Micro Strip

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LA ANTENA MICROSTRIP

•Antenas microstrip- Antenas con gran implantación en los últimos años- Fuerte aparato matemático asociado a su análisis- Muy relacionado con elementos tales como las líneas de

transmisión o los resonadores, estudiados en otras asignaturas

• Objetivos:- Conocimiento de las aplicaciones de esta antena- Ventajas e inconvenientes que presenta- Principio físico de funcionamiento- Concretar algunas reglas básicas de diseño

LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación

1. Introducción• Definición• Ventajas e inconvenientes• Aplicaciones

2. Configuraciones habituales y modos de alimentación3. Principio de funcionamiento. El parche rectangular

• Modelo de línea de transmisión• Modelo de cavidad

4. Parámetros característicos• Resistencia de entrada• Factor de calidad y ancho de banda• Polarización

5. Temas avanzados y resumen

LA ANTENA MICROSTRIP 1. Introducción

- La antena microstrip es una extensiónde la línea de transmisión microstrip.

- Sus dimensiones se eligen de formaque el “parche” disipe la potencia enforma de radiación.

- Se conciben por primera vez en los 50aunque sólo a partir de los 70 se trabajaactivamente en ellas.


Parche rectangular

Línea de transmisión

Plano de masa

Substrato dieléctrico

h

Estructura:- Parche metálico (dimensiones comparables a λ)- Substrato dieléctrico sin pérdidas

• grosor: 0.003λ ≤ h ≤ 0.05λ• constante dieléctrica: 2.2 ≤ εr ≤ 12

- Plano de masa

1. Introducción


Ventajas

• Bajo perfil

• Conformables a estructuras

• Fabricación sencilla y barata

• Robustas

• Combinables con circuitos integrados de microondas

• Versátiles en la elección de la frec. de resonancia o la polarización.

Inconvenientes

• Baja eficiencia

• Baja potencia

• Alto Q

• Pobre pureza de polarización

• Banda estrecha

• Radiación espúrea de las

líneas

1. Introducción LA ANTENA MICROSTRIP

Aplicaciones• Antenas embarcadas en misiles• Altímetros radar en aviones• Antenas de exploración radar en satélites• Sistemas GPS• Telefonía móvil• Comunicaciones móviles por satélite• Aplicadores de calor en medicina (hipertermia)

1. Introducción

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• Comunicaciones móviles por satéliteAgrupación de antenas con barrido mecánico


• Comunicaciones móviles por satélite

Agrupación de antenas con barrido electrónico

1. Introducción


Antena microstrip conformada

La antena en el satélite

• Antena embarcada en satélite para telemetría


• Comunicaciones móviles terrestres

1. IntroducciónNOKIA 3210

LA ANTENA MICROSTRIP 2. Configuraciones y alimentación

• Formas de parche más habituales

Cuadrado rectangular dipolo circular

• Otros tipos de parche

elíptico triangular anillo


Parche rectangular

h Línea de transmisión

Conector coaxial

Ranura


Parche

Acoplamiento por ranura


Parche

Plano demasa

Acoplamiento por proximidad

• Modos de alimentación

2. Configuraciones y alimentación

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LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación







• La línea de transmisión microstrip

- Se propaga un modo cuasi-TEM- La mayor parte del campo está confinado en el dieléctrico- Propiedades del dieléctrico:

1. Eléctricamente delgado (0.003λ ≤h ≤0.05 λ ), para evitar fugasy ondas superficiales

2. Permitividad alta (3≤ εr ≤10), para que las líneas de campo esténconfinadas entorno a la línea microstrip.

Líneas decampo eléctrico

h ε r

3. Principio de funcionamiento


• Modelo de línea de transmisión

Discontinuidad Circuito abierto

- El efecto de bordes se manifiesta en los cuatro costados y dependedel grosor y la permitividad del dieléctrico.

- La presencia de discontinuidades de tamaño comparable a λ fuerzala radiación de la estructura.

3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP


- El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W×∆L- La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la

radiación de ambas ranuras se sume en fase. L=λg/2- La radiación de los flancos laterales del parche se cancela entre sí.

Frecuencia de trabajo:0

2rr

cf

L

Anchura del parche:

W ≈ λg/2

h

L ∆L∆L

W

EE

ε r




Circuito equivalente

B G1 1 2 2B G

cY

Antena equivalente

E En

z

x

y

W

∆L


x

z

W

d<λ/2Campo radiado: Por el principio de equivalencia, el debido a dos hilos de corriente uniforme,


Diagramas de radiaciónM F E E

Factor de array+


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Pared magnética

Pared eléctricaE =0

H =0

t

t

+ + + + + + + − − − − − − −

− − −−−− − − −

+ + +++++ + +

J

J

b

t

L

h<<λ

• Modelo de cavidad

- La antena microstrip tiene un comportamiento parecido al de una cavidad

- En el interior de la “cavidad” se producen ondas estacionarias entre las paredes eléctricas y magnéticas


yz

LW

x

εr


- El parche admite varias distribuciones de campo (modos) de acuerdo con las soluciones de la ecuación de onda homogénea

2 2 0x xA k A

- y las condiciones de contorno de pared eléctrica y magnética

0 cos ' cos 'x npn p

A A y zL W

2 2

01

2r npn pfL W

Frecuencia de resonancia



LCRin


-El comportamiento es equivalente a un circuito resonante con pérdidas- A la frecuencia de resonancia la potencia aplicada se consume en la Rin, es decir, se convierte en radiación.



Modo dominante: frecuencia más baja de funcionamiento

Si L > W

0010 2r

r

cf

L

Si W > L o L > W > L/2

0001 2r

r

cf

W

W

L

h

W

L

h




Se pueden excitar otros modos de orden superior

Si L > 2W

0020r

r

cf

L

Si W > 2L

0002r

r

cf

W

W

L

h

W

L

h


M

n

M

M

M

M

M

M


- El campo radiado se obtiene aplicando el principio de equivalencia y el teorema de las imágenes.

Ranuras radiantes:sus contribuciones se suman en fase

Ranuras no radiantes:sus contribuciones se cancelan+


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Modo dominante, TM010

Diagramas de radiación

Modo de segundo orden, TM020

3. Principio de funcionamiento LA ANTENA MICROSTRIP Índice de la Presentación






LA ANTENA MICROSTRIP 4. Parámetros característicos

• Resistencia de entrada, Rin

1

12inR G (En resonancia)

- La Rin cambia con el punto de alimentación

L

Wy0

Rin

20 0( ) ( 0)cosin inR y y R y y

L

( 0)coszE E y yL

zV E22

0

0

( )( 0)( )rad

in in

V y yV yW

R R y y

- Sencilla adaptación del parche a la línea

B G1 1 2 2B G

cY


• Factor de Calidad (Q) y ancho de banda

- Es representativo de las pérdidas en la antenaradiaciónconduccióndieléctricoEnergía almacenada

QPotencia disipada

0

1 fQ f

- El Q está relacionado con el grosor (h) y la permitividad (εr) del dieléctrico

⇒ Q La banda de trabajo se estrechahεr

⇒

Interesan dieléctricos gruesos y de permitividad baja

Comportamiento como cavidad

4. Parámetros característicos


• Polarización

h

L ∆L∆L

W

EE

ε r

El parche básico presenta polarización lineal

Es posible combinar varios modos para conseguir polarización circular

4. Parámetros característicos LA ANTENA MICROSTRIP

Divisor depotencia

Parchecuadrado

λ/4

Se consigue con dos polarizaciones lineales ortogonales y desfasadas 90°

( ) cos( ) sen( )E t t x t yEn z=0,

Parchecuadrado

Híbridode 90°

• Polarización circular

4. Parámetros característicos

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LA ANTENA MICROSTRIP 5. Temas avanzados

• Modelado riguroso de estructuras microstrip

Ec. Integral+

Algoritmos rápidos

Incógnita:Corriente eléctrica N=80.000 incógnitas

- Requiere plantear una ecuación integral y resolverla numéricamente- Los algoritmos rápidos son específicos para cada tipo de problema


• Mediocres características de radiación• Aplicaciones que requieran poca potencia• Gran variedad de configuraciones• Antenas muy compactas• Facilidad para construir agrupaciones de parches

5. Resumen



Diagrama de radiación

Parche circular


ANTENAS CIRCULARES

2 2

2 22

2 2 2

0

1 1 0

k

kz

ρρ ρ ρ ρ φ

∇ Ω + Ω =

∂ ∂Ω ∂ Ω ∂ Ω+ + + Ω = ∂ ∂ ∂ ∂


MODOS DE RADIACIÓN

( ),

2 2 2

z

z

jk zjnn k n

z

J k e e

k k k

φρ

ρ

ρΩ =

= +

Conector coaxial


MODOS DE RADIACIÓNMODOS DE RADIACIÓNMODOS DE RADIACIÓNMODOS DE RADIACIÓN J0 J1 J2 J3

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FRECUENCIAS DE RESONANCIA

Función J’0 J’1 J’2 J’3 ceros

1º 3.8317 1.8412 3.0542 4.2012 2º 7.0156 5.3314 6.7061 8.0152 3º 10.1735 8.5363 9.9695 11.3459 4º 13.3237 11.7060 13.1703 14.5858


CAMPOS RADIADOS POR LAS ANTENAS CIRCULARES

' ˆ 'jnsM e φ φ=

Micro Strip

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