comcepto de antenas

8/18/2019 comcepto de antenas

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Capítulo 5: Diseño y simulación de las antenas

En este proyecto de tesis, el análisis de las antenas tipo parche que se utiliza es a

partir del modelo de línea de transmisión, aunque como se ha mencionado en el capítulo 3

la desventaja de este método es que no es tan preciso como otros, sin embargo a partir del

uso de los programas de simulación de onda completa Sonnet !"# y $%SS 3 se

optimizan los dise'os modi(icando las dimensiones) *osteriormente se procede a dise'ar

la alimentación con Substrate Integrated Waveguide con las (órmulas de guía de onda

convencional discutidas en el capítulo + con las respectivas consideraciones de S- y una

vez encontrado un dise'o óptimo, se escala para utilizar las mismas estructuras para

di(erente (recuencia)

*ara este proyecto se plantea el dise'o de 3 antenas tipo parche. una para !)+ /$z, una

para 0)1 /$z y una dual que (uncione para ambas (recuencias) n(ormación sobre antenas

de (recuencia dual se puede encontrar en 32#, 3!#, 33#, 3+#, 30#) continuación se

describe el proceso llevado a cabo para cada antena)

4omo trabajo adicional para este proyecto de tesis se realizaron pruebas con la estructura

de alimentación creada de !)+ /$z para alimentar una antena tipo 5$6 previamente

construida en el nstituto 7acional de stro(ísica, 8ptica y Electrónica 97:E; y para la

cual se comprobó que pudiera ser e!


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5.1 Antena para 2.4 GHz

El primer paso para llevar a cabo las estructuras propuestas es seleccionar los

materiales necesarios para el proyecto de tesis) *ara las antenas de parche se escogió el

substrato disponible de (ibra de vidrio con una permitividad eléctrica relativa 9? r2; de

apro#) *ara la alimentación por S- se

escogió el substrato @uroid =&2&)1 el cual posee una permitividad eléctrica relativa 9? r!;

de 2&)1 y un grosor 9h!; de &)=+ mm) 4on las permitividades mencionadas de los

substratos se tienen condiciones (avorables para ondas radiadas y ondas guiadas

respectivamente)

5.1.1 Diseño de la antena tipo parce

Se cuenta con los parámetros del substrato, así como la (recuencia de resonancia

deseada.

( r A !)+ /$z)

?r2 A +)+

h2 A 2)= mm)

Se utilizan entonces las (órmulas revisadas en el capítulo 3.

2

!

!2

!

!

2

&& +

=

+

=

r r r r f

c

f W

ε ε ε µ

>3


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!2

2!2!

2

!

2 −

+

++

+=

W

hr r ref

ε ε ε

( )

( )

+−

++

=∆1)&!01)&

!=+)&3)&

+2!)&

h

W

h

W

h L

ref

ref

ε

ε

L f

Lref r

∆−= !!

2

&&ε µ ε

Bealizando los cálculos se obtuvieron originalmente las siguientes medidas.

- A 3)> cm, ?re( A +)2>++, CD A &)&>3> cm y D A !)" cm)

4omo se ha mencionado con anterioridad, el modelo de línea de transmisión no genera un

dise'o óptimo en relación con las dimensiones ya que con este dise'o la (recuencia de

operación de !)+ /$z es obtenida al e+


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Se simuló la respuesta de esta antena con alimentación directa de una línea de microstrip

de 0& para comprobar su correcto (uncionamiento antes de proceder a dise'ar la

alimentación con S-) Da optimización de la impedancia a 0& se realizó modi(icando

la posición de la línea de microstrip a lo largo de la dimensión D de la antena hasta

encontrar la localización que generara el mejor acoplamiento para la (recuencia de

resonancia deseada 9!)+ /$z en este caso;) En las (iguras 0)2 y 0)! se muestran la

estructura de la antena dise'ada así como su respuesta respectivamente con el uso del

programa Sonnet !"#)

%igura 0) 2 @ise'o de la antena rectangular con alimentación directa)

>0


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%igura 0) ! *arámetro S22 9coe(iciente de re(le=


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Hna vez comprobada la correcta operación de la antena mediante alimentación directa, se

procedió a dise'ar la guía de onda S- para su alimentación)

5.1.2 Diseño de &'$ para alimentación de antena de 2.4 GHz

*ara el dise'o de la guía de onda de alimentación se siguieron los pasos descritos

en el capítulo +) En la (igura 0)+ se muestran las dimensiones a dise'ar para la guía de

onda S-)

%igura 0) + @imensiones a dise'ar en guía de onda S-)

En la (igura 0)+ se aprecian las dimensiones. ncho de la guía 9a;, alto de la guía 9b;,

diámetro de los ori(icios metalizados 9@;, distancia entre ori(icios metalizados 9b p;, ancho

de la transición en (orma de taper 9-t; y largo de la tansición en (orma de taper 9Dt;

4omo se mencionó anteriormente, el substrato que se utilizó para la guía de onda (ue

@uroid =&2&)1 con las siguientes características.

?! A 2&)1

h! A &)=+ mm)

>>


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I la distancia entre ellos.

Db p !≤

Se seleccionaron dimensiones que cumplieran ambas desigualdades.

D " 1 mm.

(p " 1 mm.

Da línea de microstrip que se utilizó para la guía de onda (ue de 0& debido a que el

conector que se usó 9SJ; tenía dicha impedancia)

*ara las dimensiones de la transición en (orma de taper se procedió a realizar diversas

simulaciones hasta encontrar el que generara el mejor acoplamiento a la (recuencia

deseada y posteriormente se crearon las guías de onda para comprobar que los resultados

e"


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%igura 0) 0 /uía de onda ideal con taper de e


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Se puede apreciar en la (igura 0)= que no se tiene muy buen acoplamiento para la

(recuencia de resonancia 9( r ; de !)+ /$z buscada ya que el valor del parámetro S 22 a dicha

(recuencia es de apro se presenta la estructura con el mejor resultado para la (recuencia de !)+

/$z con el programa $%SS 3) Das dimensiones del taper (ueron.

Dargo del taper !t " 1.55 cm

ncho del taper $t " * mm

%igura 0) > /uía de onda ideal con las dimensiones óptimas encontradas)

Da respuesta del sistema se muestra en la (igura 0)1, donde en azul se presenta el valor S 22

y en rojo el valor de S!2) Da escala es en decibeles y se aprecia un muy buen

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acoplamiento ya que para la (recuencia de !)+ /$z el valor de S22 es cercano a F3& dG

mientras que el valor de S!2 es de apro


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!>; y posteriormente se escalaron para la (recuencia deseada de !)+ /$z) Das

dimensiones de la apertura encontradas se muestran en la (igura 0)".

%igura 0) " Jedidas de la apertura)

5.1.% structura completa

4on la ayuda del programa $%SS 3 se procedió a buscar un punto de alta

concentración de corriente para situar la apertura en dicho punto) En la (igura 0)2& se

muestra la colocación de la apertura sobre un punto de alta concentración de corriente)

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%igura 0) 2& @istribución de corriente y posición de la apertura sobre la guía)

En la (igura 0)2& se puede apreciar que la apertura se encuentra situada en una posición

de alta concentración de corriente)

Hna vez situada la apertura el siguiente paso sería el de modi(icar la colocación de la

antena sobre la guía de onda hasta encontrar el mayor acoplamiento, sin embargo un

(actor que debe tomarse en cuenta es que para esta estructura no solamente la antena radia

sino que la apertura en la guía de onda por sí sola genera radiación) Se simuló la

estructura sin la antena para encontrar la radiación del slot ) En las (iguras 0)22 y 0)2! se

muestran la estructura de la guía de onda con el slot simulada así como su respuesta

respectivamente) Se agregó una pared posterior a la estructura para con(inar las ondas

electromagnéticas dentro de su estructura

1+


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%igura 0) 22 /uía de onda con apertura simulada)

%igura 0) 2! *arámetro S22 de la guía de onda con apertura simulada)

@e la (igura 0)2! se puede apreciar que se presentan dos resonancias, una a

apro /$z) Se cree que ambas

resonancias son generadas por el slot en la guía de onda) *ara comprobar lo anterior se

gra(icaron los campos magnéticos a dichas (recuencias y se observó si se emitía radiación

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del slot. En la (igura 0)23 se muestra la magnitud del campo magnético $ para la

(recuencia de 3)2= /$z)

%igura 0) 23 Jagnitud del campo magnético $ a 3)2= /$z)

En la (igura 0)23 se puede apreciar que hay altos niveles de concentración de campo

magnético en los bordes de la apertura, con lo que se corrobora que el slot radia ondas a

la (recuencia de resonancia de 3)2= /$z)

En la (igura 0)2+ se muestra la simulación del campo magnético $ de la estructura

anterior realizada, ahora para 3)0> /$z)

1=


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%igura 0) 2+ Jagnitud del campo magnético $ a 3)0> /$z)

@e la (igura 0)2+ se puede apreciar que a la (recuencia de 3)0> /$z también se tiene una

radiación del slot en la guía de onda) Da di(erencia con el resultado a 3)2= /$z es que en

este caso la radiación se concentra en el centro del slot mientras que en el caso anterior la

radiación emanaba de los bordes de éste) En el capítulo = se muestran resultados

e


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%igura 0) 20 Estructura (inal de la antena en su posición óptima)

%igura 0) 2= *arámetro S22 de la antena dise'ada)

@e la (igura 0)2= se puede apreciar que se tiene un muy buen acoplamiento a la

(recuencia de resonancia en !)+ /$z, donde se tienen cerca de F0& dG)

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%inalmente se introdujeron en el dise'o los ori(icios metalizados para compararlos con la

guía de onda ideal así como con los resultados e la estructura (inal y en la (igura 0)21 la respuesta del sistema) Se observa

que se han sustituido las paredes de la guía de onda por los ori(icios metalizados 9(igura

0)2>;)

%igura 0) 2> Estructura (inal con S-)

%igura 0) 21 *arámetro S22 de la antena con S-)

1"


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Se puede apreciar de los resultados anteriores 9(igura 0)21; que utilizando S- la

(recuencia de resonancia permaneció en !)+ /$z sin embargo el parámetro S22 para esta

estructura aumentó en comparación con la estructura usando una guía de onda ideal ya

que para este caso se obtuvo de F23)31 dG) su vez en la (igura 0)21 además de la

(recuencia de resonancia de !)+ /$z se pueden apreciar las (recuencias de resonancia de

la apertura a 3)2= /$z y 3)0> /$z

En el capítulo = se muestran los resultados obtenidos e


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5.2.1 Diseño de la antena tipo parce

4on el uso de las (órmulas citadas anteriormente en el capítulo 3 y en la sección

0)2)2 se obtuvieron las siguiente dimensiones originales para la antena tipo parche de 0)1

/$z.

- A 2)0= cm, ?re( A 3)"!20", CD A &)&>!2 cm y D A 2)! cm)

@e las dimensiones encontradas se puede apreciar que nuevamente debido al modelo de

línea de transmisión, se e


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%igura 0) 2" @ise'o de la antena rectangular a 0)1 /$z con alimentación directa)

%igura 0) !& *arámetro S22 para la antena de 0)1 /$z con alimentación directa)

4omo se puede observar en la (igura 0)!&, en la (recuencia de resonancia se tiene un valorde apro)0 dG para el parámetro S22)

"!


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7uevamente para comprobar que se estuviera e


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0)!!; así como su respuesta 9(igura 0)!3; donde en oscuro 9azul; se muestra el parámetro

S22 mientras que en claro 9rojo; el parámetro S!2) Se puede apreciar que se tiene un ancho

de banda mucho mayor que el de la guía de onda dise'ada para la antena de !)+ /$z)

%igura 0) !! Estructura de la guía de onda ideal usada para la antena de 0)1 /$z)

%igura 0) !3 Bespuesta de la guía de onda ideal dise'ada)

@e los resultados anteriores se aprecia que para la (recuencia de resonancia 9( r ; de 0)1

"0


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/$z buscada en este caso se tiene un parámetro S22 de apro


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5.2.% structura completa

Se colocó la apertura proporcionalmente en la misma posición que con la guía de

onda para la antena de !)+ /$z nuevamente escalando y se veri(icó simulando que el slot

estuviera localizado en una posición con alta concentración de corriente en la guía) En la

(igura 0)!0 se muestra la distribución de corriente así como la localización de la apertura

sobre la guía de onda)

%igura 0) !0 @istribución de corriente en la guía de onda y posición de la apertura)

@e la (igura 0)!0 se puede apreciar que la posición de la apertura se encuentra en un lugar

con alta concentración de corriente buscando tener un (uerte acoplamiento magnético)

ntes de buscar la posición de la antena que generara el mejor acoplamiento para la

(recuencia deseada se buscó la radiación presente en el slot de la guía de onda) En las

">


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(iguras 0)!= y 0)!> se muestran la estructura S- con apertura simulada así como su

respuesta respectivamente)

%igura 0) != /uía de onda con apertura simulada)

%igura 0) !> *arámetro S22 de la guía con apertura simulada)

"1


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@e la (igura 0)!> se puede apreciar que se presenta una resonancia en apro


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dise'ada) Dos resultados e


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Se observa el dise'o para una (recuencia de resonancia mayor a la deseada de 0)1 /$z

esperando que la (recuencia disminuya como en el caso anterior) En este caso se observa

que se tiene un buen nivel de acoplamiento para la (recuencia dise'ada de 0)"=! /$z

9compensada esperando obtener un resultado (inal cercano a 0)1 /$z; al obtener un valor

del parámetro S22 de F!!)> dG)

*osteriormente se introdujeron en el dise'o los ori(icios metalizados, obteniéndose la

estructura completa con S- para comparar con las simulaciones con guía de onda ideal

así como con resultados e


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%igura 0) 3! *arámetro S22 para la antena de 0)1 /$z con S-)

*ara este caso se observa en la (igura 0)3! que el uso de S- modi(icó la (recuencia de

resonancia, a la cual desplazó hacia una (recuencia ligeramente mayor 9cerca de = /$z;

aunque con mejor acoplamiento, ya que se obtuvo para dicha (recuencia un valor del

parámetro S22 de F!1)32 dG)

En el capítulo = se comparan los resultados obtenidos en estas simulaciones con losresultados obtenidos e


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corte más baja y por lo tanto se tendría la propagación de (recuencias superiores

incluyendo la de 0)1 /$z)

5.%.1 Diseño de la antena tipo parce

*ara el dise'o de la antena tipo parche dual se utilizaron las medidas obtenidas y

simuladas para cada antena con lo que el dise'o de la antena dual satis(ace que el modo

de operación de un lado sea a !)+ /$z y el modo de operación del otro sea a 0)1 /$z) En

la (igura 0)33 se muestra el esquema de esta antena, con las siguientes dimensiones)

!1 " 2.# cm 9lado operando a !)+ /$z de la primer antena;

!2 " 1.2 cm 9lado operando a 0)1 /$z de la segunda antena;

%igura 0) 33 @imensiones de la antena dual)

Da di(erencia con las antenas anteriormente dise'adas es que para esta antena de tipo dual

se requiere que no solamente se e


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5.%.2 Diseño de &'$ para alimentación de antena dual

4omo se mencionó al inicio de la sección 0)3, se utilizó la estructura S-

utilizada para alimentar la antena de !)+ /$z debido a que tenía la (recuencia de corte

más baja 92)0 /$z;) *ara este dise'o las dimensiones previamente obtenidas en la sección

0)2)!.

a " % cm

( " ).*4 mm.

D " 1 mm

(p " 1mm

su vez, el slot en la estructura S- tiene las medidas. 2)&1" cm por 3)0 mm)

5.%.% structura completa

4omo se mencionó anteriormente, la di(icultad para la creación de una antena dual

se presenta a la hora de alimentar correctamente de manera que se e


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%igura 0) 3+ Estructura de la antena dual con incisión)

Hna vez hecha la modi(icación de la incisión a la antena se procedió a simular di(erentes

posiciones de la antena sobre la guía de onda hasta encontrar el mejor acoplamiento para

ambas (recuencias de operación) En este caso no se buscó la radiación del slot puesto que

se utilizó la misma estructura utilizada para la antena de !)+ /$z de la cual se obtuvo

previamente la radiación de la apertura) Se simuló la estructura para observar los

resultados con el uso del programa $%SS 3) En las siguientes (iguras se muestra la

estructura completa con la guía de onda ideal 9(igura 0)30; así como la respuesta del

sistema 9(igura 0)3=;)

2&0


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%igura 0) 30 Estructura completa de la antena dual con guía de onda ideal)

%igura 0) 3= *arámetro S22 de la antena dual)

Se puede apreciar que para la primera (recuencia de resonancia de !)+ /$z se tiene un

valor de parámetro S22 de F!+)11 dG) En el caso de la segunda (recuencia de resonancia de

0)1 /$z se tiene un ancho de banda a F2& dG muy grande que abarca desde 0)&1 /$z

hasta = /$z por lo que se incluye la (recuencia de interés)

2&=


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*osteriormente se a'adieron los ori(icios metalizados a la guía de onda para generar la

estructura (inal con S-, en las (iguras 0)3> y 0)31 se muestra la estructura (inal y la

respuesta de este sistema respectivamente) Se observa que se han sustituido las paredes

horizontales de la guía de onda por los ori(icios metalizados

%igura 0) 3> Estructura (inal para la antena dual con alimentación S-)

%igura 0) 31 *arámetro S22 de la antena dual con S-)

2&>


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@e los resultados anteriores se puede apreciar que para la (recuencia superior buscada

90)1 /$z; se tiene un ancho de banda muy grande en comparación con la (recuencia

in(erior buscada !)+ /$z y que a su vez se desplazaron los valores mínimos del

parámetro S22 en comparación con la simulación utilizando la guía de onda ideal) En el

capítulo = se comparan los resultados obtenidos en las simulaciones con los resultados

obtenidos e


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alcanzar la (recuencia de resonancia deseada de ! /$z) En la (igura 0)3" se muestra una

imagen de la antena tipo 5$6 con sus dimensiones)

%igura 0) 3" ntena 5$6 previamente construida en el 7:E)

Das pruebas realizadas (ueron llevadas a cabo con la estructura S- que sirvió para

alimentar e(ectivamente a la antena de !)+ /$z modi(icando la posición de la antena 5$6

sobre la apertura de dicha estructura) l igual que con la antena dual, la radiación del slot

no necesitó ser buscada en este caso ya que al utilizar la misma estructura de alimentación

que para la antena de !)+ /$z, esos resultados ya se habían hallado) En el siguiente

capítulo se muestran los resultados e

comcepto de antenas

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