Análisis, Diseño y Simulación de Antenas de Microcinta ...
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Análisis, Diseño y Simulación de Antenas de Microcinta Acopladas Electromagnéticamente y Fabricadas en Tecnología de Multicapas. CAMILO ERNESTO BERROCAL MORA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Bogotá D.C., 2004
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Análisis, Diseño y Simulación de Antenas de
Microcinta Acopladas Electromagnéticamente y
Fabricadas en Tecnología de Multicapas.
CAMILO ERNESTO BERROCAL MORA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Bogotá D.C., 2004
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Análisis, Diseño y Simulación de Antenas de
Microcinta Acopladas Electromagnéticamente y
Fabricadas en Tecnología de Multicapas.
CAMILO ERNESTO BERROCAL MORA
Asesor
NÉSTOR MISAEL PEÑA TRASLAVIÑA
Coasesor
JUAN CARLOS BOHORQUEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Bogotá D.C., 2004
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A toda mi familia, en especial a mi padre Luis Enrique y mi madre María Ligia A todos mis compañeros y amigos, entre ellos María Angélica Sanabria
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CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 3
1. Parámetros de Diseño Antenas de Microcintas 5
1.1 Dimensiones del Parche 5
1.2 Parámetros de Antenas Acopladas por Proximidad 6
1.2.1 Ancho de Parche 7
1.2.2 Distancia de Sobrelape 10
1.3 Parámetros de Antenas Acopladas por Apertura 12
1.3.1 Longitud de Apertura 14
1.3.2 Ancho de Apertura 16
1.3.3 Longitud de Línea en Derivación 18
1.3.4 Posición línea alimentación respecto a la apertura 20
1.3.5 Posición del parche respecto a la apertura 20
1.4 Otros Parámetros 20
1.4.1 Constante dieléctrica del sustrato de la antena 20
1.4.2 Grosor del sustrato de la antena 20
1.4.3 Constante dieléctrica del sustrato de la línea de alimentación 21
1.4.4 Grosor del sustrato de la línea de alimentación 21
1.4.5 Ancho de la línea de alimentación 21
2. Técnicas para el Mejoramiento del Ancho de Banda 22
2.1 Acople de Impedancia 22
2.2 Uso de Múltiples Resonadores 26
3. Técnicas para el Mejoramiento de la Ganancia 29
4. Aplicación Antenas Acopladas Electromagnéticamente 35
5. CONCLUSIONES 36
BIBLIOGRAFÍA 37
ANEXOS 39
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
Fig.1. Acople por Proximidad, Topología 7
Fig.2. Acople por Proximidad, Imp. Entrada (Variación Ancho) 8
Fig.3. Acople por Proximidad, Acople (Variación Ancho) 9
Fig.4. Acople por Proximidad, Imp. Entrada (Variación Long. Sobrelape) 10
Fig.5. Acople por Proximidad, Acople (Variación Long. Sobrelape) 11
Fig.6. Acople por Apertura, Topología 13
Fig.7. Acople por Apertura, Imp. Entrada (Variación Long. Apertura) 14
Fig.8. Acople por Apertura, Acople (Variación Long. Apertura) 15
Fig.9. Acople por Apertura, Imp. Entrada (Variación Ancho Apertura) 16
Fig.10. Acople por Apertura, Acople (Variación Ancho Apertura) 17
Fig.11. Acople por Apertura, Imp. Entrada (Variación Long. Stub) 18
Fig.12. Acople por Apertura, Acople (Variación Long. Stub) 19
Fig.13. Acople de Impedancia, sin Stub, Topología 23
Fig.14. Acople de Impedancia, sin Stub, Acople 23
Fig.15. Acople de Impedancia, con Stub, Topología 24
Fig.16. Acople de Impedancia, con Stub, Acople 25
Fig.17. Parches Apilados, Topología 26
Fig.18. Parches Apilados, Acople y Ganancia 27
Fig.19. Arreglos, Topología 29
Fig.20. Arreglo 1x4 30
Fig.21. Arreglo 1x4, Parámetros S 30
Fig.22. Arreglo 1x4, Ganancia 31
Fig.23. Arreglo 2x2 32
Fig.24. Arreglo 2x2, Parámetros S 33
Fig.25. Arreglo 2x2, Ganancia 34
Fig.26. Antena Circular, Topología 39
Fig.27. Antena Circular, Resultados Ansoft y Artículo. 40
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INTRODUCCIÓN
Las primeras antenas de microcintas y arreglos, generalmente estaban compuestas de una
serie de parches alimentados con líneas de transmisión de microcintas o cables coaxiales, que
utilizaban solo una capa de sustrato, una geometría que es fácil y sencilla de fabricar, pero no
la ideal en términos de comportamiento eléctrico.
Junto con el ancho de banda pequeño, el comportamiento de éste tipo de diseños es muchas
veces limitado por la radiación espuria producida por la red de alimentación, lo que afecta en
gran medida los lóbulos laterales.
Por otra parte las antenas de microcintas en multicapas presentan diversas ventajas frente a
las anteriormente mencionadas debido a las diferencias existentes en el modo de alimentación
del parche y el uso de múltiples sustratos.
Una de estas ventajas es la ausencia de conexión física entre el parche y la línea de
alimentación, la cual facilita el proceso de fabricación, comparado con el de las antenas
alimentadas con cable coaxial, ya que no es necesario el proceso de perforación y que se
adicionan uno o más grados de libertad en el proceso de optimización de la antena.
Con el uso de sustratos en multicapas es posible escoger independientemente el sustrato de la
antena y el sustrato de la línea de alimentación para lograr una mejor optimización del diseño.
También se puede obtener un aislamiento entre las redes de alimentación y los elementos
circuitales de los elementos radiantes, así como una mayor área de superficie disponible, ya
que las líneas y los parches no compiten por espacio físico.
Dicha red de alimentación es posible ubicarla mucho más cerca al plano de tierra, dando
como resultado la reducción de la radiación espuria en las líneas de alimentación a causa de
sus discontinuidades. Al mismo tiempo el espacio entre el parche y el plano de tierra puede
ser aumentado para obtener un mayor ancho de banda.
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En las arquitecturas multicapas, sus diversas geometrías de alimentación, nos proporcionan
flexibilidad y mejoras en el comportamiento de diseños con polarización dual o circular,
balance de polarización cruzada u operación en frecuencia dual [1].
El Acople entre las diferentes capas puede ser obtenido mediante alimentación por
proximidad o por apertura. Estas dos geometrías son las más usadas actualmente en la
construcción de antenas de microcintas, por lo que es necesario hacer un análisis de sus
parámetros y características de funcionamiento más relevantes, así como las variaciones más
significativas a la hora de mejorar su funcionamiento, tales como ancho de banda y ganancia.
El ancho de banda puede ser mejorado utilizando parches parásitos apilados, en una o más
capas, así como técnicas de acople de impedancia y la ganancia por medio de la construcción
de arreglos.
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1. Parámetros de Diseño Antenas de Microcintas
En cualquier caso, ya sea que se utilice el acople por proximidad o por apertura, es necesario
hacer la respectiva escogencia del material a utilizar y el cálculo de las dimensiones de cada
uno de sus parámetros. Uno de los parámetros más importantes es la dimensión del parche,
sobretodo del largo del mismo ya que éste determina la frecuencia de operación de la antena,
el cual debe ser aproximadamente λg/2 para que el parche comience a radiar.
Así mismo hay que tener en cuenta que el acople del parche, se debe hacer por lo general a
una línea de alimentación con impedancia característica de 50Ω. Para que se logre la
condición de acople de la antena es necesario que la magnitud del coeficiente de reflexión sea
aproximadamente 0.
1.1 Dimensiones del parche
Existen diversas formas de llevar a cavo este cálculo, tales como el modelo de cavidad y el de
línea de transmisión, pero en este caso usaremos el modelo de línea de transmisión ya que
éste proporciona mejores resultados.
A causa de los campos de desbordamiento en los bordes del parche, existe una extensión
asociada a éste, la cual genera una extensión física del parche que debe ser tenida en cuenta y
está dada por la fórmula [2]:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
++
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−
+=∆
813.0/264.0/
258.03.0
412.0hWhWhL
eff
eff
εε
(1)
La constante dieléctrica efectiva está dada por [2]:
21
1212
12
1 −
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−+
+=
Whrr
effεεε (2)
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Finalmente la longitud de parche puede ser determinada por la fórmula [2]:
Lf
cLeffr
∆−= 22 ε
(3)
Donde: c = Velocidad de la luz
rf = Frecuencia de resonancia
h = Alto del sustrato
W = Ancho superficial
rε = Épsilon relativo del material
El ancho del parche es usualmente escogido, de tal manera que se mantenga dentro de la
relación, L < W < 2L para obtener características de radiación buenas. Si W es demasiado
grande, entonces algunos modos de operación de orden superior se acercarán a la frecuencia
de diseño.
1.2. Parámetros de antenas Acopladas por Proximidad
Esta configuración se muestra en la Fig. 1, la cual está compuesta de dos sustratos, uno
encima del otro, con la línea de alimentación sobre la capa inferior y el parche sobre la capa
superior. El plano de tierra común se encuentra ubicado debajo de la capa inferior. La línea
de alimentación termina en circuito abierto justo debajo del parche y usualmente la distancia
de sobrelape entre al línea de alimentación y el borde del parche es la mitad del largo del
parche. El acople entre la línea y el parche se lleva a cabo mediante los campos de
desbordamiento producidos en borde de la línea de alimentación [2].
Para llevar a cabo un buen acople entre este tipo de antena y la impedancia característica, hay
que tener en cuenta algunos parámetros en este tipo de antena que resultan fundamentales
para este propósito, tales como el ancho del parche y la distancia de sobrelape entre la línea
de alimentación y el inicio del parche [3] y [4].
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Fig.1. Topología antena acoplada por proximidad
Con el fin de llevar a cabo el análisis de los parámetros anteriormente mencionados, se diseñó
una antena con frecuencia de operación de 2GHz, que utiliza el sustrato Duroid 5880 con
εr=2.2 y un grosor de 1.6 mm, uno de los más utilizados en publicaciones existentes, el cual
se emplea tanto para la capa superior como para la inferior. Haciendo los cálculos respectivos
resultan las siguientes dimensiones:
Lp = Wp = 48mm, h1 = h2 = 1.66, ε1 = ε2 = 2.2εo, Wf = 4.56mm y se asume un Lf = Lp/2 =
24mm.
1.2.1 Ancho del Parche (Wp)
La geometría seguida por la mayoría de publicaciones es la de un parche cuadrado, por lo que
en este caso el ancho del parche también está determinado por la longitud de onda guiada.
Esta geometría presenta buenas características de radiación y elimina modos parásitos, pero
su impedancia de entrada es aún muy alta para obtener un buen acople, por lo que es
necesario aumentar el ancho y así poder conseguir la impedancia de entrada apropiada [5].
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Es por esta razón que se lleva a cabo una simulación paramétrica de la impedancia de entrada
real e imaginaria de la antena, el ciclo de impedancia en la carta de Smith y el coeficiente de
pérdidas de retorno, para diversos valores de Wp, en este caso Wp = 48, 56, 64, 72 y 80mm.
Los resultados de esta simulación encuentran en la Fig. 2 y Fig.3, donde se puede observar
como disminuye la impedancia de entrada de la antena con el aumento del ancho del parche y
como el acople de la antena también mejora pero solo hasta un cierto punto, en el cual la
impedancia de entrada real disminuye más allá de la impedancia característica.
(a)
(b)
Fig.2. Antena acoplada por Proximidad Lp=48mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2εo, Wf=4.56mm, Lf =24mm. (a)
Impedancia real de entrada (b) Impedancia reactiva de entrada. Wp = 48mm , 56mm , 64mm ,
72mm y 80mm .
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(a)
(b)
Fig.3. Antena acoplada por Proximidad Lp=48mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2εo, Wf=4.56mm, Lf =24mm. (a)
Coeficiente pérdidas de retorno. Wp = 48mm , 56mm , 64mm , 72mm y 80mm . (b) Ciclo de
impedancia de entrada. Wp = 48mm , 56mm , 64mm , 72mm y 80mm .
El ancho de banda en este caso toma un valor del 2.5%, ya que el coeficiente de pérdidas de
retorno presenta un valor menor o igual a -10dB en el rango comprendido entre 1.96 y 2.01
GHz.
En esta simulación también se observa que hay un corrimiento en la frecuencia de operación
de la antena., el cual es debido a un aumento en el εeff. Este efecto se puede verificar el la
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fórmula (2) y se puede corregir disminuyendo únicamente el largo del parche un poco, ya que
con el cambio del ancho no se afectan las demás dimensiones de la antena.
1.2.2 Distancia de Sobrelape (Lf)
Para analizar la incidencia de éste nuevo parámetro, se lleva a cabo una simulación
paramétrica de la impedancia de entrada de la antena sobre la distancia de sobrelape, la cual
toma los valores de Lf = 14, 19, 24, 29 y 34mm.
Las dimensiones de esta nueva antena son: Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2εo,
Wf=4.56mm, Lf=24mm.
(a)
(b)
Fig.4. Antena acoplada por Proximidad Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2εo, Wf=4.56mm. (a)
Impedancia real de entrada (b) Impedancia reactiva de entrada. Lf = 14mm , 19mm , 24mm ,
29mm y 34mm .
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Fig.5. Antena acoplada por Proximidad Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2εo, Wf=4.56mm. (a)
Coeficiente pérdidas de retorno. Lf = 14mm , 19mm , 24mm , 29mm y 34mm . (b) Ciclo de
impedancia de entrada. Lf = 14mm , 19mm , 24mm , 29mm y 34mm .
Observando las simulaciones, presentadas en la Fig.4 y Fig.5, se puede ver el efecto
producido por la variación de este parámetro, que es básicamente un efecto dominante sobre
la impedancia reactiva de la antena, haciendo que aumente o disminuya [5].
El mejor acople se logra cuando la impedancia reactiva logra ser cero en el punto máximo de
impedancia real. En este caso dicho acople se consigue para un Lf=19mm, dando como
resultado un coeficiente de pérdidas de retorno de aproximadamente -41dB.
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La impedancia de entrada real por su parte presenta poca variación en su magnitud, y se
mantiene en un rango comprendido entre 45 y 60Ω, valores cercanos a la impedancia
característica, razón por la cual se puede llegar mucho más fácil a la condición de acople.
El ancho de banda en este caso también resulta en un valor del 2.5%, con un rango
comprendido entre el rango 1.95 y 2GHz.
1.3 Parámetros de Antenas Acopladas por Apertura
Este tipo de antena y tal como se muestra en la Fig. 6, está compuesta de dos sustratos
separados por un plano común de tierra, donde una línea de transmisión en el sustrato inferior
esta electromagnéticamente acoplada al parche a través de una ranura en el plano común de
tierra. Esta ranura puede ser de cualquier forma y tamaño, y está casi siempre centrada con
respecto al parche, ya que allí es donde el campo magnético tiene su máximo valor. La forma
y tamaño de la apertura pueden ser ajustados para mejorar tanto el acople como el ancho de
banda de la antena.
Los sustratos de las dos capas, pueden ser escogidos de tal forma que se pueda optimizar el
comportamiento de alimentación y radiación independientemente. Por ejemplo el sustrato de
la línea de alimentación puede ser delgado y de una constante dieléctrica alta y así reducir la
radiación espuria, mientras que el sustrato para el parche puede ser grueso y con una
constante dieléctrica baja, para aumentar el ancho de banda.
Es importante notar que la radiación producida por la línea en circuito abierto no interfiere
con la radiación del parche, gracias al efecto de aislamiento producido por el plano de tierra
que los separa.
A causa de la radiación producida por la línea de alimentación y la resonancia de la ranura de
acople, se produce un fenómeno llamado radiación inversa, la cual se encuentra típicamente
de 15 a 20dB por debajo del máximo en el lóbulo de radiación frontal [2].
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Fig.6. Topología antena acoplada por Apertura
Tal y como sucede con las antenas acopladas por proximidad, en este tipo de antenas también
existen una serie de parámetros que se pueden optimizar para llevar a cabo el mejor acople,
dentro de los cuales nuevamente encontramos el ancho del parche, el cual no se estudiará en
esta ocasión ya que se asume que su comportamiento será el mismo debido a que alguna
variación en su dimensión no influye en ningún otro parámetro de la antena.
Algunos de los otros parámetros y de los cuales estudiaremos su efecto son el largo y ancho
de la apertura en el plano de tierra, La y Wa respectivamente, y la longitud de la línea en
derivación Ls.
Para este propósito se diseña una antena con dimensiones en el parche y sustrato idénticas a
la antena acoplada por proximidad que presento mejor comportamiento. La dimensiones de
esta antena son:
Lp = 48mm, Wp = 64mm, h1 = h2 = 1.66, ε1 = ε2 = 2.2εo, Wf = 5mm, Ls = 10mm, La = 20mm,
Wa = 2mm, xo = Lp/2, yo = Wp/2.
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1.3.1 Longitud de Apertura (La)
El nivel de acople es primordialmente controlado por la longitud de la apertura, así como el
nivel de radiación inversa, por lo que esta debe ser lo más preciso posible y no más largo de
lo necesario, para lograr el correspondiente acople a la impedancia característica [6].
Es por esta razón que se lleva a cabo una simulación paramétrica de la antena con respecto a
este parámetro y así observar el efecto producido por su variación. Los valores sobre los
cuales se lleva a cabo la simulación son: La = 18, 19, 20, 21 y 22mm.
(a)
(b)
Fig.7. Antena Acoplada por Apertura. Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2, Wf=5mm, Ls=10mm,
Wa=2mm, xo=Lp/2, yo=Wp/2. (a) Impedancia real de entrada (b) Impedancia reactiva de entrada. La = 18mm ,
19mm , 20mm , 21mm y 22mm .
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(a)
(b)
Fig.8. Antena Acoplada por Apertura. Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2, Wf=5mm, Ls=10mm,
Wa=2mm, xo=Lp/2, yo=Wp/2. (a) Coeficiente pérdidas de retorno. La = 18mm , 19mm , 20mm ,
21mm y 22mm . (b) Ciclo de impedancia de entrada. La = 18mm , 19mm , 20mm ,
21mm y 22mm .
En la Fig.7 y Fig.8 se pueden observar los resultados y como la longitud de la apertura
influye en la impedancia de entrada, tanto en la real como en la reactiva. Este efecto también
se puede observar en el tamaño cambiante del ciclo de impedancia en la carta de Smith.
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Adicionalmente se observa que este parámetro tiene gran incidencia sobre la frecuencia de
resonancia de la antena, debido a los corrimientos observados en el coeficiente de pérdidas de
retorno.
El ancho de banda en este tipo de antena resulto un poco menor, tomando un valor del 1.05%
que corresponde al rango comprendido entre 1.88 y 1.9 GHz. Este ancho de banda fue
medido cuando La=20mm, ya que allí se presenta el mejor nivel de acople.
1.3.2. Ancho de Apertura (Wa)
(a)
(b)
Fig. 9. Antena Acoplada por Apertura. Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2, Wf=5mm, Ls=10mm,
La=20mm, xo=Lp/2, yo=Wp/2. (a) Impedancia real de entrada (b) Impedancia reactiva de entrada. Wa = 2mm ,
2.1mm , 2.2mm , 2.3mm y 2.4mm .
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El ancho de la apertura también afecta el nivel de acople, pero en un grado mucho menor que
el largo, así que podríamos esperar un resultado muy similar en la simulación paramétrica
que se llevará a cabo y cuyos resultados se encuentran en la Fig.9 y Fig10. Una relación
típica ente el largo y el ancho de la apertura es de 10:1 [6].
Los valores sobre los cuales se lleva a cabo la simulación son: Wa = 2, 2.1, 2.2, 2.3 y 2.4 mm.
(a)
(b)
Fig. 10. Antena Acoplada por Apertura. Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2, Wf=5mm, Ls=10mm,
La=20mm, xo=Lp/2, yo=Wp/2. (a) Coeficiente pérdidas de retorno. Wa = 2mm , 2.1mm , 2.2mm ,
2.3mm y 2.4mm . (b) Ciclo de impedancia de entrada. Wa = 2mm , 2.1mm , 2.2mm ,
2.3mm y 2.4mm .
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Observando dicha simulación, se aprecia que el valor sobre el cual la antena presenta un
mejor acople es Wa = 2.3mm, donde se obtiene un valor del ancho de banda del 1.6%, con un
rango entre 1.87 y 1.9 GHz. El valor de coeficiente de pérdidas en este caso fue de
aproximadamente -50dB.
1.3.3. Longitud de Línea en derivación (Ls)
Esta longitud es utilizada para tratar el exceso de reactancia de la antena y su magnitud es
típicamente un poco menor que λg/4. Acortar la longitud mueve el ciclo de impedancia en la
dirección capacitiva y reduce su tamaño, así como su alargue lo mueve en la dirección
inductiva y agranda su tamaño [6].
(a)
(b)
Fig. 11. Antena Acoplada por Apertura. Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2, Wf=5mm, Wa=2.3mm,
La=20mm, xo=Lp/2, yo=Wp/2. (a) Impedancia real de entrada (b) Impedancia reactiva de entrada. Ls = 6mm ,
8mm , 10mm , 12mm y 14mm .
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Los valores sobre los cuales se hace la simulación paramétrica en este caso son: Ls = 6, 8, 10,
12 y 14mm y los resultados se encuentran en la Fig.11 y Fig.12. Allí podemos observar como
el cambio de este parámetro tiene gran influencia sobre la impedancia de entrada de la antena,
y a su vez sobre el nivel de acople.
Otro efecto que se observa es que este parámetro no tiene gran influencia sobre la frecuencia
de resonancia de la antena, por lo que se puede inferir que éste debe ser uno de los
parámetros que se ajuste al final.
(a)
(b)
Fig. 12. Antena Acoplada por Apertura. Lp=48mm, Wp=64mm, h1=h2=1.66, ε1=ε2=2.2, Wf=5mm, Wa=2.3mm,
La=20mm, xo=Lp/2, yo=Wp/2. (a) Coeficiente pérdidas de retorno. Ls = 6mm , 8mm , 10mm ,
12mm y 14mm . (b) Ciclo de impedancia de entrada. Ls = 6mm , 8mm , 10mm , 12mm
y 14mm .
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El ancho de banda en este caso toma un valor de del 1.6%, con un rango entre 1.87 y 1.9
GHz. Este valor se mide donde la antena presenta su mejor acople y esto ocurre cuando Ls =
10mm, con un valor de pérdidas de retorno de aproximadamente -45dB.
1.3.4 Posición línea alimentación respecto a la apertura
Para un acople máximo, la línea de alimentación debe estar posicionada en ángulos rectos
con el centro de la apertura. Alejar la línea de alimentación de la ranura reduce el acople.
1.3.5 Posición del parche respecto a la apertura
Para un máximo acople, el parche debe estar centrado con respecto a la apertura. Mover el
parche en la dirección del plano H tiene poco efecto, mientras que si es movido en dirección
del plano E el nivel de acople disminuye considerablemente.
1.4 Otros Parámetros
En el diseño de antenas multicapas encontramos una serie de parámetros comunes, además
del largo del parche, los cuales también tiene influencia sobre su comportamiento eléctrico,
estos son:
1.4.1 Constante dieléctrica del sustrato de la antena
Básicamente esta constante afecta el ancho de banda y la eficiencia de radiación de la antena.
Una baja permitividad nos proporciona un ancho de banda más amplio.
1.4.2 Grosor del sustrato de la antena
Este grosor afecta el ancho de banda y el nivel de acople. Un sustrato más ancho otorga un
ancho de banda más amplio.
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1.4.3 Constante dieléctrica del sustrato de la línea de alimentación
Esta constante debe ser seleccionada de tal forma que se obtengan buenas características de
funcionamiento en el circuito de alimentación. Este valor esta típicamente entre el rango de 2
a 10. Una constante dieléctrica alta reduce las perdidas.
1.4.4 Grosor del sustrato de la línea de alimentación
Un sustrato delgado tiene como resultado una disminución en radiación espuria de las líneas
de alimentación, pero mayores pérdidas. Una relación de 0.01λ a 0.02λ es usualmente buena.
1.4.5 Ancho de la línea de alimentación
Junto con el control de la impedancia característica de la línea de alimentación, el ancho de la
línea afecta el nivel de acople.
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2. Técnicas para el Mejoramiento del Ancho de Banda
Las antenas construidas en tecnología multicapas presentan una ventaja comparativa frente a
las construidas en un solo sustrato, en cuanto al ancho de banda se refiere, pero sin embargo
este no es suficiente para las necesidades de los diseños actuales, por lo que han surgido una
gran serie de técnicas para lograr un mejoramiento en este aspecto.
Dentro de estas técnicas, se encuentran la de acople de impedancia y el uso de múltiples
resonadores, las cuales son precisamente sobre las cuales se discutirá en este artículo. Con la
implementación de estas técnicas se han logrado obtener anchos de banda en un rango entre
el 10 y 30% o más [7].
2.1 Acople de Impedancia
Esta es probablemente la manera más directa de de mejorar el ancho de banda de una antena
de microcintas, y se consigue añadiendo una red de acople aislada sin pérdidas. Esta red
puede contener líneas en derivación de ajuste o “Tuning Stubs”, transformadores de λ/4 y
hasta elementos activos, pero hay que tener en consideración que estos elementos se pueden
traducir en radiación espuria, que afecte el comportamiento eléctrico de la antena.
Por esta razón en este caso estudiaremos una técnica en la cual se evita este inconveniente, en
el cual se coloca una pequeña línea en derivación de ajuste en paralelo con la línea de
alimentación, aproximadamente a una distancia de λg/2 del borde del parche [7] y [9].
Para ilustrar esta técnica utilizaremos una antena acoplada por proximidad la cual
inicialmente se encuentra sin la línea en derivación, como se muestra en la Fig.13 y que tiene
las siguientes dimensiones: Lp=25mm, Wp=35mm, h1=h2=1.58mm, ε1=ε2=2.2εo, Wf=5mm,
Lf=12.5mm.
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Fig.13. Topología antena acoplada por proximidad sin “Stub”
(a)
(b)
Fig.14. Antena acoplada por proximidad. Lp=25mm, Wp=35mm, h1=h2=1.58mm, ε1=ε2=2.2εo, Wf=5mm,
Lf=12.5mm. (a) Coeficiente pérdidas de retorno. (b) Ciclo Impedancia de entrada.
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En la Fig.14 encontramos la simulación del ciclo de impedancia sobre la carta de Smith y el
coeficiente de pérdidas de retorno de la antena sin “Stub”. Allí se puede observar que la
antena se encuentra acoplada a una frecuencia de operación de 3.65 GHz y posee un ancho de
banda entre 3.56 y 3.73 GHz, equivalente a un valor del 4.67 %.
Paso seguido se procede a la incorporación de la pequeña línea en derivación, ubicada a una
distancia Ds, que como se dijo anteriormente es aproximadamente λg/2, del borde del parche
de la antena y con una longitud Ls = 6 mm. La configuración de esta antena se observa en la
Fig.15, la cual posee las siguientes dimensiones: Lp=25mm, Wp=40mm, h1=h2=1.58mm,
ε1=ε2=2.2εo, Wf=5mm, Lf=13.5mm, Ds=33mm, Ls=6mm.
Nuevamente el ancho del parche, junto con la longitud de soblelape de la línea de
alimentación y la longitud de la línea en derivación, juegan un papel fundamental en el acople
de la antena, ya que es necesario ajustar la impedancia de entrada de la antena para lograr el
acople necesario.
Se aumenta pues, el ancho del parche a 40mm para reducir la impedancia de entrada y se
realiza una simulación paramétrica sobre los valores Ls y Lf, cuyos resultados se presentan en
la Fig.16.
Fig.15. Topología antena acoplada por proximidad con “Stub”
Utilizando esta técnica se obtuvo un ancho de banda entre 3.43 y 3.82 GHz, equivalente a un
valor del 10.75%, lo que comprueba el funcionamiento de la misma, ya que el ancho de
banda aumento aproximadamente 2.3 veces.
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En cuanto a la frecuencia central de la antena, se observa que toma prácticamente el mismo
valor (3.64 GHz), por lo que se puede decir que esta técnica no altera la frecuencia de
operación de la antena, como si lo hace la modificación de otros parámetros.
(a)
(b)
Fig.16. Antena acoplada por proximidad con stub. Lp=25mm, Wp=40mm, h1=h2=1.58mm, ε1=ε2=2.2εo, Wf=5mm,
Lf=12.5mm. (a) Coeficiente pérdidas de retorno. Ls=6mm, Lf=12.5mm , Ls=6mm, Lf=13.5mm ,
Ls=6.5mm, Lf=12.5mm , Ls= 6.5mm, Lf=13.5mm (b) Ciclo Impedancia de entrada. Ls=6mm,
Lf=12.5mm , Ls=6mm, Lf=13.5mm , Ls=6.5mm, Lf=12.5mm , Ls= 6.5mm, Lf=13.5mm .
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2.2 Uso de Múltiples Resonadores
Otra de las técnicas utilizadas para el mejoramiento del ancho de banda es el uso de múltiples
resonadores, que consiste en sintonizar uno o más resonadores en frecuencias secuenciales,
para cubrir el rango de frecuencias de interés.
Una de la formas más prácticas de implementar esta técnica, es utilizando la configuración de
parches apilados, tal como se muestra en la Fig.11. El parche inferior es alimentado por
medio del acople por apertura.
Estos parches son en su gran mayoría muy cercanos en cuanto al tamaño, pero con el parche
superior un poco más grande que el inferior. Es posible utilizar formas cuadradas,
rectangulares y circulares. Si los parches no son muy cercanos en tamaño, esto se puede
traducir en dos frecuencias de resonancia, lo cual puede ser útil en diseños con banda dual.
Este diseño es muy interesante, ya que su uso no implica un incremento del área superficial
ocupada por los parches, como si sucede en otro tipo de configuraciones, y puede ser
utilizado en configuraciones de arreglos sin necesidad de incrementar el espacio entre
elementos [7] y [8].
Fig.17.Topología antena acoplada por apertura con parches apilados.
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(a)
(b)
(c)
Fig. 18. Antena Acoplada por Apertura y parches apilados. Lp2=Wp2=3.8mm, Lp1=Wp1=3.35mm, h1=h2=0.5mm,
h3=1mm ε1=ε2=ε3=2.2εo, Wf=1.55mm, Ls=1.75mm, La=3.2mm, Wa=0.4mm, xo=Lp2/2, yo=Wp2/2. (a) Coeficiente
pérdidas de retorno. Ls = 1.7mm , 1.75mm , 1.8mm , 1.85mm y 1.9mm . (b) Ganancia. Ls =
1.7mm , 1.75mm y 1.8mm . (c) Patrón de radiación. Ls = 1.75mm. Plano E , Plano H .
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El gran número de parámetros asociados con esta geometría, implica una gran libertad para
su diseño. En este caso se optimizará el diseño, por medio de la realización de una simulación
paramétrica sobre el parámetro Ls, y cuyos resultados se encuentran en la Fig.18.
Se utiliza una antena con una frecuencia de resonancia de 20.4 GHZ, con un sustrato Duroid
5880 de constante dieléctrica relativa de 2.2 y con las siguientes dimensiones:
Lp2=Wp2=3.8mm, Lp1=Wp1=3.35mm, h1=h2=0.5mm, h3=1mm ε1=ε2=ε3=2.2εo, Wf=1.55mm,
Ls=1.75mm, La=3.2mm, Wa=0.4mm, xo=Lp2/2, yo=Wp2/2.
La configuración que mejores resultados presentó, tiene lugar cuando el parámetro
Ls=1.75mm. Allí se puede observar como el ancho de banda que presenta esta antena, toma
un valor muy bueno, el cual se encuentra entre 17.55 y 23.35 GHz, equivalente a un valor de
27.95 % el cual que se encuentra dentro de los valores esperados.
También se puede ver la ganancia de la antena, la cual se mantiene entre 5.5 y 5.61dB, así
como el patrón de radiación en el plano E y plano H, y donde claramente se observa el lóbulo
de radiación inversa, el cual se mantiene en cierto punto estable con el cambio del parámetro
Ls.
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3. Técnicas para el Mejoramiento de la Ganancia
Sin lugar a dudas una de las técnicas más usadas para el mejoramiento de la ganancia en un
sistema de antenas de microcintas, es el uso de los arreglos de elementos. Estos se disponen
uno al lado del otro separados por una distancia, a y b, de aproximadamente λo/2, tanto en el
plano de campo eléctrico como de campo magnético respectivamente, tal y como se muestra
en la Fig. 19. [12].
Para el análisis de esta configuración se considera el uso de las antenas acopladas por
proximidad y en configuración de parches apilados, para aprovechar las ventajas obtenidas en
el ancho de banda y al modo de alimentación. Se asume que las líneas de alimentación no
tienen interacción entre ellas [13].
Fig. 19. Configuración de arreglo de antenas acopladas por apertura y parches apilados.
Las dimensiones de los elementos que utilizaremos en dichos arreglos, son exactamente a las
utilizadas en el punto anterior, y son: Lp2=Wp2=3.8mm, Lp1=Wp1=3.35mm, h1=h2=0.5mm,
h3=1mm ε1=ε2=ε3=2.2εo, Wf=1.55mm, Ls=1.75mm, La=3.2mm, Wa=0.4mm, xo=Lp2/2,
yo=Wp2/2.
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Con el fin de analizar la distancia de separación en el plano H, se diseña en arreglo de 1x4
elementos, tal y como aparece en la Fig.20.
Fig. 20. Arreglo de cuatro elementos en el plano H.
(a)
(b)
Fig.21. Parámetros S Arreglo de la Fig.20. (a) S11. b=12mm , b=10mm , b=8mm . S13. b=12mm ,
b=10mm , b=8mm . (b) S12. b=12mm , b=10mm , b=8mm . S14. b=12mm , b=10mm ,
b=8mm .
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En la Fig.21 podemos observar el comportamiento de los parámetros S, obtenidos mediante
la simulación paramétrica sobre la distancia de separación en el plano de campo magnético.
Estos parámetros tienden a disminuir en magnitud con el aumento de la separación, lo cual
significa que el acople entre elementos disminuye.
Allí se puede apreciar como para una distancia de 10mm, el coeficiente de pérdidas de
retorno mantiene su valor inicial, y como cada uno de los otros parámetros se encuentra por
debajo de -20dB, lo que garantiza un buen nivel de aislamiento entre elementos.
(a)
(b)
Fig.22. Arreglo de la Fig.20. (a) Patrón de Radiación plano E. b=12mm , b=10mm , b=8mm . Patrón
de Radiación plano H. b=12mm , b=10mm , b=8mm . (b) Ganancia de entrada. b=12mm ,
b=10mm , b=8mm .
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En la Fig.22 se observa el patrón de radiación en el plano E y el plano H, así como la
ganancia para los diferentes valores de separación. El campo E se mantiene prácticamente sin
variación alguna, mientras que el campo H, si se aprecian cambios significativos en su forma.
En cuanto a la ganancia, se observa que esta aumenta directamente proporcional con la
distancia de separación entre los elementos, sin embargo no se escoge la distancia de 12mm
como la más óptima, ya que el arrea superficial del arreglo también cuenta, se escoge la de
10mm, ya que desde ese punto el arreglo presenta características buenas de funcionamiento.
Adicionalmente se lleva a cabo la simulación de otro arreglo, en este caso de 2 x 2 (Fig.23.),y
así observar cambios tanto en el plano H como en el plano E.
Fig. 23. Arreglo de cuatro elementos (2x2).
En la Fig.24 se encuentran los resultados obtenidos para los parámetros S, frente a una
variación de la distancia de separación a y b. Nuevamente se observa que para una distancia
de separación de 10mm, los parámetros S del arreglo se encuentran por debajo de -20dB,
valor aceptable para el nivel de acople entre elementos.
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(a)
(b)
Fig.24. Parámetros S Arreglo de la Fig.23. (a) S11. a=b=12mm , a=b=10mm , a=b=8mm . S13.
a=b=12mm , a=b=10mm , a=b=8mm . (b) S12. a=b=12mm , a=b=10mm , a=b=8mm . S14.
a=b=12mm , a=b=10mm , a=b=8mm .
En la Fig.25 se observa el patrón de radiación de este arreglo, de donde se puede decir que
tanto el campo en el plano E como el campo en el plano H, son muy parecidos para un mismo
valor de separación, variando solo un poco en el lóbulo de radiación inversa, lo cual es
perfectamente norma en este tipo de antenas.
También se observa la ganancia, la cual en este caso presenta su máximo en el valor
intermedio de distancia de separación, 10mm, el cual también presenta una buena respuesta
en los parámetros S del arreglo, por lo que se puede decir que este valor de separación es
adecuado.
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(a)
(b)
Fig.25. Arreglo de la Fig.23. (a) Patrón de Radiación plano E. b=12mm , b=10mm , b=8mm . Patrón
de Radiación plano H. b=12mm , b=10mm , b=8mm . (b) Ganancia de entrada. b=12mm ,
b=10mm , b=8mm .
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4. Aplicación Antenas Acopladas electromagnéticamente
Este tipo de antenas de microcinta y arreglos fue rápidamente desarrollado y usado en los
años 80 por el mercado de la defensa y el espacio. Actualmente este tipo de tecnología esta
creciendo a pasos agigantados en el sector comercial.
Mientras que las especificaciones en las antenas usadas en el campo de la defensa y el
espacio se enfocan en máximo desempeño con pocas restricciones en el costo, los usos
comerciales requieren producción a bajo costo, a menudo a expensas de un comportamiento
eléctrico inferior.
Es así como la utilización de antenas de microcinta para los sistemas comerciales requiere la
utilización de los materiales más económicos, así como las técnicas más simple y baratas de
fabricación. A continuación encontramos algunos de los sistemas comerciales que utilizan las
antenas de microcintas:
Aplicación Frecuencia
GPS – Sistema de Posicionamiento Global 1575 MHz y 1227 MHz
Beeper 931-932 MHz
Telefonía Celular 824-849 MHz y 869-895 MHz
PCS – Sistema de Comunicación Personal 1.85-1.99 GHz y 2.18-2.20 GHz
GSM – Sistema global para comunicaciones móviles 890-915 MHz y 935-960 MHz
Red de área local inalámbrica 2.40-2.48 GHz y 5.4 GHz
Video Celular 28 GHz
Televisión satelital 11.7-12.5 GHz
Radar Anticolisión 60 GHz, 77 GHz, y 94 GHz
WAN inalámbrica 60 GHz
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5. CONCLUSIONES
Se lleva a cabo y se presenta un análisis de los parámetros de diseño más relevantes de las
antenas de multicapas, tanto las acopladas por proximidad como las acopladas por apertura, y
que incidencia tienen a la hora de llevar a cabo su respectivo diseño.
Se comprueban las ventajas este tipo de antenas presentan frente a las antenas de una sola
capa, pero sobre todo la facilidad de optimización del diseño, debido a los grados de libertad
adicionales que las antenas multicapas poseen.
Adicionalmente se estudian técnicas de mejoramiento de ancho de banda, donde se obtienen
resultados entre 10% y 30%, lo que implica que se puede evadir una de las limitaciones más
grandes de este tipo de antenas, promoviendo así su uso en una gama más amplia de diseños.
Todos y cada uno de los resultados aquí presentados, pueden ser efectivamente usados para el
diseño de antenas multicapas.
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BIBLIOGRAFÍA
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Handbook, Artech House, January 2001
[3] Georg Splitt, Marat Davidovitz. Guidelines For Design Of Electromagnetically
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[5] Meik Huber, 60 Ghz Antennas For Next Generation WLAN, Swiss Federal Institute Of
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Microstrip Patches In A Finite Array. IEEE Transactions On Antennas And
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[14] Marat Davidovis, Yuen Tze Lo. Rigorous Analysis of a Circular Patch Exited by a
Microstrip Transmission Line. IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol.
37, No. 8, Aug 1989.
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ANEXO 1
Comparación de Resultados obtenidos con Ansoft Designer® contra resultados obtenidos
publicaciones IEEE [14].
Como paso inicial de este trabajo, se llevó a cabo la simulación y respectiva comparación de
antenas de microcinta acopladas electromagnéticamente, en este caso una antena de parche
circular acoplada por proximidad, cuya configuración se muestra en la Fig.26 y posee las
siguientes dimensiones:
Rp = 17.5mm, h1 = h2 = 1.59, ε1 = ε2 = 2.62εo, Wf = 4.37mm.
Plano referencia = 79mm.
Fig.26. Antena Circular Acoplada por proximidad
Para esta antena se tomaron varias longitudes de sobrelape y se llevó a cabo su simulación, la
cual se puede observar en la Fig.27. Allí se aprecia que los resultados obtenidos con la
Herramienta Ansoft Designer® son muy similares a los obtenidos mediante cálculos y
medición de esta antena en [14], por lo que se puede decir que la simulación electromagnética
de este tipo de estructuras en Ansoft Designer® es de buen comportamiento y arroja buenos
resultados.
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(a) (b)
(c) (d)
Fig.27. Ciclo de Impedancia Antena Circular Acoplada por Proximidad. (a) Lf = 9.5mm (b) Lf = 13.5mm (c) Lf =
17.5mm (d) Lf = 21.5mm. Computado Artículo, Medido Artículo, Computado Ansoft.
