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Arreglo Lineal de Antenas Diseño y Validación Reunion RAPEAS 2014 Juan Pablo Ciafardini Ezequiel García Guillermo Rodriguez 1 de 19 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. 2 de 19 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. 3 de 19 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 4 de 19 Arreglos de Antenas θ = 0, ϕ = 0 θ = −30, ϕ = 0 θ = −45, ϕ = 0 θ = −60, ϕ = 0 5 de 19 Arreglos de Antenas 6 de 19 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. 7 de 19 Antenas analizadas en 2012 8 de 19 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. 9 de 19 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 10 de 19 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° 11 de 19 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 12 de 19 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 13 de 19 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 14 de 19 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%). 15 de 19 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 16 de 19 Arreglo lineal de Antenas Arreglo lineal de 4 antenas Ranuras Cruzadas en Lámina Metálica - Simulación y Optimización 17 de 19 Arreglo lineal de Antenas Arreglo lineal de 4 antenas Ranuras Cruzadas en Lámina Metálica - Simulación y Optimización 0° 10° 20° 30° 18 de 19 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. 19 de 19 Arreglo Lineal de Antenas Diseño y Validación CONCLUSIONES 20 de 19 ¡MUCHAS GRACIAS! 21 de 19