Calculadora de antena de parche microstrip para diseñadores de RF

Las antenas y matrices de parche microstrip son probablemente las antenas más sencillas de diseñar, junto con las antenas monopolo y dipolo. Estas antenas de parche también son fáciles de integrar en una PCB, por lo que se utilizan habitualmente en sistemas avanzados como las matrices de antenas 5G y los radares. Estas matrices de antenas también siguen un conjunto sencillo de ecuaciones de diseño en el modo fundamental y en modos de orden superior, por lo que incluso se pueden diseñar sin utilizar una herramienta de simulación.

En este artículo, presentaremos las principales ecuaciones utilizadas para diseñar una antena de parche microstrip que proporciona el funcionamiento en un modo fundamental, y que permite la extensión a modos de orden superior. También proporcionaremos una aplicación para calcular antenas de parche microstrip ligeras que se puede utilizar para ajustar el tamaño de una antena de parche en función del espesor del sustrato, el valor Dk y la frecuencia de funcionamiento.

Cómo funcionan las antenas de parche microstrip

Las antenas de parche microstrip son esencialmente resonadores abiertos. La antena se coloca por encima de un plano de tierra y el confinamiento del campo entre la antena de parche microstrip y el plano de tierra determina un conjunto de modos normales en los que la antena puede funcionar (similar a las líneas de transmisión no TEM). Los modos normales corresponden a distribuciones de campo modal concretas dentro de la cavidad resonante creada por la antena, aunque estas antenas suelen funcionar en el modo fundamental. A continuación, puedes ver una ilustración de la distribución del campo alrededor de una antena de parche en una PCB.

Al tratarse de una estructura resonante abierta, puede irradiar con fuerza cuando se estimula un modo. Al igual que otras estructuras resonantes, la frecuencia de funcionamiento se regula fácilmente ajustando la longitud y el ancho de la antena de parche, así como la altura por encima del plano de tierra. En ese caso, la impedancia de entrada es igual a la relación de los campos eléctricos y magnéticos alrededor de la antena de parche.

Ecuaciones de diseño de antenas de parche microstrip

El diseño de una antena de parche microstrip se basa en las siguientes ecuaciones. Primero, tenemos una constante dieléctrica efectiva para un valor Dk de sustrato de PCB determinado, que luego condicionará el ancho y la longitud del parche para una frecuencia de funcionamiento concreta. El proceso de diseño es el siguiente:

1. Seleccionar una frecuencia de funcionamiento (f0).
2. Calcular el ancho del parche (W) utilizando la constante dieléctrica del sustrato (Dk) y el espesor (h).
3. Calcular una constante dieléctrica efectiva.
4. Calcular la longitud del parche (L) utilizando los resultados de los pasos 2 y 3. Con esto se completa el problema de diseño.

Cuando lo que se busca es un modo de funcionamiento de orden superior, el ancho, la longitud y la frecuencia deben cumplir con la siguiente ecuación:

Ten en cuenta que el término L* se refiere a la L superior más el segundo término en el lado derecho:

El conjunto principal de ecuaciones de diseño para L y W supone que estamos operando en el modo (i, j, k) = (1, 0, 0). La siguiente frecuencia de orden más alto en la que interviene L* determina un punto de corte para la antena de parche debido a su excitación desde el borde.

Al sustituir la ecuación anterior por L en esta ecuación, puedes obtener una ecuación más compleja que relacione la frecuencia y W con h como parámetro. Esto se puede resolver manualmente, trazando intersecciones, o utilizando una aplicación de búsqueda aleatoria como la evolución diferencial.

Impedancia de entrada y ancho de banda

Como he mencionado anteriormente, la impedancia de entrada que mira hacia la antena es igual a la relación de los campos eléctricos y magnéticos. En el modo fundamental, los campos son casi constantes a lo largo de la anchura de la línea de alimentación justo en el borde y la impedancia de entrada que mira a la antena viene dada por:

Impedancia de entrada de antena de parche microstrip en el modo fundamental (i, j, k) = (1, 0, 0).

Finalmente, hay un ancho de banda que se puede definir en el dominio de frecuencia (unidades de Hz). Ten en cuenta que esto define el ancho de banda en función de la frecuencia de funcionamiento y la longitud de onda en el espacio libre:

Una calculadora de antenas de parche microstrip

La herramienta de cálculo que se muestra a continuación proporcionará la impedancia de entrada y las dimensiones de una antena de parche microstrip en función de la frecuencia de funcionamiento, la constante dieléctrica del sustrato (Dk) y la distancia al plano de referencia a través del sustrato (h) deseadas.

Siguientes pasos

Una vez que se conoce la impedancia de entrada, el diseñador de PCB deberá hacer coincidir la impedancia de entrada en la conexión de la línea de alimentación con el parche. Las guías más comunes muestran el uso de un transformador de impedancia de cuarto de onda, pero estas secciones de línea de alimentación serán comparables al tamaño de la antena, por lo que esto podría hacer que el sistema fuera innecesariamente grande.

Debido a que estas antenas de parche pueden tener valores de Q moderados, pueden emitir eficientemente a anchos de banda de hasta aproximadamente el 10% de la frecuencia portadora, siempre y cuando los transformadores de impedancia no se utilicen para la adaptación de la impedancia. Para la adaptación de la banda ancha con el filtrado de paso de banda, puede ser necesario un filtro LC de mayor orden y, sin duda, este será un tema para un artículo futuro.

Calculadora de alimentación por inserción de una antena microstrip

Una opción para la adaptación de las impedancias es utilizar una inserción, tal como se muestra en la imagen siguiente. La inserción de línea está diseñada para ajustar la impedancia de entrada mirando hacia el borde del parche a una impedancia objetivo. Esto funciona aprovechando la coplanaridad entre la antena y la línea de alimentación, lo que produce cierta capacitancia a lo largo de la sección de entrada de la línea de alimentación. Las dimensiones de la línea de alimentación se muestran a continuación:

El diseño de la línea de alimentación insertada se basa en la siguiente ecuación, que se utiliza para determinar la profundidad de la inserción en el parche de la antena microstrip. Las entradas son impedancias de entrada objetivo, que serán igual a la impedancia de la línea de alimentación en la antena de parche (normalmente 50 ohmios). La línea de alimentación alcanzará una cierta profundidad en la antena y la relación profundidad/espaciado (D/S) afectará a la impedancia de entrada. La ecuación de diseño requerida que relaciona la profundidad de la inserción, la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de alimentación es:

Ten en cuenta que hay una dependencia de cos^4, que es contraria a la mayoría de las calculadoras de inserción de antenas microstrip. La mayoría de las calculadoras de antena de parche indicarán una dependencia de cos^2, pero se trata de un aspecto que puede llegar a confundir, ya que la dependencia de cos^2 se aplica a una antena alimentada por sonda. Solo se aplica a una antena alimentada por inserción cuando D/L es grande.

El concepto de diseño es sencillo y sigue este proceso:

1. Se determina el ancho de la línea de alimentación requerido para una impedancia objetivo (generalmente 50 ohmios).
2. Esta impedancia se utiliza para calcular la profundidad (D) en la antena de parche.
3. Se determina el espaciado (S).

La siguiente calculadora de antena de parche proporciona una distancia de línea de alimentación insertada para una impedancia de antena y una impedancia de línea de alimentación determinadas.

Aquí hemos calculado la distancia de entrada, pero no el espaciado. Esto se debe a que el espaciado es mucho más difícil de predecir y requiere la interpolación a partir de las mediciones o una calculadora de campos. El siguiente gráfico muestra la dependencia del coseno de la impedancia de entrada en función de D/L con S como parámetro. Podemos ver que hay un resultado universal en el que el espaciado se encuentra entre S = (1 a 2) W 0 para una distancia de inserción de aproximadamente 0,25 L, lo que da una impedancia de entrada objetivo de 50 ohmios.

El gráfico anterior se puede encontrar en una excelente publicación que describe la teoría y la implementación de las antenas de parche microstrip:

• Mbinack, Clement, E. Tonye y D. Bajon. "Teoría de la línea de microstrip y estudio experimental para la caracterización de la impedancia de la antena parche de microstrip rectangular alimentada por inserción". Microwave and Aptical Technology Letters 57, n.º 2 (2015): páginas 514-518.

¿Cuándo utilizar antenas de parche microstrip?

Las antenas de parche microstrip son muy fáciles de diseñar e implementar, pero también están limitadas en su uso por el área de placa disponible. Los parches microstrip pueden ser bastante grandes porque dependen de la excitación resonante entre el parche y el plano de referencia. Esto significa que el tamaño del parche de microstrip será proporcional a la longitud de onda de la señal que la antena está transmitiendo/recibiendo.
Una alternativa de menor tamaño puede ser una antena microstrip impresa, como una antena de pista impresa o una antena de F invertida. La F invertida se utiliza en algunas de las placas o módulos MCU más habituales, por ejemplo, en el módulo ESP32 Ai-Thinker que se muestra a continuación.

Finalmente, me gustaría señalar que las antenas de parche microstrip son el tipo principal de antena que se utiliza en aplicaciones comerciales más avanzadas. Dos ejemplos destacados son el radar (corto y largo alcance) y el 5G (alcanzando el espectro de ondas milimétricas). En el radar, las antenas de parche se utilizan en matrices de parche alimentadas en serie utilizadas en matrices en fase. La razón principal para ello es que su tamaño es mucho menor a las frecuencias más altas en regiones de ondas milimétricas. En el 5G, se emplean estos parches porque se pueden usar en una matriz con un transceptor en la parte posterior de una PCB o paquete, por lo que es posible formar conjuntos de antenas muy densos.

Las funciones CAD de Altium Designer® son ideales para cualquier tipo de diseño que quieras crear, desde PCB digitales de alta velocidad hasta sistemas avanzados de RF. Cuando hayas terminado el diseño y desees enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365™ te facilitará la colaboración y el uso compartido de los proyectos. Ven a conocer los lanzamientos de funciones más recientes en Altium Designer.

Esto es solo una muestra de todo lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Empieza hoy mismo la prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365.