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 (jorge.ruizcruz@uam.es
Jose Luis Masa Campos (joseluis.masa@uam.es)
Colaborador: José Manuel Fernández (jmfdez@gr.ssr.upm.es),
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. joseluis.masa@uam.es
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.
3
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.
4
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.
5
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)
ACAF (2007 – 2008)
3. Antenas impresas.
6
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.
13
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
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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
ACAF (2007 – 2008)
3. Antenas impresas.
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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
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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.
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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.
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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
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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
ACAF (2007 – 2008)
3. Antenas impresas.
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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)
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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.
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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
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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)
3. Antenas impresas.
28
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)
3. Antenas impresas.
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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 lado en circuito abierto, el
lados más largo del parche.
ØAl contrario, para W-Ws > L, la
corriente fluye hacia el circuito
abierto en el lado estrecho del
parche. Al disminuir Ws, la longitud
efectiva que debe recorrer la
corriente es mayor Þ se logra
disminuir la fercuencia de resonancia
de la antena, manteniendo el tamaño
constante.
ACAF (2007 – 2008)
3. Antenas impresas.
31
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)
3. Antenas impresas.
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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)
3. Antenas impresas.
33
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!).
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3. Antenas impresas.
34
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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3. Antenas impresas.
35
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)
3. Antenas impresas.
36
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)
3. Antenas impresas.
37
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.
ACAF (2007 – 2008)
3. Antenas impresas.
38
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)
3. Antenas impresas.
39
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.
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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)
3. Antenas impresas.
41
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)
3. Antenas impresas.
42
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)
3. Antenas impresas.
43
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
3. Antenas impresas.
44
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.
46
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)
3. Antenas impresas.
47
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.
48
11.- Parche rectangular con línea microstrip
Simulación ENSEMBLE v. 8.0
ACAF (2007 – 2008)
Simulación CST STUDIO SUITE 2006
3. Antenas impresas.
49
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.
63