112
NUEVAS PROPUESTAS DE ANTENAS MICROSTRIP DE BANDA ANCHA Erika Junnieth Daza Narváez Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica Bogotá, Colombia 2017

NUEVAS PROPUESTAS DE ANTENAS MICROSTRIP DE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/7487/1... · El propósito del trabajo propuesto es diseñar e implementar antenas Microstrip

  • Upload
    hahuong

  • View
    219

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

NUEVAS PROPUESTAS DE ANTENAS MICROSTRIP DE BANDA ANCHA

Erika Junnieth Daza Narváez

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería

Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica Bogotá, Colombia

2017

NUEVAS PROPUESTAS DE ANTENAS MICROSTRIP DE BANDA ANCHA

Erika Junnieth Daza Narváez

Trabajo de grado para optar al título de:

Ingeniera Electrónica

Director:

Ing. Carlos Arturo Suárez, Ph.D.

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería

Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica Bogotá, Colombia

2017

Nota de aceptación

Jurado.

Agradecimientos

A Dios, porque nada es posible sin él. A mis padres Ever Daza y Adriana Narváez por su incondicional apoyo, por su total entrega y comprensión, por su paciencia y por hacer de mis sueños algo posibles. A mi hermano Alex y a mi prima Laura por creer en mí, por su apoyo, su comprensión, su amor y por ser mi fortaleza. A mis familiares por sus consejos y motivación para ser una mejor persona y un excelente profesional. A mi director de tesis por su confianza y apoyo en cada paso de este trabajo, por guiarme en el proceso de aprendizaje e investigación en esta hermosa carrera y por abrir las puertas del grupo de investigación GRECO. A mis amigos por dejarme ser parte de sus vidas y hacerme sentir en casa aun estando lejos de los mío.

Resumen

El propósito del trabajo propuesto es diseñar e implementar antenas Microstrip de banda ancha para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores que operen en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y las bandas de 915MHz y 2.4GHz respectivamente, con ganancias superiores 3.5dBi y polarización lineal.

I

Tabla de Contenido

1. Capítulo ................................................................................................................................. 1

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

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................... 4

1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................................ 4

1.3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 4

1.4. OBJETIVOS........................................................................................................................... 5

1.4.1. General......................................................................................................................... 5

1.4.2 Específicos ......................................................................................................................... 5

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES .................................................................................................. 5

2. Capítulo ................................................................................................................................. 7

2. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 7

2.1. TECNOLOGÍA MICROSTRIP ................................................................................................... 7

2.1.1. Alimentación ................................................................................................................ 8

2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBSTRATOS PARA ANTENAS DE MICROSTRIP .......................... 13

2.3 ANTENA CÓNICA DE RANURAS. .......................................................................................... 16

2.4. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL ............................................................................................ 17

2.4.1 Método de Gazit. ......................................................................................................... 18

2.4.2. Método utilizando elipses ........................................................................................... 19

2.5. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 21

3. Capítulo ............................................................................................................................... 27

3. METODOLOGÍA .................................................................................................................... 27

3.1. DISEÑO ANTENA VIVALDI CON RANURA CÓNICA HACIENDO USO DE MODELO. ................. 27

3.1.1. Elección de sustrato. ................................................................................................... 28

3.1.2. Diseño de la Slotline ................................................................................................... 29

3.1.3. Diseño de la Microstrip ............................................................................................... 30

3.1.4. Diseño de la Taper ...................................................................................................... 32

3.1.5. Apertura exponencial ................................................................................................. 32

3.1.6. Primer diseño haciendo uso de modelo. ..................................................................... 33

3.1.7. Simulación. ................................................................................................................. 33

3.1.8. Variación de parámetros. ............................................................................................ 35

II

3.1.9. Optimización de parámetros. ...................................................................................... 39

3.1.10. Diseño de Slots. .................................................................................................... 42

3.1.11. Diseño Con doble Stub Radial. .................................................................................. 52

3.2. DISEÑO ANTENA VIVALDI CON RANURA CÓNICA A PARTIR DE ARTÍCULO BASE. ................ 58

3.2.1. Diseño calcado............................................................................................................ 59

3.2.2. Implementación de Slots y ranuras curvas. ................................................................. 61

3.2.3. Implementación de diferentes diseños. ..................................................................... 62

3.3. DISEÑO ANTENA VIVALDI ANTIPODAL ............................................................................... 64

3.3.1. Elección artículo base. ................................................................................................ 64

3.3.2. Diseño ........................................................................................................................ 65

3.3.4. Diseño antena vivaldi antipodal con elipse parasita. ................................................... 66

3.3.5. Diseño antena vivaldi antipodal sin elipse parasita. .................................................... 68

3.4 ANTENAS FABRICADAS. ...................................................................................................... 70

3.4.1. Antenas vivaldi con ranura cónica. .............................................................................. 70

3.4.2. Antenas Vivaldi Antipodal. .......................................................................................... 71

4. Capitulo ............................................................................................................................... 73

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS ..................................................................................................... 73

4.1. ANTENAS VIVALDI CON RANURA CÓNICA. ......................................................................... 73

4.1.1 Antena Base (Antena 13) ............................................................................................. 73

4.1.2. Antena cónica de ranura con slots curvos (Antena 27) ................................................ 75

4.1.3. Antena cónica de ranura con slots curvos inferiores y stub radial dividido de 40°.

(Antena 38) .......................................................................................................................... 77

4.1.4. Antena cónica de ranura con slots curvos inferiores y stub radial dividido de 53°

(Antena 39). ......................................................................................................................... 79

4.1.5. Comparación resultados medidos antenas vivaldi con ranura cónica. .................... 81

4.2. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL CON ELIPSE PARASITA ......................................................... 82

4.2.1 Antena vivaldi antipodal con elipse parasita. ............................................................... 82

4.1.10. Antena vivaldi antipodal sin elipse parasita. .......................................................... 84

4.1.11. Comparación antenas vivaldi antipodal ................................................................. 86

5. Capítulo ............................................................................................................................... 89

5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ............................................................................... 89

5.1. CONCLUSIONES. ................................................................................................................ 89

5.2. TRABAJOS FUTUROS .......................................................................................................... 90

6. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 91

III

Lista de figuras

Figura 2.1 Geometrías representativas de elementos Microstrip tipo parche. .................................. 8

Figura 2.2. Vista lateral de una antena Microstrip. ......................................................................... 8

Figura 2.3 Alimentación por cable coaxial. .................................................................................... 9

Figura 2.4Parche de microcinta alimentado por una línea acoplada a uno de sus bordes. .............. 10

Figura 2.5 Línea de cinta acoplada a uno de sus bordes con una ranura en medio. ....................... 10

Figura 2.6 Alimentación por línea de cinta insertada en el parche radiador ................................... 11

Figura 2.7 Alimentación por el método de Proximidad ................................................................. 12

Figura 2.8 Alimentación por el método de Apertura. .................................................................... 13

Figura 2.9 Antena Vivaldi de ranura cónica con transición de microcinta a línea ranurada ............ 17

Figura 2.10 Antena vivaldi Antipodal. ......................................................................................... 18

Figura 2.11 Diseño de la antena Vivaldi Antipodal mediante la metodología de Gibson (1979). Tomada [26] con propósitos académicos. .................................................................................... 18

Figura 2.12 Vivaldi Antipodal diseñada con tres elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos. ................................................................................................................................. 20

Figura 2.13 Vivaldi antipodal diseñada con elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos. 21

Figura 2.14 Configuración de (a) la TSA tradicional antipodal, (b) la estructura modificada, Y (c) estructura miniaturizada. . Tomada de [30] con propósitos académicos. ........................................ 22

Figura 2.15 Diseño Antena Vivaldi Antipodal con elipse parasita. . Tomada de [35] con propósitos académicos. ................................................................................................................................. 23

Figura 2.16 Antenas Vivaldi con ranuras. (a) AVA original. (b) AVA con RSE. (c) AVA con TSE. Tomada de [36] con propósitos académicos.................................................................................. 24

Figura 2.17 Diseño de la antena en la parte inferior. Tomada de [37] con propósitos académicos 25

Figura 2.18 Diseño de la antena en la parte superior. Tomada de [37] con propósitos académicos 25

Figura 2.19 Diseño con ranuras circulares. Tomada de [38] con propósitos académicos. ............. 26

Figura 3.1 Parámetros de diseño y geometría de la antena Vivaldi con ranura cónica. ................ 28

Figura 3.2 Antena vivaldi con ranura cónica. (a) Diseño final. (b) Resultados parámetros S(11),

simulación. .................................................................................................................................. 34

Figura 3.3 Diagrama simulado Antenas vivaldi con ranuras cónicas escaldas ............................... 34

Figura 3.4 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . .......................... 36

Figura 3.5 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ........................... 36

Figura 3.6 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ........................... 37

Figura 3.7 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ........................... 37

Figura 3.8 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro . ............................ 38

Figura 3.9 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro ℎ. .......................... 38

Figura 3.10 Diagrama simulado según la modificación realizada. (a) Parámetros S11. (b) Eficiencia.

(c) Ganancia. (d) Radiación ........................................................................................................... 40

Figura 3.11 Comparación antenas modificadas. (a) parámetros S11. (b) Eficiencia. (c) Ganancia.

(d) Radiación. ............................................................................................................................... 41

IV

Figura 3.12 Variaciones en la geometría del taper, (a) Slots rectangulares internos inferiores. (b)

Slots rectangulares internos superiores. (c) Slots rectangulares internos en todo el taper. ........... 42

Figura 3.13 Parámetros antena vivaldi con Slots rectangulares. .................................................. 43

Figura 3.14 Comparación parámetros S11 según la modificación realizada. ................................. 43

Figura 3.15 Diferentes geometrías de Slots ................................................................................. 44

Figura 3.16 Parámetros antena vivaldi con Slots curvos ............................................................... 45

Figura 3.17 Parámetros antena vivaldi con diferentes tipos de Slots. .......................................... 45

Figura 3.18 Comparación parámetros S11 según la modificación realizada. ................................. 46

Figura 3.19 Slots curvos construidos por medio de funciones exponenciales .............................. 47

Figura 3.20 Diseño con Slots curvos. (Antena 23) Antena base. (Antena 24) Escalada en el eje y

1.1. (Antena 25) Escalada en el eje y 1.2 ....................................................................................... 47

Figura 3.21 Comparación según la modificación realizada. Antena 112.5mm (a) Diagrama

parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

.................................................................................................................................................... 49

Figura 3.22 Comparación según la modificación realizada. Antena 135mm. (a) Diagrama

parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

.................................................................................................................................................... 51

Figura 3.23 Comparación según la modificación realizada. (a) Diagrama parámetros S11. (b)

Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. ............................ 52

Figura 3.24 Parámetros de diseño y geometría en la Microstrip taper. ........................................ 52

Figura 3.25 Antena con Slots Curvos. (a) Diseño con Stub Radial doble. (b) Comparación

parámetros S11. (c) Diagrama de Eficiencia. (d) Diagrama de Ganancia. (e) Diagrama de radiación.

.................................................................................................................................................... 53

Figura 3.26 Diseño con doble Stub radial y 2 Slots curvos ............................................................ 55

Figura 3.27 Comparación de antenas con doble Stub radial y 2 Slots curvos. (a) Diagrama

parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

.................................................................................................................................................... 55

Figura 3.28 Comparación de antenas con ranuras inferiores. (a) Diagrama parámetros S11. (b)

Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación. ............................ 57

Figura 3.29 Diseño antena calcada ............................................................................................. 59

Figura 3.30 Comparación simulación de antenas calcadas del artículo base. ................................ 60

Figura 3.31 Diseño modificado. (a) Diseño modificado con Stub Radial duplicado, (b) Resultados

simulación parámetros S11. ......................................................................................................... 61

Figura 3.32 Diseño modificado. (a) Diseño modificado con Stub Radial duplicado con slots curvos,

(b) Resultados simulación parámetros S11. .................................................................................. 61

Figura 3.33 Diferentes diseños implementados en la antena vivaldi con ranura cónica. .............. 62

Figura 3.34 Simulación parámetros S11 ....................................................................................... 63

Figura 3.35 Diseño AUTOCAD. (a) diseño a partir de elipses, plano positivo. (b) diseño final, plano

positivo (c) diseño a partir de elipses, plano tierra. (d) diseño final, plano tierra. ......................... 65

Figura 3.36 Diseño antena vivaldi antipodal con elipse parasita, (a) diseño final en HFSS. (b)

Excitación por medio de lumped port. ......................................................................................... 67

Figura 3.37 Resultados simulación parámetros S11 antena Vivaldi con elipse parasita. ............... 67

Figura 3.38 Resultados Simulados. (a) Diagrama de Ganancia. (b) Diagrama de Radiación en

13.6GHz ....................................................................................................................................... 68

V

Figura 3.39 Diseño antena vivaldi antipodal sin elipse parasita, (a) diseño final en HFSS. (b)

Excitación por medio de lumped port. ......................................................................................... 69

Figura 3.40 Diagrama simulado parámetros S11, antena vivaldi sin elipse parasita. ..................... 69

Figura 3.41 Diagramas simulado, antena vivaldi sin elipse parasita. (a) Diagrama de Ganancia. (b)

Diagrama de Radiación. ............................................................................................................... 70

Figura 3.42 Diseños Fabricados. .................................................................................................. 70

Figura 3.43 Comparación de antenas fabricadas. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de

Ganancia. (c) Diagrama de Eficiencia. (d) Diagrama de radiación. ................................................. 71

Figura 3.44 Comparación de antenas fabricadas. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de

radiación. (c) Diagrama de Ganancia ............................................................................................ 72

Figura 4.1 Diagrama Medido con RODHE. .................................................................................... 73

Figura 4.2 diagrama medido en ANRITSU .................................................................................... 74

Figura 4.3 Diagrama medido y simulado parámetros S11. ........................................................... 74

Figura 4.4 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ............. 75

Figura 4.5 Diagrama medido con RODHE. .................................................................................... 75

Figura 4.6 Diagrama medido con Anritsu ..................................................................................... 76

Figura 4.7 comparación resultados obtenidos y simulados, antena vivaldi con slots curvos. ....... 76

Figura 4.8 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ............ 77

Figura 4.9 Parámetros S11 diagrama medido. ............................................................................. 77

Figura 4.10 Diagrama en Anritsu. ................................................................................................ 78

Figura 4.11 Parámetros S11 comparación medido y simulado. ................................................... 78

Figura 4.12 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ........... 79

Figura 4.13 Parámetros S11 diagrama medido. ........................................................................... 79

Figura 4.14 Diagrama en Anritsu ................................................................................................. 80

Figura 4.15 Comparación parámetros S11 diagrama medido y simulado. .................................... 80

Figura 4.16 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ........... 81

Figura 4.17 Parámetros con RODHE, comparación diagrama medido en las 4 antenas. ............... 81

Figura 4.18 Comparación diagrama medido con Anritsu .............................................................. 82

Figura 4.19 Diagrama Medido con RODHE, antena Vivaldi con elipse parasita. .......................... 83

Figura 4.20 Diagrama medido en ANRITSU .................................................................................. 83

Figura 4.21 Comparación parámetros S11 medido y simulado. .................................................... 84

Figura 4.22 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra. .......... 84

Figura 4.23 Diagrama Medido con RODHE, antena Vivaldi sin elipse parasita. ............................ 85

Figura 4.24 Diagrama medido en ANRITSU .................................................................................. 85

Figura 4.25 Comparación parámetros S11, diagrama medido y simulado. ................................... 85

Figura 4.26 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra ........... 86

Figura 4.27 Diagrama medido antena Vivaldi con elipse parasita y sin elipse parásita. ................ 86

Figura 4.28 Comparación diagrama antenas medidas y simuladas con elipse y sin elipse. ............ 87

Figura 4.29 Resultados Artículo base. Tomada de [35] con propósitos académicos ...................... 87

VI

VII

Lista de Tablas Tabla 2.1 Constantes dieléctricas de algunos substratos de material compuesto (f = 10GHz). ........ 14

Tabla 2.2Características de los substratos expuestos a una frecuencia de 10GHz ........................... 15

Tabla 2.3Algunas características de sustratos de la empresa TACONIC ........................................ 16

Tabla 3.1 Algunas características del sustrato RF300600 .............................................................. 29

Tabla 3.2 Valores iniciales para la slotline, 0=3GHz .................................................................... 30

Tabla 3.3 Algunas características del sustrato RF300600 .............................................................. 32

Tabla 3.4 Característica primer diseño haciendo uso de modelo. ................................................. 33

Tabla 3.5 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 35

Tabla 3.6 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 39

Tabla 3.7 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 42

Tabla 3.8 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 44

Tabla 3.9 Características antenas vivaldi con ranura cónica. ......................................................... 46

Tabla 3.10 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos. ................................. 48

Tabla 3.11 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos. ................................. 50

Tabla 3.12 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos .................................. 54

Tabla 3.13 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 56

Tabla 3.14 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 58

Tabla 3.15 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 60

Tabla 3.16 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 62

Tabla 3.17 Características antenas vivaldi con ranura cónica ........................................................ 63

Tabla 3.18 características elipses ................................................................................................. 65

Tabla 3.19 características sustrato Rogers/RT Duroid 6002 .......................................................... 66

Tabla 3.20 Características de simulación antena vivaldi antipodal con elipse parasita. ................ 66

Tabla 3.21 Características de simulación antena vivaldi antipodal sin elipse parasita. .................. 68

VIII

1

1. Capítulo Introducción

En la actualidad, el diseño de dispositivos electrónicos que permiten la portabilidad en los sistemas de comunicaciones es de suma utilidad, ya que con ello se pueden realizar implementaciones más pequeñas cumpliendo con los criterios de eficiencia en el consumo de potencia, eficiencia en el uso del ancho de banda y una buena relación de costo beneficio. El diseñar e implementar dispositivos cada vez más pequeños en los sistemas de comunicaciones incluye a las antenas.

El desarrollo de antenas para la industria de aplicaciones móviles de telefonía y datos, redes de área local inalámbricas (WLAN), así como en redes de área personal inalámbricas (WPAN) ha experimentado un crecimiento muy rápido en años recientes impulsado por las demandas exigidas por los usuarios en términos de sus funcionalidades y por el deseo de movilidad en la comunicación y el rompimiento de las conexiones físicas a la red, convirtiéndose en el fragmento de mayor y más rápido crecimiento dentro del área de las telecomunicaciones [1].

En este sentido, la marca wi-fi que no es más que el estándar IEEE 802.11b de secuencia directa se desarrolla como mecanismo de conexión de dispositivos electrónicos de forma inalámbrica, el cual permite que el creciente número de dispositivos habilitados con wi-fi pueden conectarse a internet a través de un punto de acceso de red inalámbrica. El mercado actual ofrece una gran variedad de dispositivos y aplicaciones como es el caso de computadores personales, televisores inteligentes, videoconsolas, teléfonos inteligentes, reproductores de música y otros sistemas que hacen uso de esta marca [2].

Por otra parte, otra de las tecnologías con amplia investigación en la actualidad son las redes de sensores inalámbricas o WSN, por sus siglas en inglés (Wireless Sensor Network), las cuales han contribuido a que el ser humano pueda monitorear, controlar e interactuar con diferentes entornos de forma remota, a diferencia de las redes cableadas, estas redes proporcionan mayor versatilidad al permitir realizar enlaces a través de una interfaz radio eléctrica [3].

Al interior del grupo GRECO se ha incursionado en el diseño de antenas de alta ganancia, amplio ancho de banda, resonancia múltiple, polarización simple, dual o circular, haciendo uso de tecnologías como: sustratos microstrip, antenas plana F invertida (PIFA), antena F invertida (IFA), antenas de placa suspendida (SPA), monopolos cargados, antenas cargadas con celdas meta material (CSRR); en este sentido, en [4] se presenta el diseño y optimización de una antena logarítmica periódica operando a una frecuencia de 869MHz - 2.778GHz, con ganancia de 2.74dBi y 3.06dBi en las bandas inferior y superior respectivamente, la cual fue diseñada sobre sustrato microstrip. Por otra parte, en este mismo trabajo se investiga el

2

diseño de una antena de parche suspendido (SPA) de alto perfil que opera en el rango de 2.18 GHz – 2.58 GHz (6.58%), logrando ganancias superiores a 7.2dBi.

Por otra parte, en [5] se presenta el diseño de una antena de placa suspendida circular (SPA) con polarización circular configurable de RHCP a LHCP la cual opera en el rango de 1.92GHz – 3.30GHz (52.87%), ganancia de 8.18 dBi, así mismo, en este mismo trabajo se presenta el diseño de una antena microstrip del tipo parche circular cortocircuitado en el centro que opera en el rango de 2.16GHz – 3.21GHz (39.18%) y una ganancia de 6.26dBi. De igual manera, en [6] se reporta el diseño de una antena en anillo circular cortocircuitado con polarización circular y sentido de giro reconfigurable, con mejoramiento de la relación axial mediante el uso de un acoplador híbrido de 90°. La estructura total presenta dimensiones de 76 mm x 76 mm x 3 mm, por lo que puede ser integrada en una de las caras de un satélite CubeSat 1U. El diseño propuesto muestra un amplio ancho de banda de impedancia del 33.33 % en el rango de frecuencias de 1.9GHz a 2.66GHz para un coeficiente de reflexión inferior a -10 dB y una ganancia máxima de 6.1dBi a una frecuencia central de 2.35GHz.

Las antenas usadas tradicionalmente para operar en grandes anchos de banda han sido las antenas Vivaldi y la logarítmica. A este respecto, la antena Vivaldi, también conocida como la ranura cónica Vivaldi antena (TSVA) fue propuesto inicialmente por Gibson en 1979 [7].

El presente trabajo surge como una continuación de las investigaciones llevadas a cabo en [4], donde se estudiaron la antena logarítmica periódica sobre sustrato microstrip para aplicaciones en redes de sensores (WSN) y con base en este, se pretende mejorar los resultados alcanzados para aplicaciones en el mismo tipo de redes y por otra parte presentar soluciones para antenas en las bandas de WI-FI de 2.4GHz y 5GHz.

Una vez finalizado el estudio minucioso de la literatura se llegó a la conclusión de que la antena idónea que satisface las exigencias requeridas es la antena Vivaldi ya que es una antena de onda viajera del tipo “End-Fire” o longitudinal, con polarización lineal, alta ganancia y gran ancho de banda. La antena Vivaldi posee una geometría exponencial cónica, por lo que el escalamiento continuo y la curvatura gradual de la estructura radiante aseguran teóricamente un ancho de banda ilimitado, el cual se restringe en la práctica por las dimensiones de la placa exponencial cónica y por la línea de alimentación. Otra de las características de la antena vivaldi que la hace idónea para las aplicaciones antes descritas es que la ganancia de las antenas Vivaldi depende tanto de la longitud como de la curvatura de la ranura cónica. Teniendo en cuenta lo anterior, las prestaciones de las antenas Vivaldi, las hacen idóneas para utilizarse en los sistemas objeto de esta investigación a saber: WI-FI y WSN, teniendo en cuenta que poseen alta ganancia y gran ancho de banda, pudiendo cubrir más de dos octavas.

El grupo GRECO cuenta con las línea de investigación en elementos radiantes y la línea de antenas activas y/oreconfigurables con resultados reportados en la literatura [1], [4-6], [8-18], lo cual le permite hoy investigar en el desarrollo de nuevas propuestas tendientes al mejoramiento de parámetros de antenas en las tecnologías existentes, o diseño de antenas para nuevas aplicaciones o servicios que requiera el mercado. Esta experiencia le permite

3

hoy cumplir con los objetivos propuestos en este trabajo, al igual hacer parte de nuevas investigaciones en el desarrollo de antenas para diversas aplicaciones, proponiendo nuevas geometrías/tecnologías, mejorando parámetros o adaptando las geometrías de antenas que ofrece hoy algunas de las tecnologías existentes para que cumpla con los especificaciones que la aplicación requiera, poniendo especial dedicación en tareas de exploración de nuevas técnicas que pueden ser empleadas para mejorar cada uno de los parámetros principales para las aplicaciones que así lo requieran.

4

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

A pesar del avance existente en cuanto a diseño de antenas de reducido tamaño y altas prestaciones en parámetros como: ganancia, ancho de banda se requiere explorar nuevas propuestas de antenas de reducido tamaño y bajo perfil que respondan en anchos de banda amplia para aplicaciones en sistemas como es el caso de WI-FI en las bandas de 2.4GHz y 5GHz, o redes de sensores (WSN) en las bandas de 915MHz y 2,4GHz.

1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

¿Es posible diseñar una antena en tecnología microstrip con anchos de banda superiores a 2:1, con ganancias que superen un nivel de 3.5dBi, con tamaño reducido y bajo perfil?

1.3. JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo surge de la motivación por desarrollar nuevas propuestas de antenas con amplias prestaciones y tamaño y perfil reducidos, particularmente motiva el investigar en el desarrollo de antenas con ancho de banda grande y alta ganancia, lo cuales se constituyen en uno de los objetos de investigación al interior del grupo GRECO. Trabajos previos en el grupo GRECO presentaron diversas soluciones de antenas microstrip con gran ancho de banda [1], [4-6], sin embargo, en este trabajo se pretende explorar nuevas propuestas de antenas que operen en anchos de banda mayores a 2:1, con ganancias que superen un nivel de 3.5dBi, con tamaño reducido y bajo perfil, para aplicaciones en sistemas como es el caso de WIFI y redes de sensores (WSN) en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y 915MHz, 2,4GHz respectivamente. Teniendo en cuenta las exigencias anteriormente descritas y la curiosidad por investigar las antenas Vivaldi debido a que ofrecen una ganancia significativa, polarización lineal y ancho de banda amplio, resultados que se obtienen debido a su geometría exponencial cónica, a su escalamiento continuo y la curvatura gradual de la estructura radiante, lo cual asegura teóricamente un gran ancho de banda haciéndola flexible para diferentes aplicaciones que requieran un gran ancho de banda a diferentes frecuencias, y que por otra parte, todo esto se puede lograr sin aumentar significativamente el tamaño de la antena, teniendo en cuenta que la frecuencia de la antena se restringe en la práctica por las dimensiones de la placa exponencial cónica y por la línea de alimentación.

Esta clase de antenas posee una limitación de banda a altas frecuencias la cual es producida por las estructuras de transición entre la tecnología microstrip y la slotline, mientras que a bajas frecuencias es generada por la limitación en el ancho del parche o “taper” de la antena.

5

1.4. OBJETIVOS

1.4.1. General

Diseñar y caracterizar una antena microstrip con ancho de banda de impedancia mayor a 2:1 y ganancia superior a 3.5dBi para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores (WSN), que posea reducido tamaño y bajo perfil.

1.4.2 Específicos

• Determinar la tecnología y material apropiados que permitan diseñar antenas microstrip con anchos de banda superiores a 2:1 y ganancias mayores a 3.5dBi.

• Optimizar los diseños propuestos con mínimo dos software de simulación. • Diseñar y optimizar antenas planas sobre sustratos microstrip con anchos de banda

superior a 2:1 para aplicaciones en las bandas de WIFI 2.4GHz y 5GHz o en las bandas de 900MHz y 2.4GHz para aplicaciones en redes de sensores, con ganancia superior a 3.5dBi.

• Fabricar los prototipos y caracterizarlos en impedancia y en diagrama hasta donde sea posible con los equipos disponibles en el laboratorio de la Universidad.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES

• Las antenas resultado de este trabajo podrán ser caracterizadas en impedancia hasta una frecuencia de 13.7GHz, teniendo en cuenta que esta es la frecuencia máxima de medida para uno de los VNA disponible en el laboratorio de la Universidad Distrital.

• En cuanto a la caracterización en diagrama, estas están limitadas a las prestaciones que brinda la cámara semi-anecoica CASSYLAB2 y los generadores de RF disponibles en el laboratorio de la Universidad Distrital a saber: En banda baja hasta 3GHz si en su momento se encuentra en operación el generador Hameg, por otra parte, es posible caracterizar antenas (si es necesario) en banda X mediante el generador Marconi disponible en el laboratorio, sin embargo esta medida queda restringida a un rango de 9GHz a 10GHz debido a la disponibilidad de antenas de referencia igualmente disponibles en el laboratorio.

• Otra de las limitaciones que se deben tener en cuenta es la disponibilidad en la Universidad de líneas de transmisión para altas frecuencias.

6

7

2. Capítulo Marco Teórico

Las antenas Vivaldi hacen parte de la familia de Tapered Slot Antennas (TSA) [7]. Esta familia pertenece al tipo de antenas de onda viajera de radiación longitudinal (End-fire traveling wave antennas), es decir antenas planas cuyas distribuciones de corriente y voltaje pueden ser representadas por una o más ondas viajeras, las cuales usualmente van en la misma dirección y se propagan con una velocidad de fase menor o igual a la velocidad de la luz [19], [20].

2.1. TECNOLOGÍA MICROSTRIP

El concepto de antenas de microcinta fue introducido por primera vez por Deschamps en 1953, y posteriormente recibieron considerable atención de forma práctica por Munson y Howell en los años setentas. Las ventajas de las antenas de microcinta son numerosas, tal como bajo perfil y peso, volumen reducido, bajo costo, facilidad de la instalación y fabricación fácil utilizando la tecnología de circuitos impresos, dando lugar al diseño de varias configuraciones para diferentes aplicaciones [20].

Las antenas de microcinta pueden ser de diferentes geometrías en su presentación simple, en donde la más común consiste de un parche rectangular impreso por una de las caras de un substrato dieléctrico (doble cara) y un plano de masa en la cara contraria. Sin embargo, también pueden ser cuadradas, circulares, triangulares, dipolo, elíptico y de anillo como se observa en la figura 2.1. Las antenas de microcinta han demostrado ser unos excelentes radiadores electromagnéticos para muchas aplicaciones debido a sus ventajas adicionales, como lo son: la integración fácil con circuitos de montaje superficial (MICs) en el mismo substrato, facilidad de adaptar la impedancia y la frecuencia a los valores deseados, posibilidad de operación de la antena en banda múltiple.

Los sustratos Microstrip constan de dos películas conductores separados por un dieléctrico como se observa en la figura 2.2. El espesor del dieléctrico, su permitividad dieléctrica así como la tangente de pérdidas junto con las ecuaciones que modelan su comportamiento permiten calcular el ancho de la línea de transmisión, la geometría del parche en caso que se trate de una antena, o el circuito de microondas deseado como es el caso de un acoplador híbrido, divisor de potencia, desfasador, rede de Butler, etc. para lo cual el mercado ofrece una gran variedad de substratos que se pueden usar dependiendo del dispositivo que se requiere diseñar.

8

Las desventajas principales de la tecnología microstrip radica en los bajos niveles de potencia que pueden manejar debido a la naturaleza de las mismas, al igual que a las pérdidas de potencia asociadas al conductor, al dieléctrico y a la radiación por discontinuidades, por otra parte, esta tecnología ofrece un reducido ancho de banda con las geometrías básicas [1], [20], los cuales pueden ser ampliados grandemente como es el caso de una antena Vivaldi diseñada sobre un sustrato microstrip.

Figura 2.1 Geometrías representativas de elementos Microstrip tipo parche.

Figura 2.2. Vista lateral de una antena Microstrip.

2.1.1. Alimentación

La alimentación de una antena microstrip genera variaciones en el comportamiento de la misma, al igual que en la facilidad o dificultad de su fabricación. A continuación se exponen varias de las técnicas reportadas en la literatura para alimentar este tipo de antenas.

9

2.1.1.1. Alimentación por contacto. ALIMENTACIÓN POR CABLE COAXIAL El acoplamiento de potencia a través de una sonda, es uno de los mecanismos básicos para la transferencia de señal de microondas. Dicha sonda puede tratarse del conductor interno de una línea coaxial que se extiende a través del dieléctrico y se suelda al parche, mientras que el conductor exterior es conectado al plano a tierra como se observa en la figura 2.3. La alimentación mediante sonda coaxial tiene como ventaja la simplicidad de diseño, ya que se debe limitar solamente al posicionar el punto de alimentación de manera que se ajuste el nivel de impedancia de entrada de la mejor manera posible, sin embargo, también cuenta con algunas limitaciones como se nota a continuación. En primer lugar, cuando se trata de agrupaciones alimentadas por coaxial, será necesario realizar varios empalmes por soldadura, lo cual dificulta la fabricación y compromete la fiabilidad. En segundo lugar, cuando se emplean substratos más gruesos con el fin de incrementar el ancho de banda del parche, se requerirá de sondas más largas, lo cual da lugar a un incremento en la radiación no deseada proveniente del coaxial; incrementa la potencia de onda superficial y la dificultad para adaptar la impedancia a los valores requeridos, debido al incremento en la inductancia equivalente en el puerto de alimentación [21].

Figura 2.3 Alimentación por cable coaxial.

ALIMENTACIÓN POR LÍNEA DE MICROCINTA

La excitación de la antena de microcinta mediante una línea metálica plana impresa sobre el mismo substrato cuenta con algunas limitaciones. El acoplamiento entre la línea de microcinta y el parche puede ser llevado a cabo mediante el diseño de un transformador

10

cuarto de onda que se conecta en uno de sus bordes, esto para acoplar la impedancia en el borde del parche que suele presentar valores en el rango de 200Ω ≤ ≤ 300Ω al valor de impedancia requerido en la línea de transmisión, con el inconveniente que agranda la antena, este tipo de alimentación se muestra en la figura 2.4. Por otra parte, se suele emplear la estrategia de dejar una pequeña ranura entre ambos como se observa en la figura 2.5 con el objetivo de adaptar impedancias, de manera que no se tengan que utilizar elementos adicionales para hacerlo [21].

Figura 2.4Parche de microcinta alimentado por una línea acoplada a uno de sus bordes.

Figura 2.5 Línea de cinta acoplada a uno de sus bordes con una ranura en medio.

El transformador cuarto de onda puede generar la propagación de radiación no deseada, aparte que no se los puede acomodar en agrupaciones grandes debido al espacio requerido en el substrato. Por otra parte, la línea de alimentación bloquea parte de la radiación proveniente de uno de los bordes del parche, lo cual se traduce en una reducción de ganancia, seria desventaja cuando se emplea este tipo de alimentación en frecuencias muy altas donde el acoplamiento del radiador se compara con el ancho de la línea que lo alimenta. Por otra parte, la alimentación mediante separación línea/parche, debe ser pequeña si se pretende un eficiente acoplamiento de potencia. Sin embargo, una separación, por más pequeña que sea,

11

puede limitar la capacidad de la antena de manipular la potencia entregada; sin perder de vista que una línea cuyo extremo permanece abierto, daría lugar a radiación no deseada [21]. La técnica de inserción de la línea de transmisión mediante una ranura (inset) que penetra el parche como se muestra en la figura 2.6, abolió tales desventajas. El tamaño () de la penetración de la ranura en el parche depende del punto en el cual la impedancia de entrada de la antena sea de 50Ω. El punto resulta ser aproximadamente el mismo que para la alimentación por coaxial. Sin embargo, la sección de línea de transmisión se inserta a lo largo del parche, se debe modelar como una guía de ondas coplanar (en el mismo plano) con plano a tierra de tamaño finito y paredes conductoras [21].

Figura 2.6 Alimentación por línea de cinta insertada en el parche radiador

.

2.1.1.2. Alimentación sin contacto ALIMENTACIÓN POR PROXIMIDAD

También conocida como alimentación por acoplamiento electromagnético, en estos métodos la alimentación no tiene contacto directo con el radiador si no que el acoplamiento es electromagnético. En este método se tiene al radiador sobre un substrato dieléctrico y en la parte inferior de esta estructura se tiene una línea de alimentación de otro substrato dieléctrico con un plano tierra. Este método tiene como ventaja que el radiador así como la estructura de alimentación puede optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas de substratos dieléctricos; un substrato para obtener las mejores características del radiador (substratos más anchos con permitividad baja) y en la alimentación (Substratos delgados y con permitividad alta). Finalmente, su principal desventaja radica en la dificultad de construcción, debido a que es multicapa, lo cual a su vez resulta un aumento de grosor de la antena. En la Figura 2.7 se muestra la estructura general de este método. [21-24].

12

Figura 2.7 Alimentación por el método de Proximidad

ALIMENTACIÓN POR APERTURA

El método de apertura presenta similitud con el de proximidad debido a que también utiliza dos substratos dieléctricos uno para el radiador y otro para la alimentación. La estructura de este método está compuesta por un radiador sobre un substrato dieléctrico y sobre un plano de tierra compartido seguido de otro substrato dieléctrico para la alimentación y finalmente una línea de alimentación en la parte inferior de la estructura. Para lograr la excitación, una línea de cinta en el substrato inferior se acopla electromagnéticamente al parche mediante una apertura en el plano a tierra. El plano tierra tiene una apertura cuyas dimensiones y posición influyen en la impedancia y por ende fundamentales a la hora de mejorar el ancho de banda. Esta configuración cuenta con dos características fundamentales: amplio ancho de banda y el encapsulamiento de la radiación proveniente del alimentador hasta el acoplamiento irradiante. Una ventaja con respecto a la alimentación por proximidad es que en la alimentación por apertura, al estar la línea de alimentación en la parte inferior y separada de la antena por el plano tierra, la radiación de esta es mínima en la dirección de radiación de la antena con lo que se evita que haya interferencias y polarizaciones cruzadas. En resumen, esta técnica de alimentación puede diseñarse de manera que se permita aumentar el ancho de banda ajustando la forma y tamaño de la ranura junto con el ancho de la línea, permitiendo alcanzar anchos de banda de impedancia de alrededor del 21%. La mayor dificultad de esta técnica es su construcción, ya que posee múltiples capas y además se debe aumentar su grosor. En la Figura 2.8 se muestra la estructura general de este método. [21-24].

13

Figura 2.8 Alimentación por el método de Apertura.

2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBSTRATOS PARA ANTENAS DE MICROSTRIP

El primer paso en el diseño de una antena microstrip es la elección del substrato adecuado, ya que este proporciona el soporte mecánico al elemento, esto significa que debe estar compuesto de un material dieléctrico que puede afectar su rendimiento, ya sea en una antena, en dispositivos pasivos de microondas, o líneas de transmisión.

Para poder llevar a cabo la elección apropiada del sustrato, se deben considerar varios de sus parámetros al mismo tiempo a saber: rango de frecuencias de operación, espesor del sustrato dieléctrico, constante dieléctrica y su variación en función de la temperatura y de la frecuencia y la tangente de pérdidas entre otros.

El mercado ofrece una interesante variedad de sustratos en diversos materiales a saber: PTFE (politetrafluoroetileno), poliestireno, poliolefina, polifenileno, alumina, zafiro, cuarzo, materiales ferromagnéticos y semiconductores, lo cual permite disponer de una considerable flexibilidad en la elección del dieléctrico idóneo. No existe “el substrato ideal”, sino la elección dependerá de la aplicación que lo requiera. Aplicaciones en baja frecuencia implican utilizar un substrato con alta constante dieléctrica para poder mantener un reducido tamaño, pero en el caso de antenas de microcintas se suelen utilizar substratos con baja constante dieléctrica, [1], [20]. Las constantes dieléctricas de algunos substratos compuestos recomendables para antenas de microcintas se enumeran en la tabla 2.1.

14

Tabla 2.1 Constantes dieléctricas de algunos substratos de material compuesto (f = 10GHz).

Materiales εp Tanδ Materiales εp Tanδ

RT/Duroid 5870 2,33 ± 0,02 0,0012 Arion DiClad 527 2,5 ± 0,04 0,0019

RT/Duroid 5880 2,2 0,0009 Arion DiClad 870 2,33 ± 0,04 0,0012

RT/Duroid 6002 2,94 0,0012 Arion DiClad 880 2,20 ± 0,04 0,0009

RT/Duroid 6006 6,0 ± 0,15 0,0019 Arion DiClad 810 10,5 ± 0,25 0,0015 RT/Duroid 6010,5 10,5 ± 0,25 0,0024 Arion Epsilam-10 10,2 ± 0,25 0.002

Ultralam 2000 2,5 ± 0,05 0,0022 Arion Cuclad 250 2,4 – 2,6 0,0018

RD 3003 3,0 ± 0,04 0,0013 Arion Cuclad 233 2,33 ± 0,02 0,0014

TMM-3 3,25 0,0016 Arion Cuclad 217 2,17 ± 0,02 0,0008

TMM-4 4,5 0,0017 Arion IsoClad 917 2,17 ± 0,02 0,0011

TMM-6 6,5 0,0018 Arion IsoClad 933 2,33 ± 0,02 0,0014

TMM-10 9,8 0,0017 Epoxy FR4 GE313 4,4 0,01

Trans- Tech D-MAT

9,8 - 14 <0,0002 Trans- Tech D-450

4,5 <0,0004

Trans- Tech S-145 10 <0,0002 Trans- Tech S8400

10,5 <0,0001

Taconic-TLY 2,17-2,20 ± 0,02

0,0009 Taconic-RF-35TCA

3,5 ± 0,05 0,0017

Taconic-TLP 2,2-2,33 ±0,03

0,0009 Taconic-RF-35TC 3,5 ± 0,05 0,0011

Taconic-TLX 2,45-2,65 ± 0,04

0,0015- 0,0021

Taconic-RF-35 3,5 ± 0,1 0,0018

Taconic-TLA 2,62 0,0012 Taconic-RF-35A2 3,5 ± 0,05 0,0018

Taconic-TLC 2,75 3,0 3,2

0,0022 0,0028 0,0030

Taconic-RF-41, RF-43, RF-45

4,1 4,3

4,5 ± 0,15

0,0038 0,0033 0,0037

Taconic-TLE 2,95 0,0026 Taconic-TRF-43 4,3 ± 0,15 0,0035

Taconic-TLT 2,45-2,65 ± 0,04

- Taconic-RF-60TC 6,15± 0,15 0,0020

Taconic-RF-30 3,0 ± 0,01 0,0014 Taconic-60A 6,15± 0,25 0,0028

Taconic-TLF-35A 3,5 ± 0,05 0,002 Taconic-RF-30A 2,97 ± 0,07 0,0012

En la tabla 2.2 se puede observar algunas características de los sustratos expuestos a una frecuencia de 10GHz.

15

Tabla 2.2Características de los substratos expuestos a una frecuencia de 10GHz

Sustrato Constante

dieléctrica

Constante

de perdida

Estabilidad

dimensional

Resistencia

Química

Rango de

temperatura

Costo

relativo

Cerámica 9.8

.0004

Excelente

Excelente

Hasta + 1600

Medio a alto Alúmina

Zafiro 9.4 ; 1.6 .0001 Excelente Excelente -24 a + 370 Muy alto

Semiconductores 13

-0006

Excelente

Excelente

-55 a + 260

Muy alto GaAs(>10Ω-m)

Silicon (>10Ω-m) 11.9 .004 Excelente Excelente -55 a + 260 Alto

Ferromagnéticos 9.0 a 16.0

.001

Excelente

Excelente

-24 a + 370

Medio ferrita

Sintéticos 2.1

.0004

Pobre

Excelente

-27 a +260

Medio PTEF(teflón)

Polipropileno 2.18 + 0.05 .0003 Pobre Bueno -27 a + 200 Medio Polioxido de

fenileno(PPO) 2.55 .0016 Bueno Pobre -27 a + 193 Medio

Mezcla de poliestireno enlazado

2.54 .0005 Bueno Bueno -27 a +110 Medio

Poliolefina irradiada 2.32 .0005 Pobre Excelente -27 a + 110 Bajo

Compuestos 2.17 a 2.55

.0009 a .0022

Excelente

Excelente

-27 a +260

Medio PTFE- vidrio, red

entrelazada

PTFE- vidrio, fibra 2.17 a 2.55 .0009 a .0015

Regular Excelente -27 a + 260 Medio a alto

PTFE- cuarzo, reforzado 2.47 .0006 Excelente Excelente -27 a + 260 Alto PTFE- ceramica, compuesto

10.2 .002 Excelente Bueno -15 a + 170 Alto

Mezcla poliestireno –vidrio enlazado

2.62 .001 Bueno Bueno -27 a +110 Bajo

Mezcla poliestireno –cuarzo entrelazado

2.6 .0005 Bueno Bueno -27 a +110 Medio a alto

Mezcla poliestireno – cuarzo con tramas entrelazadas

2.65 .0005 Bueno Bueno -27 a +110 Medio a alto

Mezcla poliestireno –cerámica entrelazado, rellenado de polvo

3 a 15 .0005 a .0015

Regulas a bueno

Regular -27 a +110 Medio a alto

Teflón-vidrio, reforzado 2.55 .0015 Bueno Excelente -27 a + 260 Medio Teflón –cerámica, reforzado

2.3 .001 Regular a bueno

Excelente -27 a + 260 Medio a alto

Teflón –cuarzo, reforzado

2.47 .0006 Bueno Excelente -27 a + 260 Alto

Teflón –cerámica, rellenado

10.3 .002 Bueno Excelente -27 a + 260 Bajo

Poliolefina irradiada con vidrio reforzado

2.42

.001

Regular

Excelente

-27 a + 100

Medio

Poliolefina –cerámica 3 a 10 .001 Pobre Excelente -27 a + 100 Alto Vidrio –enlazado mica 4.5 .002 Excelente

Excelente

-27 a + 593

Medio a

alto

16

En La tabla 2.3 se puede observar las características de alguno de los sustratos que fabrica la empresa TACONIC.

Tabla 2.3Algunas características de sustratos de la empresa TACONIC

sustratos Constante Dieléctrica Tangente de perdida Grosor (mm)

TLY-5A-0200-CVH/CVH 2.17 +/-0.02 0.0009 0,508

RF-30-0600-CLH/CLH 3.00 +/-0.10 0.0014 1,524

RF-43-0620-CLH/CLH 4.30 +/-0.15 0.0033 1,575

TLX-0-0200-CH/CH 2.45 +/-0.04 0.0019 0,508

RF-35A2-0200-E-C1/C1 3.50 +/-0.5 0.0016 0,51

RF-35-0600-CLH/CLH 3.5 +/-0.1 0.0018 1,524

TLC-32 3.20 +/-0.05 0.003 ≥0.79

TLP-5-0300 2.20 +/- 0.03 0.0009 0,78

RF-60A-0600 6,15 0.0038 1,52

TLY-5-L-0050 2,2 0.0009 0,13

2.3 ANTENA CÓNICA DE RANURAS.

Las antenas cónicas de ranura (TSAs), también conocidas como antenas de corte, pertenecen a la clase general de antenas de onda viajera (TWAs). Siendo una antena impresa, esto abre la discusión sobre los métodos de alimentación, permite seleccionar el enfoque principal en los diseños y mide las características de una transición apropiada entre una ranura lineal y cualquier otra línea de transmisión.

La antena Vivaldi de ranura cónica es considerada como el diseño original, el cual consiste básicamente de una línea ranurada con forma de cono exponencial, la cual se fabrica en una sola capa de metalización de un substrato dieléctrico. El perfil cónico exponencial de este tipo de antena crea una transición suave de la línea ranurada al espacio libre. Esta estructura presenta dos limitaciones para lograr que opere en banda ancha a saber: En primer lugar la línea ranurada comienza a radiar significativamente si se satisface la siguiente condición:

17

= 2

Donde: Es el ancho de la ranura y Es la longitud de onda en el material dieléctrico.

(2.1)

La abertura final del cono exponencial define la frecuencia más baja de operación, mientras que el ancho de la ranura al inicio de la estructura cónica se calcula para la frecuencia superior.

El uso de transiciones de este tipo era común en los primeros diseños, sin embargo, en los últimos años ha sido remplazado por las antenas Vivaldi antipodal. La transición de microcinta a línea ranurada es la más utilizada para las antenas de ranura cónica, como la que se muestra en la figura 2.9. [21].

Figura 2.9 Antena Vivaldi de ranura cónica con transición de microcinta a línea ranurada

2.4. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL

La antena Vivaldi antipodal fue investigada con el propósito de solucionar los problemas de alimentación que tenía el diseño original [25]. La configuración antipodal, se crea en un substrato dieléctrico con metalización en ambos lados. Esta antena se alimentada con una

18

línea de microcinta a través de una transición de líneas paralelas, como se muestra en la figura 2.10.

Figura 2.10 Antena vivaldi Antipodal.

La antena Vivaldi antipodal se puede diseñar empleando diferentes metodologías a saber:

2.4.1 Método de Gazit.

En la figura 2.11. Se muestra el bosquejo de la antena Vivaldi antipodal, donde se ilustran los parámetros empleados en las ecuaciones de diseño

Figura 2.11 Diseño de la antena Vivaldi Antipodal mediante la metodología de Gibson (1979). Tomada [26] con propósitos académicos.

Las ecuaciones de diseño empleadas por [25] son las propuestas por Gibson, P. J., en [7] y se definen de la siguiente manera: = + (2.2)

19

= !"#$% &#$%" ; = #$% " !#$%" #$% &#$%"

(2.3)

La transición de ranura cónica tiene una razón de apertura R y los dos puntos P1((, *) y

P2((, *) definen la curvatura exponencial. Las constantes y dadas en la ecuación (2.3), se determinan por las coordenadas del primer y último punto de la curva exponencial. Debido a que la antena antipodal opera como una antena resonante en la parte final de la estructura, que corresponde a la frecuencia más baja de operación. El ancho de la abertura W se calcula con respecto a esta frecuencia y se relaciona con la constante dieléctrica efectiva del substrato, como se muestra en la siguiente ecuación:

= +2 ,-#.. (2.4)

Donde es la frecuencia mínima y + es la velocidad de la luz [26].

Las ecuaciones (2.2) y (2.3) han sido empleadas en [27-29] para diseñar este tipo de antenas, debido a que la curvatura que se obtiene con las ecuaciones puede ser moldeada fácilmente. Sin embargo la ecuación (2.2) tiene algunas limitaciones, ya que proporciona una curvatura de un punto a otro, pero si se quiere alargar o disminuir la longitud de la antena, es necesario

volver a calcular la curvatura y las constantes y dadas en la ecuación (2.3).

2.4.2. Método utilizando elipses

Una alternativa que ha surgido es emplear elipses para obtener las curvaturas de la antena [25]. Sin embargo la limitante que tiene este método de diseño, es que la elipse tiene una curvatura única y que generalmente para hacer un cambio en su curvatura se tiene que aplicar una nueva elipse, lo cual hace que su diseño sea complicado. La metodología propuesta por [30] emplea tres elipses como se muestra en la figura 2.12, y cuyas coordenadas se pueden determinar de la siguiente manera:

20

* = / ∗ 11 − (( − ( 34 + * 56 7 = 1,2,3

(2.5)

Donde 4, /, 4 y 4, / muestran el eje mayor y menor de la parte interna y externa de la elipse respectivamente, mientras que las coordenadas ((, *3, ((, *3 * ((, *3 y corresponden a los centros de las elipses [30].

Figura 2.12 Vivaldi Antipodal diseñada con tres elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos.

Una alternativa adicional que emplea cuatro elipses para formar la estructura completa de la antena como la que se muestra en la figura 2.13, es la propuesta [31] como sigue:

#.. = 8√-: = √-: , ; = #..2

(2.6)

<; = ;, =>:?>@,A = ;2 , BC:D>@,A = ; − .2

(2.7)

Donde ; es al ancho, <; es la longitud de la antena, =>:?>@,Ay BC:D>@,A

corresponden a los radios

de las elipses.

21

Figura 2.13 Vivaldi antipodal diseñada con elipses. Tomada de [26] con propósitos académicos.

2.5. ESTADO DEL ARTE

El campo de la tecnología Microstrip ha tenido un gran avance para distintas aplicaciones en las cuales el tamaño, el diseño y otros parámetros son fundamentales, a partir del momento en el cual se desarrolla investigación en torno a esta tecnología, aparecen distintas líneas y desarrollos que son de gran importancia para cualquiera de las aplicaciones que se requiera, a partir de diversas modificaciones en el diseño de la antena Vivaldi tradicional se busca adecuar los parámetros de desempeño y disminuir el tamaño de la antena. Algunas de estas modificaciones se centran en el diseño de la estructura de alimentación, mientras que otras prestan especial atención a la geometría del taper y la introducción de ranuras de diferente geometría.

Es de gran importancia conocer a profundidad el diseño adecuado para lograr tener resultados requeridos conociendo diferentes tipos de antenas que se han estudiado en los últimos años. Una de las prioridades son los parámetros más importantes que describen el funcionamiento de una antena como el diagrama de radiación, ganancia, directividad, ancho de banda y características del sustrato, por lo que es importante estudiar cada uno de ellos.

Gracias a grandes avances en las antenas vivaldi existen tres tipos fundamentales de antenas Vivaldi, que pueden ser utilizarse para diseñar la estructura radiante, la Antena Vivaldi de ranura cónica, la Antena Vivaldi antipodal y Antena Vivaldi antipodal balanceada [32].

La antena vivaldi con ranura cónica cuenta con varios parámetros necesarios y de gran importancia a la hora de diseñarla, uno de los primeros parámetros a tener en cuenta en su diseño es el la elección del substrato adecuado, ya que proporciona el soporte mecánico al elemento, esto significa que debe estar compuesto de un material dieléctrico que puede afectar su rendimiento teniendo en cuenta características como la constante dieléctrica, tangente de pérdida y su variación en función de la temperatura y de la frecuencia y uniformidad del espesor. Ya que no es posible encontrar el sustrato ideal hay que tener en cuenta que cuando se trabaja a baja frecuencia implica utilizar un substrato con alta

22

constante dieléctrica para poder mantener el pequeño tamaño, pero en el caso de antenas de Microstrip se suelen utilizar substratos con baja constante dieléctrica [26]. Otro de los parámetros importantes es el perfil cónico de la ranura la cual presenta dos limitaciones para conseguir una banda ancha de operación de la antena. En primer lugar la línea ranurada comienza a radiar significativamente bajo la ecuación (2.1). Generalmente la abertura final del cono exponencial define la frecuencia más baja que puede ser radiada por la estructura, mientras que el ancho de la ranura al inicio de la estructura cónica se calcula para la frecuencia de corte superior. La segunda limitación es al ancho de la ranura, ya que la ranura tiende a ser más pequeña al aumentar la frecuencia máxima de operación, lo que hace más complicado el proceso de alimentación [26].

En [33] se presenta un método para diseñar una antena con ranura cónica antipodal alimentada con microstrip, que tiene un rendimiento de banda ultralarga (UWB) y dimensiones miniaturizadas. El método propuesto modifica la estructura de la antena para establecer una conexión directa entre el alimentador de microstrip y el radiador. Esa modificación, que elimina la necesidad de utilizar cualquier transición y / o baluns en la estructura de alimentación, es el primer paso en la miniaturización propuesta. En el segundo paso de la miniaturización, el radiador y el plano de tierra se ondulan para permitir una reducción adicional del tamaño de la antena sin poner en peligro su rendimiento. Los resultados simulados y medidos confirman los beneficios del método adoptado en la reducción de la superficie de la antena, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de la banda ancha. El diseño de la antena con ranura cónica atipodal alimentada con microstrip se muestra en la figura 2.14.

Figura 2.14 Configuración de (a) la TSA tradicional antipodal, (b) la estructura modificada, Y (c) estructura miniaturizada. . Tomada de [30] con propósitos académicos.

En [34] se presenta el diseño de dos tipos diferentes de antena Vivaldi para la formación de haz electromagnético. La primera es una antena Vivaldi antipodal, mientras que la otra es una antena cónica de Vivaldi. Ambos son antenas de banda ultra ancha para la banda de frecuencia de 1GHz a 5GHz. Tienen una baja distorsión de impulso y la relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR) es inferior a 2 en todo el ancho de banda. Las antenas se utilizan para la formación de haz de radio por impulso. En [35] se presenta un nuevo método para mejorar la directividad y el ancho de banda de la estructura de la antena Vivaldi

23

antipodal. El método se basa en la introducción de un parche elíptico parásito en la abertura para mejorar el acoplamiento de campo entre los brazos y producir una radiación más fuerte en la dirección final. Este enfoque mejora la directividad sin comprometer el rendimiento de baja frecuencia y elimina la necesidad de sustratos dieléctricos delgados eléctricamente. La estructura de antena propuesta, incluyendo la línea de alimentación y las medidas de transición 140 × 66 × 1,5 mm, tiene un pico de ganancia> 0 dBi en el rango de frecuencias 2-32 GHz y > 10 dBi en el rango de los 6 -21 GHz, el diseño de la antena vivaldi antipodal con elipse parasita se puede observar en la figura 2.15.

Figura 2.15 Diseño Antena Vivaldi Antipodal con elipse parasita. . Tomada de [35] con propósitos académicos.

Otro de los diseños a tener en cuenta en el diseño de antenas Vivaldi es la de emplear diferentes geometrías de slots, uno de los más eficientes en las antenas Vivaldi son los slots curvos formados por funciones exponenciales en el perfil externo del taper planteados en [36]. En [36] en el diseño se emplea una nueva estructura de borde ranurado cónico (TSE). El TSE propuesto tiene la capacidad de ampliar la limitación de ancho de banda en perfil bajoy mejorar las características de radiación en las frecuencias más bajas. También se fabrica un prototipo de la antena modificada y se estudia experimentalmente. Los resultados medidos muestran un acuerdo razonable con los simulados que validan el procedimiento de diseño y confirman los beneficios de la modificación. En la figura 2.16 se puede observar las diferentes geometrías de slots propuestos.

La Antena Vivaldi antipodal tiene un diseño diferente, su configuración se crea en un substrato dieléctrico con metalización en ambos lados. Esta antena es alimentada con una línea de microcinta a través de una transición de líneas paralelas, La antena Vivaldi antipodal se puede diseñar empleando diferentes metodologías, el método de Gazit, el método de Bourqui y el método de las Elipses el cual es utilizado en [31] .

24

Figura 2.16 Antenas Vivaldi con ranuras. (a) AVA original. (b) AVA con RSE. (c) AVA con TSE. Tomada de [36] con propósitos académicos.

La primera parte de la metodología de diseño consiste en elegir la frecuencia mínima de operación, seleccionar el substrato y calcular la constante dieléctrica efectiva para obtener la abertura de la antena W. Una vez que se ha obtenido la abertura, es importante definir las dimensiones y curvatura inicial de la antena, y encontrar la respuesta a los parámetros F,con respecto al de la antena, el cual debe cumplir la relación: F, ≤ −10GH.

En [31] se investiga una antena Vivaldi modificada con polarización cruzada mejorada que funcione en el rango de frecuencias de banda ultra-ancha (UWB) (3.1-10.6 GHz) para ser utilizado como sondas múltiples para el sistema de tomografía de microondas. El estudio incluye la investigación de las características de radiación de la antena, los pasos de diseño de la antena, los efectos de sensibilidad de fabricación en el rendimiento de la antena, empleando el método de las 4 elipses. El acoplamiento mutuo de elementos adyacentes, a pesar de su proximidad, es menor que -17dB y las variaciones de fidelidad para las antenas situadas delante del transmisor son inferiores al 10%.

En [37], con el fin de mejorar la directividad de la antena utilizada en las redes de área local inalámbrica (WLAN) IEEE 802.11a (MHz), se puede aplicar en varias antenas de diferentes sistemas de comunicación inalámbrica de vehículos como se muestra en la figura 2.17 y 2.18, se propone y fabrica una antena Vivaldi mejorada con directores planares delante de la abertura de la ranura cónica y de las ranuras transversales. Estos resultados medidos y simulados muestran que la antena mejorada de Vivaldi aumenta en 1,5 dB de ganancia en comparación con la normal en la IEEE 802.11a (MHz) WLAN. También tiene una alta directividad en la IEEE 802.11b (MHz) WLAN, IEEE 802.11y (MHz) WLAN u otros sistemas de comunicación inalámbrica (2400-4900 MHz). Además, la antena Vivaldi modificada en este trabajo puede mejorar la capacidad de resistencia a la distorsión de polarización causada por el techo del coche, que actúa como un gran plano de tierra en comparación con el convencional.

25

Figura 2.17 Diseño de la antena en la parte inferior. Tomada de [37] con propósitos académicos

Figura 2.18 Diseño de la antena en la parte superior. Tomada de [37] con propósitos académicos

Otro de los artículos que se estudió para el diseño de diferentes geometrías de ranuras fue [38], el estudio en este artículo es la reducción de la sección transversal radar (RCS) de la antena Vivaldi mediante modificaciones estructurales. Esto se realiza retirando una porción del metal del radiador e implementando ranuras periódicas adyacentes al borde radiante. Estas ranuras reducen las reflexiones perpendiculares del radiador, lo que provoca la reducción de la RCS monostática. La antena Vivaldi propuesta funciona de 4 a 12 GHz con una reducción adicional de 10 dB RCS en comparación con la antena Vivaldi de referencia. El diseño de esta antena se observa en la figura 2.19.

26

Figura 2.19 Diseño con ranuras circulares. Tomada de [38] con propósitos académicos.

Como articulo base para el diseño de la antena vivaldi con ranura cónica fue [39], En este documento, se estudian dos tipos diferentes de antena Vivaldi, están diseñados y probados adecuados para la formación de haces electromagnéticos. La primera es una antena Vivaldi antipodal, mientras que la otra es una ranura de antena Vivaldi ranurada. Ambos son ultra banda ancha antenas para la banda de frecuencia de 1GHz a 5GHz. Estas antenas tienen baja distorsión de impulso y la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es menor de 2 en todo el ancho de banda. Las antenas son utilizadas para la formación de haz de radio de impulso.

27

3. Capítulo METODOLOGÍA

La metodología usada para el diseño de las antenas está dividida en dos partes. La primera parte corresponde al diseño a partir de ecuaciones para obtener las medidas de cada uno de los parámetros y la segunda parte corresponde al diseño hecho a partir del diseño de un artículo base.

La falta de un procedimiento de diseño probado, de ecuaciones específicas y la multitud de parámetros de antena ajustables hicieron de este trabajo el estudio y la modificación de cada uno de los parámetros de la antena vivaldi de ranura cónica, verificando en que afecta a la antena y así lograr obtener la antena idónea.

Para iniciar el diseño de la antena Microstrip de banda ancha para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores que operen en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y las bandas de 915MHz y 2.4GHz respectivamente, con ganancias superiores 3.5dBi y polarización lineal, se estudiaron diferentes antenas vivaldi que trabajan a diferentes frecuencias.

3.1. DISEÑO ANTENA VIVALDI CON RANURA CÓNICA HACIENDO USO DE MODELO.

Como se ha comentado anteriormente, la antena Vivaldi es una antena de banda ancha que forma parte de la familia de las TSA (Tapered Slot Antennas), dentro del grupo cuyo máximo de radiación se encuentra en el plano de la antena, formalmente denominadas “End-Fire Antennas”. Dentro de este grupo, la antena Vivaldi se caracteriza por la forma de su apertura, que sigue un perfil exponencial.

A partir de un primer diseño haciendo uso de modelo y con ayuda del simulador IE3D se inició el trabajo donde se modificaron las propiedades electromagnéticas del diseño por medio del cambio de sustrato a uno con las características apropiadas y disponibles. Luego, haciendo uso del factor de escalado estimado en la primera etapa del proceso de diseño se efectuó con ayuda de AutoCAD las modificaciones de cada parámetro. Entonces se realizó la variación paramétrica de las variables relacionadas con la geometría de los perfiles exponenciales y asociado a esto, se ejecutó la simulación del coeficiente de reflexión S(1,1) correspondiente al primer barrido, con el fin de determinar la frecuencia mínima de trabajo. El siguiente paso fue el de que dado el caso de no obtener un límite inferior de frecuencia a los 915 MHz, se retornaba al escalado de las variables y la variación paramétrica hasta obtener mejores resultados. Al obtener resultados que se acerquen a frecuencias cercanas a

28

la que se necesitaba se agregaron diferentes tipos de ranuras de diferentes tamaños y formas para lograr la frecuencia menor o igual a la especificada sin aumentar de manera drástica el tamaño y así lograr continuar con la siguiente etapa, de forma contraria, en caso de no cumplir con dichas especificaciones se retomaba el diseño desde el escalamiento de las variables, pasando nuevamente por la variación paramétrica, la modificación de las diferentes formas de ranuras y probando diferentes diseños de alimentación.

Figura 3.1 Parámetros de diseño y geometría de la antena Vivaldi con ranura cónica.

3.1.1. Elección de sustrato.

Para lograr obtener un diseño acorde a las características ya mencionadas se realiza un primer diseño a partir de ecuaciones. Para el desarrollo del diseño de la antena una de las características a tener en cuenta es la elección del sustrato. Los dos principales factores a tener en cuenta en la elección son, la constante dieléctrica y el grosor del sustrato, aunque existen otros que también afectan al comportamiento de la antena, como son las pérdidas tangenciales del dieléctrico, la conductividad, el coste y fabricación. El sustrato que se eligió fue el RF300600, una de las principales razones de la elección fue que contaba con una permitividad relativa de 3 la cual era la más alta entre los sustratos con los que se contaba en el grupo de investigación. En la tabla 3.1 se muestra las características del sustrato.

29

Tabla 3.1 Algunas características del sustrato RF300600

Características Valor

Grosor 1.524mm

Permitividad Relativa 3

Tangente de Perdidas 0.0014

Existe un rango efectivo del grosor del sustrato en el cual una antena Vivaldi funciona adecuadamente. Yngvesson estimó que para aplicaciones de banda angosta el grosor efectivo del sustrato normalizado a la longitud de onda en el espacio vacío ( 8 correspondiente a la frecuencia central de trabajo) debería encontrarse entre 0.005 y 0.03.

Estudios posteriores demostraron que el límite superior de dicho intervalo podía extenderse a 0.06 (ecuación 3.1), también identificó que para sustratos más finos el ancho de haz suele ser más ancho, mientras que para sustratos más gruesos, aparecen lóbulos laterales [40].

ℎ#.. = (√-: − 138 ∗ ℎ , 0,005 ≤ ℎ#.. ≤ 0,06 (3.1)

Usando la ecuación 3.1 en nuestro caso se tiene:

8 = =#?:CB 8 = 3(10K/3(10M/ = 100

ℎ#.. = (√3 − 13100 ∗ 0.01115 , 0,005 ≤ 0,01115 ≤ 0,06

Como se puede deducir el resultado encontrado, el valor se encuentra dentro del rango estimado.

3.1.2. Diseño de la Slotline

Según [41], la onda se propaga a lo largo de la ranura con la componente de campo eléctrico orientada a través de la ranura en el plano de la placa metálica en el sustrato dieléctrico. Las componentes de campo no están confinadas sólo en el sustrato, sino que, también se

30

extienden en el aire. Debido a esto, la energía se distribuye entre el sustrato y la región de aire, por lo que, la constante dieléctrica efectiva será menor que la del sustrato como se muestra en la ecuación 3.2.

-#..; = -: + 12 (3.2)

Para lograr el diseño adecuado es necesario la longitud de onda guiada por la slotline y su impedancia característica como se observa en las ecuaciones 3.3 y 3.4. Estos dos parámetros tienen una fuerte dependencia con la anchura de la slotline O;, el grosor del sustrato (h), la frecuencia de trabajo (8) y la constante dieléctrica (-:). [41]

;8 = 1,045 − 0,365<6(-:3 + 6,3 QRAS -:8.MTU238,64 + 100 RA − W0,148 − 8,81(-: + 0,953100-: Y <6( ℎ83

(3.3)

8; = 60 + 3,69F6 Z(-: − 2,223[2,36 \ + 133,5<6(10-:31O8+ 2,81]1 − 0,011-:(4,48 + <6(-:3^ Oℎ <6 Z100ℎ8 \+ 131,1_1.028 − <6(-:3`1O8 + 12,48(1+ 0,18<6(-:33 RA-: − 2,06 + 0,85 R A

(3.4)

En la tabla 3.2 se muestra los resultados del cálculo de la impedancia 8;, y la longitud de onda guiada por la ranura a partir de O; y h.

Tabla 3.2 Valores iniciales para la slotline, 0=3GHz

ab h(mm) cd(ee3 fgd(Ω3 hd(ee3 hd/i(ee3 3 1.524 0.5 96.23 80 20

3.1.3. Diseño de la Microstrip

La geometría de una línea microstrip consta de un conductor fino de anchura (O) impreso en un sustrato dieléctrico de grosor (h) y permitividad relativa (-:), que por la otra cara tiene el plano metálico que actúa como plano de tierra.

31

Según [42], la presencia del dieléctrico hace que la mayoría de las líneas de campo se concentren entre el conductor strip y el plano de masa, mientras que una pequeña porción de las mismas están en la región de aire. Esto provoca que una línea microstrip no pueda soportar una onda pura TEM, y, además, la permitividad efectiva de la línea microstrip será menor que la del sustrato y obtendremos las siguientes fórmulas para la constante dieléctrica, la velocidad de fase y la constante de propagación como se muestra en las ecuaciones 3.5, 3.6 y 3.7.

-#.. = -: + 12 + -: − 12 1j1 + ARk

(3.5)

lm = -#.. (3.6)

n = o8,- (3.7) Por lo tanto, la longitud de onda de la línea microstrip se define como se muestra en la ecuación 3.8.

= 8,-#.. (3.8)

Para la construcción de una línea microstrip con una impedancia característica fijada a 8 =50Ω para facilitar la conexión de la antena con el resto del circuito, por lo que, para calcular las dimensiones de la línea se utiliza la siguiente ecuación.

Oℎ =pqr 8ss − 2 t4u4 Oℎ < 22[ wH − 1 − <6(2H − 13 + -: − 12-: x<6(H − 13 + 0,39 − 0,61-: yz t4u4 Oℎ > 2|

~

(3.9)

G56G = 860 1-u + 12 + -u − 1-u + 1 Z0,23 + 0,11-u \ , H = 377[28√-u

Suponiendo que W/h < 2 y reemplazando las variables por sus correspondientes valores se obtiene la tabla 3.3.

32

Tabla 3.3 Algunas características del sustrato RF300600

Características Valor Grosor 1.524mm

Permitividad Relativa 3 Tangente de Perdidas 0.0014

A 1.3118 B 6.838 8 50Ω O 3.84mm

3.1.4. Diseño de la Taper

Para el diseño del taper se usaron las ecuaciones 2.2 y 2.3 correspondientes a una función exponencial. Uno de los primero pasos es fijar una tasa de apertura R = 0.08, elegida arbitrariamente, y ajustable por simulación un tamaño óptimo. Los parámetros dimensionales a tener en cuenta son:

• O = anchura inicial de la apertura exponencial. Usando la ecuación 2.4 • h: grosor del sustrato. • A: anchura final de la apertura exponencial. • L: longitud de la apertura exponencial. • R: tasa de apertura. Fijada inicialmente a 0.08.

Para poder realizar el ajuste de los parámetros dimensionales se realizara un estudio donde se observara cómo influye la longitud (L) y la anchura final de la apertura exponencial (A) en los parámetros electromagnéticos bajo estudio.

3.1.5. Apertura exponencial Para que ocurra una radiación eficiente en la antena, la longitud (L) y anchura final (A) de la apertura tienen que ser mayores que y /2, respectivamente. En la apertura exponencial, desde el punto de vista de la radiación, podemos distinguir dos partes.

• Anchura de la apertura < 8/2, la onda es guiada por la ranura. • Anchura de la apertura > 8/2, la onda se propaga por el dieléctrico hasta que es

radiada al exterior.

La curva teórica de la antena Vivaldi, desarrollada por Schaubert, viene dada por la ecuación 2.2 y 2.3.

33

3.1.6. Primer diseño haciendo uso de modelo.

En este primer diseño fue construido a partir de los resultados de las ecuaciones obtenidas, los valores tanto del largo (L) y ancho (W) se mantendrá un ancho y un largo mayor a 8/2. En la tabla 3.4 se observan las características del primer diseño a construir.

Tabla 3.4 Característica primer diseño haciendo uso de modelo.

Características Valor O;(3 0.354 O(3 2.237 O(3 0.7 Permitividad Relativa 3 Tangente de Perdidas 0.0014

Grosor(mm) 1.524 R 0.08

Largo [L], (mm) 55.4 Ancho[W], (mm) 60 71° ; (mm) 4 (mm) 5.15 ℎ (mm) 1.11 ℎ; (mm) 3

A(mm) 56.9 <(mm) 41.8 <(mm) 11.4

La construcción de este primer diseño se realizó con la ayuda del software AutoCAD el diseño que fue guardado en formato AutoCAD R12/LT2 (.dxf), para así no tener inconvenientes con las nuevas versiones.

3.1.7. Simulación.

Después de obtener el diseño se exporto al software IE3D donde fue simulada, en la figura 3.2a se muestran el resultado del diseño de la antena, uno de los primeros pasos es verificar que los parámetros S11 estén por debajo de -10dB en todo el ancho de banda, debido a que las antenas vivaldi cuentan con un gran ancho de banda a mayor frecuencia pero lograr obtener una frecuencia menor es un poco más difícil la simulación se realizó desde 800MHz a 2.6GHz para así lograr verificar si la antena es viable para trabajar en un ancho de banda a una frecuencia menor o igual a 915MHz, aunque la antena a diseñar tienes que trabajar a una

34

frecuencia mayor o igual 5GHz por motivos de tiempo en esta primera simulación solo realizo hasta 2.6GHz. En la figura 3.2b se muestran los resultados de la simulación de los parámetros S11.

Figura 3.2 Antena vivaldi con ranura cónica. (a) Diseño final. (b) Resultados parámetros S(11), simulación.

Los resultados obtenidos haciendo uso de modelo no fueron los mejores por ese motivo se escaló la antena a diferentes tamaño para observar los cambios. En la figura 3.3 los resultados simulados de los parámetros S11 de las 4 antenas, en la tabla 3.5 se muestran las características de cada antena escalada, siendo la antena 1 el primer diseño o el diseño base.

Figura 3.3 Diagrama simulado Antenas vivaldi con ranuras cónicas escaldas

35

Tabla 3.5 Características antenas vivaldi con ranura cónica.

Características

Antena 1

Antena 2 Antena 3 Antena 4

O;(3 0.354 0.53 0.64 0.66 O(3 2.237 3.19 3.82 4 O(3 0.7 1.02 1.22 1.27 Permitividad Relativa 3 3 3 3 Tangente de Perdidas 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 55.4 83 99.8 103.8 Ancho[W], (mm) 60 90 108 112.5 71° 71° 71° 71° ; (mm) 4 6 7.2 7.5 (mm) 5.15 7.47 8.97 9.35 ℎ (mm) 1.11 0.57 0.69 0.72 ℎ; (mm) 3 4.5 5.4 5.6

A(mm) 56.9 85.4 102.4 106.7 <(mm) 41.8 63.86 76.63 79.8 <(mm) 11.4 16 19.3 20

3.1.8. Variación de parámetros.

Al observar los resultados obtenidos al escalar la antena hasta un ancho de 112.5mm (9 8 )

se observa que trabaja a una frecuencia menor que la antena inicial, por ese motivo para optimizar el diseño ya obtenido se realizaron la variación de cada uno de los parámetros para observar en que tanto afectan cada uno de ellos, manteniendo los otros parámetros iguales a los que se muestra en la tabla 3.5 (Antena 4).

Ya teniendo como base un primer diseño se tienen varias preguntas para la realización del diseño de la antena.

• ¿Cómo lograr una frecuencia menor a la que se tiene? • Contando con el diseño de las antenas base es necesario corroborar los resultados

para trabajar en las modificaciones a partir de este, ¿los resultados que se obtienen haciendo uso de modelo que tan exactos son?

• Después del estudio de diferentes artículos ¿Cuál es el incremento del tamaño de la antena para que trabaje a una frecuencia menor?

• ¿qué tanto influye el diseño del taper? • ¿qué tanto influye el radio del stub? • ¿qué tanto influye el radio de la ranura circular? • ¿Cuál es la distancia optima entre el stub y la ranura circular?

36

3.1.8.1. Variación parámetro e

Figura 3.4 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro .

3.1.8.2.Variación parámetro d

Figura 3.5 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro ;.

37

3.1.8.3. Variación parámetro e

Figura 3.6 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro .

3.1.8.4.Variación parámetro e

Figura 3.7 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro .

38

3.1.8.5. Variación parámetro d

Figura 3.8 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro ;.

3.1.8.6. Variación parámetro e

Figura 3.9 Diagrama de parámetros S11 simulado, variando el parámetro ℎ.

39

3.1.9. Optimización de parámetros.

Al observar los resultados obtenidos al variar los parámetros que se cree más importantes, el

siguiente paso a seguir escalar la antena hasta un ancho de 112.5mm (9 8 3 se observa que

trabaja a una frecuencia menor que la antena inicial, por ese motivo para optimizar el diseño ya obtenido se realizaron diferentes cambios, el primer diseño fue aumentar a 14mm y disminuir a 3mm , el segundo es disminuir a 3mm y a 0.5mm, el tercero fue aumentar a 4.5mm y a 1mm, el cuarto cambio fue aumentar a 4.5mm, a 1mm y alargar la antena a 124.88 (escalar 1.11 en el eje y), teniendo el ancho inicial de

112.5mm (9 8 3 y por último fue alargar la antena a 124.88mm teniendo las mismas

características de la antena base o antena 4. En la Tabla 3.6 se muestra todas las características de cada antena y las modificaciones de cada una.

Tabla 3.6 Características antenas vivaldi con ranura cónica.

Características

Antena 5

Antena 6 Antena 7 Antena 8 Antena 9

O;(3 0.66 0.66 0.66 0.66 0.66 O(3 3 3 4.5 4.5 4 O(3 1.27 0.5 1 1 1.27 Permitividad Relativa 3 3 3 3 3 Tangente de Perdidas 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 103.8 103.8 103.8 124.88 124.88 Ancho[W], (mm) 112.5 112.5 112.5 112.5 112.5 71° 71° 71° 71° 71° ; (mm) 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5 (mm) 14 9.35 9.35 9.35 9.35 ℎ (mm) 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 ℎ; (mm) 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6

A(mm) 106.7 106.7 106.7 106.7 106.7 <(mm) 79.8 79.8 79.8 79.8 79.8 <(mm) 20 20 20 20 20

40

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.10 Diagrama simulado según la modificación realizada. (a) Parámetros S11. (b) Eficiencia. (c) Ganancia. (d)

Radiación

Al no conseguir una mejora en el diseño, el siguiente paso a realizar fue escalar la antena a un mayo tamaño, Generalmente la abertura final del cono exponencial define la frecuencia más baja que puede ser radiada por la estructura, mientras que el ancho de la ranura al inicio de la estructura cónica se calcula para la frecuencia de corte superior. Así que mediante una mayor abertura en el diseño de la antena se lograría una frecuencia más baja.

La antena se escaló hasta un ancho de 135mm, en la figura 3.11 se observa la comparación de los parámetros S11 de las diferentes modificaciones realizadas a la antena escalada a 135mm, el primer diseño que se muestra es la antena totalmente idéntica pero escalada a 135mm (Antena 10) , el segundo diseño es la modificación a 3mm y a 0.5mm, el tercer diseño se modifico a 3mm y 16m y por último se tomó el diseño inicial escalado a 135mm(1.353 y se alargó hasta 1.37 mm (eje y).

41

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.11 Comparación antenas modificadas. (a) parámetros S11. (b) Eficiencia. (c) Ganancia. (d) Radiación.

Los resultados obtenidos en las simulaciones muestran que la antena con puerto de alimentación de 3mm inicia a una menor frecuencia a 894MHz, lo cual es de gran importancia ya que el diseño de la antena a diseñar requiere como frecuencia menor 915MHz aunque presenta un pico en 1.2GHz que sobrepasa los -10dB, en cuanto a la antena que fue alargada a 137.115mm presenta que todo su ancho de banda está por debajo de -10dB pero la frecuencia mínima es 950MHz.

El tiempo aproximado de simulación de estas antenas (800MHz a 2.6GHz) está entre 20 a 60 minutos.

42

Tabla 3.7 Características antenas vivaldi con ranura cónica.

Características

Antena 10 Antena 11 Antena 12 Antena 13

O;(3 0.8 0.8 0.8 0.8 O(3 4.8 3 3 3 O(3 1.5 1.5 1.5 1.5 Permitividad Relativa 3 3 3 3 Tangente de Perdidas 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 124.65 124.65 124.65 137.115 Ancho[W], (mm) 135 135 135 135 71° 71° 71° 71° ; (mm) 9 9 9 9 (mm) 11.2 11.2 16 11.2 ℎ (mm) 0.86 0.86 0.86 0.86 ℎ; (mm) 6.75 6.75 6.75 6.75

A(mm) 128 128 128 128 <(mm) 95.8 95.8 95.8 95.8 <(mm) 24 24 24 24

3.1.10. Diseño de Slots.

Después de obtener los resultados anteriores y necesitar la implementación de un nuevo diseño para obtener los resultados acordes con los deseados, se optó por agregar diferentes diseños de Slots.

Figura 3.12 Variaciones en la geometría del taper, (a) Slots rectangulares internos inferiores. (b) Slots rectangulares

internos superiores. (c) Slots rectangulares internos en todo el taper.

43

En esta parte del diseño se plantearon diferentes geometrías de slots. Teniendo en cuenta diferentes artículos, se utilizaron ranuras rectangulares en el perfil interno del taper, probando primero en la parte inferior y superior como se observa en la figura 3.12a y 3.12b respectivamente y luego se agregaron ranuras en el total de la parte inferior tal como se muestra en la figura 3.12c. Pero los resultados no presentaron una mejoría.

Figura 3.13 Parámetros antena vivaldi con Slots rectangulares.

En la figura 3.14 se puede observar los parámetros S11 de la simulación de los diseños con Slots rectangulares, en la tabla 3.8 se muestran las características del nuevo diseño de cada parámetro.

Figura 3.14 Comparación parámetros S11 según la modificación realizada.

44

Tabla 3.8 Características antenas vivaldi con ranura cónica.

Características

Antena Base (Antena 14)

Ranura Total (Antena 15)

Ranura Inf (Antena 16)

Ranura Sup (Antena 17) O;(3 1 1 1 1 O(3 3 3 3 3 O(3 1.15 1.15 1.15 1.15

Permitividad Relativa 3.48 3.48 3.48 3.48 Tangente de Perdidas 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031

Grosor(mm) 1.52 1.52 1.52 1.52 Largo [L], (mm) 150 150 150 150 Ancho[W], (mm) 113 113 113 113 60° 60° 60° 60° ; (mm) 9 9 9 9 (mm) 16 16 16 16 ℎ (mm) 1 1 1 1 ℎ; (mm) 4.9 4.9 4.9 4.9

A(mm) 102 102 102 102 <(mm) 122.8 122.8 122.8 122.8 <(mm) 24 24 24 24 =C(mm) - 8.5 8.5 8.5 =B(mm) - 2.1 2.1 2.1 # ranuras - 40 18 16

Para continuar con el diseño de slots se siguieron probaron diferentes geometrías encontradas en varios artículos y diseñadas cada una de una diferente manera, las diferentes geometrías que se probaron se observan en la figura 3.15.

Figura 3.15 Diferentes geometrías de Slots

45

Figura 3.16 Parámetros antena vivaldi con Slots curvos

Figura 3.17 Parámetros antena vivaldi con diferentes tipos de Slots.

Los parámetros de cada antena se observan en la tabla 3.9, la comparación de las simulaciones de los parámetros S11 se observa en la figura 3.18 teniendo como base la antena sin ningún tipo de ranuras para ver el efecto de las diferentes geometrías de ranuras en la antena.

46

Tabla 3.9 Características antenas vivaldi con ranura cónica.

Características

Antena 18 Antena 19 Antena 20 Antena 21 Antena 22

O;(3 1 1 1 1 1 O(3 3 3 3 3 3 O(3 1.15 1.15 1.15 1.15 1.15 Permitividad Relativa 3.48 3.48 3.48 3.48 3.48 Tangente de Perdidas 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031

Grosor(mm) 1.52 1.52 1.52 1.52 1.52 Largo [L], (mm) 150 150 150 150 150 Ancho[W], (mm) 113 113 113 113 113 60° 60° 60° 60° 60° ; (mm) 9 9 9 9 9 (mm) 16 16 16 16 16 ℎ (mm) 1 1 1 1 1 ℎ; (mm) 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9

A(mm) 102 102 102 102 102 <(mm) 122.8 122.8 122.8 122.8 122.8 <(mm) 24 24 24 24 24 <(mm) 19 - - 19 - <(mm) 20 - - 20 - <(mm) 11 - - - - <T(mm) 18 - - 18 - <U(mm) 17.7 - - 17.7 - <(mm) 15.64 - - - - <(mm) 48.3 - - - - <K(mm) - - - 59 - ;(mm) - 9.4 - - - ;(mm) - 7.9 - - - ;(mm) - 22.8 - - - <;(mm) - - - - - <;(mm) - - - - - ;=(mm) - - 14 - 3.7 ;=(mm) - - 13.8 - 7.1 <;=(mm) - - 4.3 - 3 # ranuras 6 4 4 4 12

Figura 3.18 Comparación parámetros S11 según la modificación realizada.

47

Después de realizar el diseño y la simulación adecuada los resultados no eran los mejores en las antenas 19, 20 y 22, a diferencia de las antenas 18 y 21 que mostraban una mejora en la frecuencia inferior de trabajo.

Luego, al encontrar que slots contribuían al mejoramiento en el ancho de banda de la antena, se plantearon un nuevo diseño de slots curvos los cuales fueron construidos por medio de funciones exponenciales como presentada en la ecuación 2.2 y 2.3, esta geometría se la aplico de diferentes maneras, en la primera parte fue con dos ranuras en la parte externa del taper y luego con tan solo una, ya sea en la parte superior o inferior como se muestra en la figura 3.19.

Figura 3.19 Slots curvos construidos por medio de funciones exponenciales

3.1.10.1. Slots Curvos antena 112.5mm (h 3

Para observar la contribución de los Slots curvos en las antenas se agregaron Slots a las

antenas de 112.5mm (9 8 3 de ancho y a las antenas de 135mm (1.353 para así lograr una

antena ideal a un menor tamaño.

Figura 3.20 Diseño con Slots curvos. (Antena 23) Antena base. (Antena 24) Escalada en el eje y 1.1. (Antena 25) Escalada

en el eje y 1.2

Las antenas de 9 8 y 1.35 cuenta con las características iniciales de la antena que se

muestra en la tabla 3.8 (Antena 14), con la diferencia que el puerto de alimentación () es

48

3mm terminando en el stub radial () en 0.5mm debido a que mostro mejores resultados que con el puerto inicial.

En la figura 3.20 se muestra el diseño base para las nuevas modificaciones de los diseños tanto para la antena de 112.5mm y de 135mm, el primer diseño muestra la antena base, el segundo diseño se escaló en 1.1 (eje Y) y en el tercer diseño se escaló en 1.2 (eje Y).

Tabla 3.10 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos.

Características Antena 23 (antena Base)

Antena 24 (Escalada 1.1)

Antena 25 (Escalada 1.2) O;(3 0.7 0.7 0.7 O(3 3 3 3 O(3 0.5 0.5 0.5

Permitividad Relativa 3.48 3.48 3.48 Tangente de Perdidas 0.0031 0.0031 0.0031

Grosor(mm) 1.52 1.52 1.52 R 0.08 0.08 0.08

Ancho [W], (mm) 112.5 112.5 112.5 Largo [L], (mm) 103.8 114.2 124.56 62° 62° 62° ; (mm) 7.5 7.5 7.5 (mm) 9.4 9.4 9.4 ℎ (mm) 0.5 0.5 0.5 ℎ; (mm) 5.6 6 6.75

A(mm) 106 106 106 <(mm) 81 89 97.8 <(mm) 19.8 22 24 <(mm) 17.3 19 20.75 <(mm) 15 16.35 18 <K(mm) 48.5 53.4 58.3 <T(mm) 9.6 10.7 11.5 <U(mm) 13.4 14.8 16

Los resultados que se muestran en la imagen 3.21 se muestran la comparación parámetros S11 según la modificación realizada.

49

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.21 Comparación según la modificación realizada. Antena 112.5mm (a) Diagrama parámetros S11. (b)

Diagrama de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

3.1.10.2 Slots Curvos antena 135mm (. h3

Las modificaciones de esta antena son iguales a los que se muestran en la figura 3.19 a diferencia que esta cuenta con un mayor tamaño. En la tabla 3.11 se muestran cada uno de los parametros que se modificaron.

En este nuevo diseño la antena muestra un mejor comportamiento que la antena 112.5 (9 8 3

debido al mejoramiento de trabajo de la frecuencia menor, tanto la antena base (antena 26) y la antena alargada en 1.1 solo en el eje Y (antena 27) sus resultados presentan un acople de

50

la antena por debajo de -10dB a diferencia de la antena que se alargó en 1.2 solo en el eje Y (antena 28) que presenta en algunas frecuencias punto por encima de -10dB.

Después de ya contar con un mejor diseño y observar el comportamiento de cada antena con las diferentes modificaciones en la estructura, se logró una frecuencia mínima de 778MHz en el diseño de la antena 27. Al comprobar en que afectan los Slots curvos se simulo las antenas 27 con tan solo dos Slots curvos sean inferiores o superiores como se muestra en la figura 3.19.

Tabla 3.11 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos.

Características

Antena 26 (antena Base)

Antena 27 (alargada 1.1)

Antena 28 (alargada 1.2)

Antena 29 (Ranuras Sup)

Antena 30 (Ranuras Infe) O;(3 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 O(3 3 3 3 3 3 O(3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Permitividad Relativa 3 3 3 3 3 Tangente de Perdidas 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 124.65 137.115 149.58 124.65 124.65 Ancho[W], (mm) 135 135 135 135 135 62° 62° 62° 62° 62° ; (mm) 9 9 9 9 9 (mm) 9.3 9.3 9.3 9.3 9.3 ℎ (mm) 0.9 5 1.85 1.4 1.4 ℎ; (mm) 6.75 7.4 8.1 7.4 7.4

A(mm) 118 118 118 118 118 <(mm) 97.45 106.8 116.35 106.8 106.8 <(mm) 24.2 27.3 30.3 27.3 27.3 <(mm) 20.75 22.8 24.9 22.8 - <(mm) 18 19.8 21.65 - 19.8 <K(mm) 58.3 64 70 - 64 <T(mm) 11.5 12.7 13.8 12.7 - <U(mm) 16 17.6 21.6 - 17.6

51

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.22 Comparación según la modificación realizada. Antena 135mm. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama

de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

(a) (b)

52

(c) (d)

Figura 3.23 Comparación según la modificación realizada. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia. (c)

Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

El tiempo aproximado de simulación de estas antenas (800MHz a 2.6GHz) con diferentes geometrías de Slots esta entre 30 a 120 minutos.

3.1.11. Diseño Con doble Stub Radial.

Con los resultados ya obtenidos se optó por probar un nuevo diseño en la Microstrip taper, este nuevo diseño consta de duplicar el Stub radial manteniendo las características del puerto de alimentación. Los nuevos parámetros para esta antena se muestran en la figura 3.24.

Figura 3.24 Parámetros de diseño y geometría en la Microstrip taper.

3.1.11.1 Diseño con doble Stub radial y 4 Slots curvos

El nuevo diseño se puede observar en la figura 3.25a, en la figura 3.25b se observa la comparación de los parámetros S11 de la antena con ranuras y Stub radial normal. En la tabla 3.12 se observan las características de cada parámetro de cada diseño. Partiendo de la antena base (antena 26) y modificando diferentes parámetros para observar su comportamiento.

53

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 3.25 Antena con Slots Curvos. (a) Diseño con Stub Radial doble. (b) Comparación parámetros S11. (c) Diagrama de

Eficiencia. (d) Diagrama de Ganancia. (e) Diagrama de radiación.

54

Las antena 31- 33 su diseño cuenta con doble Stub a diferencia de que la antena 32 es alargada en 1.1 (eje Y) y la antena 33 cada stub es de 53°.

Tabla 3.12 Características antenas vivaldi con ranura cónica y Slots curvos

Características

Antena 31 Doble Stub

Antena 32 Alargada 1.1

Antena 33 Stub 53° O;(3 0.8 0.8 0.8 O(3 3 3 3 O(3 0.5 0.5 0.5

Permitividad Relativa 3 3 3 Tangente de Perdidas 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 124.65 137.115 124.65 Ancho[W], (mm) 135 135 135 ; (mm) 9 9 9 (mm) 9.3 9.3 9.3 ℎ (mm) 0.9 1.4 0.9 ℎ; (mm) 6.75 7.4 6.75

A(mm) 118 118 118 <(mm) 97.45 106.8 97.45 <(mm) 24.2 27.3 24.2 <(mm) 20.75 22.8 20.75 <(mm) 18 19.8 18 <K(mm) 58.3 64 58.3 <T(mm) 11.5 12.7 11.5 <U(mm) 16 17.6 16 (mm) 57° 57° 53° (mm) 57° 57° 53° (mm) 8° 8° 16°

En la figura 3.25b se observar que el diseño de las antenas 26, 31 y 33 trabajan a una frecuencia menor de 850MHz con la diferencia que la antena 31 radial presenta un mejor acople de la antena.

3.1.11.2 Diseño con doble Stub radial y 2 Slots curvos

El nuevo diseño que se implemento fue el agregar solo dos ranuras al diseño con doble Stub radia para observar el comportamiento de estos, para este nuevo diseño se agregó tan solo ranuras inferiores o superiores modificando el ángulo del Stub radial, en la figura 3.27 se muestra los resultados de los parámetros S11 donde se puede observar que las antenas trabajan a una frecuencia menor aproximadamente de 858MHz.

55

Figura 3.26 Diseño con doble Stub radial y 2 Slots curvos

(a) (b)

Figura 3.27 Comparación de antenas con doble Stub radial y 2 Slots curvos. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama

de Eficiencia. (c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

56

Tabla 3.13 Características antenas vivaldi con ranura cónica

Características

Antena 34 Rinf_Stub 40°

Antena 35 Rsup_Stub 40°

Antena 36 Rinf_Stub 53°

Antena 37 Rsup_Stub 53° O;(3 0.8 0.8 0.8 0.8 O(3 3 3 3 3 O(3 0.5 0.5 0.5 0.5

Permitividad Relativa

3 3 3 3

Tangente de Perdidas

0.0014 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 124.65 124.65 124.65 124.65 Ancho[W], (mm) 135 135 135 135 ; (mm) 9 9 9 9 (mm) 9.3 9.3 9.3 9.3 ℎ (mm) 0.9 0.9 0.9 0.9 ℎ; (mm) 6.75 6.75 6.75 6.75

A(mm) 118 118 118 118 <(mm) 97.45 97.45 97.45 97.45 <(mm) 24.2 24.2 24.2 24.2 <(mm) - 20.75 - 20.75 <(mm) 18 - 18 - <K(mm) 58.3 - 58.3 - <T(mm) - 11.5 - 11.5 <U(mm) - - - - (mm) 40° 40° 53° 53° (mm) 40° 40° 53° 53° (mm) 32° 32° 16° 16°

3.1.11.3 Diseño con doble Stub radial y 2 Slots curvos con L = 1.37

Después de observar los resultados se decidió que las ranuras inferiores muestran mejores resultados que las simulaciones con ranuras superiores, por ese motivo se implementó una nueva simulación con el diseño de ranuras inferiores a 40° y 53° alargada hasta 137.11mm (eje Y), en la figura 3.28a se muestra los resultados de los parámetros S11 del nuevo diseño, donde se observa que la frecuencia mínima de trabajo es de 893MHz aproximadamente, en esta misma grafica se mostró el resultado de la modificación del puerto de alimentación, en este diseño se observan los cambios al aumentas ℎ a 5mm.

57

(a) (d)

(c) (d)

Figura 3.28 Comparación de antenas con ranuras inferiores. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Eficiencia.

(c) Diagrama de Ganancia. (d) Diagrama de radiación.

El tiempo de simulación aproximado de las antenas con doble stub radial y con Slots curvos para las antenas simuladas de 800MHz a 2.6GHz está entre 30 minutos y 3 horas, para las antenas simuladas entre 800MHz y 5.8GHz está entre 40 y 58 horas.

58

Tabla 3.14 Características antenas vivaldi con ranura cónica

Características

Antena 38 Rinf_Stub 40°

Antena 39 Rinf_Stub 53°

Antena 40 Rinf_Stub 53°_hm 5 O;(3 0.8 0.8 0.8 O(3 3 3 3 O(3 0.5 0.5 0.5

Permitividad Relativa 3 3 3 Tangente de Perdidas 0.0014 0.0014 0.0014

Grosor(mm) 1.524 1.524 1.524 R 0.08 0.08 0.08

Largo [L], (mm) 124.65 124.65 124.65 Ancho[W], (mm) 137.11 137.11 137.11 ; (mm) 9 9 9 (mm) 9.3 9.3 9.3 ℎ (mm) 0.9 0.9 5 ℎ; (mm) 6.75 6.75 6.75

A(mm) 118 118 118 <(mm) 97.45 97.45 97.45 <(mm) 24.2 24.2 24.2 <(mm) 18 18 18 <K(mm) 58.3 58.3 58.3 (mm) 40° 53° 53° (mm) 40° 53° 53° (mm) 32° 16° 16°

3.2. DISEÑO ANTENA VIVALDI CON RANURA CÓNICA A PART IR DE ARTÍCULO BASE.

Inicialmente se realizó la lectura de numerosos artículos relacionados con el diseño de antenas Vivaldi de ranura cónica en los cuales, por medio de distintas variaciones de la forma del taper, stub radial, ranura circular se presentaban resultados interesantes que evidenciaban el aumento del ancho de banda, la reducción del tamaño de la antena y resultados más óptimos en los parámetros S(1,1). De esta manera, luego de establecer un panorama amplio de diseños, se eligió un artículo base con el fin de tener una topología de diseño básica.

Se eligió como artículo base “UWB Vivaldi Antenna for Impulse Radio Beamforming” [39]. Donde se muestra el diseño de dos tipos diferentes de antena Vivaldi adecuados para la formación de haces electromagnéticos. La primera es una antena Vivaldi antipodal, mientras que la otra es una antena vivaldi cónica. Ambos son antenas de banda ultra ancha para la banda de frecuencia de 1GHz a 5GHz. Tienen una baja distorsión de impulso y la relación de ondas estacionarias de tensión (VSWR) es inferior a 2 en todo el ancho de banda. La antena Vivaldi antipodal tiene un tamaño de 135mm de alto por 143 mm de ancho y la antena Vivaldi de ranura cónica tiene un tamaño de 150mm de ancho por 113mm de alto.

59

El sustrato que se usa es el de sustrato Rogers RO4350B (grosor de 1.52mm), constante dieléctrica de 3.48 y tangente de perdidas de 0.0031. Por motivos de no contar con un diseño exacto se decidió calcar el diseño del artículo con ayuda del software AUTOCAD y así lograr obtener el diseño lo más exacto posible, por motivos de no poder tener medidas exactas de cada diseño de la antena a pesar de ser calcada se obtuvieron varios diseños los cuales fueron simulados y se presentaron los mejores. Después de obtener el diseño se exporto al software IE3D donde fue simulada.

3.2.1. Diseño calcado.

Se tuvieron tres diseños en el calcado de la antena, el diseño de estas tres antenas se muestra en la figura 3.29. El primer diseño (Antena 41) no obtuvo los mejores resultados ya que el artículo habla de una frecuencia de trabajo entre 1GHZ a 5GHz y este diseño presentan puntos por encima de -10dB, el diseño de esta antena cuenta con unas dimensiones de 113mm de ancho y 150mm de largo, con un puerto de alimentación (O) de 3mm, un O; de 1,5mm y una A superior a 100.9mm.

Figura 3.29 Diseño antena calcada

El segundo diseño (Antena 42) muestra un puerto de alimentación de 2.5mm y reducido hasta 1mm, el ancho y el largo es exactamente igual a la anterior antena, el O; es un poco menor a la primera ya que esta es de tan solo 0.66mm y la anterior era de 1.5mm y la abertura mayor (A) es de 100mm. Este diseño tampoco fue favorable ya que aún presenta puntos por encima de -10dB, pero se logró un avance ya que la antena presenta mejores resultados en la frecuencia menor.

60

El tercer diseño (Antena 42) se modificó el O a 3mm como el primer diseño de la antena y se mantuvo O; en 0.66mm. Este diseño presento una mejora ya que se logró un ancho de banda hasta 4GHz.

Tabla 3.15 Características antenas vivaldi con ranura cónica

Características

Antena 41

Antena 42 Antena 43

O;(3 1.5 0.66 0.66 O(3 3 2.5 3 O(3 1 1 1 Permitividad Relativa 3.48 3.48 3.48 Tangente de Perdidas 0.0031 0.0031 0.0031

Grosor(mm) 1.52 1.52 1.52 Largo [L], (mm) 150 150 150 Ancho[W], (mm) 113 113 113 43° 43° 43° ; (mm) 9 9 9 (mm) 16 16 16 ℎ (mm) 3 3 3 ℎ; (mm) 8 8 8

A(mm) 100.9 100 100 <(mm) 117.8 118.3 117.8 <(mm) 29.1 29.1 29.1

Figura 3.30 Comparación simulación de antenas calcadas del artículo base.

61

3.2.2. Implementación de Slots y ranuras curvas.

Al no obtener los mejores resultados se realizaron diferentes modificaciones en la geometria de la antena base, la primera modificación que se realizaron fue la que se observa en la figura 3.31a, en este nuevo diseño se observa la duplicacion del stub radial dejando Microstrip taper igual. En la figura 3.31b se muestran los resultados de la simulación de los parámetros S11 donde se puede observar que la antena tiene una gran mejoría.

(a) (b)

Figura 3.31 Diseño modificado. (a) Diseño modificado con Stub Radial duplicado, (b) Resultados simulación parámetros

S11.

(a) (b)

Figura 3.32 Diseño modificado. (a) Diseño modificado con Stub Radial duplicado con slots curvos, (b) Resultados

simulación parámetros S11.

62

La segunda modificación que se realizó se muestra en la figura 4.32a, en este nuevo diseño se agregaron slots curvos para lograr mejorar la frecuencia menor, en la figura 4.32b se observan los resultados de la simulación donde se observa una mejora en la frecuencia menor de trabajo, ya que se encuentra a 1GHz y en el anterior diseño iniciaba a una frecuencia de 1.1GHz. Aunque aún no se logra el diseño exacto estas dos últimas modificaciones presentaron una mejora.

Tabla 3.16 Características antenas vivaldi con ranura cónica

Características

Antena 44

Antena 45

O;(3 1 1 O(3 3 3 O(3 1 1 Permitividad Relativa 3.48 3.48 Tangente de Perdidas 0.0031 0.0031

Grosor(mm) 1.52 1.52 Largo [L], (mm) 150 150 Ancho[W], (mm) 113 113 53° 53° 53° 53° 8° 8° ; (mm) 9 9 (mm) 18 18 ℎ (mm) 3.2 3.2 ℎ; (mm) 5 5

A(mm) 100.9 100.9 <(mm) 122.8 122.8 <(mm) 24.1 24.1 <(mm) - 14.8 <(mm) - 77.7 <T(mm) - 57.4

3.2.3. Implementación de diferentes diseños.

Al no contar con un diseño completamente adecuado para las especificaciones necesarias, se implementaron diferentes diseños para lograr obtener una mayor frecuencia y un mejor acople de la antena. Estos diseños no contribuyeron al mejoramiento de la antena. En la figura 3.33 se observa el diseño de cada antena y en la tabla 3.17 se especifican las características de cada antena.

Figura 3.33 Diferentes diseños implementados en la antena vivaldi con ranura cónica.

63

Figura 3.34 Simulación parámetros S11

Tabla 3.17 Características antenas vivaldi con ranura cónica

Características 46

47

48

49 50 51

O;(3 1 1 1 1 1 1 O(3 5 5 3 3 3 3 O(3 2 3 1 1 1 1 Permitividad Relativa 3.48 3.48 3.48 3.48 3.48 3.48 Tangente de Perdidas 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031

Grosor(mm) 1.52 1.52 1.52 1.52 1.52 1.52 Largo [L], (mm) 150 150 150 150 150 150 Ancho[W], (mm) 113 113 113 113 113 113 40° 40° - - 53° 53° 40° 40° - - 53° 53° 2° 2° - - 8° 8° ; (mm) 9 9 - - 9 9 (mm) 18 18 18 18 18 18 ℎ (mm) 5.5 2.5 0 0 5.5 1.5 ℎ; (mm) 5 5 5 5 5 5

A(mm) 100.9 100.9 100.9 100.9 100.9 100.9 <(mm) 121.7 121.7 121.7 121.7 121.7 121.7 <(mm) 23.3 23.3 23.3 23.3 23.3 23.3 - - 5.5 5.5 - - - - 5.5 5.5 - - ; 148° - - - 148° - <(mm) - - - - - 14 <(mm) - - - - - 17

64

3.3. DISEÑO ANTENA VIVALDI ANTIPODAL

En la primera etapa, una de las antenas que se estudió a fondo fue [35], donde se presenta un nuevo método para mejorar la directividad y el ancho de banda de la estructura de la antena Vivaldi antipodal. El método se basa en la introducción de un parche elíptico parásito en la abertura para mejorar el acoplamiento de campo entre los brazos y producir una radiación más fuerte en la dirección final. Este enfoque mejora la directividad sin comprometer el rendimiento de baja frecuencia y elimina la necesidad de sustratos dieléctricos delgados eléctricamente. La estructura de antena propuesta, incluyendo la línea de alimentación y las medidas de transición 140 x 66 x 1.524 , tiene un pico de ganancia > 0 dBi en el rango de frecuencias 5-30 GHz y > 10 dBi en el rango de los 6 -21 GHz. Debido a que este articulo trabajaba a unas grandes frecuencias y contaba con estudios muy desarrollados, al igual que el tamaño de la antena era significativamente reducido, se descartó como articulo base.

El diseño de la antena vivaldi antipodal cuenta con diferentes parámetros a tener en cuenta a la hora de realizar el diseño, al igual que es muy importante tener un sustrato adecuado para las especificaciones de la antena. Para obtener el diseño de la antena vivaldi antipodal se puede usar el método de Gazit y el método de las elipses como se mostró en el anterior capitulo teniendo en cuenta las ecuaciones (2.2 -2-7). El diseño de la antena vivaldi antipodal se realizó exactamente igual al del artículo base [35]. El primer paso para lograr la corroboración de la información presentada en el artículo base para obtener la antena exacta del artículo fue el diseño echo a partir de las elipses que se especifican en el artículo, el segundo paso es encontrar un software que logre simular la antena en todo el ancho de banda y el último paso es la comparación de los datos obtenidos con los del articulo base.

3.3.1. Elección artículo base.

Inicialmente se realizó la lectura de numerosos artículos relacionados con el diseño de antenas Vivaldi antipodal en los cuales, por medio de distintas variaciones de la forma se presentaban resultados interesantes que evidenciaban el aumento del ancho de banda, la reducción del tamaño de la antena y resultados más óptimos en los parámetros S(1,1). De esta manera, luego de establecer un panorama amplio de diseños, se eligió un artículo base con el diseño de una antena vivaldi antipodal con un gran ancho de banda (5GHz a 30GHz) a un tamaño pequeño. Con el fin de lograr el diseño exacto y lograr la corroboración de la información de una antena de un tamaño pequeño con un gran ancho de banda.

65

3.3.2. Diseño

A partir de las especificaciones de diseño dadas en el artículo base [35] se realizó el diseño usando AutoCAD, este diseño se muestra en la figura 3.35 donde se observan las elipses que se usaron para llegar al diseño exacto del articulo base.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.35 Diseño AUTOCAD. (a) diseño a partir de elipses, plano positivo. (b) diseño final, plano positivo (c) diseño a

partir de elipses, plano tierra. (d) diseño final, plano tierra.

Tabla 3.18 características elipses

Elipse color Radio mayor (mm) Radio menor(mm) 1 Rojo 66 33 2 Azul 32 26 3 verde 30 10 4 Amarillo 40 20

66

Las características de las elipses usadas se muestran en la tabla 3.18. En el diseño de la parte del plano positivo del sustrato la línea de alimentación consiste en una línea de microstrip, que tiene un ancho de 3 mm en el lado de entrada y se transforma linealmente en una línea de placa paralela con un ancho de 1 mm en el lado del radiador. En la tabla 3.19 se muestran las características del sustrato Rogers/RT Duroid 6002 usado en el artículo base.

Tabla 3.19 características sustrato Rogers/RT Duroid 6002

Características Valor

Grosor 1.524mm

Permitividad Relativa 2.94

Tangente de Perdidas 0.0012

El siguiente paso a seguir después de ya obtener el diseño exacto con ayuda de AutoCAD, es exportar el diseño que fue guardado en formato AutoCAD R12/LT2 (.dxf), para así no tener inconvenientes con las nuevas versiones. Las antenas vivaldi antipodal se implementaron, simularon y optimizaron en el software Ansoft HFSS v15.0 basado en el método computacional de elementos finitos (FEM). Por motivos del gran ancho de banda de las antenas (5GHz a 30GHZ) la simulación se realizó en 3 partes, Con el objeto de disminuir tiempos de simulación, se simularon tres Setups con frecuencias de operación de 15GHz, 23GHZ y 30GHZ respectivamente iniciando a una frecuencia de 5GHZ. 3.3.4. Diseño antena vivaldi antipodal con elipse parasita. Para la simulación de esta antena por cada Setup se configuró un barrido, para un total de cinco barridos comprendidos en las frecuencias de 5GHz a 10GHz, 10GHz a 15GHz, 15GHz a 20GHz, 20GHz a 25GHz, y 25GHz a 30GHz. Los barridos fueron configurados con las características de Sweep Type= Fast, Frequency Sweep Type = Linear Step y con pasos cada 0.2 GHz (para un count de 51 en el primer y segundo barrido y 26 en siguientes). Además se empleó como frontera de radiación una caja de aire localizada a λ/4 equidistante a la antena (con λ correspondiente a la frecuencia del límite inferior del barrido, es decir 5GHz para los cinco barridos. Las características del ambiente de simulación se resumen en la tabla 3.20.

Tabla 3.20 Características de simulación antena vivaldi antipodal con elipse parasita.

Sweep: Frecuency Setup Setup Sweep hi Start-Stop Type Count Name Frecuency Name Type 5GHz-10GHz Linear Step 51 Setup1 10GHz Sweep 1 Discrete 3/(5*4)m 10GHz-15GHz Linear Step 51 Setup2 15GHz Sweep 2 Discrete 3/(5*4)m 15GHz-20GHz Linear Step 26 Setup3 20GHz Sweep 3 Discrete 3/(5*4)m 20GHz-25GHz Linear Step 26 Setup4 25GHz Sweep 4 Discrete 3/(5*4)m 25GHz-30GHz Linear Step 26 Setup5 30GHz Sweep 5 Discrete 3/(5*4)m

67

Como excitación se empleó un lumped port cuya integral de línea se definió sobre un rectángulo localizado en la alimentación del microstrip (figura 3.36b). Como información adicional la figura 3.36a muestra el diseño final de la antena vivaldi antipodal con elipse parasita en HFSS.

(a) (b)

Figura 3.36 Diseño antena vivaldi antipodal con elipse parasita, (a) diseño final en HFSS. (b) Excitación por medio de

lumped port.

En la figura 3.37 se puede observar los parámetros S11 (dB) vs frecuencia. Como se puede deducir, la antena diseñada a partir del artículo base cuenta con un S11 aceptable en todo el ancho de banda (inferior a -10 dB).

Figura 3.37 Resultados simulación parámetros S11 antena Vivaldi con elipse parasita.

68

(a) (b)

Figura 3.38 Resultados Simulados. (a) Diagrama de Ganancia. (b) Diagrama de Radiación en 13.6GHz

3.3.5. Diseño antena vivaldi antipodal sin elipse parasita.

La antena vivaldi sin elipse parasita fue construida con las mismas características de la antena vivaldi con elipse parasita, debido al gran ancho de banda de estas antenas se optó por agregar un barrido más a la simulación, para la simulación de esta antena por cada Setup se configuró un barrido, para un total de cinco barridos comprendidos en las frecuencias de 5GHz a 10GHz, 10GHz a 15GHz, 15GHz a 23GHz y 23GHz a 30GHz. Los barridos fueron configurados con las características de Sweep Type= Discrete, Frequency Sweep Type = Linear Count y con un count de 51 en los 2 casos y de 26 en los siguientes barridos. Los únicos cambios en esta antena es el tamaño del sustrato, debido a que el diseño no tiene la elipse, el sustrato es reducido en 30 mm a lo largo del sustrato como se observa en la figura 3.39a.

Tabla 3.21 Características de simulación antena vivaldi antipodal sin elipse parasita.

Sweep: Frecuency Setup Setup Sweep hi Start-Stop Type Count Name Frecuency Name Type 5GHz-10GHz Linear Step 51 Setup1 10GHz Sweep 1 Discrete 3/(5*4)m 10GHz-15GHz Linear Step 51 Setup2 15GHz Sweep 2 Discrete 3/(5*4)m 15GHz-20GHz Linear Step 26 Setup3 20GHz Sweep 3 Discrete 3/(5*4)m 20GHz-25GHz Linear Step 26 Setup4 25GHz Sweep 4 Discrete 3/(5*4)m 20GHz-25GHz Linear Step 26 Setup5 30GHz Sweep 4 Discrete 3/(5*4)m

Como en la anterior antena para la excitación se empleó un lumped port cuya integral de línea se definió sobre un rectángulo localizado en la alimentación del microstrip (figura 3.39b).

69

(a) (b)

Figura 3.39 Diseño antena vivaldi antipodal sin elipse parasita, (a) diseño final en HFSS. (b) Excitación por medio de

lumped port.

Figura 3.40 Diagrama simulado parámetros S11, antena vivaldi sin elipse parasita.

Al igual que la antena con elipse parasita esta antena trabaja desde 5GHz a 30GHz, en la figura 3.40 se muestra el diagrama simulado en ese ancho de banda donde se puede observar que los parámetros S11 están por debajo de -10dB en todo el ancho de banda.

70

(a) (b)

Figura 3.41 Diagramas simulado, antena vivaldi sin elipse parasita. (a) Diagrama de Ganancia. (b) Diagrama de

Radiación.

3.4 ANTENAS FABRICADAS.

Después de ya contar con un diseño exacto para las especificaciones de la antena a diseñar e implementar para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores que operen en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y las bandas de 915MHz y 2.4GHz respectivamente, se fabricaron 4 antenas vivaldi con ranura cónica los diseños escogidos son la antena 13, 27, 38 y 39, al igual se fabricaron los dos diseño de antenas de antenas vivaldi antipodal.

3.4.1. Antenas vivaldi con ranura cónica.

Los diseños escogidos para la fabricación de las antenas con ranura cónica se muestran en la figura 3.41. Al igual se muestran la comparación de los resultados simulados tanto en parámetros S11, radiación, ganancia y eficiencia.

Figura 3.42 Diseños Fabricados.

71

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.43 Comparación de antenas fabricadas. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de Ganancia. (c)

Diagrama de Eficiencia. (d) Diagrama de radiación.

Para estudiar los resultados simulados de cada antena se comparó las 4 antenas diseñadas, en la figura 3.42a se observa que las antenas con ranuras inician a una frecuencia un poco menor a la antena base, a pesar de que no es mucha la diferencia las antenas con ranuras tienen un ancho de banda de 900MHz a 6GHz lo cual está entre las frecuencias necesarias para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores que operen en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y las bandas de 915MHz y 2.4GHz respectivamente, a diferencia de la antena base que trabaja con un ancho de banda de 950MHz a 6GHz.

3.4.2. Antenas Vivaldi Antipodal.

Las antenas vivaldi antipodal fueron una de las opciones a construir debido a su gran ancho de banda, a su pequeño tamaño y logrando un diseño exacto ya que fueron diseñadas a partir de elipses.

72

(a)

(b) (c)

Figura 3.444 Comparación de antenas fabricadas. (a) Diagrama parámetros S11. (b) Diagrama de radiación. (c)

Diagrama de Ganancia

El único cambio que se realizo fue el cambio del sustrato ya que no se contaba con el sustrato del artículo. El sustrato usado en el artículo es el Rogers/RT Duroid 6002 que tiene un grosor de 1.524mm, permitividad relativa de 2.94 y tangente de pérdidas de 0.0012, y el sustrato usado para la fabricación de las antenas es el RF300600 que tiene un grosor de 1.524mm, permitividad relativa de 3 y tangente de pérdidas de 0.0014

73

4. Capitulo Resultados y análisis

Con el objeto de comprobar el correcto funcionamiento de las antenas diseñadas se fabricaron 4 antenas vivaldi con ranura cónica obtenidas haciendo uso de modelo con un ancho de banda de 900MHz a 6GHz y dos antenas vivaldi antípodal con un ancho de banda de 5GHz a 30GHz.

4.1. ANTENAS VIVALDI CON RANURA CÓNICA.

En la medición de las antenas vivaldi con ranura cónica al momento de la medición se presentaron algunos inconvenientes, por motivos de no contar con los equipos necesarios para medir la ganancia y el diagrama de radiación no fue posible obtener estos diagramas, las mediciones fueron posibles ANRITSU pero medidas desde 1GHz, en cuanto a la caracterización en diagrama fue posible una medición desde 500MHz a 13.6GHz.

4.1.1 Antena Base (Antena 13)

La primera antena a fabricar fue la antena con ranura cónica con un diseño básico para así partir de un diseño base y lograr comparar los resultados con las antenas modificadas. Los resultados de los parametros S11 medidos con RODHE se muestran en la figura 4.1.

Figura 4.1 Diagrama Medido con RODHE.

El resultado del diagrama medido muestra que la antena trabaja de 893MHz a 6GHz, aunque presenta un pequeño punto de -9.7dB en 1.2GHz, ciertas discrepancias son posiblemente

74

debidas a la introducción del conector SMA, irregularidades en la soldadura o inexactitud en el proceso de fabricación. En la figura 4.2 se observa la medición de la antena de ranura cónica en ANRITSU y en la figura 4.3 se observa la comparación de los diagramas medidos y simulados. En la figura 4.4 se observa la antena ya fabricada.

Figura 4.2 diagrama medido en ANRITSU

Figura 4.3 Diagrama medido y simulado parámetros S11.

75

(a) (b)

Figura 4.4 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra

4.1.2. Antena cónica de ranura con slots curvos (Antena 27)

La antena diseñada cuenta con la misma topología que la antena base al cual se le agregaron slots curvos diseñados a partir de funciones exponenciales.

Figura 4.5 Diagrama medido con RODHE.

76

En la figura 4.5 se muestra el diagrama medido de los parámetros S11 con RODHE, se observa que la antena tiene diferentes puntos que están por encima de los -10dB, en la figura 4.6 se observa el diagrama medido con ANRITSU y en la figura 4.7 se observa la comparación de los diagramas simulado y medido.

Figura 4.6 Diagrama medido con Anritsu

Figura 4.7 comparación resultados obtenidos y simulados, antena vivaldi con slots curvos.

En la figura 4.8 se muestra la antena con slots curvos por las dos caras del sustrato ya fabricada.

77

(a) (b)

Figura 4.8 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra

4.1.3. Antena cónica de ranura con slots curvos inferiores y stub radial dividido de 40°. (Antena 38)

En este diseño se implementó un ángulo en el stub radial de 40°. En la figura 4.9 se muestra el diagrama medido con RODHE y en la figura 4.10 se muestra el diagrama medido con ANRITSU.

Figura 4.9 Parámetros S11 diagrama medido.

78

Figura 4.10 Diagrama en Anritsu.

Figura 4.11 Parámetros S11 comparación medido y simulado.

El diseño de esta antena tan solo varía en el ángulo del Stub Radial, los resultados obtenidos tanto en la parte del simulado como en la parte de medición son parecidos y el diagrama

79

medido en Anritsu presenta antiresonancia en el centro de la banda. La antena fabricada por las dos caras del sustrato se muestra en la figura 4.12.

(a) (b)

Figura 4.12 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra

4.1.4. Antena cónica de ranura con slots curvos inferiores y stub radial dividido de 53° (Antena 39).

En la figura 4.13 se observa que la antena diseñada trabaja desde un ancho de banda de 950MHz a 6GHz trabajando en todo el ancho de banda a -10dB. Comparando el diagrama simulado con los resultados el diagrama simulado muestra un ancho de banda desde 900MHz a 6GHz. En los resultados del diagrama en Anritsu presenta antiresonancia en el centro de la banda (Figura 4.14).

Figura 4.13 Parámetros S11 diagrama medido.

80

Figura 4.14 Diagrama en Anritsu

Figura 4.15 Comparación parámetros S11 diagrama medido y simulado.

En la figura 4.39 se muestra la antena fabricada por las dos caras del sustrato.

81

(a) (b)

Figura 4.16 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra

4.1.5. Comparación resultados medidos antenas vivaldi con ranura cónica.

A comparacion de los resultados obtenidos en la simulacion los resultados de los diagramas medidos (figura 4.17) la antena base (Antena 13) y la antena con 4 ranuras (Antena 27) muestran una frecuencia menor un poco mas baja a la frecuencia minima de las antenas con stub radial de 53° y 40°, pero a diferencia de eso las antenas con radial de 53° y 40° en todo su ancho de banda estan por debajo de -10dB a diferencia de las otras dos que presentan puntos por encima de -10dB.

Figura 4.17 Parámetros con RODHE, comparación diagrama medido en las 4 antenas.

82

Figura 4.18 Comparación diagrama medido con Anritsu

En cuanto a los diagramas en Anritsu (figura 4.18) las antenas con ranuras presentan todas la antiresonancia en el centro de la banda, a diferencia de la antena que no tiene ranuras, la cual no la tiene y se adapta mejor.

4.2. ANTENA VIVALDI ANTIPODAL CON ELIPSE PARASITA

Por motivos de no contar con los equipos necesarios para medir la ganancia y el diagrama de radiación no fue posible obtener estos diagramas, otro inconveniente que se presento es que el generador ANRITSU va solo hasta 6GHz y la antena trabaja a partir de 5GHz por lo que apenas se logra observar 1 GHz en todo el ancho de banda, en cuanto a la caracterización en diagrama solo fue posible una medición hasta 13.6GHz.

4.2.1 Antena vivaldi antipodal con elipse parasita.

En la figura 4.19 se puede observar el diagrama medido de la antena Vivaldi con elipse parasita, a partir de estos resultados comparados con los resultados del artículo base se observa que la antena trabaja a partir de 7GHz hasta 11.6GHz y los resultados del articulo muestran que la antena trabaja entre 5GHz y 30GHz.

83

Figura 4.19 Diagrama Medido con RODHE, antena Vivaldi con elipse parasita.

Figura 4.20 Diagrama medido en ANRITSU

En la figura 4.20 muestra el diagrama medido con Anritsu, y en la figura 4.21 se observa la comparación de la antena simulada y medida, esta comparación solo se realizó con las mediciones tomadas en RODHE debido a que las mediciones en Anritsu solo van hasta 5GHz y la antena empieza a trabajar desde esa frecuencia.

84

Figura 4.21 Comparación parámetros S11 medido y simulado.

(a) (b)

Figura 4.222 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra.

4.1.10. Antena vivaldi antipodal sin elipse parasita.

Al igual que la antena con elipse parasita esta antena trabaja desde 5GHz a 30GHz, en la figura 4.23 se muestra el diagrama medido, debido a que las mediciones solo fueron posibles hasta 13.6GHz se observa que la antena trabaja en un ancho de banda de 4.8GHz a 10.3GHz.

85

Figura 4.233 Diagrama Medido con RODHE, antena Vivaldi sin elipse parasita.

Figura 4.244 Diagrama medido en ANRITSU

Figura 4.255 Comparación parámetros S11, diagrama medido y simulado.

86

Al igual que la antena con elipse parasita la comparación solo se realizó con las mediciones

tomadas con RODHE.

(a) (b)

Figura 4.266 Antena construida. (a) imagen del plano positivo, (b) imagen del plano tierra

4.1.11. Comparación antenas vivaldi antipodal

Para lograr observar en cuanto afecta la elipse parasita en la antena vivaldi antipodal, en la figura 4.27 se comparan las dos antenas en diagrama simulado.

Figura 4.277 Diagrama medido antena Vivaldi con elipse parasita y sin elipse parásita.

87

Figura 4.288 Comparación diagrama antenas medidas y simuladas con elipse y sin elipse.

Al comparar los resultados obtenidos en simulación y los medidos de las dos antenas se observa que los resultados son muy simulares en cuanto a resultados medidos y simulados hasta una frecuencia de 11GHz pero a frecuencias mayores los resultados ya muestran discrepancias.

Figura 4.299 Resultados Artículo base. Tomada de [35] con propósitos académicos

88

89

5. Capítulo Conclusiones y Trabajos futuros

5.1. CONCLUSIONES.

En este trabajo se propone el diseño de cuatro antenas con topología Vivaldi para aplicaciones en Wi-Fi y redes de sensores que operen en las bandas de 2.4GHz, 5GHz y las bandas de 915MHz y 2.4GHz respectivamente, con ganancias superiores 3.5dBi y polarización lineal. Se presentó el proceso de diseño cuyo propósito principal era diseñar la antena con las especificaciones anteriormente mencionadas a un tamaño pequeño manteniendo las características de desempeño. Otro de los trabajos realizados fue la implementación exacta de dos antenas vivaldi de gran ancho de banda (5GHz a 30GHz) con elipse parasita, en cuanto al aporte de esta antena solo fue la reproducción exacta dada en el artículo, el diseño de esta antena fue construido en el software AUTOCAD donde todo se realizó a partir de elipses exactas al igual que el artículo. De esta manera se diseñó una antena Vivaldi de ranura cónica (sin slots) con dimensiones de 135 mm × 137 mm y que trabajaba en la banda de 950 MHz a 6GHz, una antena Vivaldi de ranura cónica modificada con 4 slots curvos con dimensiones de 135mm × 137mm y ancho banda de 900 MHz a 6GHz, una antena vivaldi de ranura cónica con 2 slots curvos y stub radial dividido con un ángulo de 40° con dimensiones de 135 mm × 137 mm y ancho banda de 900 MHz a 6GHz y finalmente, otra antena Vivaldi de ranura cónica modificada cónica con 2 slots curvos y stub radial dividido con un ángulo de 53° con dimensiones de 135 mm × 137 mm y ancho banda de 900 MHz a 6GHz. Las antenas fueron diseñas sobre el sustrato RF300600 con permitividad relativa de 3 y grosor de 1.524mm.

La comprobación de los modelos simulados se realizó por medio de la comparación de los resultados simulados y medidos de coeficientes de reflexión. Los análisis de los resultados mostraron consistencia entre el modelo simulado y el prototipo implementado. Sin embargo se encontraron ciertas discrepancias en el coeficiente de reflexión, posiblemente debidas a la introducción del conector SMA, irregularidades en la soldadura o inexactitud en el proceso de fabricación. Así mismo se observó que las medidas con VNA anritsu las antenas con ranuras presentan todas la antiresonancia en el centro de la banda, a diferencia de la antena que no tiene ranuras, la cual no la tiene y se adapta mejor. Por motivos de no contar con los equipos necesarios para medir la ganancia y el diagrama de radiación no fue posible obtener estos diagramas, otro inconveniente que se presento es que el generador ANRITSU va solo hasta 6GHz y las antenas vivaldi antipodal trabajan a partir de 5GHz por lo que apenas se logra observar 1 GHz en todo el ancho de banda, en cuanto a la caracterización en diagrama las antenas vivaldi antipodal solo fue posible una medición hasta 13.6GHz, a diferencia de

90

las antenas vivaldi de ranura cónica que si fue posible la medición tanto con el VNA Anritsu y la caracterización del diagrama.

Los resultados presentados demuestran que la introducción de ranuras o slots curvos en la geometría del taper de una antena Vivaldi con ranura cónica contribuyendo a disminuir la frecuencia mínima de la antena, al igual que la duplicación del Stub radial ayuda a una mejor adecuación de la antena en todo el ancho de banda. Por otra parte se evidencia que estas modificaciones extienden el límite inferior de frecuencia a valores tan bajos como los 900 MHz siendo estas frecuencias muy efectivas para redes de sensores. Así mismo se evidencian ventajas adicionales como la mejora en la directividad y aumento de ganancia.

5.2. TRABAJOS FUTUROS

Como temas futuros de trabajo e investigación, se plantea la posibilidad de reducir aún más el tamaño de la antena manteniendo las características de desempeño, por ejemplo a través de geometrías alternativas en la forma del taper o el uso de sustratos con permitividades mayores.

Mejoramiento en ganancia en todo el ancho de banda de la antena al igual que la directividad, adicionalmente se podría elaborar agrupaciones de antenas para logras un mejor ancho de banda, mejor ganancia, mayor directividad y mayor campo de radiación.

Así mismo se propone la comprobación de los posibles factores que fueron determinantes en las diferencias de los resultados obtenidos para los modelos simulados y los prototipos construidos. De esta manera se pretende generar desarrollos que involucren a la comunidad académica y científica con el fin de impulsar la tecnología e industria nacional y mundial

91

6. Bibliografía

[1] C. A. Suárez, Introducción al análisis y diseño de antenas planas y sus aplicaciones,

Ediciones Universidad Distrital, Bogotá, 2017

[2] D. M. Dobkin, RF Engineering for Wireless Networks, Elsevier Inc. San Diego, 2005.

[3] W. Dargie, C. Poellabauer, Fundamentals of wireless sensor networks: theory and

practice, John Wiley & Sons Ltd, 2010.

[4] Cesar Echeverry. Martha González, “Diseño de un nodo de sensado remoto inalámbrico

usando elementos radiantes de alta ganancia”, Universidad Distrital Francisco José de

Caldas, Facultad de Ingeniería, Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica, Bogotá D.C, 2015.

[5] Cristiam D. Martín J., “Nuevas propuestas de antenas para aplicaciones en satélites de

reducido tamaño – fase 1”, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad de

Ingeniería, Proyecto Curricular Ingeniería Electrónica, Bogotá D.C, 2015.

[6] C. A. Suárez, D. R. Méndez, A. P. Rodríguez, G. A. Puerto, “Antena de parche con sentido

de giro reconfigurable para aplicaciones en satélites CubeSat”, Revista DYNA, Vol. 83,

No.199, pp. 157-164, Diciembre 2016.

[7] P. J. Gibson, “La Vivaldi aérea”, en el noveno IEEE Europea Microondas Conf., Brighton,

Reino Unido, pp. 101-105, 1979, Sep. 17-20.

[8] C. A. Suárez, J. Carroll y G. A. Puerto, “Antena Compacta para Aplicaciones en Satélites

de Reducido Tamaño,”, Información Tecnológica Vol. 27, No. 3, pp. 189-198, junio 2016.

[9] C. A. Suárez Fajardo, J. López Cárdenas, G. A. Puerto Leguizamón, “Antena plana para

aplicaciones en las bandas L1 y L2 de GPS”, Revista científica Ingeniería y desarrollo, Vol. 34,

No. 1, pp. 248-265, Enero-junio 2016.

[10] C. Suárez-Fajardo, R. Rodríguez, E. Antonino-Daviú, “Wideband PIFA antenna for higher

LTE band applications,” Revista Dyna Universidad Nacional de Colombia, vol. 82, no. 189,

pp. 84-89, Febr. 2015.

[11] C. Suárez, R. Rodríguez, M. Ferrando, “Broadband planar antenna with improved

pattern bandwidth,” Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, vol. 65, pp.

74-84, Dic. 2012.

[12] C. Suárez, M. Ferrando, A. Valero, J. Poveda, “Síntesis de Diagramas de Radiación con

Agrupaciones Circulares de Antenas Aplicables en Sistemas UMTS 3G,” Revista Ingeniería U.

Distrital, vol. 7, no. 2, pp. 9-12, Nov. 2002.

92

[13] C. Suárez, M. Ferrando, A. Valero, E. Gaona y D. Rincón, “De la Síntesis con

Agrupaciones Lineales a la Síntesis con Agrupaciones Circulares,” Revista Ingeniería U.

Distrital, vol. 8, no. 1, pp. 21-25, Jul. 2003.

[14] C. Suárez, M. Ferrando, A. Valero, J. Forero, “The effect of array spacing and the

influence of the radiation pattern of the element in a pattern synthesis of uniform circular

arrays,” Revista Ingeniería U. Distrital, vol. 8, no. 2, pp. 4-5, Nov. 2003.

[15] C. Suárez, M. Ferrando, A. Valero, E. Gaona, “Síntesis con agrupaciones circulares de

dipolos,” Revista Ingeniería U. Distrital, vol. 9, no. 1, pp. 30-34, Jul. 2004.

[16] C. Suárez, M. Ferrando, A. Valero, D. Rincón, “Antenas de múltiple haz conmutado,”

Revista Ingeniería U. Distrital, vol. 9, no. 2, pp. 17-19, Nov. 2004.

[17] E. Antonino-Daviu, C. A. Suárez-Fafardo, M. Cabedo-Fabrés and M. Ferrando-Bataller,

“Wideband antenna for mobile terminals based on the handset PCB. Resonance,”

Microwave and optical technology letters, vol. 48, no. 7, pp. 1408-1411, Jul. 2006.

[18] C. Suárez, D. Rincón, E. Gaona, “Antenas Fractales,” Revista Ingeniería U. Distrital, vol.

6, no. 1, pp. 34-38, Jul. 2001.

[19] B. Panzer, “Development of an electrically small vivaldi antenna: The cresis aerial vivaldi

(cav-a),” Center for Remote Sensing of Ice Sheets, University of Kansas, 2335 Irving Hill Road

Lawrence, KS 66045-7612, Technical Report CReSIS TR 135, December 2007.

[20] C. A. Balanis, Antenna Theory, 3rd ed. Wiley, 2005

[21] A. E. Herrera, “Fundamentos de Antena de Microcinta”, Universidad Veracruzana, Facultad de ingeniería en electrónica y comunicaciones, 2008. [22] Bhartia P., K.V. S Rao, y R.S. Tomar, “Millimeter-wave microstrip and printed circuit antennas”, Norwood: Artech house, 1991. [23] Zürcher, Jean-Francois, y F. E. Gardiol, “Broadband patch antennas”, Norwood: Artech house, 1995. [24] R. Hernández Aquino, “Diseño, simulación y construcción de antenas tipo parche para Bluetooth y WI-FI, bandas 2.4 GHz y 5.8GHz”, Tesis professional, Licenciatura en Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones, Departamento de Computación, Electronica y Mecatrónica, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Universidad de las Américas Puebla, Cholula, Puebla, México,2008. [25] Gazit, E. “Improved design of the Vivaldi antenna”, IEE Proceedings, Vol. 135, No. 2, pp. 89–92, 1988.

93

[26] R. T. Ramírez. “Diseño y construcción de antenas planares de banda ancha con aplicaciones en sistemas de telecomunicaciones”, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Programa de Posgrado en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones con Orientación en Altas Frecuencias, 2012. [27] Wang, S., Chen, X. D. and Parini, C. G. “Analysis of Ultra Wideband Antipodal Antenna Design”, IEEE Loughborough Antennas and Propagation Conference”. pp. 129-132, 2007 [28] Sang-Gyu, K. and Chang, K. “A low Cross-Polarized Antipodal Vivaldi Antenna Array for Wideband Operation”, IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Departament of Electronical Engineering, Texas A&M University. pp. 226- 272, 2004. [29] Sang-Gyu, K. and Chang, K. “Ultra Wideband 8 to 40 GHz Beam Scanning Phased Array using Antipodal Exponentially-Tapered Slot Antennas”, IEEE Antennas and Propagation Society, pp. 1-10 2004. [30] Che,Y., Xinyu Hou, K. Wenming T. “Simulation of A Small Sized Antipodal Vivaldi Antenna for UWB Applications”, IEEE International conference, 2010. [31] Ostadrahimi, M., Noghanian,S., Shafai, L., Zakaria, A., Kaye, C. and Lovetri, J. ”Investigating a double layer Vivaldi antenna design for fixed array field measurement”, Int. J. Ultra Wideband Communications and Systems, Vol. 1, No. 4. pp. 282- 290, 2010. [32] Langley, J. D. S., Hall, P. S. and Newham, P. (1993). Novel ultrawide-bandwidth Vivaldi antenna with low cross polarization, Electronics Letters, Vol. 29, No. 23, pp. 2004–2005. [33] A. Abbosh, “Miniaturized microstrip-fed tapered-slot antenna with ultrawideband performance,” Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, vol. 8, pp. 690–692, 2009. [34] Tuan Anh Vu, M. Z. Dooghabadi, S. Sudalaiyandi, H˚akon A. Hjortland, Øivind Næss, T. S. Lande and S. E. Hamran “UWB Vivaldi Antenna for Impulse Radio Beamforming”, Dept. of Informatics, University of Oslo, Norway, 2014. [35] Ibrahim T. Nassar and Thomas M. Weller, “A Novel Method for Improving Antipodal Vivaldi Antenna Performance”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 63, NO. 7, 2015. [36] P. Fei, Y.-C. Jiao, W. Hu, and F.-S. Zhang, “A miniaturized antipodal vivaldi antenna with improved radiation characteristics,” Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, vol. 10, pp. 127–130, 2011. [37] S. H. He, W. Shan, C. Fan, Z. C. Mo, F. H. Yang, and J. H. Che, “An Improved Vivaldi Antenna For Vehicular Wireless Communication Systems”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, VOL. 13, 2014.

94

[38] J. Nevrl´y, “Design of vivaldi antenna,” in Diploma Thesis, Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University in Prague, 2007. [39] T. Anh Vu, M. Z. Dooghabadi, S. Sudalaiyandi, H. A. Hjortland, Øivind Næss, T. S. Lande and S. E. Hamran, “UWB Vivaldi Antenna for Impulse Radio Beamforming”, Dept. of Informatics, University of Oslo, Norway, 2014. [40] I. E. U. Ainara Rebollo Mugueta, “Diseño y fabricación de una antena plana para cámaras de imagen en el rango del terahercio”, ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN, Pamplona, Septiembre 2010. [41] K.C.Gupta, Ramesh Garg, Inder Bahl and Prakash Bhartia, “Microstrip lines and slotlines”, Artech House Inc. 1996.

[42] David M. Pozar, “Microwave engineering”, John Wiley & Sons, Inc. 2005.