Micro Strip

•Antenas microstrip - Antenas con gran implantación en los últimos años - Fuerte aparato matemático asociado a su análisis - Muy relacionado con elementos tales como las líneas de transmisión o los resonadores, estudiados en otras asignaturas

• Objetivos: - Conocimiento de las aplicaciones de esta antena - Ventajas e inconvenientes que presenta - Principio físico de funcionamiento - Concretar algunas reglas básicas de diseño

1. Introducción • • •

Definición Ventajas e inconvenientes Aplicaciones

2. Configuraciones habituales y modos de alimentación 3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular • •

Modelo de línea de transmisión Modelo de cavidad

4. Parámetros característicos • • •

Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarización

5. Temas avanzados y resumen

LA ANTENA MICROSTRIP

Índice de la Presentación

LA ANTENA MICROSTRIP

Estructura: - Parche metálico (dimensiones comparables a λ) - Substrato dieléctrico sin pérdidas • grosor: 0.003λ ≤ h ≤ 0.05λ • constante dieléctrica: 2.2 ≤ εr ≤ 12 - Plano de masa

- La antena microstrip es una extensión de la línea de transmisión microstrip. - Sus dimensiones se eligen de forma que el “parche” disipe la potencia en forma de radiación. - Se conciben por primera vez en los 50 aunque sólo a partir de los 70 se trabaja activamente en ellas.

Parche rectangular Substrato dieléctrico h

Línea de transmisión

Plano de masa

1. Introducción

LA ANTENA MICROSTRIP

Inconvenientes • Baja eficiencia • Baja potencia • Alto Q • Pobre pureza de polarización • Banda estrecha • Radiación espúrea de las líneas

LA ANTENA MICROSTRIP

Ventajas • Bajo perfil • Conformables a estructuras • Fabricación sencilla y barata • Robustas • Combinables con circuitos integrados de microondas • Versátiles en la elección de la frec. de resonancia o la polarización.

1. Introducción

LA ANTENA MICROSTRIP

1. Introducción

Aplicaciones • Antenas embarcadas en misiles • Altímetros radar en aviones • Antenas de exploración radar en satélites • Sistemas GPS • Telefonía móvil • Comunicaciones móviles por satélite • Aplicadores de calor en medicina (hipertermia)

LA ANTENA MICROSTRIP

1. Introducción

1

• Comunicaciones móviles por satélite

Agrupación de antenas con barrido mecánico

• Comunicaciones móviles por satélite Agrupación de antenas con barrido electrónico

1. Introducción

LA ANTENA MICROSTRIP

1. Introducción

LA ANTENA MICROSTRIP

• Comunicaciones móviles terrestres

La antena en el satélite Antena microstrip conformada

• Antena embarcada en satélite para telemetría

NOKIA 3210 1. Introducción

LA ANTENA MICROSTRIP

1. Introducción

LA ANTENA MICROSTRIP

• Modos de alimentación Parche

Parche

Cuadrado

rectangular

dipolo

Parche rectangular

circular h

Línea de transmisión

Línea de transmisión

• Formas de parche más habituales

Ranura

Plano de masa

Línea de transmisión

elíptico

triangular

Acoplamiento por ranura

anillo

• Otros tipos de parche

Acoplamiento por proximidad

Conector coaxial

LA ANTENA MICROSTRIP

2. Configuraciones y alimentación

LA ANTENA MICROSTRIP

2. Configuraciones y alimentación

2

1. Introducción • • •

• La línea de transmisión microstrip

Definición Ventajas e inconvenientes Aplicaciones

Líneas de campo eléctrico

2. Configuraciones habituales y modos de alimentación 3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular • •

- Se propaga un modo cuasi-TEM - La mayor parte del campo está confinado en el dieléctrico - Propiedades del dieléctrico:

4. Parámetros característicos • • •

Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarización

1. Eléctricamente delgado (0.003λ ≤h ≤0.05 λ ), para evitar fugas y ondas superficiales 2. Permitividad alta (3≤ εr ≤10), para que las líneas de campo estén confinadas entorno a la línea microstrip.

5. Temas avanzados y resumen

Índice de la Presentación

LA ANTENA MICROSTRIP

• Modelo de línea de transmisión Discontinuidad

εr

h

Modelo de línea de transmisión Modelo de cavidad

3. Principio de funcionamiento

LA ANTENA MICROSTRIP

• Modelo de línea de transmisión Frecuencia de trabajo:

Circuito abierto

L

∆L

fr !

∆L E

E

c0 2L Fr

Anchura del parche:

W

W ≈ λg/2

- El efecto de bordes se manifiesta en los cuatro costados y depende del grosor y la permitividad del dieléctrico. - La presencia de discontinuidades de tamaño comparable a λ fuerza la radiación de la estructura.

3. Principio de funcionamiento

LA ANTENA MICROSTRIP

• Modelo de línea de transmisión

εr

h

- El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W×∆L - La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase. L=λg/2 - La radiación de los flancos laterales del parche se cancela entre sí.

3. Principio de funcionamiento

LA ANTENA MICROSTRIP

• Modelo de línea de transmisión

y

G

G

z

G

G

W

n

E

x

E W x

z

∆L

Antena equivalente

B1

G1

B2

G2

Yc

Circuito equivalente

d L o L > W > L/2

Si L > W fr 010 

LA ANTENA MICROSTRIP

W

Modo dominante: frecuencia más baja de funcionamiento

M

M

n - El campo radiado se obtiene aplicando el principio de equivalencia y el teorema de las imágenes.

Ranuras radiantes: sus contribuciones se suman en fase

LA ANTENA MICROSTRIP

+

Ranuras no radiantes: sus contribuciones se cancelan

3. Principio de funcionamiento

4

• Modelo de cavidad

1. Introducción

Diagramas de radiación

• • •

Definición Ventajas e inconvenientes Aplicaciones

2. Configuraciones habituales y modos de alimentación 3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular • •

Modelo de línea de transmisión Modelo de cavidad

4. Parámetros característicos • • •

Resistencia de entrada Factor de calidad y ancho de banda Polarización

5. Temas avanzados y resumen Modo dominante, TM010

Modo de segundo orden, TM020

3. Principio de funcionamiento

LA ANTENA MICROSTRIP

• Resistencia de entrada, Rin

• Factor de Calidad (Q) y ancho de banda L

- Es representativo de las pérdidas en la antena

y0 B1

G1

B2

W

G2

LQ y

Energía almacenada

Rin

V 2 (y  0) V 2 (y  y 0 )  Rin Rin (y  y 0 )

1  2G1

- La Rin cambia con el punto de alimentación - Sencilla adaptación del parche a la línea

Rin (y  y 0 )  Rin (y  0) cos2

⇒ Q

εr

(En resonancia)

radiación conducción dieléctrico

Potencia disipada

h

V r Ez Wrad 

Q 

Rin

Yc

Ez  E (y  0)cos

Índice de la Presentación

LA ANTENA MICROSTRIP

⇒

1 %f ¬­ ­ La banda de trabajo se estrecha žžž  f0 ®­ ŸQ

Comportamiento como cavidad

LQ y

- El Q está relacionado con el grosor (h) y la permitividad (εr) del dieléctrico

0

Interesan dieléctricos gruesos y de permitividad baja

4. Parámetros característicos

LA ANTENA MICROSTRIP

• Polarización

4. Parámetros característicos

LA ANTENA MICROSTRIP

• Polarización circular ∆L E

L

∆L E W

Híbrido de 90°

Divisor de potencia λ /4

El parche básico presenta polarización lineal Es posible combinar varios modos para conseguir polarización circular

LA ANTENA MICROSTRIP

4. Parámetros característicos

Parche cuadrado

Parche cuadrado

εr

h

Se consigue con dos polarizaciones lineales ortogonales y desfasadas 90° En z=0,

G E (t )  cos(Xt )xˆ sen(Xt )yˆ

LA ANTENA MICROSTRIP

4. Parámetros característicos

5

• Modelado riguroso de estructuras microstrip

• Mediocres características de radiación • Aplicaciones que requieran poca potencia • Gran variedad de configuraciones

Ec. Integral

+

• Antenas muy compactas

Algoritmos rápidos

Incógnita: Corriente eléctrica

• Facilidad para construir agrupaciones de parches N=80.000 incógnitas

- Requiere plantear una ecuación integral y resolverla numéricamente - Los algoritmos rápidos son específicos para cada tipo de problema

5. Temas avanzados

LA ANTENA MICROSTRIP

ANTENAS CIRCULARES

• Modelo de cavidad

∇2Ω + k 2Ω = 0

Diagrama de radiación

1 ∂  ∂Ω  1 ∂ 2Ω ∂ 2Ω + + k 2Ω = 0 ρ + ρ ∂ρ  ∂ρ  ρ 2 ∂φ 2 ∂z 2

Parche circular

LA ANTENA MICROSTRIP

5. Resumen

LA ANTENA MICROSTRIP

3. Principio de funcionamiento

LA ANTENA MICROSTRIP

MODOS DE RADIACIÓN

MODOS DE RADIACIÓN J0

J1

J2

J3

Ω n ,kz = J n ( k ρ ρ ) e jnφ e jkz z k 2 = k ρ2 + k z2 Conector coaxial

LA ANTENA MICROSTRIP

LA ANTENA MICROSTRIP

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FRECUENCIAS DE RESONANCIA Función ceros 1º 2º 3º 4º

CAMPOS RADIADOS POR LAS ANTENAS CIRCULARES

J’0

J’1

J’2

J’3

3.8317 7.0156 10.1735 13.3237

1.8412 5.3314 8.5363 11.7060

3.0542 6.7061 9.9695 13.1703

4.2012 8.0152 11.3459 14.5858

LA ANTENA MICROSTRIP

G M s = e jnφ 'φˆ '

LA ANTENA MICROSTRIP

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