INFORME LABORATORIO – ANTENA PARCHE CIRCULAR CON ALIMENTACION POR CABLE COAXIAL

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INFORME LABORATORIO – ANTENA PARCHE CIRCULAR CON ALIMENTACION POR CABLE COAXIAL

Carlos Andrés Linares López

calinares@unbosque.edu.co

UNIVERSIDAD EL BOSQUE-Sistemas de comunicaciones de alta frecuencia

2020-1

RESUMEN: En presente documento se implementa una antena parche circular con alimentación por cable coaxial. Esta antena está diseñada para funcionar a una frecuencia de operación de 7GHz. En este informe se presentan los cálculos, el modelamiento y el análisis de los campos eléctricos y magnéticos obtenidos. También se presentan los gráficos obtenidos de radiación, parámetro de reflexión, patrón de radiación, diagrama de Smith y los planos E y H.

PALABRAS CLAVE: antena parche, alimentación por cable coaxial, frecuencia de operación, patrón de radiación, parámetro de reflexión, diagrama de Smith y plano E y H.

ABSTRACT: In this document, a circular patch antenna powered by coaxial cable is implemented. This antenna is designed to operate at an operating frequency of 7GHz. This report presents the calculations, modeling and analysis of the obtained electric and magnetic fields. The obtained graphs of radiation, reflection parameter, radiation pattern, Smith diagram and the E and H planes are also presented.

1. INTRODUCCION

En los sistemas de comunicación son requeridos dispositivos de bajo costo, mínimo peso y bajo perfil. Estos dispositivos deben ser capaces de mantener un alto desempeño en un amplio espectro de frecuencias. Las antenas parche cumplen con estos requerimientos.

Una antena parche consta de: plano de tierra, sustrato, alimentación y parche (Ver figura 1).

Para el parche las formas más usadas son la rectangular y la circular. El plano de tierra puede ser infinito o finito de acuerdo modelo (modelo línea de transmisión, modelo cavidad, modelo onda completa o método de momentos) usado para el análisis de las dimensiones. En el sustrato la permitividad relativa () y la altura (h) son características importantes. La alimentación puede llevarse a cabo por una línea microcinta, sonda coaxial, acople por apertura y acople por proximidad. [pic 2]

Una antena parche tiene las siguientes desventajas:

• Baja ganancia.
• Baja eficiencia.
• Baja directividad.
• Ancho de banda estrecho

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Figura 1. Antena parche circular.

1. OBJETIVOS

• Diseñar una antena parche circular con alimentación por cable coaxial.
• Implementar en el programa HFSS antena parche circular con alimentación por cable coaxial diseñada.
• Verificar mediante el programa HFSS el campo eléctrico y el campo magnético en el sustrato de la antena circular con alimentación por cable coaxial.
• Verificar mediante el programa HFSS las corrientes superficiales de la antena parche circular con alimentación por cable coaxial.
• Obtener mediante el programa HFSS los parámetros de antena.

1. PROCEDIMIENTO Y ANALISIS

• Cálculos

Los cálculos efectuados para el diseño de la antena parche circular se basaron en la teoría determinada para este tipo de antena. Se inició estableciendo unos datos de entrada (Ver tabla 1) y se procedió a calcular el valor del radio del parche.

• Datos de entrada

Estos datos corresponden a parámetros y constantes ya establecidos. Las constantes que se manejaron fueron , , ,  ,  y . Los parámetros establecidos se tomaron de forma arbitraria, por ejemplo el valor de  fue escogido dentro de un rango de 1GHz a 8GHz este rango fue seleccionado por el docente. Para este presente trabajo la frecuencia de operación escogida es de 7GHz. La altura del parche fue establecida por el docente, así como la altura y el material el sustrato.[pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

Tabla 1. Datos de entrada para el diseño y cálculo de la antena parche circular

• Calculo del radio del parche

Para poder calcular del radio del parche, primero se debe establecer la frecuencia de resonancia para el modo dominante  empleando la siguiente formula:[pic 26]

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Donde  es la frecuencia de operación y   es la constante dieléctrica para el Duroid 5880.[pic 28][pic 29]

Ya teniendo este parámetro se puede emplear la fórmula para establecer el radio del parche:

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Donde = altura del sustrato[pic 31]

Como se puede ver, el radio el parche está ligado a la frecuencia de operación de la antena, para un valor de frecuencia baja el radio del parche será grande y en cambio para una frecuencia alta el radio del parche será inferior.

Para la frecuencia de operación utilizada el radio del parche es de:

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• Modelamiento de la guía de onda

En base a los datos arrojados en la sección de cálculos, se realizó el modelamiento de la antena parche utilizando el software CST Studio Suite. Para el modelamiento, se tuvieron en cuenta tres componentes: la antena parche circular, el coaxial y el aislante para el recubrir el cable coaxial.

Inicialmente se plantearon en el software las variables que se pueden apreciar en la figura 1

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Figura 2. Lista parámetros para el modelamiento de la antena parche circular en el software CST

• Antena parche circular

Para el modelamiento de la antena parche circular se debe tener en cuenta que está consiste en tres capas, partiendo del plano de tierra, luego el sustrato el cual separa el parche y el plano de tierra.

Como se mencionó anteriormente se inicia modelando un cubo el cual será el plano de tierra y se utiliza los siguientes parámetros para su formación:

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