3.5 ANTENAS MICROSTRIP
3.5.1 Descripción general 3.5.2 Alimentación de un parche sencillo 3.5.3 Modelo de línea de transmisión3.5.4 Campo de radiación3.5.5 Impedancia de entrada3.5.6 Métodos de análisis3.5.7 Alimentación para polarización circular3.5.8 Ejemplos de arrays microstrip prácticos y su alimentación
3.5.1 Descripción generalEl 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
Z
X
Y
L
W
h
εr
Parche: tamaño 0.25λ a 1λ, grosor 10 a 50 micras Substrato dieléctrico: Mayor que el parche, grosor 0.005 λ a 0.2 λPlano de masa: Tamaño como el substrato.Frecuencias típicas: 400MHz a 40 GHzAplicaciones: antenas de aeronaves, de móviles, WLAN, alimentadores de reflectores, biomedicina, telemetría, etc.
3.5.1 Ventajas e inconvenientesVENTAJAS.
Pequeño tamaño y poco pesoAjustable a superficies no planasFabricación sencilla y económica a gran escalaRobustez mecánica (montado en superficies rígidas)Sencillez de realización de arraysFácil integración en equipos y circuitosAdecuado para diseño CAD
INCONVENIENTESEstructura resonante con pequeño ancho de bandaPerdidas en el sustrato (precisa sustratos de calidad tanδ<0.002)Poca pureza de polarizaciónLimitaciones de potencia
3.5.1 Otras formas de parches radiantes
3.5.1 Consideraciones de ancho de banda
Definición de ancho de banda respecto aImpedancia de entrada (típica 1-2% para VSWR<2)GananciaPolarizaciónSLLEficiencia
Ensanchamiento de la bandaSubstratos mas gruesos(y con mayores pérdidas)Elementos parásitosRedes pasivas externasDiseños no resonantes (arrays de onda progresiva)
3.5.2 Alimentación mediante línea microstrip
3.5.2 Alimentación por acoplo electromagnético
Acoplamiento a través de ranura en el plano de masa
Acoplamiento por proximidad
3.5.2 Alimentación por sonda coaxial
3.5.2 Alimentación mixta. Ejemplo
3.5.3 Circuito equivalente en el modelo de línea de transmisión
2/1
1212
12
1 −
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−+
+=
Whrr
efεεε
ef
efg
efcc
k
YZ
εβ
ελλ
εη
0
01
=
===
La constante dieléctrica eficaz tiene en cuenta la propagación de la onda en el sustrato y el aire
)10
(2ln636.01120
22411
1200
00
2
00
λλπ
λλπ
λ<
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= hhWBhWG
3.5.3 Impedancia característica y longitud de onda en el parche
wh
3.5.3 Longitud efectiva y frecuencia de resonancia
( )
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
=∆∆+=8.0258.0
264.03.0412.02
hW
hW
hLLLLef
ef
ef
ε
ε
0
0010
0010
2
λ
ε
cf
Lcf
r
efefr
=
=
220 g
efefL
λε
λ==
3.5.3 Procedimiento de diseñoFijados la frecuencia de trabajo f, y el sustrato (espesor h y constante dieléctrica εr)
efg
rref W
hελλεεε 0
2/1
1212
12
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−+
+=
−
12
20
0 +==
r
Wfc
ελ
λ1
2
(El cálculo de W se basa en criterios de eficiencia de radiación estudiados por Bahl y Bhartia)
3( )
( )LLLL
hW
hW
hL gef
ef
ef
∆−=∆−=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
=∆ 22
28.0258.0
264.03.0412.0
λ
ε
ε
3.5.4 Fuentes de radiación para un parche rectangular
3.5.4 Campo de radiación de un lado
Wh x
zApertura de iluminación uniforme y polarización “z”
zh
h
W
W
hWEfyEzxEa ˆcos
cossin
cossin
cossinsinˆ),( 00
θλ
π
θλ
π
φθλ
π
φθλ
π ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⇒=vv
( )[ ] ynfnrr
ejEjkr
ˆˆˆˆ −=××−=− vv
λ
[ ]φθ
λπ
φθλ
π
λ cossin
cossinsinˆˆ 0 W
W
hWExrr
ejEjkr ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
×=−vConsiderando h<< λ
y
3.5.4 Modelo de dipolo magnético
φθπ
φθλ
πεηωωη
φθ
φθ
πε
πε
φθ
φθ
cossin
cossinsin)ˆˆ(1)ˆ(
ˆcossin
cossin2
sin2
2'2ˆ
4
cossin'ˆ'ˆ''2)(ˆ2)ˆˆ(2ˆ2
0
02/
2/
cossin'0
000
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
×=⇒=×=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==
=⋅===×=×−=
−
−
−
−
∫W
rehExrjE
kFrjE
xjk
Wkj
rehEdxehEx
reF
xrrxzrhExIxEzyEEnM
jkr
jkrW
W
jkxjkr
mas
vvv
v
vvvv
W
h x
z
sMv
Se llega finalmente a la misma expresión
3.5.4 Radiación de los dos lados
Se introduce un factor de array:
h x
z
W
Ly
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=+=
⋅−⋅φθ
λπ sinsincos2
ˆˆ2
ˆˆ2 LeeFA
ryLjkryLjk
[ ] ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
×=−
φθλ
πφθ
λπ
φθλ
π
λsinsincos
cossin
cossinsin2ˆˆ 0
LW
W
hWExrr
ejEjkrv
φφθφθφθ ˆsinˆcoscosˆcossinˆ −+= rx
3.5.4 Campos de radiación en los planos principales
Plano E (PlanoYZ)
Plano H (PlanoXZ)
[ ]θ
λπ
θλ
πφθ
λ
θθθφ
sin
sinsin2ˆcos
ˆcosˆsinˆ0
0 W
W
hWEr
ejE
rx
jkr ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=
+==
−v
[ ] ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
−==−
θλ
πθλ
φφ
sincos2ˆ
ˆˆ90
0LhWE
rejE
xjkrv
3.5.4 Campos de radiación en los planos principales
Plano E (PlanoYZ)Plano H (PlanoXZ)
3.5.5 Impedancia de entradaLa impedancia de entrada sin considerar el acoplo entre los dos slots es:Se puede considerar el acoplo mediante la siguiente expresión (donde G12 es la conductancia mútua y el signo “+” es para resonancias antisimétricas y “-”para simétricas)Dicha impedancia puede ser reducida al utilizar la alimentación de la figura
121G
Rin =
)(21
121 GGRin ±
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= 0
20 cos)0()( y
LRyR inin
π
L
W
y0
3.5.5 Impedancia de entrada
3.5.6 Modelo de la cavidad resonante
3.5.6 Métodos de análisis
Modelo de línea de transmisiónModelo de cavidad resonanteMétodo de diferencias finitasMétodo de elementos finitosMétodo de ecuaciones integrales (p.ej. MoM)
Dominio naturalDominio espectral
3.5.7 Alimentación para polarización circular
3.5.7 Alimentación para polarización circular
3.5.8 Alimentación de arrays microstrip
Modelos de alimentación serie y paralelo
Ejemplo práctico de alimentación paralelo o corporativa
3.5.8 Alimentación de arrays microstrip
Ejemplo de alimentación corporativa
Ejemplo de alimentación mixta
3.5.8 Alimetación de elementos parásitos
YAGI Microstrip
3.5.8 Reflectarrays
3.5.8 Array de polarización dual
3.5.8 Array inflable para aplicaciones espaciales con polarización dual