Las antenas microstrip, también conocidas como antenas impresas, consisten en un parche conductor sobre un sustrato dieléctrico. Se pueden diseñar para trabajar a diferentes frecuencias y con distintas polarizaciones. Presentan ventajas como su bajo perfil, bajo costo y facilidad de fabricación, pero también desventajas como su baja ganancia, limitada potencia y estrecho ancho de banda. El documento describe el diseño y simulación de una antena microstrip circular para recepción ISDB-T.

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ANTENA IMPRESA O ANTENA MICROSTRIP
1. DEFINICIÓN
Las antenas impresas, de tipo parche también denominadas antenas
microstrip (microtira) se diseñan a partir de líneas de transmisión o
resonadores sobre substrato dieléctrico. Las dimensiones se eligen de
forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiación.

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Los primeros diseños datan de la década de los 50, y se empiezan a utilizar
en sistemas a partir de los años 70. La estructura consiste en un Parche
metálico (dimensiones comparables a λ), sobre un substrato dieléctrico sin
pérdidas. El grosor oscila entre 0.003λ y 0.05 λ. La constante dieléctrica (εr)
puede tomar valores típicos de 2 a 12. En la parte inferior de la estructura
se tiene un plano conductor perfecto.
2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Las antenas microstrip se pueden analizar de muy diversas formas, desde
los modelos más simples, basados en líneas de transmisión o cavidades
hasta los más complejos, utilizando métodos numéricos o espectrales.
La línea de transmisión microstrip consiste en un conductor separado por
un dieléctrico sobre un plano de masa.
El modo fundamental es quasi-TEM, estando la mayor parte del campo
confinado en el dieléctrico.
El dieléctrico es eléctricamente delgado (0.003 <h <0.05), para evitar
fugas y ondas superficiales. La permitividad es a (3< εr< 10), para que las
líneas de campo estén confinadas en torno a la línea microstrip.

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3. FORMA DE LOS PARCHES
Se pueden encontrar radiadores de las formas más diversas, aunque las
geometrías más habituales son las circulares y rectangulares.
Otras formas menos habituales son las elípticas, triangulares o en forma de
anillo.

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4. TÉCNICAS DE ALIMENTACIÓN
Técnicas por contacto
 Alimentación por línea microstrip (BW: 2-5 %, facilidad de fabricación)
 Alimentación coaxial (BW: 2-5 %, facilidad de matching)
Técnicas sin contacto
 Alimentación por acoplamiento der apertura (BW: 2-5 %) bajo CPL
(Cross Polarization Level)
 Alimentación por acoplamiento der proximidad (BW: sobre 13%),
 Ambas son difíciles de construir ya que son multicapa

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5. PREVISIONES E INCONVENIENTES
Las características más importantes de este tipo de antenas son su bajo
perfil, se pueden adaptar a la forma de la estructura (plana o curvada), su
fabricación es sencilla y barata, son robustas, combinables con circuitos
integrados de microondas, y se pueden diseñar para trabajar a diversas
frecuencias y con distintas polarizaciones. Los inconvenientes más
importantes son su baja eficiencia, limitada potencia, alto factor de calidad,
pobre pureza de polarización, son de banda estrecha y además la radiación
de las líneas puede modificar los parámetros de las antenas.
6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
VENTAJAS:
 Son livianas y ocupan poco volumen.
 Fáciles de adaptar a distintas superficies.
 Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie.
 Soporta tanto polarización lineal como polarización circular.
 Fácilmente integrables a sistemas integrados de microondas
(MICs)
 Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias.
 Mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas.
DESVENTAJAS:
 Son de pequeño ancho de banda
 Baja potencia
 Baja ganancia
 Limitada potencia
 Baja pureza de polarización
 La radiación de los bordes puede afectar los parámetros de la
antena.
7. APLICACIONES
Las aplicaciones más importantes son para antenas de los sistemas de
teledetección (sistemas de radar a bordo de satélites), sistemas de
posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de calor en
tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y
en general todos los sistemas a frecuencias de microondas. Entre otras
tenemos:
 Comunicaciones móviles (estaciones base, teléfono, automóvil).
 Antenas en aviones (navegación, altímetros, telefonía).
 Satélites de comunicaciones.

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 Radares (Phased arrays) con conformado electrónico de haz.
 Biomédicas (aplicadores de calor en medicina (hipotermia)).
 Telemetría (guiado de misiles, sensores).
 Observación de la tierra.

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8. DISEÑO
Considerando que el sustrato utilizado en el diseño de la antena es de una
altura h muy pequeña (h<0.05·λ) para el cual el campo a lo largo del eje Z
se considera constante, la frecuencia de resonancia se determina utilizando
el modo TMmn0:
Donde Xmn representa los ceros de la derivada de la función de Bessel Jm(X)
y determina el orden de la frecuencia de resonancia.
Los valores de Xmn se presentan en la siguiente tabla:
Como el parche se ve eléctricamente más largo, aparece el concepto de
radio efectivo “ae”.
Para el modo TM110, la expresión de la frecuencia de resonancia se reduce:
Se consideró: µr=1 (para el cobre, material del parche).
Se reemplazó a por ae.

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Despejando para obtener una expresión para ae en función de fr:
Finalmente se puede calcular el radio a del parche circula mediante la
expresión:
Para calcular la distancia del centro al punto de alimentación del parche “Sf”
se emplea la siguiente expresión:
DISEÑO PARA RECEPSIÓN ISDB-T
Se tiene las siguientes especificaciones:
Banda: UHF
Rango de frecuencias: 470 MHz - 746 MHz
Frecuencia central: 608 MHz
Impedancia característica: 75 Ω
Sustrato: Baquelita εr=4.35
Altura h del sustrato: 1.5 mm

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Con estos datos se procede a calcular las dimensiones de la antena:
Radio efectivo ae:
Radio a de la antena:
Punto de alimentación Sf:
Longitud del sustrado:
Donde L es la longitud del lado mínimo que debe tener el
sustrato.

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Dimensiones de la antena:

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9. SIMULACION
Para obtener los parámetros característicos de la antena se procede a
realizar una simulación con el programa ANTENNA MAGUS, obteniendo
los siguientes resultados:
Típico Mínimo Máximo
Patrón de Lóbulo
radiación único
Ganancia (dBi) 7 5 8
Ancho de banda 5 0.3 15
(%)
Impedancia (Ω) 75
Diagrama de radiación normalizado (dB) a la frecuencia central:
Patrón de radicación tridimensional:

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10. CONCLUSIONES
El método utilizado para el análisis de la antena por el modelo de la línea
de transmisión es el sugerido por los autores Bahl y Bhartia ya que
presenta ventajas con respecto a la elaboración física de la antena que
como se menciona anteriormente es la gran limitante que se posee.
En cuanto al material dieléctrico, se opta por utilizar una baquelita
comercial de constante dieléctrica ( = 4.35), y en cuanto al material del
conductor se opta por el cobre para aprovechar el uso de placas para
diseño de circuito impreso (baquelita y cobre) y no tener que usar otros
materiales difíciles de conseguir.
De la experiencia en el laboratorio al momento de probar la antena, se
pudo apreciar el problema de la poca potencia que radia la antena tipo
microstrip de forma circular, pues no tiene ganancia.
Darle ganancia a la antena significaría realizar un arreglo de microstrip,
pero para la banda de frecuencias que se requiere (Televisión Digital ISDB-
T) el diseño sería demasiado grande y poco práctico.
Haciendo simulaciones se pudo analizar el problema de potencia de
radiación y ganancia de las antenas microstrip, observándose que para
arreglos de microstrip a altas frecuencias (reducción del tamaño del
parche) la ganancia y potencia de radiación aumentan, lo cual deja ver
claramente que la eficiencia de las antenas microstrip es ideal cuando se
está trabajando con frecuencias altas, es decir, frecuencias por encima de
los 2 GHz.