangular o circular, un dipolo resonante, un arreglo monolticamente impreso de patch o dipolos y su asociada red de alimentacin. Poco a poco fueron apareciendo otras clases de estructuras impresas, destacndose por ejemplo: Slotline: el dielctrico es cubierto en una de sus superficies por dos lminas de conductor dejando un espacio entre ellas. Lneas Coplanar: dos tiras metlicas descansando sobre el dielctrico. Luego de esto, confinaron en guas de ondas varios tipos de lneas impresas, destacando entre ellas las Lneas Suspendidas, Lneas invertidas y las Finline. La siguiente figura es una ilustracin de las estructuras impresas.

Figura 6. Diversos tipos de lneas impresas.

En una estructura plana se pueden estudiar cuatro componentes de ondas: componente espacial, superficial, de fuga y guiada; como se puede apreciar en la figura 7. En el caso de una antena, gran parte de la energa debe ser concentrada en su componente espacial, y para una lnea de transmisin, se desea que la mayor parte de la energa est confinada en forma de las ondas guiadas. Los otros dos componentes de ondas, superficial y de fuga, representan las prdidas no deseadas, aunque en el caso de un elemento radiante se considera la componente de fuga como parte de las ondas de radiacin.

Figura 7. Componentes de ondas: A guiadas, B espaciales, C de escape, y D superficiales.Las Ondas Guiadas estn confinadas en el dielctrico entre las dos capas metlicas. En el caso de una lnea microstrip, la gua de onda consiste en el substrato con el plano de tierra en uno de sus lados y el strip (o lnea delgada) en la superficie. Slo las ondas que inciden con cierta condicin angular pueden propagarse. Las Componentes Espaciales se propagan en un ngulo de 0 a /2 medidos a partir de la normal a la superficie y pueden propagarse por s solas sin alguna interaccin adicional. En las estructuras microstrip, las ondas espaciales existen slo en la parte superior del elemento radiante y su amplitud de campo se reduce con la distancia en 1/r. La funcionalidad de la antena radica esencialmente en la propagacin de las ondas espaciales. Las Componentes de Fuga Escape se originan en las ondas transmitidas desde la capa superior al plano de tierra en un ngulo lw inferior al ngulo crtico . Luego comienzan a reflejarse desde el plano de tierra hasta la interfaz dielctrico-aire donde la energa es parcialmente reflejada escapando una porcin de ella del substrato. La existencia de las ondas de escape depende del nmero de capas, sus propiedades elctricas y sus respectivos tamaos. Las Componentes Superficiales son aquellas que descienden ligeramente desde la capa superior en un ngulo sfw superior al ngulo crtico lim y son totalmente reflejadas por la interfaz dielctrico-aire. El campo es atrapado en el dielctrico donde puede causar interacciones indeseadas (crosstalk) o degradacin del patrn de radiacin debido a la difraccin y reflexin en los bordes del dielctrico. En un arreglo, estas ondas pueden causar zonas de mala recepcin o transmisin (blind spots) cuando las ondas de un patch interfieren de manera destructiva con las ondas de otro elemento radiante del arreglo, teniendo como caso tpico los arreglos de gran tamao y un alto nmero de patch.Antenas planares Una antena planar de tecnologa microstrip puede ser definida en su configuracin ms general, como un elemento radiante colocado sobre un substrato dielctrico, el cual est apoyado sobre un plano de tierra. El material del cual est fabricado el patch es generalmente oro o cobre y debido a su espesor reducido puede tomar virtualmente cualquier forma dependiendo de la aplicacin o de la superficie a la cual se desea imprimir la antena. Las geometras ms usadas son los dipolos, patch rectangulares, patch circulares y las antenas en espiral. El Dipolo Planar es el ms simple de los modelos de antenas microstrip y consiste en un dipolo impreso sobre un sustrato sin el plano de tierra. Es de fcil fabricacin, sin embargo este tipo de antena es poco tomada en cuenta debido a que slo es aplicable una frecuencia y la nica polarizacin es la lineal. En el patch, los diferentes tipos de ondas son excitados (ondas guiadas, superficiales, de escape y espaciales), cada una de ellas con una cierta cantidad de energa del total entregado por la lnea de transmisin. La radiacin ocurre en los bordes del patch que se encuentran a una separacin que garantice la fase y su ancho de banda es proporcional al ancho W del elemento radiante.

Figura 8. Patch rectangular (a) alimentacin al borde. (b) alimentacin insertadaUn caso particular de este modelo de antena es el square patch (elemento radiante de forma cuadrada) el cual puede entregar una polarizacin circular aplicando en dos bordes adyacentes sendas alimentaciones, lo que es equivalente a alimentar de manera hbrida en 90. Respecto al Patch Circular se tiene que su principal ventaja respecto al Patch Cuadrado es que el ancho del lbulo es independiente del ngulo azimutal y la polarizacin circular se obtiene segn la posicin en la que se inserte su alimentacin.Las Antenas en espiral son usadas cuando se requieren un gran ancho de banda, de hecho pertenecen a los modelos de antenas de banda ancha. Para cada frecuencia se modifica una parte de la antena para que excite la onda espacial respectiva. No se puede obtener una polarizacin lineal en ellas. Adicionalmente, existe una categora denominada Conformal Antenas, poseen un substrato que se puede amoldar y fijar en cualquier superficie, lo que da como ventaja un sin fin de aplicaciones. Los arreglos hechos con este tipo de antenas generalmente se hacen con un nmero significativo de patch rectangulares.Lneas de transmisin Existen dos tipos de lneas de transmisin para esta tecnologa, la slotline o lnea ranurada y la lnea microstrip. La lnea de transmisin ms usada es la lnea microstrip, la cual consiste de una tira metlica de ancho Wl sobre una de las superficies de un bloque dielctrico de bajas prdidas y espesor h, y un plano de tierra en la superficie opuesta del dielctrico.

Figura 9. Lnea de trasmisin microstrip.En el diseo, se colocan lneas microstrip para transportar la energa entregada por la sonda hacia los elementos radiantes. Su impedancia caracterstica depende del ancho de stas y sus expresiones fueron derivadas por Hammerstad.

Donde h es el grosor del substrato dielctrico, Wl es el ancho de la lnea y eff es la permitividad elctrica relativa.Otra variante de las lneas de transmisin son las slotlines, estas son usadas como una manera especial de alimentacin de antenas planares. El modelo fundamental de la slotline puede ser vista como la superposicin de dos lneas microstrip donde no existe el plano de tierra. La lnea ranurada es usada como un tipo especial de alimentacin para cierta antena planar y su modo fundamental puede verse como la superposicin de dos lneas microstrip donde el plano de tierra ha sido removido.

Figura 10. Lnea ranurada (Slotline) con sus respectivos campos E y H.

Tcnicas de alimentacin Existen diferentes mtodos de alimentacin para una antena microstrip de forma que radie eficientemente en las frecuencias deseadas mediante un proceso de acoplamiento de impedancias. La seleccin de la tcnica de alimentacin ms adecuada viene determinada por varios factores, pero el ms importante a tener en cuenta es la eficiencia en la transferencia de potencia entre la estructura radiante y la estructura de alimentacin, existiendo una correspondencia de impedancias entre las dos. Todos los mtodos de alimentacin existentes se pueden agrupar en 3 categoras bien diferenciadas: alimentacin directa, alimentacin por proximidad y alimentacin por apertura. Alimentacin directa.Las dos tcnicas de excitacin dentro de esta categora son la alimentacin por microstrip y la alimentacin por conector coaxial. Tal y como se sobreentiende por el nombre de la categora, son tcnicas de contacto directo entre la alimentacin y la antena radiante. Alimentacin por microstrip: Se pueden distinguir varios tipos de alimentacin microstrip:Existe el tipo de excitacin que consiste en alimentar el elemento radiante mediante una cinta metlica o microstrip en contacto con el borde del mismo. Cuando existe espacio entre en la unin de la estructura radiante y el microstrip. Es una excitacin en la que la profundidad de las inserciones marca la adaptacin de impedancias. Alimentacin por medio de una cinta metlica en contacto con el borde de la zona no radiante.

Figura 11. Tipos de alimentacin microstrip. (a) Alimentacin microstrip en el borde del elemento radiante. (b) Alimentacin microstrip con acoplamiento espaciado. (c) Alimentacin microstrip con inserciones. (d) Alimentacin microstrip en el borde no radiante.Alimentacin por conector coaxial. Como se aprecia en la Figura 12 el conector coaxial se sujeta por la parte trasera de la placa de circuito impreso y el conductor central del coaxial se une con el conductor de la antena o parche. Al igual que en el caso de la alimentacin por microstrip, la posicin de la sonda coaxial en contacto con el parche depender de la adaptacin de impedancias.

Figura 12. Conector coaxial.La tcnica de Alimentacin Coaxial es usada si el espesor del substrato es menor a la longitud de onda con el fin de que el campo alrededor de la sonda no presente distorsin. Con este tipo de alimentacin se puede controlar la impedancia de entrada del elemento radiante simplemente cambiando la posicin del punto de alimentacin. Por otra parte, se puede obtener en algunos casos radiacin espuria de niveles inaceptables en la sonda.

Figura 13. Alimentacin coaxial.La Alimentacin Insertada y la Alimentacin en el Borde tienen la ventaja de hacer de la lnea de alimentacin y del elemento radiante una sola pieza. En frecuencias altas, la radiacin espuria de la lnea de alimentacin puede degradar el patrn de radiacin y con l la eficiencia de la radiacin. El diseo de la red de alimentacin debe tomar en cuenta la impedancia de los elementos radiantes a la frecuencia de resonancia, que disminuir a medida que el ancho Wl del patch aumente respecto al largo de la antena. El aumento del ancho Wl tiene como lmite dos veces el largo de la antena, ya que el comportamiento para longitudes superiores al lmite preestablecido se aleja de las predicciones debido a la posibilidad de la excitacin de modos distintos al modo TM01, segn lo indica el modelo de cavidad. Alimentacin por proximidad. En este tipo de alimentacin no existe un contacto directo entre la alimentacin y el elemento radiante de la antena, su acoplamiento es electromagntico. Tericamente, el elemento radiante de la antena se sita sobre una capa de sustrato, por debajo de ella la lnea de alimentacin microstrip se encuentra sobre otra capa de sustrato, todo ello con un plano de tierra. De esta forma la optimizacin se realiza de forma ms flexible, ya que el elemento radiante y la alimentacin se encuentran separados, con sus correspondientes capas de sustrato dielctrico, las cuales pueden tener permitividades diferentes.La Alimentacin por Acoplamiento Electromagntico consiste en colocar la alimentacin en la proximidad del elemento radiante sin que haya contacto galvnico. Esto se logra colocando el substrato que posee el elemento radiante sobre el substrato contentivo de la lnea de transmisin, lo que lleva a una reduccin de la radiacin espuria de la alimentacin de tal manera que el patrn de radiacin es afectado en menor proporcin por este tipo de radiacin comparado con los otros tipos de alimentacin.

Alimentacin por apertura.Como se puede apreciar en la Figura 14 la antena con alimentacin por apertura se compone de dos sustratos separados por un plano de masa comn con una abertura. La lnea de alimentacin microstrip se sita en la parte inferior del sustrato, en la cara opuesta al elemento radiante, y se produce el acoplamiento electromagntico hacia el parche a travs de la abertura del plano de masa comn. La abertura puede tener cualquier forma y tamao, y dependiendo de ello se mejorar el ancho de banda de la radiacin de la antena.Con la tcnica de Alimentacin por Acoplamiento en Apertura se puede eliminar los efectos de la radiacin espuria producida por la lnea de transmisin. La antena es colocada sobre el plano de tierra de la lnea de transmisin y la energa electromagntica es otorgada realizando una apertura al elemento radiante.

Figura 14. Alimentacin por acoplamiento en apertura.

Impedancia de entrada La impedancia de entrada del arreglo est concebida para acoplarse a una alimentacin de 50. El acoplamiento entre el elemento radiante, la red de alimentacin y la sonda debe permanecer relativamente estable para el ancho de banda estimado en el arreglo de antenas. En general, para un elemento rectangular alimentado en el borde, siempre y cuando el valor de W no supere el doble del valor de L como es el caso de este arreglo, la impedancia de entrada se puede hallar por la siguiente aproximacin:

La impedancia de entrada del elemento radiante debe tomar en consideracin el ancho mnimo que puede tomar su lnea de alimentacin a causa de que al disminuir la impedancia en el elemento radiante se producir que la lnea de alimentacin sea cada vez ms estrecha lo que puede producir una prdida de precisin y por ende la prdida del acoplamiento.

Acoplamiento Realizar una red de alimentacin implica el acoplamiento entre lneas y elementos de diferentes impedancias caractersticas, en este diseo se plantea la tcnica del divisor de potencia y del transformador cuarto de onda, llamado tambin transformador /4. Transformador /4 Consiste en una lnea de transmisin de longitud /4, (donde la longitud de onda se refiere a la longitud elctrica en el substrato) con una impedancia caracterstica Z0 dada por:

Donde: es la longitud de onda asociada al dielctrico. Zin es la impedancia que se desea a la entrada de la lnea /4. Zc es la impedancia de carga vista por la lnea /4. Este sistema presenta la desventaja de ser de banda estrecha porque un transformador slo puede ser /4 para una frecuencia fija. Divisor de potencia En ocasiones se requiere dividir la energa de la seal que es transportada por una lnea de transmisin hacia dos ramas con cierta impedancia caracterstica. Un divisor de potencia sencillo consiste en realizar una muesca con un ngulo en el cruce de las lneas de transmisin, tal como lo muestra la figura 15.

Figura 15. Divisor de potencia en lneas de transmisin microstrip.Donde la relacin entre las impedancias viene dada por:

En la cual Z1 es la impedancia caracterstica de la lnea de alimentacin principal y Z2 y Z3 son las impedancias caractersticas de las lneas de salida del divisor de potencia. La relacin de la potencia otorgada a una de las ramas respecto a la potencia proveniente de la lnea de alimentacin es inversamente proporcional a la relacin de las impedancias de cada lnea de transmisin.

Y el ngulo de apertura de muesca esta dado por:

Patrn de radiacin El patrn de radiacin de un elemento radiante sobre un plano de tierra infinito puede ser desarrollado modelando los bordes radiantes como fuentes magnticas paralelas de longitud W separadas a una distancia L o equivalentemente como dos fuentes de corriente. Debido al espesor del dielctrico, la imagen de la fuente de corriente se coloca a una distancia kh, donde k viene dado por:

En el campo lejano, las expresiones del campo elctrico para un recorrido del ngulo entre 0 y 2 (0 2) segn Carver y Mink estn dadas por:

Cuya forma de onda espacial es casi omnidireccional como se aprecia en la figura 16.

Figura 16. Patrn de radiacin de los campos E y H.La directividad de este elemento radiante sobre un plano de tierra infinito ideal, puede ser calculada por medio de la integracin numrica de la potencia del patrn de radiacin. Esta potencia se calcula fcilmente a partir de las ecuaciones de los campos. En el caso de incrementar el espesor del substrato se estar forzando un decremento en la directividad como un resultado de la interferencia destructiva entre el patch y sus corrientes imgenes.

Arreglo de antenas microstrip.La separacin D entre elementos radiantes se consider inicialmente entre 0.60 y 0.80 basado en los resultados experimentales obtenidos por Levine para un arreglo de cuatro elementos radiantes.

Figura 17. Modelo del arreglo de cuatro elementos radiantes utilizado por levine.La eficiencia de la radiacin debido a la onda superficial viene dada por la relacin entre la potencia radiada y la potencia total obtenida como la contribucin entre la onda irradiada y la onda superficial. La grfica que se muestra a continuacin indica la eficiencia del arreglo de cuatro elementos radiantes en funcin de la longitud D/0 para tres valores y para un valor fijo de

Figura 18. Eficiencia vs. Epaciamiento para diferentes valores de La figura 19 muestra la ganancia y la directividad del arreglo de Levine donde la ganancia es calculada como Gdb= Directividaddb + eficienciadb, y la Directividad viene dada por:

Donde indica la mxima intensidad de radiacin.

Figura 19. Directividad y ganancia experimental del arreglo de Levine.En la grfica sealada, se observa que la eficiencia decrece a medida que se aumenta la longitud D/ 0. Este efecto se debe a la interferencia entre las ondas superficiales de los elementos adyacentes. En la figura 15 se obtiene el mximo de la Directividad entre 0.8 0 y 0.9 0 y la ganancia tiene su mximo entre 0.7 0 y 0.8 0. Otro criterio para escoger la separacin entre los elementos radiantes es la limitacin del tamao fsico de las lminas de FR4 disponibles para la elaboracin de las antenas, ya que sus medidas estndar son de 12x18 pulgadas. No obstante, la frecuencia de resonancia y/o el acoplamiento se vern fuertemente marcados por la separacin entre los elementos radiantes, siendo el patrn de radiacin el principal afectado por las interferencias causadas por las ondas superficiales entre los elementos adyacentes. Esta influencia se ver mermada porque un arreglo de 16 elemento radiantes posee una alta directividad.

Tipos de ondas en las lneas de microstrip Existen 4 tipos de ondas presentes en una lnea de microstrip: ondas espaciales (space waves), ondas superficiales (surface waves), ondas de fuga (leaky waves) y ondas gua (guide waves); a continuacin se presenta una breve descripcin de cada una de ellas. Ondas espaciales son aquellas que son enviadas considerando un plano de elevacin desde 0 hasta 180 grados (fuera de la estructura). En otras palabras, son las ondas que son enviadas al espacio libre, pierden magnitud y se atenan conforme aumenta la distancia. En el diseo de antenas este tipo de ondas son las de mayor importancia puesto que son las ondas radiadas, mientras que si se habla de lneas de transmisin y circuitos estas ondas significan prdidas en la aplicacin buscada y por lo tanto tratan de eliminarse. Ondas superficiales son aquellas que se presentan en direccin descendente y limitadas en los siguientes valores:

Dichas ondas estn confinadas prcticamente dentro del dielctrico y no son uniformes. Al ir descendiendo, las ondas encuentran el plano de tierra que las refleja, despus al llegar a la entre cara del dielctrico y el espacio libre se provoca que tambin sean reflejadas mediante el esquema conocido como reflexin interna total, de tal forma que las ondas permanecen viajando y decayendo exponencialmente debajo de la interfaz. Las ondas superficiales entonces toman parte de la seal enviada y por lo tanto aumentan las prdidas. La amplitud de la seal es reducida, lo cual se traduce en decremento de eficiencia de la seal y atenuacin. Otro efecto de las ondas superficiales es que introducen errores en el acoplamiento de las impedancias en el circuito. Si se llega a dar el caso de que una onda alcance las fronteras de una estructura de microstrip caracterizada por ser abierta, la onda ser difractada por los ejes y ser transmitida al aire lo que generara que se degradara el patrn de radiacin para una antena ya que se aumentan los lbulos laterales y hay niveles de polarizacin cruzada. De todo lo anterior se puede apreciar que los efectos de las ondas superficiales son dainos tanto para circuitos y lneas de transmisin como para el funcionamiento de las antenas de tal forma que siempre se debe buscar minimizarlas.Las ondas de fuga son parecidas a las ondas de superficie, con diferencia en que en el plano de elevacin el ngulo tiene el siguiente rango:

La ondas inicialmente son reflejadas en el plano de tierra viajan en el dielctrico en direccin de la tira conductora, posteriormente, cuando las ondas alcanzan la entre cara del sustrato y el espacio libre, una parte de las ondas es reflejada nuevamente mientras que otra se fuga al espacio libre. El proceso anterior se repite y como una parte sale al espacio libre, la magnitud de las ondas que se van reflejando dentro del substrato va decreciendo con la distancia hasta desaparecen despus de cierto recorrido.Las ondas de fuga pueden ser utilizadas en algunas estructuras como parches apilados para aumentar las dimensiones aparentes de las antenas y poder tener una ganancia ms amplia. Ondas guiadas se presentan en circuitos impresos que son utilizados para guas de onda o lneas de transmisin y son aquellas que se pueden encontrar cuando la parte superior del substrato dielctrico est metalizado casi en tu totalidad. Adems las ondas guiadas solamente pueden existir para valores muy especficos del ngulo de incidencia. Las ondas guiadas entonces se encuentran viajando dentro del substrato rebotando tanto en la parte metlica superior como en la que est referenciada a tierra. Por la lo mencionado anteriormente, esta estructura no es utilizada para aplicaciones de antenas.Antenas microstrip de ranura Las antenas microstrip de ranura, estn formadas por un substrato, en donde existe una lnea de alimentacin microstrip en una de sus caras y un plano de masa con una ranura en la otra.

Figura 20. Diseo de una antena rectangular microstrip de ranura.

Las antenas microstrip de ranura tienen la ventaja de ser capaces de obtener unos diagramas de radiacin direccionales o bidireccionales (radian a ambos lados de la ranura). El diagrama de radiacin direccional se consigue utilizando una placa de metal reflectora en uno de los lados de la ranura. Este tipo de antenas pueden producir polarizacin circular mediante la combinacin de conductores de tira y ranuras situadas a lo largo de los lados de la alimentacin microstrip. En la Figura 16 se representan las formas bsicas de ranura de las antenas con diferente estructura de alimentacin.

Figura 21. Formas bsicas de ranura de antenas de circuito impreso. A) ranura rectangular con alimentacin microstrip. b) ranura rectangular de alimentacin coplanar. c) ranura circular en anillo con alimentacin microstrip. d) ranura circular en anillo con alimentacin coplanar. e) ranura rectangular en anillo f) ranura afilada.

Antenas microstrip de ranura rectangular El tipo de antena rectangular posee en el plano de masa un corte en forma de ranura perpendicular a la tira conductora de la lnea microstrip. Para una excitacin eficiente de la ranura, la cinta del conductor es cortocircuitada a travs del substrato dielctrico hasta el borde de la ranura como se puede observar en la Figura 22.

Figura 22. Microstrip terminado en cortocircuito.

Tambin es posible tener una excitacin eficiente de la ranura por medio de circuito abierto con la cinta del conductor terminando ms all del borde de la ranura como se muestra en la figura 23.

Figura 23. Microstrip terminado en circuito abierto.

Una colocacin centrada de la cinta microstrip respecto a la ranura de la antena tiene una resistencia de radiacin muy alta y una adaptacin con la red del sistema donde se desea trabajar requiera seguramente de la correspondencia entre la impedancia caracterstica de la antena y la cinta conductora de la alimentacin. Por otro lado, la configuracin del microstrip de alimentacin desplazado respecto al centro de la ranura de la antena proporciona la adaptacin de la impedancia caracterstica de lnea, reduciendo la necesidad de la adaptacin de red e incrementando normalmente el ancho de banda.

Figura 24. Antena microstrip de ranura de alimentacin desplazada.Las antenas microstrip de ranura rectangular se pueden diferenciar en dos categoras: antenas de ranura estrecha y de ranura ancha. Las ranuras estrechas son aquellas con su dimensin de anchura mucho ms pequea que su longitud a lo largo, por el contrario las antenas de ranura ancha poseen una anchura comparable a su longitud.Antenas microstrip de ranura rectangular estrecha La configuracin de la antena de ranura estrecha se puede ver representada en la Figura 22, con excitacin centrada a la ranura o representada en la Figura 24 con la alimentacin del microstrip desplazada del centro de la ranura. La impedancia de entrada consta de una combinacin en serie de resistencias a la radiacin y de un componente reactivo. La radiacin de la ranura se presupone que radia a la frecuencia de trabajo y de diseo de la antena, por lo que la parte reactiva de la impedancia de entrada son cero. La longitud resonante de una alimentacin centrada en la ranura es mayor que la longitud resonante de una alimentacin desplazada del centro de la ranura. Para constantes del dielctrico bajas, la longitud resonante en una antena con alimentacin desplazada respecto a la ranura vara entre 0.40 y 0.50 y depende del material del dielctrico, de la anchura de la ranura y de la localizacin del punto de alimentacin constantes del dielctrico bajas, la longitud resonante en una antena con alimentacin desplazada respecto a la ranura vara entre 0.40 y 0.50 y depende del material del dielctrico, de la anchura de la ranura y de la localizacin del punto de alimentacin.Antenas microstrip de ranura rectangular ancha Una ranura se define como ancha cuando su anchura es comparable con la longitud de la misma. Hablando de ventajas, una ranura con estas caractersticas posee un ancho de banda mayor, prxima al 10%, aunque cualitativamente hablando, el comportamiento es similar a una antena con ranura estrecha.

Procedimiento de diseo Existen diferentes aspectos a tener en cuenta para disear una antena de este tipo. Normalmente el objetivo del diseo es lograr una actuacin especfica de las caractersticas definidas en la antena para la frecuencia de trabajo requerida. La eleccin de materiales, las dimensiones y posicionamiento del microstrip, dimensiones del sustrato dielctrico, dimensiones de la ranura son aspectos que influyen directamente en la frecuencia de trabajo de la antena que se desea conseguir. Para conseguir una determinada impedancia de lnea para antenas de tira de alimentacin delgada, hay que tener en cuenta la altura del sustrato dielctrico, el valor de permitividad del material del mismo, y la anchura del microstrip. La dimensin de la anchura de la ranura afecta directamente al ancho de banda. La longitud de la ranura determina la frecuencia de radiacin. Para una longitud de ranura fija aumentar la dimensin longitudinal del microstrip conlleva una disminucin de la frecuencia de resonancia, por el contrario reducir la longitud de la tira de alimentacin dar como resultado que la frecuencia de trabajo resonante suba.

Conclusin.

Una antena microstrip, es aquella antena que posee una alimentacin mediante una lnea microstrip, se disean a partir de lneas de transmisin o resonadores sobre substrato dielctrico. Las dimensiones se eligen de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiacin. Las antenas microstrip se pueden analizar de muy diversas formas desde los modelos ms simples, basados en lneas de transmisin o cavidades hasta lo ms complejo, utilizando mtodos numricos o espectrales, es una antena con gran implantacin en los ltimos aos. Las caractersticas ms importantes de este tipo de antena son su bajo perfil, se pueden adaptar a la forma de la estructura plana o curvada, su fabricacin es sencilla y barata, son robustas combinables con circuitos integrados de microondas y se pueden disear para trabajar a diversas frecuencias y con distintas polarizaciones. Los inconvenientes ms importantes son su baja eficiencia, limitada potencia, alto factor de calidad, pobre pureza de polarizacin entre otros. Las antenas Microstrip son cada vez ms tiles porque se pueden imprimir directamente sobre una placa de circuito. Son cada vez ms generalizada en el mercado de la telefona mvil. Son de bajo coste, tienen un perfil bajo y se fabrican fcilmente.

Bibliografa.

Nombre de la pgina: wikipedia. Antena.Enlace: http://es.wikipedia.org/wiki/Antena Nombre de la pgina: PDF. Captulo 3: Antenas tipo parche o de microstripEnlace: file:///C:/Users/alexis/Downloads/capitulo3_mod.pdf Nombre la pgina: PDF. Trabajo especial de grado. Diseo y construccin de una antena planar en tecnologa microstrip para la banda de 2.4 GHz.Enlace: http://saber.ucv.ve/jspui/bitstream/123456789/2694/1/jota_ant.pdf

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