1. UTPL. Diseño y simulación de un antena panel de 5.8GHz
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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA ANTENA PANEL DE 5,8GHz
Luis Alfredo Quichimbo
e-mail: laquichimbox@utpl.edu.ec
Crhistian Paúl Tinoco
e-mail: cptinoco@utpl.edu.ec
ABSTRAC: In this article is shown a simple
Panel de radiación
procedure to carry out an antenna panel that works
to a frequency of 5.8GHz. They have been extracted
and shown based on the microstrip simple
expressions for the dimensions of the metallic panel,
substratum, flat earth and feeding point for coaxial
cable. The results of the simulations show us the
radiation diagram, gain and directivity, among other
Substrato
RESUMEN: En el presente artículo se muestra un
procedimiento sencillo para realizar una antena panel
que funcione a una frecuencia de 5.8GHz. Se han
extraído y mostrado en base a las microcintas Plano tierra
expresiones sencillas para las dimensiones del panel
metálico, substrato, plano tierra y punto de alimentación Fig. 1 Microcinta dispuesta como una antena panel
para cable coaxial. Los resultados de las simulaciones
nos muestras el diagrama de radiación, ganancia y Los paneles rectangulares son probablemente los
directividad, entre otros. más utilizados debido a su geometría rectangular, éstos
tienen un ancho de banda más grande comparados con
PALABRAS CLAVE: antena panel, ganancia, punto las demás geometrías. Las circulares y elípticas son más
de alimentación, substrato. complejas de analizar debido a su geometría. Las
triangulares por tener una forma asimétrica producen
una polarización cruzada. Mientras que las anillo no son
tan fáciles de excitar a modos de orden bajo y obtener
1 INTRODUCCIÓN una buena impedancia de acople para resonancia.
En los años 70, gracias a la disponibilidad de Existen muchas ventajas de las antenas panel con
buenos substratos con baja tangente de pérdidas y respecto a las antenas de microondas convencionales
propiedades térmicas atractivas, mejores técnicas [2]:
fotolitográficas y más modelos teóricos, se consigue • Peso ligero.
fabricar las primeras antenas panel (en inglés patch • Bajo costo de fabricación.
anntenas) [1], que 15 años antes fueron patentadas por • Con una simple alimentación son posibles las
Gutton y Baissnot, pero propuestas en 1953 por polarizaciones lineal y circular.
Deschamps[2]. • Es posible realizar antenas con doble
polarización y doble frecuencia.
Las antenas panel se basan en las microcintas, tal • No requiere cavidad de respaldo.
como se muestra en la Fig. 1, está compuesta por un • Puede ser fácilmente integrada con circuitos
panel de radiación, un substrato de dieléctrico con εr ≤10 integrados para microondas.
y un plano tierra. El panel de radiación puede ser de • El punto de alimentación y las redes de
cobre u oro y tener geometría circular, rectangular, acoplamiento pueden ser fabricadas
cuadrada, elíptica, triangular, anillo, entre otros; simultáneamente con la estructura de la antena.
dependerá de la simplicidad del análisis.
Pero así como tienen muchos puntos a favor,
también los tienen en contra, estas antenas tienen una
relativamente baja ganancia, ancho de banda estrecho,
y la sensibilidad a errores en la fabricación.
2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
2.1 Características generales
1

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En nuestro diseño de la antena panel para una Fig. 3 Alimentación de antena panel de microcinta
frecuencia de 5.8GHz, el panel tendrá forma rectangular
y con el fin de utilizar materiales que están disponibles
en nuestro medio, se utilizará baquelita de doble lado, Cuando la antena es excitada por la alimentación,
1
FR4 , constituida por dos paneles conductores de cobre la distribución de cargas se efectúa entre el panel de
y el substrato con una constante dieléctrica εr=4.5. radiación y el plano tierra, en un instante de tiempo bajo
el panel de radiación se concentra la carga positiva y
2.2 Forma básica sobre el plano tierra la carga negativa. La atracción de
fuerzas entre éstas se establece, tendiendo a llevar una
gran cantidad de carga entre ambas superficies. Sin
Los elementos básicos de una antena panel
embargo, la fuerza de repulsión de las cargas positivas,
rectangular de microcinta, se muestran en la Fig. 2. La
presiona a las cargas hacia los bordes, dando como
cinta conductora de la parte superior (panel de
resultado una densidad de carga en los bordes. Estas
radiación) de dimensiones LxW, se encuentra sobre el
cargas son la fuente de campos del borde y la radiación
substrato dieléctrico con constante de dieléctrico εr y
asociada.
esperor h, y en la parte inferior del substrato la cinta
conductora (plano tierra).
El ancho del panel de radiación (W) tiene poco
efecto en la frecuencia de resonancia y el diagrama de
Panel de radiación
radiación de la antena. Un gran ancho del panel
Punto de
alimentación
incrementa la potencia de radiación, por tanto decrece la
resistencia de resonancia, incrementa el ancho de banda
e incrementa la eficiencia de radiación. El ancho del
panel debería ser seleccionado para obtener una buena
X0,y0
W eficiencia de radiación si lo requerimientos de estado
real o los lóbulos no son factores primordiales. Esto
L sugiere que 1<W/L<2 [2].
Εr
Substrato
h Wg 3 PASOS PARA EL DISEÑO
Lg La antena panel tiene como especificaciones de
Plano tierra diseño las siguientes:
Fig. 2 Geometría básica de una antena panel • Frecuencia de operación:
rectangular fr = 5.8GHz
• Substrato dieléctrico:
Para realizar la conexión del punto de alimentación
al cable coaxial, se debe utilizar un conector tal como se ε r = 4.5
muestra en la Fig. 3, el conductor interior del conector Tanδ = 0.019
coaxial se extiende a través del dieléctrico y es soldado h = 1.6 mm
al panel de radiación de la antena anteriormente
• Método de alimentación: cable coaxial
seleccionado, mientras que el conector exterior de cable
coaxial está conectado con el plano tierra. • Polarización: lineal
3.1 Cálculo del ancho
Panel de radiación Substrato
c
W = (1)
 ε r + 1
2f0  
 2 
Donde:
c - velocidad de la luz en el espacio libre
fr - frecuencia de operación
εr - constante dieléctrica
3 * 10 8
W = = 15.6mm
(2)(5.8 G ) 2.75
Jack del conector Plano tierra
3.2 Cálculo del dieléctrico efectivo
−1
1 εr + 1 εr −1 h 2
El material FR4, es un tipo de baquelita. Está formado por varias hojas de Prepeg, ε reff = + 1 + 12  (2)
el cual a su vez está constituido por capas tejidas de fibra de vidrio impregnadas con 2 2  W
resina epoxi. El material de espesor Standard (1,6mm) consta de 8 capas de Prepeg
y dos de cobre de 35 micrones.
2

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Tomando la siguiente condición se puede calcular
Donde: la ubicación del punto de alimentación [2]:
εr - constante dieléctrica si W ≥ L
h – altura del substrato dieléctrico
 W
W- Ancho del panel y 0 = 2
 (8,9)
 L
ε reff =
5.5 3.5
+ (0.6695 ) = 3.92 x0 =
 2 ε reff
2 2 
15 .6
3.3 Cálculo de la longitud efectiva y0 = = 7.8 mm
2
11 .6
c x0 = = 2.9 mm
Leff = (3) 2 3 .93
2fr ε reff
3.7 Cálculo del plano tierra de la antena
Donde;
panel
c - velocidad de la luz en el espacio libre.
fr - frecuencia de operación
εreff - constante dieléctrica efectiva Lg = 6H + L (10)
Lg = 6(1.6 ) + 11 .6 = 21 .2 mm
3 * 10 8
Leff = = 13.06 mm W g = 6H + W (11)
(2)(5.8 G ) 3.92
Wg = 6(1.6 ) + 15 .6 = 25 .2 mm
3.4 Cálculo del incremento de la extensión
del panel
4 RESULTADOS
W 
(ε reff
+ 0.3 ) + 0.264  Con el fin de verificar los datos obtenidos en la
∆L = 0.412h  h  (4) teoría, utilizamos el software FEKO, para realizar la
W 
(ε reff
− 0.258) + 0.8  simulación de la estructura CAD FEKO, Fig. 4 y para
 h  observación de resultados POSTFEKO, Fig. 5,6,7.
(3.92 + 0.3) 15.6 + 0.264 
 
∆L = 0.412(1.6 )  1.6 
 15.6 
(3.92 − 0.258 ) + 0.8 
 1.6 
4.22(10.014 )
∆L = = 0.72 mm
3.662(10.55 )
3.5 Cálculo de la longitud del panel
L = Leff − 2∆L (5)
Fig. 4 Estructura de la antena. CAD FEKO
L = 13 .06 − 2(0.72 ) = 11 .62 mm
3.6 Cálculo del punto de alimentación de la La simulación devolvió los siguientes resultados:
antena panel
c
λ0 = (6)
fr
3 * 108
λ0 = = 0.0517 m
5.8 GHz
2πfr
k0 =
c (7)
2π
k0 = = 121.48 m −1
λ0
3

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6 REFERENCIAS
[1] Kinayman Noyan, M. I. Aksun, “Modern Microwave circuits”,
Artech House Inc Boston.London, 2005;
[2] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak
Ittipiboon “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech
House Inc Boston.London, 2001;
[3] Perez Reinaldo, “Wireless Comunication Design HandBook”
Volume 3: Interference Into Circuits, Academic Press.
Boston. London. 1998
[4] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition.
John Wiley & Sons, Inc. 1998.
Fig. 5 Ganancia de la antena. Escala en dB
Fig. 6 Campo radiado
Fig. 7 Campo eléctrico radiado. Diagrama polar
5 CONCLUSIONES
• El principal objetivo de este proyecto fue
diseñar una antena panel de microcinta de
5.8GHz. Los resultados que obtuvimos en el
software nos demuestran que la antena
estuvo bien diseñada.
• Para la frecuencia de 5.8GHz el ancho del
panel de radiación es de 15.6mm y el largo es
11.6mm.
• Una sola antena panel nos ofrece una
directividad de 5.2dB, debido a que el ancho
del panel es mayor que la longitud de onda.
Ahora, al realizar un arreglo de antenas panel,
mejorarían los resultados.
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