Introducción al diseño de análisis de antenas...

Introducción al análisis y diseño de antenas planas y sus aplicaciones

Carlos Arturo Suárez Fajardo, Ph. D.

© Universidad Distrital Francisco José de Caldas© Doctorado en Ingeniería© Carlos Arturo Suárez Fajardo

ISBN: 978-958-XXXX-XX-X

Primera edición: Bogotá, febrero de 2017

Corrección de estilo y diseño gráficoHographics Impresores

Impresión:Hographics Impresores

Doctorado en IngenieríaCarrera 7 # 40B-53BogotáCorreo electrónico: [email protected]

Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida ni total ni parcialmente o transmitida por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sin el permiso previo del Doctorado en Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas..

Hecho el depósito legal.

Impreso y hecho en ColombiaPrinted and made in Colombia

CONTENIDO

Capítulo 1. Introducción ...............................................................................................................151.1. Antecedentes y motivación ..............................................................................................151.2. Objetivos y metodología utilizada .................................................................................191.3. Organización del documento ...........................................................................................21

Capítulo 2. Fundamentos teóricos ..........................................................................................232.1. Introducción ............................................................................................................................232.2. Diagrama de radiación ........................................................................................................24

2.2.1. Cortes principales de un diagrama de radiación ..........................................262.3. Tipos de diagrama de radiación .....................................................................................282.4. Partes de un diagrama de radiación .............................................................................302.5. Zonas de radiación de una antena .................................................................................322.6. Densidad de potencia de radiación ...............................................................................34

2.6.1. Expresiones generales para campos armónicos ..........................................342.7. Potencia promedio radiada por una antena ..............................................................35

2.7.1. Expresiones adicionales para la potencia radiada por una antena ......352.8. Intensidad de radiación .....................................................................................................362.9. Directividad .............................................................................................................................37

2.9.1. Directividad máxima .................................................................................................382.9.2. Directividad parcial ...................................................................................................382.9.3. Directividad aproximada.........................................................................................38

2.10. Eficiencia de una antena .................................................................................................402.11. Ganancia de una antena ..................................................................................................412.12. Eficiencia de haz .................................................................................................................43

2.13. Ancho de banda de una antena ....................................................................................442.14. Polarización ..........................................................................................................................48

2.14.1. Polarización lineal, circular y elíptica .............................................................482.14.2. Factor de pérdidas de polarización ................................................................52

2.15. Impedancia de antena ......................................................................................................542.16. Eficiencia de radiación de una antena .......................................................................572.17. Parámetros de antena en recepción ...........................................................................58

2.17.1. Área efectiva de una antena ................................................................................592.17.2. Longitud efectiva de una antena .......................................................................61

2.18. Parámetros adicionales de aplicación en sistemas inalámbricos móviles ...................................................................................................................62

2.18.1. Ganancia media efectiva (MEG) .........................................................................622.18.2. Interacciones con el cuerpo humano y tasa de absorción

específica (SAR) ..........................................................................................................642.18.3. Intermodulación pasiva (PIM) ...........................................................................68

Capítulo 3. Análisis y diseño de antenas F invertida (IFA) .......................................713.1. Introducción ............................................................................................................................713.2. Evolución de la antena monopolo ..................................................................................73

3.2.1. Antena L invertida (ILA) .........................................................................................743.2.2. Antena F invertida ....................................................................................................76

3.3. Desarrollo de una antena IFA plana sobre sustrato microstrip ........................813.3.1. Introducción .................................................................................................................813.3.2. Análisis paramétricos ...............................................................................................823.3.3. Análisis del efecto del tamaño del plano de masa en el diagrama generado por una IFA ..................................................................................85

3.4. Modelo final optimizado de antena plana F invertida sobre microstrip .......893.5. Resultados finales y análisis .............................................................................................92

Capítulo 4. Análisis y diseño de antenas de anillo circular cortocircuitado ..................................................................................................95

4.1. Introducción ............................................................................................................................954.2. Aspectos generales sobre polarización circular ......................................................964.3. Modelamiento de la antena ........................................................................................... 1004.4. Diseño preliminar de la antena .................................................................................... 1054.5. Mejoramiento de la geometría preliminar .............................................................. 108

4.5.1. Adaptación de la impedancia de la antena a la frecuencia central requerida..................................................................................................... 108

4.5.2. Análisis del efecto de las hendiduras (slits) en la antena ...................... 112

4.5.3. Análisis del efecto de las hendiduras (slits) y de las prolongaciones (stubs) en la antena ................................................................................................ 116

4.6. Validación de la propuesta ............................................................................................. 1184.6.1. Caracterización en impedancia de la antena ............................................... 1204.6.2. Caracterización del diagrama de radiación .................................................. 121

4.7. Análisis de resultados ...................................................................................................... 1234.8. Conclusiones ........................................................................................................................ 124

Capítulo 5. Diseño de antenas para terminales móviles ........................................ 1255.1. Introducción ......................................................................................................................... 1255.2. Generalidades sobre la antena PIFA .......................................................................... 125

5.2.1. Frecuencia de resonancia ................................................................................... 1285.2.2. Efecto del plano de masa en el comportamiento de una PIFA ............. 1305.2.3. Variaciones en la geometría de las antenas PIFAS .................................... 1315.2.4. Distribución de campo eléctrico ....................................................................... 1325.2.5. Distribución de corriente ..................................................................................... 1325.2.6. Eficiencia ..................................................................................................................... 133

5.3. Excitación múltiple en antenas planas ..................................................................... 1335.3.1. Introducción .............................................................................................................. 1335.3.2. El problema de la excitación de una antena ................................................ 1355.4.3. Optimización de la geometría ............................................................................ 1395.4.4. Mejoramiento del diseño mediante el uso de placas laterales ............ 1415.4.5. Resultados finales y análisis ............................................................................... 1435.4.6. Efecto del espesor de la lámina en la simulación ...................................... 148

5.5. Modo resonante de alta frecuencia ............................................................................ 1505.5.1. Optimización del diseño final con excitación directa múltiple ............ 1505.5.2. Fabricación de prototipos .................................................................................... 1575.5.3. Resultados de las medidas y análisis ............................................................. 1575.5.4. Análisis de resultados ........................................................................................... 158

5.6. Antena plana F invertida de banda ancha ............................................................... 1605.6.1. Introducción .............................................................................................................. 1605.6.2. Diseño de antena PIFA ranurada con resonancias en las bandas

baja y alta de telefonía celular ........................................................................... 1615.6.3. Diseño preliminar ................................................................................................... 1615.6.4. Análisis paramétricos ............................................................................................ 1635.6.5. Diseño final propuesto .......................................................................................... 170

Bibliografía ....................................................................................................................................... 181

Listado de figuras

Fig. 2.1. Diagrama de radiación definido mediante función matemática ...................24Fig. 2.2. Cámara anecoica .................................................................................................................25Fig. 2.3. Antena PIFA (izquierda) y diagrama de radiación 3D (derecha) ..................26Fig. 2.4. Cortes principales: corte plano H y corte plano E

para una antena de bocina ......................................................................................................27Fig. 2.5. Corte plano E en coordenadas polares para antena PIFA .................................28Fig. 2.6. Antena de parches apilados (izquierda) y diagrama de radiación

directivo en coordenadas cartesianas (derecha) ..........................................................29Fig. 2.7. Diagrama de radiación omnidireccional para antena dipolo λ/2 .................30Fig. 2.8. Lóbulos de un diagrama de radiación directivo ...................................................30Fig. 2.9. Parámetros fundamentales de un diagrama de radiación ...............................31Fig. 2.10. Ancho de haz de potencia mitad para diagrama de potencia

y de campo .....................................................................................................................................32Fig. 2.11. Zonas del diagrama de radiación de una antena (izquierda) y campo

generado por una antena parabólica a diferentes distancias (derecha) ............33Fig. 2.12. Eficiencias en el conjunto línea de transmisión y antena ..............................40Fig. 2.13. Ancho de banda de impedancia para antena plana F invertida ..................46Fig. 2.14. Monopolo plano con ancho de banda de impedancia de 4:1 .......................47Fig. 2.15. Bocina piramidal con ancho de banda de impedancia de 11:1 ...................47Fig. 2.16. Logarítmica periódica espiral, ancho de banda

de impedancia de 40:1 .............................................................................................................47Fig. 2.17. Algunos estados de polarización de ondas

(la onda se acerca al observador) ........................................................................................52Fig. 2.18. Antena de ranura cruzada con polarización circular .......................................54Fig. 2.19. Equivalente Thevenin para una antena de banda estrecha

en transmisión .............................................................................................................................55Fig. 2.20. Equivalente Thevenin para una antena de banda estrecha

en recepción ..................................................................................................................................58Fig. 2.21. Sistemas de medición de SAR ....................................................................................67Fig. 3.1. Evolución del monopolo de conductor simple a la IFA ......................................74Fig. 3.2. Geometría de antena ILA ................................................................................................75Fig. 3.3. Efecto de la relación de aspecto en la geometría de una antena ILA ...........75Fig. 3.4. Geometría de antena IFA ................................................................................................76Fig. 3.5. Comportamiento de la magnitud del coeficiente de reflexión debido

a la relación de aspecto en la geometría de una antena IFA.....................................77Fig. 3.6. Comportamiento de la magnitud del coeficiente de reflexión debido

al cambio del diámetro del conductor superior en una antena IFA ......................78

Fig. 3.7. Diagramas de ganancia para los cortes en elevación de la antena IFA óptima, a una frecuencia de 2,48 GHz................................................................................79

Fig. 3.8. Diagrama de ganancia 3D de la antena IFA óptima a una frecuencia de 2,48 GHz ................................................................................................79

Fig. 3.9. Geometría de una antena IFA impresa ......................................................................80Fig. 3.10. Magnitud del coeficiente de reflexión de la antena IFA para

longitudes del elemento radiante entre L = 0,128 λ y L = 0,311 λ .........................83Fig. 3.11. Magnitud del coeficiente de reflexión de la antena IFA para anchos

del elemento radiante entre a = 1 mm y a = 20 mm ....................................................84Fig. 3.12. Magnitud del coeficiente de reflexión de la antena IFA para anchos

de la línea de transmisión entre W = 5 mm a W = 20 mm ........................................84Fig. 3.13. Magnitud del coeficiente de reflexión S11 frente a la separación entre

bordes de la línea de transmisión y el stub en el rango de s = 0 mm a s = 25 mm .......................................................................................................................................85

Fig. 3.14. Magnitud del coeficiente de reflexión de la antena IFA para tamaños de su plano de masa en el rango de 0,03 λ a 0,25 λ .....................................................86

Fig. 3.15. Comportamiento del corte en elevación del diagrama de radiación para valores de longitud en el plano de masa de 0,03 λ a 0,25 λ ...........................86

Fig. 3.16. Comportamiento de la frecuencia central y adaptación del puerto frente al tamaño del plano de masa para un plano cuadrado con lado Gnd = 5 mm a 83 mm ................................................................................................................87

Fig. 3. 17. Comportamiento de la ganancia y directividad de la antena IFA frente al tamaño del plano de masa para un plano cuadrado con lado Gnd = 5 mm a 83 mm ................................................................................................................88

Fig. 3. 18. Eficiencia de radiación y eficiencia de antena frente al tamaño del plano de masa para un plano cuadrado con lado Gnd = 5 mm a 83 mm ............88

Fig. 3.19. Parámetros geométricos de diseño de antena plana F invertida ...............89Fig. 3.20. Magnitud del coeficiente de reflexión S11 para la antena F invertida

microstrip optimizada ..............................................................................................................90Fig. 3.21. Simulaciones de la distribución de corriente sobre la antena IFA

a la frecuencia central de resonancia (914 MHz) .........................................................91Fig. 3.22. Simulaciones del diagrama de radiación en 3D

a la frecuencia de 914 MHz ....................................................................................................92Fig. 3.23. Vista frontal del prototipo de antena IFA .............................................................92Fig. 3.24. Comparación de resultados de las mediadas en prototipo frente a las

simulaciones para la magnitud del coeficiente de reflexión S11 ...........................93Fig. 4.1. Vista lateral de antena en anillo circular cortocircuitado ................................99Fig. 4.2. Vista frontal de geometría preliminar de antena .............................................. 106

Fig. 4.3. Coeficiente de reflexión del diseño preliminar .................................................. 106Fig. 4.4. Diagramas en las direcciones de referencia y cruzadas

del diseño preliminar ............................................................................................................. 107Fig. 4.5. Relación axial de modelo preliminar ...................................................................... 108Fig. 4.6. Efecto del radio de excitación (ρ) en el coeficiente de reflexión S11 ....... 109Fig. 4.7. Efecto del radio externo (b) del anillo en la magnitud

del coeficiente de reflexión (S11) ..................................................................................... 110Fig. 4.8. Efecto del radio interno (a) del anillo en la magnitud del coeficiente

de reflexión (S11) .................................................................................................................... 111Fig. 4.9. Vista frontal de antena con hendiduras ................................................................ 112Fig. 4.10. Efecto del tamaño del slit (Ls, As) en la magnitud del coeficiente

de reflexión (S11) .................................................................................................................... 113Fig. 4.11. Efecto del tamaño de las hendiduras (Ls, As) en la relación axial .......... 113Fig. 4.12. Diagramas en elevación para las direcciones de referencia y cruzadas

con hendiduras de dimensiones Ls = 10 mm, As = 4 mm ...................................... 114Fig. 4.13. Diagramas en elevación para las direcciones de referencia y cruzadas

con hendiduras de dimensiones Ls = 5,5 mm, As = 2 mm ..................................... 116Fig. 4.14. Vista frontal de antena con hendiduras (slits) y prolongaciones

(stubs) ........................................................................................................................................... 117Fig. 4.15. Efecto del tamaño del “stub” en la magnitud del coeficiente

de reflexión S11 ........................................................................................................................ 117Fig. 4.16. Diagramas de la relación axial para diversos tamaños de

las prolongaciones (slots) .................................................................................................... 118Fig. 4.17. Diagramas en elevación para las direcciones de referencia y cruzadas

con hendiduras de dimensiones Ls = 4,5 mm, As = 2 mm, stub con dimensiones de 1,3 mm de largo y 3 mm de ancho ......................................... 119

Fig. 4.18. Fotografía de la vista frontal y posterior de la antena construida .......... 120Fig. 4.19. Resultados de las medidas comparadas con las simulaciones

para la magnitud del coeficiente de reflexión (S11) ................................................. 121Fig. 4.20. Resultados de las medidas comparadas con las simulaciones

para la ganancia de la antena en la dirección θ = 0 y Φ = 0 ................................... 122Fig. 4.21. Resultados de las medidas comparados con las simulaciones de

los diagramas de radicación normalizados para el corte en el plano XY ......... 122Fig. 4.22. Resultados de las medidas de los diagramas de radicación

de referencia y cruzado en el plano XY .......................................................................... 123Fig. 5.1. Evolución de un monopolo plano hasta una antena PIFA sencilla ............ 128Fig. 5.2. Geometría de una PIFA embebida en un teléfono móvil ................................ 128Fig. 5.3. Elementos fundamentales de una PIFA ................................................................. 129

Fig. 5.4. Geometría de la antena PIFA ...................................................................................... 136Fig. 5. 5. Geometrías de los alimentadores ........................................................................... 137Fig. 5.6. Pérdidas de retorno para las tres antenas, usando los tres tipos

de alimentadores ..................................................................................................................... 137Fig. 5.7. Distribución de corriente para la antena propuesta a 1960 MHz .............. 138Fig. 5.8. Diagramas de ganancia en elevación en antena con alimentador

de tres brazos para f = 1,689 GHz, 2,241 GHz y 3,068 GHz ................................... 139Fig. 5.9. Efecto de la separación entre placas radiante y de masa para

h = 11 mm, h = 11,6 mm y h = 12 mm ............................................................................ 140Fig. 5.10. Pérdidas de retorno de antena inicial contra nuevo diseño ...................... 141Fig. 5. 11. Efecto en las pérdidas de retorno debido al ancho de la placa

superior ....................................................................................................................................... 142Fig. 5.12. Distribución de corriente sobre la estructura mejorada ............................. 143Fig. 5.13. Efecto de las placas laterales adheridas a la placa superior ...................... 144Fig. 5.14. Foto de antena PIFA que incluye láminas laterales adheridas

al parche radiante .................................................................................................................... 145Fig. 5.15. Diagramas de ganancia en elevación en antena con alimentador

de tres brazos para: f = 1,55 GHz, 1,96 GHz y 2,24 GHz .......................................... 146Fig. 5.16. Diagrama de ganancia máxima .............................................................................. 147Fig. 5.17. Diagrama de eficiencia total .................................................................................... 147Fig. 5.18. Magnitud del coeficiente de reflexión simulado y medido para

el prototipo construido ......................................................................................................... 148Fig. 5.19. Estructura para simulación con láminas de 0,45 mm de espesor ........... 149Fig. 5.20. Distribución de corriente sobre la estructura considerando

espesor de 0,45 mm ............................................................................................................... 150Fig. 5.21. Simulaciones de las pérdidas de retorno para la misma estructura

con láminas de 0,45 mm y 0,002 mm de espesor ...................................................... 150Fig. 5.22. Simulaciones de las pérdidas de retorno para estructuras

con anchos de 38 mm y 23 mm ......................................................................................... 152Fig. 5. 23. Efecto del número de brazos del alimentador ................................................ 153Fig. 5. 24. Efecto de las placas laterales en la estructura final de 23 mm ................ 154Fig. 5.25. Distribución de corriente a 2,1 GHz sobre la estructura

sin placas laterales .................................................................................................................. 154Fig. 5.26. Distribución de corriente a 2,1 GHz sobre la estructura

con placas laterales ................................................................................................................. 155Fig. 5.27. Diagramas de radiación para cuatro frecuencias ........................................... 155Fig. 5.28. Diagramas de radiación para la frecuencia de 1,69 GHz ............................. 156Fig. 5.29. Diagrama de radiación para frecuencias de 3,068 GHz ............................... 156

Fig. 5.30. Distribución de corriente a 3,068 GHz ................................................................ 157Fig. 5.31. Distribución de corriente a 3,62 GHz .................................................................. 157Fig. 5. 32. Fotografía del prototipo para la antena PIFA de 23 mm ............................ 158Fig. 5.33. Pérdidas de retorno simulados y medidos para

la geometría propuesta en esta investigación ............................................................. 159Fig. 5.34. Geometría preliminar ................................................................................................. 163Fig. 5.35. Coeficiente de reflexión para geometría preliminar ..................................... 164Fig. 5.36. Comportamiento del coeficiente de reflexión frente

al largo del parche radiante ................................................................................................ 165Fig. 5.37. Coeficiente de reflexión para la geometría 2 .................................................... 166Fig. 5.38. Efecto en el coeficiente de reflexión debido a ubicación

de ranura en plano de masa ................................................................................................ 167Fig. 5.39. Análisis paramétrico sobre la longitud de la ranura manteniendo

una separación de 18 mm del borde de excitación ................................................... 167Fig. 5.40. Geometría del plano de masa incluyendo ranura ........................................... 168Fig. 5.41. Vista anterior de la antena ....................................................................................... 168Fig. 5.42. Coeficiente de reflexión para diferentes tamaños de la placa

de corto tipo meander (Lm) ................................................................................................ 169Fig. 5.43. Geometría de la antena con ranura en el parche radiante ......................... 170Fig. 5.44. Coeficiente de reflexión para antena con ranuras en el plano

de tierra y en el parche radiante ....................................................................................... 170Fig. 5.45. Geometría de la antena con nueva ranura en el parche radiante ............ 171Fig. 5.46. Coeficiente de reflexión con dos y tres ranuras .............................................. 171Fig. 5.47. Geometría final para antena propuesta .............................................................. 172Fig. 5.48. Coeficiente de reflexión para geometría final .................................................. 172Fig. 5.49. Distribución de corriente sobre la antena a una frecuencia

de 890 MHz ................................................................................................................................ 173Fig. 5.50. Distribución de corriente sobre la antena a una frecuencia

de 1,94 GHz. ............................................................................................................................... 173Fig. 5.51. Ganancia máxima para propuesta final .............................................................. 174Fig. 5.52. Eficiencia para propuesta final ............................................................................... 174Fig. 5.53. Diagramas de ganancia en elevación para la frecuencia de 830 MHz ... 175Fig. 5.54. Diagramas de ganancia en azimut para la frecuencia de 830 MHz......... 175Fig. 5.55. Diagramas 3D para la frecuencia de 830 MHz ................................................. 176Fig. 5.56. Diagramas de ganancia en elevación para

la frecuencia de 1945 MHz .................................................................................................. 177Fig. 5.57. Diagramas de ganancia en azimut para la frecuencia de 1945 MHz ...... 177Fig. 5.58. Diagramas 3D para la frecuencia de 1945 MHz .............................................. 178

Fig. 5.59. Diagramas de ganancia en elevación para las frecuencia de 830 MHz y 1945 MHz ......................................................................... 178

Fig. 5.60. Diagramas de ganancia en azimut para las frecuencia de 831 MH y 2141 MHz ......................................................................................................... 179

Fig. 5.61. Comparación del comportamiento del coeficiente de reflexión frente al espesor del material para espesores de 0,3 mm y 0,002 mm.......................... 180

Listado de tablas

Tabla 2.1. Propiedades dieléctricas de tejidos a 900 MHz [43] ......................................70

Tabla 2.2. Límites de exposición de SAR 1W kg − [42] .................................................71

Tabla 3.1. Dirección de ganancia máxima en función del tamaño del plano de masa para 180° > θ >0° ......................................................................................................91

Tabla 5.1. Resultados del ancho de banda con los tres alimentadores ..................... 142

Tabla 5.2. Resultados del ancho de banda respecto al ancho de la placa superior ................................................................................................................ 146

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes y motivación

Aplicaciones como identificación por radiofrecuencia (RFID), sistemas de posicionamiento global como GPS, Galileo o Glonass o comunicaciones en satélites de reducido tamaño requieren del uso de antenas con polarización circular con altas prestaciones en cuanto a ganancia, ancho de banda y rela-ción axial, lo cual les exige a los investigadores desarrollar nuevas propues-tas de antenas que satisfagan estas exigencias [1], [3]. Por otra parte, el de-sarrollo de antenas para la industria de aplicaciones móviles de telefonía y datos, redes de área local inalámbricas (WLAN) y redes de área personal inalámbricas (WPAN) ha experimentado un crecimiento muy rápido en años recientes, impulsado por las demandas exigidas por los usuarios en térmi-nos de sus funcionalidades y por el deseo de movilidad en la comunicación y el rompimiento de las conexiones físicas a la red. Estos desarrollos se con-vierten en el fragmento de mayor y más rápido crecimiento dentro del área de las telecomunicaciones. Asimismo, un creciente número de estándares de comunicaciones inalámbricas que no forman parte de las comunicaciones celulares ha introducido en los terminales móviles servicios tales como radio FM, GPS, Bluetooth, WLAN, Wi-Fi, DVB-H, RFID y UWB.


16

En este sentido, el advenimiento de estándares como LTE (Long Term Evolution) y LTE Advanced requiere que los terminales móviles incluyan más antenas integradas para bandas celulares y no celulares, al igual que para aplicaciones de sistemas MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output). Esta combinación del problema de integración y de los requerimientos del diseño práctico de las antenas para terminales móviles genera un interesante reto para los investigadores.

Los nuevos diseños exigidos en un mercado cambiante involucran aspec-tos como estrategias para la reducción de tamaño, peso y costos de fabrica-ción; técnicas de integración de antenas; antenas con ancho de banda grande o múltiples resonancias; antenas que permitan implementar diversidad de polarización, y sistemas MIMO tanto en la estación base como en el terminal móvil. En particular, el ancho de banda de impedancia, el ancho de banda de polarización o relación axial y los diagramas de radiación y ganancia son pa-rámetros de gran importancia que condicionan el uso de una antena en sis-temas de comunicaciones inalámbricas, sistemas de posicionamiento como GPS, Galileo, Glonass, sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) y sistemas de comunicaciones terrenas o satelitales, lo cual exige el diseño de antenas o agrupaciones de antenas con reducida separación espacial y de acoplamiento [2], [3].

Múltiples diseños de antenas para aplicaciones inalámbricas, con el desempeño exigido por algunos de los servicios y sistemas planteados antes, y que satisfagan de igual manera las limitaciones en tamaño y bajo costo, se encuentran disponibles en la literatura; sin embargo, es muy escasa la infor-mación relativa a los métodos de diseño y desarrollo de estas aplicaciones [4], [6]. La mayoría de las veces, el diseño es determinado por la experiencia del investigador, que usualmente emplea herramientas de diseño asistidas por computador (CAD).

En los últimos años, varios investigadores han desarrollado herramientas de diseño que utilizan optimización automatizada, basados en diversos algo-ritmos heurísticos como algoritmos genéticos [7], [9], particle-swarm [10], si-mulated annealing [11], redes neuronales [12] y otros métodos más. Aunque este tipo de métodos ofrece solución a problemas específicos, presenta el inconveniente de que si se requiere alguna modificación de la estructura en

Introducción

17

alguna dirección, se debe ejecutar nuevamente el algoritmo y no se extraen de estos métodos guías de diseño.

En 1971, Garbacz [13] formuló un interesante método para el análisis y diseño de antenas, basado en la teoría de la descomposición modal de la co-rriente superficial presente en una estructura, la cual fue denominada en su momento como “la teoría de los modos característicos”. Este método brinda una interesante alternativa de análisis y diseño que puede ser empleada en antenas de hilo y antenas planas. La gran ventaja de los modos característi-cos frente a otros métodos de diseño es la clara visión física que proporcio-nan sobre los fenómenos que contribuyen a la radiación de la antena. Esta teoría fue posteriormente refinada por Harrington y Mautz [14], [15].

Tradicionalmente, los modos característicos han sido empleados para sintetizar formas de antena y para controlar la difracción de objetos me-diante carga reactiva; sin embargo, en la actualidad la teoría de los modos característicos ha caído prácticamente en el olvido, a pesar de que permite obtener una solución modal para la corriente que es de gran utilidad a la hora de estudiar problemas de análisis, síntesis y optimización de antenas y difractores. De igual manera, la información proporcionada por los modos característicos puede ser aprovechada para seleccionar la forma más apro-piada para el elemento radiante, al igual que para elegir una configuración de alimentación óptima que maximice el ancho de banda de impedancia.

En principio, este es el método más completo para el diseño, el análisis y la optimización de antenas; sin embargo, es un método complejo que re-quiere, en la actualidad, el aporte de nuevos investigadores que continúen con su desarrollo. Su complejidad es tal que hasta el momento varios inves-tigadores que trabajaron en su desarrollo por un tiempo lo han abandonado [13], [15]; pese a esto, recientemente este método ha sido retomado [16], [18] y aplicado sobre el método ha sido aplicado sobre estructuras con geo-metrías planas y formas canónicas, aunque no hay nada reportado respecto a su utilización en estructuras más complejas.

Este libro fue escrito, en primer lugar, como respuesta a la invitación formulada por el programa de Doctorado en Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y, en segundo lugar, con el ánimo de intro-ducir a los estudiantes de pregrado o posgrado inquietos en temas asociados


18

con el estudio o desarrollo de este tipo de antenas, así como a profesiona-les que desarrollan su actividad en el interior de empresas prestadoras de servicios de telecomunicaciones que desean ampliar sus conocimientos o aportar soluciones concretas para aplicaciones en el medio en el que se desenvuelven.

El desarrollo del libro está basado en la revisión de las técnicas conven-cionales existentes en la literatura para el diseño de antenas planas, las cua-les han sido escritas en forma dispersa en revistas, memorias de congresos y libros; asimismo, en la experiencia adquirida por el autor en el desarrollo de este tipo de antenas en el transcurso de sus estudios doctorales llevados a cabo en el Grupo de Radiación Electromagnética (GRE) de la Universidad Politécnica de Valencia, al igual que en el trabajo posterior que se ha venido desarrollando en el grupo LIMER de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Algunos de los resultados reportados en este libro han sido validados mediante la caracterización realizada sobre prototipos construidos, o bien, en simulaciones hechas sobre geometrías propuestas, haciendo uso de he-rramientas numéricas de análisis electromagnético propias o comerciales.

Algunos trabajos previos que fundamentan el desarrollo de las nuevas propuestas descritas en este libro han sido llevados a cabo en los grupos GRE y LIMER, y estos de alguna manera aportan en aspectos relacionados con la metodología de diseño o en técnicas de excitación para ampliar el ancho de banda en antenas planas. Dentro de los trabajos base para este propósito se mencionan los siguientes: en [19] se presenta el desarrollo de una antena PIFA que hace uso de un excitador con geometría rectangular, mediante el análisis previo de los modos característicos de bajo orden presentes en la es-tructura; en [20] se muestra el desarrollo de una antena PIFA con excitación múltiple, utilizando para tal fin un excitador tipo tridente y comparando sus resultados frente a un excitador simple y de dos brazos; en [21] se presenta el desarrollo de una antena de banda múltiple para terminales móviles, basa-da en la generación de resonancias en el plano de masa del terminal; en [22] se muestra el análisis modal de un plano de masa radiante doblado y con una ranura para terminales móviles.

Introducción

19

Por su parte, en [23] se muestra el desarrollo de una antena PIFA con excitación capacitiva, logrando un ancho de banda de impedancia medido en un prototipo construido en el rango de 1,18 GHz a 2,24 GHz (61,92%), para coeficiente de reflexión de –10dB. Esto permite que la antena propuesta pue-da operar simultáneamente en varios estándares de telefonía celular, como DCS, PCS, UMTS y IEEE 802.16.

En [24] se presenta el diseño de una antena plana F invertida que utiliza una geometría en la cual se dividen en dos partes las placas superior (radian-te), de corto, de tierra y de excitación capacitiva. Mediante esta geometría y la técnica de excitación capacitiva se logran alcanzar anchos de banda de diagrama y de impedancia cercanos al 52,44% (1,66 GHz a 2,84 GHz) y del 8% (3,36 GHz a 3,64 GHz) para un VSWR ≤ 2.0. Los resultados medidos para estos parámetros son superiores a los obtenidos mediante la técnica tradi-cional de excitación directa con terminal u otros métodos de excitación ca-pacitiva utilizados en antenas planas F invertidas (PIFA). El prototipo cons-truido permite la operación simultánea de la antena en las bandas de DSC 1800, DSC 1900, UMTS, WiFi, 2,4 GHz, WiMAX (2,3 GHz a 2,5 GHz, y 3,4 GHz a 3,5 GHz) y en la banda asignada para el estándar (Bluetooth).

1.2. Objetivos y metodología utilizada

El objetivo de este libro es introducir a los estudiantes de pregrado o posgra-do en temas asociados al estudio o desarrollo de antenas planas, así como a profesionales que desarrollan su actividad en el interior de empresas pres-tadoras de servicios de telecomunicaciones y que desean ampliar sus cono-cimientos o aportar soluciones concretas para aplicaciones en el medio en el que se desenvuelven. Por ello, este libro desarrolla inicialmente un completo capítulo sobre los fundamentos teóricos relacionados con los elementos ra-diantes, incluyendo parámetros específicos asociados a comunicaciones mó-viles; esto, por considerar que se trata de la base fundamental sobre la cual se desarrollan los capítulos restantes.

Por otra parte, en este libro se aportan soluciones al problema de diseño de antenas con polarización circular para aplicaciones en comunicaciones de satélites de reducido tamaño, sistemas de posicionamiento GPS, Galileo


20

y Glonass, o sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID). De igual manera, se investigan y desarrollan nuevas aportaciones relacionadas con la optimización del ancho de banda de antenas planas para aplicaciones en comunicaciones inalámbricas en el terminal móvil o dispositivos portátiles móviles de telefonía y datos, redes de área local inalámbricas (WLAN), así como en redes de área personal inalámbricas (WPAN). Algunas de las solu-ciones propuestas pueden operar simultáneamente en las bandas de GSM, UMTS, PCS, Wi-Fi, WiMAX, IEEE 802.11b, Zigbee y Bluetooth.

El primer objetivo propuesto sobre desarrollo de antenas con polariza-ción circular se pretende alcanzar mediante el estudio de antenas de anillo circular cortocircuitado, optimizando su desempeño a través del uso de ra-nuras y prolongaciones correctamente ubicadas. En el segundo caso, inicial-mente se explora el diseño de antenas IFA sobre sustratos microstrip, para luego estudiar el problema del diseño apropiado de excitadores de banda ancha con excitación múltiple, complementado con el diseño óptimo de la geometría total de la antena y el uso de ranuras en planos de masa y parche radiante. La técnica de ampliación del ancho de banda puede no ser suficien-te para cubrir el rango de frecuencias deseado, por lo cual se pueden combi-nar las técnicas de banda ancha y de resonancia múltiple.

Se diseñan y construyen cuatro prototipos con excelentes resultado: a) una antena IFA plana sobre sustrato con ancho de banda del 7,4%; b) una antena en anillo circular cortocircuitado con ancho de banda del 3,32%; c) se construye una primera PIFA que presenta una sola resonancia en la banda de 1-3 GHz, la cual tiene un ancho de banda del 47% para coeficiente de reflexión inferior a –10 dB, y una segunda PIFA con doble resonancia en la banda de 1-3 GHz, que presenta un ancho de banda de 48% en la primera resonancia y un ancho de banda del 21% en la segunda resonancia para las mismas pérdidas de retorno; d) una tercera PIFA con resonancia múltiple, aplicando ranuras tanto en el plano de masa como en el parche radiante, que puede operar simultáneamente en las bandas baja y alta de telefonía celular con respuesta desde 830 MHz hasta 2,4 GHz.

El procedimiento llevado a cabo en esta investigación es el de hacer uso de códigos propios basados en método de los momentos y desarrollados en el interior del grupo LIMER, al igual que mediante el software comercial de

Introducción

21

dibujo GID [25], que posee herramientas versátiles de dibujo en 3D y permi-te mallar la estructura, la cual es procesada luego en un código de análisis electromagnético basado en el método de los momentos sobre Matlab [26]. De igual manera, se hace uso de software comercial especializado, como es el caso de IE3D [27] y FEKO [28], para finalmente construir y medir algunas de las antenas estudiadas en los capítulos 3, 4 y 5.

Para el diseño de este tipo de antenas, los investigadores normalmente recurren a la metodología de partir de una geometría inicial resultado de los modelos existentes —los cuales, en su mayoría, son incompletos—, para luego, con base en esta geometría preliminar, utilizar el modelo más com-pleto denominado de onda completa—. De esta manera, el desarrollo de la investigación se fundamenta en un estudio paramétrico realizado sobre las dimensiones de diversos elementos que dependen del tipo de antena.

La metodología de diseño utilizada en este trabajo es muy laboriosa, dado la interdependencia de los elementos que forman parte de la antena; sin em-bargo, es la utilizada por la gran mayoría de investigadores que trabajan en esta materia. Como una referencia del esfuerzo dedicado en el desarrollo de las antenas presentadas en los capítulos 3, 4 y 5, el autor realizó más de 170 simulaciones, de las cuales en este documento se reportan solo algunos de los resultados más relevantes.

1.3. Organización del documento

El contenido del libro se divide en la introducción y cuatro (4) capítulos. En la introducción, como se ha observado, se presentan los antecedentes, la mo-tivación, los objetivos y la metodología para el estudio de las antenas presen-tadas en el libro, al igual que su organización general.

En el capítulo 2 se desarrolla inicialmente un apartado completo sobre los fundamentos teóricos relacionados con los elementos radiantes, inclu-yendo parámetros específicos asociados a comunicaciones móviles; esto, por considerar que se trata de la base fundamental sobre la cual se desarrollan los capítulos restantes.

Es importante señalar que en cada capítulo se realizará una revisión histórica sobre los estudios previos relacionados con el análisis y diseño de


22

este tipo de antenas planas, no solo desde el punto de vista cronológico, sino desde la perspectiva de su aportación, en su momento, al desarrollo de estas antenas.

En el capítulo 3 se lleva a cabo un completo estudio sobre las antenas IFA con conductores simples sobre plano de masa. Este estudio fundamenta el desarrollo de una antena IFA plana sobre sustrato microstrip, el cual es validado mediante el diseño y la caracterización de una antena de este tipo a una frecuencia de 915 MHz.

En el capítulo 4 se presenta un completo análisis de antenas de anillo cir-cular cortocircuitado con polarización circular, y se diseña y caracteriza una antena sobre la banda de 2,4 GHz, con un ancho de banda del 3,33%.

En el capítulo 5 se estudian tres antenas PIFA. La primera propuesta de antena PIFA con excitación directa presenta una sola resonancia con un an-cho del 47,1%. Con base en esta se diseña una segunda estructura con doble resonancia, logrando una primera banda con ancho de banda del 48,34% y una segunda banda con un 21,74%; estos resultados satisfacen los objetivos buscados. Por otra parte, se lleva a cabo un completo estudio sobre el método de generación de resonancias múltiples, mediante la elaboración de ranuras tanto en el plano de masa como en el parche radiante en antenas PIFA, para lo cual se presenta el procedimiento de diseño y los resultados de simulación de una antena PIFA con un ancho de banda que permite la operación de la antena en la banda baja de telefonía celular (GSM 850, GSM 900), al igual que en la banda alta de telefonía celular (GSM 1800, GSM 1900, PCS y UMTS).

El autor agradece al grupo de investigación GRE de la Universidad Politécnica de Valencia por su ayuda en la fabricación y caracterización de algunos de los prototipos presentados en este trabajo, así como por permitir el uso de sus licencias de software para programas de análisis electromagné-tico, como GID [25], IE3D [27] y FEKO [28].

CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1. Introducción

Los parámetros fundamentales permiten caracterizar el desempeño de una antena para de esta manera poder diseñar, seleccionar o estudiar una antena en particular. Algunos de estos parámetros fundamentales están interrela-cionados, y no es necesario utilizarlos todos para describir completamente su desempeño.

Desde el punto de vista de su definición, es conveniente diferenciar los parámetros de una antena según se relacionen con transmisión o recepción; sin embargo, el teorema de reciprocidad establece la equivalencia entre am-bas situaciones. Dentro de los parámetros más importantes para una antena de transmisión podemos mencionar los siguientes: diagramas de radiación, ancho de haz de mitad de potencia (HPBW), ancho de haz entre primeros ceros (FNBW), nivel de lóbulo principal a secundario (SLL), relación delan-te-atrás (FTBR), polarización, eficiencia de radiación, eficiencia de haz, den-sidad de potencia radiada, intensidad de radiación, directividad, ganancia, potencia máxima, impedancia de la antena, anchos de banda de impedancia y ancho de banda de diagrama; este último parámetro, a su vez, se asocia con otros que permiten caracterizarla, como es el caso de las pérdidas de retorno

24


(Return Loss), el coeficiente de reflexión y la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR).

Además, desde el punto de vista de una antena en recepción, pueden mencionarse parámetros como área y longitud efectiva y adaptación. Varias de estas definiciones provienen del documento IEEE standard definition of terms for antennas [29], [30].

2.2. Diagrama de radiación

Un diagrama de radiación se define como una función matemática o un dia-grama que describe las propiedades de radiación de una antena (densidad de flujo de potencia, intensidad de radiación, intensidad de campo, directi-vidad, fase o polarización), en función de las coordenadas espaciales. En la mayoría de casos, el diagrama de radiación se determina en la zona de cam-po lejano y se representa en función de las coordenadas esféricas. En caso de que la propiedad medida sea el campo —que es una magnitud vectorial—, es necesario determinar el valor de dos componentes ortogonales (θ, Φ) en cada punto de una esfera de radio constante, con la antena en el centro de esta. La Fig. 2.1 muestra un diagrama de radiación definido mediante la fun-ción (2.1).

2ˆ ser mK a B sen nθ φ= , 0 0yθ π φ π≤ ≤ ≤ ≤ (2.1)

0,5

0,5

0,51

1

-1

-1

-0,5

-0,5 -0,5

0

0

0

Intensidad de campo E

Fig.2.1. Diagrama de radiación definido mediante función matemática

Fundamentos teóricos

25

El diagrama más utilizado es el que muestra la distribución espacial (2D o 3D) de la energía radiada en función de la posición del observador a lo largo de una trayectoria o superficie con radio constante, la cual es medida usual-mente en una cámara anecoica (Fig. 2.2). El nombre del diagrama depende de la propiedad de radiación medida; en estas condiciones, puede disponer-se de diagramas de potencia radiada (mide potencia radiada).

Fig.2.2. Cámara anecoica

Los diagramas de potencia (escala lineal) representan típicamente el cuadrado de la magnitud del campo eléctrico o magnético en función de las coordenadas angulares espaciales. Por otra parte, es muy usual disponer de los diagramas de amplitud de la intensidad de campo (E) denominados dia-gramas de campo. En ambos casos, el radio de la trayectoria de medida es constante. Habitualmente, estos diagramas se normalizan respecto al máxi-mo y se grafican en escala logarítmica o comúnmente en dB, lo cual permite acentuar detalladamente aquellas partes del diagrama que poseen niveles bajos. Es importante notar que el campo magnético H puede ser obtenido con base en el campo eléctrico E; de tal manera, es suficiente con obtener uno de los dos.

Un observador ubicado a gran distancia de una antena vería que la energía radiada por esta sería puntual, es decir, los frentes de onda serían

26


esféricos. Al punto que se constituye en el centro de curvatura de las superfi-cies con fase constante se le denomina centro de fase de la antena.

Un diagrama en el que se mide una propiedad de radiación de una antena a una distancia específica (trayectoria con radio constante) es denominado diagrama relativo, el cual es utilizado en la caracterización de una antena. Por otra parte, existen los diagramas de radiación absolutos, en los cuales se relacionan los puntos que poseen un nivel determinado del parámetro se-leccionado en función de la distancia a la antena. Este tipo de diagramas son útiles en los estudios de cobertura de un sistema.

2.2.1. Cortes principales de un diagrama de radiación

La información suministrada por un diagrama volumétrico puede ser re-dundante desde el punto de vista práctico. Por otra parte, obtener medidas de diagramas en 3D en una cámara anecoica o en espacio libre requiere de mucho tiempo para su ejecución, a pesar de los recientes avances en posicio-nadores que permiten hacer barridos en azimut y elevación. La Fig. 2.3 (de-recha) muestra el diagrama de radiación 3D medido en la cámara anecoica mostrada en la Fig. 2.2, para la antena plana F invertida que se presenta en la misma figura (izquierda), la cual fue desarrollada en [31].

1

-1-0,5

0,50,5

y x-0,5

00

-1

1

Fig.2.3. Antena PIFA (izquierda) y diagrama de radiación 3D (derecha)


27

Teniendo en cuenta lo anterior, los resultados de las medidas en cámara anecoica o espacio libre para antenas con polarización lineal se suelen repre-sentar en diagramas 2D que muestran los cortes principales del diagrama volumétrico. Estos cortes principales se llaman corte plano E o en elevación y corte plano H o en azimut. En la Fig. 2.4 se distinguen los cortes principales del diagrama 3D, que típicamente son generados por una antena de bocina.

El corte plano E o en elevación se define como el plano que contiene el vec-tor de campo eléctrico E y la dirección de radiación máxima. Este diagrama se obtiene para un ∅ constante (∅ = 0) en función de θ, el cual corresponde al corte plano XZ en la Fig. 2.4. Por su parte, el corte plano H o de azimut se defi-ne como el plano que contiene el vector de campo magnético H y la dirección de radiación máxima. Este diagrama se obtiene para un θ constante (∅ = p/2) en función de ∅, el cual se corresponde con el corte XY en la Fig. 2.4. Ambos planos (E y H) determinan una línea que define la dirección de máxima ra-diación de la antena [32], [35].

Fig. 2.4. Cortes principales: corte plano H y corte plano E para una antena de bocina

28


Los cortes en 2D del diagrama se pueden representar en coordenadas polares o cartesianas. En el primer caso, el ángulo representa la dirección y el radio la intensidad de campo; por otra parte, en coordenadas cartesianas, la abscisa X representa el ángulo y la ordenada Y representa la intensidad de campo. En la Fig. 2.5 se muestra el corte plano E en coordenadas polares para la antena PIFA de la Fig. 2.3, el cual fue medido en la cámara anecoica que se presenta en la Fig. 2.2 [31].

Los diagramas de radiación en 2D representados en coordenadas po-lares suministran una información mucho más clara de la distribución de energía en las diferentes direcciones del espacio, mientras que los diagramas de radiación en coordenadas cartesianas permiten observaciones en detalle de la distribución de energía para las antenas directivas.

Fig. 2.5. Corte plano E en coordenadas polares para antena PIFA [31]

2.3. Tipos de diagrama de radiación

Los diagramas de radiación se clasifican usualmente como:a. Isótropos. Definen la energía radiada por una antena hipotética sin

pérdidas, que radia su energía igualmente en todas las direcciones


29

(sobre una esfera), la cual es tomada como una referencia para mos-trar las características direccionales de las antenas reales.

b. Directivo. Tiene la característica de radiar o recibir campos electro-magnéticos más eficientemente en algunas direcciones que en otras. En la Fig. 2.6 se muestra el diagrama en elevación en coordenadas cartesianas 2D (derecha), medido en cámara anecoica para la antena desarrollada en [36]. El prototipo de esta antena se muestra en la misma figura (izquierda). La definición de antena directiva se aplica usualmente al tipo de antenas que poseen una directividad máxima considerablemente mayor que la de un dipolo λ/2.

0

-10

-20

-30

-40

-50-50

Grados

E Fi

eld

(dB)

Measured radiation pattern at 2.4Ghz

0 50 100-100

E copolarE cross-pol

Fig. 2.6. Antena de parches apilados (izquierda) y diagrama de radiación directivo en coordenadas cartesianas (derecha) [36]

Otro tipo de diagrama útil en aplicaciones donde se requiere recibir o transmitir ondas de radio en todas las direcciones en azimut es el diagrama omnidireccional, cuyo ejemplo representativo es generado por un dipolo λ/2 (Fig. 2.7). Este diagrama de radiación presenta simetría de revolución en torno a un eje.

El diagrama del dipolo presenta un comportamiento no directivo en azimut (f(∅), θ = π/2), así como un diagrama directivo en elevación (f (θ), ∅ = k); de tal manera, este tipo de diagramas es directivo en un plano y no directivo en un plano ortogonal a este. Las antenas PIFA presentan un comportamiento de su diagrama de radiación aproximadamente omnidireccional (Fig. 2.3

30


derecha), lo cual es útil para aplicaciones en los terminales móviles de los sistemas de telefonía celular.

Fig. 2.7. Diagrama de radiación omnidireccional para antena dipolo λ/2

2.4. Partes de un diagrama de radiación

Los diagramas de radiación directivos están compuestos por una serie de lóbu-los, los cuales se identifican en la Fig. 2.8. Allí se puede notar un lóbulo princi-pal (o haz principal), que se define como el lóbulo de radiación que contiene la dirección de máxima radiación; los lóbulos laterales identifican todos los lóbu-los restantes de un diagrama, con excepción del lóbulo principal; los lóbulos se-cundarios identifican a aquellos lóbulos laterales de mayor nivel, usualmente adyacentes al lóbulo principal; por último, el lóbulo posterior es un lóbulo cuyo eje forma un ángulo de 180° respecto al lóbulo principal.

Lóbuloprincipal

Lóbuloposterior

Lóbulossecundarios

Lóbuloslaterales

Fig. 2.8. Lóbulos de un diagrama de radiación directivo


31

Por otra parte, en los diagramas de radiación se pueden definir otros pa-rámetros muy importantes, como es el caso del ancho de haz de mitad de po-tencia (HPBW), el ancho de haz entre primeros ceros (FNBW) —mostrados en la Fig. 2.9 (izquierda)—, el nivel de lóbulo principal a secundario (SLL) y la relación delante atrás (FTBR) —mostrados en la Fig. 3.9 (derecha)—. El ancho de haz de –3dB (HPBW) se define como la separación angular entre las direcciones en las que el diagrama de radiación de potencia toma el valor de la mitad del máximo del lóbulo principal (Fig. 2.10, izquierda). Por otra parte, cuando el diagrama es de campo, se trata de la separación angular en-tre las direcciones en las que el valor del campo ha caído 0,707 del máximo del lóbulo principal (Fig. 2.10, derecha).

El ancho de haz entre ceros (FNBW) es la separación angular de las direc-ciones del espacio en las que el lóbulo principal toma el primer valor mínimo (nulos del diagrama). La relación del lóbulo principal a secundario (NLPS, SLL) es el valor en dB del cociente entre el valor del diagrama en la direc-ción de máxima radiación del lóbulo principal y el valor del diagrama en la dirección de máxima radiación del lóbulo secundario (Fig. 2.9, izquierda). La relación delante-atrás (FTBR) es el cociente en dB entre el valor de la direc-tividad máxima de una antena y el valor de la directividad en una dirección específica a la espalda de la dirección de máxima directividad. Si la dirección a la espalda no se especifica, esta debe tomarse como la directividad máxima en el hemisferio posterior relativo a la orientación de la antena [29]. Esta definición aplica a antenas directivas.

Fig. 2.9. Parámetros fundamentales de un diagrama de radiación

32


2.5. Zonas de radiación de una antena

La referencia [32] presenta un interesante planteamiento sobre esta temáti-ca. En este trabajo se divide el espacio que rodea una antena en tres regiones, a saber:

a. Campo cercano reactivo. Está ubicado en la zona cercana que ro-dea la antena, donde predominan los campos reactivos. La distan-cia desde la superficie de la antena que determina esta zona es de R < 0,62 30.62R D λ< , donde D es la longitud mayor de la antena (Fig. 2.11, izquierda).

Fig. 2.10. Ancho de haz de potencia mitad para diagrama de potencia y de campo

b. Zona de Fresnel o campo cercano de radiación. Se define como la zona comprendida en torno a una antena, entre la zona reactiva y la zona de campo lejano, donde los campos son predominante-men-te de radiación y la distribución angular del campo depende de la distancia desde la antena, determinada por el siguiente intervalo: R $ 0,62 30.62R D λ≥ y 22R D λ< . Si la antena posee dimensiones máxi-mas muy pequeñas respecto a la longitud de onda, esta región no existe. Este criterio se toma con base en un error de fase máximo de

8π . En esta región, el diagrama de campo depende de la distancia

Introducción al diseño de análisis de antenas...

Documents

Transcript of Introducción al diseño de análisis de antenas...