Diseño de antena microstrip

http://lonely113.blogspot.com

ANTENA IMPRESA O ANTENA MICROSTRIP

1. DEFINICIÓN

Las antenas impresas, de tipo parche también denominadas antenas microstrip (microtira) 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.


Los primeros diseños datan de la década de los 50, y se empiezan a utilizar en sistemas a partir de los años 70. La estructura consiste en un Parche metálico (dimensiones comparables a λ), sobre un substrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor oscila entre 0.003λ y 0.05 λ. La constante dieléctrica (εr) puede tomar valores típicos de 2 a 12. En la parte inferior de la estructura se tiene un plano conductor perfecto.

2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Las antenas microstrip se pueden analizar de muy diversas formas, desde los modelos más simples, basados en líneas de transmisión o cavidades hasta los más complejos, utilizando métodos numéricos o espectrales. La línea de transmisión microstrip consiste en un conductor separado por un dieléctrico sobre un plano de masa.

El modo fundamental es quasi-TEM, estando la mayor parte del campo confinado en el dieléctrico.

El dieléctrico es eléctricamente delgado (0.003 <h <0.05), para evitar fugas y ondas superficiales. La permitividad es a (3< εr< 10), para que las líneas de campo estén confinadas en torno a la línea microstrip.


3. FORMA DE LOS PARCHES

Se pueden encontrar radiadores de las formas más diversas, aunque las geometrías más habituales son las circulares y rectangulares.

Otras formas menos habituales son las elípticas, triangulares o en forma de anillo.


4. TÉCNICAS DE ALIMENTACIÓN

Técnicas por contacto

Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación)

Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching)

Técnicas sin contacto

Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo CPL (Cross Polarization Level)

Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%),

Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa


5. PREVISIONES E INCONVENIENTES

Las características más importantes de este tipo de antenas son su bajo perfil, se pueden adaptar a la forma de la estructura (plana o curvada), su fabricación es sencilla y barata, son robustas, combinables con circuitos integrados de microondas, y se pueden diseñar para trabajar a diversas frecuencias y con distintas polarizaciones. Los inconvenientes más importantes son su baja eficiencia, limitada potencia, alto factor de calidad, pobre pureza de polarización, son de banda estrecha y además la radiación de las líneas puede modificar los parámetros de las antenas.

6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

VENTAJAS:

Son livianas y ocupan poco volumen.

Fáciles de adaptar a distintas superficies.

Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie.

Soporta tanto polarización lineal como polarización circular.

Fácilmente integrables a sistemas integrados de microondas (MICs)

Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias.

Mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas.

DESVENTAJAS:

Son de pequeño ancho de banda

Baja potencia

Baja ganancia

Limitada potencia

Baja pureza de polarización

La radiación de los bordes puede afectar los parámetros de la antena.

7. APLICACIONES

Las aplicaciones más importantes son para antenas de los sistemas de teledetección (sistemas de radar a bordo de satélites), sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de calor en tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas. Entre otras tenemos:

Comunicaciones móviles (estaciones base, teléfono, automóvil).

Antenas en aviones (navegación, altímetros, telefonía).

Satélites de comunicaciones.


Radares (Phased arrays) con conformado electrónico de haz.

Biomédicas (aplicadores de calor en medicina (hipotermia)).

Telemetría (guiado de misiles, sensores).

Observación de la tierra.


8. DISEÑO

Considerando que el sustrato utilizado en el diseño de la antena es de una altura h muy pequeña (h<0.05·λ) para el cual el campo a lo largo del eje Z se considera constante, la frecuencia de resonancia se determina utilizando el modo TMmn0: Donde Xmn representa los ceros de la derivada de la función de Bessel Jm(X) y determina el orden de la frecuencia de resonancia. Los valores de Xmn se presentan en la siguiente tabla:

Como el parche se ve eléctricamente más largo, aparece el concepto de radio efectivo “ae”. Para el modo TM110, la expresión de la frecuencia de resonancia se reduce:

Se consideró: µr=1 (para el cobre, material del parche).

Se reemplazó a por ae.


Despejando para obtener una expresión para ae en función de fr: Finalmente se puede calcular el radio a del parche circula mediante la expresión: Para calcular la distancia del centro al punto de alimentación del parche “Sf” se emplea la siguiente expresión: DISEÑO PARA RECEPSIÓN ISDB-T

Se tiene las siguientes especificaciones: Banda: UHF Rango de frecuencias: 470 MHz - 746 MHz Frecuencia central: 608 MHz Impedancia característica: 75 Ω Sustrato: Baquelita εr=4.35 Altura h del sustrato: 1.5 mm


Con estos datos se procede a calcular las dimensiones de la antena:

Radio efectivo ae:

Radio a de la antena:

Punto de alimentación Sf:

Longitud del sustrado:

Donde L es la longitud del lado mínimo que debe tener el sustrato.


Dimensiones de la antena:


9. SIMULACION

Para obtener los parámetros característicos de la antena se procede a realizar una simulación con el programa ANTENNA MAGUS, obteniendo los siguientes resultados:

Típico Mínimo Máximo

Patrón de radiación

Lóbulo único

Ganancia (dBi) 7 5 8

Ancho de banda (%)

5 0.3 15

Impedancia (Ω) 75

Diagrama de radiación normalizado (dB) a la frecuencia central:

Patrón de radicación tridimensional:


10. CONCLUSIONES El método utilizado para el análisis de la antena por el modelo de la línea de transmisión es el sugerido por los autores Bahl y Bhartia ya que presenta ventajas con respecto a la elaboración física de la antena que como se menciona anteriormente es la gran limitante que se posee. En cuanto al material dieléctrico, se opta por utilizar una baquelita

comercial de constante dieléctrica ( = 4.35), y en cuanto al material del conductor se opta por el cobre para aprovechar el uso de placas para diseño de circuito impreso (baquelita y cobre) y no tener que usar otros materiales difíciles de conseguir. De la experiencia en el laboratorio al momento de probar la antena, se pudo apreciar el problema de la poca potencia que radia la antena tipo microstrip de forma circular, pues no tiene ganancia. Darle ganancia a la antena significaría realizar un arreglo de microstrip, pero para la banda de frecuencias que se requiere (Televisión Digital ISDB-T) el diseño sería demasiado grande y poco práctico. Haciendo simulaciones se pudo analizar el problema de potencia de radiación y ganancia de las antenas microstrip, observándose que para arreglos de microstrip a altas frecuencias (reducción del tamaño del parche) la ganancia y potencia de radiación aumentan, lo cual deja ver claramente que la eficiencia de las antenas microstrip es ideal cuando se está trabajando con frecuencias altas, es decir, frecuencias por encima de los 2 GHz.

Technology

Diseño de antena microstrip