Diseño de Antenas Direccionales de 2.4 y 5.8 GHz por

Diseño de Antenas Direccionales de 2.4 y 5.8 GHz por
Medio de la Técnica de Microcinta
por
Salvador Jesús Yunes Almodovar
Presentado a la academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones
del Instituto de Ingeniería y Tecnología de
La Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
para su evaluación
LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
Octubre 2009
Alejandra Mendoza
Presidente de la academia
___________________________________________
Víctor Hinostroza
Asesor
___________________________________________
Salvador J. Yunes Almodovar
Alumno
____________________________________________
INTRODUCCIÓN
En un entorno donde la transmisión de información en tiempo real es imprescindible
para la correcta toma de decisiones, los sistemas de comunicación juegan un papel
muy importante y de estos; las antenas juegan un papel determinante. Gracias a ellas
somos capaces de comunicarnos sin necesidad de cables, tenemos acceso a todo tipo
de información en cualquier lugar y en cualquier momento. Los sistemas de
comunicaciones utilizan antenas para realizar enlaces punto a punto, difundir señales
de televisión o radio, o bien transmitir o recibir señales en equipos portátiles. La misión
de una antena es radiar la potencia que se le suministra con las características de
direccionalidad adecuadas a la aplicación. Por ejemplo, en radiodifusión o
comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma
omnidireccional, mientras que en radiocomunicaciones fijas interesará que las antenas
sean direccionales.
Existen dos misiones básicas de una Antena: transmitir y recibir, imponiendo cada
aplicación condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de
potencia que debe soportar, frecuencia de trabajo y otros. Esta diversidad de
situaciones da origen a un gran número de tipos de Antenas.
ANTECEDENTES
Desde hace mucho tiempo el ser humano ha tenido la necesidad de comunicarse, y
ésta comunicación le ha permitido crear redes sociales, que a su vez, se han
comunicado con otras, y siempre lo ha hecho según las posibilidades tecnológicas
propias de cada época o situación. Hoy día es imposible concebir un mundo sin
tecnologías de la Información y de comunicación, muy pocas veces nos damos cuenta
que una de los partes más importantes de estas tecnologías son las antenas.
Las antenas para la transmisión/recepción del servicio de telefonía celular, incluyendo
el servicio de comunicaciones personales (PCS, por sus siglas en inglés),
generalmente se instalan en el exterior sobre torres, tanques de agua, y otras
estructuras elevadas como techos y en los costados de los edificios. La combinación de
las torres de antenas y el equipo electrónico asociado a éstas se denomina “sitio celular
o sitio de celdas PCS” o “estación base.” La altura de las torres de los sitios celulares o
de celdas PCS generalmente es de 15 a 60 metros. Las antenas se colocan
generalmente en grupos de tres, una de las antenas en cada grupo se usa para
transmitir las señales a las unidades móviles, y las otras dos antenas se usan para
recibir las señales de las unidades móviles.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Debido al avance tecnológico y a la tendencia de miniaturización de los sistemas, se
hace necesario que los dispositivos sean cada vez más pequeños y más eficientes. En
la tecnología de antenas se ha extendido el uso de antenas con la técnica de
microcintas para lograr la comunicación ya que ello permite integrar un sistema
completo de comunicación reduciendo espacio. Aunque a veces esta reducción limita el
rango de operación del sistema, por ello se pretende con este trabajo encontrar alguna
alternativa eficiente para antenas de microcinta haciendo el uso de software para
diseño y modelado de circuitos. Este proyecto intentará el diseño de una antena por
medio del uso de técnicas de microcinta. Se seguirán las siguientes etapas; se
estudiara la teoría básica de antenas, se aprenderá la utilización de software de diseño,
se realizaran varios diseños tentativos y varios diseños finales. Se tratara cubrir dos
rangos de frecuencias (2.4 y 5.8 GHz) y varios tipos de prototipo de diseño. Al final se
documentara todo el desarrollo del proyecto.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación específicamente
diseñadas para radiar o recibir ondas electromagnéticas. También se pueden definir
como los dispositivos que adaptan las ondas guiadas, que se transmiten por
conductores o guías, a las ondas que se propagan en el espacio libre. Una antena es
un dispositivo que es capaz de emitir y recibir ondas de radio, a grandes rasgos existen
dos grupos, las antenas emisoras o transmisoras y las antenas receptoras. Convierte la
onda guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de onda) en ondas
electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre. En realidad una antena
es un trozo de material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el
espacio libre. Las antenas deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o
mermar los demás. Una antena va a formar parte de un sistema, por lo que tenemos
que definir parámetros que la describan y nos permita evaluar el efecto que va a
producir sobre nuestro sistema como lo son:
Resistencia de radiación: Debido a la radiación en las antenas se presenta pérdida
de potencia. Por ello se ha establecido un parámetro denominado resistencia de
radiación, cuyo valor podemos definir como el valor de una resistencia típica en la cual,
al circular la misma corriente que circula en la antena, disipara la misma cantidad de
potencia.
Impedancia de entrada de una antena: En general, la impedancia de entrada de la
antena dependerá de la frecuencia, estando formada por una componente activa y una
reactiva. De esta forma, la componente reactiva se puede asimilar a la resistencia total
de la antena en sus terminales de entrada. Generalizando, podemos decir entonces
que la impedancia de entrada de la antena es simplemente la relación entre el voltaje
de entrada de la antena y la corriente de entrada.
Ganancia de una antena: La ganancia de una antena es una medida de su tendencia
a concentrar la señal en una dirección específica. Una antena con alta ganancia es
altamente direccional, mientras que una antena con baja ganancia es omnidireccional.
La unidad para medir la ganancia es el decibel (dB).
Frecuencia de operación: El tamaño de la antena depende de la longitud de onda de
la frecuencia que se quiera radiar y recibir con la antena.
Longitud eficaz de la antena:
Sobre una antena se inducen corrientes y voltajes. Por
tal razón, a la antena receptora se le puede considerar como un generador ideal de
voltaje (V), con una impedancia interna que resulta ser igual a la de entrada.
Polarización de la antena: La onda electromagnética posee el campo eléctrico
vibrando en un plano transversal a la dirección de propagación, pudiendo tener
diversas orientaciones sobre el mismo. La polarización de la antena hace referencia a
la orientación del campo eléctrico radiado.
Ancho de haz de una antena: Podemos hablar del ancho de haz de una antena como
el espaciamiento angular entre dos puntos determinados de potencia media (-3dB),
ubicándolos con respecto a la posición del lóbulo principal perteneciente al patrón de
radiación de la antena.
Ancho de banda de la antena: Se puede describir como los valores de frecuencia
para los cuales la antena desarrolla su trabajo de manera correcta. De igual forma, el
ancho de banda de una antena depende de las condiciones de los puntos de potencia
media.
De todos los elementos de una estación, la antena es el que posee el comportamiento
menos predecible, esto debido a que interacciona fuertemente con todo lo que lo rodea.
Mientras que con un equipo de radio o una línea de transmisión se puede decir con
bastante certeza si funcionará o no en una estación dada, con una antena realmente no
se tiene plena seguridad hasta que se pone a prueba. Una antena que posee un
comportamiento excelente en una estación puede presentar un comportamiento pobre
al trasladarse a otra, o puede suceder lo inverso: una antena que simplemente no
trabaja en una estación puede trabajar perfectamente al trasladarse a otra.
OBJETIVO GENERAL:
Estudiar el funcionamiento y construir varios prototipos de antenas en el rango de
frecuencias de 2.4 y 5.8 GHz, usando la técnica de microcinta.
METODOLOGÍA:
Objetivos Específicos:
•
Llevar a cabo una investigación de la tecnología de microcinta usada en las
antenas.
•
Localizar partes y material necesario para el proyecto.
•
Aprender el manejo de software para el diseño de las antenas.
•
Realizar el diseño y simulación de las antenas.
•
Construir el prototipo de las antenas.
•
Realizar pruebas de las antenas.
•
Documentar el proyecto.
•
Presentación del proyecto en examen.
Metas
Etapa: Diseño
1. Investigar al menos 5 fuentes de información sobre
antenas y técnicas de
microcinta para la última semana de enero.
Acciones meta 1:
1.1.
Investigar con el asesor las principales fuentes de información sobre el tema.
1.2.
Investigar en la Biblioteca Otto Campbell.
1.3.
Investigar en Internet las mejores fuentes de información.
1.4.
Investigar en revistas y artículos.
2. Comprar tablilla de circuito impreso para el proyecto para la última semana de
enero.
Acciones meta 2:
2.1.
Buscar proveedores para comprar tablilla adecuada para microcinta.
2.2.
Conseguir y comprar conectores para la antena.
2.3.
Estudiar el software y los fundamentos de diseño.
2.4.
Estudiar los analizadores de redes y de espectro.
2.5.
Conseguir material para hacer el circuito impreso.
3. Aprender a utilizar el software de diseño para la segunda semana de febrero.
Acciones meta 3:
3.1.
Identificar las funciones y opciones del software.
3.2.
Familiarizarnos con el manejo del software.
3.3.
Realizar diseños preliminares.
4. Realizar tres diferentes diseños de antena para la primera semana de marzo.
Acciones meta 4:
4.1.
Realizar diseño de antena en el software.
4.2.
Simulación de funcionamiento de la antena.
4.3.
Generar circuito para tablilla impresa.
Etapa: Construcción
5. Construir dos prototipos de antena para la segunda semana de marzo.
Acciones meta 5:
5.1.
Hacer circuito impreso en la tablilla.
5.2.
Soldar conectores a la Antenas.
Etapa: Pruebas
6. Realizar al menos cuatro pruebas del diseño final de la antena para la segunda
semana de abril.
Acciones meta 6:
6.1.
Probar la antena con el analizador de redes.
6.2.
Comparar el funcionamiento de la antena con el diseño realizado.
6.3.
Tomar nota y sacar conclusiones sobre el rendimiento de la antena.
6.4.
Realizar pruebas para confirmar el buen funcionamiento.
7. Terminar la documentación y reporte final para la primera semana de mayo.
Acciones meta 7:
7.1.
Documentar las actividades realizadas.
7.2.
Organizar la documentación por fechas propuestas.
7.3.
Revisar la ortografía.
7.4.
Revisar que la documentación esté correcta.
7.5.
Revisar que no descartemos una actividad realizada.
7.6.
Realizar la impresión del documento ya una vez terminado.
Requerimientos y materiales
Requerimientos para la meta 1:
•
Asesoramiento.
•
Credencial de la UACJ.
•
Computadora con internet.
•
Visitar la biblioteca Otto Campbell.
Requerimiento para la meta 2:
•
Software para el diseño de la antena.
•
Manual de analizador de redes.
•
Conocer fundamentos de microcintas.
•
Tablilla de circuito impreso especial para antenas microcinta.
•
Conectores necesarios.
Requerimiento para la meta 3:
•
Computadora personal (PC) o Laptop.
•
Software de diseño.
•
Manipulación de las herramientas del software.
Requerimiento para la meta 4:
•
Diseño de antena realizado en el software.
•
Diseño de circuito en microcinta.
•
Diseño de encapsulado terminado.
•
Realizar por lo menos tres diferentes diseños.
Requerimiento para la meta 5:
•
Material para tres prototipos de la antena.
Requerimiento para la meta 6:
•
Analizador de espectro
•
Analizador de redes.
Requerimiento para la meta 7:
•
Computadora
•
Impresora.
Calendarización
Enero
Semanas
Etapa:
Diseño
Febrero
Semanas
Marzo
Semanas
Actividad
1.1
1
Actividad
1.2
1
2
2
Actividad
1.3
Actividad
1.4
Actividad
2.1
3
Actividad
2.2
3
Actividad
2.3
3
Actividad
2.4
4
Actividad
2.5
4
Actividad
3.1
1
Actividad
3.2
2
Actividad
3.3
3
Actividad
4.1
4
Actividad
4.2
4
Actividad
4.3
1
Marzo
Semanas
Etapa:
Construcción
Actividad
5.1
2
Actividad
5.2
Abril
Semanas
3
4
Abril
Semanas
Etapa:
Pruebas
1
Mayo
Semanas
Actividad
6.1
1
Actividad
6.2
1
Actividad
6.3
1
2
Actividad
6.4
Actividad
7.1
3
Actividad
7.2
3
Actividad
7.3
3
Actividad
7.4
3
Actividad
7.5
4
Actividad
7.6
1
REFERENCIAS
“Antenas “
https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2005/1/EL55A/1/material_docente/objeto/64724.
Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Física y Matemáticas, Departamento de
Ingeniería Eléctrica
“ANTENAS”
http://www.upv.es/antenas/
Universidad Politécnica de Valencia
“Antenas”
http://www.monografias.com/trabajos6/ante/ante.shtml
Universidad Fermin Toro. Escuela de Ingeniería Eléctrica, Cabudare, Diciembre del
2000
“Antenas: El poder de la comunicación”
http://antenasparatodos.blogspot.com/
Rafa Villena
“Antenas”
http://web.frm.utn.edu.ar/comunicaciones/antenas.html
Celeste Berdiñas, Roberto Testoni
“Teoria de Antenas”
http://paratorpes.es/manuales/teoria_antenas.pdf
Melendez Esquivel, Mario - Radio club de Costa Rica
Sistemas de comunicaciones electrónicas
Tomasi Wayne - 2° Edición - Pág. 377 a 410
Diseño de Antenas Direccionales de 2.4 y 5.8 GHz por
Medio de la Técnica de Microcinta
Por
Salvador Jesus Yunes Almodovar
Presentado a la Academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones
Del Instituto de Ingeniería y Tecnología de
La Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
Para obtener el título de
INGENIERO EN SISTEMAS DIGITALES Y COMUNICACIONES
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
Mayo del 2010
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
Instituto de Ingeniería y Tecnología
EVALUACiÓN DE EXAMEN
Fecha: 25 de Mayo del 2010
Horario: 17:00 - 19:00 HRS.
PROFESIONAL INTRACURRICULAR
NIVEL: LICENCIATURA
TEMA:
"Diseño de antenas direccionales de 2.4 y 5.8 GHz por medio de la
técnica de microcinta"
La evaluación del examen profesional intracurricular consta de 4 partes:
(Desarrollado en 1 hora)
1°._
2°.. 3°.4°._
Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos).
Réplica por parte del jurado .
Comentarios y/o recomendaciones.
Entrega de resultados.
Nombre del alumno: Salvador Jesús Yunes Almodovar
Calificación Maestro de la materia (30%)
Calificación Director de Trabajo (40%)
25
Calificación del Jurado (30%)
TOTAL
Se recomienda que el documento se deposite para consulta en la BIBLIOTECA
SiD
NaO
Director de Trabajo
Dr. Víctor Hinostrozo
Jurado
D,dJ:tr
Coordinador de la Materia
"Proyecto de Titulación"
Dr. Víctor Hinostrozo
FIRMADO EN ORIGINAL
II
Resumen
En este proyecto se realizo el diseño y construcción de antenas por medio del modo
Microcinta o también conocidas como antenas parche. Consta de 4 antenas que
fueron diseñadas para que trabajen en las frecuencias de 2.4GHz y 5.8GHz con un
diseño triangular, rectangular, cuadrado y circular. El diseño de estas antenas se
obtiene por medio de las ecuaciones ya establecidas tomando en cuenta los valores
del ancho del sustrato con el que se va a trabajar, la frecuencia deseada, la
constante de la velocidad de la luz y la permitividad eléctrica que el sustrato posee,
haciendo uso de las ecuaciones se obtienen los resultados del largo y ancho del
diseño o diámetro según el diseño, su punto de alimentación y el plano a tierra. Ya
una vez obtenidos los resultados de las ecuaciones, se construyeron las antenas y
se realizaron pruebas para verificar su desempeño.
III
Declaración de originalidad:
Yo Salvador Jesus Yunes Almodovar, declaro que el material contenido en
este documento es original y no ha sido copiado de ninguna otra fuente, ni ha sido
usado para obtener otro título o reconocimiento en ésta u otra institución de
educación superior.
--------------------------------------------Salvador Jesus Yunes Almodovar
IV
Dedicatoria
Dedico este trabajo a mis padres por el apoyo constante que recibí de su parte, por
darme la confianza durante la realización de mis estudios y la preocupación que
tuvieron por que tomara siempre el camino correcto.
A mis amigos que hicieron más ameno el transcurso de mis estudios, por el apoyo
que me brindaron, por esos grandes momentos que vivimos y espero sigamos
viviendo juntos y por brindarme su amistad sin pensarlo dos veces.
A mi mejor amiga que fue la que me ayudaba a aguantar cuando me era difícil
balancear trabajo\escuela, la que me dio el apoyo que tanto necesitaba y la
confianza de que todo era posible, por no rendirse al momento de darme más
fuerzas y continuar con mis estudios, por hacerme ver las cosas desde una
perspectiva muy diferente, le estoy sumamente agradecido por todo ese tiempo que
me dedico sin pedir nada a cambio.
Dedico este trabajo más que nada a todos los profesores que tuve el placer de
conocer, a ellos que fueron la inspiración de convertirme en una persona ejemplar,
de querer aprender más y a ser más curioso con mi entorno.
V
Agradecimientos
Agradezco a los profesores que me brindaron sus conocimientos sin guardarse
nada para ellos y por su paciencia más que nada al momento de resolver cualquier
duda.
A todos mis jefes laborales que tuve en transcurso de mis estudios, que me
exigieron dar lo mejor de mí en el aspecto laboral y en veces estudiantil.
Y agradezco enormemente al Dr. Victor Hinostroza por su paciencia y por haberme
abierto los ojos a un campo de estudio de sumo interés que antes ignoraba, le
agradezco por compartir sus conocimientos y por haberme inspirado a dedicarme lo
más posible a esta rama de la ingeniería.
VI
Lista de Figuras
Figura 2.1 Modos normales de propagación de ondas………………………………….4
Figura 2.2 Propagación de ondas terrestres……………………………………………..5
Figura 2.3 Propagación de ondas espaciales……………………………………………6
Figura 2.4 Ondas espaciales y horizonte de radio………………………………………6
Figura 2.5 Bandas del Espectro……………………………………………………………7
Figura 2.6 Rangos de frecuencias…………………………………………………………8
Figura 3.1 Antena como un dispositivo de transición……………………………………9
Figura 3.2 Configuraciones de antenas de alambre…………………………………...11
Figura 3.3 Configuraciones de Antenas de apertura…………………………………..12
Figura 3.4 Antenas microcinta o de parche rectangulares y circulares……………...13
Figura 3.5 Configuraciones de arreglo de antenas de alambre o hilo típico, de
apertura y microcinta………………………………………………………………………14
Figura 3.6 Configuraciones típicas de reflectores……………………………………...14
Figura 3.7 Configuraciones típicas de antenas de lentes……………………………..15
Figura 3.8 Patrón de radiación……………………………………………………………16
Figura 3.9 Ancho de haz de un lóbulo…………………………………………………...18
Figura 3.10 Analizador de redes y una medición típica………………………………..23
Figura 3.11 Parámetros S…………………………………………………………………24
Figura 3.12 Analizador de espectros y medición típica………………………………..24
Figura 3.13 Dominio del tiempo y la frecuencia………………………………………..25
Figura 4.1. Representación de figuras de elementos parche de una microcinta…...27
Figura 4.1 (a) Patrón de elevación de alta ganancia…………………………………..27
Figura 4.1 (b) Patrón de Azimut de alta ganancia………………………………….…..27
Figura 4.2. Representación de figuras de elementos parche de una microcinta…...28
Figura 4.3. Antena microcinta con forma fractal……………………………………......29
Figura 4.4. Antenas microcinta reales…………………………………………………...29
Figura 4.5 Estructuras de guías de onda planas…………………………………….…30
Figura 4.6 Líneas de transmisión de una antena microcinta……………………….…30
Figura 4.7 Estructura de una antena microcinta…………………………………….....31
Figura 4.8 Patrón de radiación de una antena de parche………………………….….32
Figura 4.9 Antena microcinta y sistema de coordenadas……………………………..32
Figura 4.10 Alimentaciones por microcinta……………………………………………..35
VII
Figura 4.11 Alimentación por sonda de cable coaxial…………………………………36
Figura 4.12 Alimentación por el método de proximidad……………………………….37
Figura 4.13 Alimentación por apertura…………………………………………………..38
Figura 5.1 Diagrama de parche cuadrado de 2.4GHz…………………………………43
Figura 5.2 Diagrama del diseño triangular………………………………………………44
Figura 5.3 Diagrama del diseño rectangular……………………………………………47
Figura 5.4 Diagrama del diseño circular…………………………………………………48
Figura 5.5 Obtención de las dimensiones del diseño de la antena cuadrada
mediante el software “TXLINE”…………………………………………………………..48
Figura 5.6 Diagrama del diseño cuadrado de 5.8GHz…………………………………51
Figura 5.7 Obtención de las dimensiones del diseño de la antena cuadrada
mediante el software “TXLINE”…………………………………………………………..52
Figura 6.1 Antenas construidas…………………………………………………………..53
Figura 6.2 Prueba de antenas……………………………………………………………54
Figura 6.3 Antenas microcinta de 2.4GHz………………………………………………54
Figura 6.4 Resultados obtenidos del analizador de redes…………………………….55
Figura 6.5 Diagrama de Smith antena rectangular…………………………………….55
Figura 6.6 Componentes espectrales antena rectangular de 2.4GHz……………….56
Figura 6.7 Resultados obtenidos del analizador de redes de antena triangular……57
Figura 6.8 Diagrama de Smith antena triangular……………………………………….57
Figura 6.9 Componentes espectrales de antena triangular de 2.4GHz……………..58
Figura 6.10 Antenas microcinta de 2.4GHz…………………………………………….59
Figura 6.11 Componentes espectrales antena circular de 5.8GHz…………………..59
Figura 6.12 Componentes espectrales antena cuadrada de 5.8GHz………………..60
Figura 6.13 Resultados obtenidos de nuestra antena base…………………………..60
VIII
Índice
Declaración de originalidad…..……………………………...……………………………IV
Dedicatoria…………………………………………………...……………………………...V
Agradecimientos…………………………………………...……………….………....…...VI
Lista de figuras……… …………………………………………………………..………...VII
CAPITULO 1. Introducción…………………………………………………………………1
CAPITULO 2. Fundamentos básicos de Radiofrecuencia……………………………...2
2.1 Propagación de ondas…………………………………………………………3
2.2 Pérdidas de la señal en el espacio libre……………………………………..3
2.3 Propagación terrestre de las ondas electromagnéticas……………………3
2.4 Propagación de ondas terrestres……………………………………………..4
2.5 Propagación de ondas espaciales……………………………………………5
2.6 Return Loss……………………………………………………………………..6
2.7 Relación de voltajes de ondas estacionarias (VSWR)……………………..8
2.8 Pérdida por des-acoplamiento………………………………………………..8
CAPITULO 3. Antenas……………………………………………………………………...9
3.1 Antecedentes…………………………………………………………………..9
3.2 Tipos de antenas……………………………………………………………...10
3.2.1 Antenas de Hilo o Alambre……………………………………….10
3.2.2 Antenas de Apertura………………………………………………11
3.2.3 Antenas Microcinta………………………………………………...11
3.2.4 Antenas de Arreglos o “Array”……………………………………12
3.2.5 Antenas Reflectoras……………………………………………….13
3.2.6 Antenas de Lentes…………………………………………………15
3.3 Parámetros Fundamentales de las Antenas……………………………….15
3.3.1 Patrón de radiación………………………………………………..16
3.3.2 Densidad de potencia radiada……………………………………16
3.3.3 Directividad…………………………………………………………17
3.3.4 Ancho de Haz………………………………………………………18
3.3.5 Ganancia……………………………………………………………18
3.3.6 Polarización………………………………………………………...20
IX
3.3.7 Impedancia…………………………………………………………20
3.3.8 Eficiencia de la Antena……………………………………………21
3.3.9 Área y longitud efectivas………………………………………….22
3.4 Analizador de redes………………………………………………………….22
3.5 Medición de parámetros S…………………………………………………..23
3.6 Analizador de espectros……………………………………………………..23
CAPITULO 4. Fundamentos teóricos de Antenas Microcinta…………………………26
4.1 Origen………………………………………………………………………….26
4.2 Tipos de parche……………………………………………………………….28
4.3 Modelo de línea de transmisión……………………………………………..29
4.4 Métodos de alimentación…………………………………………………….34
4.4.1 Alimentación directa……………………………………………….35
4.4.1.1 Alimentación por microcinta……………………………35
4.4.1.2 Alimentación directa con sonda coaxial………………36
4.4.2 Alimentación por proximidad……………………………………..36
4.4.3 Alimentación por apertura………………………………………...37
4.5 Ventajas y Desventajas de las Antenas Microcinta……………………….38
4.6 Aplicaciones…………………………………………………………………...39
CAPITULO 5. Desarrollo………………………………………………………………….40
5.1 Software a utilizar…………………………………………………………….40
5.2 Diseño de Antenas microcinta………………………………………………40
5.2.1 Antenas microcinta de 2.4Ghz……………………………………41
5.2.1.1 Diseño cuadrado………………………………………..41
5.2.1.2 Diseño triangular………………………………………..43
5.2.1.3 Diseño rectangular……………………………………...45
5.2.1.4 Diseño circular…………………………………………..47
5.2.2 Antenas microcinta de 5.8GHz…………………………………...49
5.2.2.1 Diseño cuadrado………………………………………..49
4.2.2.2 Diseño circular…………………………………………..51
CAPITULO 6. Resultados…………………………………………………………………53
CAPITULO 7. Conclusiones………………………………………………………………62
Referencias…………………………………………………………………………………63
Apéndice A………………………………………………………………………………….64
X
Apéndice B………………………………………………………………………………….68
Apéndice C………………………………………………………………………………….78
XI
CAPITULO 1. Introducción
El propósito de este proyecto es el de entender de una mejor manera el
funcionamiento de las antenas por medio del método de parche o microcinta. Desde
hace muchos años la teoría de antenas ocupa un lugar preponderante en el área de
comunicaciones. Diferentes tipos de antenas han sido creadas con el paso del
tiempo intentando lograr diseños que se adapten cada vez más a las múltiples
necesidades y aplicaciones que se proyectan. Debido al gran éxito de las
comunicaciones inalámbricas, una amplia área de las comunicaciones y el
incremento en las frecuencias en las que trabajan las antenas, hacen a su vez que
el desempeño de las antenas sea el óptimo, logrando que los tamaños sean cada
vez más reducidos optimizando espacios y recursos en general.
Gracias a las antenas tipo parche se han logrado eficientes sistemas inalámbricos
con dimensiones muy reducidas. La facilidad con que las antenas tipo parche
pueden ser implementadas o montadas sobre casi cualquier superficie, las hacen
extremadamente versátiles, haciendo que puedan ser utilizadas para casi cualquier
aplicación.
El objetivo general de este proyecto de tesis es el de entender el funcionamiento de
las antenas tipo parche o microcinta por medio de diversos diseños eficientes de
antenas ya sea para aplicaciones de Bluetooth y Wi-Fi en las bandas de 2.4 GHz y
5.8 GHz respectivamente. Los objetivos específicos de este trabajo son: 1) Obtener
información de teoría necesaria de antenas tipo parche, 2) una vez obtenida la
información, proponer 4 diseños eficientes de antenas para las bandas
mencionadas, 3) construir las antenas propuestas y 5) realizar las mediciones de las
antenas para verificar su correcto funcionamiento.
En los próximos capítulos se describirá a detalle las características propias de cada
componente utilizado para llevar a cabo este proyecto.
1
CAPITULO 2. Fundamentos básicos de Radiofrecuencia
Idealmente los circuitos de radio frecuencia y microondas están constituidos de
interconexiones de componentes. Estos componentes incluyen elementos pasivos
discretos, tales como, capacitores, bobinas y resistencias,
incluyen también
elementos distribuidos tales como; cables, microcinta y guías de onda. E incluyen
también elementos activos tales como, transistores MOSFET, transistores bipolares
y diodos.
Configurar modelos de circuitos con los elementos mencionados, de acuerdo a una
topología determinada, con el uso de una herramienta de CAD, usualmente lleva a
un circuito cuyas especificaciones cubren nuestros requerimientos.
Desafortunadamente, esta visión simplista de diseño de radiofrecuencia y
microondas, usualmente no concuerda con la realidad. La razón de esta
discrepancia puede ser atribuida a una de las siguientes razones:
 La frecuencia de operación es tal, que los elementos del circuito muestran un
comportamiento complejo, no representado por la definición pura, utilizada durante
el análisis y diseño.
 El diseño del circuito impreso incluye vías de acoplamiento, no consideradas en
el diseño.
 El tamaño de las dimensiones transversales de las líneas de transmisión con
respecto a la longitud de onda, no es despreciable. Por lo tanto, energía adicional
no deseada es almacenada.
 El empaque del dispositivo o circuito se convierte en una cavidad de
almacenamiento de energía, que absorbe algo de la energía que pasa a través de
él.
 La fuente de alimentación no está suficientemente desacoplada
 El grado de acoplamiento de impedancias entre las diversas partes del circuito
no es bueno, de tal manera que VSWR1 altos se generan en el circuito, provocando
ineficiencia en transferencia de energía y rizo en la repuesta a la frecuencia del
circuito.
1
VSWR (Relación o tasa de Ondas Estacionarias)
2
2.1 Propagación de ondas
La propagación de ondas se refiere a la propagación de ondas electromagnéticas
en el espacio libre. Aunque el espacio libre realmente implica en el vacío, con
frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el
espacio libre y se puede considerar siempre así. La principal diferencia es que la
atmósfera de la Tierra introduce perdidas de la señal que no se encuentran en el
vacío.
Las ondas electromagnéticas se propagan a través de cualquier material dieléctrico
incluyendo el aire pero no se propagan bien a través de conductores con pérdidas
como el agua de mar ya que los campos eléctricos hacen que fluyan corrientes en el
material disipando con rapidez la energía de las ondas.
Las ondas de radio se consideran ondas electromagnéticas como la luz y al igual
que ésta, viajan a través del espacio libre en línea recta con una velocidad de
300,000,000 (3𝑥108 ) metros por segundo. Otras formas de ondas electromagnéticas
son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.
Las ondas de radio se propagan por la atmósfera terrestre con energía transmitida
por la fuente, posteriormente la energía se recibe del lado de la antena receptora.
La radiación y la captura de esta energía son funciones de las antenas y de la
distancia entre ellas.
2.2 Pérdidas de la señal en el espacio libre
El espacio libre puede ser considerado como vacío y no se consideran pérdidas.
Cuando las ondas electromagnéticas se encuentran en el vacío, se llegan a
dispersar y se reduce la densidad de potencia a lo que es llamado atenuación. La
atenuación se presenta tanto en el espacio libre como en la atmósfera terrestre. La
atmósfera terrestre no se le considera vacío debido a que contiene partículas que
pueden absorber la energía electromagnética y a este tipo de reducción de potencia
se le llama pérdidas por absorción la cual no se presenta cuando las ondas viajan
afuera de la atmósfera terrestre.
2.3 Propagación terrestre de las ondas electromagnéticas
Las ondas terrestres son todas las ondas electromagnéticas que viajan dentro de la
atmósfera terrestre, así también, las comunicaciones entre dos o más puntos de la
3
Tierra son llamadas radiocomunicaciones. Las ondas terrestres se ven influidas por
la atmósfera y por la Tierra misma.
Las radiocomunicaciones terrestres se pueden propagar de distintas formas y estas
formas dependen de la clase de sistema y del ambiente, las ondas terrestres
tienden a viajar en línea recta, pero tanto la Tierra como la atmósfera pueden alterar
su trayectoria. Existen tres formas de propagación de ondas electromagnéticas
dentro de la atmósfera que corresponden a las ondas terrestres, ondas espaciales y
ondas celestes o ionosféricas. Mostradas en la figura 2.1 cuando las ondas viajan
directamente del transmisor al receptor se le llama transmisión de línea de vista
(LOS-Line of Sight por sus siglas en ingles).
Figura 2.1 Modos normales de propagación de ondas.
2.4 Propagación de ondas terrestres
Las ondas terrestres son las ondas que viajan por la superficie de la tierra, éstas
deben de estar polarizadas verticalmente debido a que el campo eléctrico en una
onda polarizada horizontalmente sería paralelo a la superficie de la tierra y se
pondría en corto por la conductividad del suelo.
En las ondas terrestres el campo eléctrico variable induce voltajes en la superficie
terrestre que hacen circular corrientes muy parecidas a las de una línea de
transmisión. La superficie terrestre también tiene pérdidas por resistencia y por
dieléctrico. Por consiguiente, las ondas terrestres se atenúan a medida que se
4
propagan haciéndolo mejor sobre una superficie buena conductora como el agua
salada y son mal propagadas en superficies como desiertos. La atmósfera terrestre
tiene un gradiente de densidad, es decir, la densidad disminuye en forma gradual
conforme aumenta la distancia a la superficie terrestre, esto hace que el frente de
onda se incline en forma progresiva hacia adelante. Así, la onda terrestre se
propaga en torno a la Tierra y queda cerca de su superficie pudiéndose propagar
más allá del horizonte o incluso por toda la circunferencia de la Tierra como se
muestra en la figura 2.2.
Figura 2.2 Propagación de ondas terrestres.
2.5 Propagación de ondas espaciales
Esta clase de propagación corresponde a la energía irradiada que viaja en los
kilómetros inferiores de la atmósfera terrestre. Las ondas espaciales son todas las
ondas directas y reflejadas en el suelo como se muestra en la figura 2.3.
Las ondas directas viajan esencialmente en línea recta de la antena transmisora a la
receptora. Esta transmisión se le llama transmisión de línea de vista. Esta
transmisión se encuentra limitada principalmente por la curvatura de la tierra. La
curvatura de la Tierra presenta un horizonte en la propagación de las ondas
espaciales, que se suele llamar el horizonte de radio.
5
Figura 2.3 Propagación de ondas espaciales.
Éste horizonte se encuentra más lejano que el horizonte óptico para la atmósfera
estándar común. Aproximadamente, el horizonte de radio se encuentra a cuatro
tercios del horizonte óptico mostrado en la figura 2.4.
Figura 2.4 Ondas espaciales y horizonte de radio.
Las ondas de radio reciben también el nombre de “corrientes de radiofrecuencia” y
se localizan en una pequeña porción del denominado “espectro radioeléctrico”
correspondiente
al
espectro
de
ondas
electromagnéticas.
Las
ondas
electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. El conjunto
de todas las frecuencias se denomina espectro.
2.6 Return Loss.
El return loss es un parámetro que no es más que los valores logarítmicos en dB del
coeficiente de reflexión y se define con la siguiente ecuación
6
R.L.  20 log10   
2.7 Relación de voltajes de ondas estacionarias (VSWR).
La combinación de voltajes de la onda reflejada debido a des-acoplamiento de
impedancias y la onda incidente produce una onda estacionaria en el circuito, la
relación de esta onda estacionaria se le llama VSWR y se define por la siguiente
ecuación
VSWR 
(1   )
(1   )
2.8 Pérdida por des-acoplamiento.
Esta pérdida está definida como la pérdida de señal debida al des-acoplamiento de
impedancias y se define por la siguiente ecuación:
P.D.   log10 (1   )
2
Las ondas se clasifican por bandas. Las denominaciones de las bandas de
frecuencia se pueden realizar por décadas, como por ejemplo MF, HF, VHF, UHF.
La radiofrecuencia se puede dividir en las siguientes bandas del espectro:
Figura 2.5 Bandas del Espectro
7
Figura 2.6 Rangos de frecuencias
8
CAPITULO 3. Antenas
Una antena está definida por el diccionario de Webster (http://www.merriamwebster.com/) como “un dispositivo generalmente metálico (como una varilla o
cable) para irradiar o recibir ondas de radio. Las definiciones de términos estándar
IEEE para antenas (IEEE Std 145-1983), define la antena o aéreas como “un medio
para irradiar o recibir ondas de radio”. En otras palabras la antena es la estructura
de transición entre el espacio libre y un dispositivo guiado como se muestra en la
Figura 3.1.
El dispositivo guiado o la línea de transmisión pueden tomar la forma de una línea
coaxial o un tubo hueco (guía de onda) y se usa para transportar energía
electromagnética de la fuente de transmisión a la antena, o de la antena al receptor.
Figura 3.1
Antena como un dispositivo de transición.
3.1 Antecedentes
Los primeros sistemas de comunicación eléctricos fueron la telegrafía introducida en
1844, seguida por la telefonía en el año 1878. En estos sistemas, las señales se
9
enviaban a través de líneas de transmisión de dos hilos conductores, que
conectaban el emisor con el receptor. La teoría de las antenas surge a partir de los
desarrollos matemáticos de James C. Maxwell en 1854, corroborados por los
experimentos de Heinrich R. Hertz, en 1887 y los primeros sistemas de
radiocomunicaciones de Guglielmo Marconi en 1897.
La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901 desde Cornualles a
Terranova, en 1907 ya existían servicios comerciales de comunicaciones.
Desde la invención de Marconi hasta los años 40, la tecnología de las antenas se
centró en elementos radiantes de hilo a frecuencias hasta UHF (Ultra High
Frequency por sus siglas en ingles). Inicialmente se utilizaban frecuencias de
transmisión entre 50 y 100 kHz por lo que las antenas eran pequeñas comparadas
con la longitud de onda.
A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos elementos radiantes
(como guiaondas, bocinas, reflectores, etc). Una contribución muy importante fue el
desarrollo de los generadores de microondas (como el magnetrón y el klystron) a
frecuencias superiores a 1 GHz.
En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y tecnología de
computadores tuvieron un gran impacto en el desarrollo de la moderna teoría de
antenas. Los métodos numéricos se desarrollaron a partir de 1960 y permitieron el
análisis de estructuras inabordables por métodos analíticos. Se desarrollaron
métodos asintóticos de baja frecuencia (método de los momentos, diferencias
finitas) y de alta frecuencia (teoría geométrica de la difracción GTD, teoría física de
la difracción PTD).
En el pasado las antenas eran una parte secundaria en el diseño de un sistema, en
la actualidad juegan un papel crítico. Asimismo en la primera mitad del siglo XX se
utilizaban métodos de prueba y error, mientras que en la actualidad se consigue
pasar del diseño teórico al prototipo final sin necesidad de pruebas intermedias.
3.2 Tipos de antenas
3.2.1 Antenas de Hilo o Alambre
Las antenas de alambre son las familiares ya que se ven por doquier, en
automóviles, edificios, barcos, etc. Hay varias formas de antenas de este tipo, tales
10
como las de alambre recto (dipolo), lazo y la hélice como se muestran en la Figura
3.2. Las antenas de lazo no necesitan ser solo circulares, pueden tomar la forma
también de un rectángulo, cuadrado, elipse o cualquier otra configuración. La forma
circular es la más común ya que su construcción es muy simple.
Figura 3.2 Configuraciones de antenas de alambre
3.2.2 Antenas de Apertura
Las antenas de apertura pueden resultar más familiares para la gente hoy en día a
comparación del pasado, debido a la creciente demanda de formas más sofisticadas
y la utilización de frecuencias más altas. Algunas formas de estas se muestran en la
figura 3.3. Antenas de este tipo son muy útiles en las aplicaciones de aeronaves y
naves espaciales porque pueden ser empotradas muy convenientemente en la
carcasa de la aeronave o nave espacial. Además se pueden cubrir con un material
dieléctrico para protegerlos de las condiciones peligrosas del medio ambiente.
3.2.3 Antenas Microcinta
Las antenas microcinta se hicieron muy populares en la década de 1970
principalmente para aplicaciones espaciales. Hoy en día se utilizan para el gobierno
y las aplicaciones comerciales. Estas antenas consisten en un parche metálico
sobre un sustrato de tierra. El parche metálico puede tomar muchas configuraciones
diferentes, como se muestra en la Figura 3.4.
11
Figura 3.3 Configuraciones de Antenas de apertura
Sin embargo, los parches rectangulares y circulares, son los más populares debido
a la facilidad de análisis y fabricación y sus atractivas características de radiación.
Las antenas microcinta son de bajo perfil, conforme a superficies planas y no
planas, simples y poco costosas de fabricar con la tecnología moderna de circuito
impreso, compatibles con diseños MMICs, o “Monolithic Microwave Integrated
Circuits” por sus siglas en ingles, muy versátiles en términos de frecuencia de
resonancia, polarización, patrón e impedancia. Estas antenas se pueden montar en
la superficie de las aeronaves de alto rendimiento, naves espaciales, satélites,
misiles, automóviles e incluso en teléfonos móviles.
3.2.4 Antenas de Arreglos o “Array”
Muchas aplicaciones requieren características de radiación que pueden no ser
alcanzables por un solo elemento. Sin embargo, puede ser posible que un agregado
de elementos radiantes en un arreglo eléctrico y geométrico (una matriz) dé lugar a
las características de radiación deseada. La disposición de la matriz puede ser tal
que la radiación de los elementos se suma para dar un máximo de radiación en una
determinada dirección o direcciones, mínimas en otros o de otra manera como se
12
desee. Usualmente el término “array” es reservado para un arreglo en donde los
radiadores individuales están separados como se muestra en las figuras 3.5 (a-c).
Sin embargo, el mismo término se utiliza también para describir un conjunto de
radiadores montados en una estructura continua, como se muestra en la Figura 3.5
(d).
Figura 3.4 Antenas microcinta o de parche rectangulares y circulares.
3.2.5 Antenas Reflectoras
El éxito en la exploración del espacio exterior se ha traducido en el avance de la
teoría de la antena. Debido a la necesidad de comunicarse a grandes distancias, se
tuvieron que utilizar formas sofisticadas de antenas con el fin de transmitir y recibir
señales que tenían que viajar millones de kilómetros. Una forma de antena muy
común para tal aplicación es una antena reflectora parabólica como se muestra en
las figuras 3.6 (a) y (b). Antenas de este tipo han sido construidas con diámetros tan
grandes como 305 m. Estas grandes dimensiones son necesarias para poder
alcanzar la elevada ganancia requerida para transmitir o recibir señales después de
millones de millas de viaje. Otra forma de reflector, aunque no tan común como la
parabólica, es el reflector de esquina, que se muestra en la Figura 3.6 (c).
13
Figura 3.5 Configuraciones de arreglo de antenas de alambre o hilo típico, de
apertura y microcinta.
Figura 3.6 Configuraciones típicas de reflectores
14
3.2.6 Antenas de Lentes
Las lentes se utilizan principalmente para emparejar la energía divergente incidente
para evitar que se propague en direcciones no deseadas. Al darle forma
correctamente la configuración geométrica y elegir el material adecuado de las
lentes, pueden transformar sus diversas formas energía divergente en ondas
planas. Pueden ser utilizadas en la mayoría de las mismas aplicaciones que los
reflectores parabólicos, especialmente en frecuencias más altas. Sus dimensiones y
peso agrandan exageradamente a frecuencias más bajas. Estas antenas de lentes
se clasifican según el material del que están construidos o de acuerdo a su forma
geométrica. Algunas formas se muestran en la Figura 3.7.
En resumen, una antena ideal es aquella que se irradian a todo el poder entregado
a esta desde el transmisor en una dirección o direcciones deseadas. En la práctica
sin embargo, tales desempeños ideales no se puede lograr pero puede se pueden
acercar. Varios tipos de antenas están disponibles y cada tipo puede adoptar
diferentes formas con el fin de lograr las características de radiación que desee para
la aplicación en particular.
Figura 3.7 Configuraciones típicas de antenas de lentes
3.3 Parámetros Fundamentales de las Antenas
Para describir el comportamiento de una antena, es necesario definir varios
parámetros. Algunos de los parámetros están relacionados entre sí y no todos
15
necesitan ser especificados para una descripción completa del comportamiento de
la antena.
3.3.1 Patrón de radiación
Un patrón de radiación de la antena o la antena patrón se define como "una función
matemática o una representación gráfica de las propiedades de radiación de la
antena como una función en el espacio dado por coordenadas”. Cada antena tiene
su propia forma de irradiar una señal, hay antenas que irradian más en una
dirección que en otra, hay otras que tienden a irradiar casi por igual en todas las
direcciones y hay antenas que irradian solo en ciertas direcciones.
La forma característica que tiene una antena de emitir la señal es lo que se conoce
como su patrón de irradiación. En un patrón de irradiación hay direcciones en las
que se emite mucha energía, y direcciones en donde no se emite energía del todo.
Estos vienen a formar las llamadas direcciones "sordas" de las antenas, en donde
prácticamente no se reciben señales. En términos
generales, el patrón de
irradiación de una antena es también su patrón de recepción. Cuando una antena
emite actúa como un lente concentrando la señal en ciertas direcciones. Cuando
una antena recibe actúa como un embudo concentrando la señal de solo ciertas
direcciones, una muestra de un patrón de radiación se puede ver en la figura 3.8.
Figura 3.8 Patrón de radiación
3.3.2 Densidad de potencia radiada
Las ondas electromagnéticas se utilizan para transportar información a través de un
medio inalámbrico o una estructura de guía, de un punto a otro. Es entonces natural
suponer que la potencia y la energía estén asociadas con los campos
16
electromagnéticos. La densidad de potencia radiada se define como la potencia por
unidad de superficie en una determinada dirección. Las unidades son vatios por
metro cuadrado. Se puede calcular a partir de los valores eficaces de los campos
como
𝑷 𝜽, 𝝓 = 𝑹𝒆(𝑬 × 𝑯)
La relación entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del campo magnético es
la impedancia característica del medio
𝑬
𝑯
=𝜼
Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede calcular a partir de
las dos componentes del campo eléctrico.
𝑷 𝜽, 𝝓 =
𝑬𝟐𝜽 + 𝑬𝟐𝜽
𝜼
3.3.3 Directividad
Básicamente, el término de directividad en la versión de 1983 se ha utilizado para
sustituir el término ganancia directiva de la versión 1973. Según los autores de las
normas de 1983 "este cambio trae esta norma de acuerdo con el uso común entre
los ingenieros de antenas y con otras normas internacionales, especialmente con la
IEC” (International Electrotechnical Commission, por sus siglas en ingles). Por lo
tanto la directividad de una antena se define como " la relación entre la intensidad
de la radiación en una dirección dada desde la antena a la intensidad de la radiación
media en todas las direcciones”
La intensidad radiación promedio es igual al total de potencia radiada por la antena
dividida por 4π. Si la dirección no se especifica, la dirección de máxima intensidad
de la radiación está implicada. "Dicho de manera más sencilla, la directividad de una
fuente no isotrópica es igual al radio de su intensidad de radiación en una dirección
dada respecto a la de una fuente isotrópica. En forma matemática, se puede escribir
de tal forma
𝑫=
𝑼
𝟒𝝅𝑼
=
𝑼𝟎 𝑷𝒓𝒂𝒅
Si la dirección no se especifica, implica que la dirección de la intensidad de
radiación máxima (directividad máxima), expresada como:
17
𝑫𝒎𝒂𝒙 = 𝑫𝟎 =
𝑼|𝒎𝒂𝒙 𝑼𝒎𝒂𝒙 𝟒𝝅𝑼𝒎𝒂𝒙
=
=
𝑼𝟎
𝑼𝟎
𝑷𝒓𝒂𝒅
Donde:
D = directividad
D0 = máxima directividad
U = intensidad de radiación
Umax =intensidad máxima de radiación
U0 = intensidad de radiación de fuente isotrópica
Prad = potencia total radiada
3.3.4 Ancho de Haz
Está asociado con el patrón de una antena, el ancho del haz de un patrón se define
como la separación angular entre dos puntos idénticos en el lado opuesto del patrón
máximo. En un patrón de antena hay un cierto número de anchos de haz, el ancho
del haz de una antena es un punto muy importante de una antena, a medida que
disminuye el ancho de haz, los lóbulos laterales aumentan y viceversa. En la Figura
3.9 podemos ver el ancho de haz de un lóbulo.
Figura 3.9 Ancho de haz de un lóbulo
3.3.5 Ganancia
Otra medida útil que describe el funcionamiento de una antena es la ganancia.
Aunque la ganancia de la antena está estrechamente relacionada con la
directividad, es una medida que tiene en cuenta la eficiencia de la antena, así como
sus capacidades de dirección. La ganancia de una antena es una medida de su
tendencia a concentrar la señal en una dirección específica. Una antena con alta
18
ganancia es altamente direccional, mientras que una antena con baja ganancia es
omnidireccional. La unidad para medir la ganancia es el decibel (dB). 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.
La intensidad de la radiación correspondiente a la potencia radiada es igual a la
potencia aceptada (de entrada) por la antena dividida por 4π. En forma de ecuación
puede ser expresada como:
𝑮𝒂𝒏𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 = 𝟒𝝅
𝒊𝒏𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏
𝑼(𝜽, 𝝓)
= 𝟒𝝅
𝒑𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂
𝑷𝒊𝒏
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la ganancia se refiere
a la dirección de máxima radiación.
𝑮=
𝟒𝝅𝑼(𝜽, 𝝓)
𝑷𝒊𝒏 (𝒇𝒖𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒊𝒔𝒐𝒕𝒓𝒐𝒑𝒊𝒄𝒂 𝒔𝒊𝒏 𝒑𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒂𝒔)
En la definición de directividad se habla de potencia radiada por la antena, mientras
que en la definición de ganancia se habla de potencia entregada a la antena. La
diferencia entre ambas potencias es la potencia disipada por la antena, debida a
pérdidas óhmicas. La eficiencia se puede definir como la relación entre la potencia
radiada por una antena y la potencia entregada a la misma. La eficiencia es un
número comprendido entre 0 y 1.
La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia
𝑮 𝜽, 𝝓 = 𝑫(𝜽, 𝝓)𝜼
Si una antena no tiene pérdidas óhmicas, la directividad y la ganancia son iguales.
19
3.3.6 Polarización
La polarización de una antena en una dirección dada se define como "la
polarización
de
la
onda
transmitida
(radiada)
por
la
antena”.
Nota: Cuando la dirección no está establecida, la polarización se toma como la
polarización en la dirección de máxima ganancia.
En la práctica, la polarización de la energía radiada varía con la dirección del centro
de la antena, por lo que las diferentes partes del patrón pueden tener diferentes
polarizaciones. Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina linealmente
polarizada, si es un círculo circularmente polarizado. El sentido de giro del campo
eléctrico, para una onda que se aleja del observador, determina si la onda está
polarizada circularmente a derechas o a izquierda. Si el sentido de giro coincide con
las agujas del reloj, la polarización es circular a derechas y si el sentido de giro es
contrario a las agujas del reloj, la polarización es circular a izquierdas. Lo mismo
aplica para las ondas con polarización elíptica.
Las expresiones siguientes representan campos con polarización lineal
𝑬 = 𝒙𝒆𝒋
𝒘𝒕−𝒌𝒛
𝑬 = 𝒙 + 𝟎. 𝟓𝒚 𝒆𝒋
𝒘𝒕−𝒌𝒛
Las expresiones siguientes representan campos con polarización circular, la primera
a izquierdas y la segunda a derechas
𝑬 = 𝒙 + 𝒋𝒚 𝒆𝒋
𝒘𝒕−𝒌𝒛
𝑬 = 𝒙 − 𝒋𝒚 𝒆𝒋
𝒘𝒕−𝒌𝒛
3.3.7 Impedancia
La impedancia de una antena es una especie de resistencia que posee toda antena
y de hecho todo sistema eléctrico, se deriva del efecto combinado de resistencia de
los elementos, reactancias capacitivas y reactancias inductivas. La impedancia
20
afecta la transferencia de energía entre las diferentes partes de un sistema de radio.
En cuanto a impedancia, la regla general es que para lograr una máxima
transferencia de energía a la antena, la impedancia de la antena debe ser igual a la
impedancia de la línea de transmisión, la cual debe ser igual a la impedancia del
equipo de radio. La impedancia de una antena se define como la relación entre la
tensión y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general
compleja. La parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria,
reactancia de antena.
La impedancia de nuestro equipo de radio y de la línea de transmisión coaxial es
constante, y son por lo general 50 ohm. Por lo tanto para lograr una transferencia
adecuada de energía debemos tener en nuestra antena una impedancia de 50 ohm.
La relación entre la tensión de corriente en estos terminales sin carga conectada,
define la impedancia de la antena como:
𝒁𝒊 =
𝑽𝒊
= 𝑹𝒂 + 𝒋𝑿𝒂
𝑰𝒊
Donde:
𝒁𝒊 = Impedancia de la antena en terminales a –b (ohms)
𝑹𝒂 = Resistencia de la antena en terminales a –b (ohms)
𝑿𝒂 = Reactancia de la antena en terminales a –b (ohms)
En general consiste de 2 componentes que serian:
𝑹 𝑨 = 𝑹𝒓 + 𝑹𝑳
Donde:
𝑹𝒓 = Resistencia de radiación de la Antena
𝑹𝑳 = Perdida de resistencia de la antena
3.3.8 Eficiencia de la Antena
La eficiencia de antena es la relación de la potencia radiada por una antena a la
suma de la potencia radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia
21
radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia radiada por la antena con
la potencia total de entrada. La eficiencia de una antena se puede obtener a partir
de las resistencias de radiación y óhmicas, teniendo en cuenta que es la relación
entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena.
𝜼=
𝑾𝒕
𝑾𝒕
𝑰𝟐 𝑹𝒓
𝑹𝒓
=
= 𝟐
=
𝑾𝒆 𝑾𝒕 + 𝑾𝛀 𝑰 (𝑹𝒓 + 𝑹𝛀 ) 𝑹𝒓 + 𝑹𝛀
3.3.9 Área y longitud efectivas
El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y la densidad
de potencia incidente en una antena. La antena debe estar adaptada a la carga, de
forma que la potencia transferida sea la máxima. La onda recibida debe estar
adaptada en polarización a la antena. La longitud efectiva de una antena
linealmente polarizada se define como la relación entre la tensión inducida en una
antena en circuito abierto y el campo incidente en la misma.
3.4 Analizador de redes
Equipo que se utiliza para analizar varios parámetros de un circuito (red)
electrónico. Al circuito el instrumento lo ve como una red de dos puertos y puede
proporcionar características de su ganancia, impedancia de entrada, impedancia de
salida y ganancia inversa. Tiene capacidad de presentar la respuesta de amplitud,
fase y frecuencia de un circuito con un rango de frecuencias desde 30 Khz Hasta
100 GHz. Tiene capacidad de presentar la respuesta de la frecuencia del circuito,
con parámetros tales como amplitud, fase, carta de Smith, en forma polar,
cartesiana y esférica.
Características de un analizador de redes.

Mide señales conocidas.

Mide componentes, dispositivos, circuitos y sub-ensambles.

Contiene fuente y receptor

Muestra promedios de fase y amplitud. (barridos de potencia y frecuencia)

Ofrece corrección avanzada de errores.

Mide los parámetros S
22
Amplitud
Frecuencia
Figura 3.10 Analizador de redes y una medición típica.
3.5 Medición de parámetros S.
El analizador de redes puede medir los parámetros S directamente y se relacionan a
las siguientes mediciones:
S11 = Coeficiente de reflexión de entrada (input match)
S22 = Coeficiente de reflexión de salida (output match)
S21 = Coeficiente de transmisión (gain or loss)
S12 = Coeficiente de transmisión de reversa (isolation)
3.6 Analizador de espectros
Sirve para observar el nivel de potencia y la frecuencia de una porción del espectro
electromagnético. Este instrumento tiene un rango desde decenas de Khz. Hasta
decenas de GHz. Generalmente mide señales no conocidas y tiene solo entradas.
Características de un analizador de espectros:
 Mide señales no conocidas.
 Mide las características de la amplitud de una señal; nivel de portadora, bandas
laterales, armónicas……
 Puede remodular y medir señales complejas.
 Solo es un receptor de señal (canal sencillo)
23
 Puede ser usado para prueba de componentes de forma escalar, no fase, con un
generador externo
a1
S
b1
S
S
11
21
=
=
Z0
S
Incidente
Z0
11
Transmitida
Incidente
a2 = 0
b1
= a
1
b
=
a
Carga
DUT
Reflejada
Reflejada
Incidente
2
1
a2 = 0
S
a2 = 0
S
22
12
=
=
Reflejada
Incidente
Transmitida
Incidente
a1 = 0
S
DUT
Load
b1
b2
Transmitida
21
Transmitida
S
b
=
a
1
2
a1 = 0
a1 = 0
b2
22
Reflejada
Incidente
12
b2
= a
2
Reversa
a2
Figura 3.11 Parámetros S
Amplitud
Frecuencia
Figura 3.12 Analizador de espectros y medición típica
24
Dominio del tiempo y de la frecuencia.
Amplitud
frecuencia
Tiempo
Mediciones en el dominio
del tiempo
Mediciones en el dominio de la
frecuencia.
Figura 3.13 Dominio del tiempo y la frecuencia.
25
CAPITULO 4. Fundamentos teóricos de Antenas Microcinta
Las antenas microcinta o planas son solo eso, configuradas en un formato tipo
parche y físicamente en la forma de un cuadrado o rectángulo. Estas son bastante
direccionales ya que tienen la mayoría de su potencia radiada en una dirección
tanto en el plano horizontal como en el vertical. Podemos ver el patrón de elevación
como se muestra en la figura 4.1 (a) y el patrón de azimut en la figura 4.1(b), en
torno a la directividad de la antena panel. Las antenas de panel se pueden hacer
para tener cantidades variables de ganancia basándose en su construcción, esto
puede proporcionar excelente drectividad y una ganancia considerable.
Estas antenas de bajo contorno, conformadas de superficies que pueden ser o no
planas, simples y de fabricación barata; usan modernas tecnologías de impresión de
circuitos, mecánicamente robustas cuando se montan en superficies rígidas,
compatibles con diseños de circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC’s
por sus siglas en ingles) y donde la forma particular y el modo son seleccionados de
forma versátil en términos de la frecuencia de resonancia, la polarización, el patrón
de radiación y la impedancia. Adicionalmente, puede agregarse cargas entre las
figuras y los planos de tierra, así como conectores y diodos varactor, elementos
adaptativos con variable: frecuencia de resonancia, impedancia, polarización y
patrón pueden ser diseñados.
4.1 Origen
La tecnología microcinta en la cual están basadas las antenas tipo parche es el
resultado de una evolución que desde sus inicios estuvo regida bajo el principio de
realizar diseños de dimensiones reducidas tanto en antenas como en líneas de
transmisión que pudieran ser fácilmente acoplados a cualquier dispositivo.
Los antecedentes de los circuitos microcinta se remontan a los años 50 donde los
primeros circuitos impresos para microondas aparecieron con el nombre de
“striplines”. Una “stripline” está constituida por una tira delgada conductora en un
dieléctrico, el cual posee dos capas metalizadas en el exterior (en la parte superior e
inferior del dieléctrico).
26
Figura 4.1 (a) Patrón de
elevación de alta ganancia.
Figura 4.1 (b) Patrón de
Azimut de alta ganancia.
Tanto la placa superior de la estructura como la inferior tienen el mismo potencial
(tierra). Por su arreglo balanceado las “striplines” confinan la mayor parte de los
campos (de forma TEM) dentro del dieléctrico. A partir de las “striplines” se empezó
a utilizar una nueva forma de circuitería de microondas y sus principales
aplicaciones son para realizar acopladores de líneas paralelos de alta directividad
debido a su naturaleza de acoplamiento intrínseca.
Las líneas de microcinta aparecieron publicadas por primera vez en 1952, muy
cerca de la aparición de las “striplines” (1951). La diferencia en el nuevo modelo
(microcinta) fue que se retiro la parte superior del substrato dejando la línea
conductora en el exterior. A pesar de la cercanía de las fechas, la tecnología
microcinta tardo más en ganar auge ya que estas estructuras al ser muy abiertas
tienen amplias pérdidas por radiación y en particular cuando son utilizadas en
substratos de baja permitividad como los que se tenían en aquellos días. Conforme
la tecnología fue avanzando y se fueron creando substratos de menores perdidas, el
uso de las líneas de microcinta fue aumentando ampliamente.
El futuro de las líneas de microondas son los llamados “MMICs” (Monolithic
Microwave Integrated Circuits por sus siglas en ingles) que consisten en la
27
deposición de circuitos planos directamente encima de un substrato semiconductor
con la intención de llevar a cabo circuitos completamente integrados.
4.2 Tipos de parche
A menudo las antenas de microcinta son también conocidas como antenas patch o
parche. Los elementos de radiación y las líneas de alimentación son usualmente
fotograbados en el elemento substrato dieléctrico. El parche de radiación puede ser
cuadrado, rectangular, una cinta delgada o dipolo, circular, elíptica, triangular o
cualquier otra configuración. Algunas de estas se muestran en la Figura 4.2. En la
actualidad también es frecuente ver antenas microcinta diseñadas con formas
fractales como las presentadas en la Figura 4.3. En la Figura 4.4 se muestra
algunas antenas microcinta reales.
Cuadrados, rectángulos, dipolos y círculos son los más comunes porque son más
fáciles de fabricar y analizar, y además presentan atractivas características de
radiación, especialmente bajo radiación de polarización cruzada. Los dipolos
microcinta son atractivos porque estos inherentemente poseen un largo ancho de
banda y ocupan menos espacio, siendo por esto, más atractivos para arreglos. Las
polarizaciones lineal y circular se pueden lograr ya sea con elementos únicos o
arreglos de antenas microcinta. Los arreglos de elementos de microcinta, con una o
múltiples alimentaciones, pueden también ser usadas para introducir capacidades
de análisis y lograr buena directividad.
Figura 4.2. Representación de figuras de elementos parche de una microcinta
28
Figura 4.3. Antena microcinta con forma fractal
Figura 4.4. Antenas microcinta reales.
4.3 Modelo de línea de transmisión
La figura 4.5 muestra diferentes líneas de transmisión con circuito impreso que son
usadas para circuitos de microondas, cada tipo tiene sus ventajas con respecto a
los otros. En la figura 4.5 se debe notar que los materiales de la tablilla se muestran
en color claro y los materiales conductores se muestran como partes negras. La
línea de microcinta en la geometría de una línea de transmisión es un solo
conductor en un lado y un plano de tierra en el otro separados por un aislante,
normalmente una tablilla de circuito impreso.
Las líneas de transmisión de las microcinta consisten en una línea conductora de
ancho “W” y grueso “t” y un plano a tierra más amplio, separado por una capa
dieléctrica (conocido como el sustrato) de espesor “H” como se muestra en la figura
4.6.
29
Figura 4.5 Estructuras de guías de onda planas.
Figura 4.6 Líneas de transmisión de una antena microcinta
En la parte inferior del substrato dieléctrico se tiene un plano referenciado a tierra.
En la figura 4.7 se ilustra la estructura de una antena microcinta.
Los rangos de medidas y características de los parámetros mencionados son los
siguientes:
El valor de t tiene que ser muy delgado: t << λ0 (λ0 es la longitud de onda de la
señal en el espacio libre).
30
El valor de L puede variar dependiendo de la forma utilizada. Para un parche tipo
rectangular se tienen los siguientes rangos: λ0/3 < L < λ0/2.
Al ancho del substrato debe de ser grueso y por lo general se puede considerar:
h << λ0.
Figura 4.7 Estructura de una antena microcinta.
La permitividad eléctrica del substrato dieléctrico por lo general se encuentra dentro
de los rangos: 2.2 ≤εr ≤12. Como ya se sabe, se debe de buscar la menor
permitividad posible para lograr una mejor eficiencia en la antena. Dependiendo de
los requerimientos específicos para los cuales se construya una antena de
microcinta de un solo elemento, se puede recurrir a varios tipos de configuraciones,
los mas típicos son: dipolo (tanto en su forma de media onda como de onda
completa), cuadrada, rectangular, pentagonal, triangular, circular, disco con ranura,
sector de disco, anillo, semi-disco, anillo elíptico, espiral.
Otro tipo particular de antena tipo parche que ha surgido en años recientes es la
llamada “antena f invertida plana” (PIFA, Plannar Inverted F Antenna) muy utilizada
para unidades móviles, la cual es básicamente la mitad de una antena tipo parche
cuadrada. Las configuraciones mencionadas anteriormente se refieren a antenas de
un solo elemento, sin embargo, si la aplicación lo requiere y para obtener mejoras
en las deficiencias propias de las antenas tipo parche se pueden utilizar arreglos de
antenas con el fin de lograr las características deseadas.
El patrón de radiación de una antena de parche es omnidireccional aunque la
potencia radiada es emitida solamente hacia la parte superior de la antena en su
31
forma ideal debido a que se considera un plano de tierra infinito, el cual bloquea
radiación hacia la parte inferior de la antena. En la realidad puede existir una
radiación hacia la parte inferior de la antena debido a que el plano de tierra es de
dimensiones finitas, sin embargo los lóbulos posteriores son de pequeñas
dimensiones en comparación con el lóbulo principal por lo que pueden despreciarse.
En la figura 4.8 se muestran los patrones de radiación característicos para una
antena de parche.
Figura 4.8 Patrón de radiación de una antena de parche.
a) Campo eléctrico (E)
y
b) Campo magnético (H).
La cinta (parche) y el plano a tierra son separados por una lámina de material
dieléctrico (referido como un substrato), como se puede ver en la figura 4.9
Figura 4.9 Antena microcinta y sistema de coordenadas
32
El modelo de línea de transmisión entonces supone una permitividad eléctrica
efectiva, εref, combinando ambas permitividades eléctricas (aire y substrato) y
asume que la antena se encuentra inmersa dentro de un solo medio homogéneo
con dicha permitividad constante en toda su superficie. La permitividad eléctrica es
una cantidad que se calcula para que se tenga exactamente las mismas
características eléctricas (principalmente constante de propagación) que se tienen
para una línea de microcinta original. A partir de considerar un solo medio con
permitividad constante se procede a calcular el valor de la longitud efectiva de la
antena a diseñar.
El diseño mediante el método de línea de transmisión se resume en los siguientes
pasos:
1. Se especifica la frecuencia de operación y el substrato a utilizar para la
construcción de la antena con lo cual se asignan los valores de:
𝑓𝑟 (Frecuencia de operación).
𝜀𝑟 (Permitividad eléctrica del substrato).
h (altura del substrato).
2. Se obtiene el ancho efectivo de la antena de parche rectangular mediante la
fórmula:
C
W
2f
 r  1
2
Donde: C es la velocidad de la luz en el espacio libre.
3. Se obtiene la permitividad eléctrica efectiva mediante la ecuación:
 re 
 r 1  r 1 
2

2
h
1

 W 
1
2
33
4. Se obtiene la extensión ΔL mediante la siguiente ecuación que derivará en la
obtención de la longitud real de la antena considerando la longitud efectiva:
 re  .03 W

 0.264 
h

L  0.412h
 re  .258 W  0.8 
h

5. Se obtiene la longitud real de la antena de parche rectangular considerando la
longitud efectiva de ésta y el valor de ΔL con:
L
C
2 f r  re
 2L
El modelo de línea de transmisión produce una aproximación muy aceptable para
diseñar un antena, sin embargo presenta un defecto al generar un ancho de la
antena W mayor a la longitud L de la antena con fines de lograr una mayor
radiación, sin embargo la eficiencia en el tamaño disminuye al excitar la parte
menos larga de la antena cuando se podrían lograr tamaños más reducidos.
4.4 Métodos de alimentación
Un aspecto muy importante cuando se diseña una antena consiste es el esquema
de alimentación que tendrá ésta, puesto que sin una estructura eficiente de
alimentación las antenas microcinta no funcionarán correctamente sin importar la
precisión llevada a cabo para diseñar el elemento radiante. Existen diferentes
métodos para alimentar una antena microcinta de forma que radie lo más
eficientemente posible en las frecuencias deseadas mediante un correcto
acoplamiento de impedancias. A pesar de existir muchos métodos para alimentar
una antena, éstos se pueden condensar en 3 categorías principales: alimentación
directa, alimentación por proximidad y alimentación por apertura. A continuación se
describen estos métodos:
34
4.4.1 Alimentación directa
Como su nombre lo indica, estos métodos de alimentación requieren de un contacto
directo entre la estructura de alimentación y la antena radiante. Los dos principales
métodos de alimentación en esta categoría son dos: alimentación por microcinta y
alimentación por conector coaxial. La desventaja de estos métodos es que no se
puede optimizar por separa do el esquema de alimentación y la antena puesto que
se trabaja en un mismo substrato así que debe hacerse un compromiso entre las
características esperadas de radiación y las características esperadas de la
alimentación.
4.4.1.1 Alimentación por microcinta: Este método consiste en alimentar al
radiador al conectarle directamente una línea microcinta (diseñada para tener la
impedancia característica deseada). Este método es el más sencillo de realizar, sin
embargo el que peor eficiencia presenta en relación al ancho de banda y
acoplamiento. Existen dos formas principales de alimentar una antena por medio de
microcinta: conectando la línea microcinta directamente en un borde de la antena y
alimentando la línea microcinta por medio de inserciones en la antena. En el caso
de la conexión directa al borde de la antena, la variación en la posición de la línea
microcinta en relación con el parche generará un mayor o mejor acoplamiento de
impedancia. En el caso de la alimentación con microcinta por medio de inserciones,
la profundidad de la inserción es la que dicta el acoplamiento de la impedancia. En
la figura 4.10 se muestran estos dos tipos de alimentación.
Figura 4.10 Alimentaciones por microcinta
a) Conexión directa de la línea microcinta a la antena y b) conexión de línea microcinta
con inserciones.
35
4.4.1.2 Alimentación directa con sonda coaxial: Este método consiste en
hacer que el conector del cable coaxial alimente directamente al radiador, mientras
que la parte negativa de éste se conecte a la tierra de la antena microcinta. La
impedancia depende de la posición de la sonda en relación con el radiador de tal
forma que colocándola correctamente generará un mejor acoplamiento. Es uno de
los métodos más comunes de alimentación de antenas microcinta sin embargo
presenta un grado de complejidad puesto que la terminal conductora del cable
coaxial debe perforar el substrato y estar soldado a la antena para su correcto
funcionamiento, en la figura 4.11 se muestra éste método de alimentación.
Figura 4.11 Alimentación por sonda de cable coaxial.
4.4.2 Alimentación por proximidad
En este método la alimentación no tiene contacto directo con el radiador si no que el
acoplamiento es electromagnético. En éste método se tiene al radiador sobre un
substrato dieléctrico y en la parte inferior de ésta estructura se tiene una línea de
alimentación sobre de otro substrato dieléctrico con un plano tierra. Éste método
tiene la ventaja que el radiador así como la estructura de alimentación pueden
optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas de substratos dieléctricos:
un substrato dieléctrico para obtener las mejores características del radiador
(substratos más anchos con permitividades eléctricas bajas) y de la alimentación
(substratos delgados y con permitividades eléctricas altas). En la figura 4.12 se
muestra la estructura general de éste método.
36
Figura 4.12 Alimentación por el método de proximidad.
4.4.3 Alimentación por apertura
El método por apertura presenta similitud con el de proximidad debido a que
también utiliza dos substratos dieléctricos, uno para el radiador y otro para la
alimentación de éste. La estructura de éste método es la siguiente: se tiene un
radiador sobre un substrato dieléctrico y sobre un plano de tierra compartido
seguido de otro substrato dieléctrico (de la alimentación) y finalmente una línea de
alimentación en la parte inferior de toda la estructura. El plano de tierra tiene una
apertura cuyas dimensiones y posición influyen en la impedancia y por ende en el
acoplamiento de la antena. Una ventaja con respecto a la alimentación por
proximidad es que en la alimentación por apertura, al estar la línea de alimentación
en la parte inferior y separada de la antena por el plano de tierra, la radiación de
esta es mínima en la dirección de radiación de la antena con lo que se evita que
haya interferencias y polarizaciones cruzada. La figura 4.13 muestra la estructura de
dicho método de alimentación.
Figura 4.13 Alimentación por apertura.
37
4.5 Ventajas y Desventajas de las Antenas Microcinta
La principal ventaja de las antenas microcinta es que todos los componentes activos
pueden ser montados en la parte superior de la placa, las mayores desventajas
operacionales de las antenas de microcinta son la baja frecuencia, la baja potencia
y un alto Q (algunas veces excede de 100), pobre pureza de polarización, pobre
desempeño del análisis, radiación de espurios en la alimentación y un angosto
ancho de banda de frecuencia, el cual generalmente es únicamente una fracción de
un tanto por ciento o en la mayoría de unos pocos tantos por ciento. En algunas
aplicaciones tales como en los sistemas de seguridad gubernamentales, la mayoría
de anchos de banda son deseables. Sin embargo, existen métodos, que pueden
incrementar la altura del sustrato, y pueden ser usados para extender la eficiencia
(tanto como el 90 por ciento si las ondas superficiales no son incluidas) y el ancho
de banda (alrededor del 35 por ciento). Sin embargo, con los incrementos en la
altura, las ondas superficiales son introducidas cuando usualmente no son
deseables porque ellas extraen la potencia del total disponible por la radiación
directa (ondas espaciales). Las ondas superficiales viajan sin el substrato y ellas
son dispersadas en las curvaturas y las discontinuidades de la superficie, tales
como la truncación del dieléctrico y el plano de tierra, y degradando el patrón de la
antena las características de polarización. Las ondas superficiales pueden ser
eliminadas, manteniendo un largo ancho de banda mediante el uso de cavidades.
La agrupación de elementos de microcinta, es también otro buen método que puede
ser usado para incrementar el ancho de banda.
Ventajas y desventajas de las antenas microcinta:
Ventajas:

Son livianas y ocupan poco volumen.

Perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies.

Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie.

Soporta tanto polarización lineal como polarización circular.

Fácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MMICs).

Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias.

Son mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas.
38
Desventajas:

Son de pequeño ancho de banda o más bien limitado (usualmente de 1 a 5%, pero
se pueden agrandar estos rangos con una forma más compleja de las mismas).

Baja ganancia.

Limitada potencia.

Baja pureza de polarización.

Además, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas.
4.6 Aplicaciones
Las antenas parche microcinta están aumentando en popularidad para su uso en
aplicaciones inalámbricas debido a su estructura de bajo perfil. Por lo tanto, son
muy compatibles para las antenas integradas a los dispositivos inalámbricos
portátiles como teléfonos celulares, localizadores, etc. Otra área donde se han
utilizado con éxito en la comunicación por satélite. Su uso tiene un gran auge para
aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante por ejemplo: aeronáutica,
aviación, satélites, aplicaciones en misiles, dispositivos móviles, comunicaciones
inalámbricas en general, y para frecuencias elevadas principalmente en los rangos
de microondas y ondas milimétricas
39
CAPITULO 5. Desarrollo
En este capítulo se describirán los materiales usados, formulas y tipos de diseños
que se usaron para la creación de nuestras antenas microcinta.
5.1 Software a utilizar
TX-Line es un software de uso libre gratuito, basado en la plataforma de Windows,
es una calculadora interactiva de líneas de transmisión para el análisis y síntesis de
las estructuras de la línea de transmisión. TX-Line nos permite entrar en las
características físicas o eléctricas para el medio de transporte común, tales como:
 Microcinta
 Línea TEM con placas
 Guía de ondas coplanares
 Coplanares a tierra WG
 Slotline
5.2 Diseño de Antenas microcinta
Para el diseño del modelo de transmisión en nuestras antenas usamos el software
“TX-Line Transmission Line Calculator” así como las formulas ya mencionadas
anteriormente.
Metodología de cálculos
Para el diseño de las antenas parche también se necesito tomar en cuenta los
siguientes parámetros para poder realizar los cálculos de las dimensiones de las
antenas.
Velocidad de la luz.- La constante universal de la velocidad de la Luz que es el
equivalente a 3x108
Frecuencia de operación.- Se toma en cuenta la frecuencia de operación de
nuestras antenas, que en este caso seria de 2.4Ghz y de 5.8Ghz
40
Constante dialéctico.- Por el tipo de lámina utilizada, FR4 la constante dieléctrica
según la hoja de especificaciones es de 4.8.
Grosor del substrato dieléctrico: el Grosor del substrato de la lámina es de 0.66mm.
5.2.1 Antenas microcinta de 2.4Ghz
5.2.1.1. Diseño cuadrado
Tenemos que:
𝑓𝑟 = 2.4 GHz
𝜀𝑟 = 4.8
h= .66mm.
C= 3x108 (Velocidad de la luz)
con estos datos podemos sacar la Longitud Efectiva que equivale el tamaño total de
nuestra tablilla.
L
C
2 fr r
3x108
L
 28.52mm.
2(2.4GHz) 4.8
Debido a que las características microcinta hacen que la antena irradie parte por la
orilla de la figura, se requiere calcular el dieléctrico efectivo con la siguiente fórmula:
 re 
 r 1  r 1 
2

2
h
1

 W 
1
2
41
 re 
4.8  1 4.8  1 
.66mm. 

1

2
2  28.52mm. 
1
2
 17.29
Tomando el valor de h como .66mm y W=L, se obtuvo la constante dieléctrica
efectiva de 17.29.
Después se requiere obtener el diferencial de la longitud debido a la forma de
irradiar de las antenas.
L 0.412h
 re .03 Wh 0.264 
L  0.412h


W
 re .258  0.8 
 h



17.29  .03 28.52mm  0.264 

.66m
  .2731mm
17.29  .258 28.52mm  0.8 
 .66mm

Substituyendo h como .66mm y W = L, se obtuvo que el diferencial fue de:
0.2731mm, esto nos está indicando cual debe de ser la separación lateral entre el
diseño y la tablilla.
Para poder calcular la longitud efectiva de la antena, se utilizo la siguiente formula
en la que ya se incluye la constante dieléctrica efectiva y el diferencial de longitud.
L
C
2 f r  re
 2L
3x108
L
 2(.2731mm)  15.03mm
2(2.4GHz) 17.29
42
Donde se obtiene que la longitud del lado de la antena cuadrada sea de 15.03mm
Para calcular el plano a tierra, se utilizaron las siguientes formulas:
Lg  6h  L
Wg  6h  W
Donde se obtuvo 32.48mm para Lg y para W g siendo que L  W . Una vez
obtenidas las dimensiones se realizo el diagrama del parche cuadrado mostrado en
la Figura 5.1.
Figura 5.1 Diagrama de parche cuadrado de 2.4GHz.
5.2.1.2. Diseño triangular
Tenemos que:
𝑓𝑟 = 2.4 GHz
𝜀𝑟 = 4.8
h= .66mm.
C= 3x108 (Velocidad de la luz)
Calculamos los lados del triangulo:
43
ae 
2C
3 fr  r
2(3x108 )
ae 
 38.03mm
3(2.4GHz) 4.8
Nos da una longitud de
a  38.03mm ,
teniendo este dato podremos calcular la
longitud efectiva para esta antena, utilizando la siguiente fórmula:
2
2

h
h
h
1 h 
h
ae  a 1  2.199  12.853
 16.436
 6.182   9.802
  
a
a

a
a





r
r
r a 

Como resultado se obtuvo
ae  37.99mm .
De igual manera y con los mismos valores que los demás diseños, se calculo el
punto de alimentación con el mismo software “TX-LINE”, una línea con la
impedancia característica de 50Ω Ohms.
Teniendo como resultado: 1.14mm. De la misma manera se realizo el diseño de la
antena triangular. El diagrama del diseño se muestra en la Figura 5.2
Figura 5.2 Diagrama del diseño triangular.
44
5.2.1.3. Diseño rectangular
Tenemos que:
𝑓𝑟 = 2.4 GHz
𝜀𝑟 = 4.8
h= .66mm.
C= 3x108 (Velocidad de la luz)
A diferencia de las antenas cuadradas, en este caso W es el ancho de la antena y L
es el alto de la antena, con estos datos primero obtenemos W
W
C
2 fr
2
r 1
3x108
2
W
 36.70mm
2(2.4GHz) 4.8  1
Debido a que las características microcinta hacen que la antena irradie parte por la
orilla de la figura, se requiere calcular el dieléctrico efectivo con la siguiente fórmula:
 re 
 re 
r 1 r 1 
2

h
1

12
2 
W 
1
2
4.8  1 4.8  1 
.66mm. 

1

12
2
2 
36.70mm. 
1
2
 39.60
se obtuvo la constante dieléctrica efectiva de 39.60.
45
Después se requiere obtener el diferencial de la longitud debido a la forma de
irradiar de las antenas.
L 0.412h
 re .03 Wh 0.264 
L  0.412h


W
 re .258  0.8 
 h



39.60  .03 36.70mm  0.264 

.66m
  .2683mm
39.60  .258 36.70mm  0.8 
 .66mm

Substituyendo h como .66mm, se obtuvo que el diferencial fue de: 0.2683mm, esto
nos está indicando cual debe de ser la separación lateral entre el diseño y la tablilla.
Para poder calcular la longitud efectiva de la antena, se utilizo la siguiente formula
en la que ya se incluye la constante dieléctrica efectiva y el diferencial de longitud.
L
C
2 f r  re
 2L
3x108
L
 2(.2683mm)  31.14mm
2(2.4GHz) 4.8
Donde se obtiene que la longitud del lado de la antena rectangular sea de 31.14mm
El punto de alimentación se obtiene con el software “TXLine” al igual que las demás
Atenas parche de 2.4GHz. El diagrama del diseño se muestra en la Figura 5.3
46
Figura 5.3 Diagrama del diseño rectangular
5.2.1.4. Diseño circular
Para el diseño de esta antena se necesito tomar en cuenta los mismos parámetros
anteriores para poder realizar los cálculos de las dimensiones de las antenas.
Entonces, tenemos que:
𝑓𝑟 = 2.4 GHz
𝜀𝑟 = 4.8
h= .66mm.
C= 3x108 (Velocidad de la luz)
Usando la formula:
𝐹=
𝐹=
8.791𝑥109
𝑓𝑟 𝜀𝑟
8.791𝑥109
2.4𝐺𝐻𝑧 4.8
= 1.6718
Teniendo F podemos obtener el valor de a
47
𝑎=
𝑎=
𝐹
𝜋𝐹
2ℎ
1 + 𝜋𝜀 𝐹 ln 2ℎ + 1.7726
𝑟
1/2
1.6718
𝜋(1.6718)
2(.66𝑚𝑚)
1 + 𝜋4.8(1.6718) ln 2(.66𝑚𝑚) + 1.7726
1/2
= .917737𝑐𝑚
El diámetro total de la figura circular de la antena es de .917737cm. El diagrama del
diseño resultante se muestra en la Figura 5.4
Figura 5.4 Diagrama del diseño circular
El punto de alimentación para todas las antenas de 2.4GHz se obtuvo mediante el
programa “TXLINE”, el cual se muestra en la Figura 5.5, donde se calculo para 50 Ω
Ohms, el ancho de la pista de alimentación resulto: 1.14mm.
Figura 5.5 Obtención de las dimensiones del diseño de la antena cuadrada
mediante el software “TXLINE”.
48
5.2.2. Antenas microcinta de 5.8GHz
5.2.2.1. Diseño cuadrado
Tenemos que:
𝑓𝑟 = 5.8 GHz
𝜀𝑟 = 4.8
h= .66mm.
C=
3x108
(Velocidad de la luz)
con estos datos podemos obtener la Longitud Efectiva que sería el tamaño total de
nuestra tablilla.
L
C
2 fr r
3x108
L
 11.80mm.
2(5.8GHz) 4.8
Debido a que las características microcinta hacen que la antena irradie parte por la
orilla de la figura, se requiere calcular el dieléctrico efectivo con la siguiente fórmula:
 re 
 re 
 r 1  r 1 
2

2
h
1

 W 
1
2
4.8  1 4.8  1 
.66mm 

1

2
2  11.80mm 
1
2
 12.83
49
Tomando el valor de h como .66mm y W=L, se obtuvo la constante dieléctrica
efectiva de 12.83.
Después se requiere obtener el diferencial de la longitud debido a la forma de
irradiar de las antenas.
L 0.412h
 re .03 Wh 0.264 
L  0.412h


W
 re .258  0.8 
 h



12.83  .03 11.80mm  0.264 

.66m
  .2701mm
12.83  .258 11.80mm  0.8 
 .66mm

Substituyendo h como .66mm y W = L, se obtuvo que el diferencial fue de:
0.2701mm, esto nos está indicando cual debe de ser la separación lateral entre el
diseño y la tablilla.
Para poder calcular la longitud efectiva de la antena, se utilizo la siguiente formula
en la que ya se incluye la constante dieléctrica efectiva y el diferencial de longitud.
L
C
2 f r  re
 2L
3x108
L
 2(.2701mm)  .7218mm
2(5.8GHz) 4.8
Donde se obtiene la longitud del lado de la antena cuadrada: .7218mm
Para calcular el plano a tierra, se utilizo las siguientes formulas:
50
Lg  6h  L
Wg  6h  W
Donde se obtuvo 15.76mm para
Lg
y para
Wg
siendo que L  W . Una vez
obtenidas las dimensiones se realizo el diagrama del parche cuadrado mostrado en
la Figura 3.8.
Figura 5.6 Diagrama del diseño cuadrado de 5.8GHz
5.2.2.2. Diseño circular
Para el diseño de esta antena se necesito tomar en cuenta los mismos parámetros
anteriores para poder realizar los cálculos de las dimensiones de las antenas.
Entonces, tenemos que:
𝑓𝑟 = 5.8GHz
𝜀𝑟 = 4.8
h= .66mm.
C= 3x108 (Velocidad de la luz)
Usando la formula:
51
𝐹=
𝐹=
8.791𝑥109
𝑓𝑟 𝜀𝑟
8.791𝑥109
5.8𝐺𝐻𝑧 4.8
= .6918
Teniendo F podemos obtener el valor de a
𝐹
2ℎ
𝜋𝐹
1 + 𝜋𝜀 𝐹 ln 2ℎ + 1.7726
𝑟
1/2
. 6918
2(.66𝑚𝑚)
𝜋(.6918)
1 + 𝜋4.8(.6918) ln
2(.66𝑚𝑚) + 1.7726
1/2
= .4324𝑐𝑚
El diámetro total de la figura circular de la antena sería de .4324cm.
El punto de alimentación para ambas antenas se obtuvo mediante el programa
“TXLINE”, el cual se muestra en la Figura 5.7, donde se calculo para 50 Ω Ohms, el
ancho de la pista de alimentación resulto: 1.14mm.
Figura 5.7 Obtención de las dimensiones del diseño de la antena cuadrada
mediante el software “TXLINE”.
52
CAPITULO 6. Resultados
A continuación mostraremos las graficas y resultados que muestran el
funcionamiento de nuestras antenas en el analizador de espectros y el
analizador de redes.
Figura 6.1 Antenas construidas
Para la medición correcta de nuestras antenas, hicimos las pruebas en la
cámara anecoica, haciendo uso del Analizador de Redes y su respectiva
antena como nuestro transmisor y como receptor una antena multiuso
conectada al analizador de espectros como se muestra en la figura 6.2, estos
fueron los datos obtenidos.
Antenas microcinta de 2.4GHz
En la figura 6.3 se muestran las antenas microcinta que fueron construidas.
Diseño Rectangular
Los parámetros de dispersión de la antena los podemos ver en la figura 6.4,
que muestran la Ganancia y la Frecuencia de la antena obtenidos en el
Analizador de Redes.
53
Figura 6.2 Prueba de antenas
Figura 6.3 Antenas microcinta de 2.4GHz
54
Figura 6.4 Resultados obtenidos del analizador de redes
Figura 6.5 Diagrama de Smith antena rectangular
55
En la figura 6.6 mostramos los componentes espectrales recibidos de
nuestra antena.
Figura 6.6 Componentes espectrales antena rectangular de 2.4GHz
Diseño Triangular
En la figura 6.7 podemos ver los parámetros de dispersión de la antena,
estos muestran la Ganancia y la Frecuencia de la antena obtenidos en el
Analizador de Redes. En la figura 6.7 mostramos el resultado obtenido de la
antena en el diagrama de Smith.
56
Figura 6.7 Resultados obtenidos del analizador de redes de antena triangular
Figura 6.8 Diagrama de Smith antena triangular
57
En la figura 6.9 se muestran los componentes espectrales recibidos de
nuestra antena.
Figura 6.9 Componentes espectrales de antena triangular de 2.4GHz
Antenas microcinta de 5.8GHz
Debido a que estas antenas no pueden ser medidas en el analizador de
redes que tenemos, usamos un medio de transmisión de 5.8GHz y de ahí
analizar los
componentes espectrales recibidos de
nuestra
antena
comparando los resultados con una antena base.
En la figura 6.10 se muestran las antenas microcinta que fueron construidas.
Diseño Circular
En la figura 6.11 se muestran los componentes espectrales recibidos en el
analizador de espectros de nuestro transmisor de 5.8GHz.
58
Figura 6.10 Antenas microcinta de 2.4GHz
Figura 6.11 Componentes espectrales antena circular de 5.8GHz
59
Diseño cuadrado
En la figura 6.12 se muestran los componentes espectrales recibidos para
nuestra antena con diseño cuadrado de 5.8GHz.
Figura 6.12 Componentes espectrales antena cuadrada de 5.8GHz
En la figura 6.13 vemos las mediciones obtenidas con nuestra antena base,
de aquí podemos comparar los resultados obtenidos de las antenas
fabricadas y la antena que escogimos como referencia.
60
Figura 6.13 Resultados obtenidos de nuestra antena base
61
CAPITULO 7. Conclusiones
Con el desarrollo de este proyecto, se reforzaron los conocimientos sobre el
desarrollo de antenas y su funcionamiento. Con la investigación sobre el
funcionamiento de las antenas microcinta, se obtuvieron conocimientos sobre
otros temas relacionados con el tema de comunicación y de las antenas más
que nada.
Al momento de hacer las mediciones, se reforzaron los conocimientos
previamente adquiridos pero no suficientes, del modo de usar las
herramientas de mediciones como el analizador de espectros y el analizador
de redes, así, pudiendo entender el modo en que trabajan las antenas y el
significado de los resultados obtenidos.
Los resultados obtenidos conforme al acoplamiento para las frecuencias
deseadas fueron buenos, a comparación de los primeros diseños que se
obtuvieron, ya que la pérdida de las antenas era muy significante. Conforme
se fueron haciendo más cálculos y diseños, se pudo entender el significado
de cada uno de los cálculos hechos.
En los resultados obtenidos de forma experimental, se encontraron
variaciones con la frecuencia de resonancia, esto se debe, tal vez, a las
imprecisiones de nuestro proceso de fabricación usando las técnicas de
circuito impreso por medio del planchado de las mismas. También se tienen
tolerancias en el valor de la permitividad eléctrica de nuestro sustrato
utilizado.
62
Referencias
[1] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, Second Edition
[2] Apuntes de “Tecnicas de Radiofrecuencia” Dr. Victor M. Hinostroza
[3] T. Shanmuganantham, S. Raghavan, “Design of a compact broadband microstrip
patch antenna with probe feeding for wireless applications”
[4] Kin-Lu Wong “Compact and Broadband Microstrip Antennas.”
[5] Warren L. Stutzman, Gary A. Thiele, “Antenna Theory and Design”
[6] Thomas A. Milligan, “Modern Antenna Design” Second edition
[7] Constantine A. Balanis, “Modern Antenna Handbook”
[8] http://antenared.com/2009/02/antenas-microcinta-introduccion/
[9] http://www.aerocomm.com/docs/Antenna_Tutorial.pdf
[10] http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas_clase/Tema_1.PDF
[11] http://www.microwaves101.com/encyclopedia/antenna_ustrip.cfm
[12] http://www.scribd.com/doc/16562522/Diseno-y-Simulacion-Antena-Patch
Software “TX-Line”
[13] http://web.awrcorp.com/Usa/Products/Optional-Products/TX-Line/
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Apéndices
Apéndice A
Conector SMA 50OHMS
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65
66
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Apéndice B
Analizador de redes
68
69
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72
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74
75
76
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Apéndice C
Analizador de Espectros
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79
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82
Apéndice D
Lamina PCL-FR-370/PCL-FRP-370
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