En telecomunicaciones , una antena de microbanda (también conocida como antena impresa ) generalmente significa una antena fabricada usando técnicas fotolitográficas en una placa de circuito impreso (PCB). [1] Es una especie de antena interna. Se utilizan principalmente en frecuencias de microondas . Una antena de microbanda individual consiste en un parche de lámina de metal de varias formas (una antena de parche ) en la superficie de una PCB ( placa de circuito impreso ), con un plano de tierra de lámina de metalen el otro lado del tablero. La mayoría de las antenas de microbanda constan de varios parches en una matriz bidimensional. La antena generalmente se conecta al transmisor o receptor a través de líneas de transmisión de microbanda de lámina . La corriente de radiofrecuencia se aplica (o en las antenas receptoras se produce la señal recibida) entre la antena y el plano de tierra. Las antenas de microbanda se han vuelto muy populares en las últimas décadas debido a su perfil plano delgado que puede incorporarse a las superficies de productos de consumo, aviones y misiles; su facilidad de fabricación mediante circuito impresotécnicas; la facilidad de integrar la antena en la misma placa con el resto del circuito, y la posibilidad de agregar dispositivos activos como circuitos integrados de microondas a la propia antena para hacer antenas activas [2] Antena de parche
El tipo más común de antena de microbanda se conoce comúnmente como antena de parche . También son posibles las antenas que utilizan parches como elementos constitutivos de una matriz. Una antena de parche es una antena de banda estrecha y haz ancho fabricada grabando el patrón del elemento de la antena en una traza de metal adherida a un sustrato dieléctrico aislante , como una placa de circuito impreso , con una capa de metal continua adherida al lado opuesto del sustrato que forma un plano de tierra . Las formas comunes de antenas de microbanda son cuadradas, rectangulares, circulares y elípticas, pero es posible cualquier forma continua. Algunas antenas de parche no usan un sustrato dieléctrico y en su lugar están hechas de un parche de metal montado sobre un plano de tierra usando espaciadores dieléctricos; la estructura resultante es menos robusta pero tiene un ancho de banda más amplio . Debido a que tales antenas tienen un perfil muy bajo, son mecánicamente resistentes y pueden moldearse para adaptarse a la piel curva de un vehículo, a menudo se montan en el exterior de aeronaves y naves espaciales, o se incorporan en dispositivos móviles de comunicaciones por radio .
Ventajas
Las antenas microstrip son relativamente económicas de fabricar y diseñar debido a la geometría física bidimensional simple. Por lo general, se emplean en UHF y frecuencias más altas porque el tamaño de la antena está directamente relacionado con la longitud de onda en la frecuencia resonante . Una antena de parche único proporciona una ganancia directiva máxima de alrededor de 6-9 dBi . Es relativamente fácil imprimir una serie de parches en un solo sustrato (grande) utilizando técnicas litográficas. Los arreglos de parches pueden proporcionar ganancias mucho mayores que un solo parche con un costo adicional mínimo; El emparejamiento y el ajuste de fase se pueden realizar con estructuras de alimentación de microbandas impresas, nuevamente en las mismas operaciones que forman los parches radiantes. La capacidad de crear matrices de alta ganancia en una antena de bajo perfil es una de las razones por las que las matrices de parches son comunes en aviones y en otras aplicaciones militares.
Este conjunto de antenas de parche es una manera fácil de crear un conjunto de antenas en fase con capacidad de formación de haces dinámica . [3]
Una ventaja inherente a las antenas de parche es la capacidad de tener diversidad de polarización . Las antenas de parche se pueden diseñar fácilmente para tener polarizaciones verticales, horizontales, circulares a la derecha (RHCP) o circulares a la izquierda (LHCP), utilizando múltiples puntos de alimentación o un único punto de alimentación con estructuras de parche asimétricas. [4] Esta propiedad única permite que las antenas de parche se utilicen en muchos tipos de enlaces de comunicaciones que pueden tener requisitos variados.
Parche rectangular
La antena de microbanda más comúnmente empleada es un parche rectangular que parece una línea de transmisión de microbanda truncada . Tiene aproximadamente la mitad de longitud de onda. Cuando se utiliza aire como sustrato dieléctrico, la longitud de la antena de microbanda rectangular es aproximadamente la mitad de la longitud de onda del espacio libre . A medida que la antena se carga con un dieléctrico como sustrato, la longitud de la antena disminuye a medida que aumenta la constante dieléctrica relativa del sustrato. La longitud de resonancia de la antena es ligeramente más corta debido a los "campos de franjas" eléctricos extendidos que aumentan ligeramente la longitud eléctrica de la antena. Un modelo temprano de la antena de microbanda es una sección de la línea de transmisión de microbandas con cargas equivalentes en cada extremo para representar la pérdida de radiación.
Especificaciones
La carga dieléctrica de una antena de microbanda afecta tanto a su patrón de radiación como al ancho de banda de impedancia. A medida que aumenta la constante dieléctrica del sustrato, el ancho de banda de la antena disminuye, lo que aumenta el factor Q de la antena y, por lo tanto, disminuye el ancho de banda de impedancia. Esta relación no siguió inmediatamente cuando se utilizó el modelo de línea de transmisión de la antena, pero es evidente cuando se utiliza el modelo de cavidad que fue introducido en 1973 por Itoh y Mittra [5] La radiación de una antena de microbanda rectangular puede entenderse como un par de ranuras equivalentes. Estas ranuras actúan como una matriz y tienen la mayor directividad cuando la antena tiene un dieléctrico de aire y disminuye cuando se reemplaza por un sustrato dieléctrico con una permitividad relativa creciente.
La antena de microbanda rectangular de media onda tiene un plano de cortocircuito virtual a lo largo de su centro. Esto se puede reemplazar con un plano de cortocircuito físico para crear una antena de microbanda de un cuarto de longitud de onda. A esto a veces se le llama medio parche. La antena solo tiene un borde de radiación único (ranura equivalente) que reduce la directividad / ganancia de la antena. El ancho de banda de impedancia es ligeramente inferior a un parche completo de media longitud de onda, ya que se ha eliminado el acoplamiento entre los bordes radiantes.
Otros tipos
Otro tipo de antena de parche es la antena plana F invertida (PIFA). El PIFA es común en teléfonos celulares (teléfonos móviles) como estructura incorporada. [6] [7] Estas antenas se derivan de una antena de medio parche de cuarto de onda. El plano de cortocircuito del medio parche se reduce en longitud, lo que disminuye la frecuencia de resonancia. [8] Ofrece un perfil bajo y también con propiedades SAR aceptables. Esta antena se asemeja a una F invertida, lo que explica el nombre PIFA. Es popular como antena compacta con un patrón omnidireccional. [9]
A menudo, las antenas PIFA tienen múltiples ramas para resonar en las diversas bandas celulares. En algunos teléfonos, se utilizan elementos parásitos conectados a tierra para mejorar las características del ancho de banda de radiación.
La antena conformal invertida plegada (FICA) [10] tiene algunas ventajas con respecto a la PIFA, ya que permite una mejor reutilización del volumen.
El parche de microbanda integrado con estructura de suelo defectado (DGS) ha sido popular para múltiples propósitos. Esta técnica introduce un número limitado de ranuras de pequeño tamaño, denominadas "defectos" en el plano del suelo debajo del parche, y es potencialmente capaz de mejorar sus propiedades de campo lejano y de campo cercano. Esto fue concebido e introducido en 2005 por Guha [11] para controlar las radiaciones de polarización cruzada sin involucrar ningún componente, volumen, peso o costo adicional. La técnica es lo suficientemente avanzada como para reducir las radiaciones con polarización cruzada incluso sobre los planos diagonales de un parche de microbanda. La técnica DGS es igualmente eficaz para reducir el acoplamiento mutuo en grandes conjuntos de microbandas y, por lo tanto, mitiga el problema de la ceguera de exploración de los haces del radar. [12] [13] La técnica DGS resulta muy atractiva en aplicaciones aéreas.
Referencias
- ^ Lee, Kai Fong; Luk, Kwai Man (2017). Antenas de parche Microstrip . World Scientific. págs. 8-12. ISBN 978-9813208612.
- ^ Pandey, Anil (2019). Práctico diseño de microbanda y antena impresa . Bostan: Casa Artech. pag. 443. ISBN 9781630816681.
- ^ "Bienvenido a antenas 101" por Louis E. Frenzel, "Diseño electrónico" 2008
- ^ Bancroft, R. Microstrip y Printed Antenna Design Noble Publishing 2004, capítulo 2-3
- ^ Tatsuo Itoh y Raj Mittra "Análisis del resonador de disco de microcinta", Arch Elek Ubertagung, vol. 21, noviembre de 1973 págs. 456-458.
- ^ "PIFA - La antena plana F invertida" .
- ^ Iulian Rosu. "PIFA - Antena plana F invertida" .
- ^ "Antena F invertida (IFA)" en antenna-theory.com
- ^ Taga, T. Tsunekawa, K. y Saski, A., "Antenas para unidades de radio móviles desmontables", Revisión de la ECL, NTT, Japón, vol. 35, No 1, enero de 1987, págs. 59-65.
- ↑ Di Nallo, C .; Faraone, A., "Antena interna multibanda para teléfonos móviles", Electronics Letters, vol.41, no.9, págs. 514-515, 28 de abril de 2005
- ^ Guha, D .; Biswas, M .; Antar, Y. (2005), "Antena de parche microstrip con estructura de tierra defectuosa para la supresión de polarización cruzada", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , 4 : 455–458, doi : 10.1109 / LAWP.2005.860211
- ^ Hou, D.-B .; et, al. (2009), "Eliminación de la ceguera de exploración con estructuras terrestres compactas defectuosas en una matriz en fase de microbandas", IET Microwaves, Antennas and Propagation , 3 : 269-275, doi : 10.1049 / iet-map: 20080037
- ^ Guha, D .; Biswas, S .; Antar, Y. (2011), "Defected Ground Structure for Microstrip Antennas", en Microstrip and Printed Antennas: New Trends, Techniques, and Applications , John Wiley & Sons: Reino Unido, doi : 10.1002 / 9780470973370
enlaces externos
- Antenas Microstrip antenna-theory.com
- Tutorial de antena Microstrip EM Talk
- Calculadora de antena de parche Microstrip
- Los conceptos básicos de la antena de parche, actualizado en 2009
- Diseño de una antena de parche