En este documento se muestra el diseño y construcción de una antena patch (planar) que funciona a una frecuencia de 2,4 GHz. Demostrando mediante cálculos matemáticos y simulaciones con programas profesionales el correcto funcionamiento para luego ser construida y caracterizada en un analizador de antenas.

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Resumen – En este documento se muestra el diseño y
construcción de una antena patch (planar) que funciona a una
frecuencia de 2,4 GHz. Demostrando mediante cálculos
matemáticos y simulaciones con programas profesionales el
correcto funcionamiento para luego ser construida y
caracterizada en un analizador de antenas
I. INTRODUCCIÓN
Las antenas tipo patch son conocidas como antenas microstrip
ya que se basan en dicha tecnología. Su uso tiene un gran auge
para aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante
por ejemplo: aeronáutica, aviación, satélites, aplicaciones en
misiles, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas en
general, y para frecuencias altas principalmente en los rangos
microondas y ondas milimétricas.
El origen de la tecnología microstrip son los striplines, una tira
delgada de conductor en un dieléctrico recubierto en la parte
superior e inferior por una capa metalizada (ambas con el
mismo potencial, tierra). Data de los anos 50 y supusieron una
nueva forma de circuitería de microondas compatible con la
tecnología de circuitos impresos. Su principal aplicación es la
de realizar filtros, acopladores de línea paralelos de alta
directividad, amplificadores, etc.
II. OBJETIVOS
Objetivos generales
Diseñar y construir una antena patch que funcione en la
frecuencia de 2,4 GHz.
Objetivos específicos
 Diseñar y simular una antena patch de 2,4GHz.
 Construir de acuerdo a las simulaciones una antena
patch que funcione a 2,4 GHz
 Caracterizar la antena construida con el analizador de
antena y medir sus principales parámetros
III. MARCO TEORICO
APLICACIONES DE LAS ANTENAS PATCH
Las antenas parche tienen múltiples aplicaciones
principalmente en el mundo de la telefonía móvil y de las
comunicaciones wireless debido principalmente a su bajo
coste y un peso y volumen reducidos entre otras ventajas, por
el contrario son antenas con un ancho de banda reducido y con
poca potencia.
 Rango de frecuencias de 100 MHz a 50 GHz.
 Comunicaciones móviles (estaciones base, teléfono,
automóvil).
 Aeronáutica: radares, comunicaciones, navegación,
altímetro, sistemas de aterrizaje.
 Retransmisión de televisión en directo, radares de
sensibilidad remotos, radiómetros.
 Náutica: comunicaciones, radar, navegación.
 Biomédicas.
 Telemetría (guiado de misiles, sensores).
 Observación de la tierra.
 Sistemas de vigilancia, identificación.
Algunas de las ventajas que este tipo de antenas pueden
ofrecer son: tendencia a la miniaturización al lograr
dispositivos cada vez mas pequeños y con componentes
livianos, fáciles de integrar tanto a superficies planas como no
planas, sencillas, de fácil producción en masa (por lo que los
costos pueden ser muy reducidos), fáciles de adaptar con
circuitos integrados de microondas, versátiles en términos de
impedancia, patrón, polarización y frecuencia de resonancia.
Entre las principales desventajas de este tipo de antenas se
pueden nombrar: baja potencia de radiación (por su estructura
no se pueden soportar altas potencias en los componentes de
DISEÑO, SIMULACION Y CONSTRUCCION
DE ANTENA PATCH A 2,4 GHz
Diego Hernán Mendigaña Ing. Gilma Ángel
Ing. Telecomunicaciones Docente
7mo Semestre
Universidad de San Buenaventura
Bogotá, 2012

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una antena microstrip), baja eficiencia, ancho de banda
angosto, considerables perdidas y son fácilmente afectadas por
el factor térmico (sobre todo si se trabaja sobre substratos
flexibles).
FORMA BASICA DE ANTENA PATCH
Estas antenas poseen una tira conductora de largo L, ancho W
y grosor t. la tira conductora se encuentra situada en la parte
superior de un substrato dieléctrico con constante dieléctrica
ξr, el cual tiene un ancho h. en la parte inferior del substrato
dieléctrico se tiene un plano referenciado a tierra. Figura1
Figura 1. Forma básica de una antena patch (wg= largo de la
placa, Lg= ancho de la placa;
W= largo del parche, L= ancho del parche)
ALIMENTACIÓN
Existen dos tipos principales de alimentación: alimentación
por microstrip y alimentación por conector coaxial. En este
caso solo explicaremos el primer tipo de alimentación ya que
es el que nos interesa.
Alimentación por microstrip
Este método consiste en alimentar al radiador al conectarle
directamente una línea microstrip (diseñada para tener la
impedancia característica deseada). Este método es el mas
sencillo de realizar, sin embargo el que peor eficiencia
presenta en relación al ancho de banda y acoplamiento. Para
alimentar la antena se utiliza la conexión directa al borde de la
antena, la variación de la posición de la línea microstrip en
relación con el parche generará un mayor o mejor
acoplamiento de impedancia.
Cuando la antena es excitada por la alimentación, la
distribución de cargas se efectúa entre el panel de radiación y
el plano tierra, en un instante de tiempo bajo el panel de
radiación se concentra la carga positiva y sobre el plano tierra
la carga negativa. La atracción de fuerzas entre estas se
establece, teniendo a llevar una gran cantidad de carga entre
ambas superficies. Sin embargo, la fuerza de repulsión de las
cargas positivas, presiona a las cargas hacia los bordes, dando
como resultado una densidad de carga en los bordes. Estas
cargas son la fuente de campos del borde de radiación
asociada.
El ancho del panel de radiación W tiene poco efecto en la
frecuencia de resonancia y el diagrama de radiación de la
antena. Un gran ancho del panel incrementa la potencia de
radiación, por tanto decrece la resistencia de resonancia,
incrementa el ancho de banda e incrementa la eficiencia de
radiación. Figura2
Figura 2. Dimensiones de la línea de transmisión ( L y W = ancho
y largo de la línea respectivamente H=alto del substrato)
IV. PROCESO PARA EL DISEÑO Y SIMULACION.
Lo primero que se hizo para hacer la construcción de la antena
fue seleccionar los materiales necesarios y convenientes para
el diseño.
Según algunas lecturas sobre la construcción de estas antenas
el material mas utilizado es la fibra de vidrio (FR4);
anteriormente se había hecho un diseño con el material
conocido como “baquelita” pero los resultados no fueron los
esperados, así que se volvió a diseñar y a calcular los valores
de las dimensiones de la antena pero con fibra de vidrio, los
resultados fueron aproximados a los que queríamos.
De acuerdo a lo anterior se procedió a hacer los cálculos
matemáticos para hallar las dimensiones correctas de la antena
patch con los siguientes datos:
Frecuencia F = 2,4 GHz
Material: FR4 – Fibra de vidrio
Constante dieléctrica ξr = 4,4
Altura h= 1,5 mm
Velocidad de la luz c = 3 x 10ˆ8

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Después de esto se utilizaron las formulas correctas para este
tipo de diseños, estas formulas se encuentran en todos los
libros y páginas referentes a este tema, así que es muy
confiable utilizarlas; lo que se hizo fue remplazar los datos de
arriba en las formulas dadas:
CALCULO DEL ANCHO
W= 38,03 mm
CALCULO DEL DIELECTRICO EFECTIVO
ξeff = 4,08
CALCULO DE LA LONGITUD EFECTIVA
Leff = 30,94 mm
CALCULO DEL INCREMENTO DE LA EXTENSION
DEL PANEL
ΔL = 0,739 mm
CALCULO DE LA LONGITUD DEL PANEL
L = 29,46 mm
CALCULO DEL PLANO DE TIERRA DE LA ANTENA
Lg = 39,06 mm
Wg = 47,63 mm
CALCULO DE LA LINEA DE TRANSMISION
Zo = 6,87
Para poder acoplar correctamente la antena a una impedancia
de 50 Ohms nos ayudamos de la siguiente tabla en la cual nos
muestra las dimensiones correctas de la linea microstrip que se
pueden utilizar para el correcto acoplamiento:
H (mm) W (mm) Zo (Ω)
14 6,2 50,99
13 5,8 50,89
12 5,6 50,27
12 5 51,80
12 6 49,31
8 4 49,31
7 3,2 50,56
6 2,8 50,27
Tabla 1. Dimensiones de la linea de transmisión para el acople de
50 Ohms
Según los cálculos la antena quedaría con las siguientes
dimensiones:
Figura 3. Vista superior de la antena con sus medidas según los
cálculos.

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Figura 4. Vista transversal en la que se observa la línea de
transmisión
V. SIMULACIÓN
Ya teniendo los cálculos de las dimensiones para la antena el
paso a seguir fue hacer la simulación para saber si estas
dimensiones si hacen que la antena funcione en la frecuencia
de los 2,4 GHz y así poder pasar a la simulación.
Utilizamos el software de simulación HFSS de ANSOFT, ya
que es un software profesional y confiable para hacer
simulaciones de antenas.
Ingresando los datos calculados al software de simulación
obtuvimos una frecuencia más alta a la que queríamos,
aproximadamente de 6,5 GHz; así que tuvimos que modificar
las dimensiones dentro del programa hasta que la antena
quedara totalmente acoplada en la frecuencia correcta de 2,4
GHz. Figura 5.
Figura 5. Antena ya diseñada en el software HFSS-Ansoft.
En la figura anterior vemos la antena ya diseñada en el
software con las dimensiones correctas para la frecuencia,
también se puede observar la línea de transmisión unidad al
panel de la antena.
Después de esto con la ayuda del simulador se obtuvo los
datos que necesitamos para saber si la antena funciona o no
para los 2,4 GHz.
Se hizo un barrido de frecuencia desde 1 GHz hasta 6 GHz
para observar en que frecuencia funciona correctamente; la
grafica siguiente muestra que el coeficiente de reflexión
apunta en la frecuencia de 2,36 GHz con un -25,82 dB. Figura
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Figura 6. Coeficiente de reflexión (S11) perfectamente acoplada a
2,4GHz
Lo mismo paso para el VSWR en el que observamos que en
2,36 GHz es de 1,10; asi que podemos concluir que las
dimensiones calculadas y modificadas son las correctas para
que funcione en la frecuencia que queremos. Figura 7
Figura 7. VSWR de 1,10 en 2,4GHz
En el patrón de radiación observamos una grafica perfecta en
la que el la radiación es mayor hacia la dirección donde esta el
parche y menor hacia donde esta el plano de tierra, en el
lóbulo superior vemos un valor de 10,19 dB y en el lóbulo
inferior un valor de 1,31 dB. Figura 8
Figura 8. Patrón de radiación de antena patch

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VI. CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA PATCH
Después de haber hecho los cálculos, simulaciones y
observando que si son los correctos para la frecuencia de 2,4
GHz se procedió a la fase de construcción de la antena.
Para ello se utilizaron los siguientes materiales:
 Placa de Fibra de vidrio (FR4) doble capa
 Acido férrico
 Papel contact
 Conector Hembra SMA
Ya teniendo los materiales anteriormente mencionados, lo que
se hizo fue hacer el impreso de la antena en la placa de FR4,
pegando el papel contact en los dos lados de la placa y luego
cortando y quitando el papel para dejar solamente la parte del
plano de tierra, el parche y la línea de transmisión.
Figura 9. Placa de FR4.
Figura 10. Placa de FR4 con papel contact y el diseño ya
dibujado para luego ser impreso.
Después se sumergió la placa ya con las dimensiones
calculadas cortadas en el papel contact en agua caliente con
acido férrico para tener el impreso total del parche de la
antena, cuando se obtuvo el impreso se soldó el conector SMA
en la línea de transmisión para poder conectar el cable de 50
Ohms al analizador de antenas.
Figura 11. Soldando el conector SMA a la línea de transmisión.
Figura 12. Antena ya lista para conectarla al analizador de
antenas.
Así la antena ya esta construida para poder caracterizarla y ver
su verdadero funcionamiento comparando los resultados reales
con los simulados.
VII. CARACTERIZACION DE LA ANTENA PATCH
Materiales
 Analizador de antenas (Handheld Cable & Antenna
Tester) Agilent N9330A.
 Kit de conectores
 Cable coaxial de 50 Ohms
Ya construida la antena, esta se conecto al analizador de
antenas Agilent N9330A. y asi ver las graficas
correspondientes necesarios para saber si la antena funciona o
no correctamente.

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Figura 13. Antena Patch conectada al analizador de antenas.
El coeficiente reflexión muestra el marcador de S11 en la
frecuencia de 2,4 GHz con 26,37, eso quiere decir que si esta
funcionando perfectamente en la frecuencia que queremos.
Figura 14
Figura 14. Coeficiente de reflexión en 2,4 GHz con el S11 con
26,37dB.
En el VSWR vemos que esta perfectamente acoplada en 2,4
GHz con 1,27.
Figura 15. VSWR=1,27 en 2,4 GHz.
Comparando los datos simulados con los de la práctica vemos
que todos los cálculos de las dimensiones son los correctos.
Tabla 2
SIMULACIÓN PRACTICA
COEF. REFL. -25,82 -26,37
VSWR 1,10 1,27
Tabla 2. Comparación de los resultados simulados con los
prácticos
VIII. MEDICIÓN DE POTENCIA
Materiales
 Analizador de antenas (Handheld Cable & Antenna
Tester) Agilent N9330A.
 Kit de conectores
 Cable coaxial de 50 Ohms
 Analizador de espectro BK PRECISION Model 2658
8.5GHz
Una ves hecha la caracterización se midió la potencia que
puede irradiar la antena en un radio determinado, para ello se
hizo un circulo en un campo abierto donde la antena se
posicionaba en el centro de este y el los bordes del circulo con
la ayuda del analizador de espectro se iba midiendo la
potencia cada determinados grados hasta obtener todos los
valores en los 360 grados.

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Figura 16. Antena conectada al analizador para luego medir los
campos de radiación.
Figura 17. Antena patch.
Figura 18. Antena Patch conectada al analizador en campo
abierto.
Los datos obtenidos fueron los siguientes:
GRADOS
POTENCIA
dBm
0 -69
10 -75,8
20 -81,4
30 -56,2
40 -63,4
50 -77,4
60 -60,6
70 -72,6
80 -68,2
90 -72,6
100 -73,8
110 -67
120 -65,4
130 -76,2
140 -80,6
150 -74,2
160 -65,2
170 -70,6
180 -65,4
190 -85,4
200 -95,4
210 -86,2
220 -81,4
230 -78,6
240 -84,6
250 -77,4
260 -86,2

8. 8
270 -83
280 -78,2
290 -87,8
300 -89,4
310 -83,8
320 -65,4
330 -57
340 -64
350 -58,2
Tabla 3. Potencias obtenidas cada 10 grados.
Al graficar estos datos se observo lo siguiente:
Figura 19. Grafica de las potencias que irradia la antena en toda
la circunferencia.
Vemos como en determinados grados la potencia es mayor y
menor de acuerdo a la tabla anterior.
IX. CONCLUCIONES
Se logró diseñar y construir una antena patch que funciona en
la frecuencia de 2,4 GHz haciendo los cálculos correctos para
la simulación para luego ser construida y caracterizada.
Para el diseño de este tipo de antenas es mejor utilizar
materiales con una tangente de perdidas muy pequeña, así que
el que mas indicado y fácil de conseguir es la fibra de vidrio,
también llamada FR4.
El tamaño de la placa del substrato no influye en el cambio de
frecuencia, anteriormente se había planeado dejar las medidas
calculadas de Wg y Lg pero al final se dejo el tamaño normal
en que venia la placa que es de 10x10 cm, al simularla y
construirla la frecuencia, el coeficiente de reflexión y el
VSWR fue el esperado.
Este tipo de antenas es de fácil construcción y agradable para
el que la construye ya que los materiales son de fácil acceso, al
igual que las formulas para el diseño son entendibles y nada
complejos.
El software de simulación HFSS de ANSOFT es muy
confiable ya que los datos obtenidos con este programa fueron
casi exactos a los de la práctica con el analizador de antenas.
X. REFERENCES
[1] http://www.emtalk.com/mpacalc.php?er=11.9&h=1.6&h_
units_list=hmm&fr=2.4&Operation=Synthesize&La=18.0
663542318&L_units_list=Lmm&Wa=24.6093509674&
W_units_list=Wmm&Rin=580.5
[2] http://antenna.bookencore.com/
[3] http://es.scribd.com/doc/16562522/Diseno-y-Simulacion-
Antena-Patch
[4] http://es.scribd.com/doc/16562522/Diseno-y-Simulacion-
Antena-Patch
[5] http://www.emtalk.com/mwt_mpa.htm
[6] DISEÑO Y SIMULACION DE ANTENA PLANA
academica-
e.unavarra.es/bitstream/handle/2454/3546/577434.pdf?
[7] HFSS TUTORIAL
www.scribd.com/doc/16584538/HFSS-Tutorial
[8] ANTENA TIPO PATCH
catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/.../capitulo3.p
df
-100
-80
-60
-40
-20
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1
2 3
4
5
6
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POTENCIA