Download Que son las Microcintas?

Tabla de contenido de Microcinta: Parche Rectangular
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Microcinta Parche Rectangular: Análisis [Parte I]
Microcinta Parche Rectangular: Análisis [Parte II]
Microcinta Parche Rectangular: Diseño
Microcinta Parche Rectangular: Ejemplo de Diseño
Microcinta Parche Rectangular: Simulación
El parche rectangular es la configuración más utilizada. Esta es fácil de analizar, ya sea,
usando el modelo de línea de transmisión o el de cavidades, estos son más precisos para
substratos finos. A continuación se presenta el análisis y el diseño de un parche
rectangular a través del modelo de línea de transmisión.
Modelo de Línea de Transmisión
Como ya se mencionó en post anteriores, el modelo de línea de transmisión es el más
fácil de todos, pero esto devenga, así mismo, menor precisión en los resultados y falta
de versatilidad. Básicamente la línea de transmisión representa a una antena microcinta
por dos ranuras, separadas por una impedancia baja Zc, para una línea de transmisión de
longitud L.
1.-Efectos de los Bordes (Fringing Effects)
Debido a que la dimensión del parche es finita a lo largo de la longitud y el ancho, se
presenta el efecto de los bordes en las esquinas del parche. Esto se ilustra a lo largo de
la longitud en la Figura 1 (a,b) para las dos ranuras radiantes de la antena microcinta.
Algo similar sucede a lo largo del ancho. La cantidad de fringing es una función de la
dimensión del parche y de la altura del substrato. Para el plano principal E (plano-xy)
fringing es una función de la proporción de la longitud del parche L y la altura h del
substrato (L/h) y la constante dieléctrica del substrato. Desde que L/h >> 1, el
fringing es reducido; sin embargo, este es un valor importante a considerar debido a su
influencia en la frecuencia de resonancia de la antena. Similares consideraciones
aparecen al considerar el ancho.
Figura 1. Línea microcinta, líneas de campo eléctrico y geometría efectiva de la
constante dieléctrica.
Para una línea microcinta como la mostrada en la Figura 1(a), las líneas de campo
eléctrico típicas se evidencian en la Figura 1(b). Esta es una línea no homogénea de dos
dieléctricos; típicamente el substrato y el aire. Como se puede apreciar, muchas de las
líneas de campo eléctrico residen en el substrato y otras partes de las mismas en el aire.
Como W/h >> 1 y >> 1, las líneas de campo eléctrico se concentran más en el
substrato. El fringing en este caso hace que la línea microcinta se mire con un ancho
eléctrico comparado a las dimensiones físicas. Algunas de las ondas viajan en el
substrato y algunas en el aire. Una constante dieléctrica efectiva
es introducida
para contabilizar el fringing y la onda de propagación en la línea.
Para introducir la constante dieléctrica efectiva, se debe asumir que el centro del
conductor de la línea microcinta con las dimensiones originales y el peso por encima del
plano de tierra es incrustado dentro de un dieléctrico. Como se muestra en Figura 1(c).
La constante dieléctrica efectiva se define entonces como; la constante dieléctrica de el
material dieléctrico uniforme que encierra a la línea de la Figura 1(c) el cual tiene
idénticas características eléctricas y constante de propagación particular, respecto a la
actual línea de la Figura 1a). Para una línea con aire por encima del substrato, la
constante dieléctrica efectiva tiene un valor en el rango de 1 <
< . Para las
aplicaciones donde la constante dieléctrica del substrato es mucho más grande que la
unidad ( >> 1), el valor de
puede ser cercana al valor de la constante dieléctrica
actual del substrato. La constante dieléctrica efectiva es también una función de la
frecuencia. Como la frecuencia de operación incrementa, cuando existen mayor
cantidad de líneas de campo concentradas en el substrato. Por lo tanto, la línea
microcinta se comporta como una línea homogénea de un dieléctrico (únicamente el
substrato), y la constante dieléctrica efectiva aproximadamente asume el valor de la
constante dieléctrica del substrato. Variaciones típicas como una función de la
frecuencia, de la constante dieléctrica para una línea microcinta con tres substratos se
presenta en la Figura 2.
Figura 2. Constante dieléctrica efectiva versus frecuencia para substratos típicos
Para frecuencias bajas la constante dieléctrica efectiva es en esencia constante. En
frecuencias intermedias este valor empieza un incremento paulatino hasta asumir un
valor aproximadamente similar al de la constante dieléctrica del substrato. El valor
inicial (a bajas frecuencias) de la constante dieléctrica es conocido como valor estático y
se calcula como sigue (para W/h > 1):
Tabla de contenido de Microcinta: Parche Rectangular
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Microcinta Parche Rectangular: Análisis [Parte I]
Microcinta Parche Rectangular: Análisis [Parte II]
Microcinta Parche Rectangular: Diseño
Microcinta Parche Rectangular: Ejemplo de Diseño
Microcinta Parche Rectangular: Simulación
2.- Longitud Efectiva, Frecuencia de Resonancia y Ancho Efectivo
Figura 3. Longitud física y efectiva de un parche
de una microcinta
1.- Especificaciones de Diseño:
Figura 1. Vista superior de Antena Parche
Microcinta
Como ya se mencionó anteriormente, son tres los parámetros primarios para el diseño
de una antena microcinta con parche rectangular y estos son Frecuencia de operación
( ): La frecuencia de operación de la antena debe ser seleccionada apropiadamente.
Para el presente ejemplo la frecuencia de resonancia elegida es 2.4GHz
Constante dieléctrica ( ): Para el ejemplo
=4.7.
La altura del sustrato dieléctrico (h): Para las aplicaciones como Internet inalámbrico, es
necesario que la antena no ocupe mucho espacio. Por lo tanto, la altura del sustrato
dieléctrico seleccionado es 0.15cm.
Entonces, los parámetros para el ejemplo a desarrollar son:
= 2.4Ghz
= 4,7.
h = 0.15cm
2.-Desarrollo:
Usando las ecuaciones dadas en el post anterior, vamos a obtener cada uno de los
parámetros:
Así pues, el ancho W del parche es:
La constante dieléctrica efectiva del parche viene determinada por:
El incremento en la longitud del parche
siguiente:
se encuentra utilizando la ecuación
Hallamos la longitud efectiva, a través de:
Por lo tanto la longitud actual del parche es:
L = 2.99 – 2*0.074 = 2.842cm
A continuación para concluir el cálculo de las dimensiones necesarias para completar el
diseño de la antena microcinta de parche rectangular, es necesario calcular las
dimensiones del plano tierra ( y
). Esto debido a que en la práctica es esencial
tener un plano finito. Esto se lo demuestra por [2], que presenta resultados similares que
el plano infinito o finito que se lo obtiene si las dimensiones del plano tierra es seis
veces más grande que las dimensiones del parche. Para el diseño, las dimensiones del
plano tierra están dadas por:
6h + L
6 (1.5) + 28.42
6h + W 6 (1.5) + 37.02
37.42mm
46.02mm
Con los datos obtenidos, se procede a evaluar el diseño realizando una simulación de la
antena obtenida, en la herramienta Microware Office. La versión del software es la 5. Si
usted cuenta con otra versión puede variar algunas de las instrucciones que a
continuación se exponen.
En primera instancia, para ingresar los datos de las dimensiones y las características del
dieléctrico, cree una nueva estructura EM, ya sea utilizando la barra de herramientas o a
través de Project/add EM structure/new EM structure. Ingrese el nombre que desea a la
estructura.
A continuación para ingresar las dimensiones, doble clic en Enclosure, opción que puede
encontrar en la barra de herramientas o en el navegador de proyectos luego de expandir EM
structures y su nueva estructura. O si prefiere por Structure/Enclosure.
Ya en la ventana Substrate Information (Figura 1) ingrese los datos de las diferentes
ventanas según las figuras 1, 2, y 3.
Cabe recordar que por lo general la primera capa se la establece como aire por ende la
constante dieléctrica es =1.
Figura 1. Ingreso de datos, pestaña Enclosure
Figura 2. Ingreso de datos, pestaña Dielectric Layers
Figura 3. Ingreso de datos, pestaña Boundaries
Siguiendo con la introducción de los datos, se traza en la capa del dieléctrico el Patch
conductor y la alimentación. Para lo cual escoja el conductor rectangular (rect conductor) de la
barra de herramientas o a través de Draw/Add rect conductor y dibuje un rectángulo de
dimensiones LxW. A continuación introduzca el punto de alimentación por medio de
Draw/Add Via Port. Luego de esto usted debe apreciar algo similar a la figura 2.
Figura 4. Introducción del parche conductor y el punto de alimentación.
Una vista 3D de la antena se presenta a continuación:
A partir de aquí se introduce los datos necesarios para la presentación de los resultados.
Primero, usted puede establecer a su conveniencia el rango de frecuencia en el cual va a
realizar el análisis. Para lo cual ingrese a través de Structure/Frecuency a la ventana option.
Para modificar los rangos por defecto deseleccione la opción Use Project frecuency y
establezca los rangos en el cuadro Modify Range. Para este ejemplo los rangos son los
mostrados en la figura 6.
Figura 6. Rangos de frecuencia.
Como siguiente paso, defina las gráficas que desea apreciar como resultado de su
simulación. Las opciones no son pocas. Para este ejemplo se realizarán tres gráficas.
a.- Gráfica pérdidas de retorno vs frecuencia.
En la barra de herramientas, haga clic en Add Graph o través de Project/Add Graph.
Modifique el nombre si o cree conveniente, y escoja el tipo de gráfica rectangular. En la
barra de herramientas, Add Measurement y seleccione las opciones respectivas según se
indica en la gráfica siguiente. No olvide la Data Source adecuada y seleccionar la
opción dB en el Result Type.
Figura 7. Add Measurement
b.- Gráfica de polarización
Agregue una nueva gráfica de acuerdo al paso anterior. Esta vez escoja el tipo antena
plot. Incluya las dos medidas que se muestra en las gráficas siguientes. Ingréselas a
través de apply.
Figura 8
Figura 9
c.- Gráfica de Potencia
Agregue una nueva gráfica de tipo antena plot. E ingrese los siguientes datos de
medida.
Figura 10
Para obtener los resultados finales, haga clic en analizar.
Los resultados obtenidos se presentan a continuación:
Figura 11. Pérdidas por Retorno vs Frecuencia
La gráfica de RL vs. Frecuencia nos indica que para la frecuencia seleccionada, existe el
menor valor de perdidas por retorno.
Este valor ayuda a calcular el ancho de banda de operación de la antena, así como el
punto de alimentación.
Figura 12. Polarización
Donde:

Línea azul representa, Polarización circular a derechas (RHCP): Esta polarización es una
combinación lineal de y
, de la siguiente manera:
Vmáx = -0.1 dB, Ang = 0 grados

Línea marrón representa, Polarización circular a izquierdas (LHCP): Esta polarización es
una combinación lineal de y
,de la siguiente manera:
Vmáx = 4.6 dB ,Ang = 0 grados
Figura 13. Potencia
Potencia Total (TPwr): Es una medida muy útil, representa el total de potencia
disponible, sin importar la polarización, y es obtenida mediante la suma de las
potencias de y . Esta medida es real y no tiene una fase asociada con este
Vmáx = 5.59dB, Ang = 0 grados
Nota: Las gráficas también pueden ser agregadas luego de realizar el análisis.
Por último, también se presentarán los diagramas de radiación con barrido tanto en
phi como en theta, como se muestra en la siguiente gráfica.
Figura 14. Diagramas de radiación
Referencias:
[1] Cristian Landacay, Luis Moreno. “Análisis, Simulación y Diseño de Antena Patch
Microchip para la Frecuencia de 2,4 GHz”. Universidad Técnica Particular de Loja.