Arreglos de Antenas de Microcintas

Arreglos de Antenas de Microcintas Introducción Aquí describiremos las características de las antenas de microcintas tales como: las topologías más comunes del parche, la propagación de ondas, ventajas y desventajas, tipos de alimentación y características de los substratos utilizados para la fabricación de antenas. Antena de parche Microcinta Una antena de microcintas consiste en un parche radiador de largo , ancho y grosor . El parche se encuentra situado en la parte superior de un substrato dieléctrico, el cual tiene un espesor . En la parte inferior del substrato se tiene un plano referenciado a tierra. En la figura se muestra la estructura de una antena microcinta.

Las líneas de transmisión requieren que la constante dieléctrica sea alta y el substrato dieléctrico sea delgado, al contrario en el caso de las antenas, ya que estas requieren de un substrato dieléctrico grueso con constante dieléctrica lo más pequeña sea posible para que la radiación de la antena sea mayor. Los rangos y características de los parámetros -

son los siguientes:

El valor de ( es la longitud de la onda en el espacio libre). El valor de puede variar dependiendo de la forma utilizada. Para un parche rectangular se tiene los siguientes rangos: . El ancho del substrato debe ser grueso y por lo general se considera: . La permitividad eléctrica del substrato dieléctrico por lo general se encuentran en el rango de , se debe buscar la permitividad más baja posible para lograr una mejor eficiencia de la antena.

Típicamente un solo parche puede presentar un ancho del haz a entre y y una ganancia alrededor de a , aproximadamente. El patrón de radiación de una antena de parche es omnidireccional aunque la potencia radiada es emitida solamente hacia la parte superior de la antena en su forma ideal debido a que se considera un plano de tierra infinito, el cual bloquea la radiación hacia la parte inferior de la antena. En la realidad se puede presentar una radiación hacia la parte inferior de la antena, sin embargo los lóbulos posteriores son pequeños en comparación al lóbulo principal, por lo tanto son despreciables. Tipos De Parche A menudo las antenas de microcinta son también conocidas como antenas patch o parche. Los elementos de radiación y las líneas de alimentación son usualmente fotograbados en el elemento substrato dieléctrico. El parche de radiación puede ser cuadrado, rectangular, una cinta delgada o dipolo, circular, elíptica, triangular o cualquier otra configuración. Algunas de estas se muestran en la siguiente figura.

Representación de figuras de elementos parche de una microcinta Cuadrados, rectángulos, dipolos y círculos son los más comunes porque son más fáciles de fabricar y analizar, y además presentan atractivas características de radiación, especialmente bajo radiación de polarización cruzada. Los dipolos microcinta son atractivos porque estos inherentemente poseen un largo ancho de banda y ocupan menos espacio, siendo por esto, más atractivos para arreglos. Las polarizaciones lineal y circular se pueden lograr ya sea con elementos únicos o arreglos de antenas microcinta. Los arreglos de elementos de microcinta, con una o múltiples alimentaciones, pueden también ser usadas para introducir capacidades de análisis y lograr buena directividad. En la actualidad también es frecuente ver antenas microcinta diseñadas con formas fractales como las presentadas en la figura de la izquierda. En la figura de la derecha se muestra algunas antenas microcintas reales.

Antena microcinta con forma fractal Antenas microcintas reales Propagación electromagnética en antenas de microcinta En la antena de parche, la amplitud de corriente de superficie resulta significativa cuando la señal de la frecuencia de operación es cercana a la frecuencia de resonancia. Cuando el parche radia, se tienen los patrones de radiación de los campos eléctrico y magnético, denominados como plano magnético y eléctrico, y se encuentran relacionados al flujo de corriente eléctrica.

Dependiendo de la dirección de propagación de las ondas, estas se clasifican en cuatro categorías (ondas espaciales, superficiales, de fuga y guiadas).

Clasificación de los tipos de alimentación para antenas de microcinta

Arreglo de Antenas de Microcintas Existen distintas aplicaciones en donde se requieren antenas con un ancho del haz angosto, alta directividad y alta ganancia. Un solo parche no puede obtener estas características debido a que su patrón de radiación es omnidireccional y toda la energía radiada se distribuye de manera uniforme en todas direcciones, teniendo como consecuencia una antena no directiva (con respecto a una dirección de propagación efectiva) y con poca ganancia.

Gráfico del patrón de radiación para distintos casos En la siguiente figura se muestra el patrón de radiación de 1 sólo elemento radiador que tiene una ganancia de a la frecuencia central de operación.

Los parches se pueden agrupar en forma adyacente para formar un arreglo, debido a que se obtiene una interacción entre los elementos por a su proximidad, de manera que los campos radiados de cada uno se combinan a lo largo de la dirección perpendicular a ellos y se cancelan en las otras direcciones. En la siguiente figura se muestran los patrones de radiación de arreglos de 2, 4, 8 y 16 parches. Se puede observar que a medida que incrementa la cantidad de elementos radiadores, el patrón de radiación va cancelándose progresivamente en algunas direcciones. Esto se debe a que la parte de la energía radiada por los lóbulos laterales se transfiere al lóbulo principal, y de esta manera se cumple la ley de la conservación de la energía. En consecuencia, la antena se vuelve más directiva hacia una dirección en particular incrementando su ganancia. Al duplicar el número de parches en un arreglo, la ganancia incrementa bajo condiciones ideales. Por ejemplo si un solo parche proporciona una ganancia de , entonces un arreglo de 16 parches tendrá una ganancia de .

Para que los parches de un arreglo radien en una dirección perpendicular a los mismos, la amplitud de la corriente de alimentación presentada en el puerto de cada parche debe ser igual y con la misma fase. La fase de cada elemento puede controlarse variando las dimensiones de las líneas, y la amplitud con amplificadores, atenuadores o manipulando las reflexiones internas en las líneas con transformadores de impedancia, divisores de potencia, etc.

Un arreglo se debe componer por elementos para mantener la simetría del patrón de radiación y cada elemento se debe interconectar mutuamente, teniendo un punto en común que es el puerto de entrada de la antena. La reducción de la ganancia se debe a las pérdidas en las líneas y en los parches, la radiación en la alimentación, la generación de ondas de superficie, el acoplamiento mutuo (parches muy cerca) y por errores en las tolerancias de diseño y fabricación. En las redes de alimentación, se deberá desfasar eléctricamente la señal de los parches (1, 2) y (2, 2) con respecto al (1, 1) y (2, 1), mostrados en la siguiente figura, que indica la numeración del arreglo de parches.

Directividad y ganancia La directividad es una medida de las propiedades direccionales de una antena en comparación con las de un radiador isotrópico y debido a que éste no es direccional, siempre será mayor que uno. Por definición, la directividad es la relación entre la densidad de potencia máxima en la dirección del haz principal con respecto a la densidad de potencia radiada promedio. Se puede expresar como sigue:

Donde

es la intensidad de radiación máxima de la antena definida por:

es la intensidad de radiación máxima de la antena definida por:

Simplificando las expresiones anteriores se tiene que:

Donde: Directividad en una sola ranura Directividad total en parche rectangular Directividad en el factor arreglo Conductancia mutua normalizada Conductancia mutua Conductancia en una sola ranura La ganancia directiva G de una antena se define como:

Donde es la eficiencia de la radiación de la antena. La ganancia siempre es menor a la directividad ya que se encuentra dentro del rango .

Características Circuitales (Modelo de línea de transmisión) La radiación se hace presente en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura, especialmente si su tamaño es comparable a la longitud de onda. No obstante el efecto de bordes se manifiesta en el contorno de la estructura y depende del grosor y la permitividad del dieléctrico.

Modelo de línea de transmisión. El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W × L (ver Figura 1). La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase, donde. L = . La radiación existente en los flancos laterales del parche se cancela entre sí. El circuito equivalente es una línea de transmisión de longitud L, con dos impedancias que simulan las pérdidas de radiación y la capacidad de la discontinuidad y el circuito abierto.

Circuito equivalente de la línea de transmisión. El modelo de línea de transmisión permite hacer el estudio de antenas microcinta de forma rectangular. Si se desea el análisis de otra forma de parche, es necesario tomar otro modelo, por ejemplo el modelo de cavidades resonantes.

Diagramas de Polarización La polarización de una antena parche rectangular es lineal cuando se opera en el modo dominante. Sin embargo, antenas de gran ancho de banda también pueden operar en los modos superiores y consecuentemente poseer patrones de radiación y polarización que difieran de los correspondientes al modo dominante. Usualmente depende de las técnicas de alimentación que se apliquen a la antena, cuando la dirección de polarización no es especificada se asume que está

en la dirección de radiación máxima. Las técnicas de polarización que son ampliamente utilizadas en antenas microcinta son polarización lineal y circular.

Aplicaciones ventajas y desventajas Las antenas microcinta han incrementado su popularidad por ser usadas en aplicaciones inalámbricas debido a que son estructuras de bajo perfil., lo que las hace extremadamente compatibles para ser antenas incrustadas en dispositivos inalámbricos portátiles como teléfonos celulares, pager, etc. Además de aplicarse en aeronáutica, aviación, aplicaciones en misiles, telemetría y comunicaciones inalámbricas. Además son usadas para frecuencias elevadas principalmente en los rangos de microondas y ondas milimétricas. A continuación se presentan algunas de sus principales ventajas. - Son livianas y ocupan poco volumen - Tienen un perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies. - Bajo costo de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie. - Soporta tanto polarización lineal como polarización circular. - No requieren de estructura de soporte. - Las líneas de alimentación e integración a otros circuitos pueden fabricarse simultáneamente y coexistir en la misma estructura. - Pueden crearse fácilmente arreglos simples. Las antenas microcinta presentan algunas desventajas en comparación a las antenas convencionales.

Se muestra a continuación las principales desventajas: - Son de pequeño ancho de banda. - Manifiestan problemas de tolerancia. - Baja eficiencia. - Poca ganancia. - Requieren substratos de alta calidad y buena tolerancia a temperaturas extremas. - Existencia de radiación no deseada proveniente de los alimentadores. - Pureza de polarización difícil de lograr.

Referencias Bibliográficas -

Pozar David M, Microwave Engineering, John Wiley and Sons Inc. 3th ed, 2005. John D. Kraus, Antennas, 2nd ed, 1997. Metodología para el diseño y construcción de antenas de microcinta en la banda Wimax a 3.5 GHz, tesis de maestría, 2007. Rossana Ramírez Villegas, Ismael Urquizo Ruvalcaba, Metodología de Diseño para Antenas Microcinta de parche Rectangular, Tesis de Licenciatura, 2010. Diseño de Antenas Direccionales de 2.4 y 5.8 GHz por Medio de la Técnica de Microcinta, proyecto de tesis, 2009.