diseño y simulación de antena en 2,25ghz con polarizacion circular

PROPAGACION Y ANTENA

TRABAJO FINAL:

Diseo y Simulacin Antena con polarizacin circular en 2250 MHz

Profesor:

Ing. Hugo Passini

Autores:

Alberoni, Cristian

Gutierrez, Agustn

INSTITUTO UNIVERSITARIO AERONAUTICO

Crdoba, 1 de julio de 2015


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Autor: Gutirrez Agustn, Alberoni Cristian Revisin: Ing. Passini

INDICE

1. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 3

2. INTRODUCCION ..................................................................................................................... 4

3. DESARROLLO ......................................................................................................................... 5

3.1 Requisitos ...................................................................................................................... 5

3.2 Clculo de antena Hlice ............................................................................................... 6

3.3 Clculo discos de antena Cigar ...................................................................................... 6

3.4 Simulacin en HFSS ....................................................................................................... 8

3.4.1 Antena Hlice ........................................................................................................ 8

3.4.2 Antena Cigar .......................................................................................................... 9

3.4.3 Antena Parche ..................................................................................................... 13

3.5 Diseo en Solid ............................................................................................................ 21

4. RESULTADOS ....................................................................................................................... 22

4.1 Especificaciones mecnicas ......................................................................................... 22

4.2 Especificaciones elctricas .......................................................................................... 23

4.3 Patrn de radiacin polar ............................................................................................ 23

4.4 Patrn de radiacin 3D ................................................................................................ 23

4.5 Planos constructivos .................................................................................................... 23

5. REFERENCIAS ....................................................................................................................... 24

6. ANEXO ................................................................................................................................. 25


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1. OBJETIVOS

El objetivo del presente trabajo es disear una antena con polarizacin circular la cual

formar parte de un arreglo para un sistema de tracking. Esta tiene que estar diseada

para funcionar en banda C con frecuencia central en 2,25GHz y un ancho de banda tal

que permita en su defecto cambiar la frecuencia de trabajo de 2,45GHz a 2,5GHz. La

ganancia requerida, generacin y forma de lbulos secundarios y rigidez estructural de

la antena, son aspectos fundamentales que se tienen en cuenta para este diseo. Los

objetivos especficos se encuentran detallados en el punto 3.1.


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2. INTRODUCCION

En el presente trabajo se tomaron los siguientes criterios por ser requisitos solicitados

La antena debe:

Tener polarizacin circular

Ser una estructura del tipo antena Cigar

Ser mecnicamente lo ms rgida posible, ya que va estar en

movimiento constante

Ser de fcil construccin

Tener ganancia de al menos 18dB

Tener lbulos secundarios por debajo de 10dB del lbulo principal

Estar sintonizada en 2,25GHz

Con los requerimientos decidi partir de una antena Cigar la cual podra ser excitada

de diferentes maneras que produzcan una polarizacin circular.

Es por esto que se tomaron las alternativas de excitar con una antena helicoidal y una

antena parche de polarizacin circular.

A continuacin se har una breve descripcin de las antenas Helicoidal, Cigar y

Parche y posteriormente en el punto 3 se comenzar con el desarrollo.

Antena helicoidal

El modo axial de la antena helicoidal fue introducido por el Dr. John Kraus, en el ao

de 1940. Esta antena tiene dos caractersticas que la han hecho especialmente

interesante y usada en muchas aplicaciones.

Primeramente la antena helicoidal es circularmente polarizada. La polarizacin circular

es simplemente polarizacin lineal que continuamente rota a travs del espacio. En el

caso de un acarreo helicoidal, la rotacin es hacia la antena axial.

La segunda propiedad interesante de la antena helicoidal es la impedancia y la

ganancia sobre un rango de frecuencia de banda ancha. El beneficio de esta

propiedad es que, cuando es usada para aplicaciones en un estrecho de banda.


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Antena CIGAR

La estructura de una antena CIGAR consiste en discos de metal unidos a una varilla metlica

central. La varilla soporta un TM en modo asimtrico con parmetros fcilmente calculables

que tienen un patrn nulo en el eje.

Diseamos esta antena empricamente mediante la medicin de velocidades de fase a lo largo

de la estructura excitada. La ganancia aumenta ligeramente para un dimetro aumentado,

pero se determina

principalmente por la longitud.

Antena parche

Una antena parche microstrip en su configuracin ms bsica consiste en un parche

radiante en una cara del sustrato dielctrico (en nuestro caso aire), el cual tiene un

plano de masa en la cara opuesta. Los parches pueden tener cualquier forma, pero los

mas comunes y utilizados son de las formas rectangulares, cuadrados y redondos. En

este proyecto y para el diseo de antenas de polarizacin circular que se realizara se

utilizaran parches cuadrados.


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3. DESARROLLO

Como se ver a continuacin en este punto se desarrolla todo el proceso de diseo

que se llev a cabo. Se mostrarn no solo los clculos de cada antena, si no las

decisiones de criterio que se tomaron para finalmente elegir excitar a la antena cigar

con una antena parche. Para lograr la polarizacin circular buscada en la antena

parche se realizaron cortes en dos de las esquinas opuestas de la antena parche

logrando la polarizacin circular simulada mas adelante mediante el software de

simulacin HFSS

3.1 Requisitos

Requisitos solicitados

Frecuencia: 2.25GHz

Impedancia: 50 Ohm

Ganancia (dBi): 18dB

Ancho de banda: 400 MHz

Polarizacin: Circular


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3.2 Clculo de antena Hlice

= 2250

= 133.33

= =

Para el modo Axial:

=

=

=3

4= 100

= (

) = 13

= (13) = 30,7824

Por lo tanto:

= 246,24

3.3 Clculo discos de antena Cigar

Para los clculos de la antena Cigar se utiliz el criterio de Hansen and Woodyard

donde se obtuvieron los siguientes valores:


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Figura 10-1


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Si elegimos 8 lamnda, de los grficos de las Figuras 10-1 y 10-2 se obtiene que para

una antena helicoidal:

P 1,058125

Directividad dB 17,75

Directividad en veces 59,56621435

De la figura 10-1 sacamos que D-d/lamnda

D-d/lamnda 0,184

Si tomamos como medida central de d = 0,18*lamnda (medida promedio)

d [m] 0,024

Por lo tanto D

D [m] 0,048533333

S [m] 0,024

t [m] 0,003333333

Como el criterio es totalmente experimental se decidi usar los valores obtenidos

como puntos de partidas para hacer un modelo en HFSS y comenzar la a variar los

parmetros para encontrar la mejor configuracin.

3.4 Simulacin en HFSS

Los pasos que se siguieron para el proceso simulacin fue:

1. Modelar antena Hlice por separado y encontrar mejor configuracin

2. Modelar antena Cigar por separado y encontrar mejor configuracin

3. Modelar antena Parche por separado y encontrar mejor configuracin

4. Modelar antena Hlice con Cigar y encontrar mejor configuracin

5. Modelar antena Parche con Cigar y encontrar mejor configuracin


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3.4.1 Antena Hlice

3.4.2 Antena Cigar

Basndose en el Paper (http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S2179-

10742011000100001&script=sci_arttext) se decide usar como punto de partida para

encontrar las medidas optimas de la Cigar, usar como elemento excitador un dipolo

distanciado

4.

En la siguiente imagen se observa el modelo inicial usado para la sintona ptima de

los elementos

Modelo para encontrar medidas optimas de antena CIGAR

Estudio paramtrico del dimetro de los Discos de Cigar

Se realiz un estudio paramtrico sobre el dimetros de los discos a una frecuencia de

2,25GHz, varindolos desde 50mm hasta 20mm. Hay de resaltar que el valor estimado

por los clculos aproximados iniciales fue de 48,56mm.


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De la grfica rectangular del patrn de radiacin se obtuvo que para un dimetro de

44mm se tiene un diagrama de radiacin con una directividad mxima de 13.07dB y su

mayor lbulo secundario con directividad mxima de -2.58dB y un siguiente lbulo

segundario de -3.45dB

Por lo visto anteriormente se decide usar un dimetro de discos de 44mm.

Estudio paramtrico de los espesores de los discos

Se realiz un estudio paramtrico sobre el espesor de los discos a una frecuencia de

2,25GHz, varindolos desde 1mm hasta 3mm. Hay de resaltar que el valor estimado

por los clculos aproximados iniciales fue de 3,33mm.

De la grfica rectangular del patrn de radiacin se obtuvo que para un espesor de

1mm se tiene un diagrama de radiacin con una directividad mxima de 13.07dB y su

mayor lbulo secundario con directividad mxima de -2.58dB y un siguiente lbulo

segundario de -3.45dB


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Por lo visto anteriormente se decide usar un espesor de discos de 1mm.

Bsqueda de la directividad especificada

Para llegar a la directividad especificada se agregaron 24 discos con separacin

constante.

El modelo resultante se ve en la figura siguiente:

La directividad que se obtuvo se muestra en el grfico de patrn de radiacin, donde

se puede ver que m1 es el pico de directividad de 16,54dB y m2 y m3 son las

directividades de los lbulos secundarios.


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3.4.3 Antena Parche

Clculos realizados

Valores tericos obtenidos

L1 65,2mm

L2 51,8mm

W 108mm

C 7,05mm

p 11,6mm

H (altura de dielctrico) 10mm

r permitividad relativa (aire) 1,00051

Modelo de simulacin


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Con los valores tericos obtenidos se realiz el modelo en HFSS para su simulacin y

posterior proceso de modificacin de las medidas hasta encontrar la ptima

combinacin.

Resultados de simulacin (grfico de directividad)


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Anlisis de patrn de radiacin y rotacin del campo E para parche Rectangular


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Anlisis de patrn de radiacin y rotacin del campo E para parche cuadrado

Para este caso se hizo que L1 sea igual a L2 del parche para observar cmo afecta

esto al patrn de radiacin y al efecto de polarizacin

Se observ que al hacer L1=L2=51,8mm se afect el patrn de radiacin y el efecto de

rotacin del campo E dej de producirse. Es por esto que se decidi dejar a

L1=51,8mm y variar L2, obtenindose los siguientes resultados ptimos:

L1 = 51,8mm

L2 = 53 mm


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Se decidi tomar como diseo un parche cuasi cuadrado ya que se obtuvieron los

mejores resultados.

Anlisis de rotacin de campo E en parche cuasi cuadrado

Se realiz un estudio sobre la rotacin del campo E sobre la antena parche para lograr

la polarizacin circular. Para esto se fue variando la cota C del patch obtenindose los

siguientes resultados:

Con C=7,05mm

-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00Theta [deg]

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

dB

(Dir

To

tal)

Patch_Antenna_ADKv1Patron de radiacion Parche cuasi Cuadradom1Curve Info

dB(DirTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='2.3GHz' Phi='0deg'

Name X Y

m1 2.0000 9.5717


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Con C=8,00mm

Con C = 9,00 mm


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Con C = 10 mm

Con C = 11 mm


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Con C = 12 mm

Con C = 13 mm


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Con C = 14mm

De las animaciones de la rotacin del campo E se puede demostrar que para los C <

10 mm, la rotacin del campo se inicia pero no es uniforme. Para valor de C >= 10 mm

tiende a ser uniforme a costa de una perdida de ganancia.

Por lo dicho anteriormente se decide usar un C = 10 mm, para el cual se tiene el

siguiente diagrama de radiacin rectangular:


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Del grfico anterior podemos decir la antena parche supera el ancho de banda a 3dB

solicitado, ya que se encuentra por encima de 600MHz de ancho de banda con

frecuencia central en f = 2,3GHz

3.4.4 Antena Parche-Cigar

Modelo de simulacin

-150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00Theta [deg]

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

13.05

Y1

Patch_Antenna_ADKv1Variacion de patron de radiacion en funcion de Frecuencia

MaxGain 2 1GHzMaxGain 2 3GHzMaxGain 2 25GHz

MaxGain 2 45GHzMaxGain 2 5GHzMaxGain 2 6GHz

MaxGain 2GHz

Curve Info

dB(GainTotal)_1ImportedFreq='2.45GHz' Phi='0deg'

dB(GainTotal)225 : LastAdaptiveFreq='2.25GHz' Phi='0deg'

dB(GainTotal)_2ImportedFreq='2.3GHz' Phi='0deg'

dB(GainTotal)_3200 : LastAdaptiveFreq='2GHz' Phi='0deg'

dB(GainTotal)_4210 : LastAdaptiveFreq='2.1GHz' Phi='0deg'



Name X Y

MaxGain 2GHz -10.0000 7.8742

MaxGain 2 1GHz -8.0000 8.9034

MaxGain 2 3GHz 0.0000 9.6443

MaxGain 2 25GHz -2.0000 9.5264

MaxGain 2 45GHz 6.0000 9.9655

MaxGain 2 5GHz 6.0000 9.9495

MaxGain 2 6GHz 8.0000 9.6861


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Estudio de espaciamiento entre antena Parche y Cigar

Para el siguiente estudio se vari la separacin entre antenas desde

4 hasta

8,

usndose la opcin parametric de HFSS. A continuacin se muestran los diagramas

de radiacin de la simulacin para los mejores resultados obtenidos (para

espaciamientos de

4 y

8 ):

Espaciamiento de

4

Espaciamiento de

8

-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00Theta [deg]

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

Patch_Cigar_AntennaXY Plot 2

m 1 Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptiveFreq='2.25GHz' Phi='0deg'

Name X Y

m 1 0.0000 17.0175

-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00Theta [deg]

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

Patch_Cigar_AntennaXY Plot 1m1

m3

Curve Info



Name X Y

m1 0.0000 17.6853

m3 -36.0000 4.6971


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A pesar que el patrn de radiacin se mejora con una separacin entre parche y el

primer disco de

8, se observa que cuando se grafica la magnitud del campo E sobre el

parche este pierde el efecto de rotacin. Lo cual con un espaciamiento de

4 no sucede.

Esto se puede ver en las animaciones siguientes:

Rotacin del campo E con espaciamiento

4


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Rotacin del campo E con espaciamiento

8

Por lo visto anteriormente se decide usar un espaciamiento de

4

Para llegar al requerimiento de ganancia de 18dB, se agregaron 4 discos ms para

tener un total de 28. La figura siguiente muestra el patrn de radiacin obtenido para

esta nueva modificacin:


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Se puede apreciar que se obtiene un lbulo principal con un mximo de ganancia de

18,24dB y lbulos laterales que no superan los 5,46dB.

3.5 Diseo en Solid

En este punto se muestra el diseo mecnico de las antenas Helice-Cigar y Parche-

Cigar que son resultado de las simulaciones realizadas en el punto 3.4.

Aunque no se ha finalizado la simulacin de la antena Helix-Cigar, el diseo mecnico

se termin de manera de dejar antecedentes del trabajo realizado.

3.5.1 Antena Hlice Cigar

Vista Isomtrico

-200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00Theta [deg]

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

dB

(Ga

inT

ota

l)

Patch_Cigar_AntennaDiagrama de radiacin rectangular con 28 discos

Mx lbulo secundario

Max lbulo principalCurve Info






Name X Y

Max lbulo principal 0.0000 18.2460

Mx lbulo secundario -30.0000 5.4676


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Vista superior

3.5.2 Antena Parche Cigar Vista Isomtrica


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Vista de conector SMA

4. RESULTADOS

4.1 Especificaciones mecnicas

Especificaciones

Largo total 729,25 mm

Ancho total 170 mm

Alto total 170 mm


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Peso estimado 1,039 Kg

Volumen estimado 136,59 cm3

4.2 Especificaciones elctricas

Especificaciones

Frecuencia central 2300 MHz

Ganancia (dBi) 18,24dB

Impedancia 50 Ohm

Ancho de banda Sin dato

Ancho de haz a 3dB Sin dato

4.3 Patrn de radiacin polar

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

90

60

30

0

-30

-60

-90

-120

-150

-180

150

120

Patch_Cigar_AntennaPatrn de radiacin polarCurve Info





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4.4 Patrn de radiacin 3D

4.5 Planos constructivos

Los planos constructivos se encuentran en el punto 6 Anexo


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5. CONCLUSION

Se pudo observar que cuando se analiz la opcin de excitacin de una antena

CIGAR con una antena hlice, no se logr encontrar la distancia ptima para lograr la

mxima transferencia de energa al excitar la antena CIGAR. Es para denotar que a

pesar de lo expuesto anteriormente, la hlice tiene la ventaja de generar una

polarizacin circular muy uniforme, en contraposicin se necesita una cantidad de

espiras altas para la ganancia requerida y como resultado se obtiene una antena con

una longitud elevada, de construccin menos sencilla y de estructura menos rgida.

Por otro lado la opcin de usar una antena parche con polarizacin circular tiene la

ventaja de ser compacta, de fcil construccin y estructuralmente ms rgida que la

hlice. Como desventaja, tal como se mostr en las grficas del campo E rotante

sobre la superficie la polarizacin circular no es tan uniforme y de ancho de banda

reducido.

Cuando se estudi el ancho de banda del parche, no se pudo realizar la simulacin ya

que la solucin no converga (por cantidad de pasos y complejidad de la figura), es por

esto que se opt por estimarla.

Se hizo la suposicin, segn la informacin bibliogrfica, de que el ancho de banda

vara entre un 10% a 30%. Es por esto que se tom como peor caso un 10% y se

decidi colocar como frecuencia central fc = 2.3GHz teniendo un BW = 235MHz y

pudiendo cubrir las frecuencias de 2.25 GHz y 2.4GHz solicitadas posteriormente en

una revisin del presente trabajo.


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6. REFERENCIAS

[1] Radio propagation fundamental Kenneth Bullington 21 junio 1956 Bell Company

[2] Antenas de polarizacin circular para sistemas RFIC Eloy Guilln Mart junio 2010 Universidad Rovira

[3] Construccin de una antena helicoidal de 1.9GHz 21 de mayo 2004 Universidad autnoma metropolitana

[4] Study of Backfire Antennas G. S. Kirov y H. D.Hristov 1 de junio 2011 Journal of Microwaves

[5] Modern antenna design 2nd edition Thomas A. Milligan mayo 2005 JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION


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7. ANEXO

Planos constructivos

1. OBJETIVOS2. INTRODUCCION3. DESARROLLO3.1 Requisitos3.2 Clculo de antena Hlice3.3 Clculo discos de antena Cigar3.4 Simulacin en HFSS3.4.1 Antena Hlice3.4.2 Antena Cigar3.4.3 Antena Parche3.4.4 Antena Parche-Cigar

3.5 Diseo en Solid3.5.1 Antena Hlice Cigar3.5.2 Antena Parche Cigar

4. RESULTADOS4.1 Especificaciones mecnicas4.2 Especificaciones elctricas4.3 Patrn de radiacin polar4.4 Patrn de radiacin 3D4.5 Planos constructivos

5. CONCLUSION6. REFERENCIAS7. ANEXO

diseño y simulación de antena en 2,25ghz con polarizacion circular

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