Proyecto Final de Microondas

8/17/2019 Proyecto Final de Microondas

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PROFESOR: ALUMNOS:HENGLLEEND, RINCON CEBALLO, MAYRA

CASANOVA DYTHEWENMARGERDEZ, ISAAC

MARACAY, NOVIEMBRE DE 2015

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADAUNEFA- MARACAY



Diseño y fabricación de una antena trap para aplicaciones WLAN

Existen diferentes formas de resonadores, las cuáles se diferencian en laforma de implementar la capacidad. En la figura 6-1 se pueden ver algunasconfiguraciones. En un CLL (Capacitively Loaded Loop ) la capacidad esrelativamente pequeña y está asociada con los bordes de las tiras conductorasy la separación existente entre ellas. El tamaño del resonador puede reducirseutilizando un CLL-DL (CLL double layer ), con el cual se puede obtener unmayor rango de capacidades debido a la colocación de una placa paralela en ellado opuesto del dieléctrico. En ambos casos el valor de la inductancia vendrárelacionado por las dimensiones de la espira rectangular plana según laexpresión.

(1)Donde RHI y RWI , son el alto y ancho interior del resonador,

respectivamente. RSW es el ancho de pista del resonador. Pensando en lafabricación, se ha escogido la estructura CLL. Ya que a priori parece la mássencilla de fabricar al trabajar sólo en una capa.



La geometría plana de la antena se puede ver en la figura siguiente. Lasdimensiones del resonador se establecen para obtener una frecuencia deresonancia por debajo de los 4,9 GHz. Ésta puede ser conseguida variando RH

(modifica básicamente la inductancia) el gap de la espira RCG y la longitud delas dos tiras conductoras RS (estas dos últimas modifican básicamente lacapacidad). La longitud del monopolo LM afectará a ambas andasfrecuenciales y se ha escogido para obtener la primera resonancia delmonopolo de longitud eléctrica λ /4 alrededor de los 2.45 GHz. La elección delancho del resonador RW , junto a LM , se basa en la longitud eléctrica de 3λ /4.

El nivel de adaptación de ambas bandas frecuenciales se puede controlar yafinar con el ancho del monopolo WM y la posición de carga de losresonadores con respecto al centro de la antena r0 .

Hay que tener sumo cuidado con las dimensiones del plano de masa que seescogen. Se debe recordar que éste introducirá resonancias que pueden serperjudiciales si están lejos de las deseadas debido a que podrían aparecermínimos de adaptación donde no se quieren o desplazar las que interesan. Sinembargo, la existencia de nuevas resonancias provocadas por el plano demasa puede ser de gran utilidad en el caso de que se deseara cubrir otro tipo

de aplicaciones, además de la estudiada en este proyecto. Otra ventajainteresante es que si se es capaz de situar las resonancias provocadas por elplano de masa cerca de las que no introducen el conjunto monopolo-resonador,se puede aumentar el ancho de banda alguna de las dos bandas de trabajo dela antena.



Para clarificar y corroborar lo que se ha dicho hasta ahora, se ha realizadoun análisis de la variación del coeficiente de reflexión respecto a las distintasdimensiones de la geometría de la antena que se puede ver en las figuras.



Conocidas las variaciones en la respuesta de la antena al modificar susdimensiones, se han realizado varias simulaciones hasta encontrar larespuesta deseada y que corresponde con las dimensiones de la tabla.LM WM LG WG

30mm 3.5mm 19mm 26mmRw RH RCG RS

6.5mm 12mm 0.5mm 4mm

En el coeficiente de reflexión en la figura, se puede observar que se obtienenmínimos de adaptación entorno a la frecuencias de 2.5 GHz, 5.1 GHz y 6.1GHz. El ancho de banda medido a -10 dB es de 350 MHz para la banda baja yde 2 GHz para la banda alta cubriendo satisfactoriamente el estándar universalWLAN (2.4-2.5 GHz y 4.9-5.875 GHz). Estos resultados se obtienen porquecuando la antena resuena la parte resistiva de la impedancia de entrada tomavalores muy próximos a la impedancia de referencia como vemos en la figura.

No obstante, estos resultados son provisionales a falta de la inclusión deldieléctrico y la alimentación.



Alimentación de la antena:

La antena se alimentará mediante una línea de transmisión microstrip. Éstaes la forma más popular de línea de transmisión planar, tanto por su facilidadde fabricación como por la facilidad de integración con otros dispositivosactivos y pasivos [14]. En la figura 6-8 se puede ver su geometría. Una pistametálica de anchura WLT y longitud LLT , colocada sobre un dieléctrico depermitividadεr y grosor d. En el lado opuesto se coloca el plano de masa queactuará de segundo conductor para que pueda existir propagación de la onda.

Dado que la impedancia de entrada de la antena es de aproximadamente 50Ω en las bandas de funcionamiento de la antena, ésta se puede modelar comouna carga de ese mismo valor al final de la línea de transmisión. Para obtenermáxima adaptación el valor de la impedancia característica de la línea tieneque ser también de 50 Ω y se puede calcular analíticamente mediante laexpresión (6.2).

ₒ= 120

√ (+1.393+0.667ln+1.444 ) > 1 (6.2)

Donde εe es la permitividad efectiva y que se interpreta como la constantedieléctrica de un medio homogéneo que reemplaza a la región aire y dieléctrico[14], debido a que las líneas de campo eléctrico que van desde la pistametálica al plano de masa se encuentran en un medio no homogéneo, es decir,parte del campo eléctrico se propaga a través del medio dieléctrico y parte delas líneas de campo se propagan por el aire.

El dieléctrico que se va a utilizar es el RO4003C con εr = 3.35 , tangente depérdidas δ = 0.0021 y grosor 508 μm . Cabe destacar, que la expresión (6.2) sepuede utilizar para calcular la impedancia característica porque, en este caso,la relación W/d es más grande que 1. La anchura que debe tener la línea paraobtener los 50 Ω se ha calculado con la herramienta LINECALC de ADS y esde 1.17 mm. Ha representado coeficiente de reflexión a la entrada de la líneade transmisión sobre la carta de Smith.



Se observa que la impedancia de entrada está alrededor del centro de lacarta en todo el intervalo de frecuencias simulado (2-7 GHz). Sabiendo que lacarta de smith está normalizada a 50 Ω, se concluye que la impedancia de

entrada de la línea es aproximadamente igual a la impedancia de referencia enlas dos bandas de funcionamiento de la antena.

El siguiente paso a realizar para que la antena pueda ser fabricada y medidaes colocarla sobre un dieléctrico.

Verificación del funcionamiento de la Antena:

En este apartado se colocará la antena sobre el dieléctrico para queposteriormente pueda ser fabricada y medida, y cuyas características fueronpresentadas en el apartado anterior. Como ya se comentó anteriormente, alincluir el dieléctrico las líneas de campo se propagarán por un medio nohomogéneo que presenta un permitividad efectiva diferente de uno. Por lotanto, la velocidad de propagación de la onda v y en consecuencia la

frecuencia, se verán afectadas de la siguiente manera:=√ => = (6.3)

Según la expresión (6.3), la permitividad efectiva es inversamenteproporcional a la frecuencia y por lo tanto, la respuesta de la antena bajará enfrecuencia. Por ello, se debe redimensionar la geometría de la antena paraobtener los mínimos de adaptación donde requieren las especificaciones.



Conocida la influencia en la respuesta de la antena al variar las dimensionesde ésta, se han realizado varías simulaciones hasta encontrar la respuestadeseada. Se observa que finalmente se ha conseguido el objetivo de cubrir lasbandas de 2.4-2.5 GHz y 4.9-5.875 GHz, con un nivel de adaptación por debajode los -10 dB.

Antes de pasar a la fabricación de la antena, se debe comprobar ladistribución de corrientes a lo largo de la estructura, que el mínimo de eficienciaéste fuera de las bandas de trabajo y que el diagrama de radiación no difiera enexceso en las frecuencias de interés.

La distribución de corriente a lo largo de la antena a las frecuencias de2.45, 4.9 y 5.8 GHz se puede ver en la figura 6-12. Como ya se explicó en elapartado 4.3.3, las corrientes a la frecuencia 2.45 GHz (izquierda) tienden acircular en mayor magnitud a lo largo del monopolo y se anulan en los brazosdel resonador. A 4.9 GHz (centro), el resonador está aislando la parte superiorde la antena, debido a la alta impedancia que presenta en resonancia. Parafinalizar, a 5.8 GHz la corriente fluye por el perímetro de la estructura debido aque la impedancia de la capacidad es menor que la impedancia intrínseca delmonopolo en ese punto.

Por lo que respecta al diagrama de radiación, en la figura 6-13 se muestranlas simulaciones de los cortes en plano E y H de la antena. A las frecuenciasde 2.45 GHz y 4.9 GHz el corte el plano E presenta el patrón característico deun monopolo de longitud de brazo λ/4, mientras que a 5.8 GHz se asemeja alpatrón que se obtendría de un monopolo de longitud de brazo 3λ/4 .



El corte en plano H es completamente omnidireccional y presenta una variaciónmáxima de 1 dB entre bandas.

En esta figura se muestra la simulación de la eficiencia de la antena. Elmínimo de eficiencia está relacionado con la frecuencia de resonancia delresonador, como se ha ido comentando hasta ahora, y ésta situado a 4.4 GHz(unos 500 MHz por debajo del primer mínimo de adaptación de la banda altade funcionamiento de la antena). Por lo tanto, fuera de sus bandas deoperación.Simulación en el SONET:





Construcción y ensamblaje de la Antena:

Ya con nuestro diseño listo, procedemos a realizar una plantilla, la cual lacolocaremos en la baquelita. Esta baquelita debe ser cortada a las medidas,cabe destacar que se usó dos láminas de baquelitas, cada una de una solacara.

Colocada la plantilla, usamos un marcador para cubrir la superficie que sedesea marcar en la baquelita, la cual no es más que la figura de la antena.Luego de haber cubierto completamente se procede a retirar la plantilla,quedando estampada la figura de la antena.

Las baquelitas ya con las figuras plasmadas se colocan en un envase, elcual contiene Cloruro ferrico, para remover toda la superficie no cubierta con elmarcador. Se deja por aproximadamente unos 15 a 20 minutos y se retira. Selimpia la superficie que está cubierta por el marcador, dando como resultadonuestro diseño plasmado. Como usamos una baquelita de una sola cara,pegamos las dos láminas, para esto usamos acero plástico. Por último,soldamos el conector, a la conexión positiva y negativa de la antena. Solofaltando lijar sus extremos por estética.

Fotografía 1: proceso de cortado de la baquelita Fotografía 2: proceso de fijación del diseño de la antenaa las medidas especificadas de la antena. mediante el ácido férrico.

Fotografía 3: resultado final del diseño de la antena

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