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Sistemas Radiantes

Practica 7. Antena tipo Parche Reporte de la Práctica n°7: Antena tipo Parche. Adán Márquez Ramos 201020792 e-mail: [email protected]

I.

Una relación aproximada para la extensión normalizada de la longitud.



Un ancho practico que conduce a una buena eficiencia de radiación.



La longitud del parche puede ser determinada por.



La constante dieléctrica efectiva.

INTRODUCCION

Las antenas tipo “parche” también son conocidas como antenas microstrip ya que se basan en dicha tecnología. Su uso tiene un gran auge para aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante por ejemplo: aeronáutica, aviación, satélites, aplicaciones en misiles, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas en general, y para frecuencias elevadas principalmente en los rangos de microondas y ondas milimétricas. La tecnología microstrip en la cual están basadas las antenas tipo parche es el resultado de una evolución que desde sus inicios estuvo regida bajo el principio de realizar diseños de dimensiones reducidas tanto en antenas como en líneas de transmisión que pudieran ser fácilmente acoplados a cualquier dispositivo. Algunas de las ventajas que este tipo de antenas pueden ofrecer son: tendencia a la miniaturización al lograr dispositivos cada vez más pequeños y con componentes livianos, fáciles de integrar tanto a superficies planas como no planas, sencillas, de fácil producción en masa (por lo que los costos pueden ser muy reducidos), fáciles de adaptar con circuitos integrados de microondas, versátiles en términos de impedancia, patrón, polarización y frecuencia de resonancia. II.



MARCO TEORICO

Dependiendo de las aplicaciones que se requieran para una línea microstrip (líneas de transmisión y circuitos o antenas), las necesidades tanto del ancho del substrato como de la permitividad eléctrica de éste son diferentes. Al variar estos parámetros se logra que un tipo de ondas (mencionadas anteriormente) sea predominante y se logre el comportamiento deseado para la línea de microstrip.

III.

DESARROLLO

Para la implementación de la antena tipo parche, es necesario usar HFSS el cual es un software de alto rendimiento para el diseño, modelación y simulación de estructuras en 3D creado para altas frecuencias. Permite el estudio electromagnético de modelos a través del método de elementos finitos y mallas adaptativas, facilitando además la visualización del comportamiento de las ondas electromagnéticas por medio de herramientas interactivas y dinámicas. HFSS es una herramienta útil para resolver sistemas de estructura compleja que son difíciles o imposibles de modelar considerando métodos puramente algebraicos. Se utiliza por lo tanto para la creación de prototipos virtuales de guías de onda, conectores, filtros, chip, integradores de señal entre muchos otros.

Figura 1 – “Medidas Físicas y Efectivas de un parche de microcinta rectangular”.

El proceso de HFSS consiste en la creación de la estructura física que se desea estudiar al cual posteriormente se le incorporan los campos y excitaciones electromagnéticas que afectan al diseño. Luego se decide el rango de frecuencia pertinentes y los parámetros que pueden ser variables. Con esta

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Sistemas Radiantes información se crea una malla adaptativa que permite que se calcule iterativamente la solución deseada. Para comenzar con el diseño de la antena tipo parche, se va a trabajar y tomar en cuenta los parámetros que implica, tales como la constante dieléctrica, perdida tangencial, y el grosor del substrato, en nuestro caso elegimos el sustrato FR4. A continuación se muestra una imagen con los parámetros antes mencionados.

2 Una vez que se obtienen todas las medidas necesarias del sustrato, así como del parche, se procede a realizar el dibujo mediante el software HFSS. Lo primero que se debe dibujar es el sustrato, el cual es una caja ya que tiene una altura la cual corresponde al ancho del sustrato antes mencionado (FR4). Cabe mencionar que solo es necesario tomar en cuenta el sistema de referencia, y dibujar una caja de cualquier medida, posteriormente se editan las medidas con respecto a los ejes para obtener las medidas adecuadas, a continuación se muestra una imagen que muestra el dibujo del sustrato.

Figura 2.1 – “Ca ra cterís ti ca s del Sus tra to ”.

Posteriormente, es necesario realizar todos los cálculos correspondientes para obtener las medidas de nuestro substrato, así como las del parche. Dichas fórmulas se encuentran en el marco teórico. A continuación se muestra una imagen en la que se observan dichos valores.

Figura 3 – “Sustrato – Antena tipo Parche”. Ahora se procede a dibujar el parche con las medidas adecuadas, el cual ya no tiene ninguna altura, es decir es plano y debe de dibujarse sobre el sustrato, no debe existir ninguna separación, lo cual se logra adecuando las medidas del sustrato y del parche con respecto al eje Z.

Figura 3.1 – “Sustrato y Parche – Antena tipo Parche”.

Figura 2.2 – “Dimensiones de la Antena”

Consecutivamente es necesario dibujar el puerto, es decir el medio por el cual la antena tipo parche recibe una excitación. El dibujo del puerto se realiza en el plano XZ y contiene algunas restricciones. Dicho puerto debe de medir de largo, al menos 3 veces el ancho de la línea de alimentación de microstrip, y 2 veces la altura del sustrato.

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3 Finalmente se procede a realizar una verificación, herramienta que se encuentra dentro del software HFSS y nos permite determinar si falta algún elemento o existe algún error dentro del diseño, todo esto antes de poder realizar la simulación correspondiente. A continuación se muestra una imagen que muestra dicha herramienta, la cual nos indica que en nuestro diseño, la verificación se encuentra completa.

Figura 3.2 – “Puerto – Antena tipo Parche”. Finalmente se coloca una caja de aire la cual nos sirve para poder simular nuestra antena y observar el comportamiento en determinadas frecuencias, principalmente en la frecuencia central, es decir la frecuencia para la cual se ha diseñado la antena la cual corresponde a 1.8 GHz.

Figura 3.4 –“Validation Check”

IV.

ANALISIS DE RESULTADOS

Una vez que se obtiene el modelo de la antena a través del software HFSS con las especificaciones de diseño pertinentes, es decir a una frecuencia de 1.8 GHz es necesario observar su respuesta en frecuencia para verificar su funcionamiento, para lo cual es necesario realizar la simulación que comprende un barrido de frecuencias. Es necesario graficar coeficiente de reflexión S11, a continuación se presenta la gráfica que se obtuvo al finalizar dicha simulación.

Figura 3.3 – “Antena tipo parche rodeada de una caja de aire”. Una vez que se terminó con el dibujo de los elementos de la antena, es preciso realizar algunas acciones que permiten crear el ambiente de simulación óptimo. Es necesario asignar Boundaries and Exitacions. Boundaries o Límites en dónde debemos de indicarle al programa la radiación correspondiente a las caras de la caja de aire, así como seleccionar conductividad finita para el parche, así como la cara inferior de la caja de aire. Respecto a las excitaciones, se debe seleccionar el puerto. Se procede a indicarle al programa HFSS el entorno de simulación, el cual incluye el barrido de frecuencia entre otros parámetros.

Figura 4. –“Respuesta de la Antena tipo parche – Parámetros S – Coeficiente de Reflexión S11” Como se puede observar en la gráfica anterior, el valor del coeficiente de reflexión S11, se encuentra por debajo de los -20 dB para la frecuencia de diseño. Lo cual nos indica que la antena tipo parche tiene un óptimo funcionamiento.

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VSWR - Voltage Standing Wave Ratio. Para tener una Buena transmisión de potencia entre el transmisor y la antena, es necesario que la impedancia del transmisor sea el conjugado completo de la impedancia de la antena. El VSWR es una medida de desadaptación entre la impedancia del transmisor y de la antena. A mayor VSWR, es peor la adaptación, dónde el valor de 1 corresponde a una adaptación perfecta. A continuación se muestra la gráfica.

Figura 4.3 –“Respuesta de la Antena tipo parche – Field Overlays” V. Figura 4.1 –“Respuesta de la Antena tipo parche – VSWR” Como puede observarse el valor corresponde a 1.1279 en la frecuencia de diseño de 1.8 GHz. Se puede observar la ganancia en términos de una esfera infinita correspondiente a la radiación de la antena. A continuación se muestra el análisis que arroja la simulación.

Figura 4.2 –“Respuesta de la Antena tipo parche – Ganancia” Finalmente podemos observar la gráfica superposiciones de campo (Field Overlays)

de

las

CONCLUSIONES

Se logró el diseño de una antena rectangular tipo parche con hendiduras y tecnología microstrip en una frecuencia central de 1.8 GHz. Dicho diseño se llevó a cabo siguiendo la metodología que se indica en el marco teórico, calculando las dimensiones del sustrato y del parche. Posteriormente se procedió a realizar el dibujo del parche, del sustrato, del puerto y la caja de aire a través del software HFSS el cual es un software de alto rendimiento para el diseño, modelación y simulación de estructuras en 3D creado para altas frecuencias. Permite el estudio electromagnético de modelos a través del método de elementos finitos y mallas adaptativas, facilitando además la visualización del comportamiento de las ondas electromagnéticas por medio de herramientas interactivas y dinámicas. Finalmente se lograron ver los resultados esperados, ya que nuestra antena tiene un funcionamiento óptimo pues al medir el coeficiente de reflexión S11 correspondiente a los parámetros S, se logra ver un resultado por debajo de los – 10 dB, así como la ganancia y el caso del parámetro VSWR el cual es una medida de desadaptación entre la impedancia del transmisor y de la antena. . A mayor VSWR, es peor la adaptación, dónde el valor de 1 corresponde a una adaptación perfecta. Nuestra antena nos arroja un valor de 1.1279, es decir se encuentra muy cerca del valor ideal, lo cual garantiza tener una Buena transmisión de potencia entre el transmisor y la antena.