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• Gilmer Jose Vizcarra Avila

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FACULTAD ING. DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES TEMA: DISEÑO DE UN ARRAY DE 3 ANTENAS EN MICROSTRIP CURSO: ANTENAS Y CAMPOS ELECTROMAGNETICOS DOCENTE: MG. RAFAEL VALDIVIA GUILLERMO PRESENTADO POR: •

PAREDES CUTIPA, URPI METZALIA

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CHOQUEPUMA BERRIO, MEHIDA

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LANZA APAZA, JOSE REMBERTO

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VIZCARRA AVILA, GILMER JOSE

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RETAMOZO VARGAS, GABRIEL

AREQUIPA – PERÚ 2019

UNSA – Facultad de Producción y Servicios Antena y Campos Electromagnéticos

Ing. en Telecomunicaciones 2019-II

INDICE 1. INTRODUCCION ......................................................................................... 3 2. RESUMEN ................................................................................................... 4 3. ESTADO DEL ARTE.................................................................................... 5 4. TEORIA DE MICROSTRIP Y ARRAY DE ANTENAS ............................... 12 4.1.

MICROSTRIP ...................................................................................... 12

4.1.1.

Aplicaciones.................................................................................. 13

4.1.2.

Principio de Funcionamiento de una antena microstrip. ............... 14

4.1.3.

Efecto de borde ............................................................................ 15

4.1.4.

Tipos de Parches .......................................................................... 15

4.1.5.

Técnicas de alimentación ............................................................. 18

4.1.6.

Ventajas y desventajas ................................................................. 20

4.2.

ARRAY LINEAL DE ANTENAS ........................................................... 21

4.2.1.

Principio de funcionamiento .......................................................... 21

4.2.2.

Agrupaciones de antenas parche microstrip ................................. 23

4.2.3.

Ventajas ........................................................................................ 25

4.2.4.

Aplicaciones.................................................................................. 26

5. PROCEDIMIENTO DEL DISEÑO DEL ARRAY DE ANTENAS EN MICROSTRIP ................................................................................................... 26 5.1.

PASOS PARA CALCULAR LOS “W” Y “L” ......................................... 26

5.2.

HALLAR LA SEPARACION DE LOS PATH ........................................ 30

6. SIMULACION DEL ARRAY DE ANTENAS MICROSTRIP ........................ 31 7. PROCEDIMIENTO DE REALIZACION DEL ARRAY DE ANTENAS EN MICROSTRIP ................................................................................................... 37 7.1.

COMPONENTES UTILIZADOS .......................................................... 37

7.2.

PROCEDIMIENTO .............................................................................. 37

8. CONCLUSIONES ...................................................................................... 40 9. REFERENCIAS O BIBLIOGRAFIA ............................................................ 41

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1. INTRODUCCION En el presente trabajo, haremos el diseño, cálculo y simulación de un array de 3 antenas las cuales serán impresas en una placa PCB impresa, aplicando los conceptos teóricos de microstrip, haremos un breve repaso de la teoría de microstrip y continuaremos con las medidas que serán necesarias para su correcto funcionamiento. También se hará la aplicación de todas las fórmulas, conceptos, etc, en el diseño e implementación del array, es decir, no solo veremos la teoría de microstrip si no también la teoría de array de antenas. La finalidad de realizar dicha implementación es para poner a prueba los conceptos teóricos y prácticos hechos en estos dos temas que son (Array de Antenas y Antenas Microstrip), y también analizar sus resultados y hacer una comparación con los resultados que se obtienen en la teoría. Las especificaciones para el siguiente diseño son las siguientes: Trabajaremos a una frecuencia de 5GHz, con un array de tres antenas que tengan una separación de λ/2. Usaremos txline para obtener medidas del feedline y del transformador de λ/4 y Microwave Office para hacer la graficar el esquema correspondiente del array de 3 antenas en microstrip, además de eso obtener el Patrón de Radiación y el parámetro S11 del array de antenas que haremos. Una vez diseñada la antena, crearemos el array de antenas con las medidas correspondientes, y comprobar que todos los resultados obtenidos se asemejen a la teoría y a la simulación que haremos en este informe.

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2. RESUMEN 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 miliméticas Las antenas parche microstrip son uno de los desarrollos de más versátiles en la historia de las antenas, gracias a su flexibilidad tanto en la forma como en tamaño, la facilidad para su integración en una agrupación de antenas y la facilidad para la obtención de polarización lineal. Su gran problema es el estrecho ancho de banda que ofrecen. Este proyecto se plantea como la continuación al diseño de una agrupación de antenas parche microstrip con polarización lineal, a la frecuencia de 5GHz, para obtener el diseño final se comienza por el diseño y simulación de una antena parche microstrip simple y se irán añadiendo antenas parche a dicho diseño. El diseño final constará de una agrupación de un array de 3 antenas las cuales serán impresas en una placa PCB impresa, Las especificaciones para el siguiente diseño son las siguientes: Trabajaremos a una frecuencia de 5GHz, con un array de tres antenas que tengan una separación de λ/2 lo cual nos indica una separacion de 6 cm, que entre dos es igual a 3cm de separacion. Usaremos txline para obtener medidas del feedline y del transformador de λ/4 y Microwave Office para hacer la graficar el esquema correspondiente del array de 3 antenas en microstrip, además de eso obtener el Patrón de Radiación y el parámetro S11 del array de antenas que haremos. Las especificaciones tecnicas, según la simulacion obtenida son: MEDIDAS DE LOS 3 PATH´S

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Width,W: 1.5875 mm Length, L: 7.9705 mm

TRANSFORMADOR DE λ/4

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Width,W: 1.5875 mm Length, L: 7.9705 mm

FEED LINE 50Ω

• •

Width,W: 0.65551 mm Length, L: 8.2173 mm

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Palabras clave: antena de parche, array, beamforming digital, Path, microstrip.

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width, length, polarization,

3. ESTADO DEL ARTE 1. Titulo: Diseño y caracterización de un array de antenas en tecnología plana en la banda de 8GHz con polarización circular Palabras clave: antena parche microstrip, array, polarización circular, ancho de banda, axial ratio Resumen: Las antenas parche, consideradas uno de los desarrollos más importantes en la historia de las aplicaciones electromagnéticas, se han convertido hoy en día en la solución más versátil para sistemas que requieran de un elemento radiante. Este tipo de antena entra dentro de la categoría de antenas impresas, debido a que se emplean procesos de fabricación de circuitos impresos en el desarrollo de su alimentación y estructura radiante. De todas las antenas impresas, las antenas parche fabricadas en tecnología microstrip son, sin lugar a dudas, las más populares y rentables. Esto se debe a sus mayores ventajas: facilidad de integración, buen control de la radiación y un coste bajo de producción. Este proyecto tiene como objetivo el diseño y caracterización de una agrupación o array de antenas parche en tecnología microstrip en polarización circular para operar a 8GHz y debe tener un tamaño máximo de 76mm. Debe tener también una ganancia entre 11 dBi y 14 dBi, un ancho de banda del 5% y una relación axial menor a 4 dB. Se empleará un substrato de tipo Rogers 5880, disponible en las instalaciones de la universidad, que cuenta con una constante dieléctrica 𝜀𝑟=2.2 y con una anchura de substrato de 1.27mm, para obtener un ancho de banda lo mayor posible sin introducir efectos inductivos en el diseño. Como ya se ha mencionado y se explicará con mayor detenimiento en apartados posteriores, el grosor del substrato afecta directamente al ancho de banda de funcionamiento, aumentando éste al aumentar el grosor del sustrato. Métodos de análisis: Las antenas parche microstrip son antenas complejas de analizar, debido a la naturaleza resonante de las mismas. Durante muchos años se han propuesto múltiples métodos numéricos y analíticos para analizar antenas parche microstrip. Estos métodos pueden agruparse en aquellos que emplean técnicas de aproximación y aquellos que realizan un análisis completo de los campos electromagnéticos (full-wave analysis o análisis de onda completa. Los métodos que emplean técnicas de aproximación realizan asunciones para reducir la complejidad del análisis de la antena. Son métodos 5

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relativamente precisos bajo ciertas condiciones; el substrato debe tener un grosor relativamente fino y la constante dieléctrica del substrato debe ser baja. Dentro de este grupo, están el modelo de línea de transmisión y el modelo de cavidad, que son los más populares entre los diseñadores. Métodos de alimentación de antenas parche microstrip: El modo en que una antena parche microstrip es alimentada determinará el ancho de banda de trabajo, la dirección de los campos radiados, la eficiencia, la facilidad para su fabricación y su robustez. Existen cuatro métodos de alimentación fundamentales: edge-fed patches (alimentación desde el borde), probe-fed patches (alimentación mediante sonda), aperture-coupled patches (acoplamiento mediante apertura) y proximity-coupled patches (acoplamiento por proximidad). A su vez, pueden agruparse en dos grupos más simples: alimentación directa o por contacto directo (edge-fed y probe-fed) y alimentación sin contacto o indirecta (aperture-coupled y probe-fed). 2. Titulo: Diseño de un array de antenas parche con alimentación en serie a 60GHz Palabras clave: diseño array, antena parche, microstrip, sustrato dieléctrico , alimentación en serie, directividad, polarización lineal, nlps Resumen: Un array de antenas es una antena compuesta por varios elementos radiantes, comúnmente de iguales dimensiones, ordenados de forma regular o periódica. Se recurre a estos diseños con el fin de aumentar las prestaciones de un determinado sistema. Es habitual que se diseñen para aumentar la directividad de una antena o el ancho de haz de esta. Se sabe que una antena parche microstrip tendrá aproximadamente una directividad de 7.5dBi, por lo que si se requiere de una directividad mayor, la solución será diseñar un array de estos elementos. También es posible moldear la forma del diagrama de radiación modificando la amplitud y la fase de las alimentaciones de las antenas básicas. Por lo tanto, estos arrays evitan la utilización de antenas de grandes dimensiones eléctricas con distribuciones de corriente lo más uniformes posible, que serán poco probables de conseguir Campos radiados por arrays de antenas: Un array será un conjunto de N antenas normalmente iguales que radian o reciben simultáneamente. El diagrama de radiación del array será la interferencia de los campos radiados por cada elemento que compone el array. En recepción a señal recibida será la combinación lineal de las señales que capta cada una de las antenas. El factor de agrupación dependerá de: • • •

Separación (d) y número de elementos de un array (n). De la alimentación: amplitud (𝑎𝑛) y fase (𝛼). De la frecuencia de trabajo. 6

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Como el ángulo 𝜃, que indica la dirección de radiación en el espacio, sólo toma valores reales entre 0 y π, se define el margen visible de la agrupación, que es el intervalo de valores que puede tomar el ángulo 𝛹. 𝛹∈[−𝑘𝑑+𝛼,𝑑+𝛼] El margen visible tendrá entonces un tamaño de 2kd y su posición variará con la fase progresiva. Para coeficientes de alimentación reales y positivos, y cuando el margen visible incluya el origen 𝛹=0 sin necesidad de que esté centrado en este y siendo |𝛼|≤𝑘𝑑 , se podrá determinar el máximo del diagrama de radiación como: 𝜃𝑚𝑎𝑥 =𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(−𝛼/𝑘𝑑).

Ilustración 1: Efecto de la variacion de la separacion de antenas 3. Titulo: Diseño de arrays de antenas de parche basados en cavidades Fabry-Perot. Palabras clave: Antenas planas, cavidades, sustrato antenas microstrip, diseño de arrays Resumen: Las dimensiones de las distintas partes que conforman a la antena de parche tienen sus consecuencias en el funcionamiento de la misma. A continuación se detalla el efecto de cada parámetro con ayuda del software MWS CST Studio. La frecuencia de operación será fo=10GHz. El procedimiento consistirá en variar uno de los parámetros dejando fijo el resto, y ver el efecto en tres prestaciones. Los parámetros a modificar en la simulación de una antena microstrip son: -

Longitud (L) Anchura (W) Espesor del substrato (h) Permitividad del substrato ( ) Punto de alimentación con cable coaxial.

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Longitud De la ecuación tenemos la expresión directa de L: La longitud del parche se corresponde con la dirección en la que el campo eléctrico varía en el modo . Solucionando la ecuación, se obtiene que la longitud para este modo debe ser λ/2 en el dieléctrico. Esto significa que este parámetro actúa como un parámetro crítico para operar a la frecuencia de interés Para 10GHz y un substrato de =2.2, obtenemos L=10.11mm. Sin embargo, en la simulación se asocia este valor a una frecuencia de operación de 9 GHz. Obteniendo la frecuencia esperada para una L ≈ 9mm. Anchura (W). La dimensión del ancho de la antena de parche, desde el punto de vista del funcionamiento en el modo fundamental ( ), tiene repercusión directa en la impedancia de entrada del parche, y por lo tanto, en el parámetro S11. El aumento de la superficie del parche provoca que para un mismo nivel de potencia, el campo eléctrico confinado en el interior tenga menor amplitud, puesto que la solución electromagnética en un caso ideal (sin pérdidas) implica que haya componentes de campo en todo el espacio entre el parche y el plano de tierra. Por lo tanto, la impedancia de entrada en el punto de alimentación disminuye, ya que la corriente en el cable coaxial no varía (Zin=V/I). La simulación muestra este comportamiento de la impedancia de entrada en función de W según la Carta de Smith, donde las impedancias de entrada se mapean con el parámetro S11 correspondiente. Esto se traduce en una desadaptación cada vez mayor y por tanto un ancho de banda menor a 0 dB (aproximadamente >1-2 dB)

Si la polarización es lineal, que será el objetivo en este trabajo, para comprobar si es horizontal o vertical, deberá observarse las componentes del campo eléctrico, correspondiéndose la polarización con la dirección de la componente del campo con mayor magnitud.

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4. TEORIA DE MICROSTRIP Y ARRAY DE ANTENAS 4.1.

MICROSTRIP

Una antena de parche es una antena de haz ancho y banda estrecha fabricada al grabar el patrón del elemento de antena en una traza metálica unida a un sustrato dieléctrico aislante, como una placa de circuito impreso, con una capa metálica continúa unida al lado opuesto del sustrato que se forma un plano de tierra. La antena de microstrip o tipo parche está basada en la tecnología de circuito impreso para crear estructuras radiantes planas sobre un dieléctrico y está conformado por: - El patch o parche - El transformador de impedancias o transformer, adapta Z 0 50@ la impedancia de la antena. - La línea de alimentación o feedline, por aquí se conecta con el generador de 50 Ω.

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El patrón de radiación resultante puede ser variado sobre un rango amplio alterando la longitud L y el ancho W, que determinan la impedancia (magnitud) y fase respectivamente. Las dimensiones de la antena microstrip son: tira conductora de largo L, ancho W, grosor del cobre t y el ancho del dieléctrico h. 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. Los rangos de medidas y características de los parámetros mencionados son los siguientes: •

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El valor de t tiene que ser muy delgado: t