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DISENO DE ANTENA MICROSTRIP PARA LA
BANDA DE UHF1 M.Sc. J. C. Garcıa y 2J. A. Franco
Grupo de Control y Procesamiento Digital de Senales
Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales1 [email protected] 2 juan [email protected]
Resumen
El presente trabajo busca el diseno mas adecuado que cumpla con el proposito de una antena tipo microstrip para
transmitir en la banda UHF. Por tal razon se escoge disenar una antena rectangular por su simplicidad matematica
y de construccion f ısica, ya que no se cuentan con las herramientas necesarias para construir una antena de parche
de forma circular.
Index Terms
Microstrip, Linea de Transmision, metodo de cavidades, Alimentacion.
I. INTRODUCCION
Una antena microstrip es un parche conductor que presenta por su tamano y complejidad de construccion
multiples ventajas, pero a su vez carece de algunas como limitacion de potencia entre otras. Su diseno
se adecua de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiacion. Para disenar una antena
microstrip se deben tener en cuenta que varios autores [1], [2], [3], presentan diversas formas de hacerlo,
tambien se debe tener mucho cuidado en el momento es que se escoje el tipo de alimentacion que se
va usar para la antena, ya que esto puede incrementar la eficiencia pero a su vez tambien causa una
construccion mas compleja, por la tal razon hay que encontrar un equilibrio. Cuando se tiene ya claro laforma en que se va a construir la antena se busca el mejor m etodo para hacer el analisis tomando como
criterio la complejidad, reduccion en los costos, como es el caso del modelo de lınea de transmision y el
de cavidades [1], que se van a tratar mas adelante.
II. FORMA DE LAS ANTENAS
Aunque son muchas las formas en las que se puede encontrar una antena microstrip, las m as habituales
son rectangular y circular (figuras 1 y 2), existiendo tambien las forma cuadrada y dipolo [1].
III. METODOS DE DISENO
Existen diversos autores [2] que muestran muchas formas de disenar arreglos de antenas tipo microstrip,
y otros se ocupan de antenas simples [3], [2]. Para nuestro caso se van a analizar los criterios de disenode tres autores fundamentalmente, siendo ellos: Balanis, Bahl y Bhartia, y Benalla y Gupta.
III-A. M etodo de Benalla y Gupta
Este metodo se basa en [2]. Al analizar este documento [2] y [4] et al; se puede observar que el metodo
que ellos plantean aplica solamente en el diseno de antenas microstrip rectangulares de 2 puertos, en el
cual trabajan con un arreglo de antenas microstrip. Por tal razon esta forma de diseno no aplica para lo
que se busca en este trabajo el cual consiste en disenar un modulo de antena tipo microstrip para transmitir
en la banda UHF.
Este trabajo se encuentra dentro del marco del proyecto: “Estacion base GSM/CDMA”, financiado por DIMA
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Fig. 1. Diversas formas de antenas microstrip
Fig. 2. Diversas formas de antenas microstrip (cont.)
III-B. M etodo de Bahl y Bhartia
La forma en que Bahl y Bhartia [3] plantean el diseno de una antena tipo microstrip se basa en
una geometrıa rectangular (figura 3) y en el conocimiento de εr(constante dielectrica del sustrato),
f r(frecuencia de resonancia en Hz ) y el grosor del sustrato h.
III-C. M etodo de Balanis
El metodo de Balanis se basa en una recopilacion de varios autores, y en el cual se muestra la manera
de disenar una antena microstrip rectangular. Este sistema como se vera mas adelante se basa en el analisispor el metodo de cavidades resonantes.
IV. MODELOS DE ANALISIS
Existen diversos metodos de analisis [5], [6], [7], [2] para una antena tipo microstrip, sea cual sea la
forma del parche. Entre los mas conocidos estan:
Modelo de lınea de transmision [8]
Modelo de cavidades resonantes [5]
Metodo de diferencias finitas
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Fig. 3. Antena microstrip rectangular
Metodo de elementos finitos
Metodo de ecuaciones integrales
• Dominio natural• Dominio espectral
Como se puede observar existen muchos modelos, pero para nuestro caso particular se van a tomar en
cuenta el modelo de lınea de transmision y el de cavidades resonantes, por presentar sencillez de analisis.
IV-A. Modelo de l´ ınea de transmisi´ on
La radiacion se hace presente en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura (figura 4),
especialmente si su tamano es comparable a 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 diel ectrico.
Fig. 4. Modelo de lınea de transmision
El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W × ∆L (ver figura 4). La longitud L se elige para
que haya una inversion de fase y la radiacion de ambas ranuras se sume en fase, donde . L = λ/2. La
radiacion existente en los flancos laterales del parche se cancela entre s ı.
El circuito equivalente es una lınea de transmision de longitud L, con dos impedancias que simulan las
perdidas de radiacion y la capacidad de la discontinuidad y el circuito abierto (figura 5).
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Fig. 5. Circuito equivalente de la lınea de transmision
El modelo de lınea de transmision permite hacer el estudio de antenas microstrip de forma rectangular.
Si se desea el analisis de otra forma de parche, es necesario tomar otro modelo, por ejemplo el modelo
de cavidades resonantes [1], [8] .
IV-B. Modelo de cavidades resonantes
Las antenas microstrip se comportan como cavidades resonantes.En el interior se producen ondas
estacionarias entre las paredes electricas y magneticas (figura 6).
Fig. 6. Modelo de cavidades resonantes
Para analizar los campos en el interior de la cavidad hay que resolver la ecuacion de onda, sujeta a lascondiciones de contorno de los campos tangenciales (figura 7).
El parche admite varias distribuciones de campo (modos) de acuerdo con las soluciones de la ecuacion
de onda homogenea
2 Ax + k2Ax = 0 (1)
La solucion de la ecuacion diferencial es
Ax = A0np cosnπL y
cos
pπW z
(2)
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Fig. 7. Condiciones de frontera
donde la frecuencia de resonancia depende del modo como se ve en la ecuacion 3.
(f r)0np = 12π√ uε
nπL
2 +
pπW
2
(3)
La antena tiene un comportamiento similar a un circuito resonante con perdidas (fig 8)
Fig. 8. Modelo de circuito resonante con perdidas
A la frecuencia de resonancia la potencia se consume en la resistencia de radiaci on.
V. TIPOS DE ALIMENTACION
Existen varios metodos [8], [1] (figura 9) para alimentar una antena microstrip, los cuales pueden ser
a traves de una lınea impresa, una sonda coaxial, por acoplamiento de cavidades o ya sea a traves de
ranuras.
La figura 9 muestra los diferentes modos de alimentar una antena microstrip, siendo a) l ınea impresa,
b) acoplamiento por proximidad, c) sonda coaxial y d) acoplamiento a traves de una ranura.
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Fig. 9. Modos de alimentacion
Fig. 10. Antena microstrip construıda
VI. RESULTADOS
Los parametros de diseno de la antena son aplicados a un programa de simulacion, para luego ser
construıda. La antena construıda se ilustra en la figura 10
Para la simulacion, se utiliza el programa Mstrip40 [9], para simular los parametros a ser comparados
con los arrojados en el montaje. El montaje para los ensayos se ilustra en la figuras 12 y 11. Se utilizaron
el Generador de RF y el analizador de Redes Hewlett-Packard [ 10], [11]. Se escoge una frecuencia de 1
GHz debido a que el analizador de redes trabaja en un rango de frecuencias de 300 MHz hasta 1.3 GHz
y el generador de RF provee una frecuencia maxima de 1 GHz con 10 dBm de salida limite.
Los siguientes parametros fueron comparados entre la simulacion y el montaje:
Impedancia de entrada. En la figuras 13 y 14 se ilustra que tanto en la simulacion como en el montaje
(Figura 11)se tienen resultados similares del valor de impedancia de la antena.
Diagrama de radiacion. Con respecto al diagrama de radiacion, no fue posible realizar en montaje
debido a la limitacion de los equipos, por lo que se aprecia el resultado en simulaci on de la figura
15.
Potencia de transmision. La potencia de transmision se realizo con el montaje de la figura 12, lo
cual, de acuerdo con los resultados de la figura 16, muestra una limitante en potencia apreciable.
Recepcion para protocolos TDMA y GSM. Para efectos de comprobacion de funcionamiento, se
utilizaron dos transmisores celulares de protocolos distintos (TDMA y GSM), usando la antena
microstrip como receptor, de acuerdo con el montaje de la figura 11, arrojando los resultados de las
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Fig. 11. Montaje 1
Fig. 12. Montaje 2
figuras 17 y 18.
VII. CONCLUSIONES
El metodo utilizado para el analisis de la antena por el modelo de la lınea de transmision es el sugerido
por los autores Bahl y Bhartia [3] ya que presenta ventajas con respecto a la elaboraci on f ısica de la
antena que como se menciona anteriormente es la gran limitante que se posee.
La alimentacion de la antena se implemento a traves una lınea de transmision en un punto y0, y en su
extremo se acoplo con una sonda coaxial como lo muestra la figura 10. Esto se hizo por ser el camino
mas viable en la construccion de la antena y por presentar una menor perdida de la potencia radiada en
comparacion con otros metodos de alimentacion. Lo anterior se planteo como una solucion para evitar
los problemas de bajo nivel de potencia de radiacion que presentan las antenas tipo microstrip, dando un
resultado satisfactorio a la hora de hacer las mediciones en el laboratorio y comprobando la teor ıa en la
que se plantea que la sonda coaxial contribuye en menor grado a la poca pureza de polarizacion.
En cuanto a la escogencia del material, se opta por utilizar una fibra de vidrio comercial con una alta
constante dielectrica (εr = 4.7), no solo por su facilidad en la manipulacion, sino tambien por sus excelentes
propiedades electricas y termicas para trabajar en frecuencias altas, en este caso la banda UHF. En la
escogencia del material conductor se opta por el cobre por su bajo costo y alta conductividad, y aunque
se pueden escoger materiales conductores como el oro o la plata, esto incrementarıa los costos del diseno,
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Fig. 13. Impedancia antena en simulacion
Fig. 14. Impedancia antena medida
lo cual no es aceptable dada la justificacion que se planteo para la realizacion de este trabajo.
Un factor con el cual se tenıa especial cuidado eran las capacitancias parasitas que se forman en la
antena, en especial en las uniones de soldadura como se ve en la figura 10. Pero despues de hacer las
pruebas de laboratorio, se llego a la conclusion de que estas solo influyen cuando la longitud de onda
es muy pequena, por ejemplo cuando se utilizan frecuencias por encima de los 3 GHz. Otra de las
apreciaciones hechas en el laboratorio fue el problema de la poca potencia que radian las antenas tipo
microstrip de forma rectangular. Despues de hacer alguna simulaciones se pudo analizar el problema de
potencia que se presenta cuando el tamano del rectangulo aumenta, lo cual deja ver claramente que la
eficiencia de las antenas microstrip es ideal cuando se esta trabajando con frecuencias altas, es decir,frecuencias por encima de los 3 GHz.
REFERENCIAS
[1] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design., 2nd ed. Wiley., 1996.
[2] A. Benalla and G. K. C., “Multiport network model and transmission characteristics of two-port rectangular microstrip patch antennas.”
IEEE Transactions on Antennas and Propagation., vol. 36, no. 10, pp. 1337–1342, 1998.
[3] I. G. R. Bhartia, P. Bahl and A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook. Artech House Publishers., 2000.
[4] A. Benalla and G. K. C., “Transmission-line model for two-port rectangular microstrip patches with ports at the non-radiating edges.”
Electronics Letters (ISSN 0013-5194)., vol. 23, no. 13, pp. 882–884, 1987.
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Fig. 15. Impedancia antena medida
Fig. 16. Potencia de transmision medida desde la antena lazo
[5] C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics., 2nd ed. Wiley., 1989.
[6] C. D. K., Fundamentals of Engineering Electromagnetics. Addison Wesley., 1993.
[7] J. D. Kraus, Electromagnetics with applications., 5th ed. McGraw-HIll., 1999.
[8] M. Ferrando and A. Valero, Antenas (CD-ROM). Universidad Politecnica de Valencia., 2001.
[9] M. Leung, “Microstrip antenna design using mstrip40.” University of Canberra, Tech. Rep., 2002.
[10] HP Network Analyzer. User’s Manual, Hewlett Packard, 2000.
[11] HP RF Generator. User’s Manual, Hewlett Packard, 2001.
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Fig. 17. Deteccion de protocolo TDMA usando antena microstrip
Fig. 18. Deteccion de protocolo GSM usando antena microstrip
