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Arreglo Lineal de Antenas
Diseño y Validación
Reunion RAPEAS
2014
Juan Pablo Ciafardini
Ezequiel García
Guillermo Rodriguez
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Arreglo Lineal de Antenas
Diseño y Validación
Proyecto:
Investigación, desarrollo y construcción de arreglos de
antenas con haces orientables electrónicamente para su
aplicación en Radares de Dispersión Incoherente
Objetivo año 2013: Arreglo lineal de 4 antenas con haz controlable.
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Arreglos de Antenas
Diagrama de Radiación
F (θ , φ ) = Fant (θ , φ )× FARR (θ , φ )
Simulación de un Panel 4x8
El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la
interferencia de los campos radiados por cada una de las
antenas.
Para lograr diagramas muy directivos, es necesario que los
campos interfieran constructivamente en las direcciones
deseadas y destructivamente en el espacio restante.
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Arreglos de Antenas
Apuntamiento del haz irradiado
∆α x =
∆α y =
360° × d x × senθ × cos ϕ
λ
360° × d y × senθ y × senϕ
λ
= Fase progresiva en x
= Fase progresiva en y
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Arreglos de Antenas
θ = 0, ϕ = 0
θ = −30, ϕ = 0
θ = −45, ϕ = 0
θ = −60, ϕ = 0
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Arreglos de Antenas
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Antena Elemental del Arreglo
Requerimientos de la Antena Elemental del Arreglo
•
Frecuencia central de Trabajo: 432 MHz.
•
Impedancia constante en un ancho de banda de 4 MHz (± 2 MHz alrededor
de la frecuencia central).
•
Diagrama de Irradiación Simétrico.
•
Alto Rechazo de polarización cruzada en la dirección de máxima intensidad
de radiación.
•
Polarización Circular con inversión de sentido para TX y RX.
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Antenas analizadas en 2012
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Antena Elemental del Arreglo
Antena desarrollada en 2012: Dipolos Cruzados Impresos en un sustrato de FR4
sobre un Plano de Tierra Metálico
FR4
Ventajas :
•
•
•
Plano de Tierra
Buena Ganancia en la dirección de máxima
intensidad de radiación (6dBi).
Muy Buen diagrama de radiación.
Fácil de construir y materiales de bajo costo.
Desventajas :
•
•
•
Rechazo de polarización en la dirección de
máx. int. de radiación escaso (~11 dB).
Requiere
BALUN
y
adaptación
de
impedancia (Zin = 103,4 + j 65,2 Ω).
Se desperdicia mucha superficie cobreada
en la placa de FR4.
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Antena Elemental del Arreglo
Alternativa: Antena tipo Ranura (Slot Antenna)
Zs =
Zs =
Ref.: ”Antennas”, John D. Kraus – Mc Graw – Hill, 1950
35,476
Rd + jX d
35,476
(Rd − jX d )
2
2
Rd + X d
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Antena Elemental del Arreglo
Antena Ranuras Cruzadas
Ey0
Ex 0
r
r
r jα
E = Ex 0 x + E y 0 y e
Para obtener polarización circular de la onda
electromagnética transmitida se disponen dos
ranuras ortogonalmente alimentadas con corrientes
de igual amplitud paro desfasadas temporalmente un
ángulo de 90°
Polarización Circular:
Ex 0 = E y 0 ≠ 0, α = 90°
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Antena Elemental del Arreglo
Antena Ranuras Cruzadas FR4 - Simulación y Optimización
FR4
Plano de Tierra
Modelo Simulado
Patrón de Radiación 2D obtenido de la simulación
• Mediante simulaciones por software se optimizaron el
ancho y el largo de las ranuras para obtener impedancia de
entrada de 50+j0 Ω
• Se optimizó la altura de la antena sobre el plano de tierra de
manera de maximizar el rechazo de polarización cruzada.
Patrón de Radiación 3D
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Antena Elemental del Arreglo
Antena Ranuras Cruzadas FR4 - Validación
Patrón de Radiación 2D obtenido de la medición
• Se observa una alta correlación entre los diagramas de
radiación simulado y medido.
• Se destaca el alto rechazo a la polarización cruzada
obtenido: >20dB en un ángulo de ± 22°° con respecto a la
dirección de máxima intensidad de radiación.
Prototipo de la antena en la torre de
medición
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Antena Elemental del Arreglo
Antena Ranuras Cruzadas FR4 - Validación
COEFICIENTE DE REFLEXIÓN
Medición de Relación de Ondas Estacionarias
• Valores deseables de ROE: <2 en el ancho de banda de
trabajo de la antena.
• A la frecuencia central de trabajo (432 MHz) el valor medido
de ROE es de 1.33 para un puerto y 1.39 para el otro.
• El valor de ROE es <2 entre las frecuencias de 410 MHz
hasta 450 MHz.
Γ=
Vr
Vi
Γ =
ZA − Zg
ZA + Zg
RELACIÓN DE ONDAS ESTACIONARIAS
ROE =
1+ Γ
1− Γ
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Antena Elemental del Arreglo
Antena Ranuras Cruzadas FR4 – Características Principales
Ventajas :
•
•
•
•
•
•
Muy buena Ganancia en la dirección de máxima
intensidad de radiación (8dBi).
Muy Buen diagrama de radiación.
Excelente rechazo de polarización cruzada en la
dirección de máx. int. de radiación ( >20 dB).
Ángulo de potencia mitad de 85°.
No requiere BALUN ni adaptación de impedancia
(Zin ~ 50 + j 0 Ω).
Fácil de construir y materiales de bajo costo.
Desventajas :
Alimentación de la Antena Ranuras
Cruzadas. Los coaxiles de alimentación se
conectan directamente a las ranuras.
No requiere BALUN ni adaptadores de
impedancia.
•
Al ser una antena de longitud de onda completa
(Full Wave Slot), es físicamente mas grande que la
antena Dipolos Cruzados Impresos en FR4 (~30%).
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Antena Elemental del Arreglo
Antena Ranuras Cruzadas en Lámina Metálica
Antena Ranuras Cruzadas en Lámina
Metálica
Basado en el éxito obtenido con la antena Ranuras Cruzadas
en sustrato FR4 se diseñó una antena similar en una lámina
metálica, resultando un diseño mas robusto.
La antena obtenida presentó un desempeño semejante a la
antena en sustrato FR4
Prototipo de la antena en la torre de
medición
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Arreglo lineal de Antenas
Arreglo lineal de 4 antenas Ranuras Cruzadas en Lámina Metálica - Simulación y
Optimización
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Arreglo lineal de Antenas
Arreglo lineal de 4 antenas Ranuras Cruzadas en Lámina Metálica - Simulación y
Optimización
0°
10°
20°
30°
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Arreglo lineal de Antenas
Arreglo lineal de 4 antenas Ranuras Cruzadas en Lámina Metálica - Validación
Prototipo del Arreglo Lineal de 4 Antenas
Ranuras Cruzadas en lámina metálica.
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Diseño y Validación
CONCLUSIONES
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¡MUCHAS
GRACIAS!
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