Fralbe’s Blog

Existen diversos métodos de análisis para una antena tipo microcinta, sea cual sea la forma del parche. Entre los más conocidos están:

• Modelo de línea de transmisión
• Modelo de cavidades resonantes
• Full-wave
• Método de diferencias finitas
• Método de elementos finitos
• Método de ecuaciones integrales
• Dominio natural
• Dominio espectral

El modelo de línea de transmisión el más fácil de todos, este da una buena visión física, pero es menos exacto y presenta un modelo de acoplamiento más difícil.  Comparando el modelo de línea de transmisión con el modelo de cavidades, este último, es más exacto pero de igual manera es más complejo, sin embargo, este también da una buena perspectiva física y el modelo de acoplamiento es también difícil, aunque este es utilizado generalmente con éxito. En general cuando se aplica las propiedades, el modelo full-wave es más exacto, muy versátil, y con él se pueden analizar elementos únicos, arreglos finitos e infinitos, elementos apilados, elementos de formas arbitrarias, y acoplamientos. No obstante es un modelo más complejo y usualmente da menos perspectiva física del problema.

1.-Modelo de línea de transmisión

La radiación se hace presente en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura (Figura 1), especialmente si su tamaño es comparable a la longitud de onda. No obstante el efecto de bordes se manifiesta en el contorno de la estructura y depende del grosor y la permitividad del dieléctrico.

Figura 1. Modelo de línea de transmisión.

El parche equivale a dos ranuras de dimensiones W × ΔL (ver Figura 1). La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase, donde. L = λ/2. La radiación existente en los flancos laterales del parche se cancela entre sí. El circuito equivalente es una línea de transmisión de longitud L, con dos impedancias que simulan las pérdidas de radiación y la capacidad de la discontinuidad y el circuito abierto (Figura 2).

Figura 2. Circuito equivalente de la línea de transmisión.

El modelo de línea de transmisión permite hacer el estudio de antenas microcinta de forma rectangular. Si se desea el análisis de otra forma de parche, es necesario tomar otro modelo, por ejemplo el modelo de cavidades resonantes.

2.- Modelo de Cavidades Resonantes

Las antenas microcinta se comportan como cavidades resonantes. En el interior se producen ondas estacionarias entre las paredes eléctricas y magnéticas (Figura 3).

Figura 3. Modelo de cavidades resonantes

Para analizar los campos en el interior de la cavidad hay que resolver la ecuación de onda, sujeta a las condiciones de contorno de los campos tangenciales (Figura 4).

El parche admite varias distribuciones de campo (modos) de acuerdo con las soluciones de la ecuación de onda homogénea (Ecuación 1)

La solución de la ecuación diferencial es (Ecuación 2):

Figura 4. Condiciones de frontera

Donde la frecuencia de resonancia depende del modo como se ve en la (Ecuación 3).

La antena tiene un comportamiento similar a un circuito resonante con pérdidas (Figura 5)

Figura 5. Modelo de circuito resonante con pérdidas

A la frecuencia de resonancia la potencia se consume en la resistencia de radiación.

A menudo las antenas de microcinta son también conocidas como antenas patch o parche. Los elementos de radiación y las líneas de alimentación son usualmente fotograbados en el elemento substrato dieléctrico. El parche de radiación puede ser cuadrado, rectangular, una cinta delgada o dipolo, circular, elíptica, triangular o cualquier otra configuración. Algunas de estas se muestran en la Figura 1. En la actualidad también es frecuente ver antenas microcinta diseñadas con formas fractales como las presentadas en la Figura 2. En la Figura 3 se muestra algunas antenas microcinta reales.

Figura 1. Representación de figuras de elementos parche de una microcinta

Cuadrados, rectángulos, dipolos y círculos son los más comunes porque son más fáciles de fabricar y analizar, y además presentan atractivas características de radiación, especialmente bajo radiación de polarización cruzada. Los dipolos microcinta son atractivos porque estos inherentemente poseen un largo ancho de banda y ocupan menos espacio, siendo por esto, más atractivos para arreglos. Las polarizaciones lineal y circular se pueden lograr ya sea con elementos únicos o arreglos de antenas microcinta. Los arreglos de elementos de microcinta, con una o múltiples alimentaciones, pueden también ser usadas para introducir capacidades de análisis y lograr buena directividad.

Figura 2. Antena microcinta con forma fractal

Figura 3. Antenas microcinta reales.

Referencias:

[1] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, Second Edition

[2] Imágenes de la web

Las antenas de microcinta reciben considerable atención a partir de los 70, aunque la idea en sí, de la antena de microcinta puede ser localizada en 1953 y fue patentada en 1955. Una antena de microcinta puede observarse en la Figura 1, la cual consiste de una muy delgada (t << λ0 donde λ0 es la longitud de onda en el espacio libre) cinta metálica (parche) situada en una pequeña fracción de una longitud de onda (h <<  λ0, usualmente 0.003 λ0 ≤ h ≤ 0.05 λ0) encima de un plano de tierra. El parche de la antena microcinta es diseñado para obtener un patrón de radiación máximo normal al parche (broadside radiator). Esto se puede lograr a través de una apropiada selección del modo (configuración del campo) de excitación debajo del parche. Para un parche rectangular, la longitud L de el elemento es usualmente λ0/3 < L <  λ0/2. La cinta (parche) y el plano a tierra son separados por una lámina de material dieléctrico (referido como un substrato), como se puede ver en la Figura 1(a).

Figura 1. Antena microcinta y sistema de coordenadas

Existen numerosos materiales substrato que pueden ser usados para el diseño de antenas de microcinta, y estas constantes dieléctricas usualmente se encuentran en el rango de 2.2 ≤ εr ≤ 12. Los primeros son más deseables para el buen desempeño de la antena, ya que los substratos cuyas constantes dieléctricas se encuentran en lo más bajo del rango proporcionan mejor eficiencia, un largo ancho de banda, escasos límites de campo dentro del espacio de radiación pero a su vez representa un alto costo por elementos de largo tamaño. Substratos delgados con alto valor de constante dieléctrica son deseables para circuitería de microondas, porque ellos requieren firmes límites de campo para minimizar la no detección de radiación y acoplamiento, y conseguir de paso, reducción en el tamaño de los elementos; sin embargo, como producen gran pérdida, son menos eficientes y tienen relativamente menor ancho de banda. Desde luego, las antenas de microcinta frecuentemente están integradas con otras circuiterías de microondas, y por ende se debe considerar al momento del diseño, tanto el buen rendimiento de la antena como el diseño del circuito.

Referencias:

[1] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, Second Edition

En las últimas décadas ha venido surgiendo un alto desarrollo de la tecnología en diversos medios y por consiguiente, en el mundo de las telecomunicaciones, con una tendencia muy marcada en busca de la miniaturización y a su vez de un alto rendimiento de los equipos diseñados para los diferentes fines. Así por ejemplo, es posible considerar el alto desempeño acerca de las telecomunicaciones, exigido en la empresa aeronáutica, en las naves espaciales, las diversas aplicaciones en satélites y mísiles; donde el tamaño, el peso, el costo, el rendimiento, la facilidad de instalación y el contorno aerodinámico son parámetros de suma importancia al momento de elegir los diferentes equipos para las comunicaciones, entre ellos, al cual nos referiremos, las antenas. Y es en estos medios donde antenas de bajo contorno, como las de microcinta, pueden ser requeridas. Aunque en la actualidad existen muchos más lugares donde es posible encontrar las antenas de microcinta como en aplicaciones gubernamentales y comerciales, tales como los radios móviles y las comunicaciones inalámbricas, que tienen similares especificaciones. Estas antenas de bajo contorno, conformadas de superficies que pueden ser o no planas, simples y de fabricación barata; usan modernas tecnologías de impresión de circuitos, mecánicamente robustas cuando se montan en superficies rígidas, compatibles con diseños MMIC, y donde la forma particular y el modo son seleccionados de forma versátil en términos de la frecuencia de resonancia, la polarización, el patrón de radiación y la impedancia. Adicionalmente, puede agregarse cargas entre las figuras y los planos de tierra, tal como pins y diodos varactor, elementos adaptativos con variable: frecuencia de resonancia, impedancia, polarización y patrón pueden ser diseñados.

Las mayores desventajas operacionales de las antenas de microcinta son la baja frecuencia, la baja potencia y un alto Q (algunas veces excede de 100), pobre pureza de polarización, pobre desempeño del análisis, radiación de espurios en la alimentación y un angosto ancho de banda de frecuencia, el cual generalmente es únicamente una fracción de un tanto por ciento o en la mayoría de unos pocos tantos por ciento. En algunas aplicaciones tales como en los sistemas de seguridad gubernamentales, la mayoría de anchos de banda son deseables. Sin embargo, existen métodos, que pueden incrementar la altura del sustrato, y pueden ser usados para extender la eficiencia (tanto como el 90 por ciento si las ondas superficiales no son incluidas) y el ancho de banda (alrededor del 35 por ciento). Sin embargo, con los incrementos en la altura, las ondas superficiales son introducidas cuando usualmente no son deseables porque ellas extraen la potencia del total disponible por la radiación directa (ondas espaciales). Las ondas superficiales viajan sin el substrato y ellas son dispersadas en las curvaturas y las discontinuidades de la superficie, tales como la truncación del dieléctrico y el plano de tierra, y degradando el patrón de la antena las características de polarización. Las ondas superficiales pueden ser eliminadas, manteniendo un largo ancho de banda mediante el uso de cavidades. La agrupación de elementos de microcinta, es también otro buen método que puede ser usado para incrementar el ancho de banda.

A continuación se resumen las ventajas y desventajas de las antenas microcinta.

Ventajas [2]:

• Son livianas y ocupan poco volumen.
• Perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies.
• Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie.
• Soporta tanto polarización lineal como polarización circular.
• Fácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MICs).
• Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias.
• Son mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas.

Desventajas [2]:

• Son de pequeño ancho de banda.
• Baja ganancia.
• Limitada potencia.
• BAja pureza de polarización.
• Además, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas.

Referencias:

[1] Constantine A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, Second Edition

[2] Vielma, “Introducción a las Antenas”, Abril 2005. págs.: 35-45.