Research Philosophy

5.2.1

Doble parche circular y ranura pajarita

En este apartado se presenta el diseño final del array 4x4 realizado con doble parche circular y ranura en lazo o pajarita. Para el desarrollo del array se ha utilizado la red de alimentación 1x16 cuyo diseño se explicó en el capítulo 4.

En primer lugar, en la Figura 5.2.1 se puede observar la curva de S11. En ella, se

aprecia una doble resonancia en torno a la frecuencia central de 94 GHz. El S11 se

mantiene por debajo de -10 dB desde 90 hasta 97 GHz. Este intervalo implica una reducción notoria en cuanto a prestaciones respecto al diseño previo con doble parche. Esta reducción de las prestaciones, que también se aprecia en el ensanchamiento del haz, tiene como causas principales el acoplo entre elementos y en la propia red, así como el desbalance de amplitud que es más importante en la red 1x16 y más en los diseños con ranura en pajarita. En otro orden de ideas, en las siguientes figuras, concretamente en las Figuras 5.2.2, 5.2.3 y 5.2.4 se puede observar el diagrama de radiación 3D a la frecuencia de 94 GHz, el diagrama copolar-contrapolar, también a la frecuencia central y, por último, una curva que muestra la evolución de la ganancia a lo largo de la banda, es decir, en función de la frecuencia. Cabe destacar que la relación co-contrapolar es de más de 30 dB, que la eficiencia de radiación es coherente y alta, en torno al 65%, al igual que los valores de ganancia a lo largo de la banda de trabajo, siendo el valor máximo de 14.23 dB.

Figura 5.2.1: Parámetro S11 del array 4x4 con doble parche y ranura en pajarita.

Figura 5.2.2: Diagrama de radiación en 3D a 94 GHz.

Figura 5.2.3: Diagrama copolar-contrapolar a 94 GHz en los planos phi 0º y phi 90º.

5.2.2

Parche simple circular y ranura pajarita

En este apartado se presenta el diseño final del array 4x4 realizado con parche circular simple y ranura en lazo o pajarita. Para el desarrollo del array se ha utilizado la red de alimentación 1x16 cuyo diseño se explicó en el capítulo 4.

En primer lugar, en la Figura 5.2.5 se puede observar la curva de S11. En este caso,

solo aparece una resonancia y esta cae en la frecuencia central como es de esperar. En

este caso, el S11 se mantiene por debajo de -10 dB desde 90 hasta 97 GHz, pero ahora la

reducción de la banda de trabajo es menor que en el anterior diseño, por lo que es más determinante el acoplo entre elementos en el anterior diseño que los acoplos en la red.

A continuación de la gráfica de S11, en las Figuras 5.2.6, 5.2.7 y 5.2.8 se muestran el

diagrama de radiación 3D a 94 GHz donde se puede observar una eficiencia de radiación del 62%, un valor de SLL de 12 o 13 dB, dependiendo de la dirección, lo cual es un valor muy positivo respecto al anterior diseño y un valor de ganancia máxima de 15.46 dB. Después, se muestra el diagrama copolar-contrapolar donde se observa una relación de más de 30 dB y, por último, una curva de ganancia donde se observa la evolución de la misma con la frecuencia.

Figura 5.2.5: Parámetro S11 del array 4x4 con elemento radiante simple y ranura en pajarita.

Figura 5.2.6: Diagrama de radiación 3D a 94 GHz.

Figura 5.2.7: Diagrama copolar-contrapolar en los planos phi 0º y phi 90º.

Figura 5.2.8: Curva de ganancia en función de la frecuencia.

5. Resultados de arrays

César López Rodríguez 40

5.2.3

Parche simple circular y ranura en H

En este apartado se presenta el diseño final del array 4x4 realizado con parche circular simple y ranura en H. Para el desarrollo del array se ha utilizado la red de alimentación 1x16 cuyo diseño se explicó en el capítulo 4.

En primer lugar, en la Figura 5.2.9 se puede observar la curva de S11. En este caso,

solo aparece una resonancia y esta cae cerca de la frecuencia central como es de esperar.

En este caso, el S11 se mantiene por debajo de -10 dB desde 90 hasta 100 GHz, lo cual

supone un aumento de la banda respecto a los otros diseños. A continuación de la gráfica

de S11, en las Figuras 5.2.10, 5.2.11 y 5.2.12 se muestran el diagrama de radiación 3D

a 94 GHz donde se puede observar una eficiencia de radiación de 62%, un valor de SLL de 12 o 13 dB de nuevo y un valor de ganancia máxima de 15.4 dB. Después, se muestra el diagrama copolar-contrapolar donde se observa una relación copolar-contrapolar de más de 30 dB y, por último, una curva de ganancia donde se observa la evolución de la misma con la frecuencia.

Figura 5.2.9: Parámetro S11 del array 4x4 con parche simple y ranura en H.

Figura 5.2.10: Diagrama de radiación 3D a 94 GHz.

Figura 5.2.11: Diagrama copolar-contrapolar en los planos phi 0º y phi 90º.

Figura 5.2.12: Curva de ganancia en función de la frecuencia.

5.2.4

Comparativa de diseños de arrays 4x4

Este apartado está dedicado a realizar una comparativa entre los distintos arrays de 16 elementos y decidir cuál es el diseño óptimo en cuanto a diseño. Para ello en la Tabla 5.2-1 se muestra un resumen de los pros y contras de cada diseño.

Comparación resultados Arrays 4x4

Simple ranura H Simple ranura

pajarita Doble ranura pajarita

S11 (<10 dB) Ganancia Eficiencia de radiación SLL

Tabla 5.2-1: Comparativa de prestaciones de arrays 4x4.

A la vista de los resultados mostrados en la tabla, se puede concluir que, en este caso, el mejor diseño posible para su posterior fabricación y como diseño final del trabajo, es el array 4x4 con parche simple y ranura en H, ya que, en conjunto, sus características son las más favorables en comparación con el resto de modelos.

6. Transición guía de onda a microstrip

César López Rodríguez 42

6

TRANSICIÓN GUÍA DE ONDA A MICROSTRIP

6.1

INTRODUCCIÓN

Una vez obtenidos los diseños óptimos y funcionales de las distintas antenas, se comienza a buscar la manera de alimentar con un dispositivo comercial a la antena. Habitualmente, se suele realizar una transición de sonda coaxial a microstrip. Sin embargo, en banda milimétrica, el precio de los conectores comerciales y la poca madurez de dicha tecnología hace que se busquen otras soluciones. Por esta razón, se ha decidido la realización de una transición de guía de onda, en concreto la guía WR- 10, a microstrip. Debido a que el objetivo final del diseño es la fabricación del mismo,

se ha tenido en cuenta los datasheet del fabricante de flanges[23], que además se

incluirá en anexos, cuyo diseño es del que se dispone en la escuela. Cabe destacar, aunque se presupone, que la elección de la guía de onda WR-10 tiene como causa el hecho de ser la guía rectangular cuyo funcionamiento se limita a la banda de interés del proyecto, que no es otra que la banda W (75-110 GHz). [22]

Como se ha comentado anteriormente, el objetivo final del diseño es la fabricación del mismo y por ello se han tenido en cuenta los dispositivos fabricables (los flanges). Por ello, para el desarrollo de la transición se han simulado y obtenido los resultados en función de las características prefijadas por el IEEE para este propósito. A continuación, en la Figura 6.1.1 se muestra el esquema del flange comercial y en la Tabla 6.1-1 se muestran sus dimensiones. Posteriormente, se realizará una explicación de sus características principales.

Figura 6.1.1: Esquema del flange comercial. [24]

Tabla 6.1-1: Tabla de dimensiones del flange comercial. [24]

Dimensiones flange

Parámetro Valor Unidades

A 19.05 mm B 14.29 mm Diámetro C 4-40 UNC-2B Diámetro D 1.613 mm Diámetro E 1.555 mm Profundidad 14.29 mm

Se trata por lo tanto de un dispositivo muy compacto, con muy bajas pérdidas y que asegura según datos proporcionados por el fabricante una VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) mejor de 1.4.