IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 11, NO. 1, FEB. 2013 341 Simulation and Analysis of the Radiation Pattern of Microstrip Patch-Type Antenna 1 S. M. Campo, R. J. Bermudez, F. G. Serna, O. E. Perrone and M. O. Oliveira, Member, IEEE Abstract— This paper presents the results of a research project aimed at studying the behavior of the radiation pattern of a patch antenna through computer simulations. In this sense, is present the basic guidelines for design, implementation and preliminary simulation of different antenna prototypes through an algorithm simulator developed in MATLAB ® environment. Comparative studies of the simulation values are performed with the software LVDAM-ANT® which relate simulation data with actual experimental values. The results obtained demonstrate the efficiency of the simulation algorithm developed to underpin the study presented in this paper. Keywords— Microstrip antenna, electromagnetic fields, simulator GUI. L radiation pattern, I. INTRODUCCION AS ANTENAS son el componente fundamental de los sistemas de telecomunicación los cuales alcanzaron un elevado desarrollo tecnológico (alto rendimiento y miniaturización de componentes). En este sentido, el tamaño, el peso, el costo, la facilidad de instalación y el contorno aerodinámico son parámetros de suma importancia. Los diversos tipos de antenas están relacionados con las características del campo electromagnético y con la tecnología utilizada, según el uso al que vaya ser destinada. En 2008, en [1] se presenta un estudio de antenas donde se utiliza el modelo convencional de línea de transmisión pero no se propone una herramienta computacional para obtener los campos electromagnéticos ni el diagrama de radiación. El mismo año, [2] y [3] utilizan una herramienta computacional para simular el diagrama de radiación de una antena parche rectangular microstrip con frecuencia de operación, dimensiones y material dieléctrico único. Sin embargo, la herramienta computacional utilizada no permite modificar los parámetros constructivos. En 2009, [4] utiliza una herramienta de simulación pero no se obtienen los campos electromagnéticos ni el diagrama de radiación variando los parámetros de diseño y estructura. En [5] y [6] se realiza un estudio utilizando los datos de simulación del diagrama de radiación de una antena específica pero no realizan la comparación de los resultados con datos experimentales. 1 S. M. Campo, Universidad Pontificia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia [email protected] R. J. Bermudez Universidad Pontificia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia [email protected] F. G. Serna, Universidad Pontificia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia [email protected] M. O. Oliveira Universidad Nacional de Misiones, Misiones, Argentina, [email protected] O. E. Perrone, Universidad Nacional de Misiones, Misiones, Argentina, [email protected] Recientemente, [7] presenta un simulador del diagrama de radiación de antenas sin comparación con datos reales. En este artículo se presenta un análisis del diagrama de radiación de una antena microstrip rectangular donde se desarrolla una herramienta de simulación computacional para obtener los diferentes diagramas de radiación. Adicionalmente se comparan los resultados de simulación con datos obtenidos por el software LVDAM-ANT®, mediante un análisis estadístico para evaluar la eficiencia del simulador desarrollado. II. MÉTODOS DE ANÁLISIS Y PRINCIPIOS DE DISEÑO La Fig. 1 muestra la forma básica y las medidas más importantes de una antena tipo microstrip. Dicha antena consiste de un parche conductor con dimensiones de largo L, ancho W y grosor t, separadas de un plano de tierra por una lámina delgada de material dieléctrico con ancho h [8]. En este trabajo el parche es excitado por una alimentación por línea de transmisión y por cable coaxial. Figura 1. Forma y dimensiones de la antena microstrip. Existen varios métodos de análisis para diseño de antenas tipo parche o microstrip. Dependiendo de la precisión y el grado de sencillez que se busque se puede seleccionar el método que más se ajuste a las necesidades. En este trabajo se utilizó el modelo de línea de transmisión, para diseño del parche, y el modelo de cavidad resonante, para el análisis del diagrama de radiación de la antena [8]. Los rangos de medidas a utilizar-se en el proyecto del parche deben cumplir ciertas características tales como [8]: • t debe ser delgado: t <<λ0 (λ0: longitud de onda de la señal en el espacio libre) situada sobre el plano de tierra con un h <<λ0 (0,003λ0 ≤ h ≤ 0,05λ0). • L puede variar dependiendo de la dimensión estipulada. Para un parche tipo rectangular se tienen los siguientes rangos: λ0 /3 < L <λ0 /2. • el ancho del substrato debe de ser mucho menor que la longitud de onda: h <<λ0. • la permitividad eléctrica del substrato queda entre: 2,2 ≤ 342 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 11, NO. 1, FEB. 2013 εr ≤ 12. Siempre debe buscarse la menor permitividad posible para lograr una mejor eficiencia de la antena. A. Modelo de Línea de Transmisión En este trabajo se utilizó el modelo de línea de transmisión para diseñar el parche analizado. La distribución de los campos irradiados en los bordes W presenta los llamados fringing effects (efecto de interferencia por difracción) que forman líneas de radiación. Dependiendo de la frecuencia de operación así como de los substratos utilizados, este efecto se presenta de diferentes formas para cada diseño. Debido a los fringing effects la longitud Le y ancho W efectivos de la antena no son de igual valor a las dimensiones físicas reales. Este efecto se presenta en el aire y en el substrato dieléctrico, presentando dos permitividades eléctricas con diferente distribución de campos de un medio al otro [8]. El modelo de línea de transmisión supone una permitividad eléctrica efectiva, ε ref, que combina la permitividad eléctrica del aire y substrato y asume que la antena se encuentra inmersa dentro de un medio homogéneo con permitividad constante en toda su superficie. ε ref se calcula para tener las mismas características eléctricas (constante de propagación). A partir de considerar un solo medio con permitividad constante se procede a calcular los valores de la antena [8]. Las etapas para proyectar un parche utilizando este modelo son las siguientes [8]: A.1) Se especifica la frecuencia de operación y el substrato a utilizar con lo cual se asignan los valores de: frecuencia de operación (fr), permitividad eléctrica del substrato (εr) y altura del substrato (h). A.2) Se calcula el ancho específico del parche rectangular a través de la ecuación: W = 1 2 fr 2 c = ε r + 1 2 fr μ 0ε 0 2 εr +1 (1) donde c es la velocidad de la luz en el espacio libre. A.3) Se calcula la permitividad eléctrica efectiva mediante la ecuación: ε ref = εr +1 εr +1 2 + 2 h 1 + 12 W −1 2 (2) A.4) Se calcula ΔL que derivará en la obtención de la longitud real de la antena considerando la longitud efectiva: ΔL = 0.412h (ε ref (ε ref W + 0.3 ) + 0.264 h W − 0.258 ) + 0.8 h (3) A.5) Se obtiene la longitud real del parche rectangular considerando la longitud efectiva de éste (Le) y el valor ΔL: L= c − 2 ΔL 2 f r ε ref (4) donde la longitud efectiva se calcula como: Le = L + 2ΔL (5) El modelo de línea de transmisión produce una aproximación aceptable para diseñar una antena. Al generar un ancho de antena W mayor a la longitud L, obtenemos una mayor radiación, pero esto puede generar diferentes efectos adversos que disminuyan la eficiencia de la misma. B. Modelo de Cavidad Los mecanismos de radiación de una antena microstrip pueden ser determinados a través de la distribución de los campos entre la metalización y el plano de masa. Como alternativa, la radiación puede ser descrita en términos de distribuciones de corrientes superficiales sobre la metalización del parche. La Fig. 2 muestra una distribución de carga sobre la parte superior e inferior del parche, y sobre el plano de masa, alimentada por una fuente genérica de microondas [8]. Figura 2. Distribución de cargas y creación de la densidad en el parche. Las cargas positivas y negativas se deben al hecho de que el largo del parche es igual a media longitud de onda en el modo dominante. La fuerza repulsiva entre estas cargas empujan a algunas de ellas a lo largo de los bordes de las superficies superior e inferior del parche, generando así la densidad de corriente Jt y Jb. Debido a una dimensión finita del parche a lo largo de la longitud L y el ancho W, se presentan fringing effects en las esquinas del mismo. La intensidad de este efecto depende de la dimensión del parche, la altura del substrato y la constante dieléctrica ε r. Desde que L/h >> 1 y W/h >> 1, el fringing es reducido, sin embargo, es un valor importante a considerar debido a su influencia en la frecuencia de resonancia de la antena. Como ε r >> 1, las líneas de campo eléctrico se concentran en el substrato. Una constante dieléctrica efectiva ε ref es introducida para contabilizar el fringing y la onda de propagación en la línea [8]. Considerando casi siempre que la relación h/W sea muy pequeña, se produce un predominio de las fuerzas de atracción entre las cargas, permaneciendo así la mayor parte del flujo de corriente confinado en el parche. Sin embargo, una pequeña porción de corriente fluye en torno a los bordes hasta llegar a la superficie superior de metalización, generando un débil campo magnético paralelo a los bordes. Asumiendo este campo magnético nulo, se pueden considerar las paredes laterales de la antena como conductores magnéticos perfectos, considerando siempre un substrato fino (h<<λ0) [8]. Estas dos fuentes agregan una normal de la dirección al parche y al plano de tierra que forman un diagrama de radiación amplio. Esto se ilustra en la Fig. 3.a, donde el diagrama de radiación normalizado de cada ranura en el plano principal E se bosqueja individualmente junto con el diagrama total. En el plano H, el diagrama de radiación normalizado de cada ranura y de ambos es igual, como se observa en la Fig. 3.b [9]. MARTÍNEZ CAMPO et al.: SIMULATION AND ANALYSIS 343 El modelo de línea de transmisión fue utilizado para proyectar la antena utilizada en este estudio y el modelo de cavidad permitió obtener el diagrama de radiación a través de un algoritmo y un entorno visual GUI (Graphic User Interface) creado en el software Matlab® [10]. III. SIMULADOR GUI PROPUESTO Figura 3. Diagramas típicos del plano E y H de cada ranura del parche. Con el factor de conjunto se puede explicar que los campos presentan igual magnitud y fase en las ranuras separadas por una distancia L. Este factor de conjunto es calculado con la siguiente ecuación [8]: ( AF )y k L = 2 cos 0 e sin θ sin φ 2 (6) donde Le es la longitud eficaz dado en la expresión (5). El campo eléctrico para las dos ranuras y para la antena microstrip es dado por: Eϕt = + j sin ( X ) sin ( Z ) k0 hWEo e − jko r k0 Le sin θ sin ϕ sin θ cos πr X Z 2 (7) Considerando pequeños valores de h (k0h<<1), la expresión anterior se reduce a: 2V e − jko r Eϕ ≈ + j 0 πr t kW sin 0 cos θ 2 k0 Le sin θ sin ϕ sin θ cos cos θ 2 (8) En el plano E principal, considerando el plano x-y donde: θ = 90°, 0° ≤ Φ ≤ 90° y 270° ≤ Φ ≤ 360°, la expresión (8) para los campos irradiados por la entena microstrip se reduce a: k0 h sin cos ϕ k0WV0 e − jko r 2 (9) cos k0 Le sin ϕ t Eϕ ≈ + j kh πr 2 0 cos ϕ 2 Normalizando la ecuación (9), tenemos: k h sin 0 cos ϕ 2 (10) cos k0 Le sin ϕ Eϕt ≈ 2 k h 0 cos ϕ 2 En el plano H principal, considerando el plano x-z donde: Φ = 0°, 0° ≤ θ ≤ 180°, la expresión (7) para los campos irradiados se reduce a: Eϕt ≈ + j k0 WV0 e− jko r πr k h kW sin 0 sin θ sin 0 cos θ 2 2 sin θ k0 h k0W sin θ cos θ 2 2 (11 ) Normalizando esta ecuación tenemos: k h kW sin 0 sin θ sin 0 cos θ 2 2 Eϕ ≈ sin θ k h k W 0 0 sin θ cos θ 2 2 t (12) GUI es un algoritmo de simulación creado en ambiente Matlab® con entorno visual cuyo objetivo es permitir el diseño y análisis de antenas parche rectangular. Este simulador tiene como variables de entrada el material dieléctrico, la frecuencia de operación de la antena y las dimensiones del parche metálico. El simulador tiene la opción de realizar una comparación de los datos simulados con datos reales obtenidos en un laboratorio. Existen dos formas de simular una antena con esta herramienta. Cuando solo tenemos datos de la estructura de la antena (material dieléctrico, grosor y frecuencia de operación) el propio simulador genera las dimensiones W y L del parche y obtiene los campos electromagnéticos. Cuando se necesita una simulación con dimensiones especificas, se debe alterar las dimensiones de la antena en el simulador y este muestra los campos electromagnéticos conociendo de antemano la frecuencia de operación y el material dieléctrico. A. Interface Gráfica En un primer paso se deben ingresar los valores del material dieléctrico y la frecuencia de operación (εr, h y Fr) en la sección “Entradas”, mostrado en la Fig. 4. Figura 4. Menú principal del GUI presentando los resultados de simulación. Posteriormente, se inicia la simulación y se obtienen las dimensiones del ancho y largo del parche (W y L) de la antena. Cuando queremos una antena con dimensiones especificas, en la sección “Diseño” se ingresan los valores con las dimensiones deseadas y se realiza una nueva simulación con la opción “Recargar”. En la sección “Parámetros” se indica la nueva frecuencia de resonancia Fr a ser utilizada en la simulación. El simulador permite seleccionar diferentes métodos numéricos para proyectar la antena los cuales son: método trapezoidal, método de Simpson y método de cuadratura de Gauss. También es posible obtener graficas detalladas a través de la opción “Detalle Gráficas” localizado 344 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 11, NO. 1, FEB. 2013 en el menú principal. Las simulaciones realizadas pueden ser guardadas con extensión .DAT y/o .TXT en una ruta seleccionada por el usuario con la opción “Exportar”. (a) (b) (c) (d) IV. ESTUDIO DE CASO Esta sección presenta un estudio de caso realizado con el fin de verificar la eficiencia del simulador propuesto. Para tal fin se pretende proyectar una antena microstrip rectangular con frecuencia de operación de 10GHz construida con un material dieléctrico FR4 1/1 (fibra de vidrio). La constante dieléctrica es εr = 4,5 y tiene un espesor h = 0,8 mm. Estos datos son cargados en el menú principal del simulador GUI como datos de entrada y el mismo retorna las dimensiones (W = 0,9045cm, Le = 0,7529cm y L = 0,6804cm) y los principales parámetros para la antena proyectada. Entre los parámetros simulados tenemos: campo eléctrico y magnético de la antena, niveles máximos y mínimos de campos y ancho de haz de potencia media (HPBW). Se simularon y construyeron dos antenas adicionales a los efectos de verificar la eficiencia del simulador para otras antenas y con el objetivo de comparar los resultados de simulación con resultados reales. Las medidas de las antenas proyectadas por el GUI son: Antena N° 1: W1 = 0,9045 cm, L1 = 0,6804 cm; Antena N° 2: W2 = 1 cm, L2 = 0,6 cm; Antena N° 3: W3 = 1,2 cm, L3 = 0,91 cm. A. Ensayos Experimentales Con los prototipos construidos según valores simulados se realizó la toma de datos de laboratorio a través del módulo Lab-Volt® - Antenna Training and Measuring System (8092) y el software LVDAM-ANT [11]. La Fig. 5 muestra la secuencia de ensayos realizados en laboratorio donde puede observarse las posiciones de la antena en el modelo 9506 (orientador de antena) con respeto al modelo 9505 (generador RF) [11]: a) antena en posición 0°, b) antena visualizando la línea recta del cable coaxial con el eje rotatorio receptor, c) antena visualizando el plano de tierra y d) antena en posición frontal. Posteriormente a los ensayos experimentales se utilizó el modelo 9507-3 (interfaz para la adquisición de datos) y el software LVDAM-ANT para visualizar las características medidas de la antena en los planos E y H, donde es posible obtener diferentes tipos de representaciones en 2D y 3D. En este sentido, la Fig. 6 muestra los campos electromagnéticos para las tres antenas ensayadas obtenidos mediantes datos de laboratorio. Figura 5. Adquisición de datos experimentales. Figura 6. Campos electromagnéticos de las tres antenas ensayadas. V. ANÁLISIS DE RESULTADOS La Fig. 7 muestra las variaciones de campo radiado por la antena N°3 cuando se modifican parámetros físicos del parche (ancho W y largo L). Con la disminución de W, la potencia radiada tiene un mayor ancho de haz de potencia media y campos E y H más amplios, es decir, se radiará más potencia. Por otro lado, cuando se aumenta L, el lóbulo superior tiende afilar haciendo que los lóbulos secundarios aumenten de tamaño. a) W, 2W, 4W, 6W. b) L, 1.5L, 2L, 4L. Figura 7. Potencia radiada por la antena en el plano H para variaciones en: a) el ancho W y b) el largo L. En la Fig. 8 se presenta las alteraciones en la potencia radiada seleccionando materiales con diferentes constantes dieléctricos (εr) y con diferentes valores de espesor (h). Se observa que cuando se aumenta la constante dieléctrica εr, disminuye el nivel de potencia radiada y de igual forma aumenta el ancho de haz de potencia media. Por otro lado, cuando se aumenta los valores de h el nivel de potencia radiada y el ancho de haz de potencia media aumentan MARTÍNEZ CAMPO et al.: SIMULATION AND ANALYSIS proporcionalmente. 345 a) Módulo LVDAM-ANT b) Simulador GUI Figura 10. Comparación de las gráficas del plano H. Por su parte, la Fig. 11 muestra la ventana del simulador con los resultados de la comparación matricial. A través de este análisis se obtiene: el error entre los valores comparados, el promedio en cuatros cuadrantes y la desviación estándar en cuadrantes especificados por el usuario. Además, los datos pueden ser visualizados en magnitudes de potencia o en decibeles. a) εr, 2εr, 4εr, 6εr. b) 6h, 4h, 2h, h. Figura 8. Potencia radiada por la antena en el plano H para variaciones en: a) la constante dieléctrica εr y b) el espero h del parche. A. Comparación a través del Simulador GUI En este punto se presenta una comparación gráfica y matricial entre los valores de simulación GUI y los datos experimentales importados desde el modulo LVDAM-ANT. En este análisis únicamente se toman los datos del plano H ya que los métodos de análisis utilizados solo consideran dos ranuras que irradian potencia desde el parche rectangular. El campo eléctrico (plano E) depende del espesor del substrato y de la longitud efectiva Le, donde la longitud efectiva es un valor que indica el nivel de interferencia por difracción en los bordes (fringing effects), expuesto mediante el modelo de línea de transmisión. La Fig. 9 presenta la ventana del simulador GUI con la comparación gráfica entre los valores simulados para la antena N°3 y los datos experimentales obtenidos con el modulo LVDAM-ANT. Podemos observar que en la parte inferior de la Fig. 9 se grafican los promedios (errores) de los datos del plano H para los valores GUI y experimentales. Estas graficas se presentan nuevamente en la Fig. 10. Figura 11. Comparación matricial realizadas por el simulador GUI entre valores simulados y datos experimentales para la antena N°3. A fines de validar los datos obtenidos por el simulador GUI, se realizó un análisis estadístico de los datos de la simulación y los datos experimentales importados desde el módulo LVDAM-ANT. La regresión se realiza tomando los valores del plano H simulados con los datos del plano H del módulo del laboratorio. La Tabla I presenta el resultado del análisis de regresión para los valores del simulador GUI. Según el análisis estadístico, considerando un coeficiente de correlación múltiple de 0,999091678 es conveniente implementar el simulador para análisis del diagrama de radiación de antenas tipo parche dado que proporciona resultados muy cercanos a los resultados reales. TABLA I. ESTADÍSTICA DE LA REGRESIÓN. Variable estadística Coeficiente de Correlación Múltiple Coeficiente de Determinación R2 R2 Ajustado Error Típico Figura 9. Comparación grafica realizadas por el simulador GUI entre valores simulados y datos experimentales para la antena N°3. N° de Observaciones Valor 0,999091678 0,998184181 0,998142912 0,024254082 46 VI. CONCLUSIONES Este artículo presentó el desarrollo básico de un simulador computacional para estudio del diagrama de radiación de antenas tipo parche. En este contexto, se presentaron las principales características y utilidades del simulador cuyos resultados fueron comparados con datos experimentales. La creación de una herramienta para la simulación de antenas microstrip parche rectangular es de mucha utilidad, ya 346 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 11, NO. 1, FEB. 2013 que es posible inhibir los métodos a prueba y error, de tal forma que se pueden obtener los campos electromagnéticos y el diagrama de radiación deseado con la simulación según los parámetros del material o las dimensiones deseadas. La gran utilidad de esta herramienta es permitir observar la fluctuación de los campos eléctricos (E) y magnéticos (H) a diferentes dimensiones para diferentes materiales de la antena y varias frecuencias de operación. El simulador permite obtener distintos parámetros del diagrama de radiación y también se lo puede utilizar para estudios de comparación de los datos simulados con los datos experimentales a través de un análisis estadístico. Por medio del simulador se puede obtener un ancho de haz de potencia media HPBW constante sin necesidad de ajustar el valor máximo en los campos E y H, ya que este mismo valor obtenido por el software LVDAM-ANT presenta alteraciones en la medida. Para obtener valores aproximados de la directividad teniendo en cuenta que la ecuación está compuesta por una integral, se utilizaron tres métodos diferentes M. Trapezoidal, M. Simpson y M. de Cuadratura de Gauss, deduciendo un menor error en el cálculo por medio de los métodos de Simpson y Cuadratura de Gauss. Sergio Martínez Campo, es Ingeniero Electrónico por la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB), Bucaramanga, Colombia en 2010. Actualmente es estudiante de Maestría en Sistemas Eléctricos de Potencia en la Universidad Federal de Rio Grande do Sur, Porto Alegre, Brasil y pertenece al Grupo de Modelagem e Análise de Sistemas de Potencia GMASP. Su área de interés comprende localización de faltas basado en impedancia aparente. Rosa María Jiménez Bermúdez, recibió el título de Ingeniera Electrónica por la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB), Bucaramanga, Colombia en 2011. Actualmente es estudiante de Maestría en Instrumentación Electrónica en la Universidad Federal de Rio Grande do Sur, Porto Alegre, Brasil. Su área de interés comprende análisis de señales mio-electrónicas. Fabio Guzmán Serna, es Ingeniero Electrónico por la Universidad del Cauca, Especialista en docencia universitaria de la Universidad Santo Tomás, Especialista en Telecomunicaciones de la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB). Es docente en la UPB y realizó trabajos en bioingeniería, procesamiento digital de imágenes, electrónica de potencia, sistemas de transmisión y actualmente trabaja en antenas y propagación. Oscar Eduardo Perrone, nació en la ciudad de Venado Tuerto, Santa Fe, Argentina. Recibió el título de Ingeniero Mecánico-Electricista por la Universidad Nacional de Córdoba, Argentina en 1982. Actualmente es investigador del Centro de Estudios de Energía para el Desarrollo (CEED) y profesor titular en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Misiones (UNaM). Sus áreas de interés comprenden instalaciones electromecánicas y mediciones REFERENCIAS [1] K. Mousskhani and A. Ghorbani., “A Modified Broadband Transmission Line Model for rectangular Patch Antennas”, IEEE. [2] N. M. Natashah, M.I. Muammar, P. J. Soh, A.A.H Azremi and A. 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