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1 LA ANTENA MICROSTRIP Antenas microstrip - Antenas con gran implantación en los últimos años - Fuerte aparato matemático asociado a su análisis - Muy relacionado con elementos tales como las líneas de transmisión o los resonadores, estudiados en otras asignaturas • Objetivos: - Conocimiento de las aplicaciones de esta antena - Ventajas e inconvenientes que presenta - Principio físico de funcionamiento - Concretar algunas reglas básicas de diseño LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación 1. Introducción Definición Ventajas e inconvenientes Aplicaciones 2. Configuraciones habituales y modos de alimentación 3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular Modelo de línea de transmisión Modelo de cavidad 4. Parámetros característicos Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarización 5. Temas avanzados y resumen LA ANTENA MICROSTRIP 1. Introducción - La antena microstrip es una extensión de la línea de transmisión microstrip. - Sus dimensiones se eligen de forma que el “parche” disipe la potencia en forma de radiación. - Se conciben por primera vez en los 50 aunque sólo a partir de los 70 se trabaja activamente en ellas. LA ANTENA MICROSTRIP Parche rectangular Línea de transmisión Plano de masa Substrato dieléctrico h Estructura: - Parche metálico (dimensiones comparables a λ) - Substrato dieléctrico sin pérdidas • grosor: 0.003λ≤ h 0.05λ • constante dieléctrica: 2.2 ≤ε r 12 - Plano de masa 1. Introducción LA ANTENA MICROSTRIP Ventajas • Bajo perfil • Conformables a estructuras • Fabricación sencilla y barata • Robustas • Combinables con circuitos integrados de microondas • Versátiles en la elección de la frec. de resonancia o la polarización. Inconvenientes • Baja eficiencia • Baja potencia • Alto Q • Pobre pureza de polarización • Banda estrecha • Radiación espúrea de las líneas 1. Introducción LA ANTENA MICROSTRIP Aplicaciones • Antenas embarcadas en misiles • Altímetros radar en aviones • Antenas de exploración radar en satélites • Sistemas GPS • Telefonía móvil • Comunicaciones móviles por satélite • Aplicadores de calor en medicina (hipertermia) 1. Introducción

Estructura - UPV Universitat Politècnica de València · 1 LA ANTENA MICROSTRIP •Antenas microstrip - Antenas con gran implantación en los últimos años - Fuerte aparato matemático

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  • 1

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Antenas microstrip- Antenas con gran implantacin en los ltimos aos- Fuerte aparato matemtico asociado a su anlisis- Muy relacionado con elementos tales como las lneas de

    transmisin o los resonadores, estudiados en otras asignaturas

    Objetivos:- Conocimiento de las aplicaciones de esta antena- Ventajas e inconvenientes que presenta- Principio fsico de funcionamiento- Concretar algunas reglas bsicas de diseo

    LA ANTENA MICROSTRIP ndice de la Presentacin

    1. Introduccin Definicin Ventajas e inconvenientes Aplicaciones

    2. Configuraciones habituales y modos de alimentacin3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular

    Modelo de lnea de transmisin Modelo de cavidad

    4. Parmetros caractersticos Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarizacin

    5. Temas avanzados y resumen

    LA ANTENA MICROSTRIP 1. Introduccin

    - La antena microstrip es una extensinde la lnea de transmisin microstrip.

    - Sus dimensiones se eligen de formaque el parche disipe la potencia enforma de radiacin.

    - Se conciben por primera vez en los 50aunque slo a partir de los 70 se trabajaactivamente en ellas.

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Parche rectangular

    Lnea de transmisin

    Plano de masa

    Substrato dielctrico

    h

    Estructura:- Parche metlico (dimensiones comparables a )- Substrato dielctrico sin prdidas

    grosor: 0.003 h 0.05 constante dielctrica: 2.2 r 12

    - Plano de masa

    1. Introduccin

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Ventajas

    Bajo perfil

    Conformables a estructuras

    Fabricacin sencilla y barata

    Robustas

    Combinables con circuitos integrados de microondas

    Verstiles en la eleccin de la frec. de resonancia o la polarizacin.

    Inconvenientes

    Baja eficiencia

    Baja potencia

    Alto Q

    Pobre pureza de polarizacin

    Banda estrecha

    Radiacin esprea de las

    lneas

    1. Introduccin LA ANTENA MICROSTRIP

    Aplicaciones Antenas embarcadas en misiles Altmetros radar en aviones Antenas de exploracin radar en satlites Sistemas GPS Telefona mvil Comunicaciones mviles por satlite Aplicadores de calor en medicina (hipertermia)

    1. Introduccin

  • 2

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Comunicaciones mviles por satliteAgrupacin de antenas con barrido mecnico

    1. Introduccin LA ANTENA MICROSTRIP

    Comunicaciones mviles por satlite

    Agrupacin de antenas con barrido electrnico

    1. Introduccin

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Antena microstrip conformada

    La antena en el satlite

    Antena embarcada en satlite para telemetra

    1. Introduccin LA ANTENA MICROSTRIP

    Comunicaciones mviles terrestres

    1. IntroduccinNOKIA 3210

    LA ANTENA MICROSTRIP 2. Configuraciones y alimentacin

    Formas de parche ms habituales

    Cuadrado rectangular dipolo circular

    Otros tipos de parche

    elptico triangular anillo

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Parche rectangular

    h Lnea de transmisin

    Conector coaxial

    Ranura

    Lnea de transmisin

    Parche

    Acoplamiento por ranura

    Lnea de transmisin

    Parche

    Plano demasa

    Acoplamiento por proximidad

    Modos de alimentacin

    2. Configuraciones y alimentacin

  • 3

    LA ANTENA MICROSTRIP ndice de la Presentacin

    1. Introduccin Definicin Ventajas e inconvenientes Aplicaciones

    2. Configuraciones habituales y modos de alimentacin3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular

    Modelo de lnea de transmisin Modelo de cavidad

    4. Parmetros caractersticos Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarizacin

    5. Temas avanzados y resumen

    LA ANTENA MICROSTRIP

    La lnea de transmisin microstrip

    - Se propaga un modo cuasi-TEM- La mayor parte del campo est confinado en el dielctrico- Propiedades del dielctrico:

    1. Elctricamente delgado (0.003 h 0.05 ), para evitar fugasy ondas superficiales

    2. Permitividad alta (3 r 10), para que las lneas de campo estnconfinadas entorno a la lnea microstrip.

    Lneas decampo elctrico

    h r

    3. Principio de funcionamiento

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Modelo de lnea de transmisin

    Discontinuidad Circuito abierto

    - El efecto de bordes se manifiesta en los cuatro costados y dependedel grosor y la permitividad del dielctrico.

    - La presencia de discontinuidades de tamao comparable a fuerzala radiacin de la estructura.

    3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP

    Modelo de lnea de transmisin

    - El parche equivale a dos ranuras de dimensiones WL- La longitud L se elige para que haya una inversin de fase y la

    radiacin de ambas ranuras se sume en fase. L=g/2- La radiacin de los flancos laterales del parche se cancela entre s.

    Frecuencia de trabajo:0

    2r rc

    fL

    Anchura del parche:

    W g/2

    h

    L LL

    W

    EE

    r

    3. Principio de funcionamiento

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Modelo de lnea de transmisin

    Circuito equivalente

    B G1 1 2 2B G

    cY

    Antena equivalente

    E En

    z

    x

    y

    W

    L

    3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP

    x

    z

    W

    d

  • 4

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Pared magntica

    Pared elctricaE =0

    H =0

    t

    t

    + + + + + + +

    + + +++++ + +

    J

    J

    b

    t

    L

    h L o L > W > L/2

    0001 2r r

    cf

    W

    W

    L

    h

    W

    L

    h

    3. Principio de funcionamiento

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Modelo de cavidad

    Se pueden excitar otros modos de orden superior

    Si L > 2W

    0020r

    r

    cf

    L

    Si W > 2L

    0002r

    r

    cf

    W

    W

    L

    h

    W

    L

    h

    3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP

    M

    n

    M

    M

    M

    M

    M

    M

    Modelo de cavidad

    - El campo radiado se obtiene aplicando el principio de equivalencia y el teorema de las imgenes.

    Ranuras radiantes:sus contribuciones se suman en fase

    Ranuras no radiantes:sus contribuciones se cancelan+

    3. Principio de funcionamiento

  • 5

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Modelo de cavidad

    Modo dominante, TM010

    Diagramas de radiacin

    Modo de segundo orden, TM020

    3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP ndice de la Presentacin

    1. Introduccin Definicin Ventajas e inconvenientes Aplicaciones

    2. Configuraciones habituales y modos de alimentacin3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular

    Modelo de lnea de transmisin Modelo de cavidad

    4. Parmetros caractersticos Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarizacin

    5. Temas avanzados y resumen

    LA ANTENA MICROSTRIP 4. Parmetros caractersticos

    Resistencia de entrada, Rin

    1

    12in

    RG (En resonancia)

    - La Rin cambia con el punto de alimentacin

    L

    Wy0

    Rin

    20 0( ) ( 0)cosin inR y y R y yL

    ( 0)coszE E y yL

    zV E22

    0

    0

    ( )( 0)( )rad in in

    V y yV yW

    R R y y

    - Sencilla adaptacin del parche a la lnea

    B G1 1 2 2B G

    cY

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Factor de Calidad (Q) y ancho de banda

    - Es representativo de las prdidas en la antenaradiacinconduccindielctricoEnerga almacenada

    QPotencia disipada

    0

    1 fQ f

    - El Q est relacionado con el grosor (h) y la permitividad (r) del dielctrico

    Q La banda de trabajo se estrechahr

    Interesan dielctricos gruesos y de permitividad baja

    Comportamiento como cavidad

    4. Parmetros caractersticos

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Polarizacin

    h

    L LL

    W

    EE

    r

    El parche bsico presenta polarizacin lineal

    Es posible combinar varios modos para conseguir polarizacin circular

    4. Parmetros caractersticos LA ANTENA MICROSTRIP

    Divisor depotencia

    Parchecuadrado

    /4

    Se consigue con dos polarizaciones lineales ortogonales y desfasadas 90

    ( ) cos( ) sen( )E t t x t yEn z=0,

    Parchecuadrado

    Hbridode 90

    Polarizacin circular

    4. Parmetros caractersticos

  • 6

    LA ANTENA MICROSTRIP 5. Temas avanzados

    Modelado riguroso de estructuras microstrip

    Ec. Integral+

    Algoritmos rpidos

    Incgnita:Corriente elctrica N=80.000 incgnitas

    - Requiere plantear una ecuacin integral y resolverla numricamente- Los algoritmos rpidos son especficos para cada tipo de problema

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Mediocres caractersticas de radiacin Aplicaciones que requieran poca potencia Gran variedad de configuraciones Antenas muy compactas Facilidad para construir agrupaciones de parches

    5. Resumen

    LA ANTENA MICROSTRIP

    Modelo de cavidad

    Diagrama de radiacin

    Parche circular

    3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP

    ANTENAS CIRCULARES

    2 2

    2 22

    2 2 2

    0

    1 1 0

    k

    kz

    + =

    + + + =

    LA ANTENA MICROSTRIP

    MODOS DE RADIACIN

    ( ),2 2 2

    z

    z

    jk zjnn k n

    z

    J k e e

    k k k

    =

    = +

    Conector coaxial

    LA ANTENA MICROSTRIP

    MODOS DE RADIACINMODOS DE RADIACINMODOS DE RADIACINMODOS DE RADIACIN J0 J1 J2 J3

  • 7

    LA ANTENA MICROSTRIP

    FRECUENCIAS DE RESONANCIA

    Funcin J0 J1 J2 J3 ceros

    1 3.8317 1.8412 3.0542 4.2012 2 7.0156 5.3314 6.7061 8.0152 3 10.1735 8.5363 9.9695 11.3459 4 13.3237 11.7060 13.1703 14.5858

    LA ANTENA MICROSTRIP

    CAMPOS RADIADOS POR LAS ANTENAS CIRCULARES

    ' 'jnsM e =