3.5 ANTENAS MICROSTRIP

Transcripción

1 3.5 ANTENAS MICROSTRIP Descripción general 3.5. Alimentación de un parche sencillo Modelo de línea de transmisión Campo de radiación Impedancia de entrada Métodos de análisis Alimentación para polarización circular Ejemplos de arrays microstrip prácticos y su alimentación

2 3.5.1 Descripción general El parche forma una caidad resonante. Las aperturas paralelas a XZ forman un array que radia en fase hacia en la dirección del eje Z. Cada apertura es equialente a una línea de corriente magnética orientada según X h L Z Y ε r X Parche: tamaño.5 a 1, grosor 1 a 5 micras Substrato dieléctrico: Mayor que el parche, grosor.5 a. Plano de masa: Tamaño como el substrato. Frecuencias típicas: 4MHz a 4 GHz Aplicaciones: antenas de aeronaes, de móiles, LAN, alimentadores de reflectores, biomedicina, telemetría, etc.

3 3.5.1 Ventajas e inconenientes VENTAJAS. Pequeño tamaño y poco peso Ajustable a superficies no planas Fabricación sencilla y económica a gran escala Robustez mecánica (montado en superficies rígidas) Sencillez de realización de arrays Fácil integración en equipos y circuitos Adecuado para diseño CAD INCONVENIENTES Estructura resonante con pequeño ancho de banda Perdidas en el sustrato (precisa sustratos de calidad tanδ<.) Poca pureza de polarización Limitaciones de potencia

4 3.5.1 Otras formas de parches radiantes

5 3.5.1 Consideraciones de ancho de banda Definición de ancho de banda respecto a Impedancia de entrada (típica 1-% para VSR<) Ganancia Polarización SLL Eficiencia Ensanchamiento de la banda Substratos mas gruesos(y con mayores pérdidas) Elementos parásitos Redes pasias externas Diseños no resonantes (arrays de onda progresia)

6 3.5. Alimentación mediante línea microstrip

7 3.5. Alimentación por acoplo electromagnético Acoplamiento a traés de ranura en el plano de masa Acoplamiento por proximidad

8 3.5. Alimentación por sonda coaxial

9 3.5. Alimentación mixta. Ejemplo

10 3.5.3 Circuito equialente en el modelo de línea de transmisión 1/ h r r ef ε ε ε ef ef g ef c c k Y Z ε β ε ε η 1 La constante dieléctrica eficaz tiene en cuenta la propagación de la onda en el sustrato y el aire ) 1 (.636 ln π π < h h B h G

11 3.5.3 Impedancia característica y longitud de onda en el parche h w

12 3.5.3 Longitud efectia y frecuencia de resonancia L ef L + L L.41h ( ε +.3) ef h ( ε.58) +.8 ef +.64 h f f 1 r 1 r L c ef c ε ef L ef g ε ef

13 3.5.3 Procedimiento de diseño Fijados la frecuencia de trabajo f, y el sustrato (espesor h y constante dieléctrica ε r ) 1 c f ε + 1 r (El cálculo de se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahl y Bhartia) 3 1/ ε r + 1 ε r 1 h ε ef g ( ε +.3) ef +.64 h L h g.41 L Lef L L ( ε ef.58) +.8 h ε ef

14 3.5.4 Fuentes de radiación para un parche rectangular

15 3.5.4 Campo de radiación de un lado h ẑ ŷ xˆ Apertura de iluminación uniforme y polarización z yˆ f E a ( x, z) E E h sin π sinθ cosφ π sinθ cosφ h sin π cosθ h π cosθ zˆ E j e r jkr [ rˆ ( nˆ f )] nˆ yˆ Considerando h<< E j e r jkr sin π sinθ cosφ ˆ Eh π sinθ cosφ [ r xˆ ]

16 3.5.4 Modelo de dipolo magnético φ θ π φ θ π ωη ε ωη φ θ φ θ π ε π ε φ θ φ θ cos sin cos sin sin ˆ) ( ˆ 1 ) ( ˆ ˆ cos sin cos sin sin ' ˆ 4 cos 'sin ˆ ' ˆ ' ' ) ( ˆ ˆ) ˆ ( ˆ / / cos 'sin r e h E x r j E k F r j E x jk k j r e h E dx h e E x r e F x r r x z r h E x I x E z y E E n M jkr jkr jkx jkr m a s h xˆ ẑ M s Se llega finalmente a la misma expresión

17 3.5.4 Radiación de los dos lados Se introduce un factor de array: L ẑ ŷ h xˆ FA e L L jk yˆ rˆ jk yˆ rˆ L + e cos π sinθ sinφ E j e r jkr sin π sinθ cosφ π sinθ cosφ [ r xˆ ] E h cos π sinθ sinφ ˆ L xˆ sinθ cosφ rˆ + cosθ cosφ ˆ θ sinφ ˆ φ

18 3.5.4 Campos de radiación en los planos principales Plano H (PlanoXZ) φ xˆ sinθ rˆ + cosθ ˆ θ E j e r jkr [ ] cosθ ˆ φ E Plano E (PlanoYZ) h sin π sinθ π sinθ φ 9 xˆ ˆ φ E j e r jkr [] ˆ L θ Eh cos π sinθ

19 3.5.4 Campos de radiación en los planos principales Plano H (PlanoXZ) Plano E (PlanoYZ)

20 3.5.5 Impedancia de entrada La impedancia de entrada sin considerar el acoplo entre los dos slots es: Se puede considerar el acoplo mediante la siguiente expresión (donde G1 es la conductancia mútua y el signo + es para resonancias antisimétricas y - para simétricas) Dicha impedancia puede ser reducida al utilizar la alimentación de la figura R in π ( y) Rin() cos y L R in 1 G 1 R in ( G 1 ± G 1 ) y 1 L

21 3.5.5 Impedancia de entrada

22 3.5.6 Modelo de la caidad resonante

23 3.5.6 Métodos de análisis Modelo de línea de transmisión Modelo de caidad resonante Método de diferencias finitas Método de elementos finitos Método de ecuaciones integrales (p.ej. MoM) Dominio natural Dominio espectral

24 3.5.7 Alimentación para polarización circular

25 3.5.7 Alimentación para polarización circular

26 3.5.8 Alimentación de arrays microstrip Modelos de alimentación serie y paralelo Ejemplo práctico de alimentación paralelo o corporatia

27 3.5.8 Alimentación de arrays microstrip Ejemplo de alimentación corporatia Ejemplo de alimentación mixta

28 3.5.8 Alimetación de elementos parásitos YAGI Microstrip

29 3.5.8 Reflectarrays

30 3.5.8 Array de polarización dual

31 3.5.8 Array inflable para aplicaciones espaciales con polarización dual