3.5 ANTENAS MICROSTRIP

3.5 ANTENAS MICROSTRIP
3.5.1 Descripción general
3.5.2 Alimentación de un parche sencillo
3.5.3 Modelo de línea de transmisión
3.5.4 Campo de radiación
3.5.5 Impedancia de entrada
3.5.6 Métodos de análisis
3.5.7 Alimentación para polarización circular
3.5.8 Ejemplos de arrays microstrip prácticos y su alimentación
3.5.1 Descripción general
El parche forma una cavidad
resonante. Las aperturas paralelas
a XZ forman un array que radia en
fase hacia en la dirección del eje
Z. Cada apertura es equivalente a
una línea de corriente magnética
orientada según X
Z
W
Y
h
L
εr
X
Parche: tamaño 0.25λ a 1λ, grosor 10 a 50 micras
Substrato dieléctrico: Mayor que el parche, grosor 0.005 λ a 0.2 λ
Plano de masa: Tamaño como el substrato.
Frecuencias típicas: 400MHz a 40 GHz
Aplicaciones: antenas de aeronaves, de móviles, WLAN, alimentadores
de reflectores, biomedicina, telemetría, etc.
3.5.1 Ventajas e inconvenientes
VENTAJAS.
Pequeño tamaño y poco peso
Ajustable a superficies no planas
Fabricación sencilla y económica a gran escala
Robustez mecánica (montado en superficies rígidas)
Sencillez de realización de arrays
Fácil integración en equipos y circuitos
Adecuado para diseño CAD
INCONVENIENTES
Estructura resonante con pequeño ancho de banda
Perdidas en el sustrato (precisa sustratos de calidad tanδ<0.002)
Poca pureza de polarización
Limitaciones de potencia
3.5.1 Otras formas de parches radiantes
3.5.1 Consideraciones de ancho de banda
Definición de ancho de banda respecto a
Impedancia de entrada (típica 1-2% para VSWR<2)
Ganancia
Polarización
SLL
Eficiencia
Ensanchamiento de la banda
Substratos mas gruesos(y con mayores pérdidas)
Elementos parásitos
Redes pasivas externas
Diseños no resonantes (arrays de onda progresiva)
3.5.2 Alimentación mediante línea microstrip
3.5.2 Alimentación por acoplo electromagnético
Acoplamiento a través
de ranura en el plano
de masa
Acoplamiento
por proximidad
3.5.2 Alimentación por sonda coaxial
3.5.2 Alimentación mixta. Ejemplo
3.5.3 Circuito equivalente en el modelo de
línea de transmisión
Zc =
1
η
=
Yc
ε ef
λg =
λ0
ε ef
β = k0 ε ef
ε ef =
ε r +1 ε r −1 ⎛
2
+
2
h⎞
⎜1 + 12 ⎟
W⎠
⎝
−1 / 2
2
⎡
⎛
⎞
W ⎢
1 ⎜ 2π h ⎟ ⎤⎥
G=
1−
120λ 0 ⎢ 24 ⎜⎝ λ 0 ⎟⎠ ⎥
⎣
⎦
La constante dieléctrica eficaz tiene en cuenta la
propagación de la onda en el sustrato y el aire
W
B=
120λ 0
⎡
⎛ 2π h ⎞⎤
⎟⎥
⎢1 − 0.636 ln⎜⎜
⎟
⎢⎣
⎝ λ 0 ⎠⎥⎦
(h <
λ0
10
)
3.5.3 Impedancia característica y
longitud de onda en el parche
w
h
3.5.3 Longitud efectiva y frecuencia de
resonancia
(ε
⎛W
⎞
)
+
+
0
.
3
0
.
264
⎜
⎟
ef
h
⎝
⎠
Lef = L + 2∆L ∆L = 0.412h
(ε ef − 0.258) ⎛⎜ Wh + 0.8 ⎞⎟
⎝
⎠
f r010 =
f r010 =
c0
2 Lef ε ef
c0
λ0
Lef =
λg
λ0
=
2
2 ε ef
3.5.3 Procedimiento de diseño
Fijados la frecuencia de trabajo f, y el sustrato (espesor h y
constante dieléctrica εr)
1
2
λ 0=
ε ef =
c
f
W=
λ0
2
εr +1
2
ε r +1 ε r −1 ⎛
2
+
2
h⎞
⎜1 + 12 ⎟
W⎠
⎝
(El cálculo de W se basa en
criterios de eficiencia de radiación
estudiados por Bahl y Bhartia)
−1 / 2
λ0
ε ef
(ε
3
⎞
⎛W
)
0
.
3
0
.
264
+
+
⎜
⎟
ef
h
⎝
⎠
∆L = 0.412h
(ε ef − 0.258) ⎛⎜ Wh + 0.8 ⎞⎟
⎝
⎠
λg =
L = Lef − 2∆L =
λg
2
− 2∆L
3.5.4 Fuentes de radiación para un
parche rectangular
3.5.4 Campo de radiación de un lado
ẑ
h
ŷ
Apertura de iluminación
uniforme y polarización “z”
x̂
W
v
Ea ( x, z ) = E0 yˆ ⇒
⎛ W
⎞
⎛ h
⎞
sin
sin
cos
sin
cos
π
θ
φ
π
θ
⎜
⎟
⎜
⎟
v
⎝ λ
⎠
⎝ λ
⎠ zˆ
f = E0 hW
h
W
π sin θ cos φ
π cosθ
λ
λ
[ (
v
v
j e − jkr
rˆ × nˆ × f
E=−
λ r
Considerando h<< λ
)]
nˆ = − yˆ
⎛ W
⎞
sin
π
sin
θ
cos
φ
⎜
⎟
v j e − jkr
λ
⎠
[rˆ × xˆ ] E0 hW ⎝ W
E=
λ r
π sin θ cos φ
λ
3.5.4 Modelo de dipolo magnético
ẑ
h
v
Ms
Se llega finalmente a
la misma expresión
x̂
W
v
v
M s = −2nˆ × Ea = 2 E0 ( yˆ × zˆ ) = 2 E0 xˆ
v
v
I m ( x) = 2 E0 h r ' = z ' xˆ r '⋅rˆ = x' sin θ cos φ
v ε e − jkr W / 2
ε E0 h e − jkr
jkx 'sin θ cos φ
F=
xˆ ∫ 2 E0 h e
dx' =
4π r
2π
r
−W / 2
v
v
E = jωη (rˆ × F )
ωηε
k
⎛ W
⎞
2 j sin ⎜ k sin θ cos φ ⎟
⎝ 2
⎠ xˆ
jk sin θ cos φ
v
e − jkr
= 1 ⇒ E = j (rˆ × xˆ ) E0 h
r
⎛ W
⎞
sin ⎜ π sin θ cos φ ⎟
⎠
⎝ λ
π sin θ cos φ
3.5.4 Radiación de los dos lados
ŷ
Se introduce un factor de array:
L
ẑ
h
x̂
W
FA = e
jk
L
yˆ ⋅rˆ
2
+e
− jk
L
yˆ ⋅rˆ
2
⎞
⎛ L
= 2 cos⎜ π sin θ sin φ ⎟
⎝ λ
⎠
⎛ W
⎞
sin
π
sin
θ
cos
φ
⎜
⎟
v j e − jkr
λ
⎠ cos⎛ π L sin θ sin φ ⎞
E=
[rˆ × xˆ ] 2 E0 hW ⎝ W
⎜
⎟
λ r
⎝ λ
⎠
π sin θ cos φ
λ
xˆ = sin θ cos φ rˆ + cosθ cos φ θˆ − sin φ φˆ
3.5.4 Campos de radiación en los planos
principales
Plano H (PlanoXZ)
φ = 0 xˆ = sin θ rˆ + cosθ θˆ
v j e − jkr
E=
λ r
⎛ W
⎞
sin ⎜ π
sin θ ⎟
⎝ λ
⎠
cosθ φˆ 2 E0 hW
W
π sin θ
[
]
λ
Plano E (PlanoYZ)
φ = 90 xˆ = − φˆ
[]
v j e − jkr
⎛ L
⎞
θˆ 2 E0 hW cos⎜ π sin θ ⎟
E=
λ r
⎝ λ
⎠
3.5.4 Campos de radiación en los planos
principales
Plano H (PlanoXZ)
Plano E (PlanoYZ)
3.5.5 Impedancia de entrada
La impedancia de entrada sin
considerar el acoplo entre los dos
slots es:
Se puede considerar el acoplo
mediante la siguiente expresión
(donde G12 es la conductancia
mútua y el signo “+” es para
resonancias antisimétricas y “-”
para simétricas)
Dicha impedancia puede ser
reducida al utilizar la alimentación
de la figura
⎛π ⎞
Rin ( y0 ) = Rin (0) cos 2 ⎜ y0 ⎟
⎝L ⎠
Rin =
Rin =
1
2G1
1
2(G1 ± G12 )
L
y0
W
3.5.5 Impedancia de entrada
3.5.6 Modelo de la cavidad resonante
3.5.6 Métodos de análisis
Modelo de línea de transmisión
Modelo de cavidad resonante
Método de diferencias finitas
Método de elementos finitos
Método de ecuaciones integrales (p.ej. MoM)
z
z
Dominio natural
Dominio espectral
3.5.7 Alimentación para polarización circular
3.5.7 Alimentación para polarización circular
3.5.8 Alimentación de arrays microstrip
Modelos de alimentación
serie y paralelo
Ejemplo práctico de alimentación
paralelo o corporativa
3.5.8 Alimentación de arrays microstrip
Ejemplo de alimentación corporativa
Ejemplo de alimentación mixta
3.5.8 Alimetación de elementos parásitos
YAGI Microstrip
3.5.8 Reflectarrays
3.5.8 Array de polarización dual
3.5.8 Array inflable para aplicaciones
espaciales con polarización dual