Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia Segunda parte,...

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Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia

Segunda parte, Tema III

Dpto. de Ingeniería InformáticaEscuela Politécnica Superior

Universidad Autónoma de Madrid

Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación, 2o cuatrimestre (6 créditos ECTS)

Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz ([email protected] Luis Masa Campos ([email protected])

Colaborador: José Manuel Fernández ([email protected]), Grupo de Radiación. Dpto. SSR.UPM

mailto:([email protected]

mailto:([email protected])

mailto:([email protected])

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Segunda parte de ACAF:Antenas

ACAF (2007 – 2008)

I. Principios básicos de una antena

II. Antenas lineales

III. Antenas impresas

IV. Antenas banda ancha, multibanda e independientes de la frecuencia

V. Agrupación de antenas. Arrays

VI. Antenas de apertura. Bocinas

VII. Reflectores

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. www.eps.uam.es/~acafMaster en Ingeniería Informática y Telecomunicaciones

Escuela Politécnica Superior. Universidad Autónoma de MadridJosé Luis Masa Campos. [email protected]

http://www.eps.uam.es/~acaf

mailto:[email protected]

3

1. Estructura y características básicas, limitaciones, aplicaciones

2. Configuraciones habituales de parches

3. Elección del substrato

4. Diagramas de radiación

5. Ancho de banda

6. Diferentes formas de alimentar un parche

Ø Ventajas e Inconvenientes

7. Análisis de tipos de parches : rectangular, cuadrados, circulares, ranuras, PIFAS

8. Polarización

9. Técnicas de ensanchamiento de banda en antenas de parches

10. Técnicas de ensanchamiento de haz en antenas de parches

11. Ejemplo : diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas

III. Antenas impresas

ACAF (2007 – 2008) Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. Parte II.

4

§ En antena plana se utilizan parches diseñados en tecnología microstrip § Parches :Ø Lámina metálica de tamaño resonante (0.25λ - 1λ)

longitud del parche = 0.5λ ⇒ resonante en el modo fundamental

muy delgada (espesor : 10 – 50µm ⇒ típicamente: 18µm y 35µm )

ØEl parche resuena en una de sus dimensiones (el largo) y radia en la otra (el ancho)

§ Substrato :Ø Lámina dieléctrica que sustenta el parche

espesor : 0.005λ - 0.2λØConstantes dieléctricas generalmente en el rango : 1 ≤ εr ≤ 12

§ Plano de masa :§ Excitación :Ø Suministra la energía RF a los parches

1.- Estructura y características básicas

3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)

5

En contra:

ØAlto Q (> 50) ⇒ banda estrecha : 1%-5%

ØRadiación espuria (línea de alimentación, onda de superficie (modos de substrato), bordes …) ⇒ estropean el comportamiento de la antena

ØRequieren substratos de calidad

ØLimitación de potencia ⇒baja potencia

ØImpedancia de entrada: difícil de calcular y de ajustar

ØPolarización cruzada ⇒ pobre pureza de polarización (Contrapolar alta)!⇒ Relación (CP/XP) > 20 dB

ØEficiencia reducida en arrays (pérdidas en las líneas de la red de alimentación)

A favor:

ØBajo perfil, peso y volumen reducidos

ØBajo coste

ØRobustez mecánica (montado en superficies rígidas)

ØFacilidad de fabricación

ØRepetividad

ØVersátiles (frecuencia, polarización, diagramas,…)

ØCompatibles con dispositivos activos

ØFáciles de agrupar en arrays

ØAdaptables a superficies curvas

1.- Estructura y características básicas. Limitaciones


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Ø Rango de frecuencias : 100 MHz – 50 GHz

Ø Como elemento radiante aislado y sobre todo en arraysAplicaciones típicas:

§ 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 (hipertermia))

§ Telemetría (guiado de misiles, sensores)§ Observación de la tierra

§ Sistemas de vigilancia, identificación y control (alarmas, peajes)

1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones


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Antena de estación base DCS1800Ø Frecuencia : 1805 - 1880 MHz (Digital Cellular System)

Ø Ganancia: 15 dBi

Ø Tilt: -2°



8

• Agrupación de antenas con barrido mecánico

Comunicaciones móviles por satélite



9

• Agrupación de antenas con barrido electrónico

Comunicaciones móviles por satélite



10

ØFormas de parche más habituales:

ØOtros tipos de parches:

cuadrado rectangular dipolo circular

elíptico triangular anillo

2.- Configuraciones habituales de parches


11

2.- Configuraciones habituales de parches


12

ØConstante dieléctrica: generalmente en el rango de 1 ≤ εr ≤ 12, aunque se utilizan poco los valores εr > 5.

Øespesor : 0.005λ ≤ h ≤ 0.2λØPerdidas en el substrato: Øprecisa substratos de calidad ⇒ tangente de pérdidas : tan(δ) < 0.002

frecuencia de resonancia disminuye

Aumentar la longitud resonante del parche

Aumentar el espesor del substrato

Para aumentar el ancho de banda

Longitud resonante del parche disminuye

Frecuencia de resonancia aumentaSi espesor del substrato disminuye

Dimensiones pequeñas del plano de masa

Ancho de banda disminuye

3.- Elección del sustrato


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0.000613GaAs

0.0001> 80Barium – titanate oxides

Ceramic dielectrics

0.00210.5RT Duroid 6010

(PTFE1 ceramic)

0.00092.2RT Duroid 5880

(teflon + glass fiber)

0.00092.17CuClad

0.0023.5Kapton

0.00092.33Taconic

< 0.00011.02Honeycomb

0.0011.07Rohacell Foam

0.014.4Epoxy fiberglass FR-4

Perdidas: tan(δ)Constante dieléctrica: εrSustrato

1 Polytetrafluoroethylene (Teflon)



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bajagrandeMayor eficiencia de radiación

bajagrandeMenor sensibilidad frente a tolerancias

bajagrandeAumentar el ancho de banda

bajapequeñoBajas pérdidas (por onda de superficie,…)

altapequeñoPequeñas dimensiones de antenas

altapequeñoDisminuir la radiación de la líneas

εrEspesor del substrato

Ø Interesan substratos gruesos y constantes dieléctricas εr bajas

ØLos materiales que mejor se adaptan al diseño de antenas impresas microstrip son para los εr ≤ 5 (cercana a 1, como “foam” o simplemente aire):

ØMejores valores de eficiencia de radiaciónØMayor ancho de bandaØMenores pérdidas

¿Cómo resolver las contradicciones ?ØConfiguraciones multicapa ⇒ Técnicas de banda ancha



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⇒ Adoptar una solución de compromiso– Espesor del substrato h

ØDisminuir las pérdidas por ondas de superficie ⇒ h

ØAumentar el ancho de banda ⇒ h

– Constante dieléctrica del substrato εr

ØPequeñas dimensiones ⇒ εr

– Anchura de línea w

ØPequeñas dimensiones ⇒ w << λg/2

ØDisminuir la radiación de las líneas ⇒ w << λg/2



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Ø Para un solo elemento:• Ganancia típica: 5-7 dB• Ancho de haz a -3dB: 60°-90°

Ø Efecto del dieléctrico (Ancho de haz, onda de superficie)Ø Efecto del plano de masa y dieléctrico finitos

Plano finito, sin dieléctrico εr=1 Plano finito, con dieléctrico

4.- Diagramas de radiación


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•El ancho de banda se define respecto a:

ØImpedancia de entrada

ØPolarización (relación axial)

ØVariación del diagrama de radiación en banda

•Para parches simples y dieléctricos delgado (⇒ 1-2%, ROE < 2 (-9.542 dB))

•Se pueden desintonizar por tolerancias, cambios de temperatura, presencia de radomos, etc.

•Para muchas aplicaciones se requieren anchos banda mayores

5.- Ancho de banda


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Sonda coaxial :ØRequiere soldadura

ØControl de la impedancia de entrada : impedancia inductiva con dieléctricos gruesos.

ØElimina la radiación espuria (bajo nivel)

ØLimitado ancho de banda

ØDifícil adaptación para substratos gruesos (h > 0.02λ)

Línea microstrip :ØEl más simple

ØControl de la impedancia de entrada

ØEl mismo substrato para parche y línea

ØSubstratos gruesos ⇒ radiación espúria de la línea y ondas de superficie

ØAcoplo entre parche y línea ⇒ generación de altos niveles de contrapolar

ØAncho de banda (típicamente: 2% y 5%)

ØLas líneas microstrip y las sondas coaxiales radian más con substratos de εr bajos ⇒afecta a peor el nivel de polarización cruzada y los niveles de lóbulos secundarios.

Lco

Rpar LparCpar

Lli

Rpar Lpar

Cpar

6.- Diferentes formas de alimentación de un parche


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Acoplo por apertura :ØEl que sufre menor contaminación por radiación espuria

ØBuena pureza de polarización

ØDistinto substrato para parche y línea

ØTípicamente, se utiliza un material de alta constante dieléctrica para el substrato inferior y uno delgado y de menor constante dieléctrica para el superior

ØLongitud de la ranura : el nivel de acoplamiento está determinado principalmente por la longitud, así como el nivel de radiación trasera

ØTípicamente, se utilizan ratios de longitud/anchura de ranura = 10

ØPosición de la línea de alimentación respecto a la ranura: Para lograr un máximo acoplamiento, la línea de alimentación debe colocarse perpendicular a la ranura y en su punto central.

ØAnchura de la línea de alimentación: Para el nivel de acoplamiento a la ranura, las líneas estrechas se acoplan más fuertemente de las anchas.

Rpar Cpar

CacopLpar



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Acoplo por proximidad :

ØBuena pureza de polarización

ØAusencia de radiación contrapolar

ØMayor ancho de banda (alcanza valores del 13%)

ØBaja radiación espuria

ØDistinto substrato para parche y línea

Cacop

Rpar Lpar

Cpar



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Alimentación por contacto directo vs. Alimentación por acoplo de energía

ØAusencia de taladros que provoquen difracciones

ØDispositivos de banda estrecha

ØNo conexión física entre la alimentación y el elemento radiante

ØAlimentaciones por cable coaxial o línea microstrip adaptadas en muchos casos 50Ω

ØIndeseable incremento en el espesor global de la antena

ØBuena pureza de polarizaciónØAlto nivel de polarización cruzada

ØBuena supresión de modos de órdenes altos

ØAlto nivel de lóbulos secundarios (SLL)

ØMejor adaptación a los arrays de antenasØProblemas de adaptación

ØMenor radiación espuriaØRadiaciones indeseadas

6.- Diferentes formas de alimentación de un parche. Ventajas e inconvenientes


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•El parche resuena en una de sus dimensiones (el largo L) y radia en la otra (el ancho W).

•Polarización : lineal, circular, dual

•La impedancia de entrada es de:

– En el borde : 180Ω - 300Ω– En el centro : 0Ω

Parche rectangular

Plano de masa

Substrato dieléctrico

W

Lt

Líneas de campo para el modo principal: Modo TM010

Antena sectorial 65° & 90° polarización vertical

7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular


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Plano E(Plano YZ)

Comparativa modelos y medidas del diagrama de radiación de un parche rectangular

Plano HPlano XZ



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•Diseño: Modelo de línea de transmisión desarrollado por Derneryd [3]

En la práctica, para el primer modo resonante TM10, el parche rectangular se diseña fácilmente siguiendo los pasos descritos en [4].

§El cálculo del Ancho W se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahly Bhartia :

El parámetro W no influye en la frecuencia de resonancia, por lo que en principio se podría variar.

ØSi se toma W menor, disminuye la eficiencia.

ØCon W mayor se obtiene mayor eficiencia, pero pueden aparecer modos de orden superior que modifican las distribuciones de campos.

§La longitud L se calcula como :

Con:

21

0

21

2

−

+= r

fcW ε

lf

cLeff

∆−= 22

0

ε

( )

( )

0.3 0.2640.412

0.258 0.8

eff

eff

Wtl t

Wt

ε

ε

+ + ∆ =

− +

121 1 1 12

2 2r r

efft

Wε ε

ε−+ − = + +

[3] I.J. Bahl, P. Bhartia, “Microstrip Antennas”, Artech House, Dedham,1980.



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Compromiso de diseño de un parche rectangular

-altagruesoRobustez

-bajadelgadoBajo peso

-baja-Baja polarización cruzada

baja

baja

baja

-

baja

baja

Permitividaddel substrato εr

anchogruesoAlta eficiencia de radiación

anchogruesoMenor sensibilidad frente a tolerancias

-delgadoBaja radiación espuria

anchogruesoaumentar ancho de banda

-gruesoBajas pérdidas en conductores

-delgadoBajas pérdidas dieléctricas

Ancho W del parche

Espesor t del substrato

Requisito



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ØPolarización : lineal, circular, dual

Øgenera altos niveles de contrapolar XP ⇒ polarización dual o polarización circular.

Plano de masa

L

Lt

Substrato dieléctricoParche cuadrado

Antena sectorial 90°polarización doble lineal ±

45° para PCS

7.- Análisis de tipos de parches. Cuadrado


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ØPolarización : lineal, circular, dual

Øgenera altos niveles de contrapolar XP ⇒ polarización dual o polarización circular.

tPlano de masa

Substrato dieléctrico εr

Parche circular

r

Aproximación: Diseño de un parche circular [6] p.75598.791 10

r

Ff ε

⋅=

1221 ln 1.7726

2r

Frt FF t

ππε

= + +

f en [Hz], t y r en [cm]

Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz

7.- Análisis de tipos de parches. Circular


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• Longitud de la ranura:

• Anchura de la ranura:

• Polarización: lineal, circular, dual

• Excitado por el acoplo de campo

Plano de masa

Metalt

l

wSubstrato dieléctrico

2gl

λ=

10lw = Antena para recepción de TV vía

satélite (DBS) a 12 GHz

Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz

7.- Análisis de tipos de parches. Ranura


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§ Antena de parche rectangular cortocircuitado alimentado convencionalmente por sonda coaxial.§ Sin substrato dieléctrico, trabaja únicamente con chapa metálica:

ØParche rectangular :ØLongitud del parche L = λ0/4

ØCortocircuitoØPlano de masa

⇒ La longitud del parche de reduce de λ0/2 a λ0/4 situando un plano de cortocircuito entre el elemento radiante y el plano de masa siguiendo las líneas de campo eléctrico sin que las características de funcionamiento se vean significativamente afectadas.§ Aplicación típica: antena integrada en terminales comerciales de comunicaciones

móviles.

Antena F invertida planar

7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna


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•Características de funcionamiento de la antena:–Frecuencia de resonancia–Ancho de banda–Campos radiados–Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche y plano de masa)

•Parámetros importantes para determinar las características de funcionamiento de la antena:ØTamaño del cortocircuito Ws ⇒ afecta en la distribución de corrientesØRelación de aspecto entre lados del parche W/L (longitud L y ancho W)ØAltura h del parche sobre el plano de masa

Aumentando Ws

Ancho de banda aumenta

disminuyendo Ws

Aumentando h

Incrementando W/L

Frecuencia de resonancia disminuye

WL

h



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– Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche) en una PIFA para diferentes ratios W/L y diferentes Ws:

ØSe muestra cómo afectan Ws y la relación W/L a la distribución de corrientes en la cara inferior del parche a la frecuencia de resonancia

ØPara W-Ws<L, la corriente fluye hacia el lado en circuito abierto, el lados más largo del parche.

ØAl contrario, para W-Ws > L, la corriente fluye hacia el circuito abierto en el lado estrecho del parche. Al disminuir Ws, la longitud efectiva que debe recorrer la corriente es mayor ⇒ se logra disminuir la fercuencia de resonancia de la antena, manteniendo el tamaño constante.



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ØBanda ancha ⇒10%

ØFrecuencia de resonancia múltiple

ØVolumen reducido

ØFacilidad de fabricación

Ø Polarización linealØGran flexibilidad en el diseño: estructuras planas o tridimensionales

ØGanancia ⇒ 7 - 8 dB

Ø Influencia del plano de masa: tamaño finito y pequeño introduce un alto nivel de componente contrapolar

ØNingún dieléctrico ⇒ no aparición de ondas de superficie que deterioren el funcionamiento de la antena

En contra:A favor:

•Posición y orientación de la PIFA en el plano de masa

ØLa PIFA debe colocarse cerca de la esquina del plano de masa, donde el cortocircuito está colocado en el extremo del plano de masa.

Para un comportamiento óptimo en ganancia y ancho de banda



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• Un parche microstrip con forma sencilla y alimentación única produce un campo radiado de polarización lineal.

• La polarización cambia con difracciones y reflexión• Se puede obtener polarización circular:

§ La polarización circular es una buena forma para atenuar el efecto de reflexiones.§ Para un solo elemento:ØAlimentación única y formas específicasØAlimentación múltiple

§ Para arrays:ØRotación secuencial

• Se puede obtener polarización dual:§ Para un solo elemento:ØAlimentación múltiple y formas específicas

8.- Polarización


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ØPolarización circular, excitación única:

• Se basan en la excitación de 2 modos ortogonales, casi degenerados (frecuencias de resonancia parecidas).

• Forma del parche: desviación de una geometría con modos degenerados.

• El punto de excitación es crítico para generar los 2 modos con idéntica amplitud.

• La condición de polarización circular se cumple a una frecuencia intermedia entre las dos resonancias (banda muy estrecha!).

D) Cuadrada con esquinas cortadas

B) Ligeramente elíptica

C) Cuadrada con ranuraA) Ligeramente rectangular

A B C D

45º-45º

8.- Polarización Circular


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• Parche simétrico: circular o cuadrado.

• Dos puntos de excitación separados 90° y con desfasaje de 90°.• Se consigue un ancho de banda mayor.

• La misma configuración sirve para polarización dual.

ØPolarización circular, 2 puntos de excitación:



36

• El desfase se puede conseguir mediante líneas de alimentación de distinta longitud o bien mediante circuitos híbridos que consiguen el mismo efecto.



37

Doble parche rectangular

ØPolarización circular, 2 puntos de excitación y 2 elementos:

•Alimentados cada una por acoplo por apertura

•La misma configuración sirve para polarización dual



38

• Solo sirve para arrays.

• Se basa en subarrays de 4 elementos con polarización lineal.

• La polarización esta girada 90° de un elemento a otro.

• Se consigue un ancho de banda mayor.

ØPolarización circular, rotación secuencial:



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• En los últimos años, las antenas de parches microstrip de doble polarización lineal han suscitado un gran interés por permitir duplicar la capacidad de comunicación de una banda reutilizándola en polarización. Esto es lo que se está haciendo en muchos sistemas de comunicaciones actuales, tales como:

Ø Antenas de telefonía móvilØ Sistemas de satélites de comunicaciones

• La forma de parche cuadrado es la geometría habitual para este tipo de polarización:

Ø Inconveniente: generación de altos niveles de contrapolar por polarización dual o polarización circular

• Una antena de parches microstrip es capaz de radiar señales de doble polarización lineal :

Ø Si es excitada por dos puntos de alimentación ortogonalesØ Dos alimentaciones independientes que se corresponden con dos

polarizaciones lineales ortogonales individuales

8.- Polarización Dual


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Polarización dual

Ø Los dos puntos de alimentación son excitados de manera completamente independiente con igual amplitud y fase.

Ø En arrays de antenas microstrip, la doble polarización se obtiene interconectando series de parches doblemente polarizados.

Array de polarización dual

1/0°

1/0°

1/0°

1/0°

8.- Polarización Dual


41

•El ancho de banda se puede mejorar :

ØEl método más simple y directo: Aumentado el volumen : Dieléctricos más gruesos con constante dieléctrica εr baja.§Ventajas:

−Aumenta el ancho de banda

−Aumenta la eficiencia

§Inconvenientes: substrato grueso⇒ perdidas por formación de ondas de superficie−Restan potencia del diagrama de radiación

−Aumentan el nivel de lóbulos secundarios SLL

ØCon parches parásitos coplanares (más resonancias)

ØCon una red adaptadora externa

ØPerturbaciones resonantes

ØParches apilados

ØCon configuraciones multicapa

⇒ más resonancias

⇒ Ancho de banda

9.- Técnicas de ensanchamiento de banda


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• Disminuir el ancho W (dimensión radiante) del parche ⇒aumenta el ancho de haz en acimut

• Espesor del substrato disminuye ⇒ disminuye el ancho de haz en acimut• La influencia del plano de masa finito en el diagrama de radiación, tiende

por lo general a reducir la anchura del haz por efecto de la difracción en el borde de dicho plano de masa

• Con parches parásitos coplanares al elemento radiante:– El diagrama de radiación es modificado según sea:Ø La distancia de separación entre dichos parches parásitos y el

elemento radianteØ La anchura de los parches parásitos

aumenta el ancho de haz en acimut

Si separamos más los parches parásitos del elemento radiante y aumentamos la anchura de los parches parásitos

10.- Técnicas de ensanchamiento de haz


43

Ø Con parches parásitos coplanares al elemento radiante

§ Ejemplo: Antenas sectoriales para sistemas DECT 3500 (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)

– Frecuencia: 3400-3600 MHz

– 16 elementos

– Polarización : lineal vertical

Ancho de haz en azimuth a -3dB:

Sectorial 120°

Sectorial 90°

Sectorial 60°

120º±5º

90º±5º

60º±5º

• Las tres antenas han sido diseñadas con la misma red de alimentación y con la misma estructura de ranuras.

Ø Cambiando la estructura de los parches y la separación de estos con respecto al plano de las ranuras se han conseguido las especificaciones de ancho de haz en el plano horizontal correspondientes a las antenas sectoriales de 60º, 90º y 120°.



44

Sectorial 90°

diel #4 : 8mmL16 S90-120ETSIT - S.R. MOYANO

aluminio espesor 1.5mm

P16 S120

L16 S90-120 P16 S90ETSIT - S.R. MOYANO


L16 S90-120ETSIT - S.R. MOYANO


P16 S60

Sectorial 120°

diel #4 : 9mm

Sectorial 60°

diel #4 : 5mm

ØParche alimentado por acoplamiento a través de una ranura a una línea de transmisión.

diel. #1diel. #2

diel. #3 metal #1

metal #2diel. #4

diel.#5ranura

línea dealimentación metal #3

a

bt

wb2 h

b1

diel. #1

diel. #2

diel. #3

metal #1

metal #2

diel. #4

metal #3diel.#5

b3

parcheranura

línea dealimentación



45

60º90º120º



46

11. Ejemplos de

diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas


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• Programas de líneas impresas:

Ø AppCADØ Microwave Office

Ø Agilent ADS

• Programas de líneas impresas y antenas:Ø Ansoft Ensemble v. 8.0 (Método de los Momentos (MoM))

Ø CST Studio Suite 2006 (Ecuaciones Integrales de Maxwell ⇒ FiniteIntegration Time Domain (FITD))

11.- Programas de simulación


48

• f = 7.55 GHz

• Polarización lineal

σ=107mhos/m, espesor=35 µm

Metal 3 (cobre)

Ancho = 2.46 mmLínea 50Ω

εr=2.2, tgδ=0.0008, espesor: h= 0.794 mm

Dieléctrico 2

CaracterísticasMaterial

hmetal #2

Parche + línea 50 Ω

diel. #1

W = 12.45mm

L = 16mmx = 3.32mm

L’ = 28.1mm

L’’ = 32mm

y = 8mm

Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006

11.- Parche rectangular con línea microstrip


49

Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006


11.- Parche rectangular con línea microstrip

50

• f = 1.9 GHz


σ=107mhos/m, espesor=35 µm

Metal 3 (cobre)

Ancho = 2.62 mmLínea 50Ω

εr=2.94, tgδ=0.0008, espesor: h= 1.016 mm

Dieléctrico 2


hmetal #2

Parche + línea 50 Ω

diel. #1

46.3 mm

46.3 mm14.2 mm

Simulación ENSEMBLE v. 8.0


11.- Parche cuadrado con línea microstrip

51

• f = 2400 – 2500 MHz


σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)

Conductor eléctrico perfectoPlano de masa)

εr=2.33, tgδ=0.045, espesor: h= 0.7 mmDieléctrico 2 (Taconic)

CaracterísticasMaterialx

yL= 40.6mm

L= 40.6mm

x = 15.25 mm, y = 20.3 mm

h

metal #3

parche

diel. #2sonda coaxial50 Ω

sonda coaxial: ∅ 1.2mm


11.- Parche cuadrado con sonda coaxial

52

• f = 2400 – 2500 MHz



Conductor eléctrico perfectoPlano de masa



x = -9.2 mm

h

metal #3

parche



xy

r = 23mm

L = 30mm

L = 30mm


11.- Parche redondo con sonda coaxial

53

• f = 2400 – 2500 MHz



εr=1 , espesor(b2)=6.5mmDieléctrico 1 (Aire)



xy

L= 52mm

L= 52mm

x = 8 mm, y = 26 mm

hb1

diel. #1

metal #3

parche




11.- Parche cuadrado con sonda coaxial

54

• f = 2920 MHz

• Polarización linealεr=2.62, tgδ=0.004, espesor: h= 3.23 mmDieléctrico 1

Anchura w = 4 mm, h1= 1.64mmLínea de alimentación 50Ω



h1

metal #2

parche

diel. #1línea de alimentación 50Ω

h2 h

Simulación con plano de masa infinito Simulación con plano de masa finito


11.- Parche redondo con acoplo por proximidad

55

• f = 36.7 – 37 GHz

• Polarización circular σ=107mhos/m, espesor=35 µmMetal 3 (cobre)

εr=2.17, tgδ=0.0008, espesor: h= 0.5 mmDieléctrico 2


hmetal #2

parche

diel. #1sonda coaxial


11.- Parche redondo con sonda coaxial

56

• La anchura máxima de línea es de 0.47 mm, mientras que la inferior es de 0.36 mm.• Anchuras mayores empiezan a producir efectos de radiación considerables.• Como consecuencia de la radiación de la línea que alimenta el parche radiante:

Ø El valor de contrapolar (LHCP) es algo alto.Ø En el caso del plano φ=90º, existe una clara asimetría del diagrama de radiación

⇒ aumenta el valor de contrapolar.Ø Se produce un claro empeoramiento de la relación axial para ángulos alejados

del máximo de radiación.

εr=2.46, tgδ=0.004, espesor: h =0.5 mmDieléctrico2(Taconic TLX_0)

σ=6·107 mhos/m, espesor=17 µmMetalización1 (cobre)

CaracterísticasMaterialth

diel. #2

metal #1

0.47 mm

•f = 36.85 GHz

•Polarización circular


11.- Parche cuadrado con línea microstrip

57

• Frecuencia: 3400-3600 MHz• Polarización : lineal vertical• Ancho de haz en elevación a -3dB:

90°±5°• ROE < 1.25

diel. #1diel. #2

diel. #3 metal #1

metal #2diel. #4

diel.#5ranuralínea de

alimentación metal #3

bt

wb2 h

b1

diel. #1

diel. #2

diel. #3

metal #1

metal #2

diel. #4

metal #3diel.#5

b3

parcheranuralínea de

alimentación



εr=1.1+j0.001,tgδ=0.001, espesor(b2)=3.7 mmDieléctrico 3 (CP4)

εr=1.1+j0.001, tgδ=0.001, espesor(b1)=10 mmDieléctrico 1 (CP10)

εr=4.8, tgδ=0.01, espesor=125 µmDieléctrico 2 (Laminex)

Espesor = 2mmMetal 2 (alumnio)

εr=1.1+j0.001, tgδ=0.001, espesor(b2)=8mmDieléctrico 4 (CP8)

εr=4.8+j0.08, tgδ=0.041, espesor 1.5 mmDieléctrico 5 (fibra de vidro)


W

L

b

l

aTb

Tl

ll

Wl

Parámetros del diseño

4.5 mmAncho de línea 100Ω : wl

12 mmDistancia desde el centro de la ranura - final del stub: a

6 mmAncho de la ranura b

27.5 mmLongitud de la ranura l

18 mmLongitud Transformador λg/4: Tl

16 mmLongitud de línea ll

7.8 mmAncho Transformador λg/4: Tb

23 mmAncho del parche W

20 mmLongitud del parche L


11.- Parche rectangular con acoplo por apertura

58

• Resultados de simulación:


11.- Parche rectangular con acoplo por apertura

59

• Banda: 1710-1880 MHz

• ROE <1.3 (-17.7 dB)

• Polarización: lineal vertical

• Ancho de haz en acimut : 65º±5º



εr=1, espesor=12 mmDieléctrico 1 (Aire)

εr=3, tgδ=0.0001, espesor: h=1.58 mmDieléctrico 2 (Taconic)

Espesor = 2mmMetal 2 (alumnio)

εr=1, espesor=10mmDieléctrico 3 (Aire)

εr=4.2, tgδ=0.02, espesor: h = 1 mmDieléctrico 4 (fibra de vidro)


Parámetros del diseño

6 mmAncho de la ranura b

30 mmLongitud de la ranura l

80 mmAncho del parche W

59 mmLongitud del parche L

≤ 40 mm

Plano de masa

Aire 1

Aire 2

Excitación

Ranura

Parche

Fibra : εr = 4.2, h= 1 mm

Taconic : εr = 3, h= 1.58 mm


11.- DCS (Digital Cellular System)

60

• Banda: 1850-1990 MHz• ROE <1.3 (-17.7 dB)• Polarización: doble lineal ±45º• Aislamiento : 26 dB.• Nivel de radiación contrapolar: -18 dB• Ancho de haz en acimut : 90º±5º

60 mm4 mm

42 mm12 mm20 mm

1 mm

Elemento radiante:Longitud de la ranura:Ancho de la ranura: Lado del parche:Distancia parche-ranura:Radio interior del anillo:Anchura de la línea:

10 mmDieléctrico (CP10)

2 mmDieléctrico (Foam Rohacell)

8 mmDieléctrico (Aire)

espesorParámetro:

1

2

110 Ω

110 Ω


11.- PCS (Personal Communications System)

61

75 Ω

75 Ω

2

1



62

Condición:

El acoplamiento del acoplador debe ser igual al conjugado del parámetro S21 del elemento radiante:

ØMódulo igualesØFases conjugadas

• Mejora en el aislamiento entre puertas2

1



63

[1] J.R. James, P.S. Hall, “Handbook of Microstrip Antennas”, IEE Electromagnetic waves series, Peter Peregrinus Ltd, 1989.

[2] R. Garg, P. Barthia, I. Bahl, A. Ittipiboon, “Microstrip antenna design handbook”, Ed. Artech House, 2001.

[3] A Derneryd, “Linearly Polarized Microstrip Antennas”, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-24,pp.846-851, 1976.

[4] I.J. Bahl, P. Bhartia, “Microstrip Antennas”, Artech House, Dedham,1980.

[5] K. Hirasawa, M. Haenishi, “Analysis, Design and Measurements of small and low profile antennas”, Ed. Artech House, London, 1992.

[6] C.A. Balanis, “Antenna Theory, Analysis and Design”, Ed. John Wiley & Sons, New York, 1997.

[7] K.F. Lee, W. Chen, “Advances in Microstrip and Printed Antennas”, John Wiley, 1997.

[8] J.F. Zürcher, F.E. Gardiol, “Broadband Patch Antennas”, Ed. Artech House, 1995.

[9] D.M. Pozar, “Microstrip antenna aperture-coupled to a microstripline”, Electronics Letters, vol. 21, pp. 49-50, January 1985.

[10] D. M. Pozar, D.H. Schaubert, “Microstrip Antennas: The Analysis and design of Microstrip Antennas and Arrays”. IEEE Press, 1995.

[11] E. Aloni, R. Kastner, “Analysis of a dual circularly polarized microstrip antenna fed by crossed slots”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 42, n°8, pp. 1053-1058, August 1994.

[12] J. Torres Martín, “Diseño, Análisis, Construcción y Medida de antenas para el sistema PCS de Telefonía Móvil”, Proyecto fin de carrera, 2004.

[13] M. Martínez-Vázquez, “Antenas Integradas para Terminales Móviles de Tercera Generación”, Tesis Doctoral, Valencia 2003.


Referencias

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia Segunda parte,...

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