Laboratorio de Trasmisores y Antenas, Escuela de Electrónica

Diseño, optimización e implementación de una antena patch, que resuene a una frecuencia de 2.4 GHz alimentada con un adaptador de λ/4.

Eduardo Castillo López, Jorge García Bustos.

Laboratorio de Trasmisores y Antenas, Escuela de Electrónica

UTEM

INTRODUCIÓN

Este artículo se desarrolla en el contexto del curso transmisores y antenas de la carrera ingeniería civil electrónica en la universidad tecnológica metropolitana. El proyecto se basa principalmente en el diseño, optimización e implementación de una antena patch, particularmente una antena patch que resuene a una frecuencia f_0 de 2.4 GHz alimentada con un adaptador de λ/4. El diseño de la antena se hará utilizando las ecuaciones de diseño aproximadas dadas en (Balanis, 2005) y optimizando luego mediante la utilización del simulador Quite Universal Circuit Simulator Studio (QucsStudio) y del simulador de onda completa Sonnet LiteTM.

Completado el diseño y la optimización se procedió a construir la antena de manera artesanal

Utilizando sustrato FR4 para PCB revestido de cobre y cita adhesiva de cobre. Finalmente luego de construida la antena se procedió a validar el prototipo fabricado mediante la medición de las pérdidas de retorno en el laboratorio.

En las siguientes páginas el lector podrá, conocer y analizar los resultados teóricos y experimentales del proyecto, de manera de tener a su disposición una guía práctica para diseñar, optimizar y construir una antena patch.

ESTADO DEL ARTE

Las antenas microcintas son dispositivos electrónicos que gracias a sus ventajas son usadas dentro de los sistemas comunicacionales, dentro del trabajo presente se desarrolla un estudio de sus características, formas de alimentación para lambda cuartos y otros aspectos referentes a su diseño.

Las principales ventajas que este tipo de antena presenta son las siguientes:

De bajo perfil: poco tamaño, bajo peso, fáciles de instalar, desempeño,

Conformables sobre superficies planas o no: ajustables a un perfil aerodinámico.

Simples de diseñar y construir usando las técnicas modernas de los circuitos integrados (PCBs).

Robustas mecánicamente.

Muy versátiles en cuanto a: frecuencia de resonancia, polarización, patrón de radiación e impedancia.

Las principales desventajas que este tipo de antena presenta son las siguientes:

Baja eficiencia.

Baja potencia.

Elevado Q (a veces mayor a 100).

Pureza de polarización pobre.

Desempeño de escaneo pobre.

Radiación espuria en la alimentación.

Ancho de banda estrecho (apenas superior al 1 %).

Se tiene la siguiente imagen ilustrativa de los parámetros necesarios para la confección de esta, por lo que se tiene:

Imagen 1 “Antena tipo patch"

La antena microcinta es generalmente un diseño de una capa simple y está compuesta por un parche metálico o un arreglo de parches situados sobre un lado de un panel de substrato delgado no conductor, con un plano tierra metálico situado en el otro lado del panel. El parche metálico está normalmente hecho de una laminilla de cobre delgada o es una laminilla de cobre enchapada con un metal resistente a la corrosión, como el oro, estaño o níquel.

Las principales características que presenta este tipo de antenas:

Consiste en un parche metálico muy fino de espesor t≪λ_0

Puesto a una altura h de apenas una fracción muy pequeña de λ_0 (〖0,003λ〗_0≤h≤0,05λ_0) sobre un plano de tierra metálico.

El parche y el plano de tierra están separados por un sustrato dieléctrico de permitividad relativa ϵ_r : 2,2≤ ϵ_r≤12

Se diseña en general para radiación broadside.

Para parches rectangulares: λ_0/3<L< λ_0/2

Para el diseñar una antena del tipo patch con alimentación de adaptador de 𝜆/4, dentro de los parámetros de diseño se tiene:

Frecuencia de resonancia: f_o

Espesor de sustrato FR4: h

Constante dieléctrica: ϵ_r

Se procede a calcular los siguientes valores del diseño, dados por:

Ancho del patch (W):

W= c/(2f_o ) √(2/(ϵ_r+1))

Constante dieléctrica efectiva (ϵ_ref):

ϵ_ref= (ϵ_r+1)/2+(ϵ_r-1)/2 (1+12 h/W)^(-1/2)

Incremento longitudinal virtual (∆l):

∆l/h=0.412∙(ϵ_ref+0.3)/(ϵ_ref-0.258)∙(W/h+0.262)/(W/h+0.813)

Longitud de la antena(L):

L= c/(2f_o √(ϵ_ref ))-2∆l

Tamaño del sustrato W_s× L_(s ):

W_s=W+6h

L_(s )=L+6h

El adaptador 𝜆/4 deberá diseñarse con una impedancia característica Z_01 :

Z_01= √(Z_0 Z_in (-L))

MÉTODOS

Se debe diseñar una antena del tipo patch con alimentación de adaptador de 𝜆/4, dentro de los parámetros de diseño se tiene:

Frecuencia de resonancia: f_o=2.4 GHz

Espesor de sustrato FR4: h=1.5 mm

Constante dieléctrica: ϵ_r=4.4

Se procede a calcular los siguientes valores del diseño, mediante las ecuaciones mostradas en el apartado anterior, ecuaciones dadas en el libro Balanis, 2015:

Ancho del patch (W):

W= c/(2f_o ) √(2/(ϵ_r+1))= (3∙ 10^8)/(2∙ 2.4∙ 10^9 ) √(2/(4.4+1))=38.036 mm

Constante dieléctrica efectiva (ϵ_ref):

ϵ_ref= (ϵ_r+1)/2+(ϵ_r-1)/2 (1+12 h/W)^(-1/2)= (4.4+1)/2+(4.4-1)/2 (1+12 1,5/38.063)^(-1/2)=4.1

Incremento longitudinal virtual (∆l):

∆l/h=0.412∙(ϵ_ref+0.3)/(ϵ_ref-0.258)∙(W/h+0.262)/(W/h+0.813)=0.412∙(4.1+0.3)/(4.1-0.258)∙(38.063/1.5+0.262)/(38.063/1.5+0.813)=0.4619

∴∆l=0.4619 ∙1.5=0.693 mm

Longitud de la antena(L):

L= c/(2f_o √(ϵ_ref ))-2∆l= (3∙ 10^8)/(2∙2.4∙10^9 √4.1)-2∙0.693∙10^(-3)=29.48 mm

Tamaño del sustrato W_s× L_(s ):

W_s=W+6h=38,036+6∙1.5=47.036 mm

L_(s )=L+6h=29.48+6 ∙1.5=38,48 mm

El adaptador 𝜆/4 deberá diseñarse con una impedancia característica Z_01 :

Z_01= √(Z_0 Z_in (-L))

Mediante el uso del script en Matlab, se encontró una R_in= 321.7386 Ω

∴Z_01= √(50 ∙321.7386)= 126.8343Ω

Además mediante un script diseñado en Matlab se procede a comprobar los valores calculados anteriormente, el resultado es el siguiente:

Patch Width (Ancho del parche): 38.0363 mm

Patch Length (Longitud del parche): 29.4921 mm

Substrate Width (Ancho del sustrato): 47.0363 mm

Substrate Length (Longitud del sustrato): 38.4921 mm

Resistencia de resonancia de entrada: 321.7386ohms

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