C Appendix C: Data cleaning procedures
C.3 Observations removed
4.1.3. Balun Bazooka
Como se ha comentado previamente, el balun que se utilizar´a en este modelo, ser´a un balun bazooka. Consiste en un cilindro conc´entrico de mayor radio que el conductor exterior del coaxial al que rodea, y se conecta creando un cortocircuito en la parte superior. El balun act´ua como un transformador, siendo la longitud del balun deλ/4 para que este cortocircuito se transforme en un circuito abierto, impidiendo que la corriente circule por la parte interior del balun, provocando un desequilibrio en las corrientes que circulan por el dipolo. El balun, al comportarse como uno de los brazos de la antena, tendr´a el mismo radio exterior que el otro brazo. El grosor ser´a de 1mm para que se pueda sostener r´ıgidamente, y haya un m´ınimo de separaci´on con la l´ınea coaxial. En la Fig. 4.3 se puede ver un corte transversal de la alimentaci´on del dipolo, donde se pueden apreciar la longitud del balun y de la l´ınea coaxial.
Figura 4.3: Corte transversal del balun bazooka
4.1.4. Simulaci ´on
Una vez se ha dise˜nado tanto la l´ınea coaxial como el balun que la recubre, se procede a dise˜nar el otro brazo del dipolo. Para ello se extiende el interior del cable coaxial una longitudgap, que es la separaci´on entre brazos del dipolo. El radio de los brazos del dipolo se ajusta para que la banda de resonancia est´e centrada en 1 GHz. Un aumento del radio del dipolo deriva en un desplazamiento de la banda de resonancia hacia frecuencias menores, por lo tanto, para compensar este efecto habr´ıa que acortar la longitud del dipolo a algo menos deλ/2.
Por otro lado, elgapque se deja para conectar ambos brazos del dipolo introduce una carga reactiva, comport´andose tal y como se puede observar en la Fig. 4.4. A medida que se aumenta el
gap, incrementa la parte imaginaria de la impedancia del dipolo.
A continuaci´on, se muestra en la Fig. 4.5 la estructura final del dipolo, incluyendo la vista superior, la inferior, y un corte transversal por el eje z. Los mejores resultados se han obtenido para una la longitud del dipolo de λ/2, y ajustando tanto el radio, como el gapa 0,024λ y a 5 mm, respectivamente.
CAP´ITULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACI ´ON
Figura 4.4: Par´ametroS11en la Carta Smith para distintas medidas delgapen mm
(a) Corte transversal completo del dipolo de hilo
(b) Vista superior (c) Vista inferior
Figura 4.5: Vistas del modelo final del dipolo de hilo
En la Fig. 4.6 se presenta el par´ametro|S11|del dipolo de hilo, donde se puede comprobar que la banda de resonancia se encuentra completamente centrada a 1 GHz, y el ancho de banda relativo a -10dB es cercano a un 11 %. Este ancho de banda de adaptaci´on es bastante aceptable, ya que valor t´ıpico para un dipolo de hilo puede ser de un 8-10 %.
En la Fig. 4.7 se muestra el diagrama de radiaci´on a 1 GHz, que como se puede comprobar, es pr´acticamente omnidireccional en todoφ, teniendo su m´aximo pr´acticamente en el eje perpendicular al del dipolo,Θ = 90. La ganancia es de 1,81dB, y la eficiencia de radiaci´on y la total son de un 99 %, pr´acticamente ideales e iguales a las simuladas en el modelo en Matlab, Cuadro. 3.3.
4.1. DIPOLO DE HILO
Figura 4.6: Par´ametro|S11|del dipolo de hilo
(a) Diagrama de radiaci´on completo
(b) Corte planoφ=90 (c) Corte planoΘ =90
CAP´ITULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACI ´ON
4.2.
Dipolo impreso
4.2.1. Estructura
En este cap´ıtulo se detallar´a el dise˜no y la fabricaci´on de la antena dipolo en tecnolog´ıa de l´ınea microstrip. Para llevar a cabo este dise˜no se ir´an definiendo cada una de las partes del sistema si- guiendo el orden del modelo anterior. La estructura propuesta para este dipolo impreso, contar´a con tres capas como se puede observar en la Fig. 4.8. La capa superior contar´a con uno de los brazos del dipolo y la l´ınea microstrip, la intermedia ser´a el sustrato diel´ectrico, y la inferior contar´a con un balun bazooka impreso que tambi´en se comportar´a como segundo brazo del dipolo.
(a)Vista lateral
(b)Vista superior
(c) Vista inferior
Figura 4.8: Estructura inicial del dipolo impreso con el balun bazooka
4.2. DIPOLO IMPRESO
4.2.2. T ´ecnica de alimentaci ´on
La alimentaci´on de este sistema se realizar´a mediante l´ınea microstrip. Como el grosor del sustrato es mucho menor que la longitud de onda [21], se consideran que los campos son quasi- TEM. Como parte de la l´ıneas de campo se propagan por el diel´ectrico y, parte por el aire, se tienen que calcular la constante diel´ectrica efectiva,e f f mediante:
e f f = r+1 2 + r−1 2 1 q 1+ 12Wd (4.2)
Siendodel espesor del sustrato yWel ancho de la pista.
La l´ınea ir´a impresa sobre el sustrato diel´ectrico que se ha elegido, un FR-4 gen´erico, con una constante diel´ectrica relativa,r = 4,3 y con unatan(δ) = 0,0025. Se ha escogido este sustrato ya
que conviene que la constante diel´ectrica no sea muy alta a efectos de ancho de banda y tambi´en de eficiencia [22] de la antena. Si se quisiera una antena de tama˜no de antena m´as reducido, convendr´ıa usar un sustrato con unar m´as alta, aunque llevar´ıa a una menor precisi´on en la obtenci´on de los
resultados. Para el c´alculo de las dimensiones de la l´ınea microstrip, se hace uso de las siguientes f´ormulas. Obteniendo como resultado final W/d=1,9465 que se aproxima a 1,9. Como el sustrato que se va a usar es de 1 mm, el ancho de la pista ser´a de 1,9 mm.
A= Z0 60 r r+1 2 + r−1 r+1 0,23+ 0,11 r ! (4.3) B= 377π 2Z0 √ r (4.4) W d = 8eA e2A−2 para W d <2 (4.5) W d = 2 π " B−1−ln(2B−1)+ r−1 2r ln(B−1)+0,39− 0,61 r !# para W d >2 (4.6)
Tambi´en existe una macro para el c´alculo de impedancias de l´ıneas de transmisi´on que nos proporciona CST STUDIO, como se puede ver en la Fig. 4.9.
Una vez tiene la l´ınea microstrip dise˜nada Fig. 4.10 se sit´uan los puertos y se procede con su simulaci´on. A continuaci´on, en la Fig. 4.11 se pueden ver parte de los par´ametros S de nuestra l´ınea de transmisi´on, y como se puede comprobar, los par´ametros|S21|y|S12|son id´enticos y nos muestran que no hay apenas p´erdidas en la l´ınea de longitud 30 mm.
CAP´ITULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACI ´ON
Figura 4.9: C´alculo de dimensiones de la l´ınea Figura 4.10: L´ınea Microstrip
Figura 4.11: Par´ametros S de la l´ınea microstrip
4.2.3. Balun Bazooka
El balun que lleva este prototipo es un modelo impreso de balun bazooka que se puede observar en la vista inferior de la Fig. 4.8. Este est´a formado por el plano de masa que acompa˜na a la l´ınea microstrip de la cara superior, llegando hasta el punto en el que se dividen los brazos. Estos brazos hacen tanto la funcionalidad de un balun como la de uno de los brazos del dipolo, teniendo una longitud deλ/4. Este prototipo de balun es el modelo impreso del balun bazooka del dipolo de hilo que se ha dise˜nado previamente.
4.2.4. Propuesta de dise ˜no
En esta secci´on se mostrar´a el dise˜no completo del dipolo, empezando por un modelo inicial del que se evaluar´an los par´ametros S, y a continuaci´on se mostrar´a el dise˜no definitivo indicando los 22
4.2. DIPOLO IMPRESO
cambios realizados.
Se comienza con la estructura mostrada en la Fig. 4.8, en cuya cara superior se encuentra uno de los brazos del dipolo, que est´a alimentado por una la l´ınea microstrip. Este brazo, es rectangular y tiene una longitud aproximada deλ/4. En la cara inferior, como se ha comentado previamente, est´a situado el plano de masa y el balun bazooka. La l´ınea central de la Fig. 4.8 tiene que ser lo suficientemente ancha para que el campo se pueda propagar por la l´ınea microstrip, por eso, se le da una anchura de 10 mm. La longitud de los brazos ser´a de aproximadamenteλ/4, y probando con distintas anchuras de brazo y del cortocircuito se consigue que la banda de resonancia se centre en 1 GHz.
Figura 4.12: Par´ametro|S11|del dise˜no inicial del dipolo
Se puede ver en la Fig. 4.12 que el ancho de banda de adaptaci´on est´a centrado en 1 GHz y que es de un 9 % aproximadamente, algo inferior al objetivo que se tiene marcado. Adem´as, en la Fig. 4.13 se presenta elS11del dipolo en la Carta Smith, y como se puede comprobar, no est´a perfectamente adaptado.
CAP´ITULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACI ´ON
Para adaptar mejor la antena, se hace un chafl´an tanto en las esquinas inferiores del brazo de la cara superior, como en las esquinas superiores del balun. Las medidas del chafl´an se hacen por igual en las cuatro esquinas, obteniendo como mejor resultado l chaflan=8 mm. La Fig. 4.14 presenta la vista superior e inferior del prototipo definitivo del dipolo impreso posicionado de forma colineal con la alimentaci´on.
En la Fig. 4.15 se muestra el resultado final del par´ametro|S11|de la antena. Viendo la gr´afica se puede verificar que la resonancia del dipolo est´a centrada en 1GHz y que el ancho de banda es m´as razonable que el modelo sin recortes llegando a un 12 %. Al igual que en gr´aficas anteriores, se corta el eje de ordenadas a -35dB ya que los valores por debajo son pr´acticamente despreciables. De esta forma, se puede observar con m´as detalle la gr´afica completa.
(a) Vista superior (b)Vista inferior
Figura 4.14: Estructura final del dipolo
Figura 4.15: Par´ametro|S11|del dise˜no final del dipolo
Si se ve elS11en la Carta Smith (Fig. 4.16), se puede comprobar que el valor m´ınimo delS11 24
4.2. DIPOLO IMPRESO
de la banda de resonancia est´a mucho mas cerca del centro. Esto indica que la impedancia que se ve en la antena a 1 GHz es de pr´acticamente 50Ω.
Figura 4.16: Par´ametroS11en la Carta Smith del dise˜no inicial del dipolo
En la Fig. 4.17 se puede observar el diagrama de radiaci´on, pr´acticamente omnidireccional en el plano XY, es decir, en el corteΘ = 90. Si se observara la gr´afica ampliada se podr´ıa apreciar un rizado de±0,2dBque da explicaci´on a la m´axima diferencia de ganancias en este plano, 0.4dB. Tanto la eficiencia de radiaci´on como la total son de un 83 % en ambos casos, algo m´as bajas que las del anterior modelo debido a las mayores p´erdidas.
CAP´ITULO 4. DIPOLO COLINEAL CON LA ALIMENTACI ´ON
(b) Corte planoφ=0 (c) Corte planoΘ =90
Figura 4.17: Diagrama de radiaci´on del dipolo impreso colineal con la alimentaci´on
CAP´ITULO
5
Dipolo frente a masa
5.1.
Dipolo con balun de l´ınea microstrip
5.1.1. Estructura
Este prototipo de dipolo est´a formado por tres capas, como se puede observar en la Fig. 5.1. En la capa inferior, se ve el plano de masa que cubrir´a la alimentaci´on de la antena. La capa intermedia tendr´a exclusivamente el sustrato diel´ectrico, concretamente el FR-4 gen´erico que se ha utilizado en el modelo anterior. Y, por ´ultimo, en la capa superior se tendr´a el divisor en T, el balun y los dos brazos del dipolo.
5.1.2. T ´ecnica de alimentaci ´on
La alimentaci´on de este dipolo ser´a parecida al modelo anterior usando tambi´en tecnolog´ıa microstrip. El sustrato utilizado para esta l´ınea ser´a el mismo que el del prototipo anterior, un FR-4 con constante diel´ectrica relativar=4,3, y unatan(δ)=0,0025. Por lo tanto, la anchura de la linea
para 50Ωser´a la misma, W=1,9 mm.
Se comienza dise˜nando el divisor en T, para ello se tiene en cuenta que en el puerto de entra- da tiene una Zin = 50Ω, y en los dos de salidaZout = 50Ω, es decir, una impedancia equivalente
Zeq =25Ω. Para no tener una fuerte reflexi´on y poder adaptar el divisor, se hace uso de un transfor-
madorλg/4 que ayuda a adaptar la impedancia equivalente de salida mediante un transformador de
impedancia intermedia. Tanto la longitud del transformador como su impedancia, vienen dadas por las siguientes f´ormulas.
λg 4 = λ0 4√e f f = c 4f√e f f =41,5mm (5.1) Ztra f o = p ZinZout=35,35Ω (5.2)