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Antena de parche circular modificada
basada en el strip-slot complementario
Yordanis Alonso-Roque, Elena Abdo-Sánchez y Carlos Camacho-Peñalosa
{yar, elenaabdo, ccp}@ic.uma.es.
Dpto. Ingeniería de Comunicaciones, E.T.S.I. Telecomunicación, Universidad de Málaga, Andalucía Tech,
Bulevar Louis Pasteur 35, 29010 Málaga
Abstract- Conventional circular patch microstrip antennas
generally have a high value of input impedance on the edge of
the patch and a narrow matching bandwidth. In this
contribution, a modified circular patch antenna based on the
complementary strip-slot structure is introduced. A lower level
of input impedance and a significant return loss bandwidth are
obtained in the proposed structure. As an illustrative example, a
design of this type of antenna at around 6 GHz has been carried
out and manufactured. Good agreement has been found between
simulations and measurements. An input impedance of around
50 Ω at the resonance frequency and a 10 dB return loss
bandwidth of about 12% have been obtained. The structure
shows a bidirectional radiation pattern, due to the circular slot
etched on the ground plane. Moreover, linear polarization with
low cross polarization levels is achieved for most of the radiation
directions.
I.
INTRODUCCIÓN
Las antenas de parche circular convencionales presentan
un elevado nivel de impedancia de entrada en el borde del
parche y un estrecho ancho de banda de adaptación [1], [2].
En la literatura se han propuesto diferentes métodos para
aumentar el ancho de banda de impedancia de las antenas
microstrip, como es el caso de antenas monopolos impresos
(BWRL>10dB entre 15% y 20%) [3], [4], y otras alternativas
para antenas de ultrawideband [5]. En esta contribución se
exploran las posibilidades de una estructura alternativa
basada en el strip-slot complementario [6].
El strip-slot complementario consiste en una línea
microstrip con un stub dispuesto transversalmente (también
llamado strip) acoplado con un slot grabado en el plano de
masa, formando una sección strip-slot acoplada alimentada
por la línea microstrip. La estructura resultante es un
elemento radiante de gran ancho de banda de adaptación, con
características de radiación similares a las que presenta la
ranura (slot) alimentada por microstrip y con aplicación en
arrays alimentados en serie [7].
En esta contribución se analiza el comportamiento de una
antena de parche circular, alimentada mediante una línea
microstrip, superpuesta a un slot circular grabado en el plano
de masa. Aunque la antena propuesta no es novedosa, pues
formas similares han sido propuestas en la literatura [5], el
enfoque realizado de la misma, basado en estructuras
complementarias, sí lo es. Además, es novedosa la obtención
de una antena de parche circular de un solo puerto basada en
la estructura complementaria strip-slot.
Las características de un diseño de la estructura propuesta
se comparan con las correspondientes a un parche circular
alimentado por línea microstrip sin y con adaptación.
II. ESTRUCTURAS ANALIZADAS
Se estudia una antena de parche circular alimentada con
una línea microstrip, con un slot con forma circular grabado
en el plano de masa (antena de parche circular modificada).
El parche y el slot circulares se encuentran concéntricos
(alineados), formando una estructura complementaria stripslot. En la Fig. 1 se muestra la geometría de la antena de
parche circular modificada. El radio del slot está definido
como Rs y el radio del parche como Rm.
Adicionalmente, se estudian una antena de parche circular
alimentada por línea microstrip, con igual radio que la antena
de parche circular modificada (parche circular equivalente),
y un parche circular equivalente adaptado mediante
hendidura (parche circular adaptado). En todas las
estructuras analizadas se ha empleado el substrato GIL 1032
(permitividad eléctrica relativa εr=3.2, tanδ=0.003 y espesor
del substrato h=0.762 mm).
(a)
Fig. 1. Geometría de la antena de parche circular modificada basada en la
estructura strip-slot: (a) perspectiva; (b) vista superior; (c) vista inferior.
A partir de las dimensiones de la estructura estudiada en
[8], se realizó un estudio paramétrico, mediante la variación
de Rm y Rs, para determinar su influencia en la impedancia
de entrada, el coeficiente de reflexión y las características de
radiación de la antena de parche circular modificada. Este
estudio paramétrico permitió obtener el diseño de una antena
de parche circular modificada con buena adaptación respecto
a 50 Ω. Las dimensiones que resultaron para este diseño
fueron las siguientes: radio del parche circular (strip)
Rm=8.52 mm, radio del slot circular Rs=10.76 mm, y ancho
de la línea WL=1.84 mm.
De forma similar, se realizó un estudio paramétrico y se
diseñaron el parche circular equivalente y el parche circular
adaptado.
En el caso de la antena de parche circular modificada, se
aprecia la existencia de tres resonancias que parecen
corresponderse con tres de las resonancias del parche circular
equivalente, como se puede observar en las Figs. 5 y 6. Los
niveles de impedancia, para estos casos, son menores, lo que
facilita la adaptación, como se evidencia en la Fig. 7. Se
constata la existencia de un ancho de banda de adaptación de
aproximadamente 800 MHz, con una frecuencia central
alrededor de 6.4 GHz (BWRL>10dB ≈12%). Como se puede
observar, se ha obtenido una buena similitud entre los
resultados de simulación y de las medidas del |S11| de ambas
estructuras estudiadas.
III. COMPARACIÓN DE LA ANTENA DE PARCHE CIRCULAR
MODIFICADA CON EL PARCHE CIRCULAR EQUIVALENTE
En Fig. 2 se muestran imágenes en las dos vistas (superior e
inferior) de los prototipos de la antena de parche circular
modificada y el parche circular equivalente diseñados.
Fig. 3. Simulación y medida de la resistencia de entrada de la antena de
parche circular equivalente.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 2. Fotografías de los prototipos diseñados: (a) vista superior de la antena
parche circular modificada; (b) vista inferior de la antena parche circular
modificada; (c) vista superior de parche circular equivalente; (d) vista
inferior de parche circular equivalente.
En las Figs. 3, 4, 5 y 6 se presentan los resultados de
simulación obtenidos con el software HFSS, así como las
medidas de la impedancia de entrada (ambos vistos desde el
borde del parche) de la antena de parche circular modificada
y su equivalente parche circular diseñados. Como se puede
comprobar, se obtiene una buena concordancia entre las
medidas y los resultados de simulación, a pesar de algunas
diferencias en las magnitudes y un desplazamiento en la
frecuencia, lo cual se considera que es debido a errores en la
fabricación y en la calibración realizada para las medidas.
En el caso del parche circular equivalente, mostrado en
las Figs. 3 y 4, se aprecian claramente las primeras cuatro
z
z
resonancias, correspondientes a los modos TM 110
, TM 210
,
z
z
TM 010
y TM 310
. Se puede comprobar que las frecuencias de
resonancia coinciden sensiblemente con las que proporciona
el análisis clásico basado en cavidad circular con paredes
magnéticas [1]. Salvo en el caso de la resonancia del modo
z
TM 010
(alrededor de 11,2 GHz), los niveles de impedancia
son muy elevados, lo que dificulta la adaptación y reduce el
ancho de banda. Este hecho también se puede observar en la
Fig. 7, donde se muestra la adaptación existente en torno a la
z
.
resonancia del modo TM 010
Fig. 4. Simulación y medida de la reactancia de entrada de la antena de
parche circular equivalente.
Para caracterizar la antena de parche circular modificada
como elemento radiante es preciso analizar su diagrama de
radiación. En la Fig. 8 se presentan los diagramas polares
normalizados de las componentes esféricas de las ganancias
en los dos planos principales de radiación (XZ e YZ) a la
frecuencia de diseño (6.4 GHz). Dichos diagramas se
encuentran normalizados respecto al valor máximo de todas
las componentes de ganancia. En el plano XZ (φ=00) la
componente de campo eléctrico dominante es Eφ (co-polar),
siendo el diagrama de radiación prácticamente
omnidireccional con polarización lineal y bajos niveles de
polarización cruzada (excepto en las direcciones en torno a
θ=±45º, ±135º). En el plano YZ (φ=90º), Eθ es la
componente co-polar del campo eléctrico. En este plano, Eθ
presenta un diagrama de radiación bidireccional con buena
pureza de polarización lineal en todas las direcciones de
radiación. Como se puede observar, esta antena presenta
radiación broadside con un diagrama de radiación similar al
del parche circular alimentado por microstrip, con la
diferencia que radia en ambos semiespacios (diagrama de
radiación broadside bidireccional).
Fig. 8. Diagramas polares normalizados de las ganancias (simulación) de la
antena de parche circular modificada en los planos XZ e YZ para 6.4 GHz.
IV. COMPARACIÓN DE LA ANTENA DE PARCHE CIRCULAR
MODIFICADA CON UN PARCHE CIRCULAR EQUIVALENTE
ADAPTADO
Fig. 5. Simulación y medida de la resistencia de entrada de la antena de
parche circular modificada.
Fig. 6. Simulación y medida de la reactancia de entrada de la antena de
parche circular modificada.
Fig. 7. Simulación y medida de |S11| de la antena de parche circular
modificada y del parche circular equivalente.
En Fig. 9 se muestran imágenes en las dos vistas (superior e
inferior) del parche circular adaptado por hendidura diseñado.
Puesto que el principal inconveniente del parche circular
convencional reside en los elevados niveles de impedancia de
entrada que presenta, se realizó una segunda comparación
con una antena de parche circular adaptada a 50 Ω mediante
el método de adaptación por hendidura (parche circular
adaptado). Tras el correspondiente estudio paramétrico, se
obtuvo que es posible adaptar el parche circular a la
frecuencia de la primera resonancia, manteniendo su radio
(Rm=8,52 mm), realizando una inserción de la línea
microstrip en el parche (hendidura) de 6.5 mm con slots de 1
mm.
En la Fig. 10 se presentan los resultados de simulación y
medida del |S11| del parche circular adaptado y de la antena
de parche circular modificada. Como se puede apreciar,
existe una buena concordancia entre los resultados de las
medidas y las simulaciones. La adaptación mediante dicha
hendidura demostró un ancho de banda de 80 MHz en torno a
una frecuencia central aproximadamente de 5.8 GHz
(BWRL>10dB <2%). Resulta evidente el mayor ancho de banda
de adaptación que proporciona la antena de parche circular
modificada basada en la estructura strip-slot complementaria,
incluso en el caso de compararlo con una antena de parche
circular equivalente adaptada.
(a)
(b)
Fig. 9. Fotografías del prototipo de parche circular equivalente diseñado: (a)
vista superior, (b) vista inferior.
V. CONCLUSIONES
Fig. 10. Simulación y medida del |S11| del parche circular adaptado y de la
antena de parche circular modificada.
Resulta de interés comparar los diagramas de radiación de
ambas antenas. En la Fig. 11 se muestran los diagramas
polares normalizados de las componentes esféricas de
ganancia del parche circular adaptado a la frecuencia de 5.8
GHz. Estos diagramas están normalizados respecto al
máximo valor de todas las ganancias. Como era de esperar,
debido al plano de masa, el parche circular adaptado presenta
menor radiación hacia el semiespacio que contiene el plano
de masa (semiespacio superior en la figura), respecto a la
antena de parche circular modificada (Fig. 8). En el
semiespacio que contiene al parche (semiespacio inferior),
donde tiene sentido la comparación, la similitud entre los
diagramas de radiación de ambas antenas es evidente, aunque
el parche circular adaptado presenta, en general, una mayor
pureza de polarización lineal.
Se puede resumir que la antena de parche circular
modificada presenta radiación omnidireccional en el plano
XZ, mientras que en el plano YZ la radiación es broadside
bidireccional. A diferencia, la radiación del parche circular
adaptado es mayormente en el semiespacio que contiene al
parche. La antena de parche circular adaptada presenta
polarización lineal con buena pureza en los planos
fundamentales de radiación (planos XZ e YZ), mientras que
la antena de parche circular modificada presenta polarización
lineal con buena pureza en el plano YZ y no tan pura en
algunas direcciones del plano XZ.
Se ha presentado una estructura de antena de parche
circular basada en la estructura complementaria strip-slot,
cuya característica fundamental es la de disminuir el nivel de
la parte real de la impedancia de entrada sin modificar
sustancialmente la frecuencia de resonancia fundamental. La
disminución de la resistencia de entrada facilita la
adaptación, pudiéndose conseguir fácilmente anchos de
banda de adaptación relativos superiores al 10%. La
comparación con una antena de parche circular equivalente
adaptada mediante hendidura, pone de manifiesto que la
estructura propuesta permite conseguir mayores anchos de
banda de impedancia.
El diagrama de radiación de la antena de parche circular
modificada es similar al de un parche circular equivalente
adaptado, con la diferencia fundamental de que es
bidireccional. La estructura propuesta presenta un diagrama
de radiación broadside bidireccional en la primera frecuencia
de resonancia, frente al diagrama de radiación broadside
unidireccional del parche circular alimentado por microstrip
adaptado mediante hendidura.
Debido al ancho de banda de adaptación que puede
proporcionar, y a la sencillez de su estructura y diseño, es
esperable que la antena de parche circular modificada
propuesta sea de utilidad para aplicaciones donde se
requieran antenas con poca directividad, bajo coste y donde
la radiación bidireccional sea ventajosa. Aunque el ancho de
banda de adaptación alcanzado (12%) es ligeramente inferior
a los obtenidos en monopolos impresos (15-20%), se espera,
a la vista de los resultados obtenidos en [5], obtener anchos
de banda de adaptación superiores optimizando la estructura.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de
Economía y Competitividad bajo el Proyecto TEC201347106-C3 del Programa de I+D+i Orientado a los Retos de la
Sociedad.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Fig. 11. Diagramas polares normalizados de las ganancias (simulación) del
parche circular adaptado en los planos XZ e YZ para 5.8 GHz.
[8]
C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Ed., John
Wiley &Sons, Inc., 2005, pp. 843-856.
R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl, A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design
Handbook, Artech House, 2001, pp. 317-350.
M.A. Antoniades, G.V. Eleftheriades, “A Compact Multiband Monopole
Antenna With a Defected Ground Plane”, IEEE Antennas and Wireless
Propagation Letters, vol. 7, pp. 652-655, 2008.
J. Liang, C.C. Chiau, X. Cheng and C.G. Parini, “Study of a Printed
Circular Disc Monopole Antenna for UWB Systems”, IEEE
Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 11, pp. 3500–
3504, Dec. 2005.
E.S. Angelopoulos, A.Z. Anastopoulos, D.I. Kaklamani, A.A.
Alexandridis, F. Lazarakis, and K. Dangakis, “Circular and Elliptical
CPW-Fed Slot and Microstrip-Fed Antennas for Ultrawideband
Applications”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 5,
pp. 294-297, 2006.
E. Abdo-Sánchez, T.M. Martín-Guerrero, C. Camacho-Peñalosa, J.E.
Page, and J. Esteban, “Bandwidth enhancement of microstrip-fed slot
radiating element using its complementary stub,” in Proceedings of the
5th European Conference on Antennas and Propagation, Rome, Italy,
pp. 1125–1128, Apr. 2011.
E. Abdo-Sánchez, J.E. Page, T.M. Martín-Guerrero, J. Esteban, and C.
Camacho-Peñalosa, “Planar broadband slot radiating element based on
microstrip-slot coupling for series-fed arrays,” IEEE Transactions on
Antennas and Propagation, vol. 60, no. 12, pp. 6037–6042, Dec. 2012.
Y. Alonso-Roque, E. Abdo-Sánchez, and C. Camacho-Peñalosa, “Study
of the Complementary Strip-Slot with Circular Geometry,” 4th
Advanced Electromagnetics Symposium, Málaga, Spain. July 2016.