prdoe mom planas 2010 [Modo de compatibilidad] 2010... · 2010-03-22 · w E w GJ a j dS ......
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Método de los Momentos para el análisis de antenas planas
Manuel Sierra Castañer
Propagación, dispersión y radiación de ondas electromagnéticas
Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
Índice
Objetivo: Analizar la posibilidad de simplificar el método de los momentos para estructuras planas
Introducción: aplicación del MoM para antenas planasEjemplos con Software comercial: Ensemble
Ejemplos con Software propio: Array plano de ranurasa) Modelo de MoM en APLANAR
de los momentos para estructuras planas
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 2
a) Modelo de MoM en APLANARb) Modelo para arrays periódicos
ConclusionesBibliografía
¿Qué significa tecnología plana?
T b j l i f d lí i i i li
Aplicación del MoM a antenas planas
Trabajamos con estructuras multicapa formadas por líneas microstrip, stripline, parches, ranuras ... sobre distintos materiales conductores o dieléctricos.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 3
¿Qué significa tecnología plana?
Aplicación del MoM a antenas planas
Aluminio 1.5 mm
Poliestireno expandido
Línea de transmisión Parche impreso Fibra de vidrio 1.6mm
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 4
Poliester125m
AireRanura en el
plano de masa
Pasos en el proceso:
Aplicación del MoM a antenas planas
1. Estudio de la estructura a analizar.
• Simplificación geométrica.
• Aplicación de principios electromagnéticos
Fuentede error
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 5
para simplificar la estructura.
• Obtención de las funciones de Green en cada medio, que relacionan las fuentes eléctricas y magnéticas con los campos eléctricosy magnéticos.
Pasos en el proceso:
Aplicación del MoM a antenas planas
2. Obtención del sistema de ecuaciones mediantela aplicación de ecuaciones de Maxwell y las condiciones de contorno.
• Formulación de las ecuaciones integrales:N lid d d lé t i PEC EFIE
Fuentede error
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 6
- Nulidad de campo eléctrico en PEC: EFIE- Continuidad del c. magnético tangencial: MFIE
Pasos en el proceso:
3 S l ió d l f i d l ét d
Fuentede error
Aplicación del MoM a antenas planas
3. Selección de las funciones del método.
• Funciones base: las incógnitas son combinaciónlineal de una base.
• Funciones peso: son las que minimizan el errorcometido.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 7
4. Resolución del sistema de ecuaciones.
• Simplificación de la matriz.• Reducción numérica del sistema lineal.
Fuentede error
Pasos en el proceso:
5 Ob ió d l l d
Aplicación del MoM a antenas planas
5. Obtención de los resultados:
• Impedancia de entrada, acoplos, diagramade radiación...
6. Comparación con medidas o/y otras
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 8
simulaciones.
Simplificaciones en la estructura a analizar :
Aplicación del MoM a antenas planas
• Capas metálicas: espesor nulo• Ranuras: profundidad nula• Paredes metálicas: conductorasperfectas con corrientes eléctricas.
• Principios de equivalencia:sustitución de ranuras por corrientes magnéticas sobre PEC
J1 J2 J3
J6
-M1
M1
-M2
M
I1
I2
I3II1
II2II3
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 9
PEC.• Aplicación Teorema Reciprocidad.• Simetrías: sustitución por PMC• Arrays grandes uniformes: condicionesperiódicas de contorno.
J4 J5 J6M2 III1
III2
III3
Funciones de Green de campo eléctrico o magnético:
Aplicación del MoM a antenas planas
Son el campo magnético o eléctrico generado por una delta de Dirac de corriente magnética o eléctrica en un medio sujeto a unas condiciones de contorno dadas. Son diádicos.
xzxyxx GGG
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 10
zzzyzx
yzyyyx
GGG
GGGG
Funciones de Green de campo eléctrico o magnético:
Aplicación del MoM a antenas planas
• Espacio libre• Semiespacio libre• Guía radial• Guía rectangular (indefinida cortocircuitada cavidad )
Según el medio:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 11
• Guía rectangular (indefinida, cortocircuitada, cavidad...)
Según la estructura dieléctrica - conductor:
• Estructura monocapa: dominio espacial• Estructura multicapa: dominio espectral
E i d M ll j
Funciones de Green de campo eléctrico o magnético:
Aplicación del MoM a antenas planas
Ecuaciones de Maxwell:
MHjE
JEjH
Las funciones de Green para corrientes eléctricas y magnéticas:
EJHJ )'rr(UGjG
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 12
HJEJ GjG
)'rr(UGjG
GjG
HMEM
EMHM
Funciones de Green de campo eléctrico o magnético:
Aplicación del MoM a antenas planas
Aplicando superposición, los campos eléctricos y magnéticos son:
dv'rM'r/rGdv'rJ'r/rG)r(H
dv'rM'r/rGdv'rJ'r/rG)r(E
V HMV HJ
V EMV EJ
Para estructuras planas (corrientes superficiales) y en notación simplificada:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 13
SHMSHJ
SEMSEJ
MGJGH
MGJGE
p ( p ) y p
Funciones de Green de campo eléctrico o magnético:
Aplicación del MoM a antenas planas
Podemos aplicar dualidad, porque las expresiones de Maxwell anteriores son equivalentes:
Fuentes eléctricas J E H GEJ GHJ
Fuentes magnéticas M H -E GHM -GEM
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 14
Trabajaremos sólo con fuentes eléctricas
N l l bl d l l
Funciones de Green de campo eléctrico o magnético:
Aplicación del MoM a antenas planas
Normalmente los problemas de antenas se resuelven con los potenciales vectores y escalares (para corrientes eléctricas):
AH
VAjE
/Vk
JAk22
22
)'(UGk22
Las funciones de Green para los potenciales son:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 15
/)'rr(Gk
)'rr(UGk
V22
A22
SV
SA
GV
JGA
La relación entre las funciones de Green de campos y potenciales:
j/GGjG
GG
AAEJ
AHJ
FG para un medio homogéneo infinito (espacio libre):
Aplicación del MoM a antenas planas
Debido la simetría de revolución, la función de Green para el potencial vector A, es diagonal: UG A
La función de Green para el potencial escalar V: /G V
Siendo: 'Re jkR
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 16
Siendo: 'rrRR4
j/GGjG
GG
AAEJ
AHJ
FG para una estructura multicapa y homogénea en direcciones x,y:
Condiciones de contorno en discontinuidades:
Aplicación del MoM a antenas planas
Capas metálicaso discontinuidades
JS
Condiciones de contorno en discontinuidades:
Continuidad de: Ex, Ey,Ez,Hx,Hy,Hz
zzA
zyA
zxA
yyA
xxA
A
GGG
0G0
00G
G
P i d d
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 17
Propiedades:- Traslación en plano xy:- Simetría de revolución:- Invarianza con la dirección azimutal
)'z,0,0/z,'yy,'xx(G)'z,'y,'x/z,y,x(G zyzxyyxxyxxy GG;GG;GG
El problema se reduce a estudiar componentes horizontales de corrientes,alineadas según x (o y), y componentes verticales (z). Estas componentessólo dependen de z,z’ y
FG para una estructura multicapa y homogénea en direcciones x,y:
Si aplicamos la Transformada de Fourier en 2D:
Aplicación del MoM a antenas planas
Si aplicamos la Transformada de Fourier en 2D:
x-x’ kxy-y’ ky
yx
)'yy(jk)'xx(jkyx
)'yy(jk)'xx(jkyx
dkdkee)'z,z,k,k(G~21
)'z,0,0/z,'y,y,'xx(G
dydxee)'z,0,0/z,'yy,'xx(G21
)'z,z,k,k(G~
yx
yx
0 00
0 00
dk)'z,z,k(G~)k(J21
)'z,0/z,(G
d)'z,0/z,(G)k(J21
)'z,z,k(G~ 2
y2
x
22
kkk
'yy'xx
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 18
2
Integrales de SommerfieldVentaja de trabajar en el dominio espectral:
zdz/dyjkxjk yx
Además mantiene las mismas propiedades de simetría.
:la relación entre función de Green de campo y de potenciales es directa; y las ecuaciones de Maxwell quedan muy sencillas
FG para una estructura multicapa y homogénea en direcciones x,y:
En un medio plano estratificado tenemos que: z/H~,z/E~,H~,E~ zzzz
Aplicación del MoM a antenas planas
satisfacen las ecuaciones de las líneas de transmisión entre cada capa y son continuas entre capas. La única discontinuidad está en los planos donde están las fuentes. En las fuentes se definen corrientes y tensiones, según tengamos modos TE o TM y corrientes eléctricas o magnéticas
N
ZL
ZN,N
En los puntos de observación, se calculan unas corrientes y tensiones
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 19
i+1
i
i-1
1
V I
calculan unas corrientes y tensiones relacionadas con las funciones de Green en el dominio transformado.
Una vez calculadas éstas se calcula la transformada inversa de Fourier (muy sencillo) y tenemos la función de Green.
Ecuaciones integrales:
Aplicación del MoM a antenas planas
Nulidad del campo eléctrico en los conductores: EFIE
0dSMGdSJGE j
i S
i
M
Ej
i S
i
J
Ein
jj
Continuidad del c. magnético tangencial en las aperturas: MFIE
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 20
j
II,i S
i
M
II,Hj
II,i S
i
J
II,H
j
I,i S
i
M
I,Hj
I,i S
i
J
I,HI,in
dSMGdSJG
dSMGdSJGH
jj
jj
Funciones base:
Aplicación del MoM a antenas planas
j
jj,ii
j
jj,ii mbMjaJ
Tipos de funciones base:
• Discretas: para análisis generales.• C l t áli i ti l
Para i = 1 .. M
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 21
• Completas: para análisis particulares.
Se sustituye en las ecuaciones anteriores EFIE y MFIE:
0dSmbGdSjaGE j
i S j
jj,i
M
Ej
i S j
jj,i
J
Ein
jj
Funciones prueba:
Dependen de las funciones base escogidas:
Aplicación del MoM a antenas planas
Dependen de las funciones base escogidas:
0dSmbGwdSjaGwEw MJ
F.B. discretas: Triangulares, Rectangulares F.P. : Delta, Trian, Rect.F.B. completas: Galerkin: f.base y f.prueba modos de la estructura
Sustitución en las expresiones EFIE y MFIE:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 22
0dSmbG,wdSjaG,wE,w j
i S j
jj,iEkj
i S j
jj,iEkink
jj
Para k=1..N, siendo:
iin
S
kink dSEwE,wi
Cálculo de las reacciones:
Aplicación del MoM a antenas planas
j
S j
j
J
Ekj,k dSjG,wrj
Resolución analítica o numéricamente de las expresiones:
inkH,kinkE,k H,wrE,wr 1.
2.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 23
j
Y sustitución en el sistema de ecuaciones
SISTEMA LINEAL DE L ECUACIONES
Resolución del Sistema de ecuaciones:
Aplicación del MoM a antenas planas
Simplificaciones :
1. Reacciones menores de cierto valor 02. Reacciones entre elementos alejados 03 Separación del problema en partes independientes
Normalmente se resuelve por diagonalización o triangularización de lamatriz de reacciones.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 24
3. Separación del problema en partes independientes yestimar las reacciones entre ellas o considerarlas 0.
M,J Diagrama de radiación
Coeficiente de reflexiónGanancia
Objetivo: Análisis de estructuras planas multicapa El software de análisis es el Ensemble 5.1
Ejemplo con SW comercial
Ejemplo: Análisis de una ranura circular excitada a través de una línea impresa
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 25
Foam
Slot layer(3 mm)
Strip layer (epoxi 0.1 mm)
Ejemplo con SW comercial
Foam 30 mm
3 mm
Ground PlaneM3
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 26
100
10043.5
W0
W1 31.9
W0=8.4W1=6
Units: mm
9.7
Mallado de la estructura del Ensemble 5.1 a 5 GHz
Ejemplo con SW comercial
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 27
Coeficiente de reflexión:
Ejemplo con SW comercial
-4
-2
0S_{11} Parameter
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 28
MedidasSimulaciones
Diagrama de Radiación:
Antenna CC2-A. H-Plane. 4.53 GHz. Antenna CC2-A. E-Plane. 4.53 GHz.
Ejemplo con SW comercial
-40
-30
-20
-10
0
10
-90 -60 -30 0 30 60 90
Phi (deg)
dB
Copolar Crosspolar
-50
-40
-30
-20
-10
0
-90 -60 -30 0 30 60 90
Phi (deg)
dB
Copolar Crosspolar
Medidas
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 29Simulaciones
yElementos:
• Ranuras en la placa superior
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
x
i
i
i
x j
j
j
L
2aw
p p• Sondas de excitación• Terminación de la guía en cortocircuito
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 30
Estructura de la antena
hL
V
I1
V
IL+1
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
·...
IL
VL
RADIALLINE
[H]
FREE SPACE
[Y]
V1 VL+1
IL+N
VL+N
·...
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 31
Modelo de análisis
w/V
a2/I
YHH
HH
0
V
s
p
sssscs
scppp
1. Principios de equivalenciaII-M1 • J son las corrientes impresas + scattering
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
I: Guía de placas paralelasII S i i lib
IM1 JcJ
GI: F.G. guía radial infinitaGII: F.G. semiespacio libre
J son las corrientes impresas + scatteringen las sondas de alimentación.
• El cortocircuito se sustituye por corrientes eléctricas Jc.
• Las ranuras se sustituyen por corrientesmagnéticas equivalentes M sobre PEC.
• Asumimos una diferencia de potencial de1 V en la apertura del coaxial.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 32
Modelo de Análisis
II: Semiespacio libre
Simplificaciones:
1. No consideramos el espesor de la ranura directamente
2. Sistema de ecuaciones:
Ranuras: continuidad de componentes tangenciales de campo magnético
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
r
S rrM,H
IIr
S rrM,H
Ic
S ccJ,H
Is
S ssJ,H
Irrc
c
s
dSMGdSMGdSJGdSJG
0dSMGdSJGdSJGr
S rrM,E
Ic
S ccJ,E
Is
S ssJ,E
Irc
c
s
Cortos: nulidad de componentes tangenciales de campo eléctrico
Sondas: nulidad de componentes tangenciales de campo eléctrico
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 33
imp
rS rr
M,EI
cS cc
J,EI
sS ss
J,EI EdSMGdSJGdSJG
rc
c
s
Simplificaciones:
2. El campo impreso se calcula en cada sonda a partir de la diferencia depotencial en el coaxial correspondiente.
3. Método de Galerkin: Funciones base = Funciones peso
ˆl
i1
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
x2
xl
sinw
rm
Lz0 parazLksin
zLksin)z(j
hz0 paraz)z(jc
ranuras:
sondas:
cortos:
Tras aplicar Galerkin y juntar términos nos queda el sistema:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 34
w/V
Ja2/I
YHHH
HHH
HHH
0
0VK
R
C
S
rrrrrcrs
crcccs
srscssS
Simplificaciones:
3. Consideramos sólo 1 función base por elemento4. Despreciamos diámetro de las sondas5. Consideramos ranura estrecha.
Modelo de sonda para la autoimpedancia
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
z
a3.237.4'Lh
a')fF(C
s
2
0t
a
038.0a142.1ln
'2)mm/fF(Cl
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 35
Ct
Zin
L,C, '
c
LC
1vp
082.036.21
9.57)mm(l)GHz(fatan
23.0)mm/Np(
Modelo de sonda: comparación con Ensemble
Variación de S11 con la separación entre placasf = 13,5 GHz
Variación de S11 con la separación entre placasf = 10,5 GHz
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
-20
-15
-10
-5
0
6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
h (mm)
S1
1 (
dB
)
MoM Antena
-25
-20
-15
-10
-5
0
6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0
h (mm)
S11
(d
B)
MoM Antena
Variación de S11 con la longitud de la sondaf = 12,0 GHz
Coeficiente de Reflexión l = 6
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 36
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
3.5 4.0 4.5 4.7 4.8 5.0 5.5 6.0 6.4 6.5 7.0 7.5
l (mm)
S1
1 (d
B)
MoM Antena
-40-30-20-10
0
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
f ( GHz)
dB
Medidas Aplanar Ensemble
Modelo de ranura para la autoimpedancia
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
3o 10))mm(wlog(31.4
2
'177.4
w
t93.2)mho(Y
t567.0t531.3L e38.17we392.873.1)ohm(X z
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 37
2w
rr'
s 1w
t21.06.04.0
XLL/2,Yo,sL/2,Yo,sXL ~
R
Modelo de ranura: Comparación con simulaciones MoM completo
MODULO DEL CAMPO EN LA APERTURA
Campo en la apertura vs longitud de ranura
MODULO DEL CAMPO EN LA APERTURA
Campo en la apertura vs inclinación vs radial
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.80
2
4
6
8
10
12
14
|Ea
p/E
in|
Longitud de la ranura (L/lambda)
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
2
4
6
8
10
12MODULO DEL CAMPO EN LA APERTURA
|Ea
p/E
in|
Inclinación ranura vs . dirección radial (en grados)
FASE DEL CAMPO EN LA APERTURA
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 38
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
h = 7.5 mmw = 1 mmt = 1 mmeps = 1f = 12.1 GHz
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Fa
se
(Ea
p/E
in)
Inclinac ión ranura vs. direcc ión radial (en grados)
Función de Green
1. Guía biplaca:
2MJ
J
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
MJh
2M
2M
2MJ
J
J
J
J
J
J,EJ,EJ,E
I
pp
M,Ho
M,HI
r,rGr,rG'r,rG
r,rG2'r,rG
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 39
2. Semiespacio libre:
2M
Mh 2M
'r,rG2'r,rG M,Ho
M,HII
pop
poI r,rGr,rGr,rG
Convergencia de la función de Green en la guía biplaca:
uv2/L 2/L MH1 2
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
65
60
160
180171.123
0.5
0.5
45º
10º0.3
dvduL
ucosG
L
vcosacoplo
2
2/L
2/L
2/L
2/LGB
M,H
1
1
1
2
2
N
Npp
M,Ho
M,HI r,rG2'r,rG
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 40
0 5 10 15 2075
70
dBacFGp
dBacFG2p
p0 5 10 15 20
80
100
120
140
85.2903
degacFGp
degacFG2p
200 p
trunco en N=5Guía biplaca
Semiespacio libre
El tiempo de cálculo de estas integrales sigue siendo muy grande.
Problema:
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
Donde el error no sea muy grande, sustituimos las integrales por aproximaciones de campo lejano.
Solución:
2/L 2/L M,HM,H1 2
dvduu
cosGGv
cosYH
Por ejemplo, para acoplos entre ranuras:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 41
2,1
jk
1,21,22
2,12,11
200
21
kj
2,1
1,21,22
2,12,11
2
21
2
2/L 2/LSL
,GB
,
1
rrrr
2,1
2,1
1 2
esincos
2
LkFsincos
2
LkF
LL4j
ek
2sincos
2
LkFsincos
2
LkF
h
LkL
dvduL
cosGGL
cosYH
Comparación con simulaciones:Acoplo mutuo en dB:
45º
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
20
50 100 150120
100
80
60-78.9344
120
dBacon
dBacgfn
17010 .fi12n
180
Acoplo mutuo en grados:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 42
50 100 150200
100
0
1009.64088
-174.581
degacon
degacgfn
17010 .fi12n
180
p g
Aproximación
Resolución integral
Comparación con simulaciones:
90º
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
10 11 12 13 14 15 1686
84
82
8080
-84.0735
dBacon
dBacgfn
Acoplo mutuo en dB:
- 16
90
45º
Acoplo mutuo en grados:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 43
1610 ron
10 11 12 13 14 15 16200
100
0
100
200138.934
-176.752
degacon
degacgfn
1610 ron
Acoplo mutuo en grados:
Aproximación
Resolución integral
Ejemplo para antena de ranuras: APLANAR
Para validar el SW se ha realizado una simulación con Ensemble y con el Aplanar de la misma estructura de 11 mm de espesor con 388 ranuras, con constante dieléctrica 2.3 y espesor de la capa superior de 0.01 mm (y nulo en Ensemble) en banda X p p (y )
-25
-20
-15
-10
-5
0
Copolar (-) Contrapolar (:)
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 44
Validación con Ensemble
Ensemble: 45 minutos
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-40
-35
-30
APLANAR: 1 minuto
Antenna Specifications:
12 cmP l i ti LHCDiameter
Ejemplo para antena de ranuras: Monopulso
Polarization LHC13.4 – 14.0 GHz
Dielectric Material Teflon ( = 2.17)Frequency Band
Feeding probes 4 (two inputs)
Antenna Measurements:
10
15
20
cia
(d
Bi)
-10
0
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 45
0
5
10
13
13
,4
13
,8
14
,2
14
,6 15
Fre cue ncia (GHz)G
an
an
c
GainDirectivity at 13.7 GHz = 22.2 dBi
(Ap. Ef = 58.7 %)
-30
-20
-90
-75
-60
-45
-30
-15 0
15
30
45
60
75
90
Theta (deg)
dB
Radiation Pattern at 13.7 GHz
Ejemplo para antena de ranuras: Monopulso
-50
-40
-30
-20
-10
0
-90 -60 -30 0 30 60 90 9 0 6 0 3 0 0 3 0 6 0 9 0
0
-1 0
-2 0
-3 0
-4 0
-5 0
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 46
Validación con medidas
90 60 30 0 30 60 90 -9 0 -6 0 -3 0 0 3 0 6 0 9 0
Medida diagrama suma 13.7 GHz Simulación diagrama suma: 13.7 GHz
Antenna Specifications:
34
Ejemplo para antena de ranuras: banda Ku
34 cmPolarization LHC
11.7 – 12.5 GHzDielectric Material Air
Diameter
Frequency Band
Feeding probes 4
10
0
Antenna Measurements:
28
30
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 47
-50
-40
-30
-20
-10
-90 -60 -30 0 30 60 90
the ta (de g)
dB
copolar contrapolar
20
22
24
26
28
11,7 11,9 12,1 12,3 12,5
f (GHz)
G (
dB
i)
Radiation Pattern at 12.1 GHz GainDirectivity at 12.1 GHz = 30.5 dBi
(Ap. Ef = 60.3 %)
Ejemplo para antena de ranuras: banda X
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 48
Objetivo: Diseño rápido de una antena plana de ranuras
Ejemplo para antena plana de ranuras
foam
Plano de masa
Fibra de vidrio
Estructura de ranuras
Corto-circuito
Conector de entrada
Guía rectangular
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 49
1. Separamos la excitación de la estructura radiante, considerando que somos capaces de generar una onda plana y los acoplos entre los elementos de excitación y las ranuras son despreciables.
2. Consideramos despreciable la altitud del dieléctrico y aplicamos teorema de equivalencia
IIM
Ejemplo para antena plana de ranuras
I
II
Hin M1
-M1
I: Guía de placas paralelasII: Semiespacio libre
3. Aplicamos el Teorema de Floquet y sustituimos la estructura por una guía rectangular de ranuras con paredes laterales periódicas. Como el array es de onda progresiva consideramos la guía infinita.
Guía
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 50a
b Pared Periódica
GuíaRanuras
I: Guía rectangular infinitaII: Semiespacio libre
22
o
2
cm
b
nsink
a
m2k
4. Aplicamos técnica de la resonancia transversal y calculamosconstante de propagación equivalente en la estructura de 2 capas:
Ejemplo para antena plana de ranuras
22
2
211
1
1 hcothcot
Modos TEy :
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 51
Modos TMy : 22
2
211
1
1 htanhtan
5. Se calculan las funciones de Green H,M en los dos medios:
Medio I: Guía rectangular: Se pueden escribir en función de los modos que se
Ejemplo para antena plana de ranuras
Medio I: Guía rectangular: Se pueden escribir en función de los modos que se propagan en la guía: modos híbridos Tey, TMy
)zz(rHrH2
1)r/r(G
)zz(rHrH2
1)r/r(G
ossmom
m
so
M,H
sosmom
m
so
M,H
Siendo Hm el campo magnético correspondiente al modo mn
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 52
so
rrjk
2
o
oso
M,H
rr2
e
kIjw)r/r(G
soo
Medio II: Semiespacio libre: La contribución de una corriente magnética M en el semiespacio libre es equivalente a la de una corriente magnética 2M en elespacio libre
6. Planteamiento de la ecuación MFIE:
Ejemplo para antena plana de ranuras
i S
ii
M,H
II
i S
ii
M,H
Iin
ii
dSMGdSMGH
Para todas las ranuras j=1..N
7. Funciones base y prueba: Método de Galerkinlk1
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 53
K1kx2
lx
l
ksin
w
1rmk
K
1k
ikiki )r(maM
Para ranuras de longitud cercana a la resonancia K=1 es suficiente
8. Cálculo de las reacciones:
Ejemplo para antena plana de ranuras
8. Cálculo de las reacciones:
Medio I: resolución analítica.Medio II: resolución numérica.
9. Resolución del MoM:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 54
En medio I yII, si las ranuras están alejadas másde 6 lambda despreciamos el acoplo.
10. Cálculo del diagrama de radiación y comparación con medidas
Ejemplo para antena plana de ranuras
-40
-30
-20
-10
0
-90 -60 -30 0 30 60 90
E (
dB
)
-40
-30
-20
-10
0
-90 -60 -30 0 30 60 90
dB
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 55
Theta (deg) Theta (deg)
Simulación 12 GHz Medida 12 GHz
Modelo válido para el lóbulo principal y primeros lóbulos secundarios
z
Ejemplo para antena plana de ranuras
Antena para recepción de Hispasat y Astra
x
y
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 56
foam
Ground plane
Fiberglass
Short circuit Astra beam SMA Input
Slot structureAstra feeding
circuitHispasat
feeding circuit
y
z
Ejemplo para antena plana de ranuras
Reflected powerPeriodic
wall Periodicwall
Reflected powerPeriodic
wall Periodicwall
Eradi
Eradi E
Hispasatbeam
Astrabeam
EradiEradi
Eradi EE
Hispasatbeam
Astrabeam
0 to –3 dB-3 to –10 dB-10 to –15 dB-15 to –25 dB
0 to –3 dB-3 to –10 dB-10 to –15 dB-15 to –25 dB
0 to –3 dB-3 to –10 dB-10 to –15 dB-15 to –25 dB
0 to –3 dB-3 to –10 dB-10 to –15 d B-15 to –25 d B
0 to –3 dB-3 to –10 dB-10 to –15 d B-15 to –25 d B
0 to –3 dB-3 to –10 dB-10 to –15 d B-15 to –25 d B
Transmitted power
Radiated power
wall
L2
L
d
Transmitted power
Radiated power
wall
L2
L
dEradi-1
Etxi-1
Eradi-1
Etxi-1
beamEradi-1Eradi-1Eradi-1
Etxi-1Etxi-1
Eradi-1Eradi-1
Etxi-1Etxi-1
beam
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 57
< -25 dB< -25 dB< -25 dB5 to 5 d
< -25 dB5 to 5 d
< -25 dB5 to 5 d
< -25 dB
50
60
70
80
90
100
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7
L (mm)
Ptx
(%)
3 rad elements 1 element
0
5
10
15
20
25
30
Pra
d(%
)
50
60
70
80
90
100
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7
L (mm)
Ptx
(%)
3 rad elements 1 element
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
Pra
d(%
)
Existen multitud de método de los momentos.
Conclusiones
Es necesario conocer la estructura para aplicar un método u otro.
Hay que llegar a un compromiso entre exactitud, rapidez y posibilidad aplicar a casos generales.
Requiere conocimientos de electromagnetismo a la hora de calcular las funciones de Green. Aplicar correctamente los
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 58
distintos teoremas del electromagnetismo nos permitirá reducir el problema.
El escoger un método u otro dependerá del objetivo planteado.
• C.A. Balanis “Advanced Engineering Electromagnetics”. John Wiley & Sons. 1989• S. Ramo “Fields and Waves in Communication Electronics”. John Wiley & Sons. 1993R E C lli “Fi ld Th f G id d W ” IEEE P 1990
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CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 59
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Bibliografía
Theory and Applications”. Artech House 1994. • J.R. Wait “Electromagnetic Waves in Stratified Media”. IEEE Press 1996• N. Morita, N. Kumagai, J.R. Mautz, “Integral Equation Methods forElectromagnetics” Artech House, 1990• Robert S. Elliot: “Antenna theory and design”. Prentice Hall. 1981• M. Sierra‐Castañer, M. Vera‐Isasa, M. Sierra‐Pérez, J.L. Fernández‐Jambrina, “Double beam Parallel Plate Slot Antennas”. IEEE Transactions on Antennasand Propagation, 2005”.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMOM 60
p g ,• M. Sierra‐Castañer, M. Sierra‐Pérez, M. Vera‐Isasa, J.L. Fernández‐Jambrina, “Fast Analysis Model for Radial Line Slot Antennas”, Microwave and OpticalTechnology Letters. January 2005, Vol. 44, n.1, pp. 17‐21• M. Sierra‐Castañer, M. Sierra‐Pérez, M. Vera‐Isasa J.L. Fernández‐Jambrina “Low Cost Monopulse Radial Line Slot Antenna” IEEE Transactions onAntennas and Propagation, Feb. 2003, Vol. 51, n. 2 pp. 256‐263”.