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Proyecto final 6682 - Antena Parche

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by

Sebastián García Marra

on 26 March 2016

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Transcript of Proyecto final 6682 - Antena Parche

Comparativa de valores resultantes
L parche: 29.7 mm
W parche: 38 mm
W microcinta: 2.6 mm
y0: 9 mm
Valores calculados
W microcinta: 3.1 mm
y0: 9.1 mm
Ganancia simulada: ~ 3.73 dB
L parche: 29.6 mm
W parche: 38 mm
Valores ajustados de simulación
Se tomó
= 4.4
Ganancia esperada: ~ 3.5 @ 5 dB
Cálculo de W:
Parche; modelo de línea de transmisión
Impedancia de entrada calculada:
Ecuación de Friis:
Ganancia de antena receptora:
Cálculo de L:
Ecuaciones de diseño
Parámetros físicos
Longitud de onda del vacío
Longitud de onda del parche
Número de onda
Permitividad dieléctrica eficaz, del material
Ecuación para microcinta
Se busca tener una impedancia característica de
A partir de la ecuación de la Z0 se despeja el ancho W que debe tener dicha microcinta.
Ecuaciones del parche
Se puede despejar la profundidad del parche en la línea por medio de despejar y0 de esta ecuación.
Análisis y Diseño
Simulación y ajustes
Implementación
Conclusiones
Mediciones
La conclusión más importante que surge de todo el proceso es la íntima relación existente entre los diferentes parámetros de la antena.
El diseño se convierte en una relación de compromiso entre:

Las dimensiones del parche
Los materiales elegidos
La adaptación de impedancia

Otra cuestión inherente al diseño de este tipo de antenas, es la posibilidad o imposibilidad de caracterizar algunos de los materiales empleados. En este caso, por poner un ejemplo, el sustrato de la placa de circuito.
Propagación y sistemas irradiantes
Proyecto final: Antena Parche - WIFI
Sebastián García Marra - 87737
Profesor: Gustavo Fano
Ayudantes:
Nicolás Tempone
Fernando Chouza

Diciembre 2012
Especificaciones de diseño
ROE: < 2
Impedancia de entrada:
Ganancia: ~ 3 dB a 5 dB
Frecuencia de trabajo: ~ 2.4GHz
Banco de medición - antena receptora
Diseño final en PCB
Antena terminada
La implementación, dado que se trata de una antena parche de tipo PCB, se realizó en un programa de diseño de circuitos impresos KiCAD.

Se utilizó un conector SMA hembra invertido, que fue soldado al PCB. Y para poder conectarlo a un router, se armó un cable coaxil adaptador.
Introducción teórica
La "antena parche" tiene características resonantes, es decir, existe una frecuencia que denominaremos "frecuencia de trabajo" para la cual se comporta de manera más eficiente en términos de transmisión y recepción.
Al alejarse de dicha frecuencia, este tipo de antenas además de ver su ganancia atenuada, pierden rápidamente la características de sus parámetros principales.
¿En qué consiste la antena parche?
Ventajas
Consiste en un elemento radiante ubicado sobre un material dieléctrico, y un plano de tierra sobre el que se apoya el conjunto.
Métodos de alimentación
Análisis de modo de propagación
Existen varios modelos que analizan la propagación en un parche. Este trabajo se centra en el análisis como línea de transmisión.
Se toman las siguientes consideraciones respecto de la propagación:
El campo varía en forma sinusoidal en la dimensión de resonancia y se propaga un modo de primer orden.
La propagación se produce en la dimensión transversal a la de resonancia. Es decir sobre los lados de ancho W.
Debido a que el parche es finito, las líneas de campo eléctrico se deforman en el borde, lo que impide que la propagación ocurra en modo TEM. Por lo tanto la misma es en modo TM.
Se listan a continuación los más populares:
Ventaja: No requiere componentes extras porque se fabrica con el mismo método que el propio parche.
Microcinta: Consiste en un tramo de similares características que el parche, por medio del cual se lo alimenta y se adapta la impedancia de entrada.
Desventaja: Restringe más las posibles maneras de adaptar impedancia, a la vez que por estar ubicada en uno de los puertos radiantes, puede alterar el diagrama de radiación.
Coaxil: Consiste de un cable coaxil perpendicular al plano del parche.
Ventaja: Al pode ubicarse en cualquier posición del parche, resulta versátil a la hora de adaptar impedancias. A su vez no altera la forma de propagación.
Desventaja: A diferencia de la microstrip, requiere de materiales extra, y hay que realizar un montaje especial.
Bajo costo
Simple de implementar
Bajo perfil
Bajo peso
Facilidad de crear conjuntos
Robustez mecánica
Banda angosta
Alta direccionalidad
Baja eficiencia
Limitación en potencia
Decisiones de diseño
Se decidió implementar la antena sobre placa FR4 doble faz.
Se optó por alimentación tipo microcinta, y se adaptó la impedancia trabajando sobre la posición de la cinta dentro del parche.
Se buscó que las dimensiones L y W fuesen similares (relación cercana a 1) con el fin de que solo se propague el modo de primer orden.
Las características del sustrato varía según fabricante y no viene especificado. Se buscó caracterizarlo contrastando una serie de mediciones del coeficiente de reflexión, con una simulación del mismo banco de medición. Los resultados obtenidos fueron ambiguos, con lo cual se diseño para un típico.
La simulaciones fueron realizadas utilizando el software de simulación, FEKO.
Se definieron las dimensiones de la antena en función de la longitud de onda, la velocidad de la luz, y la permitividad dieléctrica elegida en el análisis.
Se construyó el parche tomando en cuenta que iba a ser alimentado por una microcinta, y que la impedancia iba a estar adaptada en función de las dimensiones de la misma y su posición respecto al parche.
Se partió de los valores obtenidos del cálculo analítico, y realizando iteración sobre la simulación y corridas de optimización, se llegaron a las dimensiones que luego se utilizaron en la implementación.
Configuración de la simulación
La distancia entre el tramo de microcinta que ingresa en el parche, y el borde interior del propio parche, se determinó en forma empírica.
Resultados de la simulación
Diagrama de radiación - Ganancia
Parche construido en la simulación
Relación de onda estacionaria
Impedancia de entrada en módulo
Consideraciones
Desventajas
Basado en el modelo de línea, como L ~ . La susceptancia se anula, y las conductancias poseen el mismo módulo.
Zin a la f = 2.41GHz
Impedancia de entrada
Relación de onda estacionaria
Diagrama de radiación
Comparativa de valores resultantes
Impedancia de entrada: (48.4 - j1.37)
ROE: 1.04
Ganancia: 3.73 dB
Valores simulados
Impedancia de entrada: ~(47 - j20)
ROE: 1.75
Ganancia: 3.15 dB
Valores medidos
Para realizar las mediciones se utilizó como antena emisora un dipolo conectado a un analizador de redes vectorial (VNA), actuando este último como emisor y receptor.
Gráficos de las mediciones realizadas
1.04
|(48.4 - j1.37)|
~ 1.75
Referencias
By D. Orban & G.J.K. Moernaut, "The Basics of Patch Antennas".
Nakar, Punit Shantilal , "Design of a compact Microstrip Patch Antenna for use in Wireless/Cellular Devices", 2004.
Johnson, "Antenna engineering handbook".
Constantine A. Balanis, "Antenna Theory. Analysis and Design".
¿Preguntas?
Se montó la antena sobre una estructura graduada en grados, y se fue rotando la estructura registrando valores cada 10 grados hasta cubrir 360 grados.
Se calibró el instrumento y se registraron en el mismo, valores de potencia recibida.
Las antenas se separaron un distancia de 3.2m.
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