antenared.com » microcinta http://antenared.com Teoría, simulación, implementación y más sobre antenas Fri, 28 Aug 2009 00:23:41 +0000 http://wordpress.org/?v=2.9.2 en hourly 1 Antena Panel: Diseño http://antenared.com/2009/08/antena-panel-diseno/ http://antenared.com/2009/08/antena-panel-diseno/#comments Wed, 12 Aug 2009 16:17:29 +0000 Francisco Sandoval http://antenared.com/?p=985 La antena panel tiene como especificaciones de diseño las siguientes: Datos Frecuencia de operación:

  • Datos:
    • Frecuencia de operación:   f_{r}=5.8 GHz
    • Substrato dieléctrico:

    \varepsilon_{r}=4.5

    tan\delta=0.019

    h=1.6mm

    • Método de alimentación: Cable Coaxial
    • Polarización: Lineal
  • Cálculo del ancho:

W=\frac{c}{2f_{0}\sqrt{\frac{\varepsilon_{r}+1}{2}}}

Donde:

c – velocidad de la luz en el espacio libre

f_{r} – frecuencia de operación

\varepsilon_{r} – constante dieléctrica

W=\frac{3*10^{8}}{2*5.8G*\sqrt{2.75}}=15.6mm

  • Cálculo del dieléctrico efectivo

\varepsilon_{reff}=\frac{\varepsilon_{r}+1}{2}+\frac{\varepsilon_{r}+1}{2}\left[1+12\frac{h}{W}\right]^{-\frac{1}{2}}

Donde:

\varepsilon_{reff} – constante dieléctrica

h – altura del substrato dieléctrico

W- Ancho del panel

\varepsilon_{reff}=\frac{5.5}{2}+\frac{3.5}{2}\left(0.6695\right)=3.92

  • Cálculo de la longitud efectiva

L_{eff}=\frac{c}{2f_{r}\sqrt{\varepsilon_{reff}}}

Donde;

c – velocidad de la luz en el espacio libre.

f_{r} – frecuencia de operación

\varepsilon_{reff} – constante dieléctrica efectiva

L_{eff}=\frac{3*10^{8}}{\left(2\right)\left(5.8G\right)\sqrt{3.92}}=13.06mm

  • Cálculo del incremento de la extensión del panel

\Delta L=0.412h\frac{\left(\varepsilon_{reff}+0.3\right)\left(\frac{W}{h}+0.264\right)}{\left(\varepsilon_{reff}-0.258\right)\left(\frac{W}{h}+0.8\right)}

\Delta L=0.412\left(1.6\right)\frac{\left(3.92+0.3\right)\left(\frac{15.6}{1.6}+0.264\right)}{\left(3.92-0.258\right)\left(\frac{15.6}{1.6}+0.8\right)}

\Delta L=\frac{4.22\left(10.014\right)}{3.662\left(10.55\right)}=0.72mm

  • Cálculo de la longitud del panel

L=L_{eff}-2\Delta L

L=13.06-2\left(0.72\right)=11.62mm

  • Cálculo del punto de alimentación de la antena panel

\lambda_{0}=\frac{c}{f_{r}}

\lambda_{0}=\frac{3*10^{8}}{5.8GHz}=0.0517m

k_{0}=\frac{2\pi f_{r}}{c}

k_{0}=\frac{2\pi}{\lambda_{0}}=121.48m^{-1}

Tomando la siguiente condición se puede calcular la ubicación del punto de alimentación [11]:

\begin{cases} y_{0}=\frac{W}{2}\\ x_{0}=\frac{L}{2\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\end{cases}

y_{0}=\frac{15.6}{2}=7.8\, mm

x_{0}=\frac{11.6}{2\sqrt{3.93}}=2.9\, mm

  • Cálculo del plano tierra de la antena panel

L_{g}=6H+L

L_{g}=6(1.6)+11.6=21.2\, mm

W_{g}=6H+W

W_{g}=6(1.6)+15.6=25.2\, mm

Resultados de Diseño

antena panel

Referencias:

[11]David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

$L_{eff}=\frac{c}{2f_{r}\sqrt{\varepsilon_{reff}}}$

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En nuestro diseño de la antena panel para una frecuencia de 5.8GHz, el panel tendrá forma rectangular y con el fin de utilizar materiales que están disponibles en nuestro medio, se utilizará baquelita de doble lado, FR4, constituida por dos paneles conductores de cobre y el substrato con una constante dieléctrica \epsilon_{r} =4.5.

Forma básica

Los elementos básicos de una antena panel rectangular de microcinta, se muestran en la Fig. 7.2.1. La cinta conductora de la parte superior (panel de radiación) de dimensiones LxW, se encuentra sobre el substrato dieléctrico con constante de dieléctrico \epsilon_{r} y esperor h, y en la parte inferior del substrato la cinta conductora (plano tierra).

antena-panel-2Fig. 7.2.1. Geometría básica de una antena panel rectangular. [11].

Para realizar la conexión del punto de alimentación al cable coaxial, se debe utilizar un conector tal como se muestra en la Fig. 7.2.2, el conductor interior del conector coaxial se extiende a través del dieléctrico y es soldado al panel de radiación de la antena anteriormente seleccionado, mientras que el conector exterior de cable coaxial está conectado con el plano tierra.

antena-panel-3Fig. 7.2.2. Alimentación de antena panel de microcinta [11].

Cuando la antena es excitada por la alimentación, la distribución de cargas se efectúa entre el panel de radiación y el plano tierra, en un instante de tiempo bajo el panel de radiación se concentra la carga positiva y sobre el plano tierra la carga negativa. La atracción de fuerzas entre éstas se establece, tendiendo a llevar una gran cantidad de carga entre ambas superficies. Sin embargo, la fuerza de repulsión de las cargas positivas, presiona a las cargas hacia los bordes, dando como resultado una densidad de carga en los bordes. Estas cargas son la fuente de campos del borde y la radiación asociada.

El ancho del panel de radiación (W) tiene poco efecto en la frecuencia de resonancia y el diagrama de radiación de la antena. Un gran ancho del panel incrementa la potencia de radiación, por tanto decrece la resistencia de resonancia, incrementa el ancho de banda e incrementa la eficiencia de radiación. El ancho del panel debería ser seleccionado para obtener una buena eficiencia de radiación si lo requerimientos de estado real o los lóbulos no son factores primordiales. Esto sugiere que 1<W/L<2 [11].

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

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antena-panel-1

Fig. 7.1. Microcinta dispuesta como una antena panel [11].

Los paneles rectangulares son probablemente los más utilizados debido a su geometría rectangular, éstos tienen un ancho de banda más grande comparados con las demás geometrías. Las circulares y elípticas son más complejas de analizar debido a su geometría. Las triangulares por tener una forma asimétrica producen una polarización cruzada. Mientras que las anillo no son tan fáciles de excitar a modos de orden bajo y obtener una buena impedancia de acople para resonancia. [11].

Existen muchas ventajas de las antenas panel con respecto a las antenas de microondas convencionales:

  • Peso ligero.
  • Bajo costo de fabricación.
  • Con una simple alimentación son posibles las polarizaciones lineal y circular.
  • Es posible realizar antenas con doble polarización y doble frecuencia.
  • No requiere cavidad de respaldo.
  • Puede ser fácilmente integrada con circuitos integrados para microondas.
  • El punto de alimentación y las redes de acoplamiento pueden ser fabricadas simultáneamente con la estructura de la antena.

Pero así como tienen muchos puntos a favor, también los tienen en contra, estas antenas tienen una relativamente baja ganancia, ancho de banda estrecho, y la sensibilidad a errores en la fabricación. [11].

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

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Tabla de contenido de Microcinta: Parche Circular

  1. Microcinta Parche Circular: Introducción
  2. Microcinta Parche Circular: Análisis
  3. Microcinta Parche Circular: Diseño
  4. Microcinta Parche Circular: Ejemplo de Diseño

Luego de la revisión de los conceptos básicos en los post anteriores pertenecientes a esta serie ,respecto a las antenas microcinta de parche circular, se culminará exponiendo un ejemplo de diseño en base a los pasos establecidos en el post teórico sobre diseño. El problema es el siguiente:

Diseñe una antena microcinta circular usando con dieléctrico constante de 2.2, h=0.1588 cm. y una frecuencia de resonancia de 10 Ghz.

SOLUCIÓN:

Usando la Ecuación 6:

F = \dfrac{8.791 \times 10^{9} }{10 \ast 10^{9} \sqrt{2.2}} = 0.593

A continuación, usando la Ecuación 5:

a = \dfrac{F}{\left\lbrace 1 + \dfrac{2 h}{\pi \epsilon_{r} F} \left[ \ln \left( \dfrac{\pi F}{2 h} \right)+ 1,7726 \right] \right\rbrace ^{\frac{1}{2}}} = 0.525 cm

Al igual que en el parche rectangular, es necesario calcular las dimensiones del plano de tierra, para concluir el diseño. Por lo tanto, de igual manera consideramos que el plano tierra es seis veces más grande que las dimensiones del parche. Para el ejemplo, las dimensión será entonces:

A_{g} \approx 6 h + a \approx 6 \left( 0.1588\right) + 0.525 \approx 1.14778 cm

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Tabla de contenido de Microcinta: Parche Circular

  1. Microcinta Parche Circular: Introducción
  2. Microcinta Parche Circular: Análisis
  3. Microcinta Parche Circular: Diseño
  4. Microcinta Parche Circular: Ejemplo de Diseño

Basado en la formulación del modelo de cavidad, se puede establecer los pasos a seguir para diseñar una antena microcinta de parche circular para el modo dominante T_{110}^{z}. Para esto se debe asumir que la información de las especificaciones iniciales incluye la constante dieléctrica del substrato (\epsilon _{r}), la frecuencia de resonancia (f _{r}) y la altura del substrato h. El procedimiento es el siguiente:

Especifique:

\epsilon _{r}, f _{r} (en Hz), y h (en cm)

Determine: El radio actual a del parche.

Proceda a Diseñar: En primera instancia, para aproximarse a la solución de la ecuación 3 del post anterior, debemos encontrar a_{e} usando la ecuación 4 y substituyendo este valor dentro de la ecuación 3, hallando de esta manera a por medio de una función logarítmica. Es decir que a es igual:

a = \dfrac{F}{\left\lbrace 1 + \dfrac{2 h}{\pi \epsilon_{r} F} \left[ \ln \left( \dfrac{\pi F}{2 h} \right)+ 1,7726 \right] \right\rbrace ^{\frac{1}{2}}} \qquad ec (5)

Donde:

F = \dfrac{8.791 \times 10^{9} }{f_{r} \sqrt{\epsilon_{r}}} \qquad ec (6)

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Tabla de contenido de Microcinta: Parche Circular

  1. Microcinta Parche Circular: Introducción
  2. Microcinta Parche Circular: Análisis
  3. Microcinta Parche Circular: Diseño
  4. Microcinta Parche Circular: Ejemplo de Diseño

Frecuencia de Resonancia

La frecuencia de resonancia de la cavidad, considerando que las antenas típicas microcinta presentan un substrato de altura h bastante pequeña (típicamente h< 0.05 \lambda_{0}), para las cuales el campo a lo largo de z es esencialmente constante, está determinado por la fórmula siguiente, para el modo TM_{mn0}^{z}:

\left(f_{r} \right)_{mn0} = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{\mu \epsilon}}\left(\dfrac{\chi_{mn}}{a} \right) \qquad ec. (1)

Donde \chi_{mn} representa los ceros de la derivada de la función de Bessel J_{m}(x) y determina el orden de la frecuencia de resonancia. Los primeros cuatro valores de \chi_{mn} en orden ascendente, son:

\chi_{11} =1.8412

\chi_{21} = 3.0542

\chi_{01} = 3.8318

\chi_{31} = 4.2012

Basado en esto, los primeros cuatro modos, en orden ascendente, son TM_{110}^{z}, TM_{210}^{z}, TM_{010}^{z}, TM_{310}^{z}. El modo dominante es el TM_{110}^{z} y para este, la frecuencia de resonancia se determina por:

\left(f_{r} \right)_{110} = \dfrac{1.8412}{2 \pi a \sqrt{\mu \epsilon}}\left(\dfrac{1.8412 v_{0}}{2 \pi a \sqrt{\epsilon_{r}}} \right) \qquad ec. (2)

Donde v_{0} representa la velocidad de la luz en el espacio libre.

Al igual que sucedió con el parche rectangular, en esta ocasión el parche también se ve eléctricamente más largo y esto se calcula al introducir un factor de corrección conocido como radio efectivo  a_{e} el cual remplaza el actual radio, y está dado por:

a_{e} = a \left\lbrace 1 + \dfrac{2h}{\pi a \epsilon_{r}} \left[ \ln \left( \dfrac{\pi a}{2h} \right) + 1.7726 \right] \right\rbrace ^{\frac{1}{2}} \qquad ec. (3)

Por lo tanto, la frecuencia de resonancia especificada en la ecuación 2 para el modo dominante TM_{110}^{z} debería ser modificada usando la expresión de la ecuación 3 obteniendo:

\left(f_{r} \right)_{110} = \dfrac{1.8412 v_{0}}{2 \pi a_{e} \sqrt{\epsilon_{r}}} \qquad ec. (4)

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