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Sara Rodríguez Roberto
DISEÑO DE ANTENAS MICROSTRIP SOBRE SUSTRATO TEXTIL
TRABAJO DE FIN DE GRADO
dirigido por el Sr. David Girbau Sala
Grado en Ingeniería Telemática
Tarragona
2017
2
Mi agradecimiento más sincero al Sr. David Girbau Sala por haberme dirigido
durante el desarrollo de este proyecto, por todo el tiempo que me ha dedicado des del primer día al último, y en especial, por todas las facilidades y consejos
que me ha dado para llevarlo a cabo.
A mi familia, por estar siempre a mi lado y por su apoyo.
Con este proyecto cierro mi etapa universitaria.
A todos, muchas gracias.
3
Índice
1 Dispositivos Wearables ____________________________ 4
1.1 Gafas inteligentes ___________________________________ 4
1.2 Accesorios y Complementos ____________________________ 5
1.3. Seguridad de los trabajadores __________________________ 5
1.4. En la medicina ______________________________________ 6
1.5. En la industria textil __________________________________ 6
1.6 Antenas utilizadas en dispositivos wearables _______________ 6
1.7 Objetivos ___________________________________________ 7
1.8 Organización de la memoria ___________________________ 7
2 Antenas ________________________________________ 8
2.1 Espectro electromagnético ____________________________ 8
2.2 Bluetooth ________________________________________ 10
2.3 Parámetros de una antena ___________________________ 10
2.3.1 Diagramas de radiación _____________________________________ 10
2.3.2 Densidad de potencia radiada ________________________________ 11
2.3.3 Directividad ______________________________________________ 12
2.3.4 Ganancia ________________________________________________ 13
2.3.5 Adaptación ______________________________________________ 14
2.4 Tipos de antenas __________________________________ 14
2.4.1 Antenas Dipolo ____________________________________________ 14
2.4.2 Antenas Yagi _____________________________________________ 15
2.4.3 Antenas Panel Plano (Flat Panel) ______________________________ 16
2.4.4 Antenas parabólicas (plato parabólico) _________________________ 16
2.4.5 Antenas de Ranura _________________________________________ 17
2.4.6 Antenas Microstrip _________________________________________ 18
2.4.7 Antenas tipo Parche _______________________________________ 18
2.5 Sustrato textil _____________________________________ 21
3 Diseño de antenas sobre sustrato textil _______________ 22
3.1 Diseño de una antena parche sobre sustrato textil ________ 22
3.2 Diseño rectangular modificado con plano de masa infinito __ 24
3.3 Diseño rectangular modificado con plano de masa finito ____ 30
3.4 Diseño circular ____________________________________ 36
3.5 Diseño circular y rectangular con slots __________________ 37
3.6 Efecto del slot en diseño circular y rectangular con slots ___ 40
4 Conclusiones ____________________________________ 42
4
1 Dispositivos Wearables [1][2]
Hoy en día las nuevas tecnologías están muy presentes en nuestra vida cotidiana, vas por la calle y ves a alguien utilizando un Smartphone, subes al autobús o al metro y ves a alguien con una tablet. Con estas tecnologías
tenemos acceso a internet donde podemos acceder a navegadores para buscar información de lo primero que nos venga a la mente, a la localización del
restaurante donde vamos a cenar esta noche, al correo electrónico y por supuesto las herramientas básicas de comunicación como por ejemplo son: las llamadas, los mensajes de texto, la cámara de fotos y el reproductor de
música.
La idea de los dispositivos wearables es llevar toda esta tecnología a otro nivel y tal como el nombre indica en inglés llevar esta nueva tecnología literalmente puesta. Puede estar integrada en los complementos diarios como relojes,
pulseras, collares o incluso en la ropa. Una de las principales ventajas es que no tenemos la necesidad de llevarlos en la mano o en el bolsillo, siendo así,
una parte más de nosotros ofreciéndonos todas las utilidades de las que disponen.
Hay un extenso abanico de campos donde están integrados estos dispositivos, con el objetivo de satisfacer nuestras necesidades y con la única finalidad de
mejorar nuestra calidad de vida.
A continuación reviso algunos ejemplos de donde los podemos encontrar y en
las aplicaciones en las que se emplean:
1.1 Gafas inteligentes
En el evento para desarrolladores de Google I/O del 2012 se presentó al
público el “Proyecto Gafas” (Project Glass), con el cual dejó al mundo
fascinado por su espectacular demostración y la expectación que creaba el
dispositivo (ver Figura 1.1).
Figura 1.1 Imagen de las Google Glass
La idea que ofrecían estas nuevas gafas era la oportunidad de poder compartir
experiencias con nuestros seres queridos, teniendo las manos libres, como si estuvieran ellos en nuestro lugar y teniendo nuestro punto de vista.
5
1.2 Accesorios y Complementos
Pulseras, anillos y relojes son complementos digitales que guardan todo tipo de información sobre nuestro tipo de vida, como cuantas horas dormimos, la distancia que recorremos al día, las calorías que perdemos, si
llevamos mucho tiempo sentado o incluso nos avisan de cuando tenemos que beber agua. También podemos interactuar con otros dispositivos a
través de la tecnología inalámbrica que posee, siéndonos posible abrir la puerta de nuestra casa sin necesidad de introducir una llave, realizar la
compra semanal o encender el motor del coche. En la Figura 1.2 hay un par de ejemplos.
Figura 1.2 Imagen de una anillo y una pulsera inteligente
1.3. Seguridad de los trabajadores
La seguridad en cualquier trabajo es esencial, por ello se llevan a cabo muchas medidas y protocolos de seguridad para evitar accidentes, aún así muchos
pasos se tienen que hacer manualmente y ahí entra en juego el factor humano.
Para evitar riesgos y aumentar la monitorización y control de estas los dispositivos wearables entran en juego. Como podemos ver en la figura 1.3,
hoy en día ya existen cascos de bomberos que poseen la tecnología integrada y con ello los bomberos pueden controlar los niveles de oxigeno y la
temperatura a la que se exponen. Además llevan incorporados un GPS para que su localización exacta sea fácil de encontrar.
Figura 1.3 Imagen de un casco de bomberos con tecnología wearable integrada
6
1.4. En la medicina
El campo de la medicina es muy interesante para estos nuevos dispositivos (ver figura 1.4), puesto como hemos dicho antes que el objetivo de los
wearables es hacernos la vida más fácil y eso incluye mejorar nuestra salud. Por ejemplo, se están desarrollando sensores que controlan la cantidad de
glucosa de un paciente con diabetes de tal forma que un dispensador electrónico inyecte de forma automática la cantidad de insulina precisa que necesita, y el mismo sensor analizaría y almacenaría los datos obtenidos para
luego ser enviados vía internet a los ordenadores, tablets o dispositivos del equipo médico del paciente y de este modo el control aumentaría y el tiempo
de reacción disminuiría [16].
Figura 1.4 Imagen de dispositivos inteligentes para la medicina
1.5. En la industria textil
Otro campo donde podemos encontrar los dispositivos wearables es en el
textil, integrados en camisetas (ver figura 1.5), en los logotipos de la empresa de las mochilas, en prendas infantiles que envían un señal al Smartphone cuando el bebe tiene fiebre, sudaderas con leds que alumbran en la oscuridad,
aparte de contabilizar todos los kilómetros realizados por el corredor junto a su ritmo cardiaco y las calorías quemadas y también los podemos encontrar en
ropa de deporte que te ayuda a realizar los movimientos adecuados mientras aprendes el deporte en cuestión.
Figura 1.5 Imagen de leds integrados en la ropa
1.6 Antenas utilizadas en dispositivos wearables
La antenas comúnmente utilizadas en los dispositivos wearables son las
antenas impresas, que gracias a su flexibilidad de diseño se adaptan muy bien
a casi cualquier superficie y dándole la forma que se considere
7
Normalmente, los dispositivos wearables que requieren conectividad están
conectados al teléfono móvil mediante conexión bluetooth. A partir del
teléfono móvil, se puede ver la información en una app o enviarla hacia el
exterior.
Para que el fin de los dispositivos wearables que requieren conectividad se
lleve a cabo se necesita una antena, ya que es la encargada de transmitir la
información al móvil. El diseño de estas antenas tiene dos aspectos
importantes a tener en cuenta: la fabricación sobre sustrato textil y la
necesidad de utilizar topologías que sean aptas para trabajar en proximidad
del cuerpo (básicamente, que tengan plano de masa que desacople el cuerpo).
1.7 Objetivos
El objetivo del proyecto es diseñar varias antenas sobre substrato textil para
dispositivos wearables. La topología de antena elegida es el formato microstrip
y el substrato textil DHJ PEARL, fabricado por Decoprint®. Este sustrato
está disponible en un proyecto que participa el grupo en el cual he trabajado,
de forma que en un futuro se podría realizar alguna prueba de fabricación (no
disponible durante la realización de este proyecto). Para llevar a cabo este
proyecto y cumplir el objetivo principal, he tenido que acometer varios
objetivos secundarios:
- Aprender las herramientas de diseño de antenas ADS/Momentum y
LineCalc.
- Hacer una revisión de la bibliografía y buscar varias antenas microstrip
típicas para usar como punto de partida.
1.8 Organización de la memoria
La memoria tiene cuatro puntos principales:
1. Dispositivos wearables: En este apartado se hace una introducción a
los dispositivos wearables, donde los podemos encontrar y las antenas utilizadas por estos. También se habla de los objetivos del proyecto y de la organización de la memoria.
2. Antenas: En este apartado se explican los principales parámetros de
una antena y los principales tipos de antenas
3. Antenas sobre sustrato textil: se explican los diseños y resultados
obtenidos en ADS/Momentum sobre sustrato textil.
4. Conclusiones: En este apartado se hace una valoración de los
resultados obtenidos en los diferentes diseños.
8
2 Antenas [3][4][5][6][7]
Una antena es la parte de los sistemas de telecomunicación específicamente diseñada para transmitir (radiar) y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se pueden
transmitir por el espacio libre.
Los sistemas de comunicaciones utilizan las antenas para realizar enlaces punto a punto, difundir señales de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles, en la figura 2.1 se muestran varios ejemplos.
. Figura 2.1 Ejemplos de antenas
2.1 Espectro electromagnético
Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. El conjunto de todas las frecuencias se denomina espectro electromagnético (figura 2.2)
Figura 2.2 Espectro electromagnético
Clasificamos las diferentes ondas por bandas según vemos en la figura 2.3:
9
Figura 2.3 Clasificación de las ondas por bandas
En Televisión y FM se utilizan otras denominaciones como Banda I, Banda II,
Banda III, IV y V (figura 2.4)
Figura 2.4 Clasificación de las ondas de TV y FM
A frecuencias superiores nos encontramos con la parte del espectro
electromagnético correspondientes al infrarrojo, visible y ultravioleta. A frecuencias superiores tenemos los rayos X y los rayos Gamma, de energía
mayor y longitudes de onda más reducidas (figura 2.5)
Figura 2.5 Clasificación de las ondas superiores
10
2.2 Bluetooth [8]
Este proyecto nos centraremos en la parte del espectro donde opera Bluetooth
que es una tecnología de red inalámbrica de corto alcance, que se utiliza para
conectar dispositivos entre sí sin ayuda de una conexión por cable. Esta
conexión no necesita una visualización directa entre los dispositivos, es más,
los dos dispositivos pueden comunicarse incluso si están separados por una
pared. Puede tener un rango entre 10 y 100 metros, y es de bajo consumo
(Bluetooth Low Energy).
Bluetooth trabaja a 2,4 GHz. Una de las características más importantes es
que los dispositivos pueden detectarse entre sí sin que el usuario tenga que
interactuar con el dispositivo, siempre y cuando uno de ellos se encuentre
dentro del alcance del otro.
2.3 Parámetros de una antena
2.3.1 Diagramas de radiación
El diagrama de radiación de una antena se define como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular.
Normalmente se muestran de forma tridimensional o en cortes bidimensionales.
- Diagrama 3D: el diagrama de radiación tridimensional de una antena típico se muestra en la figura 2.7.
Figura 2.7 Diagrama tridimensional de radiación
- Diagrama 2D: Un corte bidimensional en coordenadas polares del
diagrama 3D anterior se representaría como en la figura 2.8
11
-
- Figura 2.8 Diagrama de radiación 2D
-
2.3.2 Densidad de potencia radiada
La densidad de potencia radiada se define como la potencia por unidad de
superficie en una determinada dirección. Las unidades son watios por metro cuadrado. Se puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos eléctricos (E) y magnéticos (B) como:
(1)
La relación entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del campo
magnético es la impedancia característica del medio
(2)
Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede calcular a
partir de las dos componentes del campo eléctrico.
(3)
La potencia total radiada se puede obtener como la integral de la densidad de potencia en una esfera que encierre a la antena.
(4)
12
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido en una determinada dirección. Las unidades son watios por estereorradián.
Dicho parámetro es independiente de la distancia a la que se encuentre la antena emisora. La relación entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia radiada es
(5)
La potencia total radiada se puede calcular integrando la intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio.
(6)
2.3.3 Directividad [9]
La directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una cierta distancia, y la densidad de
potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada:
(7)
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la dirección de máxima radiación:
(8)
La directividad se puede obtener, en general, a partir del diagrama de radiación de la antena:
(9)
Simplificando términos, tenemos:
13
(10)
Dónde e se define como el ángulo sólido equivalente. Para antenas directivas,
con un solo lóbulo principal y lóbulos secundarios de nivel despreciable, se puede obtener una directividad aproximada considerando que se produce radiación uniforme en el ángulo sólido definido a partir de los anchos de haz a
–3dB en los dos planos principales del diagrama de radiación.
(11)
2.3.4 Ganancia [10]
La ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una
antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena.
(12)
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la ganancia se
refiere a la dirección de máxima radiación.
La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia
(13)
Si una antena no tiene pérdidas óhmicas, la directividad y la ganancia son iguales.
(14)
14
2.3.5 Adaptación [11]
La transferencia de potencia entre la antena y el circuito al cual está conectada la carga es máxima cuando ambas impedancias son complejas
conjugadas.
(15)
En general, si no hay adaptación, la potencia recibida por una carga RL + jXL
conectada a una antena de impedancia Ra + jXL se puede calcular como
(16)
Se define el coeficiente de adaptación como la relación entre la potencia recibida y la potencia que se recibiría en el caso de máxima transferencia de
potencia. Toma valores entre 0 y 1.
(17)
2.4 Tipos de antenas [12]
Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes son:
- Antenas Dipolo - Antenas Yagi
- Antenas Panel Plano (Flat Panel) - Antenas parabólicas (plato parabólico)
- Antenas de Ranura - Antenas Microstrip - Antenas Parche
2.4.1 Antenas Dipolo
Las antenas dipolo consisten en un hilo conductor de media longitud de onda a
la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca el acceso, generador o una línea de transmisión como podemos ver en la figura
2.10.
15
Figura 2.10 Antena dipolo
La radiación de un dipolo en el espacio libre es tal como se indica en la figura
2.11, en un plano perpendicular a la dirección del dipolo. Radia exactamente igual en todas direcciones: mientras que en el plano del dipolo radia con un
máximo en la dirección perpendicular al hilo y un mínimo en la dirección del hilo.
Figura 2.11 Radiación en una antena dipolo
2.4.2 Antenas Yagi
Son usadas en TDT y FM como antenas receptoras o para radioenlaces,
aunque la mayor parte de Yagis que vemos en los tejados son antenas para recibir los canales de TV.
La particularidad de este tipo de antenas es que tienen varios elementos. Esto aporta dos ventajas: son muy directivas, ya que los elementos adicionales,
llamados directores, tienen la misión de dirigir la señal hacia un solo lugar; la otra ventaja es su ganancia que aumenta con los elementos directores. Ver
figura 2.13.
16
Figura 2.13 Esquema de una antena Yagi
En las antenas Yagi, a mayor número de elementos, mayor directividad y mayor ganancia. No son tan direccionales como las antenas parabólicas, pero
son más directivas que las antenas panel.
2.4.3 Antenas Panel Plano (Flat Panel)
Las antenas de panel plano, que vemos en la figura 2.14, como su nombre lo
dice son un panel con forma cuadrada o rectangular y están configuradas en un formato tipo patch (parche).
Figura 2.14 Antena panel plano
2.4.4 Antenas parabólicas (plato parabólico)
Las antenas parabólicas usan un plato reflector con la forma de una parábola para enfocar las ondas de radio recibidas por la antena a un punto focal. La parábola también funciona para capturar la energía radiada por la antena y
enfocarla en un haz estrecho al transmitir.
17
La antena parabólica es muy direccional. Al concentrar toda la potencia que llega a la antena y enfocarla en una sola dirección, este tipo de antena es
capaz de proveer muy alta ganancia. Un ejemplo de esta antena lo vemos en la figura 2.15.
Figura 2.15 Antena panel plano
2.4.5 Antenas de Ranura
Las antenas de ranura cuentan con características de radiación muy similares a las de los dipolos, tales como los patrones de elevación y azimuth, pero su
construcción consiste solo de una ranura estrecha en un plano. Proveen poca ganancia, y no cuentan con alta direccionabilidad, como evidencian sus
patrones de radiación y su similitud al de los dipolos. Su característica más atractiva es la facilidad de construcción e integración en diseños existentes, así como su bajo coste.
Figura 2.16 Antena de ranura
18
2.4.6 Antenas Microstrip
Estas antenas pueden ser hechas para emular cualquiera de los diferentes tipos de antenas antes mencionados. Debido a que son fabricadas con pistas
en circuito impreso, pueden ser muy pequeñas e integradas.
2.4.7 Antenas tipo Parche [13][14]
Los antecedentes de los circuitos microstrip se remontan a los años 50 donde los primeros circuitos impresos para microondas aparecieron con el nombre de stripline.
Un circuito con stripline está constituido por una tira plana de metal que se
inserta entre dos líneas de tierra. El material aislante del sustrato forma un dieléctrico. El ancho de la tira, el espesor del sustrato y la permitividad
relativa del sustrato determinan la impedancia característica de la tira, la cual constituye la línea de transmisión. Las líneas stripline no son dispersivas, y no tienen frecuencia de corte.
En la figura 2.17 podemos ver que el conductor central no tiene que ser
equidistante entre las dos líneas de tierra. Además el material dieléctrico puede ser diferente por encima y por debajo del conductor central.
Figura 2.17 Diagrama de una línea stripline
Las líneas microstrip fueron publicadas por primera vez en 1952, cercanas a la aparición de las stripline en 1951. La diferencia en el nuevo modelo microstrip fue que se retiró la parte superior del sustrato, dejando la línea conductora en
el exterior.
La tecnología microstrip tardó más tiempo en ganar apogeo, pues aparecieron ciertos limitantes como: las estructuras al ser muy abiertas tienen pérdidas por radiación y en especial cuando son utilizadas en sustratos de baja
permitividad.
A partir de años 70, gracias a la disponibilidad de buenos sustratos con bajas pérdidas y propiedades térmicas atractivas, mejores técnicas fotolitográficas y
más modelos teóricos, se fabricaron las primeras antenas patch.
19
Una de las tecnologías comúnmente utilizadas para la construcción de antenas tipo patch es la de microstrip, por ello se las conoce también como antenas
microstrip y se compone de los siguientes tres componentes: plano de masa inferior o plano de tierra, sustrato por encima de dicho plano de masa y un elemento radiante que se sitúa justo encima de dicho sustrato.
2.4.7.1 Estructura de una antena tipo parche (o patch)
Las antenas tipo patch también son conocidas como antenas microstrip ya que
se basan en dicha tecnología. Son un tipo de antenas planas, se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre substrato dieléctrico. Las dimensiones se eligen de forma que la estructura disipe la potencia en forma
de radiación. En la figura 2.18 podemos ver la estructura de una antena tipo parche.
Figura 2.18 Estructura de una antena tipo parche
En el patch rectangular, la longitud L es típicamente del orden de la mitad de la longitud de onda del espacio libre. La onda incidente suministrada en la
línea de alimentación crea una resonancia fuerte dentro del patch llevando a una distribución específica de los campos en la región del dieléctrico
inmediatamente debajo del patch, en el cual los campos eléctricos son aproximadamente perpendiculares a la superficie del patch y los campos
magnéticos paralelos a ella. El dieléctrico es eléctricamente delgado para evitar ondas superficiales. La
permitividad está entre 3 y 10 para que las líneas de campo estén confinadas en torno a la línea de microstrip. Ver figura 2.19.
Figura 2.19 Campo eléctrico de una antena tipo parche
20
Un patrón típico de radiación podría ser el de la figura 2.20
Figura 2.20 Patrón típico de radiación de una antena tipo parche
Las antenas microstrip son baratas de construir gracias a su estructura simple.
La antena tipo patch más simple usa un parche con una longitud que es la
mitad de la longitud de onda y un acceso o alimentación microstrip. El flujo de la corriente va en la dirección de la alimentación, así el vector de potencia y el campo magnético siguen la misma dirección que la corriente, como podemos
ver en la figura 2.21
Figura 2.21 Patrón típico de radiación de una antena tipo parche
La ganancia de una antena tipo patch puede estar alrededor de 6-7 dB, sobre
todo si se realiza sobre sustratos La forma del patch dependerá de la aplicación que se requiera. Las formas
más comunes de los patchs son: cuadradas, rectangulares, circulares y elípticas como se ilustra en la figura 2.23, pero es posible cualquier forma.
Figura 2.23 Diferentes posibles formas de una antena tipo parche
21
2.4.7.2 Influencia del sustrato
El sustrato tiene tres características importantes:
- El grosor: un aumento del grosor produce un aumento de la eficiencia
de radiación de la antena, de igual manera se produce un aumento de las pérdidas en el dieléctrico, así como un aumento de las ondas de
superficie.
- La constante dieléctrica: bajas constantes dieléctricas tienen asociadas mejores eficiencias de radiación, menos pérdidas en el dieléctrico y una disminución de las ondas de superficie.[15]
- Tangente de pérdidas: la tangente de pérdidas se define, en este caso; como el inverso de factor de calidad, mediante la siguiente
expresión:
(18)
Por lo tanto la tangente de pérdidas queda representada de la siguiente
manera:
(19)
2.5 Sustrato textil
El sustrato textil en el cual se implementarán los diferentes diseños de antenas es DHJ PEARL, fabricado por Decoprint®.
DHJ Pearl es un tejido de poliéster muy fino, flexible, reciclable pero no es biodegradable.
Las características de este textil son las que podemos ver en la tabla 2.1:
Sustrato Tangente de perdidas (tan δ)
Permitividad (εr) Grossor (mm)
DHJ Pearl 0.0206 2.88 0.11
Tabla 2.1 Características de DHJ PEARL
22
3 Diseño de antenas sobre sustrato textil
Los diseños se dividen en dos tipos, las antenas con plano de masa infinito y
con plano de masa finito. Los diseños con plano de masa infinito (el ADS tiene
un plano de masa ya pre-simulado y tarda menos tiempo de simulación) se
han realizado como punto de partida por la rapidez de simulación. Los diseños
con plano de masa finito tardan más en simularse pero los resultados son más
próximos a la realidad.
Se ha empezado con un diseño rectangular típico al cual se ha ido haciendo
modificaciones. Se han realizado después diseños circulares, y por último se
han realizado modificaciones para minimizar el área de metalización para
facilitar la fabricación.
3.1 Diseño de una antena parche sobre sustrato textil
En la tabla 3.2 observamos el diseño adaptado a una frecuencia de 2.45 GHz y
obtenemos unas pérdidas de retorno de -18.194 dB. Observamos que está adaptado.
Diseño rectangular básico con plano de masa infinito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36
L 36
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -18.19
Tabla 3.2 Diseño y resultados del diseño rectangular básico con plano de masa
infinito
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-15
-10
-5
-20
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
23
Respecto a la directividad y la ganancia de este diseño las podemos ver en la tabla 3.3 junto al diagrama de radiación en 3D. La eficiencia es baja debido a
las pérdidas del material textil.
Directividad vs Ganancia Diagrama de radiación en 3D
Tabla 3.3 Directividad, ganancia y diagrama de radiació en 3D del diseño
rectangular básico con plano de masa infinito
El siguiente diseño con plano de masa finito, ver tabla 3.4, a una frecuencia de
2.45 GHz obtenemos unas pérdidas de retorno de -7.760 dB. Observamos que no está adaptado.
Diseño rectangular básico con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche
(mm)
W 36.4
L 36.2
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -7.760
Tabla 3.4 Diseño y resultados del diseño rectangular básico con plano de masa finito
-80
-60
-40
-20
0 20
40
60
80
-10
0
10
0
-40
-30
-20
-10
0
-50
10
THETA
Ma
g. [d
B]
Gain Directivity
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-6
-4
-2
-8
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
24
Respecto a la directividad y la ganancia de este diseño las podemos ver en la tabla 3.5 junto al diagrama de radiación en 3D.
Directividad vs Ganancia Diagrama de radiación en 3D
Tabla 3.5 Directividad, ganancia y diagrama de radiació en 3D del diseño
rectangular básico con plano de masa
3.2 Diseño rectangular modificado con plano de masa infinito
Diseño 1 ( 5-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 5
L 35 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -14.235
Tabla 3.6 Diseño y resultado del diseño 1
-80
-60
-40
-20
0 20
40
60
80
-10
0
10
0
-40
-30
-20
-10
0
-50
10
THETA
Ma
g. [d
B]
Gain Directivity
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-10
-5
-15
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
25
Diseño 2 ( 5-6)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 5
L 33.7 ∆y 6
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -10.175
Tabla 3.7 Diseño y resultado del diseño 2
Diseño 3 ( 5-9)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 5
L 31.5 ∆y 9
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -5.228
Tabla 3.7 Diseño y resultado del diseño 3
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-10
-8
-6
-4
-2
-12
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-5
-4
-3
-2
-1
-6
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
26
Diseño 4 ( 10-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 10
L 34.1 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -12.537
Tabla 3.8 Diseño y resultado del diseño 4
Diseño 5 ( 10-6)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 10
L 33.7 ∆y 6
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -7.522
Tabla 3.9 Diseño y resultado del diseño 5
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
-14
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-6
-4
-2
-8
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
27
Diseño 6 ( 10-9)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 10
L 28.8 ∆y 9
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -3.122
Tabla 3.10 Diseño y resultado del diseño 6
Diseño 7 ( 15-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 15
L 33.4 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -13.110
Tabla 3.11 Diseño y resultado del diseño 7
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-3.5
-0.5
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
-14
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
28
Diseño 8 ( 15-6)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 15
L 32.4 ∆y 6
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -12.529
Tabla 3.12 Diseño y resultado del diseño 8
Diseño 9 ( 15-9)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 15
L 27.5 ∆y 9
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -4.236
Tabla 3.13 Diseño y resultado del diseño 9
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
-14
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-4
-3
-2
-1
-5
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
29
Comparamos en una tabla todos los resultados de las pérdidas de retorno (S11) en función de la frecuencia (2.45 GHz), en dB, de los 9 diseños
anteriores y se muestran en la tabla 3.14
∆y
3 6 9
∆x
5 -14,235 -10,175 -5,228
10 -12,537 -7,522 -3,122
15 -13,11 -12,529 -4,236
Tabla 3.14 Diseño y resultado de todos los diseños anteriores
De los nueve diseños rectangulares con modificaciones con plano de masa infinito, el diseño que tiene mejores resultados es el diseño número 1 con
unas pérdidas de retorno de -14.235 dB.
Diseño 1 ( 5-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36 ∆x 5
L 35 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -14.235
Tabla 3.15 Diseño y resultado del diseño 1
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-10
-5
-15
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
30
Respecto a la directividad y la ganancia de este diseño las podemos ver en la tabla 3.16 junto al diagrama de radiación en 3D.
Directividad vs Ganancia Diagrama de radiación en 3D
Tabla 3.16 Directividad, ganancia y diagrama de radiación en 3D del diseño 1
3.3 Diseño rectangular modificado con plano de masa finito
En este apartado volvemos a simular los diseños anteriores pero esta vez
sobre un plano de masa finito, y modificando a su vez el tamaño para
adaptarlo a la frecuencia de 2.45GHz. Esta simulación es ya una previsión muy
realista del funcionamiento que tendrá la antena en la realidad.
Diseño 10 ( 5-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 5
L 35.55 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -10.348
Tabla 3.17 Diseño y resultado del diseño 10
-80
-60
-40
-20
0 20
40
60
80
-10
0
10
0
-40
-20
0
-60
20
THETA
Ma
g. [d
B]
Gain Directivity
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-10
-8
-6
-4
-2
-12
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
31
Diseño 11 ( 5-6)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 5
L 34 ∆y 6
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -8.155
Tabla 3.18 Diseño y resultado del diseño 11
Diseño 12 ( 5-9)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 5
L 31.7 ∆y 9
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -4.227
Tabla 3.19 Diseño y resultado del diseño 12
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-8
-6
-4
-2
-10
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-4
-3
-2
-1
-5
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
32
Diseño 13 ( 10-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 10
L 35.0 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -11.012
Tabla 3.20 Diseño y resultado del diseño 13
Diseño 14 ( 10-6)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 10
L 32.9 ∆y 6
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -7.440
Tabla 3.21 Diseño y resultado del diseño 14
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-10
-8
-6
-4
-2
-12
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-6
-4
-2
-8
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
33
Diseño 15 ( 10-9)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 10
L 30.2 ∆y 9
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -2.608
Tabla 3.22 Diseño y resultado del diseño 15.
Diseño 16 ( 15-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 15
L 35.2 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -10.191
Tabla 3.23 Diseño y resultado del diseño 16
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-3.0
-0.5
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-10
-8
-6
-4
-2
-12
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
34
Diseño 17 ( 15-6)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 15
L 31.0 ∆y 6
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -5.807
Tabla 3.24 Diseño y resultado del diseño 17
Diseño 18 ( 15-9)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 15
L 35.6 ∆y 9
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -4.236
Tabla 3.25 Diseño y resultado del diseño 18
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-5
-4
-3
-2
-1
-6
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-4
-3
-2
-1
-5
0
Frequency
Mag.
[dB
]
S11
35
Comparamos en una tabla todos los resultados de las pérdidas de retorno (S11) en función de la frecuencia (2.45 GHz), en dB, de los 9 diseños
anteriores y se muestran en la tabla 3.26
∆y
3 6 9
∆x
5 -10.348 -8.155 -4.227
10 -11.012 -7.440 -2.608
15 -10.191 -5.807 -4.236
Tabla 3.26 Diseño y resultado de todos los diseños anteriores
De los nueve diseños rectangulares con modificaciones con plano de masa
finito, el diseño que tiene mejores resultados es el diseño número 13 con unas pérdidas de retorno de -11.012 dB.
Diseño 13 ( 10-3)
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 36.4 ∆x 10
L 35.0 ∆y 3
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -11.012
Tabla 3.27 Diseño y resultado del diseño 13
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-10
-8
-6
-4
-2
-12
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
36
Respecto a la directividad y la ganancia de este diseño las podemos ver en la tabla 3.28 junto al diagrama de radiación en 3D.
Directividad vs Ganancia Diagrama de radiación en 3D
Tabla 3.28 Directividad, ganancia y diagrama de radiación en 3D del diseño 13
3.4 Diseño circular
En este apartado se muestra un diseño de parche microstrip con forma
circular, como alternativa al rectangular anterior.
Diseño circular con plano de masa infinito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
Radio 21.1
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -33.824
Tabla 3.29 Diseño y resultado del diseño circular con plano de masa infinito
-150 -100 -50 0 50 100 150-200 200
-30
-20
-10
0
-40
10
THETA
Ma
g. [d
B]
Gain Directivity
2.2 2.4 2.6 2.82.0 3.0
-30
-20
-10
-40
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
37
Diseño circular con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
Radio 21.7
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -21.201
Tabla 3.30 Diseño y resultado del diseño circular con plano de masa finito
3.5 Diseño circular y rectangular con slots
Diseño circular 1 con slot central con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche
(mm)
Radio 17
Radio (slot) 7
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -17.470
Tabla 3.32 Diseño y resultado del diseño circular 1 con slot y con plano de masa
finito
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-20
-15
-10
-5
-25
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-15
-10
-5
-20
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
38
Diseño circular 2 con slot central con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche
(mm)
Radio 18
Radio (slot) 7
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -19.050
Tabla 3.33 Diseño y resultado del diseño circular 2 con slot y con plano de masa
finito
Diseño circular 3 con slot central con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche
(mm)
Radio 21.7
Radio (slot) 1.45
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -44.737
Tabla 3.34 Diseño y resultado del diseño circular 3 con slot y con plano de masa
finito
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-15
-10
-5
-20
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.2 2.8
-40
-30
-20
-10
-50
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
39
Podemos ver que esta antena tiene una adaptación muy buena. Respecto a la
directividad y la ganancia de este diseño las podemos ver en la tabla 3.35 junto al diagrama de radiación en 3D.
Directividad vs Ganancia Diagrama de radiación en 3D
Tabla 3.35 Directividad, ganancia y diagrama de radiación en 3D del diseño circular
con slot y con plano de masa finito
Diseño rectangular con slot y con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 23 ∆x 14
L 26 ∆y 9.30
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -23.130
Tabla 3.36 Diseño y resultado del diseño rectangular con slot y con plano de masa
finito
Respecto a la directividad y la ganancia de este diseño las podemos ver en la
tabla 3.37 junto al diagrama de radiación en 3D.
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.72.0 2.8
-20
-15
-10
-5
-25
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
40
Directividad vs Ganancia Diagrama de radiación en 3D
Tabla 3.37 Directividad, ganancia y diagrama de radiación en 3D del diseño
rectangular con slots con plano de masa finito
3.6 Efecto del slot en diseño circular y rectangular con slots
La inclusión de un slot puede introducir resonancias a alta frecuencia. En las
siguientes simulaciones evaluamos este efecto.
Diseño circular 3 con slot con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
Radio 21.7
Radio (infiltración) 1.45
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -44.737
Tabla 3.38 Diseño y resultado del diseño circular 3 con infiltraciones con plano de
masa finito
-150 -100 -50 0 50 100 150-200 200
-30
-20
-10
0
-40
10
THETA
Ma
g. [d
B]
Gain Directivity
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.52.0 6.0
-25
-20
-15
-10
-5
-30
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
41
Diseño rectangular con slot y con plano de masa finito
Diseño Simulación del diseño
Medidas del parche (mm)
W 23 ∆x 14
L 26 ∆y 9.30
Perdidas de retorno (dB)
Frecuencia 2.45 GHz
S(1,1) -23.130
Tabla 3.39 Diseño y resultado del diseño rectangular con infiltraciones con plano de
masa finito
Observamos en la tabla 3.38 el diseño circular 3 con slot y con plano de masa
finito que a causa del slot central añadido aparecen dos picos resonantes por
encima de la frecuencia de 2.45GHz, en torno a los 4GHz y los 5.5GHz.
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.52.0 6.0
-20
-15
-10
-5
-25
0
Frequency
Ma
g. [d
B]
S11
42
4 Conclusiones
Se han diseñado diferentes tipos de antenas microstrip sobre sustrato textil
DHJ Pearl.
Con los resultados de las simulaciones de los diseños se ha visto que las
pérdidas asociadas a este sustrato penalizan de forma importante la eficiencia
de las antenas y como consecuencia a esto obtenemos que la ganancia es
baja penalizando de este modo al alcance de los dispositivos que los integren.
De todas formas, en aplicaciones wearables esto no es muy importante ya que
las distancias suelen ser inferiores al metro.
Por otro lado, se ha observado como el plano de masa aísla la antena de
forma efectiva respecto su cara posterior, una característica esencial por la
presencia del cuerpo.
Se han mostrado varios diseños, de tipo rectangular y circular, con
modificaciones varias, obteniéndose en varios diseños unas prestaciones
destacables, como es el caso del diseño circular 3 con slot.
Como línea futura, se puede plantear la fabricación de estos diseños. Esto no
se ha podido incluir dentro de los objetivos de este proyecto debido a la
imposibilidad de fabricación en los laboratorios de la universidad.
43
Referencias
[1] http://www.dispositivoswearables.net/
[2]http://gglassday.com/google-glass-toda-la-informacion-que-es-google-glass-para-que-
sirven/
[3] Antenna Theory: Analysis and Design by Constantine A. Balanis
[4] Antenas. A. Cardama, L. Jofre, J.M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. Edicions UPC
ISBN 84-8301-625-7
[5] R. B. Waterhouse. Microstrip patch antennas: a designer's guide. Kluwer Academic. ISBN 1-
4020-7373-9.
[6] J. R. James, P S Hall y C. Wood. Microstrip Antenna Theory and Design. IET. ISBN 0-86341-
088-X.
[7] https://es.wikipedia.org/wiki/Stripline
[8] Bluetooth http://es.ccm.net/contents/70-bluetooth
[9] http://www.upv.es/antenas/Tema_1/Directividad.htm
[10] http://www.upv.es/antenas/Tema_1/ganancia.htm
[11] http://www.upv.es/antenas/Tema_1/adaptacion.htm
[12]http://www.wni.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=62:antenassoporte&c
atid=31:general&Itemid=79
[13]http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/hernandez_a_r/capitulo3.pdf
[14]http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Transparencias_reducidas/Tema_9.pdf
[15] https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_diel%C3%A9ctrica
[16]http://consalud.es/saludigital/revista/el-boom-de-la-tecnologia-para-la-diabetes-100
