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PRCTICAS DE ANTENAS Y PROPAGACIN PRCTICA: DISEO DE ANTENAS CON ANSOFT DESIGNER

Depto. Electromagnetismo y Fsica de la Materia Pgina 1

PRCTICA: DISEO DE ANTENAS PLANARES MEDIANTE ANSOFT DESIGNER 1. Objetivos

Aprender el manejo de software comercial de diseo de sistemas electromagnticos.

Aprender los rudimentos del diseo de antenas basadas en la tecnologa microstrip: lnea de transmisin, antenas y adaptacin entre ambas.

Disear una antena simple de utilidad en WIFI 2. Material

Acceso a Internet Programa ANSOFT DESIGNER (Student Version). Se puede descargar desde

http://www.ansoft.com Tutoriales del programa bajo http://maxwell.ugr.es/antenasypropagacion

3. Fudamento La tecnologa microstrip se basa en el guiado y radiacin de ondas electromagnticas mediante metalizaciones impresas sobre una cara de un substrato que por su otra cara est totalmente metalizado. Idealmente los substratos deben tener pocas prdidas en la banda de operacin y un comportamiento estable tanto frente a variaciones trmicas como mecnicas. Los precios de los sustratos tpicos suelen ser tanto ms elevados cunto ms cierto es lo anterior. El programa DESIGNER (junto a HSFSS) son actualmente dos herramientas computacionales de diseo de circuitos y sistemas radiantes comnmente utilizadas por los profesionales del sector. Ambos han sido desarrollados por ANSOFT Corp. y utilizan mtodos numricos en el dominio de la frecuencia como motores de clculo (el primero el Mtodo de los Momentos, y el segundo Elementos Finitos). Existe una versin limitada del DESIGNER para estudiantes, con capacidad suficiente para estudiar problemas simples. DESIGNER es una herramienta capaz de analizar estructuras planares de microondas tanto utilizando modelos circuitales (simplificaciones de las Ecs. de Maxwell), como modelos de onda completa (que tienen en cuenta adecuadamente las Ecs. de Maxwell aplicadas a la geometra bajo estudio). En esta prctica vamos a utilizar esta ltima capacidad para el diseo de antenas microstrip. Para ellos vamos a describir un ejemplo guiado de diseo de una antena tipo parche alimentada por una lnea microstrip que adapta su impedancia a 50 Ohms. En nuestro caso vamos a elegir un sustrato tipo FR4 (no muy adecuado para su uso en circuitos de microondas por sus prdidas y caractersticas termomecnicas, pero de bajo coste)



Al lanzar el programa, crearemos un proyecto nuevo e insertaremos en l un Planar EM Design.



Escogeremos un Layout tipo PCB

Que modificaremos para incluir el sustrato comercial escogido (constante dielctrica relativa 4.7, tangente de prdidas 0.014 y espesor 1.6mm =(62.99 mils milsimas de



pulgada ). Para ello editaremos los layers, clickeamos en FR4 y aadimos un nuevo material que hemos llamado FR4 Amidata. Asimismo supondremos que todas las metalizaciones son de cobre y espesor nulo.



En primer lugar estudiaremos la impedancia caracterstica de una lnea de transmisin compuesta de una tira microstrip de ancho y lago dados, y la longitud de onda propagada. DESIGNER provee un comando de estimacin de parmetros que permite partir de una estimacin de valores tanto para las lneas transmisin como para las antenas. En nuestro caso, y como no sabemos la impedancia de entrada de nuestra antena, diseemos una lnea de transmisin genrica de 1 longitud de onda y de una impedancia en torno a 50 Ohms. La estimacin de la calculadora del DESIGNER provee ancho de 3mm.



Para el que estima una longitud de onda de 66.6 mm.

Verifiquemos experimentalmente la validez de los resultados. Diseemos dos tiras, ambas con 3 mm de ancho: la primera de 20 mm de largo y la segunda de 10 mm. Ambas tiras estarn alimentadas en un extremo mediante una fuente adaptada, dejando el otro extremo en abierto. La expresin terica de transformacin de impedancias nos permitir obtener la impedancia caracterstica y la longitud de onda de la tira (ambas independientes de su longitud), si conocemos la impedancia para cada longitud en el punto de alimentacin (una lnea en abierto tiene impedancia imaginaria pura vista desde cualquier punto de su longitud). Atencin: las prdidas del sustrato, hacen que para lneas de mucha longitud lo anterior deje de ser cierto (hacer la prueba con 40 mm!). Procedamos al diseo. Aadiremos una rectngulo de 20 mm de largo y 3 ancho



Y seguidamente seleccionamos el borde inferior y aadimos un Port

Situndolos sobre el port, podemos ver y modificar sus propiedades



Seguidamente configuramos el tipo de solucin (dejar por defecto lo propuesto por el programa)



Y aadimos un barrido frecuencial elemental: slo a 2.4 GHz.



Procedemos a la simulacin



Y visualizamos los resultados: partes real e imaginaria de la impedancia de entrada

Utilizando los marcadores concluimos que a 2.4 GHz la lnea tiene una Zinput= 1.03+j 18.14 Ohms (su parte real es no nula pero la consideraremos aqu despreciable)



Ahora cambiamos la longitud de la tira a 10mm, y se obtiene Zinput=0.89-j 32.46 Ohms

Haciendo uso de las expresiones analticas (sin tener en cuenta las partes reales), calculamos la impedancia caracterstica y la longitud de onda propagada:

Que est prxima a la estimada por DESIGNER (Z0=49.10 Ohms, lambda=66.61 mm)



A continuacin diseamos una antena tipo parche cuadrado (con las esquinas chafadas para estudiar su comportamiento en polarizacin circular) a la que acoplamos en su borde inferior una tira como la anterior pero de media longitud de onda. El objetivo ser medir la impedancia de entrada de la antena en la mitad de su borde inferior. Al aadirle en esa posicin una tira de media longitud de onda, la impedancia medida en el borde inferior de la tira ser la misma impedancia de la antena. Creamos ahora un polgono de seis lados parametrizando sus longitudes mediante variables que se pueden modificar posteriormente. Estimamos mediante la calculadora del DESIGNER las dimensiones para que la antena resuene a 2.4 GHz.

Y creamos el polgono (OJO: poner las unidades tras los nmeros para evitar errores)



Dibujamos un parche cuadrado con esquinas truncadas y de dimensiones parametrizadas

A continuacin hacemos un barrido frecuencial



Y dibujamos la impedancia de entrada



Se observa que la resonancia est ligeramente desplazada Disminuimos (a ojo!) ligeramente el tamao del parche para traernos la resonancia a 2.40 GHz.

Ahora tenemos la resonancia exactamente en 2.4 GHz con una parte real de la impedancia de 210 Ohms



Diseemos pues un adaptador de cuarto de onda que adapte los 171.75 Ohms de la antena a los 50 Ohms de la lnea que se le acoplar (coaxial, microstrip, etc.) en su montaje final. La calculadora de DESIGNER nos da



Y creando una tira con estas dimensiones que sustituye a la que provisionalmente colocamos anteriormente

Se obtiene una impedancia Zinput=55.80 +I 2.76 Ohms.

Normalizando el puerto a 50 Ohms, se obtiene el parmetro S11 (mediante create report)



Que nos da en torno a -25 dB en la frecuencia de resonancia y que es un valor muy aceptable para iniciar la fase experimental. El programa tambin provee el clculo de las ganancias, para lo que es preciso activar la casilla Generate Surface Current, a fin de que el programa pueda calcular el campo de radiacin.



Ahora el tipo de report ser Far Field y el Display Radiation Pattern

Visualizaremos tanto la ganancia directiva en dB como el axial ratio para ver el comportamiento de la antena en polarizacin circular.



Se observa que su axial ratio est por debajo de 5 dB (



caractersticas de ganancia estas antenas, se suelen presentar en arrays planos, a veces de un gran nmero de elementos).

4. Realizacin Siguiendo el mismo esquema anterior, disear una antena microstrip que sea capaz de operar a 1.8 GHz (escoger libremente el tipo de sustrato).

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