Antenas Y Circuitos De Alta Frecuencia Segunda Parte, Tema Iii

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia Segunda parte, Tema III Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación, 2o cuatrimestre (6 créditos ECTS) Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz ([email protected] Jose Luis Masa Campos ([email protected]) Colaborador: José Manuel Fernández ([email protected]), Grupo de Radiación. Dpto. SSR.UPM

Dpto. de Ingeniería Informática Escuela Politécnica Superior Universidad Autónoma de Madrid

1

Segunda parte de ACAF: Antenas 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/~acaf Master en Ingeniería Informática y Telecomunicaciones Escuela Politécnica Superior. Universidad Autónoma de Madrid José Luis Masa Campos. [email protected] ACAF (2007 – 2008)

2

III. Antenas impresas 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 ACAF (2007 – 2008)

Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia. Parte II.

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1.- Estructura y características básicas § En antena plana se utilizan parches diseñados en tecnología microstrip § Parches : Ø Lámina metálica de tamaño resonante (0.25l - 1l) longitud del parche = 0.5l Þ resonante en el modo fundamental muy delgada (espesor : 10 – 50mm Þ típicamente: 18mm y 35mm ) 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 : 0.005l - 0.2l ØConstantes dieléctricas generalmente en el rango : 1 £ er £ 12 § Plano de masa : § Excitación : Ø Suministra la energía RF a los parches ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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1.- Estructura y características básicas. Limitaciones

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

ACAF (2007 – 2008)

En contra: ØAlto Q (> 50) Þ banda estrecha : 1%-5% ØRadiación espuria (línea de alimentación, onda de superficie (modos de substrato), bordes …) Þ estropean el comportamiento de la antena ØRequieren substratos de calidad ØLimitación de potencia Þbaja potencia ØImpedancia de entrada: difícil de calcular y de ajustar ØPolarización cruzada Þ pobre pureza de polarización (Contrapolar alta)!Þ Relación (CP/XP) > 20 dB ØEficiencia reducida en arrays (pérdidas en las líneas de la red de alimentación)

3. Antenas impresas.

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1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones

Ø Rango de frecuencias : 100 MHz – 50 GHz Ø Como elemento radiante aislado y sobre todo en arrays Aplicaciones 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)

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3. Antenas impresas.

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1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones

Antena de estación base DCS1800 Ø Frecuencia : 1805 - 1880 MHz (Digital Cellular System) Ø Ganancia: 15 dBi Ø Tilt: -2°

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

7

1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones

Comunicaciones móviles por satélite

• Agrupación de antenas con barrido mecánico

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

8

1.- Estructura y características básicas. Aplicaciones

Comunicaciones móviles por satélite

• Agrupación de antenas con barrido electrónico

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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2.- Configuraciones habituales de parches

ØFormas de parche más habituales:

cuadrado

rectangular

dipolo

circular

ØOtros tipos de parches:

elíptico

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triangular

3. Antenas impresas.

anillo

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2.- Configuraciones habituales de parches

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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3.- Elección del sustrato

ØConstante dieléctrica: generalmente en el rango de 1 £ er £ 12, aunque se utilizan poco los valores er > 5. Øespesor : 0.005l £ h £ 0.2l ØPerdidas en el substrato: Øprecisa substratos de calidad Þ tangente de pérdidas : tan(d) < 0.002 Ancho de banda disminuye Si espesor del substrato disminuye

Frecuencia de resonancia aumenta Longitud resonante del parche disminuye Aumentar el espesor del substrato

Para aumentar el ancho de banda

Aumentar la longitud resonante del parche frecuencia de resonancia disminuye Dimensiones pequeñas del plano de masa

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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3.- Elección del sustrato

Sustrato

Constante dieléctrica: er

Perdidas: tan(d)

Epoxy fiberglass FR-4

4.4

0.01

Rohacell Foam

1.07

0.001

Honeycomb

1.02

< 0.0001

Taconic

2.33

0.0009

Kapton

3.5

0.002

CuClad

2.17

0.0009

RT Duroid 5880 (teflon + glass fiber)

2.2

0.0009

RT Duroid 6010 (PTFE1 ceramic)

10.5

0.002

GaAs

13

0.0006

Barium – titanate oxides Ceramic dielectrics

> 80

0.0001

1

ACAF (2007 – 2008)

Polytetrafluoroethylene (Teflon) 3. Antenas impresas.

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3.- Elección del sustrato ØLos materiales que mejor se adaptan al diseño de antenas impresas microstrip son para los er £ 5 (cercana a 1, como “foam” o simplemente aire): ØMejores valores de eficiencia de radiación ØMayor ancho de banda ØMenores pérdidas Espesor del substrato er Disminuir la radiación de la líneas

pequeño

alta

Pequeñas dimensiones de antenas

pequeño

alta

Bajas pérdidas (por onda de superficie,…)

pequeño

baja

Aumentar el ancho de banda

grande

baja

Mayor eficiencia de radiación

grande

baja

Menor sensibilidad frente a tolerancias

grande

baja

Ø Interesan substratos gruesos y constantes dieléctricas er bajas ¿Cómo resolver las contradicciones ? ØConfiguraciones multicapa Þ Técnicas de banda ancha ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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3.- Elección del sustrato

Þ Adoptar una solución de compromiso – Espesor del substrato h ØDisminuir las pérdidas por ondas de superficie Þ h ØAumentar el ancho de banda Þ h – Constante dieléctrica del substrato er ØPequeñas dimensiones Þ er – Anchura de línea w ØPequeñas dimensiones Þ w << lg/2 ØDisminuir la radiación de las líneas Þ w << lg/2

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4.- Diagramas de radiación 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, con dieléctrico

Plano finito, sin dieléctrico er=1

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3. Antenas impresas.

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5.- Ancho de banda

• 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 (Þ 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

ACAF (2007 – 2008)

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6.- Diferentes formas de alimentación de un parche Lli

Lco Rpar

Cpar

Lpar

Rpar Lpar

Sonda coaxial :

Línea microstrip :

Ø Requiere soldadura

Ø El más simple

Ø Control de la impedancia de entrada : impedancia inductiva con dieléctricos gruesos.

Ø Control de la impedancia de entrada

Ø Elimina la radiación espuria (bajo nivel) Ø Limitado ancho de banda Ø Difícil adaptación para substratos gruesos (h > 0.02l)

Ø El mismo substrato para parche y línea Ø Substratos gruesos Þ radiación espúria de la línea y ondas de superficie Ø Acoplo entre parche y línea Þ generación de altos niveles de contrapolar Ø Ancho de banda (típicamente: 2% y 5%)

ØLas líneas microstrip y las sondas coaxiales radian más con substratos de er bajos Þafecta a peor el nivel de polarización cruzada y los niveles de lóbulos secundarios. ACAF (2007 – 2008)

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Cpar

6.- Diferentes formas de alimentación de un parche Rpar

Cpar

Lpar

Cacop

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. ACAF (2007 – 2008)

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6.- Diferentes formas de alimentación de un parche

Cacop Rpar

Lpar

Cpar

Acoplo por proximidad : Ø Buena pureza de polarización Ø Ausencia de radiación contrapolar Ø Mayor ancho de banda (alcanza valores del 13%) Ø Baja radiación espuria Ø Distinto substrato para parche y línea

ACAF (2007 – 2008)

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6.- Diferentes formas de alimentación de un parche. Ventajas e inconvenientes Alimentación por contacto directo vs. Alimentación por acoplo de energía ØAlimentaciones por cable coaxial ØNo conexión física entre la alimentación y el o línea microstrip adaptadas en elemento radiante muchos casos 50W ØDispositivos de banda estrecha

ØAusencia de taladros que provoquen difracciones

ØRadiaciones indeseadas

ØMenor radiación espuria

ØProblemas de adaptación

ØMejor adaptación a los arrays de antenas

ØAlto nivel de lóbulos secundarios ØBuena supresión de modos de órdenes (SLL) altos ØAlto nivel de polarización cruzada

ØBuena pureza de polarización ØIndeseable incremento en el espesor global de la antena

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7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular

W Parche rectangular

t L

Substrato dieléctrico Plano de masa

Líneas de campo para el modo principal: Modo TM010

•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 : 180W - 300W – En el centro : 0W

Antena sectorial 65° & 90° polarización vertical ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular Comparativa modelos y medidas del diagrama de radiación de un parche rectangular

Plano E (Plano YZ) ACAF (2007 – 2008)

Plano H Plano XZ 3. Antenas impresas.

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7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular •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 Bahl 1 y Bhartia : c æ e +1ö 2 W=

ç r ÷ 2f è 2 ø 0

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. c0 - 2 Dl §La longitud L se calcula como : L = 2 f e eff

Con:

Dl = 0.412t

(e (e

eff

eff

æW ö + 0.3) ç + 0.264 ÷ è t ø æW ö - 0.258 ) ç + 0.8 ÷ è t ø

e eff =

e r +1 e r -1 æ t ö + ç 1 + 12 ÷ 2 2 è Wø

-

1 2

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

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular Compromiso de diseño de un parche rectangular Requisito

Espesor t del substrato

Permitividad del substrato er

Ancho W del parche

Alta eficiencia de radiación

grueso

baja

ancho

Bajas pérdidas dieléctricas

delgado

baja

-

Bajas pérdidas en conductores

grueso

-

-

aumentar ancho de banda

grueso

baja

ancho

Baja radiación espuria

delgado

baja

-

Baja polarización cruzada

-

baja

-

Bajo peso

delgado

baja

-

Robustez

grueso

alta

-

Menor sensibilidad frente a tolerancias

grueso

baja

ancho

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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7.- Análisis de tipos de parches. Cuadrado

L t

L

Parche cuadrado Substrato dieléctrico Plano de masa

ØPolarización : lineal, circular, dual Øgenera altos niveles de contrapolar XP Þ polarización dual o polarización circular. Antena sectorial 90° polarización doble lineal ± 45° para PCS

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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7.- Análisis de tipos de parches. Circular

r Parche circular Substrato dieléctrico er Plano de masa

t

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

ØPolarización : lineal, circular, dual Øgenera altos niveles de contrapolar XP Þ polarización dual o polarización circular. Aproximación: Diseño de un parche circular [6] p.755

8.791 ×109 F= f er

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

F

r= ì 2t 1 + í î pe r F ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

é æpF ö ùü êln ç 2t ÷ + 1.7726 ú ý ø ë è ûþ 27

1 2

7.- Análisis de tipos de parches. Ranura

l t

w

• • • •

Metal Substrato dieléctrico Plano de masa

lg Longitud de la ranura: l = 2 l w= Anchura de la ranura: 10 Polarización: lineal, circular, dual Excitado por el acoplo de campo

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

Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz ACAF (2007 – 2008)

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

§ Antena de parche rectangular cortocircuitado alimentado convencionalmente por sonda coaxial. § Sin substrato dieléctrico, trabaja únicamente con chapa metálica: ØParche rectangular : ØLongitud del parche L = l0/4 ØCortocircuito ØPlano de masa Þ La longitud del parche de reduce de l0/2 a l0/4 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. ACAF (2007 – 2008)

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7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna L W •Características de funcionamiento de la antena: –Frecuencia de resonancia h –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 Þ afecta en la distribución de corrientes ØRelación de aspecto entre lados del parche W/L (longitud L y ancho W) ØAltura h del parche sobre el plano de masa Incrementando W/L Ancho de banda aumenta

Aumentando h Aumentando Ws

Frecuencia de resonancia disminuye ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

disminuyendo Ws 30

7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna – 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 circuito abierto en el lado estrecho del parche. Al disminuir Ws, la longitud efectiva que debe recorrer la corriente es mayor Þ se logra disminuir la fercuencia de resonancia de la antena, manteniendo el tamaño constante. ACAF (2007 – 2008)

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7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna •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 A favor:

En contra:

Ø Ningún dieléctrico Þ no aparición de ondas de superficie que deterioren el funcionamiento de la antena

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

Ø Gran flexibilidad en el diseño: estructuras planas o tridimensionales

Ø Polarización lineal

ØFacilidad de fabricación ØVolumen reducido ØFrecuencia de resonancia múltiple ØBanda ancha Þ10% ØGanancia Þ 7 - 8 dB ACAF (2007 – 2008)

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8.- Polarización

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

ACAF (2007 – 2008)

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8.- Polarización Circular

ØPolarización circular, excitación única: A

B

C

D

A) Ligeramente rectangular

C) Cuadrada con ranura

B) Ligeramente elíptica

D) Cuadrada con esquinas cortadas

-45º 45º

• 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!).

ACAF (2007 – 2008)

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8.- Polarización Circular

ØPolarización circular, 2 puntos de excitación:

• 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.

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8.- Polarización Circular

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

ACAF (2007 – 2008)

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8.- Polarización Circular

ØPolarización circular, 2 puntos de excitación y 2 elementos:

Doble parche rectangular

•Alimentados cada una por acoplo por apertura •La misma configuración sirve para polarización dual

ACAF (2007 – 2008)

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8.- Polarización Circular

ØPolarización circular, rotación secuencial:

• • • •

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.

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8.- Polarización Dual

•

•

•

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 móvil Ø 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 ortogonales Ø Dos alimentaciones independientes que se corresponden con dos polarizaciones lineales ortogonales individuales

ACAF (2007 – 2008)

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8.- Polarización Dual

1/0°

1/0° 1/0°

Polarización dual

1/0°

Array de 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. ACAF (2007 – 2008)

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9.- Técnicas de ensanchamiento de banda

•El ancho de banda se puede mejorar : ØEl método más simple y directo: Aumentado el volumen : Dieléctricos más gruesos con constante dieléctrica er baja. §Ventajas: -Aumenta el ancho de banda -Aumenta la eficiencia §Inconvenientes: substrato gruesoÞ 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 Þ más resonancias Þ Ancho de banda

ACAF (2007 – 2008)

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10.- Técnicas de ensanchamiento de haz • • • •

Disminuir el ancho W (dimensión radiante) del parche Þaumenta el ancho de haz en acimut Espesor del substrato disminuye Þ 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 radiante Ø La anchura de los parches parásitos Si separamos más los parches parásitos del elemento radiante y aumentamos la anchura de los parches parásitos

aumenta el ancho de haz en acimut ACAF (2007 – 2008)

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10.- Técnicas de ensanchamiento de haz

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 60°

60º±5º

Sectorial 90°

90º±5º

Sectorial 120°

120º±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°.

ACAF (2007 – 2008)

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10.- Técnicas de ensanchamiento de haz

ranura línea de alimentación diel. #4

diel.#5 metal #3

parche ranura

b2

metal #1 diel. #2

diel. #1

diel. #4

b3

metal #2

diel. #3

diel.#5 metal #3

línea de alimentación

h

t

metal #2

w

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

diel. #3

b b1

metal #1 diel. #2

a

diel. #1 ETSIT - S.R. MOYANO

L16 S90-120

P16 S60

Sectorial 60° diel #4 : 5mm

aluminio espesor 1.5mm

ETSIT - S.R. MOYANO

L16 S90-120

P16 S90

Sectorial 90° diel #4 : 8mm

aluminio espesor 1.5mm

ETSIT - S.R. MOYANO

L16 S90-120 P16 S120

Sectorial 120° diel #4 : 9mm ACAF (2007 – 2008)

aluminio espesor 1.5mm

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10.- Técnicas de ensanchamiento de haz

120º ACAF (2007 – 2008)

90º

3. Antenas impresas.

60º 45

11. Ejemplos de diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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11.- Programas de simulación

• Programas de líneas impresas: Ø AppCAD Ø 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 Þ Finite Integration Time Domain (FITD))

ACAF (2007 – 2008)

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11.- Parche rectangular con línea microstrip

Material

• •

f = 7.55 GHz Polarización lineal

Metal 3 (cobre) Línea 50W Dieléctrico 2

Parche + línea 50 W

Características s=107mhos/m, espesor=35 mm

metal #2

h

Ancho = 2.46 mm

diel.#1

er=2.2, tgd=0.0008, espesor: h= 0.794 mm

Simulación CST STUDIO SUITE 2006

Simulación ENSEMBLE v. 8.0

L’ = 28.1mm L’’ = 32mm

W = 12.45mm

L = 16mm x = 3.32mm y = 8mm

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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11.- Parche rectangular con línea microstrip Simulación ENSEMBLE v. 8.0

ACAF (2007 – 2008)

Simulación CST STUDIO SUITE 2006

3. Antenas impresas.

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11.- Parche cuadrado con línea microstrip Material Metal 3 (cobre)

• •

f = 1.9 GHz Polarización lineal

Línea 50W Dieléctrico 2

Características s=107mhos/m, espesor=35 mm Ancho = 2.62 mm er=2.94, tgd=0.0008, espesor: h= 1.016 mm

Parche + línea 50 W

metal #2

h

diel.#1

Simulación ENSEMBLE v. 8.0

46.3 mm 46.3 mm 14.2 mm

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

50

11.- Parche cuadrado con sonda coaxial

• •

parche

f = 2400 – 2500 MHz Polarización lineal

L= 40.6mm metal #3

h

Material Metal 3 (cobre) Dieléctrico 2 (Taconic) Plano de masa)

ACAF (2007 – 2008)

Características

sonda coaxial 50 W

s=107mhos/m, espesor=35 mm er=2.33, tgd=0.045, espesor: h= 0.7 mm Conductor eléctrico perfecto

3. Antenas impresas.

diel.#2

L= 40.6mm

y x

x = 15.25 mm, y = 20.3 mm sonda coaxial: Æ 1.2mm

51

11.- Parche redondo con sonda coaxial

L = 30mm

• •

f = 2400 – 2500 MHz Polarización lineal

Material Metal 3 (cobre) Dieléctrico 2 (Taconic) Plano de masa

ACAF (2007 – 2008)

parche

L = 30mm metal #3

h

Características

sonda coaxial 50 W

s=107mhos/m, espesor=35 mm

diel.#2

y x

r = 23mm

er=2.33, tgd=0.045, espesor: h= 0.7 mm

x = -9.2 mm sonda coaxial: Æ 1.2mm

Conductor eléctrico perfecto

3. Antenas impresas.

52

11.- Parche cuadrado con sonda coaxial

• •

f = 2400 – 2500 MHz Polarización lineal

parche

metal #3

h

Material Metal 3 (cobre) Dieléctrico 2 (Taconic) Dieléctrico 1 (Aire)

ACAF (2007 – 2008)

L= 52mm L= 52mm

b1

Características

sonda coaxial 50 W

s=107mhos/m, espesor=35 mm

diel.#2 diel. #1

y x

er=2.33, tgd=0.045, espesor: h= 0.5 mm er=1 , espesor(b2)=6.5mm

x = 8 mm, y = 26 mm sonda coaxial: Æ 1.2mm

3. Antenas impresas.

53

11.- Parche redondo con acoplo por proximidad

• •

f = 2920 MHz Polarización lineal

Material

s=107mhos/m, espesor=35 mm

Metal 2 (cobre) Dieléctrico 1 Línea de alimentación 50W

metal #2

er=2.62, tgd=0.004, espesor: h= 3.23 mm

h2 h1

Anchura w = 4 mm, h1= 1.64mm

línea de alimentación 50W

Simulación con plano de masa infinito ACAF (2007 – 2008)

parche

Características

3. Antenas impresas.

h

diel.#1

Simulación con plano de masa finito 54

11.- Parche redondo con sonda coaxial • •

f = 36.7 – 37 GHz Polarización circular

Material Metal 3 (cobre) Dieléctrico 2

Características s=107mhos/m, espesor=35 mm

parche

er=2.17, tgd=0.0008, espesor: h= 0.5 mm

metal #2

h

diel.#1

sonda coaxial

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

55

11.- Parche cuadrado con línea microstrip

h

metal #1

t

diel. #2

•f = 36.85 GHz •Polarización circular

Material

Características

Metalización1 (cobre)

s=6·107 mhos/m, espesor=17 mm

Dieléctrico2(Taconic TLX_0)

er=2.46, tgd=0.004, espesor: h =0.5 mm

0.47 mm

• 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 f=90º, existe una clara asimetría del diagrama de radiación Þ aumenta el valor de contrapolar. Ø Se produce un claro empeoramiento de la relación axial para ángulos alejados del máximo de radiación. ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

56

11.- Parche rectangular con acoplo por apertura • Frecuencia: 3400-3600 MHz • Polarización : lineal vertical • Ancho de haz en elevación a -3dB: 90°±5° • ROE < 1.25 ranura línea de alimentación

Metal 3 (cobre) Dieléctrico 5 (fibra de vidro)

diel. #3

metal #1 diel. #2

diel. #1

s=107mhos/m, espesor=35 mm er=4.8+j0.08, tgd=0.041, espesor 1.5 mm er=1.1+j0.001, tgd=0.001, espesor(b2)=8mm

Metal 2 (alumnio)

Espesor = 2mm

Dieléctrico 3 (CP4)

er=1.1+j0.001,tgd=0.001, espesor(b2)=3.7 mm

Metal 1 (cobre) Dieléctrico 2 (Laminex)

metal #2

Características

Dieléctrico 4 (CP8)

diel.#5 metal #3

diel. #4

Dieléctrico 1 (CP10)

s=107mhos/m, espesor=35 mm er=4.8, tgd=0.01, espesor=125 mm er=1.1+j0.001, tgd=0.001, espesor(b1)=10 mm

Parámetros del diseño

parche ranura línea de alimentación

diel.#5 metal #3

h

t

w

metal #2

b1

L

diel. #3

b

metal #1 diel. #2 diel. #1

l

ll

Tb

a

Wl W

Tl b

ACAF (2007 – 2008)

Longitud del parche L

20 mm

Ancho del parche W

23 mm

Longitud de la ranura l

diel. #4

b3 b2

Material

3. Antenas impresas.

27.5 mm

Ancho de la ranura b

6 mm

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

12 mm

Ancho de línea 100W : wl

4.5 mm

Longitud de línea ll

16 mm

Longitud Transformador lg/4: Tl

18 mm

Ancho Transformador lg/4: Tb

7.8 mm

57

11.- Parche rectangular con acoplo por apertura • Resultados de simulación:

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

58

11.- DCS (Digital Cellular System)

• • • •

Parche

Banda: 1710-1880 MHz Fibra : e = 4.2, h= 1 mm Aire 2 Ranura ROE <1.3 (-17.7 dB) Excitación Aire 1 Taconic : e = 3, h= 1.58 mm Polarización: lineal vertical Plano de masa Ancho de haz en acimut : 65º±5º r

Material £ 40 mm

r

Parámetros del diseño

ACAF (2007 – 2008)

Longitud del parche L

59 mm

Ancho del parche W

80 mm

Longitud de la ranura l

30 mm

Ancho de la ranura b

6 mm

Metal 3 (cobre) Dieléctrico 4 (fibra de vidro)

s=107mhos/m, espesor=35 mm er=4.2, tgd=0.02, espesor: h = 1 mm

Dieléctrico 3 (Aire)

er=1, espesor=10mm

Metal 2 (alumnio)

Espesor = 2mm

Dieléctrico 2 (Taconic)

3. Antenas impresas.

Características

Metal 1 (cobre) Dieléctrico 1 (Aire)

er=3, tgd=0.0001, espesor: h=1.58 mm s=107mhos/m, espesor=35 mm er=1, espesor=12 mm

59

11.- PCS (Personal Communications System)

• • • • • •

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 1

110 W

Parámetro:

espesor

Dieléctrico (Aire)

8 mm

Dieléctrico (Foam Rohacell)

2 mm

Dieléctrico (CP10)

10 mm

2

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

ACAF (2007 – 2008)

60 mm 4 mm 42 mm 12 mm 20 mm 1 mm

3. Antenas impresas.

60

11.- PCS (Personal Communications System)

1 75 W 2 75 W

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

61

11.- PCS (Personal Communications System)

1

Condición: El acoplamiento del acoplador debe ser igual al conjugado del parámetro S21 del elemento radiante: ØMódulo iguales ØFases conjugadas • Mejora en el aislamiento entre puertas

ACAF (2007 – 2008)

2

3. Antenas impresas.

62

Referencias [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.

ACAF (2007 – 2008)

3. Antenas impresas.

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