proyecto de investigación_paracalcularantenasparche

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y

ELCTRICA

DISEO DE UN ARREGLO FASORIAL DE

ANTENAS DE PARCHE CON TCNICA DE

REDUCCIN DE ESTRUCTURA DE

MICROCINTA IMPERFECTA

PROYECTO DE INVESTIGACIN

SIP 20130564

PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRNICA

PRESENTAN:

ARANA ORTEGA EDSON KEVIN PORTILLO GARCA ISA AZGAD

ASESOR TCNICO: DR. JOS ALFREDO TIRADO MNDEZ

CO-ASESOR TCNICO: DR. ROBERTO LINARES Y MIRANDA

ASESOR METODOLGICO: ING. JULIO CSAR NIEVES GODNEZ

Mxico, D. F., Diciembre 2013

Arreglo de antenas de parche con tcnica DMS | 2013

AGRADECIMIENTOS

Al CONACYT por su apoyo financiero para desarrollar prototipos de antenas a travs del proyecto

127856.

Al Laboratorio de Radiocomunicaciones del CINVESTAV por las facilidades brindadas para el

desarrollo de antenas.

Al Laboratorio de Compatibilidad Electromagntica de la ESIME-Zacatenco por las facilidades

brindadas para la realizacin de las mediciones de la antena.

Al proyecto SIP IPN 20130564 por el apoyo financiero para la adquisicin del material de

construccin del prototipo.


El logro al que se ha llegado en todo este trayecto de aprendizaje es debido a la dedicacin, al gusto, a

la paciencia y a la constancia, que a pesar de que hubo tropiezos nunca existi una razn para quedarse

atrs. Por sta razn quisiera agradecerle a la persona que hasta el momento ha sido el motor de todo lo

que he logrado, por su apoyo, por su cario, por su comprensin, esa persona que siempre me motivo

para hacer lo que ms he querido, esa persona es mi madre, gracias por ser una mujer admirable, una

mujer que ha luchado por ella y por sus hijos, que nos ha enseado a ser grandes personas, que nos ha

apoyado en cada momento, en victorias o derrotas. Por esto y muchas cosas ms, muchas gracias

madre.

A mi familia, tos, primos, abuelitos, que me apoyaron desde el inicio de sta etapa para poder lograr

sta meta, que nunca me dieron la espalda sino que me animaban para seguir adelante.

De igual manera quisiera agradecer a esa gran amigo que he tenido a lo largo de la vida, esa persona

con la que he compartido historias en todo este tiempo, que nunca me ha dejado solo en los momentos

ms difciles y que me ha apoyado en los momentos en que ms lo necesito, a ti, hermano, muchas

gracias. A mi hermana, que aunque en ocasiones ha sido difcil la relacin, hemos aprendido a convivir

como hermanos, a aprender el uno del otro, el mejorar da a da.

Al Dr. Jos Alfredo Tirado, asesor de este proyecto de investigacin, por sus asesoras constantes que

nos sirvieron de mucha ayuda para poder avanzar da con da, por los conocimientos brindados, y ms

especialmente por la confianza que nos tuvo para poder llevar a cabo ste trabajo.

A mi compaero de proyecto, porque sin l no habra podido llegar hasta donde estamos, porque ms

que un compaero es un amigo, con el que pude compartir este momento tan importante para ambos,

con el que pas presiones, diferencias, desvelos, tan slo para llegar a la conclusin de este viaje.

A todos aquellos profesores y profesoras que me brindaron un poco de su conocimiento para poder

saber lo que ahora s, que nunca se limitaron a ensear, y en los que pude encontrar ms que una

relacin de profesor alumno.

A todas aquellas personas que me dieron su amistad en todo este tiempo, gracias por sus consejos, por

sus regaos, por su tiempo que me brindaron, gracias por formar parte de esta etapa de mi vida en la

que espero que an sigan. Gracias por compartir cada momento que pasamos.

A todas stas personas que han formado parte de mi vida y que formaron parte de esta etapa

MUCHAS GRACIAS.

Arana Ortega Edson Kevin


A mi madre, por ser el ejemplo de dedicacin y constancia, por el amor incondicional, el apoyo

incomparable e ilimitado y por todas esas exhortaciones que con amor me diste en esta etapa de

formacin profesional.

A mi padre, por fomentar en m el anhelo de seguir buscando lo mejor de lo mejor y por todas aquellas

enseanzas ejemplares.

Al Dr. Jos Alfredo Tirado Mndez, por la oportunidad que me dio de trabajar con usted en este

proyecto de titulacin y la confianza que me ha brindado.

Portillo Garca Isa Azgad


Pgina I

CONTENIDO

Objetivo General .................................................................................................................................................... IV

Objetivos Particulares ............................................................................................................................................. IV

Justificacin ............................................................................................................................................................. V

Captulo I Antenas De Parche ..................................................................................................................................1

1.1 Parmetros ................................................................................................................................................3

1.1.1 Patrn De Radiacin .........................................................................................................................4

1.1.1.1 Lbulos De Patrones De Radiacin ..................................................................................................5

1.1.1.2 Regiones De Campo .........................................................................................................................6

1.1.2 Intensidad De Radiacin ...................................................................................................................8

1.1.3 Directividad ......................................................................................................................................8

1.1.4 Ganancia ........................................................................................................................................ 10

1.1.5 Polarizacin ................................................................................................................................... 11

1.1.6 Impedancia .................................................................................................................................... 12

1.1.7 Ancho De Banda ............................................................................................................................ 12

1.1.8 Densidad De Potencia Radiada ...................................................................................................... 12

1.1.9 rea Efectiva ................................................................................................................................. 14

1.1.10 Longitud Efectiva .......................................................................................................................... 14

1.1.11 Eficiencia ....................................................................................................................................... 14

1.1.12 Ancho De Haz De Media Potencia ................................................................................................ 15

1.1.13 Eficiencia Del Haz ......................................................................................................................... 15

1.2 Geomtrias Empleadas En Antenas De Parche ..................................................................................... 16

1.2.1 Geometra Rectangular .................................................................................................................. 16

1.1.2 Geometra Circular ........................................................................................................................ 17

1.2.3 Geometra De Anillo ..................................................................................................................... 17

1.2.4 Geometra De Dipolos ................................................................................................................... 18

1.2.5 Geometra Triangular .................................................................................................................... 19

1.3 Caractersticas Del Sustrato ................................................................................................................... 20


Pgina II

1.4 Arreglos De Antenas ............................................................................................................................. 23

1.4.1 Arreglos Lineales ........................................................................................................................... 25

1.4.2 Arreglo Plano ................................................................................................................................. 28

Conclusiones Del Captulo I .............................................................................................................................. 29

Captulo II Antenas De Parche Rectangular .......................................................................................................... 30

2.1 Antena Parche Convencional A 2.4 GHz .............................................................................................. 31

2.1.1 Tipos De Alimentacin ......................................................................................................................... 34

2.1.1.1 Alimentacin Directa ...................................................................................................................... 34

2.1.1.1.1 Alimentacin Por Microcinta .................................................................................................... 34

2.1.1.1.2 Alimentacin Por Conector Coaxial ......................................................................................... 35

2.1.1.2 Alimentacin Por Proximidad ......................................................................................................... 36

2.1.1.3 Alimentacin Por Apertura ............................................................................................................. 37

2.1.2 Diseo De Una Antena Parche A 2.4 GHz .................................................................................... 39

2.1.3 Simulaciones Y Resultados ........................................................................................................... 49

2.2 Arreglos De Antenas Parche.................................................................................................................. 67

2.2.1 Diseo De Un Arreglo De Antenas De 1x2 ................................................................................... 68

2.2.1.1 Simulaciones Y Resultados ............................................................................................................. 71

2.2.2 Diseo De Un Arreglo De Antenas De 1x4 ................................................................................... 73


Conclusiones Del Captulo II ............................................................................................................................ 80

Captulo III Diseo Del Arreglo De Antenas Con DMS ....................................................................................... 82

3.1 Tcnica De Reduccin Por Medio De Estructura De Microcinta Imperfecta (DMS) ........................... 82

3.2 Antena De Parche Reducida Con Defecto De Microcinta (DMS) ........................................................ 87

3.3 Arreglos De Antenas De Parche Reducidas Por DMS .......................................................................... 91

3.3.1 Arreglo De 1x2 .............................................................................................................................. 91


3.3.2 Arreglo De 1x4 .............................................................................................................................. 94


Conclusiones Del Captulo III ........................................................................................................................... 97

Captulo IV Construccin Y Caracterizacin Del Arreglo .................................................................................... 98

Conclusiones Del Captulo IV ......................................................................................................................... 114

Captulo V Conclusiones Generales .................................................................................................................... 116


Pgina III

Referencias .......................................................................................................................................................... 123

Lista De Figuras .................................................................................................................................................. 125

Lista De Tablas .................................................................................................................................................... 127

Anexo 1 ............................................................................................................................................................... 128


Pgina IV

OBJETIVO GENERAL

Disear, simular, construir, optimizar y caracterizar un arreglo de antenas de tamao pequeo con

tcnica DMS.

OBJETIVOS PARTICULARES

Diseo de antenas en paralelo.

Estudio y comprensin de estructuras imperfectas.

Aplicacin de la tcnica DMS en antenas parche.

Arreglos de antenas de tamao pequeo con DMS.


Pgina V

JUSTIFICACIN

Las necesidades que la sociedad actualmente ha desarrollado por mantenerse comunicada y no slo de

manera almbrica, sino a travs de dispositivos mviles, han hecho que se diseen y desarrollen

sistemas con mayor independencia, de bajo costo y tamaos pequeos. De estos dispositivos, un

parmetro muy importante, para comunicaciones inalmbricas, es la antena.

Ests antenas en sus inicios fueron de gran tamao y de mayor costo, sin embargo, en la actualidad se

desarrollan antenas de menor tamao que puedan ser utilizadas con mayor facilidad y que cumplan las

mismas caractersticas de las antenas de gran tamao, de igual manera para poder obtener un mejor

funcionamiento se disean arreglos de antenas de tamao pequeo que sean ms baratas pero con la

misma calidad en su funcionamiento.


Captulo 1 Pgina 1

Captulo I

Antenas de Parche

El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define a una antena como aquella parte de un sistema

transmisor o receptor diseada especficamente para radiar o recibir ondas electromagnticas [1]. Las formas de

las antenas son muy variadas, pero todas tienen en comn el ser una regin de transicin entre una zona donde

existe una onda electromagntica guiada y una onda en el espacio libre, a la que puede adems asignar un

carcter direccional.

Las ondas que viajan en el espacio estn caracterizadas por su frecuencia y su longitud de onda, estas

caractersticas estn relacionadas con la velocidad de propagacin del medio. El conjunto de todas las

frecuencias, tambin llamado espectro de frecuencias o espectro electromagntico, se divide por dcadas en

distintas bandas. Existen distintas aplicaciones en las cuales las antenas deben estar configuradas para transmitir

o recibir ondas en bandas especficas de frecuencias. Existen organismos de normalizacin, que determinan

porciones de ese espectro. El espectro de frecuencias se muestra a continuacin en la tabla 1.1, en donde se ve la

gama de las distintas frecuencias.

Tabla 1.1 Bandas de Frecuencias


Captulo 1 Pgina 2

Como se ha mencionado, dependiendo de la aplicacin de la antena sta tendr diferentes parmetros. Esto nos

permite tener una diversidad de tipos de antenas.

Una antena resonante es una antena de onda estacionaria con una reactancia de entrada de valor cero cuando se

encuentra en resonancia, por lo que su impedancia de entrada ser real. Las antenas resonantes funcionan bien en

una simple o en una seleccin estrecha de bandas de frecuencias. Ests antenas son muy populares cuando una

estructura simple con una buena impedancia de entrada sobre una banda estrecha de frecuencias es necesaria.

Tiene un lbulo principal amplio y su ganancia es baja o moderada (unos pocos dB) [2].

Existen otro tipo de antenas conocidas como antenas impresas, las cuales son construidas usando tcnicas de

fabricacin de circuitos impresos, de tal manera que una porcin de la capa de metal (metalizacin) es

responsable de la radiacin. Las antenas de microcinta con elementos de parche, y arreglos de parche, son las

formas ms comunes de antenas impresas y fueron ideadas en la dcada de 1950 y las investigaciones de las

antenas de parche (patch) iniciaron en la dcada de 1970, con lo cual dieron lugar al diseo de varias

configuraciones de antenas tiles.

Estas antenas son populares entre los ingenieros por su bajo perfil con el que cuentan, adems por la facilidad de

configuracin para geometras especializadas, as como los bajos costos al producirlas en grandes cantidades.

A partir de este punto comenzaremos a hablar y a concentrarnos en la Antena de Parche, entonces, las antenas

tipo parche son tambin conocidas como antenas impresas (microstrip antennas), estas consisten en un parche

metlico dispuesto sobre un sustrato dielctrico, colocado encima de un plano metlico, mostrada en la figura

1.1. El parche es habitualmente de forma rectangular o circular y de dimensiones del orden de media longitud de

onda (/2). Cuando se selecciona la forma de parche, estas antenas son muy verstiles respecto a la frecuencia de

resonancia, polarizacin, patrones de radiacin e impedancia. Pero algunas de sus desventajas con las que cuenta

son: baja eficiencia, baja potencia, su ancho de banda es muy estrecho y genera radiacin espuria. [2]


Captulo 1 Pgina 3

(a) (b) Figura 1.1 Ejemplo de Antena de Parche

(a) Antena Microcinta, (b) Vista lateral de la antena

La antena de parche pertenece a la clase de las antenas resonantes y su comportamiento resonante es el

responsable del principal desafo en el diseo de la antena de microcinta, que es el lograr el ancho de banda

adecuado. El parche resuena en una de sus dimensiones que es el largo y radia en la otra dimensin que es el

ancho [3]. Los diseos convencionales de parches producen anchos de banda tan bajos, alrededor del 2%. La

naturaleza resonante de una antena de microcinta nos indica que por debajo de las frecuencias de la banda UHF

(0.3 3 GHz) se vuelven excesivamente grandes. Estas antenas son usadas tpicamente en frecuencias de 1 hasta

100 GHz.

En este tipo de estructuras existen modos de propagacin que se llaman ondas superficiales los cuales viajan

dentro del sustrato y se dispersan en los bordes y discontinuidades de la superficie, tales como el truncamiento

del dielctrico y el plano de tierra, degradando el patrn de la antena y las caractersticas de polarizacin.

1.1 PARMETROS

La mayor parte de las antenas son dispositivos recprocos, ya que se comportan del mismo modo en transmisin

como en recepcin. Las antenas son tratadas como trasmisor o como receptor segn corresponda la situacin en

particular. En transmisin, una antena es capaz de transformar voltajes en ondas electromagnticas y


Captulo 1 Pgina 4

posteriormente radiar la densidad de potencia de la onda electromagntica. En el modo de recepcin, las antenas

actan recogiendo ondas electromagnticas entrantes y las transforma en variaciones de voltajes, posteriormente

las direccionan a un punto de alimentacin comn donde una lnea de transmisin es unida. En algunos casos, las

antenas enfocan las ondas de radio como los lentes enfocan las ondas pticas [2]. Las antenas se caracterizan por

una serie de parmetros, y a partir de estos pueden ser clasificadas. Los principales parmetros que se usan en las

antenas se enuncian a continuacin.

1.1.1 Patrn de Radiacin

El patrn de radiacin (o simplemente patrn) es quiz la caracterstica ms importante de las antenas; especfica

las variaciones angulares de radiacin en una distancia fija alrededor de una antena cuando sta est

transmitiendo.

El patrn de radiacin es una representacin grfica de las propiedades de radiacin (campo lejano) de una

antena en funcin de las distintas direcciones del espacio, a una distancia fija [2]. Vemos que los campos de

radiacin de una antena en transmisin varan de manera inversa con respecto a la distancia (1/r), donde r es la

distancia desde la antena al punto de anlisis o de medicin. Con la antena situada en el origen y manteniendo la

distancia de manera constante, se expresar el campo elctrico en funcin de las variables angulares (, ), donde

estas variables representan el campo elctrico en coordenadas esfricas (r, , ), como se muestra en la figura

1.2:


Captulo 1 Pgina 5

Figura 1.2 Sistema de coordenadas esfricas.

La radiacin es cuantificada slo por el valor de la densidad de potencia S en una distancia r de la antena.

Cuando recibe, la antena responde a una entrante de una direccin dada conforme al valor del patrn en esa

direccin. Las antenas pueden tener el patrn de radiacin: isotrpico, direccional y omnidireccional [4]; cada

uno de estos parmetros los podemos describir como:

Isotrpico: este patrn es el ideal y fsicamente no realizable, se define como una antena sin

perdidas, teniendo la misma radiacin en todas las direcciones. Con frecuencia es utilizada como

referencia para expresar las propiedades directivas de las antenas.

Direccional: es aquella antena que tiene la propiedad de radiar o recibir ondas electromagnticas

con mayor eficiencia en algunas direcciones que en otras.

Omnidireccional: es el patrn que esencialmente tiene un comportamiento no direccional en un

plano dado.

1.1.1.1 Lbulos de patrones de radiacin

Un lbulo de radiacin es una porcin del patrn de radiacin, limitado por las regiones donde la intensidad de

radiacin es relativamente baja. Los lbulos de radiacin cuentan con una clasificacin, la cual se hace

referencia en varias partes de los patrones de radiacin, los lbulos se pueden clasificar como: lbulo mayor o


Captulo 1 Pgina 6

principal, lbulo menor, lbulo lateral y lbulo trasero o posterior [4]. Las caractersticas de cada lbulo se

mencionan enseguida:

El lbulo mayor o tambin conocido como haz principal, se define como el lbulo de radiacin

que contiene la direccin mxima de radiacin. En algunas antenas, como las antenas de haz

dividido, pueden tener ms de un lbulo mayor.

Un lbulo menor es cualquier lbulo a excepto del lbulo mayor.

El lbulo lateral es un lbulo de radiacin que usualmente se encuentra adyacente al lbulo

principal.

Un lbulo trasero es un lbulo de radiacin cuyo eje hace un ngulo de aproximadamente 180

con respecto al haz de la antena. Este lbulo ocupa la direccin opuesta al lbulo principal.

En la figura 1.3 podemos observar ciertos patrones de radiacin de diferentes tipos de antenas y ver sus

variaciones de los lbulos de acuerdo a ciertas caractersticas de cada una de ellas.

1.1.1.2 Regiones de campo

El espacio que rodea a una antena es dividido usualmente en tres regiones: regin reactiva, regin radiada

(Fresnel) y la regin de campo lejano (Fraunhofer). [4]

La regin reactiva, es una porcin del campo cercano que rodea inmediatamente a la antena en donde el campo

reactivo predomina. Este campo se delimita comnmente por la siguiente distancia r.

2

62.0D

r (1.1)

Donde:

D, es la Longitud de la Antena.


Captulo 1 Pgina 7

, es la Longitud de Onda.

La regin de radiacin o regin de Fresnel es la regin que se encuentra entre la regin reactiva y la regin de

campo lejano, donde los campos de radiacin predominan y la distribucin del campo angular es dependiente de

la distancia de la antena. Si la antena tiene una magnitud mxima, la cual es muy chica comparada a la longitud

de onda, este campo no existir. El lmite interno de este campo est dado por la ecuacin anterior y su lmite

externo est dado por la siguiente distancia r:

22Dr (1. 2)

La regin de campo lejano, conocida como regin de Fraunhofer, es la regin del campo de una antena donde la

distribucin del campo angular es totalmente independiente de la distancia de la antena. En esta regin, los

componentes del campo son esencialmente transversales y la distribucin angular es independiente de la

distancia radial donde se realizan las mediciones.

El lmite interno est dado por la ecuacin anterior y el lmite externo se da por el infinito.

Figura 1.3 Patrones de radiacin, con variaciones de los lbulos principales y secundarios


Captulo 1 Pgina 8

1.1.2 Intensidad de Radiacin

La intensidad de radiacin en una direccin dada se define como la potencia de radiacin de una antena por

unidad del ngulo slido [4]. Este es un parmetro de un campo lejano. Se obtiene con una simple multiplicacin

de la densidad de radiacin por el cuadrado de la distancia.

radWrU2 (1.3)

Donde:

U, es la Intensidad de radiacin. [W/unidad del ngulo]

Wrad, es la Densidad de radiacin.

r, es la Distancia.

1.1.3 Directividad

La directividad D de una antena se define como la relacin entre la densidad de potencia radiada en una

direccin, a una distancia dada, y la densidad de potencia promedio que radiara a esa misma distancia una

antena isotrpica que radiase la misma potencia que la antena [4].

El promedio de la intensidad de radiacin es igual al total de energa radiada de la antena dividido entre 4. Si la

direccin no llega a estar especificada, se tomar que la mxima intensidad de radiacin est implcita.

En otras palabras, la directividad de una fuente no isotrpica es igual al radio de la intensidad de radiacin en

una direccin dada sobre una fuente isotrpica.

radP

U

U

UD

4

0

(1.4)

Donde:

D, es la Directividad.


Captulo 1 Pgina 9

U0, es la Intensidad de radiacin de una fuente isotrpica.

Prad, es la Potencia total radiada. [W]

Pero si la direccin no est especificada, implicar que la direccin mxima de la intensidad de radiacin se

llegue a expresar de la siguiente manera:

rad

mxmxmx

mxP

U

U

U

U

UDD

4

00

0 (1.5)

Donde:

Umx, es la Mxima intensidad de radiacin.

D0, es la Directividad Mxima.

En el caso de las antenas con componentes de polarizacin ortogonal, definimos la directividad parcial de una

antena, para una polarizacin dada en una direccin, como la parte de la intensidad de radiacin correspondiente

a una polarizacin dada dividida por el total de la intensidad de radiacin promedio sobre todas las direcciones.

Teniendo esta definicin para una directividad parcial, tenemos ahora en una direccin dada a la directividad

total como la suma de las directividades parciales para cualquier de las dos polarizaciones ortogonales. De esta

manera D0 se vera modificada para las componentes ortogonales y , quedando expresada de la siguiente

manera:


Captulo 1 Pgina 10

DDD 0 (1.6)

radrad PP

UD

4 (1.7)

radrad PP

UD

4 (1.8)

1.1.4 Ganancia

La ganancia se define como la relacin de la intensidad, en una direccin dada, a la intensidad de radiacin que

sera obtenida si la potencia aceptada de la antena fuera radiada isotrpicamente. La intensidad de radiacin

correspondiente a la potencia radiada isotrpicamente es igual a la potencia aceptada por la antena dividida por

4.

entradatotaldePotencia

radiacindeIntensidadG 4

inP

UG

,4 (1.9)

Como es de notarse, la directividad es nicamente determinada por el patrn de radiacin de una antena. Cuando

una antena es usada en un sistema (como una antena transmisora), estamos en realidad interesados en como la

antena transforma la potencia disponible en sus terminales de entrada para la potencia radiada, junto con sus

propiedades directivas.

En muchos casos tambin se trata con la ganancia relativa, la cual se define como la relacin de ganancia de

potencia en una direccin dada con respecto a la ganancia de potencia de una antena de referencia en su

direccin referenciada. Una condicin que se cumple es que la potencia de entrada es la misma para las dos


Captulo 1 Pgina 11

antenas. Usualmente se usa como antena de referencia a un dipolo, antena de bocina o cualquier otra antena que

su ganancia pueda ser calcula o conocida, en muchos casos se hace la antena de referencia es una fuente sin

perdidas isotrpica. Cuando la direccin no establecida, la ganancia de potencia es comnmente tomada en la

direccin de la mxima radiacin.

1.1.5 Polarizacin

La polarizacin de una antena es la polarizacin de la onda radiada en una direccin dada por la antena cuando

transmite. Tambin se puede comprender como una indicacin o figura geomtrica de la orientacin del vector

del campo elctrico en un punto fijo del espacio al transcurrir el tiempo [5]. La polarizacin de una antena en

una direccin es la de la onda radiada por ella en esa direccin. Para ondas con variacin temporal sinusoidal esa

figura es en general una elipse, pero hay dos casos particulares que son: si la figura trazada es un segmento, la

onda se denomina linealmente polarizada y si es un crculo, circularmente polarizada, como se muestra en la

figura 1.4.

Figura 1.4 Tipos de polarizacin


Captulo 1 Pgina 12

1.1.6 Impedancia

La impedancia de entrada de una antena es la razn del voltaje a corriente en las terminales de la antena [4]. El

objetivo usual es igualar la impedancia de entrada de la antena a las caractersticas de impedancia de la lnea de

transmisin a la que est conectada.

1.1.7 Ancho de Banda

El ancho de banda, es el rango de frecuencias con funcionamiento aceptable de la antena como medida por uno o

ms de los parmetros de funcionamiento [2]. El ancho de banda es calculado de dos caminos. Primero es

asignar Hf y Lf a las frecuencias de operacin superior e inferior en las cuales es obtenido el funcionamiento

satisfactorio. La frecuencia central es denotada como Cf . Entonces el ancho de banda se puede dar como un

porcentaje de la frecuencia central o tambin definida como la razn entre la frecuencia superior y la frecuencia

inferior.

1.1.8 Densidad de Potencia Radiada

Es natural asumir que la energa y la potencia estn asociadas con los campos electromagnticos. El valor usado

para describir la unin de la potencia con una onda electromagntica es el vector de Poynting instantneo

definido como:

HxEW

(1.10)

Donde:

W

, es el Vector de Poynting instantneo.

E

, es la Intensidad de Campo Elctrico instantneo.

H

, es la Intensidad de Campo Magntico instantneo.


Captulo 1 Pgina 13

Ya que el vector de Poynting es una densidad de potencia, la potencia total que cruza una superficie cerrada se

puede obtener mediante la integracin de la componente normal del vector de Poynting dentro de toda la

superficie.

danWP

(1.11)

Donde:

P, es la Potencia Total Instantnea.

n , es el Vector Unitario Normal a la Superficie.

da , es el rea Cerrada de la Superficie.

A partir de esto surge la necesidad de calcular el promedio de la densidad de potencia debido a la utilizacin de

campos variantes en el tiempo. Para satisfacer esto, se necesita integrar el vector de Poynting instantneo. Si

tenemos los campos instantneos E

y H

podemos expresarlos en la forma de campos armnicos en el tiempo,

obteniendo lo siguiente:

jWtezyxE ),,( (1.12)

jWtezyxH ),,( (1.13)

Siendo:

x

tj azteEtzE )cos(),( 0 (1.14)

Y:

yntj azte

EtzH )cos(),( 0

(1.15)


Captulo 1 Pgina 14

1.1.9 rea Efectiva

La antena extrae potencia del frente de onda incidente, por lo que presenta una cierta rea de captacin o rea

efectiva efA , definida como la relacin entre la potencia que entrega la antena a su carga y la densidad de

potencia de la onda incidente que representa fsicamente la porcin del frente de onda que la antena ha de

interceptar y drenar de l toda la potencia contenida hacia la carga.

1.1.10 Longitud Efectiva

La longitud efectiva de una antena est definida mediante la relacin entre la tensin inducida en circuito abierto

en bornes de la antena y la intensidad del campo incidente en la onda; es un parmetro propio de una antena

lineal delgada actuando como receptora, y que indica su capacidad de absorber energa electromagntica.

1.1.11 Eficiencia

La eficiencia total de una antena se expresa por eo, es usada para tomar en cuenta las prdidas en las terminales

de entrada y dentro de la estructura de la antena [4]. Muchas de las perdidas suelen ser debido a la reflexin del

material, la conduccin y las prdidas del dielctrico. El total de la eficiencia se puede expresar de la siguiente

manera.

dcr eeee 0 (1.16)

Donde:

eO , es la Eficiencia Total.

er , es la Eficiencia de Reflexin.

ec , es la Eficiencia de Conduccin.

ed , es la Eficiencia del Dielctrico.


Captulo 1 Pgina 15

Usualmente ec y ed son muy difciles de capturar, pero pueden ser determinados experimentalmente. Incluso por

mediciones, estos no pueden separase, entonces por conveniencia podemos escribir la expresin como:

)1(2

0 cdcdr eeee (1.17)

En donde ecd = eced es igual a la radiacin eficiente de la antena, la cual es usada para relacionar la ganancia y la

directividad y es el coeficiente de reflexin en el puerto de entrada.

1.1.12 Ancho de Haz de Media Potencia

El trmino de ancho de haz por s mismo usualmente est reservado para describir el ancho de haz a -3dB [4]. El

ancho de haz de la antena es un factor de calidad muy importante, y en algunas ocasiones es usado como un

equilibrio entre el ancho de haz y el nivel del lbulo lateral, es decir, as como el ancho de haz decrezca el lbulo

lateral se incrementa y viceversa. As tambin, el ancho de haz de la antena se usa para describir la capacidad de

resolucin de la antena a distinguir entre dos fuentes radiantes adyacentes u objetivos de radar.

1.1.13 Eficiencia del Haz

Otro parmetro que es usado frecuentemente para juzgar la calidad de transmisin o recepcin de las antenas es

la eficiencia de haz. Para una antena con su lbulo mayor dirigido a lo largo del eje z, la eficiencia del haz se

define por:

(1.18)

Donde es el ngulo medio del cono dentro del cual el porcentaje de la potencia total se encuentra.


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1.2 GEOMETRAS EMPLEADAS EN ANTENAS DE

PARCHE

Las antenas de parche tienen diferentes geometras, entre las cuales, podemos encontrar las siguientes formas:

cuadrado, rectangular, lnea delgada (dipolo), circular, elptica, triangular y otras tantas formas posibles. Las

formas de parche pueden ser utilizadas para obtener efectos especiales, como polarizacin circular [6]. En este

punto se tratarn algunas de las formas, as como las facilidades que cada forma nos puede dar para su

desarrollo.

Figura 1.5 Tipos de geometras empleadas en las antenas parche

1.2.1 Geometra Rectangular

La antena de parche de forma rectangular, como se muestra en la figura 1.5 (b), es por mucho la configuracin

extensamente usada, es el tipo de antena que cuenta con un bajo perfil, el cual ayuda a que pueda ser montado

sobre superficies planas. Esta forma consiste de una hoja plana rectangular o en forma de parche de metal

montada sobre una larga hoja de metal a la que le nombramos plano de tierra. Este tipo de antenas son fciles de

fabricar y as mismo de modificar y caracterizar.

La radiacin en los bordes provoca que la antena se comporte elctricamente ms grande que lo estipulado por

sus dimensiones fsicas. Algunas de sus caractersticas son: polarizacin dual y circular, doble frecuencia de


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operacin, ancho de banda angosto, flexibilidad de la lnea de alimentacin, escaneo por luz, patrn directivo y

la facilidad de obtener esta forma de parches.

1.1.2 Geometra Circular

Esta forma en que se puede poner el parche es la forma ms popular dentro de las antenas de parche. Esta

geometra se muestra en la figura 1.5 (d) y cuenta con las mismas caractersticas que la forma rectangular. No

solo llama la atencin hablando de un solo elemento, sino tambin cuando se trata de arreglos de antenas. Este

tipo de forma de la antena de parche tiende a ser ligeramente ms pequea que la rectangular. En algunas

aplicaciones, como los arreglos de antenas, las geometras circulares ofrecen ciertas ventajas sobre las otras

geometras. [7]

El modo de transmisin soportado por la antena parche circular se puede encontrar mediante el tratamiento del

parche, plano de tierra y el material entre los dos como una cavidad circular. En las antenas de parche de forma

circular, el radio del parche es el nico grado de libertad para controlar los modos de la antena.

1.2.3 Geometra de Anillo

Esta forma de antenas es geomtricamente y elctricamente una configuracin intermedia entre un circuito

impreso y un parche [6]. Existen peculiares propiedades asociadas con las antenas de anillo. El tamao de estas

antenas es substancialmente menor a las formas de los parches anteriormente mencionados y depende de la

anchura de la microcinta que se est utilizando. En general la circunferencia principal del anillo equivale a la

longitud de onda de la gua de microcinta utilizada. Su geometra es mostrada en la figura 1.5 (h).

La separacin de los modos resonantes pueden ser controlados por los radios externo e interno del anillo. El

ancho de banda de impedancia de esta antena se encuentra que es varias veces ms grande que el que se puede

alcanzar con otros parches, aunque a un costo muy grande.


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La microcinta de estructura de anillo ha sido usada para medir la constante dielctrica del sustrato y propuesta

como un radiador para aplicaciones mdicas. [6]

1.2.4 Geometra de Dipolos

Las antenas de dipolo se pueden considerar como el tipo ms viejo de antenas, pero por otro lado los dipolos

impresos vienen llegando despus de una demostracin exitosa de la operacin de la antena de parche en forma

rectangular [6]. Los dipolos impresos han encontrado un uso generalizado en los arreglos de antenas debido a

que el rea que ocupan es menor comparada con las otras antenas de microcinta. El dipolo impreso es tratado

como un parche rectangular para llegar a los diseos principales, se muestra en la figura 1.5 (c).

Una antena con una tira rectangular estrecha se le llama dipolo de microcinta mientras que a una antena

rectangular amplia se le conoce como antena de parche. Las geometras bsicas se muestran en la figura 1.6,

donde se compone de tres formas, en la primera se muestra la forma tpica de un dipolo impreso con

alimentacin al centro con lnea, la siguiente es una configuracin de moo, enseguida esta la cinta de

conductores coplanares y por ltimo dipolos de geometra de moo.

Figura 1.6 Dipolos impresos bsicos y geometras de microcinta. (a) Dipolo de cintas coplanares de

alimentacin central. (b) Geometra del dipolo tipo moo con tiras rectangulares, (c) Dipolo impreso de doble cara. (d) Geometra del dipolo tipo moo


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Las geometras de las antenas de dipolo y rectangulares son muy similares, por lo que se esperara que las

caractersticas de radiacin fueran similares excepto por esas caractersticas que dependen de la proporcin del

ancho y longitud. El ancho de la brecha que existe entre los dipolos no afecta las caractersticas as como la

longitud del dipolo si es ms chica que la longitud de onda. La distribucin de la corriente longitudinal para los

modos fundamentales es similar, tanto para los dipolos como para la geometra rectangular. As mismo los

parmetros de radiacin y ganancia son similares. Las longitudes resonantes son ligeramente diferentes debido a

la dependencia de la efectividad de la constante dielctrica en el ancho de la cinta. Otro punto importante es que

la impedancia de entrada, el ancho de banda y la radicacin de cruce polar pueden diferir por mucho.

Las ventajas del dipolo, como ya se mencion, son: el rea que se utiliza comparada con la forma rectangular es

menor y la componente de cruce polar es tambin menor debido a que la componente transversal de la corriente

en la cinta decrece directamente conforme a la relacin del ancho y largo de la cinta. Los dipolos son ms

adecuados para ondas milimtricas de las frecuencias en particular donde el sustrato puede ser elctricamente

grueso y por lo tanto el ancho de banda de los dipolos puede ser significativo.

1.2.5 Geometra triangular

En la forma triangular se ha encontrado que proporciona caractersticas de radiacin similares a la de los parches

rectangulares pero con un tamao mejor, en la figura 1.5 (f) se muestra la geometra tpica de este tipo de antena

de microcinta. El tamao de estas antenas puede ser adems reducido. En la siguiente figura (1.7) se muestra una

forma de tringulo equiltero.


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Figura 1.7 Configuracin de una antena de microcinta de un tringulo equiltero

La ms simple de las formas triangulares que comprende un conductor de tringulo equiltero sobre una base de

sustrato dielctrico. La forma de tringulo equiltero puede ser cargada con una hendidura o ranura para producir

una antena compacta polarizada circularmente.

Por ltimo las geometras de cuadrado; la cual es una derivacin de la forma de parche simplemente que

modificando las longitudes del parche de tal manera que todos sus lados sean iguales, la forma rectangular y

dipolo son las ms comunes, debido a su fcil anlisis y fabricacin. Tambin cuentan con caractersticas

atractivas de radiacin. Los dipolos de microcinta son atractivos debido a que inherentemente poseen un amplio

ancho de banda y ocupan un menor espacio, lo que lo hace muy conveniente para arreglos de antenas.

1.3 CARACTERSTICAS DEL SUSTRATO

El sustrato de la antena parche es una lmina que sustenta el parche con un espesor de aproximadamente 0.005

hasta 0.2, como es mostrada en la expresin 1.19.

2.0005.0 h (1.19)

El valor de las contantes dielctricas (permitividades) de estos sustratos se encuentran generalmente en el

intervalo de:


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121 r (1.20)

El intervalo de la constante dielctrica mostrado anteriormente es el tpico, aunque se llegan a utilizar poco los

valores de 5r [8]. Para poder tener una muy buena eleccin del sustrato se deben tomar en cuenta varios

aspectos como son: el ancho de banda, la frecuencia de resonancia y la longitud del parche. Para poder precisar

un sustrato de calidad tenemos que tomar en cuenta que la tangente de prdidas debe de ser:

002.0)tan( (1.21)

Otros aspectos a tomar en cuenta es que:

Si el espesor del sustrato disminuye:

Ancho de Banda disminuye.

Frecuencia de Resonancia aumenta.

Longitud Resonante del Parche disminuye.

Para aumentar el ancho de banda debemos:

Aumentar el grosor del sustrato.

Aumentar la longitud resonante del parche.

Disminuir la frecuencia de resonancia.

Se tendrn dimensiones pequeas del plano de tierra.

Los materiales de sustrato que mejor se adaptan al diseo de una antena de parche son los que tienen una

constante dielctrica r5 , como por ejemplo el aire que tiene una constante dielctrica igual a uno. Algunas

ventajas que se obtienen en el diseo de las antenas al tener un sustrato de alta calidad son:

Mejores valores en la eficiencia de radiacin.

Mayor Ancho de Banda.


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Menores Prdidas.

Para obtener ciertas ventajas tenemos que considerar en un juego el tamao del sustrato y el valor de la

permitividad relativa, esto se muestra en los siguientes puntos. Si se quiere:

Disminuir la radiacin de las lneas, el espesor del sustrato debe de ser pequeo y r alta.

Pequeas dimensiones de antenas, el espesor del sustrato debe de ser pequeo y r alta.

Bajas perdidas (por onda de superficie), el espesor del sustrato debe de ser pequeo y r bajo.

Aumentar el ancho de banda., el espesor del sustrato debe de ser grande y r bajo.

Mayor eficiencia de radiacin, el espesor del sustrato debe de ser grande y r bajo.

Menor sensibilidad frente a tolerancias, el espesor del sustrato debe de ser grande y r bajo.

Algunos materiales que se llegan a utilizar dentro de los sustratos son los siguientes materiales, los cuales se

muestran en la tabla, donde se indican las permitividades relativas (r) y la prdidas que suelen tener [8].

Tabla 1.2 Valores de las contantes dielctricas y las prdidas correspondientes en diversos tipos de sustratos

Sustrato Constate Dielctrica: r Prdidas: tan()

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 Douroid 6010 (PTFE (teflon) ceramic) 10.5 0.002

GaAs 13 0.0006

Barium-Titanante oxides Ceramic Dielectrics >80 0.0001


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1.4 ARREGLOS DE ANTENAS

Varias antenas pueden ser organizadas en espacio e interconexin para producir un patrn de radiacin

direccional. Tal configuracin de antenas es conocida como arreglos de antenas o simplemente un arreglo. La

introduccin del diseo y construccin de estos arreglos de antenas surgi en los aos 1920 con el uso de los

sistemas de radio de onda corta ya que se deseaba un patrn de radiacin ms directivo para las

radiocomunicaciones. Durante la 2 Guerra Mundial, los arreglos de antenas de microondas fueron muy

utilizados en los sistemas de radar, pero hoy en da esos arreglos que trabajan en frecuencias de microondas y

cercanas a ellas son muy utilizadas en los sistemas de comunicaciones satelitales [4].

En estos arreglos, varias antenas pequeas que forman el arreglo son utilizadas para poder obtener el mismo

nivel de rendimiento que resulta de una sola antena sencilla de tamao ms grande, as los problemas mecnicos

que se pueden presentar en una antena sencilla grande son intercambiados con los problemas de alimentacin del

gran nmero de antenas del arreglo, pero con los avances en las tecnologas de estado slido est alimentacin es

de mejor y mayor calidad y adems los costos de produccin son ms bajos. Los arreglos de antenas son los

nicos que tienen la capacidad del barrido del lbulo principal, esto es que al cambiar la fase de las corrientes

que salen de cada uno de los elementos (antenas) del arreglo principal, el patrn de radiacin puede ser

escaneado a travs del espacio. Por esta razn son llamados de igual manera como arreglos de fase y tienen un

gran nmero de aplicaciones, particularmente en radares.

Los arreglos pueden ser encontrados en muchas configuraciones geomtricas; la configuracin ms elemental es

la del arreglo lineal, en el cual los centros de los elementos del arreglo se encuentran a lo largo de una lnea

recta y estos pueden, o no, estar igualmente espaciados. Sin embargo, si los centros de los elementos del arreglos

se encuentran localizados en un plano (sobre del plano), son conocidos como arreglos planares o arreglos planos.

Algunos ejemplos de los arreglos planos son los arreglos circulares o rectangulares; en los cuales si los centros

de los elementos estn dispuestos en un crculo o se encuentran dentro de un rea rectangular, respectivamente.


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Entonces, el patrn de radiacin de un arreglo es determinado por varios aspectos como son: el nmero de

elementos que formen parte del arreglo, as como sus orientaciones, sus posiciones en el espacio y la amplitud y

la fase de la corriente de alimentacin en cada uno de ellos [2]. Con estos parmetros y tratando a cada elemento

del arreglo como una fuente puntual isotrpica, nosotros podremos obtener el patrn de radiacin del arreglo que

es llamado el factor de arreglo que de manera adelantada se puede decir que es el principio de multiplicar el

patrn de radiacin de elementos sencillos por el nmero de elementos que conformen al arreglo.

En muchas aplicaciones, es necesario disear antenas con caractersticas muy directivas, es decir, con ganancias

muy altas para satisfacer las demandas de la comunicacin de larga distancia. Esto solo se puede lograr mediante

el incremento del tamao elctrico de la antena.

Una forma de lograr este incremento es ampliando las dimensiones de los elementos, a menudo permiten tener

mayores caractersticas directivas. Otra manera es formar un montaje de elementos de radiacin en una

configuracin elctrica y geomtrica. Esta nueva antena ser formada por mltiples elementos, y a esto se

refiere como un arreglo. En la mayora de los casos los elementos de un arreglo son idnticos, esto no es

necesario pero es con frecuencia conveniente, simple y muy prctico [4]. Segn la IEEE, un arreglo de antenas

se compone de un nmero de elementos idnticos que en general son radiantes, los cuales estn dispuestos,

orientados y excitados para obtener un patrn de radiacin prescrito [9].

Cabe destacar que el campo total del campo del arreglo es determinado por el vector de adicin de los campos

radiados para los elementos individuales. Esto asume que la corriente en cada elemento es la misma tal como la

de un elemento aislado. Generalmente este no es el caso y depende de la separacin de los elementos. Si lo que

se desea es proporcionar parmetros muy directivos, es necesario que los campos de los elementos del arreglo

tengan interferencia constructiva en las direcciones deseadas, e interferencia destructiva en el espacio restante.

Un factor ms que se debe contemplar en un arreglo de antenas es el factor de arreglo el cual es, en general, una

funcin del nmero de elementos, su arreglo geomtrico, sus magnitudes relativas, fases relativas y sus


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espaciamientos. Si los elementos del arreglo son idnticos en amplitudes, fases y espaciamientos, el factor de

arreglo ser de forma simple.

Se tiene que considerar un patrn de multiplicacin siempre y cuando se trate de arreglos de elementos idnticos,

este patrn trata del producto del campo lejano de un simple elemento, en un punto de referencia seleccionado

(usualmente el origen) y el factor del arreglo a estudiar. Se tiene que recalcar que este factor de multiplicacin es

slo vlido para arreglos con cualquier nmero de elementos idnticos, en los cuales no es necesario que tengan

magnitudes, fases y separaciones idnticas entre ellos.

Existe una inmensa gama de arreglos de antenas utilizadas para aplicaciones personales, comerciales y militares,

las cuales utilizan diferentes elementos incluyendo dipolos, bucles, aperturas, microcintas, reflectores y muchas

ms. Dentro de esta gama de arreglos existe un arreglo simple y es de los ms prcticos ya que se constituye por

colocar los elementos a lo largo de una lnea. Pero tambin existen arreglos los cuales se explicaran enseguida.

1.4.1 Arreglos Lineales

Segn la IEEE un arreglo lineal es aquel en el cual los puntos correspondientes de los elementos de radiacin se

encuentran a lo largo de una lnea recta [10]. Este es el arreglo ms utilizado, debido a su forma sencilla. Este

tipo de arreglo nos permite tener dos caractersticas diferentes, que dependiendo de la aplicacin que se desee

utilizar podremos elegir la que mejor convenga. Las caractersticas con las que cuenta son: tener un arreglo con

amplitud y espaciamientos uniformes como se muestra en la figura 1.8:

Figura 1.8 Arreglo lineal de dipolos sencillos


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En esta caracterstica del arreglo lineal se tiene que todos los elementos tienen amplitudes idnticas pero cada

elemento sucesivo tiene una fase progresiva que conduce una corriente de excitacin relativa a la anterior. Con

esto podemos decir que un arreglo en donde todos sus elementos son de magnitud idntica y cada uno cuenta con

una fase progresiva se le conoce como un arreglo uniforme.

Los puntos importantes en esta caracterstica es que el factor de arreglo puede ser obtenido mediante la

consideracin de que los elementos del arreglo son fuentes puntuales [11]. Si el elemento actual no es una fuente

isotrpica, el campo total puede ser formado mediante la multiplicacin del factor de arreglo de una fuente

isotrpica por el campo de un simple elemento. Esto es el patrn de multiplicacin y se aplica slo para arreglos

de elementos idnticos.

Nos encontraremos con dos formas de poder tener un mximo de radiacin, por medio de Broadside el cual

permiten tener la mxima radiacin direccionada en el eje normal del arreglo o por medio de End-Fire, que es

tener la mxima radiacin a lo largo del eje del arreglo.

En muchas aplicaciones es deseable tener la mxima radiacin de un arreglo, as que para tener este mximo en

el Broadside al eje del arreglo mostrado en la figura 1.9 es necesario tener la misma fase de excitacin, aunque la

separacin entre los elementos puede ser de cualquier valor. Pero para asegurarnos de que no hay un mximo

principal en otras direcciones la separacin entre los elementos no debe de ser igual a los mltiplos de la

longitud de onda.


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Figura 1.9 Patrn de Radiacin Broadside, =90

Puede llegar a ser necesario que se radie hacia una sola direccin, en esta situacin utilizamos la radiacin de

End-Fire, mostrado en la figura 1.10. La condicin para que exista esta radiacin es que la separacin de los

elementos debe de ser de /2.

Figura 1.10 Patrn de Radiacin End-Fire, =0

En este arreglo tambin nos permite tener otro tipo de mxima radiacin la cual ahora la conoceremos como

arreglo de fase, en donde suponemos que la mxima radiacin del arreglo ser requerida en una orientacin a un

ngulo 0. Para obtener esto se necesita que la fase de excitacin entre los elementos deba de ser ajustada. As


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que mediante el control de la fase progresiva entre los elementos, la mxima radiacin puede ser enfocada en

cualquier direccin de un arreglo.

Ahora bien si lo que se necesita es un arreglo lineal que sea directivo,ste se tendr por medio de un arreglo

Broadside, y se necesitara tener un separacin pequea entre elementos, esta separacin es mucho menor a la

longitud de onda.

Tambin se podr obtener mediante el arreglo End-Fire en donde se necesitar tener, al igual que el anterior, una

pequea separacin entre elementos, mucho menor a la longitud de onda.

La diferencia entre un Broadside y un End-Fire es que el Broadside nos dar la mxima radiacin en un ngulo

=90 y un End-Fire a un ngulo de =0.

1.4.2 Arreglo Plano

Segn la IEEE este tipo de arreglo es en el cual los puntos correspondientes de los elementos de radiacin se

encuentran en un plano [12]. En este tipo de arreglos se pueden posicionar los elementos individuales a lo largo

de un campo de forma de rectngulo. Este tipo de arreglos son ms verstiles y pueden ser utilizados para

proporcionar los parmetros ms simtricos con lbulos laterales inferiores [11].

Cuando el espaciamiento entre los elementos es igual o mayor a la longitud de onda, se forma la mxima

radiacin.


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Figura 1.11 Arreglo Plano

CONCLUSIONES DEL CAPTULO I

Las antenas son aquellas partes de un sistema que son las responsables de transformar voltajes en las ondas

electromagnticas para poder radiarlas posteriormente, as como tambin son capaces recibir ondas

electromagnticas; estas son caracterizadas y definidas por una serie de parmetros que nos dicen su

funcionamiento y clasificacin.

Dentro de estas clasificaciones que se obtienen se encuentran las antenas tipo parche que no son ms que una

placa metlica sobre un material dielctrico llamado sustrato que cuenta con cierta caracterstica de

permeabilidad elctrica y un plano de tierra. Las antenas de microcinta o de parche, son antenas resonantes, ya

que funcionan como antenas al operar en su frecuencia de resonancia.

Una caracterstica muy importante en cualquier tipo de antena es la directividad que depende de la ganancia de la

antena y de sus lbulos de radiacin, entonces, entre mayor ganancia tenga en su lbulo principal, la antena ser

ms directiva. Otra manera de hacer que una antena sea ms directiva es por medio de arreglos de antenas, que

consisten en agrupaciones de elementos de antenas que hacen que la ganancia de la antena sea mucho mayor y

por ende se pueda direccionar; existen varios tipos de arreglos de antenas como puede ser los lineales y los

planos.


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Captulo II

Antenas de Parche Rectangular

Las antenas microstrip o de microcinta, se hicieron muy populares en los aos 1970 por su diversidad de

aplicaciones. Estas antenas consisten en un parche metlico sobre un sustrato y un plano de tierra y una lnea de

transmisin de microcinta para poder alimentarla; pueden tomar diferentes configuraciones o geometras como

las ya mencionadas con anterioridad. La antena de parche, as como la lnea de transmisin de microcinta

consisten en un ancho W, en una longitud fsica L, un grueso o espesor de sustrato h y un plano tierra; de igual

manera las lneas de transmisin cuentan con otro tipo de longitud de la que depende el desfasamiento que puede

tener la seal aplicada a la microcinta, est es la longitud de fase l. Sin embrago las configuraciones ms

populares de las antenas parche son las geometras cuadradas y rectangulares debido a la facilidad que las

comprende tanto en anlisis, fabricacin, caractersticas de radiacin y montaje superficial [13]. Las principales

aplicaciones de las antenas tipo parche son para sistemas de teledeteccin, GPS, antenas mviles, altmetros de

aviones, aplicaciones militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas [14].

Cuando vamos aumentando la frecuencia, las dimensiones elctricas de las antenas aumentan y sus formas

empiezan a diferir de las geometras lineales. Encontramos estructuras cuya misin es el confinamiento y la

conformacin de la radiacin de una fuente primaria hasta conseguir frentes de onda capaces de generar

diagramas secundarios de directividades elevadas y formas de diagrama especficas. En ellas, el responsable de

la formacin del diagrama de la antena no es ya la fuente primaria, sino la distribucin de campos elctricos y

magnticos en el frente de onda presente en la apertura de salida de la antena al espacio libre, conformados por

el conjunto de toda la estructura.


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2.1 ANTENA PARCHE CONVENCIONAL A 2.4 GHz

El parche rectangular se comporta como antena al ser usualmente operado cerca de la resonancia y al poder

obtener un valor real en la impedancia de entrada de est. Varios modelos estn disponibles para poder obtener

la frecuencia de resonancia de los parches rectangulares o antenas de parche; uno de ellos es el modelo de

cavidad en el cual usualmente se obtienen resultados precisos de este valor a la frecuencia de resonancia.

Los campos presentes en el parche, actan para poder extender la longitud efectiva del mismo parche, por lo que

la longitud de un parche de media onda es ligeramente menor que una media longitud de onda en el material de

sustrato dielctrico. Esto es similar al hecho de acortar un dipolo de media onda para poder obtener la resonancia

de dicho dipolo. El acortamiento de la longitud o reduccin de la longitud depende de factores como son la

permitividad elctrica del material ( ), el grosor del sustrato (h) y el ancho del parche (W)

Hay varias frmulas que estn disponibles para poder estimar la longitud resonante de un parche, pero en la

prctica en muchas ocasiones es necesario hacer unos ajustes para poder aproximarse ms al valor deseado de

est longitud [2]. Una expresin con la cual podemos obtener un valor aproximado para la longitud de un parche

resonante de media longitud de onda es:

(2.1)

Donde:

, es la Longitud de Onda del Espacio Libre.

, es la Longitud de Onda en el Dielctrico.

, es la Constante Dielctrica del Sustrato.

Para la antena de parche de media onda, la regin entre los conductores (sustrato dielctrico) acta como una

cavidad de lnea de transmisin de media longitud de onda que est en circuito abierto en sus terminaciones. En

esta regin, mostrada en la figura 1.1 (b), los campos elctricos son asociados con el modo de onda estacionaria


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en el dielctrico. Las lneas de campo elctrico son perpendiculares a los conductores como es requerido por las

condiciones de frontera y se parecen mucho a las placas paralelas de un capacitor. Entonces, las lneas de campo

en los extremos, estn expuestas al medio espacio superior (z > 0) y son responsables de la radiacin.

El modo de onda estacionaria con una separacin de media longitud de onda entre los extremos, conduce a los

campos elctricos que son de fase opuesta en las mitades izquierda y derecha (negativo y positivo del eje x), ver

figura 1.1(a). Por lo tanto, el total de la franja de campos en las orillas es de 180 fuera de fase y son iguales en

magnitud. Vista desde la parte superior, las componentes x de las franjas en realidad estn en fase, conduciendo

a un patrn de radiacin tipo broadside; donde el pico mximo de radiacin o el lbulo principal se encuentran

direccionados en el eje +z. Este modelo sugiere un anlisis de aproximacin llamado campo de apertura, donde

el parche tiene dos aperturas de ranuras radiantes con campos elctricos en el plano del parche. Para el caso del

parche de media onda, las ranuras son iguales en magnitud y fase. Los campos a lo largo de los bordes asociados

con las ranuras 1 y 2 son constantes, mientras que los otros campos a lo largo de los otros bordes vistos en la

figura 1.1 (b) tienen simetra impar y su radiacin es cancelada en la direccin broadside y son generalmente

olvidados.

El ancho de las ranuras antes mencionadas, es a menudo tomado para ser igual al espesor de los sustratos, que es

, donde s es el ancho de las ranuras y h es el ancho del sustrato dielctrico. La radiacin del parche es

linealmente polarizada en el plano xz, que es paralelo a los campos elctricos de las ranuras.

El patrn de radiacin de una antena de parche rectangular es bastante amplio con una direccin mxima normal

al plano de la antena [2]. El clculo del patrn para el parche rectangular es fcilmente realizado por la creacin

de corrientes superficiales magnticas equivalentes de la franja de campos elctricos usando n ,

donde es la franja de campo elctrico en cada una de las ranuras de borde. El factor de 2 viene de la corriente

magntica en el plano de tierra magntico si nosotros asumimos que h es pequeo. Entonces, las componentes

del campo lejano se derivan como:

( ) (2.2)


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( ) (2.3)

Siendo:

( ) [

]

(

) (2.4)

Y es la constante de fase usual en el espacio libre. El primer factor es el factor de patrn de radiacin para una

fuente lineal uniforme de ancho W en la direccin y. El segundo factor es el factor del arreglo para un arreglo de

dos elementos a lo largo de los ejes x correspondientes a la ranura de borde. La longitud L del parche es obtenida

por (2.1). El ancho del parche W es seleccionado para dar la adecuada resistencia de radiacin en la entrada,

comnmente 50 . El plano principal de patrones o modelos se deriva como:

( ) (

) (2.5)

( ) [

]

(2.6)

Esta simple expresin del modelo descuida los efectos del sustrato y el ancho de la ranura. Las impedancias de

entrada tpicas en el borde de un parche resonante rectangular se encuentran dentro del rango de los 100 a los

400 ; una expresin que puede aproximar los valores de la impedancia de entrada del parche rectangular donde

la reactancia toma el valor de cero en resonancia y el parche es resonante con borde alimentado es:

(

) (2.7)

As, la impedancia de entrada es reducida por ampliar el parche. Por ejemplo, para un dielctrico de valor

, una relacin de ancho-longitud de W/L=2.7, da como resultado un valor de impedancia de entrada de

50 .


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2.1.1 Tipos de Alimentacin

En el diseo de antenas de parche o microcinta, un aspecto muy importante que debe de considerarse para que la

antena pueda tener un efecto de radiacin lo ms eficientemente posible a las frecuencias deseadas es la tcnica

de alimentacin que tendr esta antena. Existen muchos mtodos para poder alimentar las antenas impresas, los

cuales pueden ser a travs de: lneas impresas, ranuras, cables coaxiales, o bien por acoplamiento de cavidades; a

pesar de que existe una gran variedad de mtodos, podemos clasificarlos en tres categoras principales que son:

alimentacin directa, alimentacin por proximidad y alimentacin por apertura. Sin embargo las ms habituales

son las antenas impresas de alimentacin directa por medio de microcinta (lnea de transmisin) o por una

conexin con un cable coaxial [14].

2.1.1.1 Alimentacin Directa

Son las maneras de alimentacin que requieren un contacto directo entre la antena y la estructura de

alimentacin, las formas principales en que se encuentra la alimentacin de la antena es por medio de una

microcinta que se encuentra unida en el mismo plano del parche, y otra alimentacin es mediante un conector

coaxial para antenas poco directivas. Aunque son ms fciles de colocar tienen algunas desventajas como son el

no poder optimizar por separado el esquema de alimentacin y el de la antena, ya que ambas trabajan sobre el

mismo sustrato, por lo que se deben tomar en cuenta de la misma manera las caractersticas de alimentacin y las

caractersticas de la antena. Estos mtodos de acoplamiento directo son los ms viejos y los ms populares

aunque solamente proveen un pequeo grado de libertad para poder ajustar la impedancia del parche.

2.1.1.1.1 Alimentacin por Microcinta

Consiste en realizar una conexin directa entre la antena y la microcinta de alimentacin (lnea de transmisin)

como se muestra en la figura 2.1. Esta alimentacin se disea para obtener una impedancia deseada. Este mtodo

es el ms sencillo de realizar, sin embargo presenta una peor eficiencia en relacin al ancho de banda y

acoplamiento [13].


Captulo 2 Pgina 35

El parche rectangular se alimenta normalmente a lo largo de una lnea central en el parche en el plano E

. Esto

evita la excitacin de un segundo modo de resonancia ortogonal al modo deseado, lo que conducira a un exceso

de polarizacin cruzada [2].

Aunque es solo un mtodo, hay dos maneras de poder alimentar una antena de manera directa con microcinta, la

primer manera es conectando directamente la microcinta al borde de la antena o por medio de inserciones en la

antena. En el caso de poner la microcinta al borde de la antena de parche producir un mayor acoplamiento de

impedancias tanto de la microcinta como de la antena de parche, y en el caso de incluir inserciones en el parche,

el tamao de la profundidad de estas inserciones har el acoplo de estas impedancias.

Figura 2.1 Ejemplos de alimentacin por microcinta

2.1.1.1.2 Alimentacin por Conector Coaxial

Este otro mtodo es mostrado en la figura 2.2 y consiste en que el conector coaxial alimente de manera directa a

la antena parche y la parte negativa del conector sea colocado al plano de tierra de la antena. En este mtodo, la

mejora del acoplamiento de las impedancias es colocando el conector en la mejor posicin con respecto al

parche; este es uno de los mtodos ms empleados pero a la vez es uno de los ms difciles de realizar, sin

embargo pueden existir excepciones, ya que en algunos casos es simple implementarlo por la ampliacin del

conductor central del conector unido al plano de tierra hasta el parche y el conector del cable coaxial debe

perforar el sustrato y estar soldado al parche.


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Figura 2.2 Alimentacin por coaxial

2.1.1.2 Alimentacin por Proximidad

Est otra manera de alimentacin consiste en que la lnea de alimentacin no tiene contacto directo con la antena

de parche, sino que el acoplo es de manera electromagntica, como se muestra en la figura 2.3. Aqu se tiene a la

antena parche sobre un sustrato y debajo de l se encuentra una lnea de alimentacin sobre otro sustrato y ste

sobre un plano tierra, por lo que se forma una estructura multicapa. ste mtodo tiene la ventaja, que la antena

de parche, as como la estructura de alimentacin, pueden optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas

de sustratos dielctricos, un sustrato dielctrico se utiliza para obtener las mejores caractersticas de la antena

(sustratos ms anchos con permitividades elctricas bajas) y de la alimentacin (sustratos delgados y con

permitividades elctricas altas).


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Figura 2.3 Alimentacin por proximidad

2.1.1.3 Alimentacin por Apertura

Tiene cierto parecido con respecto a la alimentacin por proximidad, ya que cuanta tambin con dos sustratos,

uno para la antena de parche y otro para la lnea de alimentacin. Su estructura est formada por el parche que

est sobre un sustrato, que ste a su vez se encuentra por encima de un plano de tierra compartido por otro

sustrato, y debajo de este segundo sustrato se encuentra la microcinta de alimentacin. En el plano tierra se

encuentra una cavidad o ranura que dependiendo a sus dimensiones es la que permite el mejor o mayor

acoplamiento entre la antena de parche y la lnea de alimentacin. Este tipo de alimentacin es mostrado en la

figura 2.4.

Figura 2.4 Alimentacin por apertura


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La impedancia puede ser ajustada por la colocacin adecuada y ubicacin de la lnea de alimentacin. Como la

distancia de la lnea del borde del parche se incrementa, la resistencia de entrada es reducida por un factor. Una

desventaja de la lnea de alimentacin es que sta introduce una inductancia que impide al parche ser resonante

si h es 0.1 o mayor. De igual manera, la radiacin de la lnea de transmisin puede ser una fuente de

polarizacin de cruce [13].

Al cambiar el ancho del parche para controlar su impedancia, no resulta a menudo conveniente. Sin embargo, la

impedancia del parche de borde alimentado puede ser transformada por el uso de una seccin correspondiente de

un cuarto de longitud de onda de la lnea de transmisin de microcinta o tambin llamado un transformador de

un cuarto de longitud de onda o /4. Esto es que la impedancia de entrada de la antena ZA puede ser adaptada a

una lnea de transmisin con caractersticas de impedancia de Z0 con una seccin de lnea de trasmisin que tiene

el largo de un cuarto de la longitud de onda, basado en la longitud de onda en la lnea de transmisin [2]. Est

impedancia caracterstica de la seccin correspondiente es obtenida por:

(2.8)

En general, la impedancia caracterstica de una lnea de microcinta disminuye por el incremento del ancho de la

cinta, tanto como la prdida de resistencia es inversamente proporcional al dimetro del alambre. Esto es, cuanto

ms amplia sea la cinta, menor ser la impedancia caracterstica.

En la figura 2.5, se muestra como es conectado el transformador /4 entre un parche de microcinta y una lnea de

transmisin para poder adaptar las impedancias de ambos elementos, as como tambin se muestran otros tipos

de formas por las que se pueden ajustar las impedancias para que puedan ser acopladas.


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Figura 2.5 Acoplamiento de impedancia por borde de microcinta alimentado con transformador de /4

El elemento de un cuarto de onda tiene la definicin de longitud de la siguiente manera:

(2.9)

Donde:

l, es la Longitud del Transformador de Impedancias.

, es la Longitud de Onda.

, es la Permitividad Elctrica Efectiva.

2.1.2 Diseo de una Antena Parche a 2.4 GHz

En el diseo de una antena de microcinta o tipo parche convencional, tenemos que contemplar varios parmetros

que son necesarios para poder conformarla como una antena y posteriormente como un arreglo de antenas; estos

parmetros primeramente considerados en el diseo de una antena de microcinta es el diseo de la misma

microcinta o lnea de trasmisin por la cual el parche de la antena podr ser alimentada o podr ser acoplada a

otros parches para poder formar un arreglo de N elementos y el diseo de la antena de parche. La lnea de

transmisin consiste en un conductor metlico separado por un dielctrico sobre un plano tierra. Si el ancho del

sustrato es mayor que la longitud de onda, el modo fundamental es Cuasi-TEM e implica que la mayor parte del

campo elctrico es confinado en el dielctrico hacia el plano tierra, mientras que el campo magntico produce su

efecto alrededor del conductor metlico. El dielctrico es elctricamente delgado con dimensiones determinadas


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por la relacin dada en la expresin 1.19, esto para evitar fugas y ondas superficiales; de igual manera, el valor

de su permitividad elctrica se encuentra dentro del intervalo especificado por la expresin 1.20, para que las

lneas de campo estn confinadas en torno a la lnea de microcinta. [2]

Hay otros aspectos que son necesarios para poder disear una lnea de transmisin y la antena parche como lo

son: su impedancia caracterstica ( ), permitividad elctrica relativa del sustrato ( ), ancho del sustrato (h),

frecuencia de resonancia ( ), longitud de onda (), el ancho de la lnea o del parche (W), la longitud fsica (L en

antena parche y l en microcinta), la longitud de fase o elctrica ( ), etc. Para el clculo de los parmetros de las

lneas de transmisin nos apoyamos en ciertas expresiones para cuando y la onda es Cuasi-TEM.

Para poder calcular las dimensiones de microcintas y/o antenas parche, en las expresiones matemticas es muy

utilizado el parmetro de la permitividad elctrica relativa ( ) que es una caracterstica del material dielctrico

o sustrato y que su valor es de manera adimensional, pero en algunas expresiones es ms recomendado utilizar el

valor de la permitividad elctrica efectiva ( ) que es un promedio obtenido de la permitividad elctrica relativa

que se encuentra entre los valores de y que adems est en funcin del grosor del sustrato (h), del

ancho del parche o de la microcinta (W) y propiamente del valor de la permitividad elctrica relativa ( ), y es de

igual manera un valor totalmente adimensional [3]. El valor de la permitividad elctrica efectiva ( ) se calcula

de la siguiente manera:

(

)(

) (2.10)

Donde:


, es la Permitividad Elctrica Relativa.

, es el Grosor del Sustrato.

, es el Ancho del Parche o de la Microcinta.


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Conociendo el valor de , se pueden calcular los valores de los siguientes parmetros requeridos para la lnea de

transmisin o ayudar para poder obtener cualquier otra incgnita:

- Velocidad de Propagacin en el material dielctrico ( ):

[

] (2.11)

Donde:

, es la Longitud de Onda. [m]

, es la Frecuencia de Operacin. [Hz]

c, es la velocidad de la luz. (

)


- Constante de Propagacin ( ):

[

] (2.12)

Donde:

, es el No. de onda del espacio libre,

[

]


- Longitud de fase o elctrica ( ):

[ ] (2.13)

Donde:

, es la Constante de Propagacin. [

]

l, es la Longitud Fsica. [ ]


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Para obtener el valor del ancho del parche ( ) dependiendo de los valores de la impedancia caracterstica de la

microcinta o del parche ( ) y de la permitividad elctrica relativa, utilizamos [3]:

{

[ ( )

{ ( )

}]

(2.14)

Donde:

, es el Ancho de la Microcinta.

, es el Espesor del Sustrato.

, es la Permitividad Elctrica Relativa.

(

) (2.15)

(2.16)

En la expresin anterior para poder obtener el ancho del parche o de la microcinta, se puede notar que consta de

dos posibles resultados, por lo que al hacer las operaciones requeridas solo uno de los dos resultados se tomar y

ser dependiendo de la condicin que llegue a cumplirse. Para calcular la longitud fsica de la microcinta se

utilizan las expresiones anteriores (2.11, 2.12 y 2.13) si est requiere que la seal que entra en ella sea desfasada.

Otra manera de obtener la longitud fsica de la microcinta, siempre y cuando se necesite que exista un

desfasamiento, es buscando que se comporte como un transformador de /4 y con ayuda de (2.8), en el caso de

que no importe el desfasamiento de la seal la longitud fsica de la microcinta no interesar y cualquier valor

propuesto ser apropiado slo considerando el diseo de la antena.

Para los parmetros de Ancho y de Longitud Fsica de la microcinta se contemplan los siguientes puntos:

El ancho de la microcinta (W), define la impedancia caracterstica ( ), no importa el largo.


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La longitud de la microcinta (l), define el desfasamiento de la seal () y la frecuencia de resonancia de

la microcinta ( ), no importa el ancho [3].

Ahora bien, para poder obtener los valores de los parmetros que se requieren para el diseo de una antena

parche se utilizan las siguientes expresiones:

Para el largo del parche (L), se usa (2.1).

Conociendo la impedancia caracterstica del parche y su longitud, podemos obtener el ancho del parche (W):

(

)

proyecto de investigación_paracalcularantenasparche

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