lunes, 9 de junio de 2008

Antenas Planas: ANTENAS MICROSTRIP III

Modelo de Línea de Transmisión



La radiación aparece en las discontinuidades y circuitos abiertos de la estructura, 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. El parche equivale a dos ranuras de dimensiones WxΔL. La longitud L se elige para que haya una inversión de fase y la radiación de ambas ranuras se sume en fase. L=λg/2.



La radiación de 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.



Desde el punto de vista de la antena el equivalente son dos ranuras con distribución de campos uniformes.

El potencial vector magnético es:

El problema es el dual de una agrupación de dos dipolos paralelos al eje z, en este caso la polarización será horizontal.

Los campos radiados tienen polarización lineal. El plano E es el plano XY, y su diagrama es el debido a la agrupación de dos antenas separadas una distancia inferior a media longitud de onda. El plano H es el ortogonal al anterior, YZ, y el diagrama es el debido a la corriente magnética uniforme de longitud W.

El modelo de línea de transmisión permite analizar las antenas de forma rectangular. Para estudiar otras estructuras o bien los modos superiores de funcionamiento, es necesario un modelo más completo, como es el de cavidad.

Antenas Planas: ANTENAS MICROSTRIP II

Alimentación


Las antenas se pueden alimentar a través de líneas impresas, o bien a través de ranuras, sondas coaxiales, o bien por acoplamiento a las cavidades. Una de las formas más habituales es la alimentación a través de una línea de transmisión en el mismo plano del parche.



La alimentación a través de un conector coaxial también es bastante frecuente, sobre todo en antenas poco directivas.


Otras formas de alimentación son el acoplamiento por proximidad, en una estructura multicapa

Y finalmente el acoplamiento a través de una ranura


Principios de Funcionamiento

Las antenas microstrip se pueden analizar de muy diversas formas, desde los modelos más simples, basados en líneas de transmisión o cavidades hasta los más complejos, utilizando métodos numéricos o espectrales. La línea de transmisión microstrip consiste en un conductor separado por un dieléctrico sobre un plano de masa.


El modo fundamental es quasi-TEM, estando la mayor parte del campo confinado en el dieléctrico. El dieléctrico es eléctricamente delgado, para evitar fugas y ondas superficiales. La permitividad es a (3< εr <10),>

Antenas Planas: ANTENAS MICROSTRIP I

ANTENAS MICROSTRIP


Definición

Las antenas impresas, de tipo parche también denominadas antenas microstrip (microtira) se diseñan a partir de líneas de transmisión o resonadores sobre substrato dieléctrico. Las dimensiones se eligen de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiación.


Los primeros diseños datan de la década de los 50, y se empiezan a utilizar en sistemas a partir de los años 70. La estructura consiste en un Parche metálico (dimensiones comparables a λ), sobre un substrato dieléctrico sin pérdidas. El grosor oscila entre 0.003λ y 0.05 λ. La constante dieléctrica (εr) puede tomar valores típicos de 2 a 12. En la parte inferior de la estructura se tiene un plano conductor perfecto.




Ventajas e Inconvenientes

Las ventajas más importantes son su bajo perfil, se pueden adaptar a la forma de la estructura (plana o curvada), su fabricación es sencilla y barata, son robustas, combinables con circuitos integrados de microondas, y se pueden diseñar para trabajar a diversas frecuencias y con distintas polarizaciones. Los inconvenientes más importantes son su baja eficiencia, limitada potencia, alto faltor de calidad, pobre pureza de polarización, son de banda estrecha y además la radiación de las líneas puede modificar los parámetros de las antenas.


Aplicaciones

Las aplicaciones más importantes son para antenas de los sistemas de teledetección (sistemas de radar a bordo de satélites), sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de calor en tratatamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y en general todos los sistemas a frecuencias de microondas.


Forma de los parches

Se pueden encontrar radiadores de las formas más diversas, aunque las geometrías más habituales son las circulares y rectangulares.



Otras formas menos habituales son las elípticas, triangulares o en forma de anillo.

Antenas Planas: ALIMENTACIÓN DE RANURAS

ALIMENTACIÓN DE RANURAS


Las ranuras se pueden alimentar a través de guías de onda. Las ranuras normalmente interrumpen el paso de las corrientes siendo el acoplamiento entre la guía y la ranura proporcional a dicho efecto.




Otra forma de alimentación de ranuras es a través de líneas microstrip. La ranura se sitúa en el plano de masa, y la línea tiene un circuito abierto a una distancia λ/4 de la ranura.


Antenas Planas: RANURAS

RANURAS


Una ranura es una apertura en un plano de masa en la que una de las dos dimensiones es pequeña comparada con la longitud de onda.
El campo en la apertura de la figura, de dimensiones axb es


Las corrientes magnéticas equivalentes serán

El vector de radiación magnético se calcula a partir de la transformada de Fourier bidimensional de los campos en la apertura.



El vector se puede interpretar como la transformada de la distribución de tensiones a lo largo de la ranura.

El problema es el dual del dipolo. La forma de la distribución de tensiones es la de una línea en cortocircuito.
El diagrama de radiación será similar al de los dipolos de longitud equivalente. La polarización es lineal, pero dual del caso de corrientes eléctricas.

La Directividad de la ranura es la misma que el dipolo dual. Las impedancias de las ranuras se pueden calcular a partir del Principio de Babinet, que establece la siguiente relación para antenas duales:
Una ranura de longitud L=λ/2 tendrá unos campos radiados:


La resonancia se consigue para una longitud ligeramente inferior a λ/2 y tiene un comportamiento inductivo para ranuras cortas, frente al comportamiento capacitivo de los dipolos cortos.


Imagen de una agrupación de Ranuras