DISEÑO DE AGRUPACIÓN LINEAL DE PARCHES MICROSTRIP PARA

APLICACIONES EN WIFI (802 11a-n)

Autora:

MARY ANN DOUSDEBES CHIA

Código: 20082005023

DIRECTOR:

Ph. D CARLOS ARTURO SUAREZ FAJARDO

Docente Universidad Distrital

Grupo de Radiación Electromagnética y Comunicaciones Ópticas GREGO

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Bogotá D.C.

2018

Resumen

En este documento se presenta el diseño, fabricación y caracterización de una agrupación lineal

compuesta por 4 antenas, la cual hace uso de una nueva geometría para alimentación por apertura,

junto con el uso de la tecnología SIW( Substrate Integrated Waveguide), para aplicaciones en el

standard WiFi (802 11a-n) en redes para distribución de Internet masivo, al igual que se presenta el

diseño de una antena con doble polarización, aplicando las mismas tecnologías utilizadas en la

agrupación.

Palabras Clave Substrate Integrated Waveguide, excitación por apertura, Antenas de parches apilados, estándar

WiFi (802 11a-n), Internet masivo

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a la Universidad Distrital y el profesor Carlos Suarez por su seguimiento y su apoyo en

este proceso y por todo el conocimiento aportado para lograr la finalización de este trabajo, en

segundo lugar, agradezco a mi madre por su incondicional apoyo y compañía en este proceso desde

su inicio, a mi padre por su ayuda y a Rafael por su paciencia y apoyo incondicional que pese a la

distancia siempre estuvo allí, también agradezco a mis amigos y compañeros porque sin la compañía

que me brindaban no hubiera llegado a finalizar el trabajo.

Agradezco a todos aquellos que hicieron parte de este trabajo a los que colaboraron en su construcción

y desarrollo en todo aspecto porque aquí se ve reflejado el esfuerzo de todo un equipo que me permitió

sobre llevar todas las dificultades y sobre los que expreso mi más sincero agradecimiento filial afecto.

TABLA DE CONTENIDO CAPÍTULO1 ......................................................................................................................... 1

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

1.1. Planteamiento y justificación del trabajo ................................................................. 1

1.2. Definición del problema de investigación ................................................................... 2

1.2.1. Hipótesis - Pregunta De Investigación ................................................................ 2

1.3 Metodología .................................................................................................................. 3

CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................ 4

MARCO REFERENCIAL ..................................................................................................... 4

2.1 Introducción .................................................................................................................. 4

2.2. Marco Teórico ............................................................................................................. 5

2.2.1. Parámetros de una antena ..................................................................................... 5

2.3 Estado del arte ............................................................................................................ 19

CAPÍTULO 3 ...................................................................................................................... 25

PROPUESTA METODOLÓGICA, ANÁLISIS Y DISEÑO .............................................. 25

3.1. Método de diseño - análisis paramétrico .................................................................. 25

3.1.1. Introducción ........................................................................................................ 25

3.2. Diseño de un parche microstrip ................................................................................. 26

3.2.1 Cálculo del parche con excitación por apertura .................................................. 26

3.2.2 Diseño de un parche con excitación directa y adaptación de impedancia por

“inset”. .......................................................................................................................... 29

3.3 Diseño de un parche microstrip con excitación por apertura y parches suspendidos . 32

3.3.1 Diseño de una antena con línea de trasmisión terminada en circuito abierto con

excitación por apertura ................................................................................................. 32

3.3.3 Antena de parche suspendido con excitación por apertura y línea simple .......... 33

3.3.3 Antena con un excitador sencillo una apertura y 2 parches suspendidos. ........... 35

3.3.4 Análisis del comportamiento de la antena frente a la longitud y ancho de los

stubs .............................................................................................................................. 38

3.3.5 Análisis del comportamiento con excitadores dobles.......................................... 40

3.4 Diseño de parches suspendidos .................................................................................. 42

3.4.1 Análisis del comportamiento de la antena al agregar un parche suspendido ...... 42

3.4.2 Análisis del comportamiento de la antena al agregar un segundo parche ........... 46

3.5 Diseño de ranuras ....................................................................................................... 51

3.5.1 Paramétricos de la longitud de la ranura principal 𝐿𝑎. ........................................ 52

3.5.2 Parámetros de las ranuras adicionales. ................................................................ 52

3.6 Diseño de una antena microstrip de doble polarización ............................................. 60

Los siguientes diseños se realizarán en láminas de 60mm x 60mm ................................. 60

3.6.1 Diseño de antena de parches suspendidos con doble polarización y excitación por

cinco ranuras, con limitación de las ondas de superficie mediante tecnología SIW

(Substrate Integrated Waveguide). ............................................................................... 63

3.7 Diseño de agrupación de parches apilados excitados por cinco ranuras .................... 66

3.7.1 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de da = 𝜆2 entre

centros de los puertos de entrada. ................................................................................. 66

3.7.2 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de da = 7𝜆10

entre centros de los puertos de entrada. ........................................................................ 68

3.7.3 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de 𝑑𝑎 = 8𝜆10

entre centros de los puertos de entrada. ........................................................................ 71

3.7.4 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de 𝑑𝑎 = 9𝜆10

entre centros de los puertos de entrada. ........................................................................ 74

3.8 Diseño de agrupación de antenas de parches suspendidos y excitación por cinco

ranuras, con limitación de las ondas de superficie mediante tecnología SIW (substrate

integrated waveguide)....................................................................................................... 76

3.9 Conclusiones ............................................................................................................... 81

CAPÍTULO4 ....................................................................................................................... 82

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN Y ANÁLISIS ................................................ 82

4.1. Validación, análisis de resultados y evaluación de los objetivos .............................. 82

4.2. MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................... 87

4.2.2. Medidas obtenidas y análisis de resultados ........................................................ 88

CAPÍTULO 5 .................................................................................................................... 104

CONCLUSIONES .............................................................................................................. 104

5.1 Principales Aportes ................................................................................................... 105

5.1.1 Antena de doble polarización de parches apilados con excitación por apertura 105

5.1.2 Agrupación de antenas parches apilados con excitación por apertura. ............. 105

5.2 Trabajos Futuros De Investigación ........................................................................... 107

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 108

APENDICES ..................................................................................................................... 110

Apéndice 1 Estándar WIFI IEEE 802-11 a-n ................................................................. 110

Apéndice 2 conectores SMA .......................................................................................... 111

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Diagrama de radiación de una antena de doble polarización con parches

apilados en 5GHz b) diagrama de radiación en coordenadas polares. ................................... 6 Figura 2.2 Ancho de impedancia en una agrupación de antenas: magnitud del coeficiente

de reflexión.(a) VSWR (b). .................................................................................................... 7 Figura 2.3 (a) Antena microstrip. (b)Representación circuital de acople de alimentación

por apertura. Fuente [6] .......................................................................................................... 9

Figura 2.6 Estructura de una agrupación de microstrip donde se observa el parche pasivo o

parasito, el parche de alimentación y el parche con la guía de onda. ................................... 14

Figura 2.7 Modelo circuital de una antena microstrip apilada donde se muestra la

interacción de los parches activo, pasivo, apertura y el stub de ajuste para la alimentación.

Fuente [22]. ........................................................................................................................... 15 Figura 2.8 patrón de radiación (a) una antena, (b) arreglo de antenas. Fuente [23]. ........... 17

Figura 2 9 Diseño del divisor de potencia Wilkinson, aquí puede verse que las líneas de

trasmisión son de una longitud 𝜆4. Fuente [15]. .................................................................. 19

Figura 2.10 Antena de parches apilados con excitación por apertura, [26] ........................ 20 Figura 2.11. Parámetros S11.Fuente [17]. ........................................................................... 20

Figura 2.12 Arreglo de antenas, con sendos slots, [27] . ..................................................... 21 Figura 2.13.Patrón de radiación de la antena slots,[27]. ..................................................... 21

Figura 2.14 . Simulación de parámetros S11con un slot con los 2 y sin slot,[28]. ............. 22 Figura 2.15. Geometría del sector semicircular con la sonda coaxial, [29]. ....................... 22 Figura 2.16 Geometría de la agrupación de 4 antenas, [28]. ............................................... 23 Figura 2.17. Medida de las pérdidas de retorno de una sola sonda coaxial. [29]. ............... 23 Figura 2.18. Medida de las pérdidas de retorno de las 4 sondas coaxiales, [29]. ................ 24

Figura 3.1 a)Parche calculado, b)Vista lateral..................................................................... 27 Figura 3.2 Resultados de simulación de la pérdidas de retorno para la geometría resultante

del modelo. ........................................................................................................................... 28 Figura 3.3. Repuesta de la ganancia vs Frecuencia. ............................................................ 28 Figura 3.4 a)Antena de ranura excitada por parhce resonante con inset y plano de masa b)

vista lateral de la antena........................................................................................................ 30 Figura 3.5 Simulación parámetro S11 de parche calculados ............................................... 31 Figura 3.6 Respuesta en ganancia vs frecuencia parche calculado. .................................... 31 Figura 3.7Antena con un excitador sencillo y una apertura(slot). ....................................... 32

Figura 3.8 Perdidas de retorno para parche simple excitado por ranura. ............................ 33 Figura 3.9 Antena de parche suspendido con excitación por apertura y línea simple ......... 34 Figura 3.10. Resultado de las simulaciones para las pérdidas de retorno (S11) en antena de

parche suspendido. ............................................................................................................... 34 Figura 3.11. Resultado de las simulaciones para la ganancia en antena de parche

suspendido. ........................................................................................................................... 35 Figura 3.12. Antena con un excitador sencillo y dos parches apilados. ............................. 35 Figura 3.13. Parámetro S11 simulado para dos parches suspendidos. ............................... 36 Figura 3.14. Ganancia simulada para dos parches suspendidos. ........................................ 36 Figura 3.15. Gráfica comparativa de efecto de los parches en los parámetros Sij. ............ 37

Figura 3.16. Parámetros de la antena a analizar 𝐿𝑠 y 𝑊𝑠 .................................................. 38

Figura 3.17. Resultados de las pérdidas de retorno Sij para la variación del parámetro 𝑊𝑠 .............................................................................................................................................. 39 Figura 3.18. Resultados de las pérdidas de retorno Sij para la variación del parámetro Ls

.............................................................................................................................................. 39 Figura 3.19. Parámetros a analizar, excitadores. ................................................................ 40 Figura 3.20. Resultados de las pérdidas de retorno S11 para la variación del parámetro Ls

.............................................................................................................................................. 41 Figura 3.21. Parámetro a analizar del parche suspendido. ................................................. 42

Figura 3.22. a) 𝐿𝑝 = 13𝑚𝑚 b) 𝐿𝑝 = 15𝑚𝑚 c) 𝐿𝑝 = 17𝑚𝑚 d) 𝐿𝑝 = 19𝑚𝑚 𝑒) 𝐿𝑝 =20𝑚𝑚 ................................................................................................................................... 44 Figura 3.23. Resultados totales parametrización de Lp. ..................................................... 44

Figura 3.24. Vista lateral de la antena, parámetro a analizar 𝑷𝟐. ...................................... 45

Figura 3.25. Parámetros Sij para la altura del parche P2.................................................... 46

Figura 3.26. Parámetro a analizar 𝐿𝑝1. .............................................................................. 47

Figura 3.27. a) Longitud 𝐿𝑝1 = 9𝑚𝑚 b) Longitud 𝐿𝑝1 = 13𝑚𝑚 c) Longitud 𝐿𝑝1 =15𝑚𝑚. d) Longitud 𝐿𝑝1 = 17𝑚𝑚. ..................................................................................... 48 Figura 3.28. Resultados de la parametrización de Lp1. ..................................................... 49

Figura 3.29. Vista lateral de la antena, parámetro a analizar 𝑃1. ....................................... 50 Figura 3.30. Solución del análisis del parámetro P1. ......................................................... 50

Figura 3.31. Parámetros de la antena a analizar 𝐿𝑟, 𝑃𝑟, 𝑊𝑟. .............................................. 51

Figura 3.32. Simulación del análisis paramétrico de la longitud La de la apertura. .......... 52

Figura 3.33. Parámetro a analizar 𝐿𝑟. ................................................................................. 53

Figura 3.34. Simulación parámetro La de las antenas donde: a) longitud 𝐿𝑟 = 0𝑚𝑚, b)

longitud 𝐿𝑟 = 5𝑚𝑚c) longitud 𝐿𝑟 = 7𝑚𝑚, d) longitud 𝐿𝑟 = 9𝑚𝑚.e) longitud 𝐿𝑟 =10𝑚𝑚 f) longitud 𝐿𝑟 = 12𝑚𝑚 ........................................................................................... 55

Figura 3.35. Comparación del parámetro Lr de la antena. ................................................. 56

Figura 3.36. Parámetros a analizar 𝑊𝑟. .............................................................................. 57

Figura 3.37. Paramétrico de los cambios que se tiene en el ancho de banda de impedancia

al variar el grosor de cada ranura Wr. .................................................................................. 58 Figura 3.38. Parámetro a analizar en las ranuras Pr. .......................................................... 59

Figura 3.39. Paramétrico de los cambios que se tiene en el ancho de banda de impedancia

al varias de posición. ............................................................................................................ 59

Figura 3.40.Vista de la parte superior de la antena de doble polarización .......................... 61 Figura 3.41. Diagrama vector de magnitud de densidad de corriente en el reflector. ......... 61 Figura 3.42. Ganancia de la antena de doble polarización. ................................................. 62

Figura 3.43. Resultados parámetros Sij de la antena de doble polarización. ...................... 62 Figura 3.44. Vista de la parte superior de la antena con tecnología SIW ........................... 63 Figura 3.45. Diagrama vector de magnitud de densidad de corriente en el reflector, donde

se puede ver el direccionamiento de la corriente a los pines. ............................................... 64

Figura 3.46.Ganancia de la antena doble polarización con tecnología SIW. ...................... 64 Figura 3.47. Resultado análisis paramétrico Sij para antena con doble polarización

tecnología SIW ..................................................................................................................... 65

Figura 3.48. Parámetro da a analizar en la agrupación 𝒅𝒂. ................................................ 66

Figura 3.49. Resultados parámetros S𝑖𝑗 de adaptación de puertos. ..................................... 66 Figura 3.50. Resultados de la simulación del acople entre puertos. .................................... 67

Figura 3.51.Resultados de la simulación de la ganancia vs la frecuencia. .......................... 68

Figura 3.52.Resultados de la simulación de los parámetros Sij de adaptación de puertos. 69 Figura 3.53. Resultados de la simulación del acople entre puertos Sij. .............................. 70 Figura 3.54.Resultados de la simulación de la ganancia vs frecuencia. .............................. 71 Figura 3.55.Resultados de la simulación de los parámetros S de adaptación de puertos .... 72 Figura 3.56.Resultados de la simulación del acople entre puertos ...................................... 73

Figura 3.57.Ganancia vs frecuencia. ................................................................................... 73

Figura 3.58. Resultados parámetros S de adaptación de puertos......................................... 74

Figura 3.59. Resultados de la simulación del acople entre puertos ..................................... 75 Figura 3.60.Ganancia vs frecuencia. ................................................................................... 75

Figura 3.61. Diagrama vector densidad de corriente en la superficie del reflector. ............ 76 Figura 3.62. Agrupación de antenas con pines. ................................................................... 77

Figura 3.63. Diagrama vector densidad de corriente en la superficie del reflector con

tecnología SIW. .................................................................................................................... 77

Figura 3.64. Resultados parámetros S de adaptación de puertos con tecnología SIW. ....... 78 Figura 3.65. Resultados parámetros S de acople entre puertos. .......................................... 79

Figura 3.66. Ganancia vs frecuencia de la agrupación de antena con tecnología SIW. ...... 80 Figura 3.67.Diagrama de ganancia a 5GHz a)antena de doble polarización y b) agrupación.

.............................................................................................................................................. 80 Figura 4.1. Partes de la antena de doble polarización construida de abajo hacia arriba

donde: a) Reflector de cobre, b) excitadores en la parte inferior c) apertura en la

parte superior de la antena) segundo parche suspendido e) primer parche suspendido. ...... 83 Figura 4.2.Estructura final de la antena con tecnología SIW .............................................. 83

Figura 4.3. Partes agrupación de antenas construida de abajo hacia arriba donde:

a) Reflector de cobre, b) excitadores en la parte inferior c) aperturas en tierra en la parte

superior de la antena) segunda agrupación de parches suspendidos e) primer agrupación

parches suspendidos. ............................................................................................................ 84

Figura 4.4.Estructura final de la agrupación de antenas ...................................................... 85 Figura 4.5. Partes agrupación de antenas con tecnología SIW construida de abajo hacia

arriba donde: a) Reflector de cobre, b)

excitadores en la parte inferior c) aperturas en tierra en la parte superior de la antena)

segunda agrupación de parches suspendidos e) primer agrupación parches suspendidos. .. 86 Figura 4.6.Estructura de la agrupación de antenas con tecnología SIW con tonillos y

acrílico , primera construcción. ............................................................................................ 86 Figura 4.7. Estructura de la agrupación de antenas con tecnología SIW con pines soldados

de cobre................................................................................................................................. 87 Figura 4.8. Analizador vectorial de redes Rohde & Schwarz. ............................................ 87

Figura 4.9. Pérdidas de retorno de la antena de doble polarización puerto 1. ..................... 88 Figura 4.10. Pérdidas de retorno de la antena de doble polarización puerto2. .................... 89 Figura 4.11. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto1. .............................. 90

Figura 4.12. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto2. .............................. 91 Figura 4.13. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto3. .............................. 92

Figura 4.14. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto4. .............................. 93 Figura 4.15. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto1.

.............................................................................................................................................. 94 Figura 4.16. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto2.

.............................................................................................................................................. 95

Figura 4.17. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto3.

.............................................................................................................................................. 96 Figura 4.18. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto4.

.............................................................................................................................................. 97 Figura 4.19. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con

tecnología convencional puerto1. ......................................................................................... 98

Figura 4.20. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con

tecnología convencional puerto2. ......................................................................................... 99 Figura 4.21. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con

tecnología convencional puerto3. ....................................................................................... 100 Figura 4.22. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con

tecnología convencional puerto4. ....................................................................................... 101

Figura 4.23.Ganancia Simulada de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con

tecnología convencional. .................................................................................................... 102

Figura 4.24.Ganancia Simulada antena con doble polarización con tecnología SIW y con

tecnología convencional. .................................................................................................... 102 Figura 5.1. Posible agrupación de antenas e doble polarización con parches apilados..... 107 Figura A1.Dimensiones del conector SMA....................................................................... 112

Figura A2.Especificaciones eléctricas conectores SMA [31] ........................................... 113

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Mejor valor obtenido para la longitud del excitador ............................................. 33 Tabla 2.Valores obtenidos en ancho de banda (BW) para los parámetros simulados ......... 37

Tabla 3.Valores constantes para analizar paramétrico del stub. .......................................... 38 Tabla 4.Valores constantes para analizar paramétrico del stub. .......................................... 40 Tabla 5. Valores para analizar los dos excitadores .............................................................. 41 Tabla 6.Resultados de un excitador y dos excitadores ........................................................ 41 Tabla 7.Resultado del cambio de la posición del grosor. .................................................... 44

Tabla 8.Mejor valor obtenido para el parámetro P2. ........................................................... 46 Tabla 9. Mejor valor obtenido para el parámetro Lp1. ........................................................ 49

Tabla 10.Valores del análisis paramétrico. .......................................................................... 50 Tabla 11.Respuestas del análisis paramétrico. .................................................................... 50 Tabla 12.Valores constantes para analizar paramétricos. .................................................... 51 Tabla 13.Valores del análisis paramétrico. .......................................................................... 52

Tabla 14. valores del de los parámetros sij .......................................................................... 56 Tabla 15.Resultado del cambio de la posición del grosor. .................................................. 58

Tabla 16.Resultado del cambio de la posición de las ranuras. ............................................ 60 Tabla 17. Parámetros finales de la antena de un puerto ...................................................... 60 Tabla 18. Respuesta de los puertos de la antena de doble polarización. ............................. 63

Tabla 19. Respuesta de los puertos de la antena de doble polarización. ............................. 65

Tabla 20. Parámetros S para 𝑑𝑎 = 𝜆2 ................................................................................ 67

Tabla 21.Parametros S para una distancia de 𝐝𝐚 = 7λ10 .................................................. 69

Tabla 22..Parámetros S para una distancia de 𝒅𝒂 = 8𝜆10 ................................................. 72

Tabla 23.Parámetros S para una distancia de 𝒅𝒂 = 9𝜆10 .................................................. 74

Tabla 24. Parámetros S para una distancia de 𝒅𝒂 = 9𝜆10. ................................................ 78

Tabla25. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto 1. ................................................... 88

Tabla 26. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2. ................................................... 89

Tabla27. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto 1. ................................................... 90

Tabla28. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2. .................................................... 91

Tabla29. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto3. .................................................... 92

Tabla30. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto 4. ................................................... 93

Tabla31. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto1. .................................................... 94

Tabla32. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2. .................................................... 95

Tabla33. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto3. .................................................... 96

Tabla34. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto4. .................................................... 97

Tabla35. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto1 con tecnología SIW. ................. 98

Tabla36. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2 con tecnología SIW. ................. 99

Tabla37. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto3 con tecnología SIW. ............... 100

Tabla38. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto4 con tecnología SIW. ............... 101 Tabla 39. Estándar IEEE 802.11 a ..................................................................................... 110 Tabla 40. Estándar IEEE 802.11 a , señal rf. ..................................................................... 110 Tabla 41.Estandar IEEE 802.11n [30] .............................................................................. 110 Tabla 42.Estandar IEEE 802.11 a y 802.11n ..................................................................... 111

1

Capítulo1

INTRODUCCIÓN

Los avances en las telecomunicaciones se han constituido en un aspecto fundamental para el

desarrollo de la sociedad buscando contribuir en las labores del diario vivir. Las diferentes

aplicaciones que se han desarrollado en ámbitos como comunicaciones terrestres, celulares,

satelitales, fijas, etc., han intensificado la investigación en temas relacionados con la

trasmisión y recolección de datos con fines informativos o comunicativos, cabe notar que

son de particular interés los avances relacionados en el campo de las redes inalámbricas,

sobre las cuales se han enfocado grandes esfuerzos para mejorar las prestaciones en

aplicaciones que hacen uso de estándares tales como WiFi, WiLAN, Bluethoot, WiMAX etc.

A este respecto, las aplicaciones inalámbricas exigen de las antenas el mejoramiento de

parámetros como: tamaño de los elementos, el ancho de banda de operación tanto en

impedancia como en diagrama y la ganancia, esto sin dejar de lado el costo y peso de las

soluciones.

Basándose en estas problemáticas, el presente trabajo plantea el desarrollo de una agrupación

lineal compuesta por 4 antenas para aplicaciones WiFi5, para lo cual se exploran diversas

tecnologías y como resultado de este trabajo, se combinan las tecnologías SPA (suspended

plate antennas), parches parásitos apilados, nuevas propuestas de ranuras para excitación por

apertura y la tecnología SIW.

1.1. Planteamiento y justificación del trabajo Las comunicaciones son uno de los grandes pilares en el progreso de cualquier sociedad, la

investigación enfocada a esta área ha desarrollado de manera acelerada distintas tecnologías

inalámbricas como son WiFi, WiMAX, etc, sin embargo, debido al alto consumo de estas tecnologías

y a la alta demanda, la investigación actualmente se está centrando en el mejoramiento de la cobertura

y su funcionalidad (número de canales); y en particular en lo que respecta a las antenas, se busca que

sean de fácil implementación, de tamaño reducido y bajo costo, sin que por esto se reduzcan sus

prestaciones en cuanto a ganancia y anchos de banda de impedancia y diagrama.

Teniendo en cuenta lo anterior y debido a la alta demanda del espectro de comunicaciones RF, se ha

intensificado el uso de la banda de 5GHz ya que no está saturado como otras frecuencias más bajas,

por la reducida implementación de tecnologías en este canal; por esta razón se hace necesario el

estudio de nuevos elementos radiantes para aplicaciones en la banda de 5GHz, que permitan el mejor

aprovechamiento de esta tecnología; considerando las características de algunas de las tecnologías

aplicables a este frecuencia: - WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), que

tiene aplicaciones en IPTV, VOIP, backhoul (transporte de datos entre puntos de acceso inalámbrico),

conectividad de banda ancha móvil, 4G de acceso inalámbrico de banda ancha tanto para móviles, así

como banda fija [1]. Por otra parte, WiLAN (Wireless Local Area Network) emplea antenas de alta

ganancia, con gran ancho de banda para los puntos de acceso Wireless [2]. Así mismo, son de amplia

utilización los sistemas MIMO (Multiple input Multiple output), como un camino eficiente para la

mejora de la capacidad del canal, esto teniendo en cuenta que las redes WLANs requieren de

estrategias anti-interferencia para garantizar su correcta operación [3].

2

Además otras de las aplicaciones para esta frecuencia son los radares (meteorológicos o para la

defensa) que necesitan antenas de alta ganancia de trasmisión y un receptor sensitivo así que es

necesario que operen en bandas que no sean usadas para otro propósito como es el caso de la banda

C [4].

Centrar la atención en WiFi5 (IEEE 802.11ac) que opera como su nombre lo indica a 5GHz, implica

reconocer que debido a la demanda, muchas de estas tecnologías están migrando a frecuencias

superiores y que los dispositivos WiFi actuales, están utilizando la banda de 2,4 GHz para

transferencia de datos y 5 GHz para la transmisión de vídeo en Juegos de alta resolución, sin embargo,

en la banda de 2,4 GHz, solo 3 canales no se solapan y se presenta saturación, mientras que la banda

5GHz es relativamente libre y permite el uso de 24 canales superpuestos [5].

Se considera a partir de lo mencionado, que para este tipo de aplicaciones en la banda de 5GHz se

puede desarrollar antenas del tipo parche microstrip, teniendo en cuenta que debido a su versatilidad

y fácil implementación, son idóneas para ser diseñadas en este rango de frecuencias y para las

aplicaciones antes mencionadas, y aun cuando esta tecnología presenta ciertas desventajas como: la

baja capacidad de manejo de potencia, el ancho de banda angosto, altas pérdidas, afectación por el

factor térmico y baja pureza de polarización [6], [7], [8] sin embargo, la investigación en este tipo

de antenas ha permitido generar diversas estrategias y tecnologías que minimizan estos problemas, y

particularmente, en este trabajo se proponen una combinación de estrategias que permiten proponer

una agrupación con amplio ancho de banda, una ganancia plana en el ancho de banda de operación

y reducido tamaño.

1.2. Definición del problema de investigación

1.2.1. Hipótesis - Pregunta De Investigación

Por lo tanto y a partir de lo expuesto anteriormente, se plantea la siguiente pregunta

problemática.

¿Es posible diseñar una agrupación lineal de antenas de parche microstrip que opere en la

banda de 5.1GHz a 5.9GHz y que cumpla con los parámetros exigido por el estándar WIFI

802 11a-n?

Los objetivos propuestos son los siguientes.

Objetivo General

Diseño y caracterización en impedancia de una agrupación lineal de antenas de parche

Microstrip para aplicaciones en la banda de WIFI 802 11a-n.

Objetivos Específicos

• Seleccionar la tecnología más adecuada para el elemento básico que permita un

diseño con reducido tamaño y que cumpla con las especificaciones deseadas.

• Diseñar el elemento básico seleccionado con ganancia mínima de 5dBi y operación

en el rango de 5.1GHz a 5.9GHz.

3

• Diseño de la agrupación lineal con ganancia mínima de 10dBi y operación en el

rango de 5.1GHz a 5.9GHz.

• Fabricación y caracterización en impedancia de la propuesta.

1.3 Metodología

Para lograr los resultados propuestos se siguió la siguiente metodología.

1. Se hizo uso de los modelos existentes para el diseño de un parche, para luego simular

su geometría resultante mediante el programa HFSS y a partir de allí, se adelantaron

los análisis paramétricos pertinentes para determinar las medidas geométricas más

apropiadas del parche, de las ranuras, el stub, el alimentador, etc.

2. Se llevaron a cabo los análisis paramétricos necesarios para determinar la geometría

apropiada de un alimentador doble que excita a una ranura, para luego pasar al diseño

de una antena de parche suspendido (SPA) con excitación por apertura, analizando

parámetros como el tamaño de los parches suspendidos y la posición de estos.

3. Se llevaron a cabo los análisis paramétricos necesarios para determinar la geometría

apropiada de las ranuras en el plano de masa, incluyendo parámetros como: longitud

posición y ancho y el efecto de incluir nuevas ranuras que exciten un parche

suspendido.

4. Se llevó a cabo el diseño completo de una antena con doble polarización, mediante el

programa de análisis electromagnético HFSS.

5. Se llevó a cabo el diseño completo de una antena con doble polarización, que incluye

la tecnología SWI en el plano de masa.

6. Se llevó a cabo el diseño completo de una agrupación de antenas con plano de masa

convencional.

7. Se llevó a cabo el diseño completo de una agrupación compuesta por cuatro antenas

que incluye la tecnología SWI en el plano de masa.

8. Luego del diseño en el simulador para radio frecuencia HFSS se construyó la antena

de doble polarización con tecnología SWI, la agrupación sin y con tecnología SWI y

se caracterizaron con el VNA.

9. Posteriormente llevó a cabo el análisis de resultados, el cual se relaciona en el

presente informe.

4

Capítulo 2

MARCO REFERENCIAL

En este capítulo se muestra la revisión de los fundamentos necesarios para el desarrollo del

proyecto, así como el estado del arte actual en el cual se encuentra la investigación.

2.1 Introducción El diseño de antenas microstrip de parches apilados ofrece la facilidad de múltiples diseños y pese a

sus falencias se pueden aplicar diferentes tipos de excitación, agrupaciones o polarización para

mejorar estas. La ventaja en comparación al parche aislado es la alta ganancia debido a la agrupación

de parches y la distancias entre estos puede acoplar o desacoplar la antena modificando el ancho de

banda [9].

Algunas características que influyen en la construcción de estas son:

El sustrato, que en este tipo de antena determina las características de radiación del parche, el ancho

de banda depende del factor de calidad que varía de forma inversa [10]. La adición de parches

suspendidos aumenta el ancho de banda como se indica en [10] y [11].

Estas antenas pueden ser usadas para las estaciones base y radares como se indica en [12] Y [13],

modificándolas para este fin usando doble polarización y agrupaciones.

Para el caso de doble polarización se tiene un gran desafío que es lograr un ancho de banda de

impedancia que se acomode a las necesidades del diseño, ya que la longitudes de los parches controlan

el comportamiento en frecuencias de un puerto mientras que el ancho controla las del otro puerto

[11].

En los casos consultados se tiene diversos tipos de agrupaciones en [14] se tiene una agrupación

matricial en diferentes formas como lo es 3x1, 1x3, 3X3 y en forma de cruz , la antena tiene forma

de E y para cada configuración de la matriz se tiene una distribución diferente de elementos paracitos,

la matriz más óptima es la que tiene forma de cruz y mayor número de elementos paracitos generando

una alta ganancia, la construcción se hace con un plano a tierra el sustrato y los parches agrupados.

En la siguiente publicaciones realizada en el 2015 [13] se habla de una agrupación 8x8 para un Radar

digital multifunción faseado agrupado, la configuración tiene un plano a tierra, líneas de alimentación

y tierra, alimentación en H , tierra y apertura , alimentación en V, parche director y parche paracito.

Aquí loa niveles de polarización cruzada están por debajo de -40 dBi para las dos polarizaciónes y

todas las frecuencias en los planos principales.

En [15] se muestra una agrupación de 4 elementos de parches apilados, el cual ofrece un 50% de

ancho de banda de impedancia (6GHz-10GHz), la configuración de este es sustrato, parche director

y parche suspendido donde se evidencia que la longitud de la ranura, el grosor de las capas y las

distancia entre parches y sustrato tienen un gran impacto en el comportamiento de la antena, la

alimentación es tipo horquilla.

5

Otra de las aplicaciones de estas antenas es en tecnología 5G en [16] y [17], debido a la alta demanda

de comunicaciones inalámbricas y se necesitan antenas que trabajen altas frecuencias y alta velocidad

al igual que las antenas para comunicaciones satelitales que necesitan altas prestaciones y ser

compactas. En estos dos artículos se desarrollaron antenas agrupaciones de antenas apiladas de dos

capas multibanda en [16] se tiene un ancho de banda de 14.836GHz, y una ganancia de 13 dBi, con

parches directores alimentados por líneas de transmisión

El diseño que se presenta en [18] es una agrupación de 9 elementos Log de parches apilados

alimentado por sonda coaxial, con un ancho de banda que va desde 4.5 a 6.5 GHz, con 3 capas, plano

a tierra, sustrato y parche paracito. En el desarrollo de las agrupaciones de antenas de parches apilados

se ha llegado a obtener un ancho de banda de 52%, o se trabaja para obtener multibandas, La

implantación de este tipo de antenas se ha desarrollado por su bajo costo y reducido tamaño al trabajar

en altas frecuencias.

Con lo que respecta a este tipo de investigaciones en el grupo GRECO se han hecho desarrollos con

antenas parche tipo anillo la primera con sentido reconfigurable, consiste en una parche con la

antena y otro sustrato para un híbrido de 90° con frecuencia central de 2.35 GHz los planos de masa

de la antena y del híbrido se unen en un plano común y la excitación de la antena se lleva a cabo

mediante dos terminales metálicos de los puertos de salida del híbrido, atravesando los planos de

masa de la antena y del híbrido, obteniendo un ancho de banda de impedancia del 33.33% y una

ganancia máxima 6.1dBi [19], la otra antena consiste en un parche tipo anillo cortocircuitado ,

utilizando hendiduras y stubs para mejorar la relación axial y el uso de análisis de paramétricos para

optimizar el desempeño de la antena. El ancho de banda de impedancia debajo de -10dBs se dad entre

2.37GHz y 2.45 GHz, con una frecuencia central de 2.41GHz y una ganancia de 6.2dBi [20].

Para el desarrollo de este trabajo se tiene el desarrollo de una excitación por apertura y una antena en

forma de horquilla, como se ha mencionado en [9].

2.2. Marco Teórico

2.2.1. Parámetros de una antena

2.2.1.1 Diagrama de Radiación

En esta sección se mencionan algunos de los parámetros más relevantes que permiten diseñar,

caracterizar o estudiar una antena, lo cuales serán utilizados en el proceso de diseño y

caracterización de la antena propuesta en este trabajo:

Un diagrama de radiación se define como una función matemática, o un diagrama que

describe las propiedades de radiación de una antena (Densidad de flujo de potencia,

Intensidad de radiación, Intensidad de campo, directividad, fase o polarización), en función

de las coordenadas espaciales. En la mayoría de los casos, el diagrama de radiación se

determina en la zona de campo lejano y se representa en función de las coordenadas esféricas.

En la Figura 2.1 muestra los diagramas de radiación en 3D (2.a) y 2D polar (2.b) de una

antena de doble polarización [7].

6

(a) (b)

(b) Figura 2.1 Diagrama de radiación de una antena de doble polarización con parches apilados

en 5GHz b) diagrama de radiación en coordenadas polares.

2.2.1.2 La eficiencia de conducción – dieléctrico cd

e o eficiencia de radiación se define

como la relación entre la potencia desarrollada sobre la resistencia de radiación Rr a la

potencia total entregada a la antena, la cual se desarrolla sobre RL y Rr, es decir,

reemplazando las ecuaciones que determinan estas potencias, se tiene que la eficiencia de

conducción dieléctrico se puede calcular mediante la expresión (2.1) [7]:

r r

r

P P

P P

ad ad rad

cd

in ad L rad L

Re

P R R

(2.1)

Otra fuente de pérdidas a considerar es la ocasionada por el desacople entre la línea de

transmisión y la antena, las cuales se representan mediante la eficiencia de reflexión (r

e ),

determinada como:

21

re (2.2)

Donde es el coeficiente de reflexión en los terminales de entrada de la antena. La eficiencia

total se determina como:

21

t r cd cde e e e (2.3)

2.2.1.3Ancho de banda: El ancho de banda de una antena es el rango de frecuencias a lado

y lado de la frecuencia central en el que un parámetro o un conjunto de parámetros

determinados presentan valores inferiores (o superiores) respecto a un nivel de referencia

establecido, lo cual asegura el adecuado comportamiento de la antena frente al dicho

-36.50

-33.00

-29.50

-26.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

HFSSDesign2Radiation Pattern 2Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepFreq='5GHz' Theta='100deg'

7

parámetro o parámetros seleccionados. Teniendo en cuenta que los parámetros de una antena

no presentan comportamiento similar frente a la frecuencia de operación, se suele establecer

tres tipos de ancho de banda a saber: ancho de banda de diagrama, impedancia y polarización

[7].

El ancho de banda en porcentaje se define como:

max min

max min

100 %P

f fBW

f f

(2.4)

Para antenas de banda ancha se suele expresar como una relación (𝐵𝑊𝑅) como:

max

min

:1R

fBW

f (2.5)

La figura 2.2 se muestra los resultados de simulación del ancho de banda de impedancia, para

la magnitud del coeficiente de reflexión (Figura 2.a) y la relación de onda estacionaria VSWR

en agrupación de antenas (Figura 2.b).

Figura 1.2 Ancho de impedancia en una agrupación de antenas: magnitud del coeficiente de

reflexión.(a) VSWR (b).

2.2.1.4 Directividad y ganancia de una antena:

La Directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia

radiada en una dirección y a una distancia dada desde la antena y la densidad de potencia que

radiaría a esa misma distancia una antena isótropa (que radiase la misma potencia que la

antena) [8].

2

r

,,

P 4ad

Dr

(2.6)

Teniendo en cuenta que la intensidad de radiación se define como 2, ,K r la

expresión anterior puede ser escrita como:

2

r r r 0

4 , 4 , , ,,

P P P 4ad ad ad

r K K KD

K

(2.7)

3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

VS

WR

(1)

HFSSDesign2XY Plot 6

Curve Info

VSWR(1)Setup1 : Sw eep

3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 5

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

8

La ganancia de una antena en una dirección se define como la relación entre la intensidad

de radiación en una dirección y la intensidad de radiación que se obtendría si la potencia

aceptada por la antena fuera radiada de una forma isótropa. La intensidad de radiación

resultante del caso en que una potencia aceptada sea radiada de una forma isótropa se

determina como la potencia aceptada por la antena (Pin) dividida por 4π, [6] [8].

( , )

, 4in

KG

P

(2.8)

Teniendo en cuenta que las potencias radiadas y aceptadas se relacionan por rad cd in

P e P , la

ganancia de la antena puede ser expresada como:

4 , 4 ,

, ,cd cd

rad cd rad

K KG e e D

P e P

(2.9)

2.2.1.5 Polarización de una antena:

La polarización es la propiedad de una onda electromagnética que describe la variación

temporal de la dirección y la magnitud relativa del vector de campo eléctrico. La polarización

de una antena es la polarización de la onda radiada por dicha antena en una dirección dada.

La polarización de una antena en una dirección dada se define como "la polarización de la

onda transmitida (radiada) por la antena. A su vez la polarización de una antena es la figura

geométrica determinada por el vector que representa al campo eléctrico en función del

tiempo, en una posición dada. Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina

linealmente polarizada, si es un círculo circularmente polarizada. Para ondas con variación

sinusoidal dicha figura es en general una elipse [8].

2.2.2 Antenas sobre micro cintas

Este tipo de antenas ofrecen una interesante alternativa en aplicaciones que requieren alto

desempeño de las mismas, como es el caso de antenas para comunicaciones en aviones,

cohetes, satélites y antenas para misiles donde el tamaño, peso, costo, desempeño

electromagnético, facilidad de instalación y comportamiento aerodinámico, se constituyen

en restricciones que deben ser tenidos en cuenta a la hora del diseño de las mismas. De igual

manera existen otro tipo de aplicaciones que exigen de las antenas restricciones similares

como es el caso de radio móvil y comunicaciones inalámbricas.

Las antenas microstrip se perfilan como una alternativa a este tipo de exigencias, las cuales

aparte de lo expuesto presentan características de bajo perfil, son conformables sobre

superficies planas o no planas mediante el uso de sustratos de reducido espesor, son de fácil

y económica fabricación utilizando las técnicas de circuitos impresos, son robustas

mecánicamente al instalarse sobre superficies rígidas, compatibles con diseños MMIC. Así

mismo, una vez que se ha seleccionado la geometría y el modo particular de operación, las

antenas microstrip son muy versátiles en términos de frecuencia de resonancia, polarización,

9

diagrama, e impedancia, adicionalmente estas antenas mediante la adición de elementos

activos como diodos PIN y Varactores pueden comportarse como elementos adaptables

(antenas reconfigurables) que pueden variar su frecuencia de resonancia, impedancia,

polarización y diagrama [6] [8].

La principal desventaja de estas antenas es su baja eficiencia, reducido manejo de potencia y

alto Q en el rango de 50 75Q (en algunas ocasiones superior a 100), baja pureza de

polarización, comportamiento pobre para labores de seguimiento, radiación espuria en el

punto de excitación, y reducido ancho de banda de impedancia el cual puede estar en el

intervalo entre 2 :1 1% 5%VSWR BW .

Por otra parte, existen métodos para aumentar la eficiencia y el ancho de banda de una antena

microstrip como es el caso de incrementar el espesor del sustrato, con lo cual se pueden

obtener eficiencias entorno al 90%, esto sin incluir el efecto de las ondas de superficie y el

ancho de banda a valores entorno al 35%, sin embargo al aumentar el espesor del sustrato, el

efecto de las ondas de superficie se incrementa (modo TM0), aspecto que no es deseable

dado que estas ondas extraen potencia de la total disponible para radiación. Las ondas

superficiales viajan dentro del sustrato y se dispersan en las curvas y discontinuidades

superficiales, tales como el truncamiento del dieléctrico y el plano de masa, degradando el

diagrama de radiación de la antena y sus características de polarización. Las ondas

superficiales pueden ser eliminadas, manteniendo grandes anchos de banda, mediante el uso

de cavidades, parches apilados, estructuras EBG, celdas metamaterial y otros métodos [7] [8]

.

En la figura 2.3 (a) se observa la distribución de campos en una Antena microstrip y en (b)

la representación circuital de la excitación por apertura para este tipo de antenas.

(

(a) (b)

Figura 2.3 (a) Antena microstrip. (b)Representación circuital de acople de alimentación por

apertura. Fuente [6]

2.2.3 Diseño de antenas microstrip

10

En este apartado se relacionan las ecuaciones necesarias para el diseño de parches microstrip,

para lo cual, en la Figura 2.4 se muestra la geometría básica y sus variables.

2.2.3.1 Efectos de borde en un parche microstrip.

El efecto de borde en una línea de transmisión micro cinta fueron explicadas en párrafos

anteriores y estos aplican de igual manera para una antena micro cinta, al respecto se puede

concluir que: para frecuencias bajas, la constante dieléctrica efectiva es esencialmente

constante, sin embargo, para frecuencias medias sus valores comienzan a aumentar de forma

monótona y tienden a acercarse finalmente a los valores de la constante dieléctrica del

sustrato. Los valores iniciales (a bajas frecuencias) de la constante dieléctrica efectiva se les

conoce como los valores estáticos, y estos pueden ser obtenidos en forma aproximada como

[7-8]:

1 2

1 11 12 1

2 2

r r

reff

hW h

W

(2.10)

2.2.3.2 Longitud efectiva de un parche Microstrip

Debido a los efectos de borde explicados antes, eléctricamente el parche se comporta como

una antena de dimensiones mayores que sus dimensiones físicas. Este efecto se muestra en

la Figura 2.4, donde las dimensiones del parche a lo largo de su longitud se han ampliado en

cada extremo por una distancia ΔL, que es función de la constante dieléctrica efectiva ref

y

de la relación entre anchura y altura (W/h). Una muy popular y práctica relación aproximada

para la extensión de la longitud normalizada se relaciona en la ecuación (2.11), [7] [8].

Figura 2.4. Longitud física y efectiva de un parche rectangular

0.3 0.264

0.412

0.258 0.8

reff

reff

W

L h

Wh

h

(2.11)

11

Donde la constante dieléctrica efectiva se expresa en forma aproximada mediante (2.12).

1 2

1 11 12 1

2 2

r r

reff

hW h

W

(2.12)

Teniendo en cuenta que la longitud del parche se ha extendido eléctricamente por cada lado

en ΔL, la longitud efectiva del parche es ahora Leff (L = λ/2 para el modo dominante TM010

sin efecto de borde), es decir [7] [8]:

2eff

L L L (2.13)

De igual manera, la longitud efectiva del parche se determina como:

2 22

effL L L L

(2.14)

a) Frecuencia de resonancia del modo fundamental

Si se cumple que L W h , el modo dominante con la frecuencia más baja es el modo010

xTM

con frecuencia de resonancia dada por:

010

0 0

1( )

2 2r

r r

cf

L L (2.15)

Si se quiere tener en cuenta los efectos de borde, la ecuación anterior debe ser modificada de

la siguiente manera:

010

0 0 0 0

1 1( )

2 2 2rc

eff reff reff

fL L L

(2.16)

Es decir que: 010

0 0

1( )

2 2rc

r r

cf q q

L L

Donde:

010

010

rc

r

fq

f (2.17)

12

Este parámetro q (2.16) es definido como factor de borde (Factor de reducción de longitud),

[7-8].

En cuanto al ancho del parche W, se plantea un valor práctico que hace que el parche sea

eficiente, el cual es expresado como:

2

2 1r r

cW

f

(2.18)

Donde fr es la frecuencia de resonancia deseada.

b) Conductancia equivalente del parche

Cada ranura radiante puede ser representada por una admitancia paralelo equivalente Y (con

conductancia G y susceptancia B), como se muestra en la figura 2.5, que incluye un modelo

simplificado de la antena y las admitancias equivalentes para cada ranura radiante junto con

la admitancia de salida referida a la entrada, de esta figura podemos extraer mediante la

transformación de la admitancia que la admitancia de salida referida a la entrada se determina

mediante la siguiente expresión [7] [8]:

0

0

0

in

G j B Y tan lY G jB Y

Y j G jB tan l

(2.19)

En el caso en que se tome l la admitancia de entrada toma el valor aproximado de:

inY G jB A G jB (2.20)

Donde 2 2 2

0A Y B G es aproximadamente la unidad, de tal manera que:

2in

Y G (2.21)

13

Figura 2.5 Circuito equivalente de línea de transmision para un parche rectangular.

De una manera más rigurosa este planteamiento se expresa como: designando las ranuras

equivalentes que representan la radiación del parche como 1 y 2, la admitancia para la ranura

1, considerando que la ranura es uniforme, la admitancia equivalente se expresa como:

1 1 1Y G jB (2.22)

Para una ranura de ancho finito W, los valores de la conductancia G y la suceptancia B de

determinan mediante (2.19) y (2.20) respectivamente [7] [8]:

2

1 0 0

0

11 ( ) para h 1 10

120 24

WG k h

(2.23)

1 0 0

0

1 0.636 ln( ) para h <1 10 120

WB k h

(2.24)

Como las ranuras #1 y #2 son idénticas, su admitancia equivalente es:

2 1 2 1 2 1, ,Y Y G G B B

La conductancia de una sola ranura de igual manera puede ser determinada mediante el uso

de la expresión de campo derivada del modelo de cavidad. En general, la conductancia se

define como [7-8]:

1 2

0

2rad

PG

V (2.25)

14

Donde 0 0

V hE es el voltaje en la ranura y E0 es constante [7] [8]. La potencia radiada por

la ranura se determina como:

2

20 30

2

0

2 cos

2 cosrad

sen k WVP sen d

(2.26)

De tal manera que G1 (3.49) puede ser expresada como:

1

1 2120

IG

(2.27)

Donde la integral I1 se define como [7-8]:

2

0 3

1

0

2 cos

cos

sen k WI sen d

(2.28)

2.2.4 Antenas microstrip apiladas

Este tipo de agrupación hace que se pueda tener un ancho de banda mayor con respecto a una

antena microstrip sin agrupar, al utilizar la tecnología de circuitos impresos como los de la

figura 2.6 se puede masificar su producción, reduciendo costos.

La desventaja actual es la baja capacidad de potencia y baja eficiencia de radiación

Figura 2.6 Estructura de una agrupación de microstrip donde se observa el parche pasivo o

parasito, el parche de alimentación y el parche con la guía de onda.

Estas antenas presentan múltiples resonancias, una solución para antenas multifrecuencia es

excitar las antenas mediante una ranura en el plano de masa, esta hace que el sistema se

acople con la línea de alimentación terminada en circuito abierto haciendo esto se obtienen

15

tres bandas separadas y la relación entre estas es 𝑓2

𝑓1= 1.163 𝑦

𝑓3

𝑓2= 1.164 con anchos de

banda en cada frecuencia de 7.2%, 1.9% 1.1% para un S11=-10dB, también se puede ver que

posee un microstrip activo que es aquel que recibe la alimentación de forma directa y un

microstrip parasito que es el que esta acoplado electromagnética con el microstrip activo

[21].

2.2.4.1 Modelo circuital

En el modelo de la figura 2.7 se puede ver que hay tres resonancias por cada microstrip

apilado representado por un circuito RLC que se acopla de forma electromagnética por lo

tanto la distancia entre estos es importante para lograr un buen ancho de banda y unas

pérdidas de retorno por debajo de -10dBi.

Se tienen tres acoples el acoplamiento entre apertura y alimentación, acoplamiento entre

apertura y microstrip activo y el acoplamiento entre microstrip activo y pasivo, el

acoplamiento débil se ve como un lazo estrecho en la carta de Smith, modificando la

estructura se pueden obtener anchos de banda mayores, también se ve que al apilar los

microstrips hay un corrimiento de la frecuencia debido a los tres acoplamientos [22].

El acoplamiento de la apertura y el microstrip activo se debe al gap entre estos, implicando

la resonancia de la apertura al reducir el efecto del microstrip, entonces la apertura vuelve a

la frecuencia central para la que fue diseñada. El acoplamiento microstrips funciona de forma

parecida, ya que el microstrip activo ya no se ve tan influenciado por el suspendido lo que

hace que se desplace la frecuencia a la originalmente diseñada [22] .

Figura 2.7 Modelo circuital de una antena microstrip apilada donde se muestra la interacción

de los parches activo, pasivo, apertura y el stub de ajuste para la alimentación. Fuente [22].

16

Las características de este tipo de antenas son:

• La longitud de la apertura aumenta el acople con el microstrip activo.

• La separación (Gap) entre microstrip activo y suspendido al aumentar genera un

pequeño problema de adaptación entre las frecuencias, si la separación aumenta entre

apertura y microstrip hace que para una antena que resuena en dos frecuencias estas

se vean afectadas, ya que se ha visto en la práctica que las antenas al aumentar la

distancias en las frecuencias altas y bajas disminuye el acople.

2.2.5 Agrupación de antenas

Se define una agrupación como un conjunto de N antenas iguales que radian o reciben

simultáneamente. El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la interferencia de

los campos radiados por cada una de las antenas, mientras que en recepción la señal recibida

es una combinación lineal de las señales que capta cada antena,en muchos de estos las antenas

son elementos idénticos, el vector de radiación es definido por el comportamiento de la

antena individual, asumiendo que los patrones de corriente son los mismos para todas las

antenas generando así un patrón de directividad. Los factores que influyen en la agrupación

son [6]:

• La configuración geométrica de todos los elementos como agrupación (linear,

circular, rectangular y esférica).

• El espaciamiento entre los elementos.

• La excitación y la amplitud de cada elemento aislado.

• Los patrones relativos de cada elemento

2.2.5.1 Agrupación lineal.

Aquí se tiene una agrupacion para N elementos asumiendo estos con idénticas amplitudes

pero cada elemento tiene una fase progresiva , el factor de agrupación se obtiene

considerando cada elemento como una fuente puntual, el campo total puede ser obtenido

sumando el factor de la fuente isotrópica de cada elemento

( Cos ) ( Cos ) ( 1)( Cos )

1 ...i kd i kd i N kd

FA e e e

(2.29)

( 1)( Cos )

1

Ni n kd

n

FA e

(2.30)

Y de forma simplificada

( 1)

1

Ni n

n

FA e

donde Coskd (2.31)

17

En la figura 2.8 se tiene el patrón de radiación (a) una antena y en (b) arreglo de

antena

(a) (b)

Figura 2.8 patrón de radiación (a) una antena, (b) arreglo de antenas. Fuente [23].

Puesto que el factor total de matriz uniforme puede ser representado como una suma de

fasores N, que es una suma de exponenciales, con amplitud y fase progresiva ψ, Se puede

de ver que a partir del diagrama de amplitud y fase el factor de agrupación (FA) puede ser

controlado en matrices uniformes seleccionando adecuadamente la fase relativa ψ entre

elementos .El factor de agrupación también se puede expresar en términos de senos [6], [24].

Multiplicando el factor de agrupación por ie .

2 3 ( 1)

( ) ...i i i i i N iN

FA e e e e e e (2.32)

( 1) ( 1 )i iN

FA e e (2.33)

1 1

1 12 2[ ]

2 2

1 1

2 2

sin1 2

11sin

2

N Nj j

N NjN j j

jj j

N

e e eFA e e

ee e

(2.32)

2.2.6 Divisores de potencia

Los divisores de potencia son dispositivos que reproducen la potencia que recibe por el puerto

de entrada a un numero de N salidas de forma equitativa dependiendo el caso, son utilizados

para enviar a varios dispositivos la potencia recibida por un solo puerto, manteniendo la

impedancia adaptada para tener bajas perdidas de retorno, estas suelen caracterizarse por

matrices en parámetros S [25].

18

11 12 13

21 22 23

31 32 33

[ ]

S S S

S S S S

S S S

(2.35)

Si el divisor no está hecho con materiales anisótropos ( materiales en los cuales las

cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de

la luz varían dependiendo la dirección en que son examinados) se cumple la simetría de 𝑆𝑖𝑗 =

𝑆𝑗𝑖, si la matriz es de tres puertos, se tiene que 𝑆11 = 𝑆22 = 𝑆33 = 0, asi que la matriz

mostrada queda de la siguiente manera [25].

12 13

21 23

31 32

0

[ ] 0

0

S S

S S S

S S

(2.36)

Para que los dispositivos sean pasivos y sin pérdidas se cumple la siguiente relación

12 13 12 13

21 23 21 23

31 32 31 32

0 0 1 0 0

0 . 0 0 1 0

0 0 0 0 1

S S S S

S S S S

S S S S

(2.37)

Lo que da como resultado las siguientes 6 ecuaciones 2 2

12 131S S

(2.38) 2 2

12 231S S (2.39)

2 2

13 231S S (2.40)

*

13 120S S (2.41)

*

23 130S S (2.42)

*

12 130S S (2.43)

Estas ecuaciones pueden ser satisfechas de la siguiente manera

19

12 23 31 21 32 130, 1S S S S S S (2.44)

o

21 32 13 12 23 310, 1S S S S S S (2.45)

Lo que indica que ij ji

S S y i j

Debido a que no se pueden hacer que se cumplan las 6 condiciones anteriores, ya que no se

puede hacer una red pasiva y sin pérdidas así que se debe optar por la mejor combinación

posible para hacer la red [25].

Uno de los divisores más utilizados es el Wilkinson figura 2.9, que es un circuito con

pérdidas, pero en los puertos 2 y 3 hay una cargan con la misma impedancia así que no disipa

potencia, tiene todas sus puertos adaptados, existe aislamiento entre estos, el reparto de

potencias es equitativo si están cargadas con dos impedancias iguales, este circuito es válido

en un margen estrecho de frecuencias [25].

Figura 2.9 Diseño del divisor de potencia Wilkinson, aquí puede verse que las líneas de

trasmisión son de una longitud 𝜆

4. Fuente [15].

2.3 Estado del arte

En esta sección se presentan algunos resultados de antenas reportadas en la literatura, los

cuales hacen uso de la tecnología microstrip, esto teniendo en cuenta que se trata de la

tecnología seleccionada para la realización de la propuesta.

Los resultados presentados en [26] muestran el diseño de una agrupación de parches apilados

con doble polarización y operación en la banda X (10.7GHz y 12.5 GHz), la excitación está

dada por una línea de microstrip, una apertura en forma de H y frecuencia central de 10GHz

para este montaje mostrado en la figura 2.10 se tiene un ancho de banda de 20% y una

polarización de 180°, el parche activo es suspendido bajo el parche paracito, para la

separación se hace por medio de una espuma (Rohacell) ampliando así el ancho de banda, se

tiene una separación de λ 4⁄ entre la apertura y el parche activo, se mejoró la relación delante

20

atrás con la metalización del reflector, las pérdidas de retorno se pueden ver en la figura 2.10

referenciadas a -10dbi.

Figura 2.10 Antena de parches apilados con excitación por apertura, [26]

La técnica de doble polarización cruzada tenía la finalidad de cancelar cualquier

interferencia, por su configuración simétrica, la excitación horizontal es bilateral en fase

mientras que la vertical desfasada, la medida individual de acción de cada excitador da como

resultado un mejor acople para el puerto en forma de H con una mejor radiación.

Cuando la excitación se ubica a 45° buscando una mejora en el ancho de banda, aquí se tiene

dos antenas separadas por lo menos 10𝞴, se tiene como acople de impedancias como un

transformador 𝞴/4, se separa el parche activo de la alimentación una distancias 9mm, la capa

superior e inferior están separadas a 20mm, permitiendo un ancho de banda del 12.2%,la

diferencia entre la polarización horizontal y vertical es de 6 dBi en lo que respecta al ángulo

de apuntamiento es decir un haz apunta a 120° y el otro a 84°, en la figura 2.11 se tiene la

respuesta de los parámetros s , un ancho de banda de 250MHz para S11, aquí la distancia

entre las antenas afecta el ancho de banda, que no es muy eficiente ya que genera un

desacople y no funcióna como una agrupación .

Figura 2.11. Parámetros S11.Fuente [17].

21

Este tipo de antena genera multibandas un diseño que mejora este tipo característica es [27]

tenemos un arreglo 4 antenas con un gap con el plano de tierra, se tiene en resonancia 6

frecuencias y la alimentación es con cable coaxial y 2 slot en forma de U por antena como se

ve en la figura 2.12.

Figura 2.12. Arreglo de antenas, con sendos slots, [27] .

La distancia entre el plano a tierra y la apertura (slot) en forma de U es de 1.6mm, del director

a la agrupación hay una distancia de 5mm, la simulación de los parámetros S11 como se

puede ver en la figura 2.13 lo que busca la antena es tener frecuencias centrales en: 1.64

GHz(-33.98 dB), 1.74 GHz (-16.62 dB), 1.99 GHz (-17.38dB), 2.30 GHz (-16.78 dB), 2.62

GHz (-0.57dB), 2.92 GHz (-16.41dB), y para 2 slots en forma de U tenemos múltiples

resonancias en las siguientes frecuencias por debajo de los -10dB 60 MHz (1.61–

1.67 GHz), 40 MHz (1.72–1.76 GHz), 50 MHz (1.96–2.01GHz), 70 MHz (2.26–2.33 GHz),

60 MHz (2.59-2.65GHz) y 80 MHz (2.97-2.89 GHz) con una ganancia de 10 dBi a 1.64 GHz

Figura 2.13.Patrón de radiación de la antena slots,[27].

22

Figura 2.14 Simulación de parámetros S11con un slot con los 2 y sin slot,[28].

Se puede ver también que la excitación de forma electromagnética por medio de slot en forma

de U da un mejor acople si se utilizan dos slots generando mejores perdidas de retorno por

debajo de los -10dBi.

En [28] se presenta el diseño una agrupación de antenas, cuya frecuencia de operación es de

890MHz a 2500MHz como se muestra en las figura 2.17 y 2.18, presentando un novedoso

diseño como se puede apreciar en las figura 2.15 y 2.16, para una agrupación lineal de antenas

compuesta por 16 elementos con una ganancia máxima de 10 dBi. Esta agrupación posee un

semicírculo alimentado con sonda coaxial sostenido por un disco cilíndrico.

(a) (b)

.

Figura 2.15. Geometría del sector semicircular con la sonda coaxial, [29].

23

Figura 2.16 Geometría de la agrupación de 4 antenas, [28].

Los resultados se muestran en la figura 2.17 y 2.18

Figura 2.17. Medida de las pérdidas de retorno de una sola sonda coaxial. [29].

24

Figura 2.18. Medida de las pérdidas de retorno de las 4 sondas coaxiales, [29].

25

Capítulo 3

PROPUESTA METODOLÓGICA, ANÁLISIS Y DISEÑO

En este capítulo se presentan los cálculos de los parches iniciales y el análisis paramétrico

realizado en una antena básica con polarización simple, para posteriormente, adelantar el

análisis del efecto en el comportamiento de los mismos al incluir la tecnología SIW y el uso

de ranuras parásitas en una antena de placa suspendida con excitación por apertura, para

posteriormente diseñar las agrupaciones y optimizarlas hasta superar ampliamente los

objetivos propuestos.

3.1. Método de diseño - análisis paramétrico

3.1.1. Introducción

Partiendo del diseño teórico de un parche microstrip, se procedió a adelantar una serie de

análisis paramétricos conducentes a mejorar las limitadas prestaciones del diseño inicial, para

lo cual se estudiaron dos estrategias fundamentales a saber: inclusión de ranuras parásitas y

el uso de la tecnología SIW como medio para ampliar los anchos de banda tanto de

impedancia como de diagrama. Particularmente, en cuanto al mejoramiento del ancho de

banda de ganancia de la antena, se exploró la tecnología SIW (Substrate integrated

waveguide), mediante la cual se reduce el efecto de las ondas superficiales, mejorando de

esta manera la eficiencia de la antena y por ende la ganancia, esta estrategia conduce de igual

manera a una ampliación del ancho de banda de impedancia. En todos y cada uno de los

diseños se simuló el comportamiento de la antena en parámetros como: diagrama de

radiación, ganancia, pérdidas de retorno, distribución de corriente.

La geometría solución al problema planteado inicia con el diseño de una parche simple con

excitación directa, para posteriormente diseñar un parche sencillo con excitación por

apertura y parches parásitos apilados en el cual se optimizó tanto el parámetro S11 como la

ganancia y diagrama de radiación, para lo cual se adelantaron paramétricos variando la

distancia entre los parches, el tamaño del plano de masa; el tamaño, posición y cantidad de

ranuras, una vez se diseñó esta antena, se procedió al diseño de una antena con doble

polarización, para luego incluir la tecnología SIW y finalmente diseñar las agrupaciones.

El análisis paramétrico, aporta el conocimiento necesario para la optimización de una antena

existente, ya que es difícil encontrar el modelo que permita un diseño completo, así que los

análisis paramétricos permiten estudiar las implicaciones que tiene la variación de los

diversos parámetros geométricos de la antena en su respuesta, haciendo que este análisis sea

de gran alcance para estos casos, generando a partir de los paramétricos y la exploración del

26

comportamiento de la antena frente a cada parámetro, construir conocimiento, sobre los

cuales se hacen nuevos avances.

3.2. Diseño de un parche microstrip Para los diseños de los parches individuales se hará uso del sustrato TLY-5A-0200-C1 con un

espesor de 0.508mm y una constante dieléctrica Ɛ𝑟=2.17 y para una frecuencia de resonancia

𝑓𝑟=5GHz.

3.2.1 Cálculo del parche con excitación por apertura

Reemplazando en la ecuación 2.18 tenemos.

9

9

0.3*10 2*

2*5*10 2.17 1W

Resolviendo:

20.03*

3.17W

Se obtiene:

23.82W mm

Para la longitud del parche remplazamos para la ecuación 2.19 y 2.20, remplazando:

Reemplazando:

23.82(2.17 0.3) * 0.264

60 0.5082 * 0.508 *

2 23.82(2.17 0.258) * 0.8

0.508

efectiva

mm

mm mmL mm

mm

mm

Resolviendo:

2.2* 47.16430 2*0.508 *

(2.428)* 46.98efectiva

L mm mm

27

15.10830 1.016 30 0.907

16.641efectiva

L mm mm mm mm

Obteniendo:

29.093efectiva

L mm

Para la apertura en tierra se tiene un ancho de w=1mm y el largo de esta fue 𝜆

3= 20𝑚𝑚 ya que en

la literatura se encontró que para esta frecuencia el ancho w era aproximadamente de 1mm en este

caso se decidió dejarlo de este valor.

A continuación, se mostrarán las simulaciones del parche anteriormente calculado.

En la figura 3.1 se tiene el parche obtenido con los cálculos

a)

b)

Figura 3.1 a)Parche calculado, b)Vista lateral.

Las figuras 3.2 y 3.3 tienes los resultados de parámetros S11 y ganancia respectivamente.

28

Figura 3.2 Resultados de simulación de la pérdidas de retorno para la geometría resultante

del modelo.

Figura 3.3. Repuesta de la ganancia vs Frecuencia.

Para este parche tenemos una ganancia 8.13 dBi a 6.25GHz y un ancho de banda de 0.06GHz

5.56 5.63 5.75 5.88 6.00 6.13 6.25 6.38 6.50Freq [GHz]

-11.37

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

-0.05

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m2m1

Name X Y

m1 6.2300 -9.8151

m2 6.2900 -10.0533

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.0600 -0.2382 -3.9701 -0.2519

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

5.50 5.75 6.00 6.25 6.50Freq [GHz]

7.38

7.50

7.63

7.75

7.88

8.00

8.13

8.25

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 8

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='180deg'

29

3.2.2 Diseño de un parche con excitación directa y adaptación de impedancia por “inset”.

0

0

0.360

5

C mmm

f GHz

Reemplazando en 2.22

1 0

0

11 ( * )

120 24

WG K h

3

3 2

3

23.82*10 11 (1*0.508*10 )

120*60*10 24G

De la ecuación 2.24

2

0

3 9

12 0 02

0

Sin Cos1 2

( Sin ) *Sin 2.085*10120 * Cos

k W

G j k L d

Para la ecuación

9

1 12

1 1333.333

2( ) 2(0.003 2.085*10 )IN

R OhmG G

Y como se mostró 2.22

2

0 0( ) ( 0) Cos

IN INR y y R y y

L

0314.079 *10

a y

reemplazando 2

050 333.333Cos y

L

Despejando

2

03

50Cos

333.333 14.079*10y

30

1Cos ( 0.69)

46.42

a

0346.4

14.079 *10y

Donde

00.207y cm

Para la apertura en tierra se tiene un ancho de 160

mm

y el largo de esta fue 𝜆

3= 20𝑚𝑚

203

mm

Calculo de slots

(a)

b)

Figura 3.4 a)Antena de ranura excitada por parhce resonante con inset y plano de masa b)

vista lateral de la antena.

31

Las figuras 3.5 y 3.6 tienes los resultados de parámetros S11 y ganancia respectivamente

Figura 3.5 Simulación parámetro S11 de parche calculados

Figura 3.6 Respuesta en ganancia vs frecuencia parche calculado.

.

Para este parche se tiene un ancho de banda de 0.05GHz, la ganancia para esta frecuencia es de 8.07

dBi.

Observando los resultados anteriormente obtenidos se debe iniciar un proceso optimización mediante

análisis paramétricos sobre la geometría de la antena los cuales se mostrarán a continuación.

5.56 5.63 5.75 5.88 6.00 6.13 6.25 6.38 6.50Freq [GHz]

-14.60

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

-0.45

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m1 m2

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.0510 0.0260 0.5097 1.9620

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 6.0570 -10.1502

m2 6.1080 -10.1242

5.50 5.75 6.00 6.25 6.50Freq [GHz]

7.25

7.38

7.50

7.63

7.75

7.88

8.00

8.13

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 8Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='180deg'

32

3.3 Diseño de un parche microstrip con excitación por apertura y parches

suspendidos

En esta sección se presenta el diseño de una antena microstrip con excitación por apertura y

parches suspendidos, como estrategia inicial para mejorar el comportamiento del parche básico

resultado del modelo.

3.3.1 Diseño de una antena con línea de trasmisión terminada en circuito abierto con

excitación por apertura

En este apartado del libro se hará un análisis de los parámetros de una alimentación sencilla excitada

por apertura, esta última genera acoplamiento con la línea de trasmisión terminada en circuito abierto.

En este apartado se presenta el diseño de un parche simple con excitación por apertura mediante una

línea de transmisión terminada en un “stub” en circuito abierto.

La figura 3.7 muestra la configuración inicial de la antena a estudiar donde 𝑳𝒂 = 𝟏𝟓𝒎𝒎 que es

igual a 𝜆

4 y 𝑳𝒆 = 𝟐𝟑𝒎𝒎.

Figura 3.7 Antena con un excitador sencillo y una apertura(slot).

Con el ánimo de determinar el tamaño de la línea de trasmisión (𝐿𝑒) más apropiado, a continuación

se muestran los resultados del análisis paramétrico llevado a cabo, para lo cual se fija un valor de

𝑳𝒂 = 𝟏𝟓𝒎𝒎 y se analiza en efecto en las pérdidas de retorno para variaciones de 𝐿𝑒 0 a 25 mm

con pasos de 1mm, con un tamaño de ranura de: largo de 15mm, ancho de 1mm y del sustrato

cuadrado con un largo igual a es decir 60mm. La Figura 3.8 muestra los resultados de estas

simulaciones. En este caso no se incluye un parche suspendido.

33

Figura 3.2 Perdidas de retorno para parche simple excitado por ranura.

De la Figura 3.8 se nota que el tamaño que ofrece el mejor acople del puerto a 50Ω es de

𝐿𝑒 = 21𝑚𝑚 y sus resultados se muestran en la tabla 1.

Tabla1. Mejor valor obtenido para la longitud del excitador

𝑳𝒆 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘%

21mm 5.8374 6 0.1626 2.74

3.3.3 Antena de parche suspendido con excitación por apertura y línea simple

La Figura 3.9 muestra la geometría de un parche suspendido con excitación por apertura y línea

simple, el cual posee una geometría cuadrada de lado 𝑳𝒑, cuyo valor se selecciona inicialmente de

𝑳𝒑 = 𝟎. 𝟐λ = 𝟏𝟐𝒎𝒎, para una frecuencia central de 𝑓𝑟=5GHz, lo cual hace que λ =60mm. Así

mismo, la altura de este parche respecto al plano de masa es de 12.4mm.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-18.00

-15.50

-13.00

-10.50

-8.00

-5.50

-3.00

-0.50d

B(S

(1,1

))

HFSSDesign2XY Plot 9

m1m2

Name X Y

m1 5.8374 -10.7784

m2 6.0000 -11.0738

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.1626 -0.2954 -1.8169 -0.5504

34

Figura 3.9 Antena de parche suspendido con excitación por apertura y línea simple

La Figura 3.10 muestra los resultados de las simulaciones de las pérdidas de retorno para esta antena

y la Figura 3.11 muestra los resultados de las simulaciones de la ganancia para la misma antena.

Figura 3.10. Resultado de las simulaciones para las pérdidas de retorno (S11) en antena de parche

suspendido.

Como se puede observar se tiene un mejor acople en la antena para ciertas frecuencias generando una

doble resonancia por el acople entre el parche y la línea de alimentación que corta el flujo de corriente

longitudinal que hay entre los dos como se indica en la referencia [26].

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m4m6 m7

m5

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m5,m6) 0.5000 0.1591 0.3183 3.1417

Name X Y

m4 4.7000 -9.9488

m5 5.2000 -10.7405

m6 5.7000 -10.5813

m7 6.3000 -10.1266

35

Figura 3.11. Resultado de las simulaciones para la ganancia en antena de parche suspendido.

Debido a la respuesta en ganancia la antena solo es funcional entre la frecuencia 5.4 y 5.53 ya que

en estos valores es mayor a 0 y toma un valor de 9.56dBi.

3.3.3 Antena con un excitador sencillo una apertura y 2 parches suspendidos.

En la figura 3.12 se muestra el parche suspendido a analizar en color purpura con longitud 𝐿𝑝1

Figura 3.12. Antena con un excitador sencillo y dos parches apilados.

En la figura 3.13, 3.14 y 3.15 se tienen los resultados de las simulaciones de la implicación de los

parches en una antena con excitador sencillo y una ranura, resumidos en la tabla2.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

-0.00

5.00

10.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 7

m2m1

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='90deg' Theta='0deg'

Name X Y

m1 5.4627 -0.0599

m2 5.5368 -0.0599

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.0741 -0.0000 -0.0000 -2981157351297.4644

36

Figura 3.13. Parámetro S11 simulado para dos parches suspendidos.

Al poner un parche sobre el que ya se tenía con dimensiones menor al anterior debido a lo encontrado

en la literatura [26], se genera un nuevo acople que es el que existe entre estos.

Figura 3.14. Ganancia simulada para dos parches suspendidos.

La ganancia se ve reducida debido a los valores tomados para el parche.

4.01 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

-1.07

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m6m7

m8

m5

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m5 5.0000 -11.6328

m6 5.5000 -10.9780

m7 6.1000 -10.2931

m8 7.0000 -13.5961

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m5,m6) 0.5000 0.6549 1.3097 0.7635

d(m7,m8) 0.9000 -3.3030 -3.6700 -0.2725

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 7

m1m2

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='90deg' Theta='0deg'

Name X Y

m1 5.4825 4.8372

m2 5.5174 4.9070

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.0349 0.0698 1.9978 0.5006

37

La figura 3.15 muestra el efecto de introducir parches

Figura 3.15. Gráfica comparativa de efecto de los parches en los parámetros Sij.

En la tabla 3.15 se tienen los valores del efecto de introducir parches suspendidos.

Tabla 2.Valores obtenidos en ancho de banda (BW) para los parámetros simulados

𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝐺𝐻𝑧)

Sin parche 0 0 0 0

1 parche suspendido 4.7 a 5.2 5.7 a 6.3 0.5 0.6

2 parches suspendidos 5 a 5.5 6.1 a 700 0.5 0.9

Como se puede apreciar en la tabla anterior los parches suspendidos mejoran el ancho de banda,

pero para el diseño de estos se deben tener varios criterios en consideración que serán tratados en

una sección posterior.

38

3.3.4 Análisis del comportamiento de la antena frente a la longitud y ancho de los

stubs

En la figura 3.16 se muestran los parámetros de la antena cuyos valores se indican en la tabla3, en

este caso se modificaran los valores de ancho y largo del stub para esto se dieron valores para 𝐿𝑠 de

1mm a 6.5mm y para 𝑊𝑠 se tomaron valores de 0.6mm a 1.18mm.

Figura 3.16. Parámetros de la antena a analizar 𝐿𝑠 y 𝑊𝑠

Tabla 3.Valores constantes para analizar paramétrico del stub.

Parámetro Longitud

𝐿𝑎 15mm

𝐿𝑝 12mm

𝐿1 10.11mm

𝐿2 7mm

Los resultados se muestran en la figura 3.17, 3.18. y tabla 4.

39

Figura 3.17. Resultados de las pérdidas de retorno Sij para la variación del parámetro 𝑊𝑠

Figura 3.18. Resultados de las pérdidas de retorno Sij para la variación del parámetro Ls

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 8

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$w stub='1.13mm'

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 8

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$x='1mm' $y='6.5mm'

40

En la tabla 4 se tiene el resumen de los resultados para los paramétricos de Ws y Ls

Tabla 4.Valores constantes para analizar paramétrico del stub.

𝑾𝒔 y 𝑳𝒔 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛)

𝑊𝑠=1.13 4.95 a 5.1 6.1 a 7 0.1 0.8

𝐿𝑠 =5.2mm 0 0 0 0

𝐿𝑠 =5.4mm 5.12 a 5.24 6.45 a 6.49 0.12 0.54

𝐿𝑠 =6mm 5.02 a 5.42 6.28 a 7 0.4 0.72

𝐿𝑠 =6.5mm 4.75 a 5.5 6 a 6.9 0.75 0.9

El ancho del stub no influye de manera drástica al menos que tenga valores menores a 0.6mm y

superiores a 1.4mm. El largo del stub tiene una influencia mayor en el ancho de banda y se obtuvo

el mejor resultado a 6.5mm

Para el paramétrico del stub se tiene que la mejor respuesta es 𝐿𝑠 =6.5mm 𝑊𝑠=1.13 donde se obtiene

doble resonancia a dos frecuencias diferentes.

3.3.5 Análisis del comportamiento con excitadores dobles

Con los valores obtenidos anteriormente se simuló la antena con dos excitadores como se indica en

la figura 3.19.

Figura 3.19. Parámetros a analizar, excitadores.

41

Los valores que se tomaran constantes se muestran en la tabla5.

Tabla 5. Valores para analizar los dos excitadores

Parámetro Longitud

𝐿𝑎 15mm

𝐿𝑝 12mm

𝐿1 10.11mm

𝐿2 7.7mm

𝑊𝑠 1.13mm

𝐿𝑠 6.5mm

En la figura 3.20 se tiene el resultado de la respuesta de los parámetros S para dos excitadores.

Figura 3.20. Resultados de las pérdidas de retorno S11 para la variación del parámetro Ls

En la tabla 6 se tienen los resultados para uno y dos excitadores donde se puede apreciar que el ancho

de banda aumenta en 200MHz debido al acople que se genera con la ranura.

Tabla 6.Resultados de un excitador y dos excitadores

Resultados 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛)

Un excitador 4.75 a 5.5 6 a 6.9 0.75 0.9

Dos excitadores 4.6 a 5.5 6.2 a 7 0.9 0.7

4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-33.33

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m1 m2 m3

m4

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.6500 -10.2923

m2 5.5500 -10.2179

m3 6.2600 -10.1602

m4 7.0000 -11.6830

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.9000 0.0744 0.0826 12.1010

d(m3,m4) 0.7400 -1.5228 -2.0578 -0.4859

42

3.4 Diseño de parches suspendidos

3.4.1 Análisis del comportamiento de la antena al agregar un parche suspendido

3.4.1.1 Análisis del tamaño del parche

En la siguiente figura se tiene el parche suspendido cuadrado, para esto se tomaron medidas desde

12mm a 21 milímetros con pasos de 2mm.

Figura 3.21. Parámetro a analizar del parche suspendido.

En la figura 3.22, 3.23 y tabla7 se tienen los resultados de la parametrización

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00

Freq [GHz]

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

dB(S

(1,1

))

HFSSDesign2XY Plot 11Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

43

a)

b)

c)

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-16.00

-14.00

-12.00

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

dB(S

(1,1

))HFSSDesign2XY Plot 11

m1m2

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 5.2000 -10.3494

m2 6.0000 -10.8089

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.8000 -0.4594 -0.5743 -1.7413

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m1

m2

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.9000 -11.4234

m2 5.8000 -10.2654

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.9000 1.1580 1.2867 0.7772

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m1

m2

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.7000 -10.0148

m2 5.1000 -10.6706

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.4000 -0.6558 -1.6396 -0.6099

44

d)

e)

Figura 3.22. a) 𝐿𝑝 = 13𝑚𝑚 b) 𝐿𝑝 = 15𝑚𝑚 c) 𝐿𝑝 = 17𝑚𝑚 d) 𝐿𝑝 = 19𝑚𝑚 𝑒) 𝐿𝑝 = 20𝑚𝑚

Figura 3.23. Resultados totales parametrización de Lp.

En la tabla 7 se tienen los resultados de la parametrización.

Tabla7.Resultado del cambio de la posición del grosor.

𝑳𝒑 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

13mm 0 0 0 0

15mm 5.2 6 0.8 14

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-12.00

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m1

m2

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 6.5000 -10.4142

m2 6.9000 -10.8254

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.4000 -0.4112 -1.0280 -0.9728

45

17mm 4.9 5.8 0.9 16

19mm 4.9 5.1 0.4 4

21mm 6.5 6.9 0.4 5

Como se observa el mejor tamaño para este caso es de 17mm para el parche cuadrado que da el

mejor ancho de banda de 900MHz, mejorando en comparación al tamaño inicial de 13 mm en el

cual no se tenía ninguna resonancia.

3.5.1.2 Análisis altura del parche

Otro de los aspectos importantes a analizar en el parche inicial es la posición que este tiene, para

este caso se hará un análisis paramétrico para saber cuál posición genera el mejor ancho de banda.

En la figura 3.24 se tiene el parámetro P2 a analizar y constante P3 = 8mm, para este caso se

empezó con una altura de 10.4mm hasta 17mm con pasos de 0.5mm.

Figura 3.24. Vista lateral de la antena, parámetro a analizar 𝑷𝟐.

En la figura 3. 25 y tabla 8 se tienen el resultado de todos los paramétricos

46

Figura 3.25. Parámetros Sij para la altura del parche P2.

Tabla 8.Mejor valor obtenido para el parámetro P2.

𝑷𝟐 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘%

10.4mm 4.42 4.73 0.3 6.7

11.9mm 4.65 5.61 1.058 18

12.4mm 4.6 5.68 2.4 21

13mm 4.65 7 2.4 40

13.4mm 4.68 7 2.3 39

Se puede ver como el ancho de banda mejora al posicionar el parche a una distancia 13mm en este

caso la frecuencia alta se mueve al aumentar la distancia del parche debido al acople que genera con

la ranura.

Después de esto se decidió hacer la prueba con un segundo parche y ver las implicaciones que esto

tendría

3.4.2 Análisis del comportamiento de la antena al agregar un segundo parche

3.4.2.1Análisis del tamaño

En la figura 3.26 se tienen el parámetro a analizar, para esto se tomaron tamaños para el parche

cuadrado de 9mm a 17mm con pasos de 2mm.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 5

m2m3m1

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 2.4280 -1.1308 -0.4657 -2.1471

Name X Y

m1 4.6320 -10.0136

m2 7.0600 -11.1444

m3 6.0100 -10.7297

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='10.4mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='10.9mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='11.4mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='11.9mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='12.4mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='12.9mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$paracito='13mm'

47

Figura 3.26. Parámetro a analizar 𝐿𝑝1.

En la figura 3. 27 y 3.28 se tienen los resultados del parámetro anterior.

a)

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m2

m1

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eepName X Y

m1 4.9000 -12.3406

m2 5.8000 -10.2775Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.9000 2.0631 2.2923 0.4362

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-22.50

-17.50

-12.50

-7.50

-2.50

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m2

m1

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.9000 -11.6854

m2 7.0000 -15.0329

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 2.1000 -3.3475 -1.5940 -0.6273

48

b)

c)

d)

Figura 3.27. a) Longitud 𝐿𝑝1 = 9𝑚𝑚 b) Longitud 𝐿𝑝1 = 13𝑚𝑚 c) Longitud 𝐿𝑝1 = 15𝑚𝑚. d)

Longitud 𝐿𝑝1 = 17𝑚𝑚.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m2m1

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.9000 -11.0862

m2 6.5000 -10.7573

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 1.6000 0.3289 0.2056 4.8641

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 11

m2m1

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 5.0000 -10.1232

m2 6.3000 -9.5767

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 1.3000 0.5465 0.4204 2.3789

49

Figura 3.28. Resultados de la parametrización de Lp1.

En la tabla 9 se tiene el resumen del análisis paramétrico para Lp1

Tabla 9. Mejor valor obtenido para el parámetro Lp1.

𝑳𝒑𝟏 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒖𝒕𝒊𝒍𝟐(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘𝒖𝒕𝒊𝒍𝟏(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘%

9mm 4.9 5.8 0.9 16

13mm 4.9 7 2.1 35

15mm 4.9 6.5 1.6 28

17mm 5 6.3 1.3 23

Para este caso se tiene que el ancho de banda (BW) con 9 mm es de 900MHz y para 13mm 2.1GHz,

es de notar que el aumento del tamaño en el parche 1 mueve la frecuencia superior permaneciendo la

frecuencia inferior casi inmóvil. Ahora se analizará la altura del parche 1.

3.5.2.2Análisis de la Altura

50

En la figura 3.29 se tiene el parámetro a analizar P1 tomando valores de 15.3 a 19.5 con pasos de

0.5mm

Figura 3.29. Vista lateral de la antena, parámetro a analizar 𝑃1.

Tabla 10.Valores del análisis paramétrico.

Parámetro Longitud

𝑃2 13mm

𝑃3 8mm

En la figura 3.30 y tabla 11 se muestran el resultado del análisis paramétrico.

Figura 3.30. Solución del análisis del parámetro P1.

Tabla 11.Respuestas del análisis paramétrico.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 4

m1 m3

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$director='17.3mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$director='17.8mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$director='18.8mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$director='19.3mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$director='19.5mm'

Name X Y

m1 4.5210 -9.9970

m3 7.3630 -9.9980

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m3) 2.8420 -0.0009 -0.0003 -3021.6690

51

𝑷𝟏(𝒎𝒎) 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

17.3 4.52 7.03 2.51 43

17.8 4.57 6.62 2 36

18.8 4.54 6.52 1.95 35.8

19.3 4.60 6.51 1.90 34

19.8 4.60 6.44 1.83 33

Se puede ver que la mejor altura para el segundo parche con posición P1 es 17.3 en la cual se tiene

un ancho de banda del 43%.

3.5 Diseño de ranuras

En la figura 3.31 se tienen los parámetros de la antena, en rojo se tienen las medidas constates y en

amarillo parámetros a analizar.

Figura 3.31. Parámetros de la antena a analizar 𝐿𝑟, 𝑃𝑟, 𝑊𝑟.

Tabla 12.Valores constantes para analizar paramétricos.

Parámetro Longitud

𝐿𝑝 17.3mm

𝐿𝑝1 13mm

𝐿1 10.11mm

𝐿2 7.7mm

𝑊𝑠 1.13mm

𝐿𝑠 6.5mm

52

3.5.1 Paramétricos de la longitud de la ranura principal 𝑳𝒂. Par este caso se tomaron medidas desde 11mm a 20mm para la longitud de la ranura con pasos de

0.5mm

n la figura 3.32 se tienen los resultados del estudio de la parametrización para la longitud de la

ranura 𝑳𝒂.

Figura 3.32. Simulación del análisis paramétrico de la longitud La de la apertura.

En la tabla 13 se tiene un resumen de algunos de los valores obtenidos para la longitud de 𝑳𝒂

Tabla 13.Valores del análisis paramétrico.

𝑳𝒂(𝒎𝒎) 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

16 0 0 0 0

17 0 0 0 0

18 5.3 5.5 0.2 3

19 5 5.7 0.7 13

19.5 4.9 5.8 0.9 16

En este caso se observa que la mejor respuesta se tiene en 19.5mm con un ancho de banda del 16%

se puede apreciar que la frecuencia baja es la que se ve afectada al manipular este parámetro.

3.5.2 Parámetros de las ranuras adicionales.

Esta sección es muy importante en el desarrollo de este trabajo ya que se usan 4 ranuras adicionales

para mejorar el ancho de banda las cuales solo se han usado en este trabajo.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 8

m2m1

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$slot='19.5mm'

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 0.9000 1.1580 1.2867 0.7772

Name X Y

m1 4.9000 -11.4234

m2 5.8000 -10.2654

53

3.5.2.1 Longitud de las ranuras 𝑳𝒓

En la figura 3.33 se tiene el parámetro a analizar, para esto se empezó con una longitud en 5mm hasta

12 mm con pasos de 1mm.

Figura 3.33. Parámetro a analizar 𝐿𝑟.

En la figura 3.34 se tienen las simulaciones de los parámetros de la antena, y en la figura 3.25 la

comparación de estos.

a)

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m4

m3

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 1.7000 1.6295 0.9585 1.0433

Name X Y

m3 4.9000 -11.2871

m4 6.6000 -9.6576

54

b)

c)

d)

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-22.50

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m3 m4

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m3 4.8000 -10.5592

m4 6.6000 -10.4077

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 1.8000 0.1515 0.0842 11.8820

4.14 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 6.81Freq [GHz]

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m4

m3

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m3 4.7000 -10.9741

m4 6.6000 -9.6980

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 1.9000 1.2760 0.6716 1.4890

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

-0.22

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m3 m4

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m3 4.6700 -10.1127

m4 6.5900 -10.0051

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 1.9200 0.1076 0.0561 17.8387

55

e)

f)

Figura 3.34. Simulación parámetro La de las antenas donde: a) longitud 𝐿𝑟 = 0𝑚𝑚, b) longitud

𝐿𝑟 = 5𝑚𝑚c) longitud 𝐿𝑟 = 7𝑚𝑚, d) longitud 𝐿𝑟 = 9𝑚𝑚.e) longitud 𝐿𝑟 = 10𝑚𝑚 f) longitud 𝐿𝑟 =

12𝑚𝑚

4.02 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 6.85Freq [GHz]

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

-1.42

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 2

m1 m2

Name X Y

m1 4.5820 -9.9205

m2 6.6100 -9.8823

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 2.0280 0.0382 0.0188 53.1061

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

4.28 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 6.80Freq [GHz]

-24.30

-22.50

-20.00

-17.50

-15.00

-12.50

-10.00

-7.50

-5.00

-3.31

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 1

m3m4

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m3 4.6000 -10.4026

m4 6.6000 -9.9943

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 2.0000 0.4083 0.2042 4.8978

56

En la gráfica 3.35 y tabla 14 se tiene las pérdidas de retorno dependiendo del tamaño de 𝐿𝑟.

Figura 3.35. Comparación del parámetro Lr de la antena.

En la tabla 14 se tienen los resultados de la parametrización de Lr

Tabla 14. valores del de los parámetros sij

𝐿𝑟 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

0 4.5 6.54 2.01 29

5 4.8 6.6 1.8 31

7 4.7 6.6 1.9 33

9 4.67 6.59 1.92 34

10 4.58 6.61 2.02 36

12 4.6 6.6 2 35.7

El valor de 0 indica la sola ranura principal y de allí en adelante se tiene el valor de la longitud Lr de

las 4 ranuras adicionales, donde se puede apreciar que en comparación al resultado para una sola

ranura y el obtenido con las 4 extra el ancho de banda aumenta el 7%.

También se puede observar que el tamaño de 𝐿𝑟 al cambiar mueve la frecuencia baja aumentando o

disminuyendo el ancho de banda.

57

3.5.2.2 Grosor 𝑾𝒓

Con los parámetros mencionados en la tabla 12, 𝑃𝑟 = 1.5𝑚𝑚 𝑦 𝐿𝑟 = 10𝑚𝑚 se desarrolló el

siguiente análisis.

En la figura 3.36 se tiene el parámetro a analizar, para esto se tomaron valores de 0.4 a 0.7 con

pasos de 0.05mm.

Figura 3.36. Parámetros a analizar 𝑊𝑟 .

58

En la figura 3.37 y tabla15 se tiene el resultado paramétrico para cada grosor Wr.

Figura 3.37. Paramétrico de los cambios que se tiene en el ancho de banda de impedancia al

variar el grosor de cada ranura Wr.

Tabla 14.Resultado del cambio de la posición del grosor.

𝑾𝒓 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

0.4 4.59 6.54 1.95 35

0.45 4.55 6.62 1.97 36

0.55 4.46 6.52 2.06 37

0.7 4.53 6.53 2 36

En la tabla anterior se tiene que el valor de 0.55mm es el más óptimo ya que da como resultado un

ancho de banda de impedancia de 1.7 GHz.

4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 6.68Freq [GHz]

-21.54

-20.00

-18.00

-16.00

-14.00

-12.00

-10.00

-8.00

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 10

m1 m2

m3

m4Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.4mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.45mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.5mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.55mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.6mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.65mm'

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep$grosor='0.7mm'

Name X Y

m1 4.9000 -10.5282

m2 6.6000 -10.3651

m3 4.9000 -11.2382

m4 6.6000 -10.1151

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 1.7000 0.1631 0.0959 10.4229

d(m3,m4) 1.7000 1.1231 0.6606 1.5137

59

3.5.2.3 Posición ranuras extras

Con los parámetros mencionados en la tabla 12 y 𝐿𝑟 = 10𝑚𝑚, 𝑊𝑟 = 0.55𝑚𝑚 se desarrolló el

siguiente análisis.

En la figura 3.38 se muestran los parámetros Pr que es la posición de las ranuras con respecto a la

central, para esto se toman valores de 0.8mm de distancia a la ranura principal hasta 2mm con pasos

de 0.005mm.

Figura 3.38. Parámetro a analizar en las ranuras Pr.

Figura 3.35 se tienen los resultados de la variación del parámetro Pr

Figura 3.39. Paramétrico de los cambios que se tiene en el ancho de banda de impedancia al

varias de posición.

4.03 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00Freq [GHz]

-37.50

-32.50

-27.50

-22.50

-17.50

-12.50

-7.50

-2.50

dB

(S(1

,1))

HFSSDesign2XY Plot 9

m1

m2

Name X Y

m1 4.4000 -11.4061

m2 6.7000 -9.9584

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 2.3000 1.4477 0.6294 1.5888

60

Tabla 16.Resultado del cambio de la posición de las ranuras.

𝑷𝒓 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

0.8mm 4.9 6.6 1.7 29

1mm 4.5 6.48 1.98 36

1.135mm 4.37 6.65 2.28 41

2mm 4.4 6.49 2 38

En esta última se muestra que la mejor posición se obtiene al ubicar las nuevas ranuras 1.135 mm

de la ranura principal

3.6 Diseño de una antena microstrip de doble polarización

Los siguientes diseños se realizarán en láminas de 60mm x 60mm

En la figura 3.40 se tiene una antena de doble polarización con los parámetros que mejores resultados

generaron en los apartados anteriores mostrados en la figura 3.31, posicionando el puerto 2 a 90

grados del puerto 1.

En la tabla 17 se tienen los valores constantes en la antena de doble polarización

Tabla 17. Parámetros finales de la antena de un puerto

Parámetro Longitud

𝐿𝑝 17.3mm

𝐿𝑝1 13mm

𝐿1 10.11mm

𝐿2 7.7mm

𝑊𝑠 1.13mm

𝐿𝑠 6.5mm

𝐿𝑟 10mm

𝑊𝑟 0.55mm

𝑃𝑟 1.135mm

𝐿𝑎 19.5mm

61

Figura 3.40.Vista de la parte superior de la antena de doble polarización

En la figura 3. 41 se tiene la simulación del diagrama vector magnitud de corriente, sobre el cual se

espera hacer modificaciones que mejoren los parámetros de la antena

Figura 3.41. Diagrama vector de magnitud de densidad de corriente en el reflector.

En el diagrama que muestra la magnitud de la densidad de corriente, se tiene una distribución no

uniforme sobre el reflector generándose la mayor concentración de corriente en uno de los extremos

de la antena.

62

En la figura 3.42 se tiene la ganancia de antena y en la figura 3.43 se tienen la respuesta a la

simulación de los parámetros S

Figura 3.42. Ganancia de la antena de doble polarización.

La ganancia no tiene una distribución uniforme a lo largo del BW, el nivel más bajo que tiene es

5dBi en 7.5GHz y el nivel más alto 9.7 dBi en 4.7GHz.

Figura 3.43. Resultados parámetros Sij de la antena de doble polarización.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 3Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='0deg'

63

En la tabla 18 e muestran los valores de acople entre puertos Sij.

Tabla 18. Respuesta de los puertos de la antena de doble polarización.

𝑷𝒂𝒓𝒂𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔 𝑺 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟐𝟐 4.44 6.55 2.10 38

𝑺𝟏𝟏 4.29 6.65 2.35 42

En la figura 3.43 muestra las pérdidas de retorno (S11 y S22) y el acople entre puertos(S12), el ancho

de banda que se obtiene tomando como referencia que el acople entre puertos este por debajo de 15

dBi, que es de 38% para el puerto 1 y 42% para el puerto 2.

3.6.1 Diseño de antena de parches suspendidos con doble polarización y excitación por

cinco ranuras, con limitación de las ondas de superficie mediante tecnología SIW

(Substrate Integrated Waveguide).

En la figura 3.44 se tiene la vista superior de la antena con tecnología SIW mediante la cual se reduce

el efecto de las ondas de superficie, aumentando la ganancia al aumentar la eficiencia. Los pines de

cobre son ubicados en los extremos del sustrato cuadrado en el que se halla la antena.

Figura 3.44. Vista de la parte superior de la antena con tecnología SIW

64

En la figura 3.45 se tiene el diagrama de magnitud de la densidad de corriente

Figura 3.45. Diagrama vector de magnitud de densidad de corriente en el reflector, donde se puede

ver el direccionamiento de la corriente a los pines.

La simulación con los pines de metal que hacen corto entre el reflector y tierra del vector de magnitud

de densidad de corriente muestra la redistribución de esta, concentrando la mayor densidad en el área

que rodea los pines en lo que respecta al reflector

En la figura 3.46 se tiene la respuesta en ganancia de la antena de doble polarización con tecnología

SIW.

Figura 3.46.Ganancia de la antena doble polarización con tecnología SIW.

4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

10.48

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign1XY Plot 4

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='0deg'

65

La ganancia es más estable para la antena de doble polarización se tienen máximos de 10.42 dBi y

un mínimo de 6.9dBi.

En la figura 3.47 se tiene la respuesta de los parámetros S y en la tabla 19 se tiene el resumen de

estos.

Figura 3.47. Resultado análisis paramétrico Sij para antena con doble polarización tecnología SIW

Tabla19. Respuesta de los puertos de la antena de doble polarización.

𝑷𝒂𝒓𝒂𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔 𝑺 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟐𝟐 3.97 6.56 2.52 48

𝑺𝟏𝟏 3.97 6.67 2.68 50

El efecto producido por la aplicación de la tecnología SIW genera una ganancia más uniforme y un

ancho de banda más amplio debido a la eliminación de ondas superficiales.

66

3.7 Diseño de agrupación de parches apilados excitados por cinco ranuras

Para este estudio se toma como base la figura 3.48 en la cual se muestra 𝒅𝒂 que es la distancia entre

las antenas, esta distancia fue tomada desde el centro del excitador al centro del excitador de la

siguiente antena.

Figura 3.48. Parámetro da a analizar en la agrupación 𝒅𝒂.

3.7.1 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de 𝐝𝐚 =𝝀

𝟐 entre

centros de los puertos de entrada.

En las figuras 3.49,3.50 y la tabla19 se tienen los resultados de la agrupación de antenas.

Figura 3.49. Resultados parámetros S𝑖𝑗 de adaptación de puertos.

4.02 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

-0.30

Y1

HFSSDesign2XY Plot 1

m4m3m5 m6

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,2))Setup1 : Sw eep

dB(S(3,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(4,4))Setup1 : Sw eep

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 2.3520 0.0095 0.0040 248.1892

d(m5,m6) 2.3830 0.0299 0.0125 79.7404

Name X Y

m3 4.5730 -10.0688

m4 6.9250 -10.0593

m5 4.5480 -10.0619

m6 6.9310 -10.0321

67

En la tabla 20 se tiene lo resultados de los parámetros Sij

Tabla 20. Parámetros S para 𝑑𝑎 =𝜆

2

𝐏𝐚𝐫𝐚𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐒 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟏𝟏 4.57 6.92 2.35 40

𝑺𝟐𝟐 4.54 6.93 2.38 41

𝑺𝟑𝟑 4.55 6.92 2.37 41.3

𝑺𝟒𝟒 4.53 6.92 2.39 41.7

Figura 3.50. Resultados de la simulación del acople entre puertos.

En la figura 3.49 y 3.50 se muestra las pérdidas de retorno y el acople entre puertos de cuatro antenas

con una distancia de 30mm partiendo del parte central excitador de la antena a la siguiente antena.

El ancho de banda de impedancia se obtiene tomando como referencia que el acople entre puertos

este por debajo de 15 dBi y este es de 48% para el puerto 1, 41% para el puerto 2, 41.3% para el

puerto 3 y 41.7% para el puerto 4.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-50.00

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

Y1

HFSSDesign2XY Plot 2

m1

Curve Info

dB(S(1,2))Setup1 : Sw eep

dB(S(1,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(1,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(3,4))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 5.4790 -13.7611

68

En la figura 3.51 se tiene la ganancia de la agrupación para una distancia 𝒅𝒂 =𝜆

2

Figura 3.51.Resultados de la simulación de la ganancia vs la frecuencia.

La ganancia no es uniforme y se tiene un valor mínimo de 13.1dBi en 4 GHz y un máximo de 15.8dBi

en 7GHz, indicando que se producen interferencias constructivas que ayudan a generar una mayor

ganancia que con un elemento.

3.7.2 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de 𝐝𝐚 =𝟕𝝀

𝟏𝟎 entre

centros de los puertos de entrada.

En las figuras 3.52 , 3.53, 3.54 y la tabla21 se tienen los resultados de la agrupación de antenas.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

12.50

13.00

13.50

14.00

14.50

15.00

15.50

16.00

16.50

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 3

m1

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.0000 13.1160

69

Figura 3.52. Resultados de la simulación de los parámetros Sij de adaptación de puertos.

En la tabla 21 se tiene lo resultados de los parámetros Sij

Tabla 21.Parametros S para una distancia de 𝐝𝐚 =7λ

10

𝐏𝐚𝐫𝐚𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐒 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟏𝟏 4.57 6.96 2.39 41

𝑺𝟐𝟐 4.54 6.90 2.36 41.2

𝑺𝟑𝟑 4.52 6.92 2.40 41.9

𝑺𝟒𝟒 4.55 6.93 2.38 41.9

4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 6.97Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.57

Y1

HFSSDesign2XY Plot 1

m6m1 m2m3 m4

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

dB(S(3,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(4,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,2))Setup1 : Sw eep

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m1,m2) 2.3950 -0.0251 -0.0105 -95.5193

d(m3,m4) 2.3590 -0.0122 -0.0052 -193.8084

d(m5,m6) 2.4090 -0.1076 -0.0447 -22.3883

Name X Y

m1 4.5700 -10.0482

m2 6.9650 -10.0733

m3 4.5480 -10.0003

m4 6.9070 -10.0125

m5 4.5200 -9.9201

m6 6.9290 -10.0277

70

Figura 3.53. Resultados de la simulación del acople entre puertos Sij.

En la figura 3.52 y 3.53 se muestra las pérdidas de retorno y el acople entre puertos de cuatro antenas

con una distancia de 42mm partiendo de la parte central de la entrada del excitador de la antena a la

siguiente antena.

El ancho de banda se obtiene tomando como referencia que el acople entre puertos este por debajo

de 15 dBi y este es de 41% para el puerto 1, 41.2% para el puerto 2, 41.9 para el puerto 3 y 41.9 para

el puerto 4.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-55.00

-50.00

-45.00

-40.00

-35.00

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

Y1

HFSSDesign2XY Plot 2

m1

Curve Info

dB(S(1,2))Setup1 : Sw eep

dB(S(1,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(1,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(3,4))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 5.0580 -13.2714

71

En la figura 3.54 se tiene la ganancia de la antena para una distancia de 𝐝𝐚 =7λ

10

Figura 3.54. Resultados de la simulación de la ganancia vs frecuencia.

La ganancia de la agrupación no es uniforme en el rango que abarca el BW y empieza a ser positiva

en 5.25GHz hasta 6.2 (16.59% del BW) perdiendo la utilidad del ancho de banda de 4.57GHz a

5.25GHz y de 6.2GHz hasta 6.96GHz que representa el 25.39% del BW total indicando interferencia

destructiva debidas al comportamiento de las antenas para estas frecuencias.

3.7.3 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de 𝒅𝒂 =𝟖𝝀

𝟏𝟎 entre

centros de los puertos de entrada.

En las figuras 3.55, 3.56, 3.57 y la tabla22 se tienen los resultados de la agrupación de antenas.

4.79 5.00 5.25 5.50 5.75 6.00 6.25 6.50 6.75 6.91Freq [GHz]

-11.86

-10.00

-7.50

-5.00

-2.50

0.00

2.50

5.00

7.50

9.29

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 1Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='0deg'

72

Figura 3.55.Resultados de la simulación de los parámetros S de adaptación de puertos

En la tabla 22 se tiene lo resultados de los parámetros Sij

Tabla 22..Parámetros S para una distancia de 𝒅𝒂 = 8𝜆10

𝐏𝐚𝐫𝐚𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐒 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟏𝟏 4.55 6.10 1.54 29

𝑺𝟐𝟐 4.55 6 1.48 27

𝑺𝟑𝟑 4.46 6.94 2.47 43.5

𝑺𝟒𝟒 4.45 6.94 2.48 43.7

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

Y1

HFSSDesign2XY Plot 1

m3 m4m5

Name X Y

m3 4.5660 -10.1236

m4 6.9450 -10.0426

m5 6.1000 -9.9594

Name Delta(X) Delta(Y) Slope(Y) InvSlope(Y)

d(m3,m4) 2.3790 0.0810 0.0340 29.3770

Curve Info

dB(S(1,1))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,2))Setup1 : Sw eep

dB(S(3,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(4,4))Setup1 : Sw eep

73

Figura 3.56. Resultados de la simulación del acople entre puertos

En la figura 3.55 y 3.56 se muestra las pérdidas de retorno y el acople entre puertos de cuatro antenas

con una distancia de 48mm partiendo de la parte central de la entrada del excitador de la antena a la

siguiente antena.

El ancho de banda mostrado en la figura 3.57 se obtiene tomando como referencia que el acople entre

puertos este por debajo de 15 dBi y este es de 29% para el puerto 1, 27% para el puerto 2, 43.5% para

el puerto 3 y 43.7% para el puerto 4.

En la figura 3.54 se tiene la ganancia de la antena para una distancia de 𝒅𝒂 = 8𝜆10

Figura 3.57. Ganancia vs frecuencia.

4.79 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-57.50

-45.00

-32.50

-20.00

-13.25

Y1

HFSSDesign2XY Plot 2

m2

Curve Info

dB(S(1,2))Setup1 : Sw eep

dB(S(1,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(1,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,3))Setup1 : Sw eep

dB(S(2,4))Setup1 : Sw eep

dB(S(3,4))Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.7210 -12.4768

m2 5.4010 -16.2306

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

-5.00

-2.50

0.00

2.50

5.00

7.50

10.00

12.50

15.00

17.50

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 9Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eep

74

La ganancia esperada de 16dBi se obtiene en 5.1GHz y 6.6GHz valores por debajo de 0 entre 4.1GHz

a 4.75GHz lo que muestra que no hay una uniformidad en la ganancia de la antena.

3.7.4 Efecto en el comportamiento de la agrupación para separación de 𝒅𝒂 =𝟗𝝀

𝟏𝟎 entre

centros de los puertos de entrada.

En las figuras 3.56 ,3.57,3.58 y la tabla23 se tienen los resultados de la agrupación de antenas.

Figura 3.58. Resultados parámetros S de adaptación de puertos.

En la tabla 23 se tiene lo resultados de los parámetros Sij

Tabla 23. Parámetros S para una distancia de 𝒅𝒂 = 9𝜆10

𝐏𝐚𝐫𝐚𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐒 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂 (𝑮𝑯𝒛) 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟏𝟏 4.4 6.6 2.22 48

𝑺𝟐𝟐 4.3 6.69 2.38 43

𝑺𝟑𝟑 4.3 7.16 2.86 41

𝑺𝟒𝟒 4.42 7.18 2.18 39

75

Figura 3.59. Resultados de la simulación del acople entre puertos

En la figura 3.58y 3.59 se muestra las pérdidas de retorno y el acople entre puertos de cuatro antenas

con una distancia de 54mm partiendo de la parte central de la entrada del excitador de la antena a la

siguiente antena las dimensiones finales de la lámina son 222mm x 60mm .

El ancho de banda se obtiene tomando como referencia que el acople entre puertos este por debajo

de 15 dBi y este es de 48% para el puerto 1, 43% para el puerto 2, 41% para el puerto 3 y 39% para

el puerto 4. La mejor respuesta obtenida al modificar la distancia entre las antenas es 9𝜆

10 logrando una

mayor uniformidad en los parámetros S de los puertos.

En la figura 3.60 se tiene la ganancia a una distancia 𝒅𝒂 = 9𝜆10

Figura 3.60.Ganancia vs frecuencia.

4.08 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.13Freq [GHz]

10.77

11.25

12.50

13.75

15.00

16.21

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 3

m1

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eep

Name X Y

m1 4.1000 14.0162

76

La ganancia es la más uniforme que se obtiene con un mínimo de 14 dBi y un máximo de 15.968dBi

observando que se obtienen interferencias constructivas para la distancia de 9𝜆

10 en el rango de

frecuencias que involucra el ancho de banda.

3.8 Diseño de agrupación de antenas de parches suspendidos y excitación

por cinco ranuras, con limitación de las ondas de superficie mediante

tecnología SIW (substrate integrated waveguide).

Para este análisis se trabajó sobre la agrupación con una distancia entre elementos de 9𝜆

10 .

En la figura 3.61 se tiene La simulación de diagrama vector densidad de corriente para la

agrupación sin la aplicación de la tecnología SIW.

Figura 3.61. Diagrama vector densidad de corriente en la superficie del reflector.

En la figura 3.62 se observan pines de cobre que colocaron en la agrupación para reducir las ondas

superficiales, los pines al igual que en la antena de doble polarización se ubicaron a 30mm el uno

del otro.

77

Figura 3.62. Agrupación de antenas con pines.

En la figura 3.63 se tiene el diagrama vector densidad de corriente en la superficie del

reflector con tecnología SIW

Figura 3.63. Diagrama vector densidad de corriente en la superficie del reflector con tecnología

SIW.

Al observar el diagrama de magnitud de densidad de corriente se puede ver que al hacer corto entre

tierra y el reflector con pines de cobre, la corriente se concentra en el área que rodea los pines

alejándose del centro de la antena eliminando las ondas superficiales.

78

En las gráficas 3.64, 3.65 y tabla23 se muestran los resultados del acoplamiento entre puertos sij.

Figura 3.64. Resultados parámetros S de adaptación de puertos con tecnología SIW.

En la tabla 24 se tiene lo resultados de los parámetros Sij

Tabla 24. Parámetros S para una distancia de 𝒅𝒂 = 9𝜆10

.

𝐏𝐚𝐫𝐚𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐒 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

𝑺𝟏𝟏 4.1 7.28 3.06 55

𝑺𝟐𝟐 4.16 7.18 3.01 54

𝑺𝟑𝟑 4.15 7.17 3.02 53.4

𝑺𝟒𝟒 4.14 7.19 3.05 53.8

79

Figura 3.65. Resultados parámetros S de acople entre puertos.

En la figura 3.64y 3.65 se muestra las pérdidas de retorno y el acople entre puertos de cuatro antenas

con una distancia de 54mm partiendo de la parte central de la entrada del excitador de la antena a la

siguiente y con pines haciendo corto entre tierra y el reflector.

El ancho de banda se obtiene tomando como referencia que el acople entre puertos este por debajo de

15 dBi y este es de 55% para el puerto 1, 54% para el puerto 2, 53.4% para el puerto 3 y 53.8% para

el puerto 4. La mejor respuesta obtenida al modificar la distancia entre las antenas es 9𝜆

10 logrando una

mayor uniformidad en los parámetros S de los puertos.

En la figura 3.66 se tiene la ganancia para la agrupación con tecnología SIW

80

Figura 3.66. Ganancia vs frecuencia de la agrupación de antena con tecnología SIW.

La ganancia es más uniforme debido al efecto generado por los pines y alcanza una mayor magnitud

sobre los 16dBi obteniendo un valor mínimo en 6GHz de 15.98 dBi.

En la figura 3. 67 se tiene el diagrama e radiación para 5GHz.

a) b)

Figura 3.67.Diagrama de ganancia a 5GHz a)antena de doble polarización y b) agrupación.

4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50Freq [GHz]

9.00

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

16.00

17.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

HFSSDesign2XY Plot 3

m1

m2

Name X Y

m1 7.2000 11.9756

m2 5.2000 16.2815

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : Sw eepPhi='0deg' Theta='0deg'

81

3.9 Conclusiones

En este capítulo observo el desarrollo de esta investigación desde la parte básica partiendo

del parche básico pasando por la optimización de la excitación por apertura pasando de una

a 4 ranuras analizando la posición de esta , la longitud y el grosor , también se hizo el proceso

de la excitación de la antena pasando de un excitador sencillo a doble excitación con stub, se

analizó el comportamiento de parches apilados y las implicaciones que tenían esto partiendo

de su tamaño y analizando también la distancia en Z con respecto a las aperturas, luego se

diseñó una agrupación lineal de 4 elementos con alimentación por apertura y parches apilados

para luego optimizar las características de la antena basando el estudio en [29] aplicando

la tecnología SIW y se vio las implicaciones que esto tenia.

82

Capítulo4

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN Y ANÁLISIS

En este capítulo se hará el análisis de los resultados obtenidos en la caracterización de las antenas

construidas y las simuladas.

4.1. Validación, análisis de resultados y evaluación de los objetivos

4.1.1 Construcción

Para la construcción de las antenas se utilizó un sustrato Taconic TLY-5A-0200 de grosos 0.508mm

debido a la geometría de la antena se necesita una precisión de 0.001mm y la maquina con mayor

precisión en el mercado que se encontró para su construcción fue 0.01mm, para la construcción los

archivos fueron creados en Altium Design.

Debido a la configuración de la antena y los parámetros involucrados se deben tener algunos aspectos

en cuenta para la construcción estas.

Para la ensamblar la estructura se dejó una parte del sustrato sin cobre sobre la cual se hicieron 5

orificios para introducir tornillos, estos se enviaron a construir en nylon con una longitud de 5cm ya

que el comportamiento de la antena depende mucho de las distancias de las láminas de sustrato en Z

así que se tienen 5 tornillos por cada antena y 5 tuercas por tornillo para la parte superior e inferior

de cada lamina.

Debido al largo de la estructura y el grosor de la lámina se tuvieron inconvenientes al momento de

mantener las láminas paralelas se pensó en primera instancia en poner un acrílico del tamaño de la

lámina en cada una de ellas, pero esto afecto en gran medida el resultado así que se pusieron cubos

de balso pera separar las láminas.

Al principio para la aplicación de tecnología SIW se pensó en tornillos de aluminio, pero para

ajustarlos eran necesarios tuercas que al igual que la cabeza del tornillo afectaron el valor de la

medida, haciendo que la antena no resonara, así que se decidió soldar alambre de cobre en los orificios

de la lámina.

Los parches suspendidos fueron construidos en la parte inferior del sustrato para su protección.

A continuación, se muestran las estructuras finales de cada antena y sus respectivas partes.

83

En la figura 4.1 Partes de la antena de doble polarización

a) b) c)

d) e)

Figura 4.1. Partes de la antena de doble polarización construida de abajo hacia arriba donde:

a) Reflector de cobre, b) excitadores en la parte inferior c) apertura en la parte superior de la antena)

segundo parche suspendido e) primer parche suspendido.

En la figura 4.2 se tiene la estructura final de la antena anterior se tiene las partes de la antena

construida

Figura4.2. Estructura final de la antena con tecnología SIW

En las figuras 4.3 y 4.4 se tiene las partes y la estructura final de la agrupación de antenas.

84

a)

b)

c)

d)

e)

Figura4.3. Partes agrupación de antenas construida de abajo hacia arriba donde:

a) Reflector de cobre, b) excitadores en la parte inferior c) aperturas en tierra en la parte superior de

la antena) segunda agrupación de parches suspendidos e) primer agrupación parches suspendidos.

85

Figura4.4. Estructura final de la agrupación de antenas

Se puede ver que, entre el reflector, los excitadores y el primer y segundo parche hay un cubo

de balso el cual hace que las dos laminas sean paralelas

a)

b)

86

c)

d)

e)

Figura 4.5. Partes agrupación de antenas con tecnología SIW construida de abajo hacia arriba donde:

a) Reflector de cobre, b) excitadores en la parte inferior c) aperturas en tierra en la parte superior de

la antena) segunda agrupación de parches suspendidos e) primer agrupación parches suspendidos.

Figura 4.6. Estructura de la agrupación de antenas con tecnología SIW con tonillos y acrílico ,

primera construcción.

87

Figura 4.7. Estructura de la agrupación de antenas con tecnología SIW con pines soldados de

cobre.

La separación en los lugares de las láminas de sustrato donde hay depresiones se puso un

cubo de balso para hacer las placas paralelas.

4.2. MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Para la medición de las pérdidas de retorno se usó un analizador vectorial de redes marca Rohde

& Schwarz de la referencia R&S®ZVL, el cual tiene un rango 32e,k de frecuencias desde 10MHz

hasta 24GHz y posee dos puertos de medición con la posibilidad de exportar los datos medidos a

memoria USB;. En la figura 4.7 se muestra una fotografía del analizador usado.

Figura 4.8. Analizador vectorial de redes Rohde & Schwarz.

88

4.2.2. Medidas obtenidas y análisis de resultados

4.2.2.1. Análisis de resultado de la antena de doble polarización.

A continuación, se muestran los resultados medidos de las pérdidas de retorno de la antena de doble

polarización construida comparados con lo obtenido con la simulación para así poder observar con

detalle las diferencias.

En la figura 4.9 y tabla 25 se obtienen los resultados del puerto1.

Figura 4.9. Pérdidas de retorno de la antena de doble polarización puerto 1.

Tabla 25. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto 1.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆11 4.17 6.29 2.12 40.5

Simulado 𝑆11 3.97 6.56 2.52 48

Diferencia 𝑆11 0.2 -0.39 -0.54 7.5

Como se puede ver en a tabla 25 en el puerto 1 se tiene una reducción del ancho de banda en

un 7.5%, ya que las frecuencias simuladas se encuentran entre 3.97GHz y 6.56GHz y las

medidas entre 4.17GHz y 6.93GHz , esto se debe a que algunos de los pines de cobre

89

utilizados en la tecnología SIW no quedaron derechos generando que la antena no fuera

simétrica obteniendo como consecuencia desacople y reducción del ancho de banda

. En la figura 4.10 y tabla 26 se obtienen los resultados del puerto2.

Figura 4.10. Pérdidas de retorno de la antena de doble polarización puerto2.

Tabla 26. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆22 4.35 6.15 1.8 38

Simulado 𝑆22 4 6.67 2.68 50

Diferencia 𝑆22 0.35 -0.52 -0.88 12

Para el puerto dos se tiene una reducción del 12% como se muestra en la tabla 26 se tiene

para los valores simulados del ancho de banda una frecuencia inicial de 4GHz y una final de

6.67GHz y para las medidas se tiene una frecuencia inicial de 4.35GHz y una final de

6.15GHz, esto se debe al puente que debe hacerse por la arquitectura de la antena para la

doble polarización que sumado la irregularidad en los pines genera está perdida.

90

4.2.2.2. Análisis de resultado de la agrupación de antenas

Las siguientes graficas están los resultados medidos de las pérdidas de retorno de la agrupación de

antenas construida, comparados con lo arrojado con la simulación para así poder observar con detalle

las diferencias y características relevantes.

En la figura 4.11 y tabla 27 se obtienen los resultados del puerto1.

Figura 4.11. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto1.

Tabla 27. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto 1.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆11 4.49 7.30 2.81 47.6

Simulado 𝑆11 4.4 6.6 2.22 48

Diferencia 𝑆11 0.09 0.7 0.59 0.04

Para el puerto1 se tienen valores medidos muy cercanos al simulado, con diferencia en la frecuencia

baja de 0.09 y para la frecuencia alta de 0.7, experimentando un corrimiento de las frecuencias a

frecuencias altas generando perdida en el ancho de banda con respecto a lo simulado de 0.04%, debido

a las alturas de los parches.

91

En la figura 4.12 y tabla 28 se obtienen los resultados del puerto2.

Figura 4.12. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto2.

Tabla 28. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆22 4.46 7.23 2.77 47.39

Simulado 𝑆22 4.86 7.32 2.46 40

Diferencia 𝑆22 -0.4 -0.9 0.08 7.39

Para el puerto2 se tienen valores con diferencia en la frecuencia baja de 0.4 y para la frecuencia alta

de 0.9 experimentando un corrimiento de las frecuencias a frecuencias inferiores generando un

aumento en el ancho de banda de 7.39%.

92

En la figura 4.13 y tabla 29 se obtienen los resultados del puerto3.

Figura 4.13. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto3.

Tabla 29. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto3.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆33 4.17 6.94 2.77 49

Simulado 𝑆33 4.3 7.16 2.86 41

Diferencia 𝑆33 -0.13 0.22 0.39 8

Para el puerto3 se tiene una diferencia en la frecuencia baja de 0.13 y para la frecuencia alta e 0.22

experimentando un corrimiento de las frecuencias generando un aumento en el ancho de banda con

respecto a lo simulado de 8%.

93

En la figura 4.14 y tabla 30 se obtienen los resultados del puerto4.

Figura 4.14. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas puerto4.

Tabla 30. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto 4.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆44 4.40 7.21 2.54 44

Simulando 𝑆44 4.42 7.18 2.18 39

Diferencia 𝑆44 0.02 0.61 0.36 5

Para el puerto4 se tienen valores medidos muy cercanos al simulado, con diferencia en la frecuencia

baja de 0.02 y para la frecuencia alta e 0.61 experimentando un corrimiento de las frecuencias

generando un aumento en el ancho de banda con respecto a lo simulado de 5% .

94

4.2.2.3. Análisis de resultado de la agrupación de antenas con tecnología SIW

A continuación, se tienen los resultados medidos de las pérdidas de retorno de la antena de doble

polarización construido comparados con lo arrojado con la simulación para así poder observar con

detalle las diferencias y características relevantes.

En la figura 4.154 y tabla 31 se obtienen los resultados del puerto1.

Figura 4.15. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto1.

Tabla 31. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto1.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆11 4.08 6.94 2.86| 51

Simulado 𝑆11 4.1 7.28 3.18 55

Diferencia 𝑆11 -0.02 -0.34 -0.32 4

Para el puerto1 se tienen valores medidos muy cercanos al simulado, con diferencia en la frecuencia

baja de 0.02 y para la frecuencia alta e 0.34 experimentando un corrimiento de las frecuencias a

frecuencias inferiores generando una pérdida en el ancho de banda con respecto a lo simulado de 4%

Esto se debe a la dificultad de mantener las alturas de manera constante en los parches de la antena 1

de la agrupación y la posición irregular de algunos pines .

95

En la figura 4.16 y tabla 32 se obtienen los resultados del puerto2.

Figura 4.16. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto2.

Tabla 32. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆22 3.9 6.96 3.06 56

Simulado 𝑆22 4.16 7.18 3.02 54

Diferencia 𝑆22 -0.26 -0.22 0.04 2

Para el puerto4 se tienen valores medidos muy cercanos al simulado, con diferencia en la frecuencia

baja de 0.26 y para la frecuencia alta e 0.22 experimentando un desplazamiento de las frecuencias a

frecuencias más bajas generando un aumento en el ancho de banda con respecto a lo simulado de 2%.

96

En la figura 4.17 y tabla 33 se obtienen los resultados del puerto3.

Figura 4.17. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto3.

Tabla 33. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto3.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆33 3.9 7 3.1 56

Simulado 𝑆33 4.15 7.17 3.02 53.4

Diferencia 𝑆33 0.25 0.17 0.08 2.6

Para el puerto 4 se tienen valores medidos muy cercanos al simulado, con diferencia en la frecuencia

baja de 0.25 y para la frecuencia alta de 0.17 experimentando un corrimiento de las frecuencias a

frecuencias más bajas generando un aumento en el ancho de banda con respecto a lo simulado de

2.6% debido a que el puerto 1 está en medio de la agrupación y por la estructura de la antena se facilita

el mantener la distancia entre los parches.

97

En la figura 4.18 y tabla 34 se obtienen los resultados del puerto4.

Figura 4.18. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW puerto4.

Tabla 34. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto4.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Medido 𝑆44 4.26 7.19 2.93 51.1

Simulado 𝑆44 4.14 7.19 3.05 53.8

Diferencia 𝑆44 0.12 0 -0.12 2.7

Para el puerto 4 se tienen valores medidos muy cercanos al simulado, con diferencia en la frecuencia

baja de 0.12 y para la frecuencia alta de 0 generando una pérdida en el ancho de banda con respecto

a lo simulado de 2.7%, esto se debe a la dificultad de mantener las alturas de manera constante en los

parches de la antena 4 de la agrupación y la posición irregular de algunos pines.

98

4.2.2.4. Análisis de resultado de la agrupación de antenas con tecnología SIW y

convencional medidos.

En el siguiente apartado se muestra la comparación entre la antena con tecnología

convencional y la antena con tecnología SIW.

En la figura 4.19 y tabla 35 se obtienen los resultados del puerto1.

Figura 4.19. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con tecnología

convencional puerto1.

Tabla 35. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto1 con tecnología SIW.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Convencional 𝑆11 4.49 7.30 2.81 47.6

SIW 𝑆11 4.08 6.94 2.86| 51

Diferencia 𝑆11 0.41 0.36 -0.05 3.4

99

El ancho de banda en el puerto 1 puede aumento con la tecnología SWI en un 3.4%,

desplazando la frecuencia a frecuencias más bajas.

En la figura 4.20 y tabla 36 se obtienen los resultados del puerto2.

Figura 4.20. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con tecnología

convencional puerto2.

Tabla 36. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto2 con tecnología SIW.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘 %

Convencional 𝑆22 4.86 7.32 2.46 40.39

SIW 𝑆22 3.9 6.96 3.06 56

Diferencia 𝑆22 0.96 0.32 -0.06 15.61

El ancho de banda en el puerto 2 aumentó con la tecnología SWI en un 15.61%, desplazando

la frecuencia a frecuencias más bajas, debido al supresión parcial de ondas superficiales.

En la figura 4.21 y tabla 37 se obtienen los resultados del puerto3.

100

Figura 4.21. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con tecnología

convencional puerto3.

Tabla 37. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto3 con tecnología SIW.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘

%

Convencional 𝑆33 4.17 6.94 2.77 49

SIW 𝑆33 3.9 7 3.1 56

Diferencia 𝑆33 0.29 0.06 -0.33 7

El ancho de banda en el puerto 3 aumentó con la tecnología SWI en un 7%, desplazando la

frecuencia baja a frecuencias más bajas debido a la eliminación parcial de ondas

superficiales y mostrando un mejor acoplamiento.

En la figura 4.22 y tabla 38 se obtienen los resultados del puerto4.

101

Figura 4.22. Pérdidas de retorno de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con tecnología

convencional puerto4.

Tabla 38. Parámetros 𝑆𝑖𝑗 medidos vs simulados puerto4 con tecnología SIW.

Parámetros 𝒔𝒊𝒋

𝒔𝒊𝒋 𝒇𝒃𝒂𝒋𝒂𝑮𝑯𝒛 𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘(𝑮𝑯𝒛) 𝑩𝒘

%

Convencional 𝑆11 4.40 7.21 2.54 44

SIW 𝑆22 4.26 7.19 2.93 51.1

Diferencia 𝑆22 0.14 0.02 -0.39 7.1

El ancho de banda en el puerto 4 puede aumento con la tecnología SWI en un 7.1%,

desplazando la frecuencia a frecuencias más bajas mostrando un mejor acoplamiento.

102

En la figura 4.23 los resultados de la ganancia simulada para la agrupación de antenas.

Figura 4.23. Ganancia Simulada de la agrupación de antenas con tecnología SIW y con tecnología

convencional.

Para la ganancia se tiene uniformidad al aplicar la tecnología SIW con un punto mínimo de

15.86 dBi y un máximo de 16.28dBi debido a la eliminación parcial de ondas superficiales

mostrando que es una ganancia por encima de los 13dBi.

En la figura 4.24 se tienen los resultados de la ganancia para la antena de doble polarización.

Figura 4.24. Ganancia Simulada antena con doble polarización con tecnología SIW y con

tecnología convencional.

103

Para la ganancia se tiene una mayor uniformidad y elevación de la ganancia al aplicar la

tecnología SIW, con un punto máximo de 10.2dBi y mínimo de 6.9dBi, en este coso elevando

la ganancia debido a los parches suspendidos y la aplicación de la tecnología SIW.

4.3 CONCLUSIONES

Para este capítulo se hizo el análisis de los resultados obtenidos de las 3 antenas.

Para la primera parte se tiene una perdida con respecto a lo simulado para la antena de doble

polarización debido a la mala soldadura de algunos pines, para la segunda antena se tiene la

perdida de ancho de banda en uno de sus puertos la cual no representa más del 3% y para la

agrupación con tecnología SIW con respecto a lo simulado se tienen perdidas no mayores al

5%, para las ganancia simuladas de la de la agrupación se tiene una mayor uniformidad a lo

largo del ancho de banda al aplicar tecnología SWI al igual que en la antena de doble

polarización .

Esto indica que, para estos resultados, la aplicación de parches suspendidos, la aplicación de

4 nuevas ranuras para la excitación con apertura y la tecnología SWI lograron compensar

satisfactoriamente las perdidas generada en la mala construcción.

104

Capítulo 5

CONCLUSIONES

En este trabajo de grado se diseñó una antena de parches apilados alimentada por apertura

con plano de masa simple, así como una antena de parches apilados alimentados por apertura

con doble polarización y tecnología SIW, una agrupación de antenas de parches apilados con

alimentación por apertura y tecnología SIW y sin este tipo de tecnología. De igual manera se

propuso una nueva tecnología de antena de ranura excitada por parche resonante y plano de

masa, con mejoramiento en la ganancia respecto a un parche convencional.

Lo desarrollos presentados en el trabajo permiten plantear las siguientes conclusiones.

• Se propuso con éxito una nueva tecnología de antena de ranura excitada por parche

cuasi resonante y plano de masa con separación de 𝜆 10⁄ , mediante lo cual se logró

un mejoramiento en la ganancia máxima (8.07dBi) respecto a un parche convencional

(7dBi).

• El uso de cinco ranuras para excitar los parches apilados permite un incremento en al

ancho de banda de impedancia a niveles del orden del 49% (4.16 GHz a 7.16GHz),

lo cual supera ampliamente el ancho de banda propuesto inicialmente en el

anteproyecto del 14% (5.1GHz a 5.9GHz).

• Se incorporó la tecnología SIW (Substrate Integrated Waveguide) en el plano de

masa, las cinco ranuras de excitación y dos parches apilados, mediante lo cual se logra

aplanar la curva de respuesta de ganancia en la mayor parte del ancho de banda en el

rango de 4.16 GHz a 7.16GHz, al tiempo que la ganancia máxima es del orden de

16.2dBi, superando ampliamente el objetivo propuesto en el anteproyecto de 10dBi.

Así mismo, el ancho de banda de impedancia alcanzado con esta tecnología supera el

56%, frente al 14% fijado como objetivo inicial.

• Se diseñó y construyó una antena simple con doble polarización que incluye las cinco

ranuras y la tecnología SIW, logrando un ancho de banda medido del 40.5% y una

ganancia máxima de 10.4dBi, la cual incluye de igual manera dos parches apilados.

• Como estrategia de verificación, se diseñó y caracterizó una agrupación de cuatro

antenas que incluye las cinco ranuras de excitación, los dos parches apilados y sin

incorporar la tecnología SIW, logrando un ancho de banda de impedancia del orden

del 49%, una ganancia máxima de 15.98dBi y una ganancia mínima en el ancho de

banda de operación de 14dBi frente 15.98dBi con tecnología SIW. Esta agrupación

sin tecnología SIW permitió verificar el aplanamiento de la curva frente al caso en

que se incluya la misma.

• Debido a algunas dificultades en el momento de la construcción de las antenas, como

es el caso de mantener las láminas paralelas en las agrupaciones, al igual que evitar

que algunos pines en la tecnología SIW no quedaran perpendiculares a la superficie,

105

generaron algunas diferencias entre lo medido y lo simulado en lo que respecta al

ancho de banda, tales como:

En la antena de doble polarización, para el caso del puerto 2, hay diferencia del 12%,

por otra parte, en la agrupación de antenas se lograron mantener de manera más

uniforme las alturas y se obtuvieron resultados muy similares a lo simulado con

diferencias del orden del 3% y al aplicar la tecnología SIW se presenta una pérdida

del 4% en el peor de los casos.

• Las separaciones entre parches juegan un papel importante en el desempeño de la

antena.

• Al aplicar la tecnología SIW se presenta una reducción de las ondas superficiales en

las antenas lo que produce una ganancia más uniforme en el ancho de banda de

operación.

• Finalmente, se diseñó, construyó y caracterizo una agrupación de antenas que cumple

y supera ampliamente las especificaciones de las antenas comerciales que son

utilizadas en el estándar WIFI IEEE(802.11a-n).

5.1 Principales Aportes

5.1.1 Antena de doble polarización de parches apilados con excitación por apertura

Se partió de los parámetros que tiene la antena para optimizar sus características en ancho

de banda y ganancia.

• Se definió una nueva propuesta para a alimentación por apertura agregando ranuras

extra aumentando el ancho de banda pasando de un 29 % sin ranuras adicionales al

35.5% con ranuras.

• Se buscó la manera de ampliar el ancho de banda partiendo de una antena parche con

parches suspendidos logrando un ancho de banda del 48% para el puerto 1simulado

y medido del 40.5%, y para el puerto 2 simulado de 50% y medido del 38% por debajo

de los -10dB en simulación en medición se obtuvo a una frecuencia superior de 4GHz

que es mayor a lo encontrado en la literatura.

• Se aplicó la tecnología SIW logrando volver uniforme la ganancia con valores

superiores a 8 dBi con un máximo de 10dBi sobre el rango del ancho de banda y

ampliar aún más el ancho de banda en simulación.

5.1.2 Agrupación de antenas parches apilados con excitación por apertura.

• Se realizó el diseño de una agrupación de antenas observando cual es el valor con

respeto a la distancia de las antenas que más se adecuaba 54mm entre centros de las

antenas.

• Se logró hacer una ganancia más uniforme con la aplicación de la tecnología SIW

con valores superiores a 14 dBi y con un máximo de 16 dBi en simulación.

• Se logró aumentar el ancho de banda aplicando la tecnología SIW pasando del 47.6%

para el puerto 1 ,40.3% para el puerto 2, 49 para el puerto 3 y 44 para el puerto 4 a

106

51% para el puerto 1, 56% para el puerto 2, 56 %para el puerto 3 y 51% para el puerto

4.

• Se comparó el comportamiento entre agrupaciones de antenas de idénticas

características con tecnología SIW y sin está, observando las ondas superficiales y su

flujo sobre cada elemento.

• Se realizó una antena que cumple con las características necesarias para ser usadas en

el estándar IEEE 802.11 a y n para WiFi, cubriendo un ancho de banda en simulación

de 4 a 7GHz con ganancia mayor a 14dBi, lo que hace que se puedan también usar

tecnologías de WLAN y WiMax

107

5.2 Trabajos Futuros De Investigación

Algunos de los trabajos futuros que se pueden desarrollar son:

Agrupación de antenas microstrip de doble polarización con tecnología SIW

Para lograr aprovechar así toda la potencia de trasmisión ya que se tiene una antena de doble

polarización con gran ancho de banda y ganancia haciendo que la antena tenga una mayor

eficiencia aumentando el número de prestaciones que esta tiene.

Figura 5.1. Posible agrupación de antenas e doble polarización con parches apilados

síntesis de diagrama de radiación de una agrupación de antenas de parches suspendidos

y excitación por cinco ranuras, con limitación de las ondas de superficie mediante

tecnología Siw (Substrate Integrated Waveguide).

Síntesis de diagramas de radiación para la agrupación diseñada ya que se tiene una

agrupación diseñada con características optimizadas es posible aplicar síntesis del diagrama

de radiación para obtener un diagrama especifico diseñado previamente, controlando nivel

de lóbulos laterales (SLL), el ancho de diagrama de radiación o la ganancia, diseñando así la

alimentación de la agrupación.

108

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Iran, 2013.

110

APENDICES

Apéndice 1 Estándar WIFI IEEE 802-11 a-n

Especificaciones del estándar IEEE 802-11 a y IEEE 802-11 n

Tabla 1. Estándar IEEE 802.11 a

PARAMETER VALUE

Date of standard approval July 1999

Maximum data rate (Mbps) 54

Typical data rate (Mbps) 25

Typical range indoors (Metres) ~30

Modulation OFDM

RF Band (GHz) 5

Number of spatial streams 1

Channel width (MHz) 20

Tabla 2. Estándar IEEE 802.11 a , señal rf.

DATA RATE (MBPS) MODULATION CODING

RATE

6 BPSK 1/2

9 BPSK 3/4

12 QPSK 1/2

18 QPSK 3/4

24 16-QAM 1/2

36 16-QAM 3/4

48 64-QAM 1/2

54 64-QAM 3/4

Tabla 3.Estandar IEEE 802.11n [30]

111

IEEE 802.11N SALIENT FEATURES

PARAMETER IEEE 802.11N STANDARD

Maximum data rate (Mbps) 600

RF Band (GHz) 2.4 or 5

Modulation CCK, DSSS, or OFDM

Number of spatial streams 1, 2, 3, or 4

Channel width (MHz) 20, or 40

Tabla 4.Estandar IEEE 802.11 a y 802.11n

IEEE Standard 802.11a 802.11n

Año adoptado 1999 2009

Frecuencia 5GHz 2.4/5GHz

Max. tasa de cambio 54 Mbps 600 Mbps

Tipo rango de entrada 100 ft 225 ft

Tipico rango de salida 400 ft 825 ft

Apéndice 2 conectores SMA

SMA es el acrónimo de Sub Miniature versión A. Estos conectores son usualmente

encontrados en aplicaciones WiFi y WLAN unidades miniatura de semiprecisión que

presentan un excelente desempeño eléctrico desde DC hasta 18GHz con una durabilidad

mecánica sobresaliente.

112

Figura A3.Dimensiones del conector SMA

Conector, este tiene 0.94mm ancho.

Referencia: CONSMA003.031-ND

Pagina: http://www.digikey.com/product-detail/en/linx-technologies-inc/CONSMA003.031/CONSMA003.031-ND/1577207

113

Características eléctricas

Figura A4.Especificaciones eléctricas conectores SMA [31]