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LA ANTENA MICROSTRIP
•Antenas microstrip- Antenas con gran implantación en los últimos años- Fuerte aparato matemático asociado a su análisis- Muy relacionado con elementos tales como las líneas de
transmisión o los resonadores, estudiados en otras asignaturas
• Objetivos:- Conocimiento de las aplicaciones de esta antena- Ventajas e inconvenientes que presenta- Principio físico de funcionamiento- Concretar algunas reglas básicas de diseño
LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación
1. Introducción• Definición• Ventajas e inconvenientes• Aplicaciones
2. Configuraciones habituales y modos de alimentación3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular
• Modelo de línea de transmisión• Modelo de cavidad
4. Parámetros característicos• Resistencia de entrada• Factor de calidad y ancho de banda• Polarización
5. Temas avanzados y resumen
LA ANTENA MICROSTRIP 1. Introducción
- La antena microstrip es una extensiónde la línea de transmisión microstrip.
- Sus dimensiones se eligen de formaque el “parche” disipe la potencia enforma de radiación.
- Se conciben por primera vez en los 50aunque sólo a partir de los 70 se trabajaactivamente en ellas.
LA ANTENA MICROSTRIP
Parche rectangular
Línea de transmisión
Plano de masa
Substrato dieléctrico
h
Estructura:- Parche metálico (dimensiones comparables a λ)- Substrato dieléctrico sin pérdidas
• grosor: 0.003λ ≤ h ≤ 0.05λ• constante dieléctrica: 2.2 ≤ εr ≤ 12
- Plano de masa
1. Introducción
LA ANTENA MICROSTRIP
Ventajas
• Bajo perfil
• Conformables a estructuras
• Fabricación sencilla y barata
• Robustas
• Combinables con circuitos integrados de microondas
• Versátiles en la elección de la frec. de resonancia o la polarización.
Inconvenientes
• Baja eficiencia
• Baja potencia
• Alto Q
• Pobre pureza de polarización
• Banda estrecha
• Radiación espúrea de las
líneas
1. Introducción LA ANTENA MICROSTRIP
Aplicaciones• Antenas embarcadas en misiles• Altímetros radar en aviones• Antenas de exploración radar en satélites• Sistemas GPS• Telefonía móvil• Comunicaciones móviles por satélite• Aplicadores de calor en medicina (hipertermia)
1. Introducción
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LA ANTENA MICROSTRIP
• Comunicaciones móviles por satéliteAgrupación de antenas con barrido mecánico
1. Introducción LA ANTENA MICROSTRIP
• Comunicaciones móviles por satélite
Agrupación de antenas con barrido electrónico
1. Introducción
LA ANTENA MICROSTRIP
Antena microstrip conformada
La antena en el satélite
• Antena embarcada en satélite para telemetría
1. Introducción LA ANTENA MICROSTRIP
• Comunicaciones móviles terrestres
1. IntroducciónNOKIA 3210
LA ANTENA MICROSTRIP 2. Configuraciones y alimentación
• Formas de parche más habituales
Cuadrado rectangular dipolo circular
• Otros tipos de parche
elíptico triangular anillo
LA ANTENA MICROSTRIP
Parche rectangular
h Línea de transmisión
Conector coaxial
Ranura
Línea de transmisión
Parche
Acoplamiento por ranura
Línea de transmisión
Parche
Plano demasa
Acoplamiento por proximidad
• Modos de alimentación
2. Configuraciones y alimentación
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LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación
1. Introducción• Definición• Ventajas e inconvenientes• Aplicaciones
2. Configuraciones habituales y modos de alimentación3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular
• Modelo de línea de transmisión• Modelo de cavidad
4. Parámetros característicos• Resistencia de entrada• Factor de calidad y ancho de banda• Polarización
5. Temas avanzados y resumen
LA ANTENA MICROSTRIP
• La línea de transmisión microstrip
- Se propaga un modo cuasi-TEM- La mayor parte del campo está confinado en el dieléctrico- Propiedades del dieléctrico:
1. Eléctricamente delgado (0.003λ ≤h ≤0.05 λ ), para evitar fugasy ondas superficiales
2. Permitividad alta (3≤ εr ≤10), para que las líneas de campo esténconfinadas entorno a la línea microstrip.
Líneas decampo eléctrico
h ε r
3. Principio de funcionamiento
LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de línea de transmisión
Discontinuidad Circuito abierto
- El efecto de bordes se manifiesta en los cuatro costados y dependedel grosor y la permitividad del dieléctrico.
- La presencia de discontinuidades de tamaño comparable a λ fuerzala radiación de la estructura.
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de línea de transmisión
- El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W×∆L- La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la
radiación de ambas ranuras se sume en fase. L=λg/2- La radiación de los flancos laterales del parche se cancela entre sí.
Frecuencia de trabajo:0
2rr
cf
L
Anchura del parche:
W ≈ λg/2
h
L ∆L∆L
W
EE
ε r
3. Principio de funcionamiento
LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de línea de transmisión
Circuito equivalente
B G1 1 2 2B G
cY
Antena equivalente
E En
z
x
y
W
∆L
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP
x
z
W
d<λ/2Campo radiado: Por el principio de equivalencia, el debido a dos hilos de corriente uniforme,
• Modelo de línea de transmisión
Diagramas de radiaciónM F E E
Factor de array+
3. Principio de funcionamiento
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LA ANTENA MICROSTRIP
Pared magnética
Pared eléctricaE =0
H =0
t
t
+ + + + + + + − − − − − − −
− − −−−− − − −
+ + +++++ + +
J
J
b
t
L
h<<λ
• Modelo de cavidad
- La antena microstrip tiene un comportamiento parecido al de una cavidad
- En el interior de la “cavidad” se producen ondas estacionarias entre las paredes eléctricas y magnéticas
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP
yz
LW
x
εr
• Modelo de cavidad
- El parche admite varias distribuciones de campo (modos) de acuerdo con las soluciones de la ecuación de onda homogénea
2 2 0x xA k A
- y las condiciones de contorno de pared eléctrica y magnética
0 cos ' cos 'x npn p
A A y zL W
2 2
01
2r npn pfL W
Frecuencia de resonancia
3. Principio de funcionamiento
LA ANTENA MICROSTRIP
LCRin
• Modelo de cavidad
-El comportamiento es equivalente a un circuito resonante con pérdidas- A la frecuencia de resonancia la potencia aplicada se consume en la Rin, es decir, se convierte en radiación.
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de cavidad
Modo dominante: frecuencia más baja de funcionamiento
Si L > W
0010 2r
r
cf
L
Si W > L o L > W > L/2
0001 2r
r
cf
W
W
L
h
W
L
h
3. Principio de funcionamiento
LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de cavidad
Se pueden excitar otros modos de orden superior
Si L > 2W
0020r
r
cf
L
Si W > 2L
0002r
r
cf
W
W
L
h
W
L
h
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP
M
n
M
M
M
M
M
M
• Modelo de cavidad
- El campo radiado se obtiene aplicando el principio de equivalencia y el teorema de las imágenes.
Ranuras radiantes:sus contribuciones se suman en fase
Ranuras no radiantes:sus contribuciones se cancelan+
3. Principio de funcionamiento
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LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de cavidad
Modo dominante, TM010
Diagramas de radiación
Modo de segundo orden, TM020
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación
1. Introducción• Definición• Ventajas e inconvenientes• Aplicaciones
2. Configuraciones habituales y modos de alimentación3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular
• Modelo de línea de transmisión• Modelo de cavidad
4. Parámetros característicos• Resistencia de entrada• Factor de calidad y ancho de banda• Polarización
5. Temas avanzados y resumen
LA ANTENA MICROSTRIP 4. Parámetros característicos
• Resistencia de entrada, Rin
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12inR G (En resonancia)
- La Rin cambia con el punto de alimentación
L
Wy0
Rin
20 0( ) ( 0)cosin inR y y R y y
L
( 0)coszE E y yL
zV E22
0
0
( )( 0)( )rad
in in
V y yV yW
R R y y
- Sencilla adaptación del parche a la línea
B G1 1 2 2B G
cY
LA ANTENA MICROSTRIP
• Factor de Calidad (Q) y ancho de banda
- Es representativo de las pérdidas en la antenaradiaciónconduccióndieléctricoEnergía almacenada
QPotencia disipada
0
1 fQ f
- El Q está relacionado con el grosor (h) y la permitividad (εr) del dieléctrico
⇒ Q La banda de trabajo se estrechahεr
⇒
Interesan dieléctricos gruesos y de permitividad baja
Comportamiento como cavidad
4. Parámetros característicos
LA ANTENA MICROSTRIP
• Polarización
h
L ∆L∆L
W
EE
ε r
El parche básico presenta polarización lineal
Es posible combinar varios modos para conseguir polarización circular
4. Parámetros característicos LA ANTENA MICROSTRIP
Divisor depotencia
Parchecuadrado
λ/4
Se consigue con dos polarizaciones lineales ortogonales y desfasadas 90°
( ) cos( ) sen( )E t t x t yEn z=0,
Parchecuadrado
Híbridode 90°
• Polarización circular
4. Parámetros característicos
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LA ANTENA MICROSTRIP 5. Temas avanzados
• Modelado riguroso de estructuras microstrip
Ec. Integral+
Algoritmos rápidos
Incógnita:Corriente eléctrica N=80.000 incógnitas
- Requiere plantear una ecuación integral y resolverla numéricamente- Los algoritmos rápidos son específicos para cada tipo de problema
LA ANTENA MICROSTRIP
• Mediocres características de radiación• Aplicaciones que requieran poca potencia• Gran variedad de configuraciones• Antenas muy compactas• Facilidad para construir agrupaciones de parches
5. Resumen
LA ANTENA MICROSTRIP
• Modelo de cavidad
Diagrama de radiación
Parche circular
3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP
ANTENAS CIRCULARES
2 2
2 22
2 2 2
0
1 1 0
k
kz
ρρ ρ ρ ρ φ
∇ Ω + Ω =
∂ ∂Ω ∂ Ω ∂ Ω+ + + Ω = ∂ ∂ ∂ ∂
LA ANTENA MICROSTRIP
MODOS DE RADIACIÓN
( ),
2 2 2
z
z
jk zjnn k n
z
J k e e
k k k
φρ
ρ
ρΩ =
= +
Conector coaxial
LA ANTENA MICROSTRIP
MODOS DE RADIACIÓNMODOS DE RADIACIÓNMODOS DE RADIACIÓNMODOS DE RADIACIÓN J0 J1 J2 J3
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LA ANTENA MICROSTRIP
FRECUENCIAS DE RESONANCIA
Función J’0 J’1 J’2 J’3 ceros
1º 3.8317 1.8412 3.0542 4.2012 2º 7.0156 5.3314 6.7061 8.0152 3º 10.1735 8.5363 9.9695 11.3459 4º 13.3237 11.7060 13.1703 14.5858
LA ANTENA MICROSTRIP
CAMPOS RADIADOS POR LAS ANTENAS CIRCULARES
' ˆ 'jnsM e φ φ=