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INFORME - TALLER 1
COMUNICACIONES II
Bustos Mendez Jorge Fernando Narvaez Arturo Nicolas Universidad de Nari˜no
2024
Resumen
Este informe presenta el dise˜no y an´alisis de una antena de ranura circular alimentada por una l´ınea coplanar de onda (CPW), dise˜nada para operar en un amplio rango de frecuencias, desde 2.3 GHz hasta 13.9 GHz. A trav´es de simulaciones en software especializado, se evalu´o el comportamiento de la antena en t´erminos de ancho de banda, ganancia y patr´on de radiaci´on. Los resultados muestran que esta antena ofrece un rendimiento ´optimo para aplicaciones de banda ultra ancha (UWB), destacando su capacidad de radiar bidireccionalmente en el plano E y omnidireccionalmente en el plano H.
- Introducci´on
El presente informe se centra en el dise˜no y an´alisis de una antena de ranura circular alimentada con l´ınea CPW (Coplanar Waveguide) para operar en un amplio rango de frecuencias, que va desde los 2.3 GHz hasta los 13.9 GHz. Esta banda de fre- cuencias es de particular inter´es para aplicaciones de comunicaciones inal´ambricas de banda ultra an- cha (UWB), como las que se requieren en disposi- tivos de alta velocidad y sistemas de radar de corto alcance. El dise˜no de la antena de ranura circular con CPW ha demostrado ser una opci´on eficien- te debido a sus caracter´ısticas de ancho de banda amplio, facilidad de fabricaci´on y perfil compacto. El proceso de dise˜no de la antena incluye la se- lecci´on de un sustrato adecuado, la optimizaci´on de los par´ametros geom´etricos de la ranura y del parche circular, as´ı como el ajuste de la distan- cia de offset entre estos elementos. Para validar el dise˜no, se realizaron simulaciones en el software CADFEKO, que permiti´o evaluar el rendimiento en t´erminos de par´ametros clave como el coeficien- te de reflexi´on (S11), el patr´on de radiaci´on y la ganancia.
- Principios de Funcionamiento de la An- tena
La antena de ranura circular alimentada con CPW se basa en la capacidad de la ranura circular para radiar energ´ıa electromagn´etica cuando se le aplica una se˜nal a trav´es de una l´ınea CPW. El radio de la ranura define la frecuencia de corte inferior, mien- tras que el parche circular ajusta la impedancia de
la antena. La alimentaci´on mediante CPW permi- te una mayor flexibilidad en el dise˜no y simplifica la integraci´on con otros componentes. Algunos de los principios clave del funcionamiento de la antena incluyen:
Figura 1: Fotograf´ıa prototipo de antena
2.1. Radiaci´on Electromagn´etica La energ´ıa se irradia desde la ranura cuando se ex- cita con una se˜nal electromagn´etica a trav´es de la l´ınea CPW. Esta radiaci´on puede controlarse ajus- tando las dimensiones de la ranura y el parche, lo que permite que la antena funcione en un amplio rango de frecuencias.
2.2. Alimentaci´on por CPW
El uso de una l´ınea CPW facilita la adaptaci´on de impedancia y permite controlar eficientemente el ancho de banda de la antena. Adem´as, esta confi- guraci´on ofrece una mayor facilidad de fabricaci´on en comparaci´on con otras tecnolog´ıas de alimenta- ci´on.
2.3. Ancho de Banda Amplio
El dise˜no de la antena permite obtener un ancho de banda relativo del 143.2 porciento, lo que es cru- cial para aplicaciones de comunicaciones de banda ancha. Este alto ancho de banda es posible gracias a la configuraci´on de la ranura y la alimentaci´on CPW.
- Dise˜no de la Antena
3.1. Selecci´on del Sustrato y Par´ametros Ini- ciales
Para este dise˜no se ha utilizado un sustrato con una permitividad relativa de 3.48 y un espesor de 0.508 mm. Las dimensiones de la ranura circular (radio de 23 mm) y el parche circular (radio de 10 mm) se seleccionaron para optimizar la radiaci´on y el ancho de banda de la antena. La l´ınea CPW tiene un ancho de 1.88 mm y una separaci´on de 0.15 mm entre el conductor y el plano de tierra.
3.2. Optimizaci´on del Offset
El offset entre el borde inferior de la ranura y el parche circular es un par´ametro crucial en el di- se˜no, ya que influye en el comportamiento de la antena en t´erminos de ancho de banda y adapta- ci´on de impedancia. Se realizaron simulaciones va- riando este par´ametro, encontrando que un valor de 0.25 mm ofrec´ıa el mejor desempe˜no.
Figura 2: Geometr´ıa de la antena
3.3. Dimensiones de la Antena
- Resultados de Simulaci´on
En la simulaci´on de la antena de ranura circular alimentada con CPW, se seleccion´o un rango de frecuencias de 2.3 a 4.3 GHz. Los resultados se pre- sentan para la frecuencia de 2.96 GHz, ya que en este punto el coeficiente de reflexi´on es de -10 dB, lo que indica que la antena empieza a funcionar eficientemente.
Figura 3: Antena dise˜nada en CADFEKO
Figura 8: Ganancia Total en dB en 3D (Azimutal)
Figura 9: Ganancia Phi [dBi] (Frequencia = 2. GHz)
Figura 10: Ganancia Theta [dBi] (Frequencia = 2. GHz)
- Conclusiones
Optimizaci´on de Par´ametros: La variaci´on de los par´ametros geom´etricos mejor´o notablemente el rendimiento de la antena, permitiendo una me- jor adaptaci´on de impedancia y un ancho de banda m´as amplio. Resultados Satisfactorios: Los resultados cum- plieron con los requisitos de transmisi´on y radia- ci´on, destacando una correcta adaptaci´on de im- pedancia, coeficiente de reflexi´on y VSWR en el rango de frecuencias analizado. Limitaciones en Frecuencias Altas: Se identi- ficaron limitaciones en el rango de frecuencias m´as altas debido a la alta carga computacional reque- rida para las simulaciones detalladas. Facilidad de Implementaci´on, Complejidad en el Dise˜no: Aunque la antena es f´acil de im- plementar, su dise˜no geom´etrico es complejo y re- quiere un an´alisis detallado para optimizar el ren- dimiento.
Referencias
[1] T. A. Denidni and M. A. Habib, ”Broad- band printed CPW-fed circular slot antenna,.Electronics Letters, vol. 42, no. 3, pp. 1-3, Feb. 2006.
[2] K. L. Wong, C¸ ompact and broadband microstrip antennas, ”New York, NY, USA: John Wiley and Sons, Inc., 2002.
[3] R. Chair, A. A. Kishk, and K. F. Lee, Ultra wide-band coplanar waveguide-¨ fed rectangular slot antenna,¨IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 3, pp. 227-229, 2004.
