Download Que son las Microcintas?
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Tabla de contenido de Microcinta: Parche Rectangular 1. 2. 3. 4. 5. 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 1. 2. 3. 4. 5. 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.