Preparacin de Informes en formato IEE

RADIANTES

UNIVERSIDAD DE LAS AMRICAS

INGENIERA EN REDES Y TELECOMUNICACIONES

SISTEMAS DE COMUNICACIN RADIANTESANTENAS DIELECTRICASSergio Hidalgo

sehidalgo@udlanet.ecDaniel Hernndez

1.INTRODUCCINLas antenas de tipo Resonador Dielctrico, radian energa al espacio cuando son excitadas de forma adecuada. En un principio los resonadores dielctricos (DR, por su acrnimo en ingls Dielectric Resonator) se utilizaban fundamentalmente en circuitos de microondas como osciladores o filtros, donde el DR normalmente est fabricado con un material cermico de alta permitividad y con una constante dielctrica (constante dielctrica del material) > 20. Por esta razn, tradicionalmente los DR se han utilizado para almacenar energa en lugar de radiarla, generalmente situados dentro de una carcasa para impedir las prdidas por radiacin. Aunque la capacidad de radiar de los DRs en espacios abiertos se descubri hace muchos aos, la idea de utilizarlos como antena no fue ampliamente aceptada hasta 1983 cuando se public el artculo The resonant cylindrical dielectric cavity antenna. Al mismo tiempo se observ que el rango de frecuencias que utilizaban muchos sistemas superaba el rango de las microondas. A estas frecuencias, las prdidas en el conductor de las antenas metlicas comenzaban a ser considerablemente altas y la eficiencia de las antenas disminua considerablemente. Sin embargo, las nicas prdidas en las DRAs son debidas a las imperfecciones del material dielctrico que en la prctica son bastante pequeas. En la Fig.1 se puede apreciar una DRA de cermica.

Fig.1 Antena Dielctrica de cermica

2. CARACTERISTCAS DE LA ANTENA El tamao de la DRA es proporcional a 0/ , donde 0 es la longitud de onda en el espacio libre a la frecuencia de resonancia, y (r es la constante dielctrica del material.

La frecuencia de resonancia y el factor de radiacin estarn tambin afectados por la relacin de aspecto de la DRA para una constante dielctrica fija, permitiendo aadir flexibilidad al diseo.

Seleccionando un material dielctrico con bajas prdidas, se puede mantener una alta eficiencia de radiacin en la banda de ondas milimtricas, debido a una ausencia de ondas de superficie, y a unas prdidas de conductor mnimas.

Las DRAs pueden ser diseadas para operar en un amplio rango de frecuencias. Se pueden encontrar diseos publicados operando desde 1.3 GHz hasta 40 GHz.

Los resonadores dielctricos no existen perdidas inherentes al conductor. Esto permite fabricar antenas con una alta eficiencia de radiacin. Este factor es especialmente atractivo para las antenas de ondas milim- tricas, donde las prdidas de las antenas fabricadas en metal pueden ser altas. Las DRAs tienen una alta estabilidad en la temperatura gracias a los materiales cer- micos que permiten a la antena operar en un mayor rango de temperaturas. La variedad de formas en que puede fabricarse, permitiendo as una gran flexibilidad de diseo. En la Fig.2 se puede apreciar las distintas formas DRA

Fig.2

2.1 Tipos de DRAsComo se mencion anteriormente, existen varias formas de fabricacin dependiendo de las necesidades y se puede mencionar que de dividen en 3 tipos de formas

2.1.1 DRAs cilndricasGeneralmente se utiliza una relacin radio altura ( ) de alrededor de 0.5 hasta 4 y se suele situar sobre un plano de masa excitndose mediante una sonda o una ranura. El diagrama de radiacin y el mtodo de alimentacin dependern del modo que interese excitar. En el sistema de coordenadas utilizado para las DRAs cilndricas se representa el radio, , el ngulo azimutal,, y la longitud axial, z.

Fig.3 Coordenadas DRA cilndricas

Fig.3

2.1.2 DRAs semiesfricasLa ventaja de que es posible encontrar expresiones exactas para el clculo de sus parmetros, Sin embargo, en la prctica tienen caractersticas limitadas debido a la carencia de libertad en la eleccin de los parmetros de diseo. Adems, conlleva ms dificultades en su construccin. Fig.3 DRA Semiesfrica

La geometra consiste en una semiesfera de material con constante r y radio a. Al colocar la DRA semiesfrica sobre un conductor perfecto, se puede aplicar la Teora de las Imgenes para comparar esta estructura con una esfera completa dielctrica aislada del mismo radio. Los modos de una esfera dielctrica pueden ser TE (Transversal Elctrico) y TM (Transversal Magntico). Los modos TE tienen un nulo en la componente radial del campo elctrico (Er = 0), mientras que los modos TM tienen un nulo en la componente radial del campo magntico (Hr = 0). El modo fundamental de este tipo de DRA es el TE111, cuyo diagrama de radiacin es similar al de un dipolo magntico corto dispuesto en horizontal. Otro modo de inters es el TM101, que radia de manera parecida a un monopolo elctrico corto.

Fig.3

2.1.3 DRAs rectangulares

Las DRAs rectangulares ofrecen algunas ventajas prcticas frente a las cilndricas y las semiesfricas. Por ejemplo en este tipo de DRAs, se puede evitar la degeneracin de modos (dos configuraciones distintas de campo electromagntico a la misma frecuencia de resonancia) eligiendo correctamente las dimensiones del resonador. Esta degeneracin de modos siempre existe en las DRAs semiesfricas y en los modos hbridos de las DRAs cilndricas. La degeneracin de modos puede aumentar los niveles de polarizacin cruzada de la antena, limitando as su rendimiento. Otra ventaja de las DRAs rectangulares es que para obtener una frecuencia de resonancia determinada es posible ajustar dos relaciones de aspecto de forma independiente: altura-longitud y anchura-longitud. Dado que el ancho de banda de una DRA tambin depende de la relacin de aspecto, una DRA de forma rectangular ofrece ms flexibilidad en trminos de control de ancho de banda. Sin embargo, esta antena tiene la desventaja de que son ms difciles de analizar que las anteriores debido a la existencia de aristas.

Fig.4 DRA Rectangular

Fig.43. RESISNTENCIA DE RADIACIONLa antena y el transmisor han de adaptarse para una mxima transferencia de potencia. Habitualmente el transmisor se encuentra alejado de la antena y la conexin se hace mediante una lnea de transmisin o gua de ondas, que participa tambin en esa adaptacin. A la entrada de la antena puede definirse la impedancia de entrada mediante relaciones tensin-corriente. En notacin fasorial de rgimen permanente sinusoidal poseer una parte real () y una imaginaria (). Si no presenta una parte reactiva a una frecuencia se dice que es una antena resonante.Existe una prdida neta de potencia hacia el espacio debida a la radiacin que puede ser asociada a una resistencia de radiacin . De esta forma, la potencia entregada a la antena ser la suma de las potencias radiada y de prdidas en la antena (asociada a una resistencia de prdidas R). Pentregada = Pradiada + Pperdidas = I2Rr + I2R Donde I es la corriente que atraviesa la antena. La impedancia de entrada es un parmetro de gran transcendencia, ya que condiciona las tensiones de los generadores que se deben aplicar para obtener determinados valores de corriente en la antena y, en consecuencia, una determinada potencia radiada. Si la parte reactiva es grande, hay que aplicar tensiones elevadas para obtener corrientes apreciables; si la resistencia de la radiacin es baja, se requieren elevadas corrientes para tener una potencia radiada importante. Como se ha visto, la existencia de prdidas en la antena hace que no toda la potencia entregada por el transmisor sea radiada, por lo que se puede definir una eficiencia de la antena l, mediante la relacin entre la potencia radiada y la entregada, o equivalentemente entre la resistencia de entrada de esa antena, si hubiera sido ideal y la que presenta realmente. l = Pradiada Pentregada = Rr Rr + R 3.2.2 3.1 Intensidad de radiacinLa intensidad de radiacin es un parmetro utilizado para cuantificar la capacidad de una antena de radiar con una cierta direccionalidad. Es decir, para concentrar la energa radiada en ciertas direcciones del espacio. Para definir el marco de referencia donde se sita una antena se suele utilizar un sistema de coordenadas esfrico. Para especificar una direccin del espacio se utilizan los ngulos , .En este sistema se definen los vectores unitarios , , que forman una base ortogonal y la direccin de los vectores se determina mediante la interseccin de una esfera de radio r, un cono de ngulo y un semiplano que pasa por el eje z. Fig.5 Sistema de coordenadas esfrico

Fig.54. Ancho de banda.Todas las antenas, debido a su geometra finita, estn limitadas a operar satisfactoriamente en una banda o margen de frecuencias. Este intervalo de frecuencias, en el que un parmetro de la antena determinada no sobrepasa unos lmites prefijados, se conoce como el ancho de banda de la antena. El ancho de banda (BW) se puede especificar como la relacin entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central. = El ancho de banda de la antena lo impondr el sistema del que forme parte y afectar al parmetro ms crtico de la aplicacin. Para su especificacin los parmetros pueden dividirse en dos grupos, segn se relacionen con el diagrama de radiacin o con la impedancia. En el primero de ellos tendremos la directividad, la pureza de polarizacin, el ancho del haz, el nivel del lbulo principal a secundario y la direccin de mxima radiacin. En el segundo, la impedancia de la antena, el coeficiente de reflexin o la relacin de onda estacionaria5. Directividad

La directividad D de una antena se define como la relacin entre la densidad de potencia radiada en una direccin, a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiara a esa misma distancia una antena istropa que radiase la misma potencia que la antena. Se entiende por antena istropa la que radia la misma densidad de potencia en todas las direcciones. (,) = (,) (42 ) Si no se especifica la direccin angular, se sobreentiende que se hace referencia a la direccin de mxima radiacin = (42 ) La directividad se puede obtener, en general, a partir del conocimiento del diagrama de radiacin de la antena. Si se define el diagrama normalizado mediante (,) = (,) Conocida la directividad mxima D y el diagrama de radiacin normalizado (,), la directividad en cualquier direccin se obtiene directamente del producto de ambos (,) = (,)5.1 Tcnicas de alimentacin de DRAs El modo de operacin de la antena depender del mtodo de excitacin empleado. Adems, los mecanismos de acoplamiento afectan significativamente a la frecuencia de resonancia del DRA. A continuacin, se van a explicar algunos mtodos.6 Parmetros para la construccinSe desea un correcto funcionamiento de la antena en las frecuencias de alrededor de f = 10 GHz. La configuracin de la antena de partida va a ser la siguiente, como se muestra en la Fig.6

Cilindro de material dielctrico

Placa metlica con una ranura para acoplar la potencia

Substrato dielctrico

Lnea de transmisin microstrip

Fig.6

La longitud de la ranura se puso entre 3.5 y 4 mm, con una anchura pequea de tamao alrededor de l de onda/20. Se trabaj con un cilindro de d = 10.8, altura h = 1.27 mm y dimetro d = 10.16 mm, mientras que el espesor del sustrato dielctrico de la lnea de alimentacin era 0.635 mm con r = 10.2. Esta lnea de alimentacin se extiende por debajo de la ranura aproximadamente de l de onda /4 para proporcionar la sintonizacin necesaria.En las especificaciones de la antena, es necesario que funcione en frecuencias alrededor de 10 GHz, por lo que se han tenido que cambiar algunos parmetros tericos para adaptar la antena a la banda requerida. Tras realizar simulaciones modificando diferentes parmetros, pero dejando fijos los materiales, se ha llegado al diseo ptimo a 10 GHz con los siguientes valores:

Otro factor muy importante es el diseo de la lnea microstrip. Se hace con un clculo analtico. Dado el sustrato y su altura, hay elegir w (lado pequeo de la lnea) para que la impedancia caracterstica de la lnea sea aproximadamente 50 , que es la impedancia que normalmente hay a la entrada de una lnea de transmisin y la que tienen muchos conectores en la prctica. Adems, la ranura se disea para que el valor de a (lado grande de la apertura) sea aproximadamente de /2 en el dielctrico y mucho mayor que b (lado pequeo de la apertura). Teniendo en cuenta estos parmetros, la antena queda definida de la siguiente manera, desde diferentes perspectivas:

Con estas dimensiones, se obtiene la siguiente grfica del parmetro s11 en simulacin:

La adaptacin en antenas se considera buena cuando el parmetro s11 est por debajo de -10 dB.En los planos XZ e YZ el diagrama tiene un lbulo principal y un lbulo trasero con un nivel de -12.6 dB. La radiacin trasera es tpica en alimentaciones por acoplo con ranura, ya que inevitablemente parte de la energa se radia hacia atrs, en lugar de acoplarse hacia delante. En cuanto a la diferencia entre los planos, tanto el lbulo principal como el lbulo trasero valen lo mismo en XZ y en YZ. Sin embargo, se puede observar en las figuras 12 y 13 que sale un diagrama de tipo pincel ms perfecto en el plano XZ, con sus dos nulos de radiacin perfectamente definidos, al contrario que en el plano YZ. Por ltimo, se va a mostrar por planos (XZ e YZ) las componentes theta y phi del campo radiado para aclarar el tipo de polarizacin que va a tener la antena.Fig.7 Diagrama de radiacin a 10 GHZ (componentes theta y phi)

Fig.7

Se ocupa de estudiar percepcin visual para tratar de comprender la actitud y la conducta de los seres humanos ante las imgenes que se encuentran a su alrededor.

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