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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA SISTEMAS DE COMUNICACIÓN RADIANTES

[email protected] [email protected] [email protected] INTEGRANTES: Malliquinga Mayra, Muñoz Javier, Venegas Felipe, Góngora Kevin

ANTENAS MICROSTRIP ANTENA MICROSTRIP RESUMEN HISTORIA El presente estudio aborda el tema de las antenas microstrip, sus principales características, parámetros, así como sus configuraciones geométricas dentro del estudio de líneas de transmisión. INTRODUCCIÓN La investigación en el campo de las antenas microstrip vino motivada por la necesidad de antenas cada vez más ligeras y compactas para nuevas aplicaciones operando en frecuencias de microonda que se iban desarrollando. El parche forma una cavidad resonante. Las aperturas paralelas a XZ forman un array que radia en fase hacia en la dirección del eje Z. Cada apertura es equivalente a una línea de corriente magnética orientada según X

La idea de la antena de microstrip se remonta a la 1950, pero no fue hasta la década de 1970 que seria se prestó atención a este elemento. MICROSTRIP El microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica que pueden ser fabricados utilizando placa de circuito impreso [PCB], y se utiliza para transmitir señales de microondas Una línea de transmisión microstrip consiste en una pista conductora colocada en un lado del sustrato, y en el lado opuesto tiene un plano de masa. La configuración básica de una antena microstrip también se define como un parche metálico impreso sobre un sustrato dieléctrico delgado y con conexión a tierra. ¿QUE SON LAS LINEAS PRODUCIDAS CON MICROSTRIP Y COMO SE FABRICAN? Es una tecnología planar que permite guiar y radiar ondas electromagnéticas mediante estructuras impresas en un substrato dieléctrico totalmente metalizado por una de sus caras. Consisten en una pista conductora colocada en un lado del sustrato, y en el lado opuesto tiene un plano de masa y están formadas por dos cintas conductoras paralelas, la menos ancha lleva la señal y la otra está conectada a tierra, son fabricadas utilizando PCB – placa de circuito impreso y se usan frecuentemente en el

diseño de componentes de circuitos como filtros, acopladores, resonadores, antenas, divisores y filtros. El Microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica que pueden ser fabricados utilizando placa de circuito impreso [PCB], y se utiliza para transmitir señales de microondas. PARAMETROS DE TRANSMISION En una línea microstrip, existe un cambio abrupto aire-dieléctrico que impide que existan modos TEM (Transversal Electromagnético), TE (Transversal Eléctrico), TM (Transversal Magnético) puros. En la siguiente figura se puede ver la distribución de campos en la línea microstrip, observando que la mayor parte de la energía se propaga a lo largo de la línea y que la distribución de campos es próxima a la del modo TEM (quasi TEM).

- Pérdidas dieléctricas - Pérdidas de radiación Las pérdidas debidas al conductor pueden expresarse: αc=8.686 • Rs/(_A •W) [dB/m] Donde Rs: Rs=.2 • Z • a/(2 • .) [Ω] (2.33) Donde: - σ es la conductividad Las pérdidas debido al dieléctrico:

Fig1. Línea microstrip.

Fig2. Líneas de campo en una línea microstrip.

¿COMO SE CALCULAN? En estas fórmulas no se tiene en cuenta:  La dispersión que varía con frecuencia.  El grosor de la tira.  Pérdidas Las pérdidas de una sola línea microstrip incluyen: - Pérdidas del conductor

la

La presencia del dieléctrico, en particular el hecho de que el dieléctrico no llena la región por encima de la banda (y > h), complica el comportamiento y el análisis de la línea microstrip, estas línea microstrip tiene algunas (por lo general la mayoría) de sus líneas de campo en la región dieléctrica entre el conductor de tira y el plano de tierra y una fracción en la región de aire sobre el sustrato. Es por esta razón que dicha línea microstrip no puede soportar una onda TEM pura, ya que la velocidad de fase de los campos TEM en la región dieléctrica sería:

𝑐 √𝜀𝑟



Parche metálico de dimensiones comparables a la longitud de onda Sustrato dieléctrico sin pérdidas. Plano de masa.

mientras que la velocidad de fase de los campos TEM en la región de aire sería c, por lo que una condición de coincidencia de fases en la interfase aire-dieléctrico sería imposible de aplicar [4].

¿CÓMO SE FABRICAN?

¿COMO SE HACE EL ACOPLAMIENTO A LA LÍNEA? Las líneas microstrip acopladas, que son muy útiles para el diseño de filtros, se componen de un par de líneas microstrips separadas entre ellas una distancia s.

La forma básica y las medidas más importantes de una antena tipo microstrip consisten de un parche conductor con dimensiones de largo L, ancho W y grosor t, separadas de un plano de tierra por una lámina delgada de material dieléctrico con ancho h.

Esta estructura de línea acoplada soporta dos modos quasi-TEM, el modo par y el modo impar:

 

La más común es la antena parche, esta antena es de banda estrecha y está fabricada cubriendo los elementos de la antena en un metal con sustrato dieléctrico formando una superficie plana. Las formas más comunes de los parches son cuadradas, rectangulares, circulares y elípticas, pero es posible cualquier forma como lo son dipolo, triangular y anillo.

En el caso del modo par, para una excitación en modo par las dos líneas tienen el mismo potencial o tienen el mismo signo de carga, resultando una pared magnética con un plano simétrico. ¿QUE SON LAS ANTENAS PRODUCIDAS CON LA TECNOLOGÍA MICROSTRIP? La antena microstrip es una extensión de la línea de transmisión microstrip se puede decir que son unas antenas resonantes impresas, para conexiones wireless en microonda de banda estrecha que requiere una cobertura semiesférica. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elementos de un array. La forma y dimensiones se calculan para que el parche disipe la potencia en forma de radiación su estructura se basa en:

RADIACION RESULTANTE a) Antena de Microstrip rectangular básica con alimentación de sonda. b) Fuente equivalente que produce un patrón de radiación de costada. c) Foco de impedancia de un resonador de línea de transmisión de media onda abierta.

d) El ancho de banda de impedancia de un elemento microstrip se muestra frente al grosor del sustrato.

El patrón de radiación de una antena se puede representar como una grafica tridimensional de la energía radiada vista desde fuera de esta. Los patrones de radiación usualmente se representan de dos formas, el patrón de elevación y el patrón de azimuth. El patrón de elevación es una gráfica de la energía radiada por la antena vista de perfil. El patrón de azimuth es una gráfica de la energía radiada vista directamente desde arriba. Al combinar ambas gráficas se tiene una representación tridimensional de como es realmente radiada la energía desde la antena.

Las antenas tipo parche poseen una tira conductora de largo L, ancho W y grosor t. La tira conductora se encuentra situada en la parte superior de un substrato dieléctrico, el cual tiene un ancho h. En la parte inferior del substrato dieléctrico se tiene un plano referenciado a tierra.

TIPOS DE ONDAS DE LINEAS MICROSTRIP Existen 4 tipos de ondas presentes en una línea de microstrip: - Ondas espaciales - Ondas superficiales - Ondas con fugas - Ondas guiadas ONDAS ESPACIALES Son aquellas que se envían hacia arriba, con un ángulo de elevación de 0° a 180°, las amplitudes de las ondas van disminuyendo al aumentar la distancia.

ONDAS SUPERFICIALES ESTRUCTURA DE UN ANTENA MICROSTRIP

Son ondas que descienden ligeramente al plano de la tierra, no uniformes, localizados dentro del material dieléctrico, cuyo ángulo esta comprendido dentro de 45° a 90°, entre los elementos se produce una reflexión total.

ONDAS CON FUGAS Cuando la onda de inicio se refleja bruscamente con el plano de la tierra una parte sale fuera del sustrato y la otra es reflejada una vez más.

del elemento conductor de la antena sea perfecto no funciona de manera adecuada. La figura muestra el circuito equivalente para una antena rectangular con el modelo de línea de transmisión

Fringing effects La distribución de los campos en una antena de parche en los bordes presenta los llamados fringing effects que forman líneas de radiación como se muestra en la figura.

ONDAS GUIADAS Las ondas guiadas son ondas que viajan entre conductores superior e inferior y existen a valores de ángulos de incidencia entre la capa metálica y la capa a tierra.

Diseño mediante el método de línea de transmisión 1. Se especifica la frecuencia de operación y el substrato a utilizar para la construcción de la antena con lo cual se asignan los valores de:  fr (frecuencia de operación).  er (permitividad eléctrica del substrato).  h (altura del substrato).

TÉCNICA DE ALIMENTACIÓN MICROSTRIP La alimentación en la antena microstrip es fundamental en el diseño debido a que si la misma no es adecuada por más que el diseño

2. Se obtiene el ancho efectivo de la antena de parche rectangular mediante la fórmula:

transmisión. Sin embargo, por lo general consisten en grandes objetos metálicos, incómodos e indiscretos. Donde C es la velocidad de la luz en el espacio libre 3. Se obtiene la permitividad eléctrica efectiva mediante la ecuación:

Es importante mencionar que una aplicación de microstrip es para la fabricación de antenas, aunque su ganancia, ancho de banda y sus características de radiación son limitados. Estas antenas son muy utilizadas por su bajo costo, adaptabilidad y facilidad de construcción. Existes otras aplicaciones al usar antenas impresas, las mismas que se detallan en el siguiente cuadro:

4. Se obtiene la extensión ΔL mediante la siguiente ecuación que derivará en la obtención de la longitud real de la antena considerando la longitud efectiva.

5. Se obtiene la longitud real de la antena de parche rectangular considerando la longitud efectiva de ésta y el valor de ΔL con:

Tabla 1. Aplicaciones de las antenas producidas con tecnología microstrip.

Aplicaciones de las líneas microstrip en antenas.       

Aeronáutica Aviación Satélites Aplicaciones en misiles Dispositivos móviles Comunicaciones inalámbricas en general Ondas milimétricas en el rango de microondas

Existen muchas antenas en el mercado que exitosamente satisfacen los requisitos de banda ancha, por ejemplo, antenas omnidireccionales que irradian en todas las direcciones y que permiten desarrollar suficiente velocidad de

VENTAJAS  La posibilidad de lograr cada vez dispositivos más pequeños y con componentes más livianos.  Facilidad al integrar tanto en superficies planas como no planas.  Fácil producción en masa (costo reducido).  Fáciles de integrar a dispositivos con circuitos integrados de microondas.  Versátiles en términos de impedancia, patrón, polarización y frecuencia de resonancia.

DESVENTAJAS  Baja potencia de radiación (por su estructura y sus componentes).  Baja eficiencia  Ancho de banda angosto.  Considerables pérdidas  Fácilmente afectadas por el factor térmico (substratos flexibles). CONCLUSIONES  Con esta tecnología se puede diseñar antenas microondas mediante modelados matemáticos los cuales podemos adaptarnos a medidas físicas muy pequeñas para las aplicaciones de hoy en día.  Se debe tener en cuenta el tipo de alimentación de la antena debido a que esto puede significar un incremento en la eficiencia pero a su vez también puede ser causa de un diseño más complejo.  Es de gran importancia en el estudio sobre los parámetros principales de las antenas empleando este tipo de tecnología, lo cual permite un conocimiento amplio para la elaboración de un diseño eficiente y una correcta interpretación de la misma. REFERENCIAS [1] Boria Esbert, V. (2007). Líneas de transmisión. 1st ed. Valencia: Editorial UPV. [2] Líneas Microstrip. (2017). [online] Mundotelecomunicaciones1.blogspot.com. Disponible en: http://mundotelecomunicaciones1.blogspot. com/2016/04/lineas-microstrip.html [Accedido 14 Feb. 2017]. [3] Medios de Transmisión. (2017). [online] Disponible en: [4] http://www3.fi.mdp.edu.ar/electronica/cated ras/mediosdetransmision/files/informacion %20adicional/microstrip/1.CONCEPTOS_B

ASICOS_DE_MICROSTRIP.pdf [Accedido 14 Feb. 2017]. [5] Neri Vela, R. and Porragas Beltrán, L. (n.d.). Líneas de transmisión. 1st Ed.