Antena Dipolo a Frecuencia de 945.7 MHzDavid Pacheco, Yessenia Gusqui, Alexandra Flores, Francisco Shagñay

Escuela de Ingeniería Electrónica Telecomunicaciones y Redes, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Riobamba, Ecuador

Abstract—In this work we will present the design and analysis of a Dipole antenna, which is operating at 945.7 MHz frequency. This paper has the designed and the simulation of the antenna. The substrate material used in the design is FR4 epoxy with 4.4 relative permittivity. The simulation has been performed and optimized by using software HFSS v13.0.

I. INTRODUCCIÓN

A. Antena Dipolo

La antena dipolo es la más sencilla de todas. Consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión [1]. El dipolo presenta una estructura sencilla permitiendo una simulación cómoda y rápida, por lo que fácilmente se puede conocer el efecto del medio y del entorno sobre la antena. En cambio, en la medida resulta difícil de medir en banda ancha ya que es necesario implementar un balun con gran ancho de banda, por lo que esta estructura se ha utilizado solo en simulación [2].

II. ANTENA DIPOLOEste tipo de antena cuenta con una alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia y consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión, estas antenas al estar construidas generalmente en cobre y terminarse en dos puntas que introducen una cierta capacidad que no existe en el conductor continuo, para obtener la resonancia lo apropiado es acortar ligeramente esta longitud debido al mismo efecto que el factor de propagación de las líneas de transmisión, es decir para efectos prácticos, se puede considerar que al acortar la longitud a un 5% se logra conseguir la condición de resonancia. 

A. Distribución de corriente y tensión

La distribución de corriente y tensión en un dipolo es tal como se muestra en la figura1. En el centro tenemos una tensión reducida y una intensidad elevada, mientras que en las puntas se produce una tensión muy elevada y una intensidad nula. Esto quiere decir que hay que tener cuidado con la sujeción de esos puntos. Si el aislador no es de buena calidad, la elevada tensión existente en las puntas puede producir grandes pérdidas. También hay que tener en cuenta el hecho de que incluso con potencias pequeñas se pueden producir quemaduras en caso de tocar accidentalmente esas puntas [1].

Figura1. Distribución de corriente y tensión

B. Impedancia de un dipoloLa impedancia nominal de un dipolo es de 73 ohmios. Sin embargo, en un dipolo real situado a una cierta distancia del suelo la impedancia varía considerablemente. Este efecto no tiene demasiada importancia si se puede aceptar una ROE máxima en la línea de transmisión de 2:1.Si se quiere anular esta ROE sólo podemos hacerlo variando la altura del dipolo. Cuanto más alto se encuentra el dipolo respecto a tierra, menor es la variación de impedancia y más se aproxima al valor nominal de 73 ohmios.

C. Radiación de un dipoloLa radiación de un dipolo en el espacio libre es tal como se indica en la figura 2; en un plano perpendicular a la dirección del hilo del dipolo. Radia exactamente igual en todas direcciones: mientras que en el plano del dipolo radia con un máximo en la dirección perpendicular al hilo y un mínimo en la dirección del hilo. O sea que el dipolo es ligeramente directivo y tiene una ganancia respecto a una antena isotrápica de 2,3 dB en direcciones perpendiculares al hilo del dipolo. A efectos prácticos puede decirse que el dipolo es omnidíreccional, excepto para direcciones hacia las puntas o muy próximas a ellas.

Figura2. Radiación de un dipolo

II. DISEÑO DE LA ANTENA

El rendimiento de la antena dipolo depende de su dimensión. También influyen parámetros como la frecuencia de operación, eficiencia de radiación, directividad, pérdida de retorno [3]. En la Fig.3 se muestra las dimensiones de la antena dipolo que tiene F R4_epoxy con una permitividad relativa = 4,4 y h = espesor de 1,6 mm. Las dimensiones de la antena, después de la optimización mediante el análisis de onda completa bajo software HFSS, y donde el plano de tierra es un rectángulo de 5x20 cm. Para la excitación de la antena optamos por la alimentación por el centro.

Figure 3. Dimensiones de la Antena

A. Parámetros de Análisis de la Antena

La Fig. 4 ilustra el coeficiente de reflexión de la antena. En el gráfico muestra que la pérdida de retorno S es de -16 dB 945.7 M Hz y el ancho de banda es de alrededor de 0.9016 MHz a 0,9942 MHz, que representa 0.0924 MHz.

Figure 4. Parámetro de perdida S

El ROE máximo admitido generalmente es igual a 2; esta es una potencia reflexión de -9,5 dB equivalente a 12% de la potencia reflejada. El ROE tiene un valor de 1,2. La Fig.5 muestra la parte real e imaginaria de la impedancia de la antena.

Figura5. Coficiente de reflexion VSWR o ROE

La Fig. 6

ilustra el diagrama de radiación en el ángulo de elevación (φ = 0o) a una frecuencia de operación de 945.7MGHz.

Figure 6. Diagrama de Radiación

La Fig. 7 muestra la directividad en el ángulo de elevación de un solo elemento de la antena dipolo que se normalizó en 10 dB (φ = 0o).

Figura7. Directividad de la antena

La directividad en azimuth es ilustrada en la Fig.8 y también la trama debe estar en θ = 90°.

Figura 8. Directividad en azimuth

III CONCLUSIONES Para lograr que la antena resuene a la frecuencia

deseada lo apropiado es acortar ligeramente la longitud de onda debido al mismo efecto que el factor de propagación de las líneas de transmisión, es decir para efectos prácticos, se puede considerar que al acortar la longitud a un 5% se logra conseguir la condición de resonancia. 

La forma del campo irradiado depende básicamente de la longitud de la antena medida en longitudes de onda y de las terminaciones que determinan el grado de adaptación que tiene la antena, lo que se traduce en una mayor o menor cantidad de pérdidas.

El ancho de banda de la antena depende principalmente de la impedancia de la antena, eficiencia de radiación, ganancia, ancho del haz y su dirección. Es decir abarca todas estas características en conjunto, e implica valores aceptables de cada una para un funcionamiento satisfactorio de la antena.

IV REFERNCIAS[1] T. Huque, K. Hosain, S. Islam, A. Chowdhury, “Design and

Performance Analysis of Microstrip Array Antennas with Optimum Parameters for X-band Applications”[Online], International Journal of Advanced Computer Science and Applications (IJACSA) Vol.2, no 4, pp. 82-87. Available FTP: ijacsa.thesai.org, Directory: http://thesai.org/ downloads/volume2no4/paper%2013-design%20and%20performance%20analysis%20of%20microstrip%20array%20antennas%20with%20optimum%20parameters%20for%20x-band%20appli.pdf

[2] B. Constantine,“Arrays: Linear, Planar, and Circular,” in Antenna Theory, Analysis and Desing, A JOHN WILEY & SONS, INC., PUB- LICATION, 2005, p. 283.

[3] Y. Khraisat. (2012 Jan.). “Design of 4 Elements Rectangular Microstrip Patch Antenna with High Gain for 2.4 GHz Applications,” [Online], Modern Applied Science, Vol.6, no 1, pp. 68-74.Avialable FTP: cc- senet.org/mas, Directory: http://dx.doi.org/10.5539/mas.v6n1p68

[4] F. Haroun, H. Lu, Y. Sun, X. Lv, “Design of the spherical array orthogonal Projection a planar microstrip Antenna Array” [Online], International Conference on Mechatronic Science, Electric Engineering and Computer (MEC). 2013, 20-22 Dec, Shenyang, China, pp. 3375-3378.

ANEXOS

Figura9. Diseño de la antena en la baquelita

Figura10. Perforando la baquelita

Figura11. Insertando el conector tipo N

Figura12. Antena dipolo terminada

Figura13. Diseño de la antena en el software HFSS V13.0