Diseño de antenas microstrip

DISENO DE ANTENAS MICROSTRIP M. Fe ando, F.J. Cala a a, E. De los Reyes * ABSTRACT We p esen a simple model o he analysis o mic os ip an en- nas. The ields in he ca i y a e ound om he esonance mo- des and he ou side ields om he edge alues. Nume ical e- sul s o ci cula an ennas, adia ion pa e ns, di ec i i y, e iciency, quali y ac o and impedance as a unc ion o he eeding poin and ecuency a e included. Compu e- p og amm~.:. o he abo e calcula ions ha e been w i en and he esul s p esen ed by a digi al plo e . MODELO E RIPOTESIS Podemos conside a una an ena mic os ip coma una ca idad o - mada po dos planos conduc o es sepa ados po un dielec ico ( ig. 1), de espeso h. (h.<.(. >-. l- En es a ca idad supond emos que Ez es independien e de z y no exis en campos lx, El · Ademas supond emos que as pa edes la e ales son conduc- _,------------.,. !h a es magne icos pe ec os. Pa a calcula los campos adia dos, supond emos que las pa-- edes de la ca idad se com- po an coma una ape u a, que p oduce una co ien e magne- ica a lo la go de su can o - no. Fig. j An ena mic os ip MODOS DE RESONANCIA Pa a encon a las ecuencias de esonancia de una an ena ~i c os ip se deben esol e las ecuaciones de Maxwell con las con- diciones de con o no supues as en las pa edes. '2 2 ......,. ( l + ~-<c. ) . E-a ( 'xI y ) =:. 0 )£>?. ~=0 c (1) (2) (3) * E.T.S.INGENIEROS DE TELECOMUNICACION de BARCELONA 1 Los au o alo es ob enidos. de () l nos dan las ecuencias de e- sonancia de la an enas, y las au o unciones el campo en el in- e io de la ca idad en esonancia. (4) En el caso pa icula de una an ena mic os ip ci cula de adio a (Fig. 2) la esoluci6n de las an e io es ecuaciones nos lle- a a: Ez ( ,Ci'l = E0 Jn ( k l cos nq> (6) nm = c(nm c (7) 2 ·IT·a ~ siendo dnm el m-esimo ce a de la p ime a de i ada de la unci6n de Bessel de o den n. CAMPOS DE RADIACION Una an ena ci cula se puede es udia ,l desde el pun o de is a de adiaci6n, T coma una espi a de co ien e magne i- ca de adio a, en e a un plana de ie a conduc o pe ec o. Los campos adiados se an: I ·~ Fig. 2 An ena ci cula .n -j o ', E4:l.= _, . Ko e a·Q... ) .J '-....) eM ( Ko . Q. . se Y'l ~ • c:.os Tl e > 2 c ·h e-jlo<o~"" l o.Q -'=<P-= J .l(o 'Bp (1Ao·a..-s.~n'e). cos 9-· sQn n<P 2 siendo las unciones BM , Bp Bm (x}= Jn-1 (xl - Jn+l (.x) I = 2 Jn (xl (J O) No malmen e las an enas ci cula es se exci an en el modo (1 , 1) , que es el in e io pa a unas dimensiones dadas, y p oduce un maxima de adiaci6n en la di ecci6n no mal a la an ena. En la ig. 3 se puede obse a di e sos diag amas de adiaci6n ob enidos pa a di e en es elaciones de adio a longi ud de on- da. Una ez ijadas las dimensiones op imas del adio, se puede consegui la esonancia en el modo Q ,1) u ilizando ma e iales de cons an e dielec ica ap opiada. 2 I a/>-. =0.1 Fig.3 Diag amas de adiaci6n de ci cula exci ada en el modo Cl , 1) de a/ A. • OTROS FACTORES EN RESONANCIA a/)'.. =0.2 a/>-._ =0.3 una an ena mic os ip pa a di e en es alo es La di ec i idad de una an ena mic: os ip se puede calcula nume icamen e a pa i de las exp esiones de los campos adia- dos (8 -9). En la Fig. 4 se dan los esul ados pa a el modo (1 ,m). Los di e en es alo es de a/X . se ob ienen pa a di e sos dielec- icos y exci ando la an ena en los modos (1,2), 0 ,3) e c. Oi eo .l idod CCID 12~------------------------------~--------~ 11 lil g B 7 6 5 ~ ---~--~---+---4--~~--+---~--~--~--~~A a .1 .2 .3 .4 .5 .a .7 .s .9 1 Fig. 4 Di ec i idad de una an ena mic os ip en dB~ en unci6n de a/A_ . pa a los modos U ,ml 3 Las pe didas en el cob e y en el dielec ico se pued en calcu- la a pa i de los campos en el in e o de la ca idad y ha- cen que la e iciencia de la an ena disminuya. En la Fig. 5 se dan los esul ados ob enidos p~ a una an ena ci cula . Se ob- se a que la e iciencia aumen a con el espeso del subs a a y con la ecuencia, pudiendo llega a alo es en o no al 95~o . l'-edo (l . :) E,.-z.ss J .. !;j ~7 SJ. 9I •O. COlS !--J--- --±---!--..;--..;--..___;-----;--! , ~oi 11 0 j J Fig. 5 E iciencia de una q.n el).g. mic o$ ip en unci6n de la ecuencia y del espeso del d~elec ~co. El ac o de calidad en ca idades in e esa no malmen e que sea ele ado, po el con a io aqui in e esa que las '1 pe didas" de adiaci6n sean los mis ele adas posibles. Po o a pa e pa a consegui anchos de banda u ilizahles en la p ac ica, in e e- sa a que el ac o de calidad sea lo meno posible. E.n la i g. 6 se da la a iaci6n del Q en unci6n de la ecuencia y el es- peso del dielec ico. Come se e los mejo es esul ados se ob iene a ecuencias ele adas y subs a os de mayo espeso . Hl:l 9il 611 'I ll iJ !:!'J <ll 31: ;: :J l l! 0 · HCT C i! LJE C~ . L1U~O < O) Hodo (!. 1) E: w2. SS (j" •10" 7 9 b~o.. ~~~~ & 1----+--~ -----+--~--+----1---+---+---+---+ . i ~l l:.. i ll ~ 3 s (j 'l n; Fig. 6 Fac o de calidad Q ( o all de una an ena mic os ip en unci6n de la ecuencia y espeso del dielec ico. 4 La impedanci.a de en ada de una an ena mic os ip depende Jel pun o de e.xci aci6n de la ca idad. Es maxima en el bo d .e (pa a el modo 0 ,11) y dec ece pa a alimen aci6n en pun os in eFio- es. Se ha calculado anali icamen e QUe la a iaci6n de la im- pedancia con el pun o de alimen aci6n es en el modo (1 ,m) '2. Z;n ( ) =. Rmci)l ( Jn ( ~~) J" (KO.') ) (1 2) En la Fig. 7 se compa a el esul ado anali ico con las medi- das ealizadas en el labo a o io sab e una an ena ci cula exci ada en el modo (1,1) a la ecuencia de 530 Mhz. El subs- a a empleado ue ib a de id io con una c e. die1 ec ica =4.32, y espeso h=1 .6 mm . • 9 • a • 7 .o .s .. Fig. 7 Impedancia de en ada de una an ena mic os ip, en un- cion del pun o de ali.men aci6n. IMPEDANCIA DE ENTRADA En las p oximidades de la esonancia, el ci cui o eQui alen e de una an ena mic os ip es el indicado en la ig 8. Se a a de Fig. 7 Ci cui o equi alen e de una an ena mic os ip 5 un ci cui o esonan e pa alelo, en se ie con una induc ancia, la cual ep esen a los modos de esoaancia · de o den supe io - QUe se encuen an en ca e. La exp esi6n que nos da el alo de ella es: l13) En la ig. g se da la compa acLon en e el alo eo ico y las medidas. de las pe didas. de e o no medidas en una · an ena. En la ig. :1 a la e oluci6n de la impedancia -l ---~--~=-----------------------~ Fig.9 Pe didas de e o no en unci6n de la ecuencia CONCLUSION Fig.10 Impedancia de en ada. E oluci6n con . Se ha a ado de da una ision gene al del p oceso de dise io y los di e sos ac o es que hay que ene en cuen a en el dimensionado de una an ena mic os ip. La al a de espacio ha impedido el desa ollo o mal y exaus i o de las e...'<p esiones de odos los pa ame os que han sido ci ados. Se ha es.c i o un p og ama que ealiza, pa a una an ena dada, el calculo de odos los pa ame os de adiaci6n y ci cui ales, asi coma su ep esen acion en unplo e digi al. REFERENCIAS (1) A.G.De ne yd, Ca i y Model o he Rec angula Mic os ip An enna, P oc. Wo kshop on P in ed Ci cui An enna Technolo- gy . 0 c . 1 9 7 9 (2) W.F. Richa ds, Y.T. Lo, and D.D. Ha ison, IEEE -AP, Ene o 1 9 81 , pp 3 8 (3) A.G. De ne yd, "A heo e ical in es iga ion o he ec angu- la Mic os ip An enna Elemen ", IEEE T-AP, 1978, pp 532-5 6