Los dispositivos miniaturizados de hoy requieren el uso de antenas más pequeñas que su longitud de onda. Las antenas microstrip de banda ancha son de gran interés para los diseñadores debido a su flexibilidad y opciones de sintonización sencillas. Se han investigado varias formas de antenas para la miniaturización y el ancho de banda, y la de mariposa o de corbata es una de las antenas más efectivas. Las antenas pequeñas tienen ciertas características que difieren en la longitud de onda de las antenas de tamaño similar.
La impedancia de entrada es altamente capacitiva o inductiva y tiene un componente resistivo muy bajo. A menudo es muy difícil hacer coincidir perfectamente una carga de 50 ohmios. El radiograma tiende a acercarse al de un dipolo vertical omnidireccional convencional en el plano horizontal a medida que disminuye de tamaño, y se convierte en una figura 8 en el plano vertical. Requieren técnicas de diseño específicas, a veces incluso muy complejas.
A medida que disminuye el tamaño de la antena, la ganancia, la eficiencia y el ancho de banda también tienden a disminuir. Si la carga se adapta perfectamente, este problema se elimina en su mayor parte. Desafortunadamente, el acoplamiento perfecto se vuelve imposible cuando las antenas se vuelven muy pequeñas, lo que aumenta la dificultad para este propósito. Reducir el tamaño de la antena también afecta el factor Q.
antena de corbatín
Comencemos nuestro análisis con una antena mariposa regular (antena corbatín). Debido a la influencia de la comunicación digital, la calidad de imagen de la televisión ha mejorado mucho. El concepto de antena de corbata o mariposa no es demasiado complicado. Una antena de mariposa es un tipo común de antena de banda ancha que se parece a un dipolo cónico bidimensional. Son antenas en forma de mariposa formadas por conductores plegados, y también se utilizan hoy en día en microstrip. La ganancia es ligeramente más alta que el dipolo. Su frecuencia más baja depende de la longitud y el ángulo de la llamarada. La impedancia de entrada depende de la frecuencia y del ángulo, con una parte real entre 70 y 500 ohmios. En general, el comportamiento y las características de la antena dependen de la longitud de la antena. Su tamaño está relacionado con la longitud de onda de la señal. Por ejemplo, si desea recibir una frecuencia de 27 MHz con un dipolo de media onda, su longitud debe ser de 5,5 metros, y si desea recibir una frecuencia de 500 MHz con un dipolo de media onda, su longitud debe ser de 30 centímetros se necesita. Estas longitudes calculadas solo son adecuadas para la frecuencia de recepción deseada, pero son menos efectivas en frecuencias ligeramente diferentes. Es posible diseñar antenas que funcionen no solo con la longitud, sino también con el ángulo. Por lo tanto, el ángulo no depende de la distancia ni de la longitud de onda. Las capacidades de transmisión y recepción de este tipo de antena dependen únicamente del ángulo entre las dos tiras de metal, como se muestra en la Figura 1. La potencia de la antena está ubicada en el centro.
Figura 1: Ejemplo de antena de mariposa
Hay muchos tipos de antenas bowtie.
- Antena bowtie impresa de banda ancha.
- antena con ranura tipo corbatín;
- Antena de corbatín triangular de doble cara.
- Antena alimentada por microstrip Bowtie.
- Antena de parche corbatín ranurado.
- Antena de ranura corbatín curva alimentada por CPW.
Las principales variables que distinguen las antenas bowtie son L (brazo), alfa, L (carga), R (carga) y Z (0). El diseño y la optimización de la antena pueden variar. La figura 2 muestra la estructura esquemática de una antena que contiene dos triángulos de alambre simétricos conectados por una línea eléctrica. Los cables son, por supuesto, conductores. La figura también muestra la función de aptitud para optimizar la antena.
Figura 2: Estructura esquemática de la antena corbatín hueco de alambre
La selección de materiales es importante y debe considerarse cuidadosamente durante la etapa de diseño. El grosor del material también puede tener un efecto decisivo en el rendimiento de las antenas microstrip. Incluso un dipolo puede transformarse en una antena de banda ancha utilizando dos dipolos idénticos alimentados desde la misma línea de transmisión y dispuestos para formar una “corbatín”. El uso de dos dipolos idénticos aumenta el área de la sección transversal del conductor y mejora la relación longitud/diámetro de la antena. Una buena estrategia para mejorar la eficiencia de esta antena es utilizar elementos con longitudes ligeramente diferentes. El resultado general es una respuesta de frecuencia ligeramente plana en todo el rango seleccionado. La corriente se propaga por caminos de diferente longitud hasta los bordes de las caras triangulares, provocando resonancias a dos o más frecuencias en lugar de a una sola. La Figura 3 muestra la corriente que fluye en la superficie de estas antenas.
FIGURA 3: FLUJO DE CORRIENTE
Este tipo de antena es muy utilizada en el rango UHF gracias a su alta ganancia (alrededor de 3-4 dB) y amplio ancho de banda. Los dos semidipolos están hechos de dos pequeñas placas triangulares de metal para aumentar la superficie de recepción o transmisión. En general, si una antena está diseñada para la frecuencia F, puede operar en bandas entre F/2 y 2F, siendo la misma ganancia ligeramente mayor en frecuencias más altas. Hay varias formas exactas o empíricas de calcular las dimensiones de un triángulo. Uno de estos (ver gráfico en la Figura 4) proporciona la siguiente fórmula:
Ancho (cm) = 7200 / Mhz;
Altura (cm) = 2900 / Mhz.
La distancia entre los dos triángulos puede estar entre 5 mm y 2 cm, dependiendo de la frecuencia de funcionamiento. Otra fórmula más precisa proporciona el siguiente cálculo:
ancho (mm) = 0,375 * lambda * 1000;
altura (mm) = 0,25 * lambda * 1000;
Distancia (mm) = 0,02066 * lambda * 1000.
Figura 4: Gráfico de dimensiones típicas de una antena corbatín ranurado en relación con la frecuencia de operación
La figura 5 muestra una antena de alambre corbatín simple (no completa).
- Frecuencia fundamental: 433,92 MHz;
- Longitud de onda: 0,69137 metros;
- Ancho total: 21.278 cm.
- Distancia entre dos triángulos: 16,5 mm.
- Altura máxima del triángulo: 10 cm;
- Impedancia de banda media: 42,9 + J 1,04;
- ROE (50 ohmios): 1,17;
- Altura de uso: 1 metro;
- 11 segmentos por elemento.
- Ganancia máxima: 7,45 dBi.
La Figura 5 muestra siete diagramas.
- El primer diagrama representa la estructura física de la antena. Consta de siete elementos de línea.
- La segunda figura muestra la vista de iluminación 3D.
- La tercera figura muestra el diagrama de iluminación 2D en el plano horizontal.
- La cuarta figura muestra una vista de iluminación 2D en el plano vertical.
- La quinta figura muestra una estructura de antena real con un patrón de irradiación 3D.
- La sexta figura muestra diagramas de ondas estacionarias (SWR) con una carga de 50 ohmios en frecuencias entre 300 MHz y 600 MHz.
- La séptima figura muestra un gráfico de ganancia de antena para frecuencias de 300 MHz a 600 MHz. Claramente, funciona mejor en el medio de la banda, que es la frecuencia para la que fue diseñado.
Figura 5: Antena de alambre Bowtie simple
El gráfico de la Figura 6 muestra una comparación de la onda estacionaria (SWR) de dos antenas, bowtie y dipolo, sintonizadas en la misma frecuencia. Como puede verse, es precisamente la primera antena la que menos onda reflejada tiene a intervalos muy largos, hecho que confirma el buen comportamiento en banda ancha de la antena en cuestión.
Figura 6: Antena Bowtie y dipolo SWR (rango de 300 MHz a 600 MHz)
ranuras y hendiduras
Las antenas de banda ancha se caracterizan por cambios de geometría para cambiar el área de superficie sobre la cual las corrientes siguen diferentes caminos. Así, las resonancias se producen a diferentes frecuencias, lo que permite un funcionamiento de banda ancha o multirresonancia. Hay varias formas de obtener un buen rendimiento de banda ancha. Algunos de ellos son:
- aumento de los modos de radiación;
- Elevar la frecuencia de resonancia.
- Cambia la forma de la antena.
- Da forma a las dos alas correctamente.
- Cambie los parámetros del sustrato de la estructura de la antena.
Tener una o más ranuras en la antena (ver Figura 7) tiene grandes ventajas. Esto nos permite crear antenas de banda ancha pequeñas, compactas y de bajo perfil con un rendimiento excelente, como alta ganancia y polarización circular. y así sucesivamente (ver Figura 8). Diseñar una antena de este tipo es muy difícil. La forma física, el número de ranuras y su posición son parámetros importantes y deben diseñarse con gran cuidado y precisión.
Figura 7: Debido a la presencia de ranuras, la corriente sigue diferentes caminos
Estas ranuras permiten la creación de antenas muy pequeñas, destinadas a aumentar el ancho de banda o el número de bandas de frecuencia operativas sin aumentar el tamaño de la antena.
Figura 8: Ejemplo de una antena corbatín ranurada
La presencia de muescas y grietas en la superficie de las antenas planas es muy importante. A través de ellos, el flujo de corriente sigue un camino tortuoso alterno y opera en banda ancha (ver Figura 9).
Figura 9: Un modelo práctico de una antena corbatín ranurado operando a 7 GHz.
La relación VSWR se puede observar como un coeficiente de reflexión en la Figura 10. Esto representa la potencia total reflejada hacia el transmisor, que no solo es peligrosa para los circuitos, sino que también puede reducir significativamente la potencia radiada. El ejemplo confirma un excelente funcionamiento con valores VSWR muy bajos a una frecuencia de 2,45 GHz. En otras frecuencias, sin embargo, la antena resuena pobremente y la mayor parte de la potencia transmitida por el transmisor se refleja.
Figura 10: Ejemplo de cálculo de potencia reflejada de 1 GHz a 7,5 GHz
Conclusión
Las antenas bowtie ranuradas se han convertido en una realidad y también se utilizan en la banda de THz. Algunos de ellos están diseñados para trabajar en banda ultra ancha (UWB) para los sistemas de comunicación inalámbricos modernos y están basados en grafeno. El grafeno tiene excelentes propiedades electromagnéticas y mecánicas, lo que lo convierte en uno de los materiales ideales para este tipo de antenas. Se puede utilizar para construir antenas con muy alta ganancia y muy alta directividad.