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Introducción
En este ejemplo, una antena de satélite diseñada originalmente para operar en banda X [1] se modifica en XFdtd para reducir el tamaño total y permitir que quepa en un dispositivo móvil. Esto se consigue desplazando su frecuencia de funcionamiento a la banda Ku a 12,5 GHz. La antena consta de un conjunto de elementos 4x4, cada uno de los cuales contiene cuatro elementos de parche girados. Los cuatro elementos de parche se alimentan con ajustes de fase de 0, 90, 180 y 270 grados para producir un campo polarizado circularmente. El conjunto produce un haz principal con una ganancia de más de 20,7 dBi que puede orientarse en un amplio campo de +/- 60 grados. Se investiga el rendimiento del conjunto en esta configuración para determinar la viabilidad de dicha aplicación.
Diseño de dispositivos
Elemento único
El conjunto de antenas consta de 64 pequeñas antenas de parche. Cada antena de parche está construida con un elemento de excitación cuadrado y un elemento de resonancia acoplado rectangular más pequeño, como se muestra en la figura 1. Se han colocado clavijas de cortocircuito en los elementos de excitación y acoplamiento para mejorar el ancho de banda de la antena. Los parches de cobre se colocan sobre un sustrato de 1,8 mm de espesor con una constante dieléctrica de 4. La dimensión del parche cuadrado es de 5,66 mm, mientras que el parche de acoplamiento es de 2,15 x 5,09 mm con una distancia de separación de 1,2 mm. El elemento único tiene un amplio rango de funcionamiento que va de 11,795 a 14,492 GHz, como se muestra en el gráfico de pérdidas de retorno de la Figura 2. El parche produce una onda semiesférica con una constante dieléctrica de 4 GHz. El parche produce un patrón de ganancia algo semiesférico con un pico de ganancia de 5,7 dBi a 12,5 GHz, como se muestra en la figura 3.
Figura 1: Representación CAD del radiador de elemento único de dos parches con un parche de alimentación cuadrada y un parche de acoplamiento más pequeño.
Figura 2: La pérdida de retorno de la antena de parche muestra un buen rendimiento entre 11,8 y 14,5 GHz.
Figura 3: El patrón de ganancia de la antena de parche tiene un patrón uniforme por encima del sustrato y una ganancia de pico de 5,7 dBi.
Elemento de matriz
Cada uno de los elementos 4x4 del gran conjunto consta de cuatro elementos individuales girados 90 grados consecutivamente alrededor de un punto central con una separación de 0,448 mm, como se muestra en la Figura 4. En esta configuración, la antena está sintonizada para funcionar en la banda de 11,35 a 14,7 GHz aproximadamente, como se muestra en la Figura 5. En esta configuración, la antena está sintonizada para funcionar en una banda de aproximadamente 11,35 a 14,7 GHz, como se muestra en la Figura 5, donde cada elemento tiene un diagrama de pérdidas de retorno idéntico. Los elementos se alimentan con una fuente sinusoidal a 12,5 GHz con una diferencia de fase de 90 grados que aumenta con cada elemento en sentido antihorario, lo que da lugar a un diagrama de ganancia con polarización circular izquierda. La figura 6 muestra el patrón simétrico resultante con un pico de ganancia de 9,5 dBi.
Figura 4: Se forma un elemento de array combinando cuatro de las antenas de parche en un patrón cuadrado con cada parche girado 90 grados.
Figura 5: La pérdida de retorno del elemento del array muestra un buen rendimiento entre 11,3 y 14,7 GHz.
Figura 6: El elemento del array tiene cuatro parches que se alimentan con un desplazamiento de fase que se incrementa en 90 grados alrededor del cuadrado. El patrón resultante tiene polarización circular izquierda y una ganancia pico de 9,5 dBi.
Arreglo completo
Para formar el conjunto completo, los elementos se colocan en un patrón 4x4 con una separación de 5,376 mm, como se muestra en la Figura 7. El conjunto se simula primero en un sustrato y una placa de masa mayores para reducir el impacto de los efectos de los bordes en el rendimiento. El array se simula primero en un sustrato y una placa de masa mayores para reducir el impacto de los efectos de borde en el rendimiento. Debido al tamaño finito de la placa de masa, se producen algunos efectos en las pérdidas de retorno de los elementos que son más importantes en los elementos del array cercanos a los bordes. En la Figura 8, se muestra la pérdida de retorno de los cuatro parches de uno de los elementos centrales con cierta variación visible y un aumento del nivel por encima de -10 dB por encima de la frecuencia de diseño de 12,5 GHz. La figura 9 muestra más variación entre los cuatro elementos para un elemento de esquina del conjunto que está cerca de los bordes del plano de tierra, pero el rendimiento a 12,5 GHz sigue siendo aceptable. El conjunto produce un haz potente con una ganancia de casi 22 dBi y un ancho de haz de 3 dB y 15 grados. Los lóbulos laterales son al menos 12 dB menores que el haz principal.
Figura 7: Representación CAD de los elementos del conjunto en una configuración 4x4 sobre una gran placa de masa.
Figura 8: La pérdida de retorno para uno de los elementos centrales del array muestra una pérdida de retorno similar para cada uno de los cuatro parches con sólo ligeras variaciones causadas por los elementos adyacentes y los bordes del plano de tierra.
Figura 9: La pérdida de retorno de un elemento de esquina del conjunto muestra variaciones mayores debido a los efectos de borde de la placa de masa. El rendimiento sigue siendo bueno en la frecuencia de diseño de 12,5 GHz.
Matriz en el dispositivo
Para la aplicación propuesta en este ejemplo, el array se coloca en una plataforma similar a un dispositivo móvil para medir el rendimiento. Las dimensiones de un teléfono móvil típico son inferiores al tamaño del array completo de 76,5 x 76,5 mm. En este caso, la anchura del dispositivo móvil se ha fijado en 79,5 mm para dejar espacio suficiente para instalar el array y tener una distancia mínima de separación entre el borde del dispositivo y los parches, como se muestra en la figura 11. Como se vio en los resultados del array completo, la presencia del borde de la placa de masa tendrá un impacto en el rendimiento del dispositivo. Para los elementos centrales del array, el impacto no es significativo, como se muestra en la Figura 12, donde la variación en la pérdida de retorno entre los parches es sólo ligera. La Figura 13 muestra el mayor impacto en la pérdida de retorno para el elemento de esquina del array, donde se aprecian grandes variaciones. A la frecuencia de diseño de 12,5 GHz, la pérdida de retorno está muy por debajo de -10 dB para todos los elementos, por lo que el rendimiento no debería verse afectado. El conjunto produce un diagrama de haz similar en la configuración del dispositivo móvil en comparación con el conjunto completo en un plano de tierra grande, con una ganancia ligeramente menor de alrededor de 20,8 dBi como se muestra en la Figura 14. Si se compara con el haz producido por el conjunto completo sobre una gran placa de masa, se observa que los lóbulos laterales también se desplazan y, en general, son mayores en la plataforma del dispositivo móvil. En la figura 15 se muestra un diagrama polar de la ganancia en un corte a lo largo del dispositivo, mientras que en la figura 16 se muestra un diagrama a lo ancho del teléfono. Aunque los bordes del dispositivo reducen el rendimiento del conjunto, sigue habiendo suficiente ganancia, bajos lóbulos laterales y buenas pérdidas de retorno en la gama de frecuencias de interés.
Figura 10: El array 4x4 produce un haz principal potente con una ganancia de 21,9 dBi.
Figura 11: El array 4x4 se muestra montado en un dispositivo móvil con una separación muy limitada entre el marco del teléfono y el array en la dimensión de anchura.
Figura 12: La pérdida de retorno de un elemento central del array muestra algunos efectos de los elementos adyacentes y de los bordes del teléfono, pero sigue teniendo un buen rendimiento a la frecuencia de diseño de 12,5 GHz.
Figura 13: Los elementos de las esquinas muestran un impacto mucho mayor de los efectos de los bordes del marco del teléfono, pero siguen manteniendo un buen rendimiento a la frecuencia de diseño de 12,5 GHz.
Figura 14: El patrón de ganancia producido por el array es muy similar cuando se monta en el teléfono frente al plano de tierra más grande. Sin embargo, hay algunos cambios en el nivel de ganancia y en los lóbulos laterales.
Figura 15: Un diagrama polar de los patrones de ganancia del conjunto en el plano de tierra grande comparado con la configuración en el dispositivo móvil muestra las variaciones en los niveles y posiciones de los lóbulos laterales. Este trazado es un corte a través de la dimensión larga del cuerpo del teléfono. También se observa un ligero descenso de la ganancia del haz principal cuando se monta en la plataforma más pequeña del teléfono.
Figura 16: Un diagrama polar de los patrones de ganancia del conjunto en el plano de tierra grande comparado con la configuración en el dispositivo móvil muestra las variaciones en los niveles y posiciones de los lóbulos laterales. Este trazado es un corte a través de la corta dimensión del cuerpo del teléfono. También se observa un ligero descenso de la ganancia del haz principal cuando se monta en la plataforma más pequeña del teléfono.
El haz del conjunto puede orientarse modificando el desplazamiento de fase entre los elementos del conjunto. En la Figura 17, se produce un haz que tiene una ganancia máxima de 16 grados respecto a la dirección vertical. Este haz se genera aumentando el desplazamiento de fase a cada fila de elementos en 90 grados a lo largo de la dirección larga del dispositivo. De forma similar, se pueden producir muchos otros haces con diferentes ajustes de fase. La figura 18 muestra el patrón de mantenimiento máximo de haces posibles de 0 a 60 grados hacia abajo desde la vertical en incrementos de 5 grados y pasos de 15 grados alrededor en azimut. Como se puede ver, es posible un gran rango de cobertura desde el array con una ganancia de casi 19 dBi en un rango de +/- 60 grados.
Figura 17: Se muestra un haz inclinado 16 grados respecto a la vertical. Este haz se produjo variando la fase a lo largo de la dimensión larga del teléfono 90 grados entre cada fila del conjunto.
Figura 18: Se muestra un patrón de retención máxima de los haces producidos por el teléfono con variaciones angulares de +/- 60 grados desde la vertical en pasos de 5 grados y pasos de 15 grados en la dirección azimutal. El patrón generado cubre toda la media esfera con haces de alta ganancia.
Resumen
En este ejemplo se analizó el rendimiento de una antena de satélite en banda Ku en el entorno de un dispositivo móvil como prueba de concepto. El conjunto presenta algunas pérdidas de rendimiento debido a las reducidas dimensiones de la plataforma, pero aun así produjo una alta ganancia y una amplia cobertura en la frecuencia de diseño.
Referencia:
C. Karlsson, P. Cavero, T. Tekin y D. Pouhè, "A new broadband antenna for satellite communications", 2014 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2014, pp. 800-803, doi: 10.1109/APWC.2014.6905588.
