1 Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia Segunda parte, Tema III Dpto. de Ingeniería Informática Escuela Politécnica Superior Universidad Autónoma de Madrid Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación, 2 o cuatrimestre (6 créditos ECTS) Profesores: Jorge A. Ruiz Cruz ([email protected]Jose Luis Masa Campos ([email protected]) Colaborador: José Manuel Fernández ([email protected]), Grupo de Radiación. Dpto. SSR.UPM
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Antenas y Circuitos de Alta Frecuencia
Segunda parte, Tema III
Dpto. de Ingeniería InformáticaEscuela Politécnica Superior
Universidad Autónoma de Madrid
Master en Ingeniería Informática y de Telecomunicación, 2o cuatrimestre (6 créditos ECTS)
•Se pueden desintonizar por tolerancias, cambios de temperatura, presencia de radomos, etc.
•Para muchas aplicaciones se requieren anchos banda mayores
5.- Ancho de banda
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Sonda coaxial :ØRequiere soldadura
ØControl de la impedancia de entrada : impedancia inductiva con dieléctricos gruesos.
ØElimina la radiación espuria (bajo nivel)
ØLimitado ancho de banda
ØDifícil adaptación para substratos gruesos (h > 0.02λ)
Línea microstrip :ØEl más simple
ØControl de la impedancia de entrada
ØEl mismo substrato para parche y línea
ØSubstratos gruesos ⇒ radiación espúria de la línea y ondas de superficie
ØAcoplo entre parche y línea ⇒ generación de altos niveles de contrapolar
ØAncho de banda (típicamente: 2% y 5%)
ØLas líneas microstrip y las sondas coaxiales radian más con substratos de εr bajos ⇒afecta a peor el nivel de polarización cruzada y los niveles de lóbulos secundarios.
Lco
Rpar LparCpar
Lli
Rpar Lpar
Cpar
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche
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Acoplo por apertura :ØEl que sufre menor contaminación por radiación espuria
ØBuena pureza de polarización
ØDistinto substrato para parche y línea
ØTípicamente, se utiliza un material de alta constante dieléctrica para el substrato inferior y uno delgado y de menor constante dieléctrica para el superior
ØLongitud de la ranura : el nivel de acoplamiento está determinado principalmente por la longitud, así como el nivel de radiación trasera
ØTípicamente, se utilizan ratios de longitud/anchura de ranura = 10
ØPosición de la línea de alimentación respecto a la ranura: Para lograr un máximo acoplamiento, la línea de alimentación debe colocarse perpendicular a la ranura y en su punto central.
ØAnchura de la línea de alimentación: Para el nivel de acoplamiento a la ranura, las líneas estrechas se acoplan más fuertemente de las anchas.
Rpar Cpar
CacopLpar
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Acoplo por proximidad :
ØBuena pureza de polarización
ØAusencia de radiación contrapolar
ØMayor ancho de banda (alcanza valores del 13%)
ØBaja radiación espuria
ØDistinto substrato para parche y línea
Cacop
Rpar Lpar
Cpar
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche
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Alimentación por contacto directo vs. Alimentación por acoplo de energía
ØAusencia de taladros que provoquen difracciones
ØDispositivos de banda estrecha
ØNo conexión física entre la alimentación y el elemento radiante
ØAlimentaciones por cable coaxial o línea microstrip adaptadas en muchos casos 50Ω
ØIndeseable incremento en el espesor global de la antena
ØBuena pureza de polarizaciónØAlto nivel de polarización cruzada
ØBuena supresión de modos de órdenes altos
ØAlto nivel de lóbulos secundarios (SLL)
ØMejor adaptación a los arrays de antenasØProblemas de adaptación
ØMenor radiación espuriaØRadiaciones indeseadas
6.- Diferentes formas de alimentación de un parche. Ventajas e inconvenientes
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•El parche resuena en una de sus dimensiones (el largo L) y radia en la otra (el ancho W).
•Polarización : lineal, circular, dual
•La impedancia de entrada es de:
– En el borde : 180Ω - 300Ω– En el centro : 0Ω
Parche rectangular
Plano de masa
Substrato dieléctrico
W
Lt
Líneas de campo para el modo principal: Modo TM010
Antena sectorial 65° & 90° polarización vertical
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
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Plano E(Plano YZ)
Comparativa modelos y medidas del diagrama de radiación de un parche rectangular
Plano HPlano XZ
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
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•Diseño: Modelo de línea de transmisión desarrollado por Derneryd [3]
En la práctica, para el primer modo resonante TM10, el parche rectangular se diseña fácilmente siguiendo los pasos descritos en [4].
§El cálculo del Ancho W se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahly Bhartia :
El parámetro W no influye en la frecuencia de resonancia, por lo que en principio se podría variar.
ØSi se toma W menor, disminuye la eficiencia.
ØCon W mayor se obtiene mayor eficiencia, pero pueden aparecer modos de orden superior que modifican las distribuciones de campos.
§La longitud L se calcula como :
Con:
21
0
21
2
−
+= r
fcW ε
lf
cLeff
∆−= 22
0
ε
( )
( )
0.3 0.2640.412
0.258 0.8
eff
eff
Wtl t
Wt
ε
ε
+ + ∆ =
− +
121 1 1 12
2 2r r
efft
Wε ε
ε−+ − = + +
[3] I.J. Bahl, P. Bhartia, “Microstrip Antennas”, Artech House, Dedham,1980.
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
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Compromiso de diseño de un parche rectangular
-altagruesoRobustez
-bajadelgadoBajo peso
-baja-Baja polarización cruzada
baja
baja
baja
-
baja
baja
Permitividaddel substrato εr
anchogruesoAlta eficiencia de radiación
anchogruesoMenor sensibilidad frente a tolerancias
-delgadoBaja radiación espuria
anchogruesoaumentar ancho de banda
-gruesoBajas pérdidas en conductores
-delgadoBajas pérdidas dieléctricas
Ancho W del parche
Espesor t del substrato
Requisito
7.- Análisis de tipos de parches. Rectangular
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ØPolarización : lineal, circular, dual
Øgenera altos niveles de contrapolar XP ⇒ polarización dual o polarización circular.
Plano de masa
L
Lt
Substrato dieléctricoParche cuadrado
Antena sectorial 90°polarización doble lineal ±
45° para PCS
7.- Análisis de tipos de parches. Cuadrado
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ØPolarización : lineal, circular, dual
Øgenera altos niveles de contrapolar XP ⇒ polarización dual o polarización circular.
tPlano de masa
Substrato dieléctrico εr
Parche circular
r
Aproximación: Diseño de un parche circular [6] p.75598.791 10
r
Ff ε
⋅=
1221 ln 1.7726
2r
Frt FF t
ππε
= + +
f en [Hz], t y r en [cm]
Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz
7.- Análisis de tipos de parches. Circular
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• Longitud de la ranura:
• Anchura de la ranura:
• Polarización: lineal, circular, dual
• Excitado por el acoplo de campo
Plano de masa
Metalt
l
wSubstrato dieléctrico
2gl
λ=
10lw = Antena para recepción de TV vía
satélite (DBS) a 12 GHz
Antena para recepción de TV vía satélite (DBS) a 12 GHz
7.- Análisis de tipos de parches. Ranura
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§ Antena de parche rectangular cortocircuitado alimentado convencionalmente por sonda coaxial.§ Sin substrato dieléctrico, trabaja únicamente con chapa metálica:
ØParche rectangular :ØLongitud del parche L = λ0/4
ØCortocircuitoØPlano de masa
⇒ La longitud del parche de reduce de λ0/2 a λ0/4 situando un plano de cortocircuito entre el elemento radiante y el plano de masa siguiendo las líneas de campo eléctrico sin que las características de funcionamiento se vean significativamente afectadas.§ Aplicación típica: antena integrada en terminales comerciales de comunicaciones
móviles.
Antena F invertida planar
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
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•Características de funcionamiento de la antena:–Frecuencia de resonancia–Ancho de banda–Campos radiados–Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche y plano de masa)
•Parámetros importantes para determinar las características de funcionamiento de la antena:ØTamaño del cortocircuito Ws ⇒ afecta en la distribución de corrientesØRelación de aspecto entre lados del parche W/L (longitud L y ancho W)ØAltura h del parche sobre el plano de masa
Aumentando Ws
Ancho de banda aumenta
disminuyendo Ws
Aumentando h
Incrementando W/L
Frecuencia de resonancia disminuye
WL
h
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
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– Distribución de corriente en las superficies metálicas (parche) en una PIFA para diferentes ratios W/L y diferentes Ws:
ØSe muestra cómo afectan Ws y la relación W/L a la distribución de corrientes en la cara inferior del parche a la frecuencia de resonancia
ØPara W-Ws<L, la corriente fluye hacia el lado en circuito abierto, el lados más largo del parche.
ØAl contrario, para W-Ws > L, la corriente fluye hacia el circuito abierto en el lado estrecho del parche. Al disminuir Ws, la longitud efectiva que debe recorrer la corriente es mayor ⇒ se logra disminuir la fercuencia de resonancia de la antena, manteniendo el tamaño constante.
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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ØBanda ancha ⇒10%
ØFrecuencia de resonancia múltiple
ØVolumen reducido
ØFacilidad de fabricación
Ø Polarización linealØGran flexibilidad en el diseño: estructuras planas o tridimensionales
ØGanancia ⇒ 7 - 8 dB
Ø Influencia del plano de masa: tamaño finito y pequeño introduce un alto nivel de componente contrapolar
ØNingún dieléctrico ⇒ no aparición de ondas de superficie que deterioren el funcionamiento de la antena
En contra:A favor:
•Posición y orientación de la PIFA en el plano de masa
ØLa PIFA debe colocarse cerca de la esquina del plano de masa, donde el cortocircuito está colocado en el extremo del plano de masa.
Para un comportamiento óptimo en ganancia y ancho de banda
7.- Análisis de tipos de parches. PIFA (Planar Inverted-F Antenna
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• Un parche microstrip con forma sencilla y alimentación única produce un campo radiado de polarización lineal.
• La polarización cambia con difracciones y reflexión• Se puede obtener polarización circular:
§ La polarización circular es una buena forma para atenuar el efecto de reflexiones.§ Para un solo elemento:ØAlimentación única y formas específicasØAlimentación múltiple
§ Para arrays:ØRotación secuencial
• Se puede obtener polarización dual:§ Para un solo elemento:ØAlimentación múltiple y formas específicas
8.- Polarización
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ØPolarización circular, excitación única:
• Se basan en la excitación de 2 modos ortogonales, casi degenerados (frecuencias de resonancia parecidas).
• Forma del parche: desviación de una geometría con modos degenerados.
• El punto de excitación es crítico para generar los 2 modos con idéntica amplitud.
• La condición de polarización circular se cumple a una frecuencia intermedia entre las dos resonancias (banda muy estrecha!).
D) Cuadrada con esquinas cortadas
B) Ligeramente elíptica
C) Cuadrada con ranuraA) Ligeramente rectangular
A B C D
45º-45º
8.- Polarización Circular
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• Parche simétrico: circular o cuadrado.
• Dos puntos de excitación separados 90° y con desfasaje de 90°.• Se consigue un ancho de banda mayor.
• La misma configuración sirve para polarización dual.
ØPolarización circular, 2 puntos de excitación:
8.- Polarización Circular
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• El desfase se puede conseguir mediante líneas de alimentación de distinta longitud o bien mediante circuitos híbridos que consiguen el mismo efecto.
8.- Polarización Circular
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Doble parche rectangular
ØPolarización circular, 2 puntos de excitación y 2 elementos:
•Alimentados cada una por acoplo por apertura
•La misma configuración sirve para polarización dual
8.- Polarización Circular
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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• Solo sirve para arrays.
• Se basa en subarrays de 4 elementos con polarización lineal.
• La polarización esta girada 90° de un elemento a otro.
• Se consigue un ancho de banda mayor.
ØPolarización circular, rotación secuencial:
8.- Polarización Circular
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• En los últimos años, las antenas de parches microstrip de doble polarización lineal han suscitado un gran interés por permitir duplicar la capacidad de comunicación de una banda reutilizándola en polarización. Esto es lo que se está haciendo en muchos sistemas de comunicaciones actuales, tales como:
Ø Antenas de telefonía móvilØ Sistemas de satélites de comunicaciones
• La forma de parche cuadrado es la geometría habitual para este tipo de polarización:
Ø Inconveniente: generación de altos niveles de contrapolar por polarización dual o polarización circular
• Una antena de parches microstrip es capaz de radiar señales de doble polarización lineal :
Ø Si es excitada por dos puntos de alimentación ortogonalesØ Dos alimentaciones independientes que se corresponden con dos
polarizaciones lineales ortogonales individuales
8.- Polarización Dual
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Polarización dual
Ø Los dos puntos de alimentación son excitados de manera completamente independiente con igual amplitud y fase.
Ø En arrays de antenas microstrip, la doble polarización se obtiene interconectando series de parches doblemente polarizados.
Array de polarización dual
1/0°
1/0°
1/0°
1/0°
8.- Polarización Dual
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•El ancho de banda se puede mejorar :
ØEl método más simple y directo: Aumentado el volumen : Dieléctricos más gruesos con constante dieléctrica εr baja.§Ventajas:
−Aumenta el ancho de banda
−Aumenta la eficiencia
§Inconvenientes: substrato grueso⇒ perdidas por formación de ondas de superficie−Restan potencia del diagrama de radiación
−Aumentan el nivel de lóbulos secundarios SLL
ØCon parches parásitos coplanares (más resonancias)
ØCon una red adaptadora externa
ØPerturbaciones resonantes
ØParches apilados
ØCon configuraciones multicapa
⇒ más resonancias
⇒ Ancho de banda
9.- Técnicas de ensanchamiento de banda
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• Disminuir el ancho W (dimensión radiante) del parche ⇒aumenta el ancho de haz en acimut
• Espesor del substrato disminuye ⇒ disminuye el ancho de haz en acimut• La influencia del plano de masa finito en el diagrama de radiación, tiende
por lo general a reducir la anchura del haz por efecto de la difracción en el borde de dicho plano de masa
• Con parches parásitos coplanares al elemento radiante:– El diagrama de radiación es modificado según sea:Ø La distancia de separación entre dichos parches parásitos y el
elemento radianteØ La anchura de los parches parásitos
aumenta el ancho de haz en acimut
Si separamos más los parches parásitos del elemento radiante y aumentamos la anchura de los parches parásitos
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Ø Con parches parásitos coplanares al elemento radiante
• Las tres antenas han sido diseñadas con la misma red de alimentación y con la misma estructura de ranuras.
Ø Cambiando la estructura de los parches y la separación de estos con respecto al plano de las ranuras se han conseguido las especificaciones de ancho de haz en el plano horizontal correspondientes a las antenas sectoriales de 60º, 90º y 120°.
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
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Sectorial 90°
diel #4 : 8mmL16 S90-120ETSIT - S.R. MOYANO
aluminio espesor 1.5mm
P16 S120
L16 S90-120 P16 S90ETSIT - S.R. MOYANO
aluminio espesor 1.5mm
L16 S90-120ETSIT - S.R. MOYANO
aluminio espesor 1.5mm
P16 S60
Sectorial 120°
diel #4 : 9mm
Sectorial 60°
diel #4 : 5mm
ØParche alimentado por acoplamiento a través de una ranura a una línea de transmisión.
diel. #1diel. #2
diel. #3 metal #1
metal #2diel. #4
diel.#5ranura
línea dealimentación metal #3
a
bt
wb2 h
b1
diel. #1
diel. #2
diel. #3
metal #1
metal #2
diel. #4
metal #3diel.#5
b3
parcheranura
línea dealimentación
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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60º90º120º
10.- Técnicas de ensanchamiento de haz
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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11. Ejemplos de
diseño y análisis de antenas impresas microstrip con programas
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• Programas de líneas impresas:
Ø AppCADØ Microwave Office
Ø Agilent ADS
• Programas de líneas impresas y antenas:Ø Ansoft Ensemble v. 8.0 (Método de los Momentos (MoM))
Ø CST Studio Suite 2006 (Ecuaciones Integrales de Maxwell ⇒ FiniteIntegration Time Domain (FITD))
11.- Programas de simulación
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• f = 7.55 GHz
• Polarización lineal
σ=107mhos/m, espesor=35 µm
Metal 3 (cobre)
Ancho = 2.46 mmLínea 50Ω
εr=2.2, tgδ=0.0008, espesor: h= 0.794 mm
Dieléctrico 2
CaracterísticasMaterial
hmetal #2
Parche + línea 50 Ω
diel. #1
W = 12.45mm
L = 16mmx = 3.32mm
L’ = 28.1mm
L’’ = 32mm
y = 8mm
Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006
11.- Parche rectangular con línea microstrip
3. Antenas impresas.ACAF (2007 – 2008)
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Simulación ENSEMBLE v. 8.0 Simulación CST STUDIO SUITE 2006
• La anchura máxima de línea es de 0.47 mm, mientras que la inferior es de 0.36 mm.• Anchuras mayores empiezan a producir efectos de radiación considerables.• Como consecuencia de la radiación de la línea que alimenta el parche radiante:
Ø El valor de contrapolar (LHCP) es algo alto.Ø En el caso del plano φ=90º, existe una clara asimetría del diagrama de radiación
⇒ aumenta el valor de contrapolar.Ø Se produce un claro empeoramiento de la relación axial para ángulos alejados
del máximo de radiación.
εr=2.46, tgδ=0.004, espesor: h =0.5 mmDieléctrico2(Taconic TLX_0)
[9] D.M. Pozar, “Microstrip antenna aperture-coupled to a microstripline”, Electronics Letters, vol. 21, pp. 49-50, January 1985.
[10] D. M. Pozar, D.H. Schaubert, “Microstrip Antennas: The Analysis and design of Microstrip Antennas and Arrays”. IEEE Press, 1995.
[11] E. Aloni, R. Kastner, “Analysis of a dual circularly polarized microstrip antenna fed by crossed slots”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 42, n°8, pp. 1053-1058, August 1994.
[12] J. Torres Martín, “Diseño, Análisis, Construcción y Medida de antenas para el sistema PCS de Telefonía Móvil”, Proyecto fin de carrera, 2004.
[13] M. Martínez-Vázquez, “Antenas Integradas para Terminales Móviles de Tercera Generación”, Tesis Doctoral, Valencia 2003.