En telecomunicaciones , una antena de microbanda (también conocida como antena impresa ) generalmente es una antena fabricada utilizando técnicas fotolitográficas en una placa de circuito impreso (PCB). [1] Es un tipo de antena interna. Se utilizan principalmente en frecuencias de microondas . Una antena de microbanda individual consiste en un parche de lámina metálica de varias formas (una antena de parche ) en la superficie de una PCB, con un plano de tierra de lámina metálica en el otro lado de la placa. La mayoría de las antenas de microbanda consisten en múltiples parches en una matriz bidimensional. La antena generalmente se conecta al transmisor o receptor a través de líneas de transmisión de microbanda de lámina . La corriente de radiofrecuencia se aplica (o en antenas receptoras se produce la señal recibida) entre la antena y el plano de tierra. Las antenas de microbanda se han vuelto muy populares en las últimas décadas debido a su perfil plano delgado que se puede incorporar en las superficies de productos de consumo, aviones y misiles; su facilidad de fabricación utilizando técnicas de circuitos impresos ; la facilidad de integrar la antena en la misma placa con el resto del circuito, y la posibilidad de añadir dispositivos activos como circuitos integrados de microondas a la propia antena para hacer antenas activas [2] Antena de parche. Basándose en su origen, microstrip consta de dos palabras, a saber, micro (muy fino/pequeño) y se define como un tipo de antena que tiene forma de cuchilla/pieza y es muy fina/pequeña. [3]
El tipo más común de antena de microbanda se conoce comúnmente como antena de parche . También son posibles las antenas que utilizan parches como elementos constitutivos de una matriz. Una antena de parche es una antena de banda estrecha y haz ancho fabricada grabando el patrón de elementos de antena en una traza metálica adherida a un sustrato dieléctrico aislante , como una placa de circuito impreso , con una capa metálica continua adherida al lado opuesto del sustrato que forma un plano de tierra . Las formas comunes de antena de microbanda son cuadradas, rectangulares, circulares y elípticas, pero es posible cualquier forma continua. Algunas antenas de parche no utilizan un sustrato dieléctrico y, en su lugar, están hechas de un parche metálico montado sobre un plano de tierra utilizando espaciadores dieléctricos; la estructura resultante es menos robusta pero tiene un ancho de banda más amplio . Debido a que dichas antenas tienen un perfil muy bajo, son mecánicamente robustas y se pueden moldear para adaptarse a la piel curva de un vehículo, a menudo se montan en el exterior de aeronaves y naves espaciales, o se incorporan a dispositivos de comunicaciones de radio móviles .
Las antenas de microbanda son relativamente económicas de fabricar y diseñar debido a su geometría física bidimensional simple. Por lo general, se emplean en UHF y frecuencias más altas porque el tamaño de la antena está directamente relacionado con la longitud de onda en la frecuencia de resonancia . Una sola antena de parche proporciona una ganancia directiva máxima de alrededor de 6-9 dBi . Es relativamente fácil imprimir una matriz de parches en un solo sustrato (grande) utilizando técnicas litográficas. Las matrices de parches pueden proporcionar ganancias mucho mayores que un solo parche con un pequeño costo adicional; la coincidencia y el ajuste de fase se pueden realizar con estructuras de alimentación de microbanda impresas, nuevamente en las mismas operaciones que forman los parches radiantes. La capacidad de crear matrices de alta ganancia en una antena de perfil bajo es una de las razones por las que las matrices de parches son comunes en los aviones y en otras aplicaciones militares.
Este tipo de conjunto de antenas de parche es una forma sencilla de crear un conjunto de antenas en fase con capacidad de formación de haz dinámico . [4]
Una ventaja inherente a las antenas de parche es la capacidad de tener diversidad de polarización . Las antenas de parche se pueden diseñar fácilmente para tener polarizaciones verticales, horizontales, circulares a la derecha (RHCP) o circulares a la izquierda (LHCP), utilizando múltiples puntos de alimentación o un único punto de alimentación con estructuras de parche asimétricas. [5] Esta propiedad única permite que las antenas de parche se utilicen en muchos tipos de enlaces de comunicaciones que pueden tener requisitos variados.
La antena de microbanda más comúnmente utilizada es un parche rectangular que parece una línea de transmisión de microbanda truncada . Tiene aproximadamente la mitad de la longitud de onda. Cuando se utiliza aire como sustrato dieléctrico, la longitud de la antena de microbanda rectangular es aproximadamente la mitad de una longitud de onda en el espacio libre . Como la antena se carga con un dieléctrico como sustrato, la longitud de la antena disminuye a medida que aumenta la constante dieléctrica relativa del sustrato. La longitud resonante de la antena es ligeramente más corta debido a los "campos de borde" eléctricos extendidos que aumentan ligeramente la longitud eléctrica de la antena. Un modelo temprano de la antena de microbanda es una sección de línea de transmisión de microbanda con cargas equivalentes en cada extremo para representar la pérdida de radiación.
La carga dieléctrica de una antena de microbanda afecta tanto a su patrón de radiación como a su ancho de banda de impedancia. A medida que aumenta la constante dieléctrica del sustrato, el ancho de banda de la antena disminuye, lo que aumenta el factor Q de la antena y, por lo tanto, disminuye el ancho de banda de impedancia. Esta relación no se siguió inmediatamente cuando se utilizó el modelo de línea de transmisión de la antena, pero es evidente cuando se utiliza el modelo de cavidad que fue introducido en 1973 por Itoh y Mittra [6]. La radiación de una antena de microbanda rectangular puede entenderse como un par de ranuras equivalentes. Estas ranuras actúan como una matriz y tienen la directividad más alta cuando la antena tiene un dieléctrico de aire y disminuye cuando se reemplaza por un sustrato dieléctrico con una permitividad relativa creciente.
La antena de microbanda rectangular de media onda tiene un plano de cortocircuito virtual a lo largo de su centro. Este puede reemplazarse por un plano de cortocircuito físico para crear una antena de microbanda de un cuarto de longitud de onda. A esto a veces se lo llama medio parche. La antena solo tiene un único borde de radiación (ranura equivalente) que reduce la directividad/ganancia de la antena. El ancho de banda de impedancia es ligeramente inferior al de un parche completo de media longitud de onda, ya que se ha eliminado el acoplamiento entre los bordes radiantes.
Otro tipo de antena de parche es la antena plana de F invertida (PIFA). La PIFA es común en los teléfonos celulares (teléfonos móviles) como una estructura incorporada. [7] [8] Estas antenas se derivan de una antena de medio parche de cuarto de onda. El plano de cortocircuito del medio parche se reduce en longitud, lo que disminuye la frecuencia de resonancia. [9] Ofrece un perfil bajo y también con propiedades SAR aceptables. Esta antena se asemeja a una F invertida, lo que explica el nombre PIFA. Es popular como una antena compacta con un patrón omnidireccional. [10]
A menudo, las antenas PIFA tienen múltiples ramificaciones para resonar en las distintas bandas celulares. En algunos teléfonos, se utilizan elementos parásitos conectados a tierra para mejorar las características del ancho de banda de radiación.
La antena conforme invertida plegada (FICA) [11] tiene algunas ventajas con respecto a la PIFA, porque permite una mejor reutilización del volumen.
El parche de microbanda integrado con estructura de tierra defectuosa (DGS) ha sido popular para múltiples propósitos. Esta técnica introduce un número limitado de ranuras de tamaño pequeño, denominadas "defectos" en el plano de tierra debajo del parche, y es potencialmente capaz de mejorar sus propiedades de campo lejano y de campo cercano. Esto fue concebido e introducido en 2005 por Guha [12] para controlar las radiaciones polarizadas cruzadas sin involucrar ningún componente, volumen, peso o costo adicional. La técnica es lo suficientemente avanzada para reducir las radiaciones polarizadas cruzadas incluso sobre los planos diagonales de un parche de microbanda. La técnica DGS es igualmente efectiva para reducir el acoplamiento mutuo en grandes matrices de microbandas y, por lo tanto, mitigar el problema de ceguera de escaneo de los haces de radar. [13] [14] Se ha descubierto que la técnica DGS es muy atractiva en aplicaciones aerotransportadas.