DISEÑO DE ANTENA MICROSTRIP PARA LA BANDA DE UHF

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1 1 DISEÑO DE ANTENA MICROSTRIP PARA LA BANDA DE UHF 1 M.Sc. J. C. García y 2 J. A. Franco Grupo de Control y Procesamiento Digital de Señales Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales 1 jcgarcia@nevado.manizales.unal.edu.co 2 juan franco@unalmzl.edu.co Resumen El presente trabajo busca el diseño más adecuado que cumpla con el propósito de una antena tipo microstrip para transmitir en la banda UHF. Por tal razón se escoge diseñar una antena rectangular por su simplicidad matemática y de construcción f ísica, ya que no se cuentan con las herramientas necesarias para construir una antena de parche de forma circular. Index Terms Microstrip, Linea de Transmision, método de cavidades, Alimentación. I. INTRODUCCIÓN Una antena microstrip es un parche conductor que presenta por su tamaño y complejidad de construcción multiples ventajas, pero a su vez carece de algunas como limitación de potencia entre otras. Su diseño se adecúa de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiación. Para diseñar una antena microstrip se deben tener en cuenta que varios autores [1], [2], [3], presentan diversas formas de hacerlo, tambien se debe tener mucho cuidado en el momento es que se escoje el tipo de alimentación que se va usar para la antena, ya que esto puede incrementar la eficiencia pero a su vez tambien causa una construcción más compleja, por la tal razón hay que encontrar un equilibrio. Cuando se tiene ya claro la forma en que se va a construir la antena se busca el mejor método para hacer el análisis tomando como criterio la complejidad, reducción en los costos, como es el caso del modelo de línea de transmisión y el de cavidades [1], que se van a tratar más adelante. II. FORMA DE LAS ANTENAS Aunque son muchas las formas en las que se puede encontrar una antena microstrip, las más habituales son rectangular y circular (figuras 1 y 2), existiendo tambien las forma cuadrada y dipolo [1]. III. MÉTODOS DE DISEÑO Existen diversos autores [2] que muestran muchas formas de diseñar arreglos de antenas tipo microstrip, y otros se ocupan de antenas simples [3], [2]. Para nuestro caso se van a analizar los criterios de diseño de tres autores fundamentalmente, siendo ellos: Balanis, Bahl y Bhartia, y Benalla y Gupta. III-A. Método de Benalla y Gupta Este método se basa en [2]. Al analizar este documento [2] y [4] et al; se puede observar que el método que ellos plantean aplica solamente en el diseño de antenas microstrip rectangulares de 2 puertos, en el cual trabajan con un arreglo de antenas microstrip. Por tal razón esta forma de diseño no aplica para lo que se busca en este trabajo el cual consiste en diseñar un modulo de antena tipo microstrip para transmitir en la banda UHF. Este trabajo se encuentra dentro del marco del proyecto: Estación base GSM/CDMA, financiado por DIMA

2 2 Fig. 1. Diversas formas de antenas microstrip Fig. 2. Diversas formas de antenas microstrip (cont.) III-B. Método de Bahl y Bhartia La forma en que Bahl y Bhartia [3] plantean el diseño de una antena tipo microstrip se basa en una geometría rectangular (figura 3) y en el conocimiento de ε r (constante dieléctrica del sustrato), f r (frecuencia de resonancia en Hz) y el grosor del sustrato h. III-C. Método de Balanis El método de Balanis se basa en una recopilación de varios autores, y en el cual se muestra la manera de diseñar una antena microstrip rectangular. Este sistema como se verá más adelante se basa en el análisis por el método de cavidades resonantes. IV. MODELOS DE ANÁLISIS Existen diversos métodos de análisis [5], [6], [7], [2] para una antena tipo microstrip, sea cual sea la forma del parche. Entre los más conocidos están: Modelo de línea de transmisión [8] Modelo de cavidades resonantes [5] Método de diferencias finitas

3 3 Fig. 3. Antena microstrip rectangular Método de elementos finitos Método de ecuaciones integrales Dominio natural Dominio espectral Como se puede observar existen muchos modelos, pero para nuestro caso particular se van a tomar en cuenta el modelo de línea de transmisión y el de cavidades resonantes, por presentar sencillez de análisis. IV-A. Modelo de línea de transmisión La radiación se hace presente en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura (figura 4), 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. Fig. 4. Modelo de línea de transmisión El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W L (ver figura 4). La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase, donde. L = λ/2. 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 (figura 5).

4 4 Fig. 5. Circuito equivalente de la línea de transmisión El modelo de línea de transmisión permite hacer el estudio de antenas microstrip 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 [1], [8]. IV-B. Modelo de cavidades resonantes Las antenas microstrip se comportan como cavidades resonantes.en el interior se producen ondas estacionarias entre las paredes electricas y magneticas (figura 6). Fig. 6. Modelo de cavidades resonantes Para analizar los campos en el interior de la cavidad hay que resolver la ecuación de onda, sujeta a las condiciones de contorno de los campos tangenciales (figura 7). El parche admite varias distribuciones de campo (modos) de acuerdo con las soluciones de la ecuación de onda homogénea La solución de la ecuación diferencial es A x = A 0np cos 2 A x + k 2 A x = 0 (1) ( nπ ) ( pπ ) L y cos W z (2)

5 5 Fig. 7. Condiciones de frontera donde la frecuencia de resonancia depende del modo como se ve en la ecuación 3. 1 (nπ ) 2 ( pπ ) 2 (f r ) 0np = 2π + (3) uε L W La antena tiene un comportamiento similar a un circuito resonante con pérdidas (fig 8) Fig. 8. Modelo de circuito resonante con perdidas A la frecuencia de resonancia la potencia se consume en la resistencia de radiación. V. TIPOS DE ALIMENTACIÓN Existen varios métodos [8], [1] (figura 9) para alimentar una antena microstrip, los cuales pueden ser a través de una línea impresa, una sonda coaxial, por acoplamiento de cavidades o ya sea a través de ranuras. La figura 9 muestra los diferentes modos de alimentar una antena microstrip, siendo a) línea impresa, b) acoplamiento por proximidad, c) sonda coaxial y d) acoplamiento a través de una ranura.

6 6 Fig. 9. Modos de alimentación Fig. 10. Antena microstrip construída VI. RESULTADOS Los parámetros de diseño de la antena son aplicados a un programa de simulación, para luego ser construída. La antena construída se ilustra en la figura 10 Para la simulación, se utiliza el programa Mstrip40 [9], para simular los parámetros a ser comparados con los arrojados en el montaje. El montaje para los ensayos se ilustra en la figuras 12 y 11. Se utilizaron el Generador de RF y el analizador de Redes Hewlett-Packard [10], [11]. Se escoge una frecuencia de 1 GHz debido a que el analizador de redes trabaja en un rango de frecuencias de 300 MHz hasta 1.3 GHz y el generador de RF provee una frecuencia máxima de 1 GHz con 10 dbm de salida limite. Los siguientes parámetros fueron comparados entre la simulación y el montaje: Impedancia de entrada. En la figuras 13 y 14 se ilustra que tanto en la simulación como en el montaje (Figura 11)se tienen resultados similares del valor de impedancia de la antena. Diagrama de radiación. Con respecto al diagrama de radiación, no fué posible realizar en montaje debido a la limitación de los equipos, por lo que se aprecia el resultado en simulación de la figura 15. Potencia de transmisión. La potencia de transmisión se realizó con el montaje de la figura 12, lo cual, de acuerdo con los resultados de la figura 16, muestra una limitante en potencia apreciable. Recepción para protocolos TDMA y GSM. Para efectos de comprobación de funcionamiento, se utilizaron dos transmisores celulares de protocolos distintos (TDMA y GSM), usando la antena microstrip como receptor, de acuerdo con el montaje de la figura 11, arrojando los resultados de las

7 7 Fig. 11. Montaje 1 Fig. 12. Montaje 2 figuras 17 y 18. VII. CONCLUSIONES El método utilizado para el análisis de la antena por el modelo de la línea de transmisión es el sugerido por los autores Bahl y Bhartia [3] ya que presenta ventajas con respecto a la elaboración física de la antena que como se menciona anteriormente es la gran limitante que se posee. La alimentación de la antena se implementó a través una línea de transmisión en un punto y 0, y en su extremo se acopló con una sonda coaxial como lo muestra la figura 10. Esto se hizo por ser el camino más viable en la construcción de la antena y por presentar una menor pérdida de la potencia radiada en comparación con otros métodos de alimentación. Lo anterior se planteó como una solución para evitar los problemas de bajo nivel de potencia de radiación que presentan las antenas tipo microstrip, dando un resultado satisfactorio a la hora de hacer las mediciones en el laboratorio y comprobando la teoría en la que se plantea que la sonda coaxial contribuye en menor grado a la poca pureza de polarización. En cuanto a la escogencia del material, se opta por utilizar una fibra de vidrio comercial con una alta constante dieléctrica (ε r = 4.7), no solo por su facilidad en la manipulación, sino también por sus excelentes propiedades eléctricas y térmicas para trabajar en frecuencias altas, en este caso la banda UHF. En la escogencia del material conductor se opta por el cobre por su bajo costo y alta conductividad, y aunque se pueden escoger materiales conductores como el oro o la plata, esto incrementaría los costos del diseño,

8 8 Fig. 13. Impedancia antena en simulación Fig. 14. Impedancia antena medida lo cual no es aceptable dada la justificación que se planteó para la realización de este trabajo. Un factor con el cual se tenía especial cuidado eran las capacitancias parásitas que se forman en la antena, en especial en las uniones de soldadura como se ve en la figura 10. Pero después de hacer las pruebas de laboratorio, se llegó a la conclusión de que estas solo influyen cuando la longitud de onda es muy pequeña, por ejemplo cuando se utilizan frecuencias por encima de los 3 GHz. Otra de las apreciaciones hechas en el laboratorio fue el problema de la poca potencia que radian las antenas tipo microstrip de forma rectangular. Después de hacer alguna simulaciones se pudo analizar el problema de potencia que se presenta cuando el tamaño del rectángulo aumenta, lo cual deja ver claramente que la eficiencia de las antenas microstrip es ideal cuando se esta trabajando con frecuencias altas, es decir, frecuencias por encima de los 3 GHz. REFERENCIAS [1] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design., 2nd ed. Wiley., [2] A. Benalla and G. K. C., Multiport network model and transmission characteristics of two-port rectangular microstrip patch antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation., vol. 36, no. 10, pp , [3] I. G. R. Bhartia, P. Bahl and A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook. Artech House Publishers., [4] A. Benalla and G. K. C., Transmission-line model for two-port rectangular microstrip patches with ports at the non-radiating edges. Electronics Letters (ISSN )., vol. 23, no. 13, pp , 1987.

9 9 Fig. 15. Impedancia antena medida Fig. 16. Potencia de transmisión medida desde la antena lazo [5] C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics., 2nd ed. Wiley., [6] C. D. K., Fundamentals of Engineering Electromagnetics. Addison Wesley., [7] J. D. Kraus, Electromagnetics with applications., 5th ed. McGraw-HIll., [8] M. Ferrando and A. Valero, Antenas (CD-ROM). Universidad Politécnica de Valencia., [9] M. Leung, Microstrip antenna design using mstrip40. University of Canberra, Tech. Rep., [10] HP Network Analyzer. User s Manual, Hewlett Packard, [11] HP RF Generator. User s Manual, Hewlett Packard, 2001.

10 10 Fig. 17. Detección de protocolo TDMA usando antena microstrip Fig. 18. Detección de protocolo GSM usando antena microstrip