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Antena Microstrip

La tecnología microstrip en la cual están basadas las antenas tipo "parche". Tiene mucha importancia este tipo de antenas cuando el tamaño reducido es sumamente primordial, por ejemplo en el área de la aeronáutica, aviación, satélites, aplicaciones en misiles, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas en general, y para frecuencias elevadas principalmente en los rangos de microondas y ondas milimétricas.

Si bien, una antena microstrip es un tipo de antena que usa para procesar señales de frecuencia muy altas. Además, este tipo de antena tiene la ventaja de que no cuesta mucho fabricarla, aunque también tiene el inconveniente de que tiene una ancho de banda limitado. Como la mayoría sabrá, una antena es un dispositivo diseñado para transmitir y recibir ondas electromagnéticas. Se usa en equipos de radio para convertir ondas de radio en corrientes eléctricas y viceversa.
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.

Principio 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 (0.003λ <h <0.05λ), para evitar fugas y ondas superficiales. La permitividad es a (3< εr< 10), para que las líneas de campo estén confinadas en torno a la línea microstrip.

Formas 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.

Técnicas de Alimentación

Técnica por Contacto
  • Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación)
  • Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching)

Técnicas sin contacto
  • Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo CPL (Cross Polarization Level)
  • Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%),
  • Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa

Diseño de una antena Microstrip
Si se considera que la altura h es demasiado pequeño (h < 0.05λ), para el cual el campo a lo largo del eje Z se considera constante, la frecuencia de resonancia se determina utilizando el modo TMmn0:
siendo:
           Xmn representa los ceros  de la derivada de la función de Bessel y determina el orden de la frecuencia de resonancia.

Los valores de Xmn se presentan en la siguiente tabla:
El parche se eléctricamente más largo, por lo tanto esta el concepto de radio efectivo que es:
Para el modo TM110 y se considera μr=1(para el cobre, material del parche), por lo tanto se reemplazó a po ae,. La expresión de resonancia se reduce a esto:
Despejando para obtener una expresión para ae en función de fr:
Para calcular el radio a del parche circular con la siguiente expresión:
La distancia del centro al punto de alimentación del parche "Sf" se emplea lo siguiente:

Ejemplo

Si se quiere diseñar una antena microstrip teniendo las siguientes especificaciones:
  • Banda: UHF
  • Rango de frecuencias: 470 MHz - 746 MHz
  • Frecuencia central: 608 MHz
  • Impedancia característica: 75 Ω
  • Sustrato: Baquelita εr=4.35
  • Altura h del sustrato: 1.5 mm

Por lo tanto, su radio efectivo será:
Radio de la antena:
Punto de alimentación:
Longitud del sustrato:
Ya teniendo estos datos, ya se puede diseñar la antena basándonos en el siguiente dibujo:

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