Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD LATINA DE COSTA RICA
Antenas y Líneas de Transmisión
Asignación #3
“Antena tipo microstrip (microcintas)”
Alumno: Luis Diego Hernández Hernández.
Profesor: Nestór Calderón Aguirre.
Carrera: Electrónica.
Antenas Microstrip
Las antenas impresas, de tipo de parche también denominadas antenas microstrip (microcinta)
se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre sustrato 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 sustrato
dieléctrico sin perdidas. El grosor oscila
entre0.0003λ y 0.05λ. 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.
El funcionamiento cualitativo se basa en un efecto de resonancia, similar en cierta forma al
efecto de un dipolo. El planteamiento es el siguiente: el radiador elemental en microstrip es un
parche casi rectangular. En la dirección longitudinal tiene aproximadamente una longitud λ/2 y
en la transversal ligeramente inferior. Puesto que la anchura de la línea de alimentación es
mucho más pequeña que la del parche supondremos que su efecto es despreciable.
Ahora tenemos una onda quasi-TEM que se propaga desde el principio del parche hasta el
final. Si se supone que en el plano perpendicular a la dirección de propagación la variación del
campo es nula, a ambos lados del parche tendremos el mismo campo y por tanto no radian,
pero al principio y al final, los campos están desfasados media longitud de onda, se comportan
como una antena.
Las ventajas más importantes son su bajo perfil, se pueden adaptar a la forma de la estructura
(plana o curvada), su fabricación es sencilla y barata, son robustas, compatibles 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 la antena.
Diseño
a. Topología.
La topología de la antena, en forma de array de parches, se considerará como un array
cuadrado de NxN parches. Cada uno de los parches se encontrará alimentado en fase y la
distancia entre cada uno de los parches será /2 (a la longitud de onda de trabajo 60 mm).
Supondremos un tamaño máximo de la antena de unos 15 cm, por lo que la solución de
topología (teniendo en cuenta el tamaño de los parches y que además habrá que dejar un
margen en la placa) es de un array 2x2.
Vemos que la fase no es igual en todas las partes del parche (sobre todo en las dos zonas de
máxima radiación), por lo que en principio sólo puede ser correcta la solución de la derecha, en
la que cada una de las partes iguales está separada de su homóloga en el parche
adyacente. Vemos entonces, que cada uno de los radiadores elementales del array no sólo
deben ser iguales en dimensiones y geometría, sino también en su posición, para conseguir una
antena con configuración broadside.
Formas de los parches:
Se pueden encontrar radiadores de las formas más diversas, aunque las geométricas más
habituales son las circulares y rectangulares.
Otras formas menos habituales son las elípticas, triangulares o en forma de anillo.
b. Alimentación.
Las antenas se pueden alimentar a través de líneas impresas, o bien a través de ranuras, sondas
coaxiales, o bien por acoplamiento a las cavidades.
c.1. Alimentación por microstrip: Consiste en alimentar al radiador al conectarle directamente
una línea de microstrip (diseñada para tener la impedancia característica deseada); este método
es el más sencillo de realizar, sin embargo el que peor eficiencia presenta en relación al ancho
de banda y acoplamiento.
Existe dos formas principales de alimentar una antena por
medio de microstrip: conectando la línea de microstrip
directamente en un borde de la antena y alimentando la
línea de microstrip por medio de inserciones en la antena.
c.2. Alimentación directa con sonda coaxial: Este método consiste en hacer que el pin del cable
coaxial alimente directamente al radiador, mientras
que la parte negativa de este se conecte a la tierra
de la antena de microstrip. La impedancia depende
de la posición de la sonda en relación con el
radiador de tal forma que colocándola
correctamente generará un mejor acoplamiento. Es
uno de los métodos más comunes de alimentación de antenas microstrip.
c.3. Alimentación por proximidad: Otras formas de alimentación son el acoplamiento por
proximidad, en una estructura
multicapas. Este método de
alimentación no tiene contacto
directo con el radiador si no que el
acoplamiento es electromagnético; en
este método se tiene el radiador sobre
un substrato dieléctrico y en la parte
inferior de esta estructura se tiene una línea de alimentación sobre otro substrato dieléctrico
con un plano tierra.
Este método tiene la ventaja que el radiador así como la estructura de alimentación pueden
optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas de substratos dieléctricos: un substrato
dieléctrico para obtener las mejores características del radiador (substratos más anchos con
permitividades eléctricas bajas) y la de alimentación (substratos delgados y con permitividades
eléctricas altas).
Principios 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. Para frecuencias bajas la constante dieléctrica efectiva es esencialmente constante.
A frecuencias intermedias sus valores comienzan a incrementarse y eventualmente comienzan
a acercarse al valor de la constante dieléctrica del substrato. Los valores iniciales de la
constante dieléctrica efectiva son referidos como valores estáticos, y están dados por:
Donde:
= constante dieléctrica efectiva.
= permitividad del substrato.
= grosor del substrato.
=ancho del parche.
El dieléctrico es eléctricamente delgado (0.003λ<h<0.05), 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.
Modelo de línea de transmisión.
El modelo de línea de transmisión presenta una gran facilidad de diseño aunque también es el
menos preciso además de que solamente puede ser utilizado para el diseño de antenas
rectangulares o circulares.
La radiación aparece en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura, especialmente
si su tamaño es comparable con 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
. La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas
ranuras se sume a fase.
La radiación de los flancos laterales del parche se cancela entre sí. Para el modo dominante
, la frecuencia resonante de la antena microstrip es una función de su longitud y esta dad
por:
Donde:
= frecuencia resonante.
= velocidad de la luz.
= longitud del parche.
= permitividad del substrato.
El circuito equivalente es una línea de transmisión de longitud L, con dos impedancias que se
simulan las perdidas de radiación y la capacidad de la continuidad y el circuito abierto.
Desde el punto de vista de la antena el equivalente son dos ranuras con distribución de campos
uniformes.
Los campos radiados se pueden calcular a partir de las corrientes magnéticas equivalentes a los
campos en la apertura.
El vector de radiación se puede calcular a partir de dos corrientes magnéticas separadas una
distancia d.
El potencial vector magnético es:
El problema es el dual de una agrupación de dos dipolos paralelos al eje Z, en este caso la
polarización será horizontal.
Los campos radiados tienen polarización lineal. El plano E es el plano XY, y
su diagrama es el debido a la agrupación de dos antenas separadas una
distancia inferior a media longitud de onda. El plano H es el ortogonal al
anterior, YZ, y el diagrama es el debido a la corriente magnética uniforme de
longitud W.
Modelo de cavidad.
Las antenas microstrip se comportan como una cavidad resonante.
Cuando el parche microstrip es energizado, una distribución de carga es establecida en la parte
superior e inferior del parche, así como en la superficie plana de la tierra. La distribución de la
carga es controlada por dos mecanismos, uno de atracción y otro de repulsión. El mecanismo
de atracción está entre las cargas opuestas correspondientes en el lado inferior del parche y del
plano de tierra, que ayuda a mantener la concentración de carga en la parte inferior del parche.
Y el mecanismo de repulsión está en medio como cargas en la superficie inferior del parche, lo
que tiende a empujar algunas cargas abajo del parche, alrededor de sus bordes, hacia su
superficie. El movimiento de estas cargas crea densidades de corriente correspondientes y
, en las caras superior e inferior del parche, respectivamente.
En el interior de la cavidad se producen ondas estacionarias entre las paredes eléctricas y
magnéticas. Para analizar los campos en el interior de la cavidad hay que resolver la ecuación
de onda, sujeta a las condiciones de contorno de los campos tangenciales.
El parche admite varias distribuciones de campo (modos) de acuerdo con las soluciones de la
ecuación de onda homogénea.
Junto con las condiciones de contorno para los campos tangenciales en las paredes electricas y
magnéticas.
La solución de la ecuación diferencial es:
La frecuencia de resonancia depende del modo
El comportamiento de la antena es similar a un circuito resonante con perdidas
A la frecuencia de resonancia la potencia se consume en la resistencia de radiación. El modo
dominante coincide con la frecuencia de resonancia más baja, que aparece cuando la longitud L
equivale a media longitud de onda en el dieléctrico. La frecuencia de resonancia del modo 010
es:
La distribución del campo eléctrico en el modo fundamental tiene una variación en la dirección
y, siendo constante en la dirección z.
Si las dimensiones de W son superiores a media longitud de onda, el modo 001 tiene la
frecuencia de resonancia.
La distribución del campo es:
Para calcular el diagrama de radiación es necesario considerar las corrientes magnéticas
equivalentes en el contorno de la cavidad. Las paredes de la cavidad que contribuyen a la
radiación son aquellas en las que las corrientes magnéticas no e cancelan entre sí. Los
diagramas de radiación del modo dominante (TM010) y del primer modo de orden superior
(TM020) son:
Aplicaciones.
Las aplicaciones más importantes son para antenas de los sistemas de
teledetección (sistemas de radar a bordo de satélites), sistemas de
posición 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.
