Conceptos basicos de antenas

INTRODUCCIÓN

En aplicaciones de aeronaves de alto rendimiento, naves espaciales, satélites y misiles, donde el tamaño, el peso, el costo, el rendimiento, la facilidad de instalación y el perfil aerodinámico son limitaciones, pueden requerirse antenas de bajo perfil. Actualmente hay muchas otras aplicaciones gubernamentales y comerciales, como la radio móvil y las comunicaciones inalámbricas, que tienen especificaciones similares. Para cumplir con estos requisitos, se pueden usar antenas microstrip [1] - [38]. Estas antenas son de bajo perfil, conformables a superficies planas y no planas, simples y económicas de fabricar utilizando tecnología moderna de circuito impreso, mecánicamente robustas cuando se montan en superficies rígidas, compatibles con diseños MMIC, y cuando se seleccionan la forma y el modo del parche en particular, son muy versátiles en términos de frecuencia de resonancia, polarización, patrón e impedancia. Además, al agregar cargas entre el parche y el plano de tierra, como pines y diodos varactor, se pueden diseñar elementos adaptativos con frecuencia de resonancia variable, impedancia, polarización y patrón [18], [39] - [44].

Las principales desventajas operativas de las antenas de microcinta son su baja eficiencia, baja potencia, alta Q (a veces inexceso de 100), baja polarización, escaso rendimiento de escaneo, radiación de alimentación espúrea y ancho de banda de frecuencia muy estrecho, que típicamente es sólo una fracción de un porcentaje o la mayoría de algunos por ciento. En algunas aplicaciones, como en los sistemas de seguridad del gobierno, se desean anchos de banda estrechos. Sin embargo, hay métodos, como aumentar la altura del sustrato, que pueden usarse para extender la eficiencia (hasta un 90 por ciento si no se incluyen las ondas superficiales) y el ancho de banda (hasta aproximadamente el 35 por ciento) [38]. Sin embargo, a medida que aumenta la altura, se introducen ondas superficiales que generalmente no son deseables porque extraen energía del total disponible para la radiación directa (ondas espaciales). Las ondas superficiales viajan dentro del sustrato y se dispersan en las curvas y discontinuidades superficiales, como el truncamiento del plano dieléctrico y de tierra [45] - [49], y degradan el patrón de antena y las características de polarización. Las ondas superficiales se pueden eliminar, manteniendo grandes anchos de banda, mediante el uso de cavidades [50], [51]. El apilamiento, así como otros métodos, de elementos de microbanda también se pueden usar para aumentar el ancho de banda [13], [52] - [62]. Además, las antenas microstrip también exhiben grandes firmas electromagnéticas a ciertas frecuencias fuera de la banda operativa, son bastante grandes físicamente a frecuencias VHF y posiblemente UHF, y en arreglos grandes hay una compensación entre ancho de banda y volumen de escaneo [63] - [65 ]

14.1.1 Características Básicas

Las antenas microstrip recibieron considerable atención a partir de la década de 1970, aunque la idea de una antena microstrip se remonta a 1953 [1] y una patente en 1955 [2]. Las antenas Microstrip, como se muestra en la Figura 14.1 (a), consisten en una banda metálica (parche) muy delgada , donde  es la longitud de onda del espacio libre colocada en una pequeña fracción de una longitud de onda , generalmente  sobre un plano de tierra. El parche de microbanda está diseñado para que su patrón máximo sea normal al parche (radiador de costado). Esto se logra eligiendo correctamente el modo (configuración de campo) de excitación debajo del parche. La radiación de fuego final también se puede lograr mediante una selección de modo juiciosa. Para un parche rectangular, la longitud  del elemento suele ser . La linea (parche) y el plano de tierra están separados por una lámina dieléctrica (denominada substrato), como se muestra en la figura 14.1 (a).[pic 1][pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6][pic 7]

Existen numerosos sustratos que se pueden utilizar para el diseño de antenas de microcinta, y sus constantes dieléctricas suelen estar en el rango de . Los que son más deseables para un buen rendimiento de la antena son sustratos gruesos cuya constante dieléctrica está en el el extremo inferior del rango porque proporcionan una mejor eficiencia, mayor ancho de banda, campos flojos para la radiación en el espacio, pero a expensas de un tamaño de elemento mayor [38]. Los substratos delgados con constantes dieléctricas más altas son deseables para los circuitos de microondas porque requieren campos estrechamente unidos para minimizar la radiación y el acoplamiento no deseados, y conducen a tamaños de elemento más pequeños; sin embargo, debido a sus mayores pérdidas, son menos eficientes y tienen anchos de banda relativamente más pequeños [38]. Dado que las antenas de microbanda a menudo se integran con otros circuitos de microondas, se debe llegar a un compromiso entre el buen rendimiento de la antena y el diseño del circuito. A menudo, las antenas de microbanda también se conocen como antenas de parche. Los elementos radiantes y las líneas de alimentación generalmente se fotograban en el sustrato dieléctrico. El parche radiante puede ser cuadrado, rectangular, tira delgada (dipolo), circular, elíptica, triangular o cualquier otra configuración. Estos y otros se ilustran en la figura 14.2. Cuadrado, rectangular, dipolo (banda) y circular son los más comunes debido a la facilidad de análisis y fabricación, y sus atractivas características de radiación, especialmente baja radiación de polarización cruzada. Los dipolos Microstrip son atractivos porque poseen un gran ancho de banda y ocupan menos espacio, lo que los hace atractivos para las matrices [14], [22], [30], [31]. Las polarizaciones lineales y circulares se pueden lograr con elementos individuales o matrices de antenas de microbanda. Las matrices de elementos de microbanda, con alimentaciones simples o múltiples, también se pueden usar para introducir capacidades de escaneo y lograr mayores directividades. Estos serán discutidos en secciones posteriores.[pic 8]

14.1.2 Métodos de alimentación

Hay muchas configuraciones que se pueden usar para alimentar antenas de microbanda.

Los cuatro más populares son la línea microstrip, la sonda coaxial, el acoplamiento de apertura y el acoplamiento de proximidad [15], [16], [30], [35], [38], [66] - [68]. Estos se muestran en la Figura 14.3.

Un conjunto de circuitos equivalentes para cada uno de estos se muestra en la figura 14.4.

La línea de alimentación MicroStrip también es una tira conductora, generalmente de ancho mucho más pequeño en comparación con el parche. La alimentación de línea de microbanda es fácil de fabricar, simple de combinar controlando la posición insertada y bastante simple de modelar. Sin embargo, a medida que aumenta el grosor del sustrato, aumentan las ondas superficiales y la radiación de alimentación espuria, que para diseños racionales limitan el ancho de banda (típicamente 2-5%). Las alimentaciones de línea coaxial, donde el conductor interno del cable coaxial está conectado al parche de radiación mientras que el conductor externo está conectado al plano de tierra, también se usan ampliamente. La alimentación de la sonda coaxial también es fácil de fabricar y combinar, y tiene baja radiación espuria. Sin embargo, también tiene un ancho de banda estrecho y es más difícil de modelar, especialmente para sustratos gruesos (h> 0.02λ0). Tanto la línea de alimentación de microbanda como la sonda poseen asimetrías inherentes que generan modos de orden superior que producen radiación con polarización cruzada. Para superar algunos de estos problemas, se han introducido alimentaciones de acoplamiento de apertura sin contacto, como se muestra en las Figuras 14.3 (c, d). El acoplamiento de apertura de la figura 14.3 (c) es el más difícil de fabricar entre los cuatro y también tiene un ancho de banda estrecho. Sin embargo, es algo más fácil de modelar y tiene una radiación espúrea moderada. El acoplamiento de apertura consta de dos sustratos separados por un plano de tierra. En el lado inferior del sustrato inferior hay una línea de alimentación de microbanda cuya energía está acoplada al parche a través de una ranura en el plano de tierra que separa los dos sustratos.

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