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15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
ARTÍCULO No. TEL10
ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO
Propuesta de un arreglo con antenas planas de
cruz rómbica en la banda UHF.
J. de J. Sebastián Villa, J. R. Sosa Pedroza, F. Martínez Zúñiga.
ideal para usarse en arreglos, como ganancia media, bajo nivel
de reflexión, alta eficiencia, patrón de radiación directivo,
polarización circular [2]. En la figura 1 se muestra la
geometría de la antena.
Resumen— En el presente artículo se muestra el análisis de un
arreglo de antenas de cruz rómbicas diseñado en la banda UHF
en configuración lineal y planar, modificando la distancia entre
los elementos del arreglo así como sus impedancias de carga, con
la finalidad de describir paramétricamente el acoplamiento de
cada elemento, el acoplamiento mutuo, el patrón de radiación así
como la ganancia cuando se realizan dichas modificaciones. La
antena de cruz rómbica utilizada está diseñada a la frecuencia de
operación de 440MHz.
Palabras Clave—
acoplamiento mutuo.
Antena,
arreglos,
lineal,
planar,
Abstract— In this article the analysis of an array of cross rhombic antennas designed in the UHF band in linear and planar
configuration is shown, changing the distance between the array
elements and their load impedances, in order to parametrically
describe the coupling each element mutual coupling, the radiation
pattern and the gain if such changes are made. Rhombic cross
antenna used is designed to the operating frequency of 440MHz.
Keywords— Antenna,
coupling.
arrays,
linear,
planar,
Figura 1.- Geometría de la antena rómbica de cruz [1].
La antena rómbica de cruz consta de una cantidad importante
de parámetros que pueden ser modificados en función de la
frecuencia de diseño, estos parámetros son mostrados en la
tabla 1, las dimensiones se encuentran en función de
longitudes de onda.
mutual
I. INTRODUCCIÓN.
L
Tabla 1.- Dimensiones de la antena rómbica de cruz [1].
os arreglos de antenas son utilizados con la finalidad de
obtener características de radiación deseadas tales como
mayor directividad y ganancia. La configuración del arreglo
puede ser tal que la radiación de los elementos se sume para
obtener la máxima radiación en una dirección o direcciones
particulares, y dar un mínimo de radiación en otras, según se
requiera. Existen diferentes tipos de configuraciones de
arreglos de antes, arreglos lineales, planares y conformes, la
cual se elige dependiendo las características que se buscan
alcanzar o dependiendo de la aplicación.
Longitud máxima
Longitud del brazo interior
Longitud del brazo exterior
Longitud del brazo exterior truncado
Ángulo entre brazos interiores ( α)
Ángulo entre brazos interior-exterior (γ)
Ángulo entre brazos exteriores (β)
La antena rómbica de cruz es ajustable a cualquier frecuencia,
es decir, su diseño se basa en medidas eléctricas, por lo que el
tamaño real depende del sustrato utilizado y la frecuencia de
operación. En la figura 2 se muestra el parámetro de reflexión
S11 de la antena rómbica de cruz utilizada en el diseño del
arreglo, dicha antena está diseñada para operar a una
frecuencia de 440MHz. La curva muestra un acoplamiento de 19.799 dB por lo que se logra el acoplamiento a la frecuencia
de operación. Además se obtiene un ancho de banda de
aproximadamente 7.56MHz, es decir el 1.7% para una
frecuencia de 440 MHz.
II. ANTENA DE CRUZ RÓMBICA.
La antena de cruz rómbica es un desarrollo propio del Instituto
Politécnico Nacional y ha sido ampliamente estudiada y
parametrizada [3, 4, 5]. Presenta características que la hacen
Jorge Sosa está adscrito al Instituto Politécnico Nacional, Maestría en
Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones (e-mail: [email protected]).
Jair Sebastián es estudiante del Instituto Politécnico Nacional, Maestría en
Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones, SEPI-ESIME (e-mail:
[email protected]).
México D.F., 19 al 23 de octubre 2015
1.41λ
0.27λ
0.43λ
0.39λ
31.42°
69.99°
115.71°
1
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Figura 2.- Parámetro de reflexión S11.
Figura 4.- Parámetro de reflexión S11 y S22.
En la figura 3 se muestra el patrón de radiación en el plano
vertical (phi=90°) y en el plano horizontal (phi=180°) de los
cuales se observar claramente que tienen un comportamiento
directivo, en el plano vertical el lóbulo principal presenta una
desviación de 9° hacia el lado izquierdo y tiene una anchura de
haz de aproximadamente 64.7, en cambio en el plano
horizontal el lóbulo principal presenta una desviación de 10°
hacia el lado izquierdo y tiene una anchura de haz de
aproximadamente 56.9.
Lo importante aquí es observar que en la figura 4 el parámetro
S12 la curva se encuentra por debajo de -50 dB (-55.45 dB
aproximadamente) en toda la banda de operación, por lo que el
acoplamiento mutuo es apenas perceptible, es decir
prácticamente 0 por lo que los efectos por acoplamiento
mutuo pueden ser despreciados.
Figura 5.- Parámetro de reflexión S11 y S22.
De esta manera se comprueba que el acoplamiento muto entre
elementos es despreciable por lo que la antena rómbica de cruz
no varía su comportamiento cuando se usa en arreglos.
Figura 3.- Patrones de radiación de la antena rómbica de cruz.
IV. SIMULACIÓN DE ARREGLOS.
III. ACOPLAMIENTO MUTUO.
En la figura 6 se muestra un arreglo lineal de antenas rómbicas
de cruz de 4 elementos, como se mencionó anteriormente la
separación entre elementos es de d=1.83λ.
Los efectos mutuos entre los elementos de un arreglo son
producidos por campos electromagnéticos radiados hacia los
demás elementos, los cuales se inducen voltajes entre ellos.
Los efectos de dicho acoplamiento mutuo se pueden ver
traducido en pérdidas en el acoplamiento de cada elemento
que conforma el arreglo, modificaciones en el patrón de
radiación, o corrimiento en la frecuencia de operación.
Debido a que el acoplamiento mutuo puede tener efectos sobre
el patrón de radiación, así como sobre el acoplamiento de cada
elemento en el arreglo, es importante caracterizar dichos
efectos, de manera que estos sean tomados en cuenta en el
diseño final.
Utilizando la simulación electromagnética se observó el
acoplamiento mutuo entre dos antenas rómbicas de cruz
cuando se utilizan en arreglos, dicho acoplamiento se observa
con los parámetros de reflexión S. Para llevar a cabo dicha
simulación se colocan dos antenas consecutivas, las cuales
están separadas d=1.83λ, dicha distancia corresponde a la
distancia entre los puntos de alimentación. En la figura 4 y 5
se muestran los parámetros de reflexión S11 y S12
respectivamente. La figura 4 muestra que el acoplamiento de
cada antena no se ve afectado cuando se colocan
consecutivamente.
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Figura 6.- Arreglo lineal de 4 elementos.
En la figura 7 se muestra el parámetro de reflexión de cada
elemento del arreglo.
Figura 7.- Parámetro de reflexión S11 de cada elemento del arreglo.
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Se observa que el acoplamiento de cada antena permanece
prácticamente sin cambio alguno.
Así mismo se muestra en la figura 8 el patrón de radiación en
el plano vertical y horizontal del arreglo.
Figura 10.- Arreglo planar de 2x2 elementos.
En la figura 11 se muestra el parámetro de reflexión de cada
elemento del arreglo, se puede observar que el acoplamiento
de cada elemento que conforma el arreglo planar permanece
sin cambio alguno.
Figura 8.- Patrones de radiación del arreglo lineal de 4 elementos.
Posteriormente se realizaron simulaciones para distintas
separaciones, haciendo incrementos de 0.05λ entre elementos,
los patrones de radiación en el plano vertical y horizontal se
muestran en la figura 9.
Figura 11.- Parámetro de reflexión de cada elemento del arreglo.
a)
c)
En la figura 8 se muestran los patrones de radiación en el
plano vertical y en el plano horizontal de arreglo planar. Se
puede notar que a diferencia del arreglo lineal que presenta
una mayor directividad, el arreglo planar presenta un ancho de
haz más amplio, sin embargo tiene una mejor relación axial.
b)
d)
Figura 9.- Patrones de radiación del arreglo lineal de 4 elementos separados
a) 1.88λ, b) 1.93λ, c) 1.98λ, d) 2.93λ.
Figura 12.- Patrones de radiación del arreglo planar de 2x2 elementos.
De igual manera como se hizo con el arreglo lineal se
realizaron simulaciones para distintas separaciones, haciendo
incrementos de 0.05λ en la distancia de separación entre
alimentación de los elementos del arreglo tanto en el plano x
como en el plano y, los patrones de radiación en el plano
vertical y horizontal para cada distancia de separación se
muestran en la figura 13.
Se puede observar que con forme se incrementa la separación
entre los elementos los lóbulos secundarios en el plano
horizontal empiezan a reducirse, sin embargo en el plano
vertical estos tienden a incrementarse por con forme se
aumenta la distancia de separación.
Posteriormente se simulo un arreglo planar de 2x2 elementos
separados d=1.83λ entre alimentaciones en el plano vertical
como en el plano horizontal, este arreglo de 2x2 elementos se
muestra en la figura 10.
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a)
b)
Figura 14.- Parámetro de reflexión S11 para diferentes impedancias de carga.
De las curvas que se muestran en la figura 14 podemos
observar que conforme se aumenta el valor de carga se
presenta un mejor acoplamiento, sin embargo llega hasta un
valor máximo de acoplamiento, el cual es de -34.268 para una
carga de 50 Ohms, después de este valor el acoplamiento
empieza a disminuir con forme se aumenta el valor de las
cargas.
c)
d)
Figura 13.- Patrones de radiación del arreglo planar de 2x2 elementos
separados a) 1.88λ, b) 1.93λ, c) 1.98λ, d) 2.93λ.
Se puede observar que con forme se incrementa la separación
entre los elementos los lóbulos secundarios tanto en el plano
vertical como en el horizontal se incrementan.
En la tabla 2 se muestra una comparación en las ganancias de
los arreglos lineales y planares con distancias de separación de
1.83λ, 1.88 λ, 1.93λ, 1.98λ, y 2.93λ.
Tabla 2.- Ganancias para un arreglo lineal y planar a diferentes separaciones.
Separación
1.83λ
1.88λ
1.93λ
1.98λ
2.03λ
Ganancia (dB)
Lineal
Planar
15.97
15.73
15.85
15.77
15.80
15.79
15.76
15.86
15.74
15.95
De la tabla se observa que conforme la separación entre
elementos va aumentando la ganancia también aumentan para
el caso del arreglo planar y va disminuyendo en el caso de un
arreglo lineal, sin embargo en ambos caso con forme aumenta
la separación entre elementos los lóbulos secundarios
aumentan en tamaño, por lo que se debe tener en cuenta en el
diseño final del arreglo.
Posteriormente se hicieron simulaciones de antenas colocando
diferentes impedancias de carga en extremo terminal derecho
de la antena, se colocaron valores de impedancias de 22, 27,
33, 37, 39, 42, 47, 50, 56 y 68 Ohms. El parámetro de
reflexión de la antena con diferentes impedancias de carga se
muestra en la figura 14.
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a)
c)
b)
d)
Figura 17.- Patrones de radiación del arreglo lineal de 4 elementos con
impedancias de carga separados a) 1.88λ, c) 1.93λ, d) 1.98λ, e) 2.03λ
Figura 15.- Patrones de radiación para diferentes impedancias de carga.
En la figura 15 podemos observar que los patrones presentan
una deformación en el patrón horizontal la cual con forme
aumenta el valor de la carga se va corrigiendo, sin embargo el
patrón de radiación en el plano vertical no presenta efectos
negativos causados por la impedancia de carga.
Si comparamos las simulaciones de arreglos lineales sin
impedancias de carga respecto a las simulaciones de arreglos
lineales con impedancias de carga de 50 Ohms en cada uno de
sus elementos se puede observar que para los arreglos con
impedancia de carga el patrón de radiación presenta un mayor
número de lóbulos secundarios, además el lóbulo principal en
el plano horizontal presente una desviación la cual en los
patrones de radiación de los arreglos sin carga no está
presente, además para los arreglos con impedancia de carga el
tamaño de los lóbulos secundarios incrementa un poco en
comparación con los lóbulos secundarios en los patrones de
radiación de arreglos sin carga. De igual manera se tienen
pequeños cambios en la anchura del haz en el lóbulo principal,
pero dichos cambios no son tan considerables.
Figura 16.- Parámetro de reflexión S11 y S12 para una antena rómbica de
cruz con una impedancia de carga de 56 Ohms.
Se observa que el mejor resultado se obtiene con la
impedancia de carga de 56 Ohms por lo que se simula el
acoplamiento mutuo para ver si este se ve afectado cuando se
coloca una impedancia de carga, los resultados de dicha
simulación se muestran en la figura 16.
Una vez demostrado que cuando se utilizan antenas con
impedancia de carga en su terminal en un arreglo estas no ven
afectado su acoplamiento se procedió a realizar las mismas
simulaciones que se llevaron a cabo sin impedancia de carga,
considerando la misma separación y los mismos incrementos
para arreglos lineales y planares, los resultados arrojados por
dichas simulaciones se muestran a continuación.
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a)
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b)
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VII. REFERENCIAS
c)
[1] Ruiz P. Sergio, “Análisis paramétrico de una antena
rómbica planar de cruz”, SEPI, Tesis de Maestría, 2011,
Pp. 33.
[2] Carrión R. Luis, “Arreglo conforme para la recepcion de
GNSS en la banda GPSL1”, SEPI, Tesis de Maestría,
2012, Pp. 46-53.
[3] Sosa P. Jorge, “Análisis teórico experimentar de una
antena rómbica planar de cuatro brazos usando diferentes
sustratos”, En memorias de XII Congreso Nacional de
Ingeniería Electromecánica y de Sistemas CNIES, México
2010
[4] Sosa P. Jorge, “Análisis teórico experimentar de una
antena rómbica planar de cruz”, En memorias de VI
Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de
Sistemas CNIES, México 2010
[5] Sosa P. Jorge, “Parametric Analysis of a Cross Rhombic
Antenna”, En memorias de 1° Workshop on Analog and
digital electronic desing, WADED 2011, México 2011 Pp.
86-89
d)
Figura 18.- Patrones de radiación del arreglo planar de 2x2 elementos con
impedancias de carga separados a) 1.88λ, b) 1.93λ, c) 1.98λ, d) 2.93λ.
Para un arreglo planar de dos por dos elementos con
impedancias de carga de 50 Ohms en cada uno de sus
elementos y equidistados se observa que con forme aumenta la
separación entre elementos el ancho del haz del lóbulo
principal va disminuyendo sin que se deforme el patrón de
radiación, por lo que se presenta una mayor directividad. Sin
embargo a diferencia de un arreglo lineal, en un arreglo planar
con forme la separación va aumentando, los lóbulos
secundarios aumentan de manera considerable, por lo que
podría llegar un momento en que los secundarios sean tan
grandes que puedan causar efectos negativos en la directividad
del patrón y por lo tanto en su ganancia.
VIII. BIOGRAFÍA
Dr. Jorge Roberto Sosa Pedroza.
Doctor en Electrónica y Comunicaciones por el
IPN, tiene cursos de especialización en
Comunicaciones, en la Universidad de Wisconsin,
USA, y Cursos de especialización en
caracterización de antenas, Universidad de
California USA. Ha sido Profesor-Investigador
Titular de tiempo completo de la ESIME-IPN desde
hace 40 años, especializándose en Propagación
Electromagnética, Antenas, Comunicaciones Satelitales y Dispositivos
Pasivos de Microondas. Ha asesorado más de 200 tesis de Licenciatura,
Maestría y Doctorado y escrito más de 200 artículos de su especialidad, tanto
en revistas como en participación en congresos.
V. CONCLUSIONES
Se puede concluir que la antena de cruz rombica planar que ya
ha sido ampliamanete estudiada en el IPN, sigue manteniendo
el mismo comportamiento cuando se utiliza en arreglos, ya que
se demostró que los efectos de acoplamiento mutuo son
prácticamente despreciables y su acoplamiento no se ve
afectado. Se tiene ganancia máxima de alrededor de 15.97 dB
cuando se utiliza en arreglos con configuración lineal y una
ganancia máxima de 15.95 dB cuando se utiliza en arreglos
con configuración plana. De esto se puede concluir que la
geometría del arreglo juega un papel muy importante, esto se
puede observar en la tabla 2 y en los patrones de radiación de
las figuras 8, 9, 12 y 13.
A pesar de que cuando se coloca una impedancia de carga el
comportamiento de cada elemento aislado presenta cambios
considerables en su patrón de radiación y en el acoplamiento,
cuando se utilizan en arreglos estos cambios no se hacen
presentes.
Ing. Jair de Jesús Sebastián Villa.
Estudiante de la Maestría en Ciencias en Ingeniería
de Telecomunicaciones de la Secciona de Estudios
de Posgrado e Investigación (SEPI) en ESIME.
Ingeniero en comunicaciones y electrónica con
especialidad en comunicaciones egresado de la
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
(ESIME) del Instituto Politécnico Nacional (IPN).
M. en C. Fabiola Martínez Zúñiga.
VI. AGRADECIMIENTOS
Profesora-investigadora de la Escuela Superior de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica ESIME) del Instituto
Politécnico Nacional (IPN) del 2004 a la fecha. Ingeniera
en comunicaciones y electrónica, con una Maestría en
Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones de la
Secciona de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI)
en ESIME. Profesora titular de la academia de
Electromagnetismo y comunicaciones en ESIME.
Los autores agradecen al Instituto Politécnico Nacional, a la
Sección de estudios de Estudios de Posgrado e Investigación
de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco, al Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología y al Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito
Federal por el apoyo brindado.
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