diseño y veriﬁcación de una antena de polarización ... · la impedancia y las propiedades del...

Diseño y verificación de una antena de polarizacióncircular de banda ancha de tamaño compacto

Tempone Nicolás

Facultad de Ingenieria - Universidad de Buenos Aires

10 de agosto de 2010

Tutor: Valentino Trainotti

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Tareas

I Estudio

I Diseño

I Optimización

I Mediciones y corroboración

Tempone Nicolás Facultad de Ingenieria - Universidad de Buenos Aires

Diseño y verificación de una antena de polarización circular de banda ancha de tamaño compacto

Introducción

Descripción de la geometría en términos de la longitud de onda

Se considera un dipolo de media onda (L = λ/2). Cambiar L equivale acambiar la frecuencia de trabajo.Esta antena produce ondas de polarización lineal y opera en bandaangosta (prácticamente a una sola frecuencia).

Figura 1: Dipolo de media ondaTempone Nicolás Facultad de Ingenieria - Universidad de Buenos Aires

Polarización

DefiniciónLa polarización de la onda radiada depende de la ubicación del vectorcampo eléctrico en el espacio en función del tiempo. Si define una elipsees polarización elíptica, cuyos casos particulares son: polarización linealy polarización circular.

PolarizaciónRelación axial

RA =EMAXEmin

Objetivo

Diseño de una antenade banda ancha

y polarización circular

Antenas independientes de la frecuencia

Principio de Rumsey

La impedancia y las propiedades del diagrama de radiación de unaantena son independientes de la frecuencia si la forma de la antenapuede ser especificada sólo en términos de sus ángulos.Sólo puede aplicarse a estructuras infinitas.

Ejemplo

Espiral equiangularr(θ) = b aθ

r(θ + C) = b aθ+C = b aθaC = K r(θ)

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Rumsey

Ejemplo

Principio de Babinet (extensión de Booker)

Estructuras complementarias

Z1Z2 =η2

4

Estructuras auto-complementarias

Z =η

2≈ 188,35 Ω

Z1Z2 =η2

4

Z =η

2≈ 188,35 Ω

Z1Z2 =η2

4

Z =η

2≈ 188,35 Ω

Teoría de operación

A

B

P QQ' P'+

-

R

S

D =λ

π

Teoría de operación

A

B

P QQ' P'+

-

R

S

D =λ

π

Tipos de espirales

I Equiangular (Dyson): r(θ) = baθ

I Arquímides (Kaiser): r(θ) = aθ + b

A

B

P QQ' P'+

-

R

S

Relajación de los criterios de independencia en frecuencia

I No es necesario que la antena quede definida sólo por sus ángulos.

I No es necesario que la antena sea autocomplementaria.

La espiral de Arquímides presenta un excelente desempeño engrandes anchos de banda.

Objetivos de optimización - especificaciones

I Unidireccionalidad

I Ganancia

I Polarización: Relación axial

I Impedancia de entrada

I Tamaño y perfil

I Ganancia

I Tamaño y perfil

I Ganancia

I Tamaño y perfil

I Ganancia

I Tamaño y perfil

I Ganancia

I Tamaño y perfil

Objetivos de optimización - especificacionesUnidireccionalidad

Figura 2: Diagrama de radiación para una espiral en el espacio libre

Figura 3: Diagrama de radiación para una espiral en el espacio libre y otra conun reflector (cavidad conductora)Tempone Nicolás Facultad de Ingenieria - Universidad de Buenos Aires

Objetivos de optimización - especificacionesGanancia

Factores que deterioran la ganancia G

I Diámetro demasiado pequeño (D debe ser ≥ λ/π)I Cavidad absorbente (3 dB)

I Reflector a poca distancia h (oscilaciones en altas frecuencias)

I Reflector a poca distancia h en bajas frecuencias por acoplamientomutuo

I Factor de crecimiento (a) demasiado grande (oscilaciones)

I Sobremodos (oscilaciones, si D = 3λ/π, 5λ/π, · · · )I Factor de crecimiento (a) demasiado pequeño (si se utiliza

microstrip para la alimentación: balun infinito)

Objetivos de optimización - especificacionesPolarización: Relación axial

Factores que deterioran la relación axial RAI Cavidad conductora

I Truncamiento de la espiral (reflexión en los bordes)

I Factor de crecimiento (a) demasiado grande

I Sobremodos (D = 3λ/π, 5λ/π, · · · )

Algunos estudios realizadosVariación de D

100 150 200 250 300 350 400−15

−10

−5

0

5

Frecuencia [MHz]

Gic

[dB

]

D = 450 mm

D = 475 mm

D = 500 mm

D = 525 mm

D = 550 mm

Figura 4: Ganancia, para distintos valores de D

Algunos estudios realizadosVariación de h

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300−10

−5

0

5

10

15

Frecuencia [MHz]

Gic

[dB

]

h = 20 mmh = 35 mmh = 40 mmh = 50 mm

Figura 5: Ganancia, para distintos valores de h

Algunos estudios realizadosVariación de a

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300−10

−8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

10

Frecuencia [MHz]

Gic

[dB

]

a = 6 mm/rad

a = 7 mm/rad

a = 8 mm/rad

a = 9 mm/rad

a = 10 mm/rad

Figura 6: Ganancia, para distintos valores de h

Algunos estudios realizadosEspirales mixtas

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300−5

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Frecuencia [MHz]

Gic

[dB

]

mixta1

arquim a = 6

arquim a = 8

Modelo óptimo obtenidoEspecificaciones técnicas

I Frecuencia: 300 - 3000 MHz

I Polarización: circular

I Relación axial < 1.5 dB

I Impedancia: 50 ΩI Ganancia: 7 dBic

Modelo óptimo obtenido

Conclusiones

Se ha obtenido un modelo óptimo mediantesimulaciones de computadoras.

Resta la construcción mecánica, mediciones yoptimización del modelo final.

¡MUCHAS GRACIAS!

Tempone Nicolás

Facultad de Ingenieria - Universidad de Buenos Aires

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