Miniaturización de una Antena Microstrip
Aplicando Diseño Fractal T-cuadrado
Microstrip Antenna Miniaturization by Fractal T-Square
Desing
Valeria Hernández-Ambato
, Hugo Moreno-Avilés
Universidad Politécnica de Valencia, 46022, Valencia, España
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, 060155, Riobamba, Ecuador
Email:
vheramb@teleco.upv.es,
h_moreno@espoch.edu.ec
Resumen— Este documento describe el diseño e implemen-
tación de una antena fractal microstrip miniaturizada con fre-
cuencia de operación a 2.4 GHz para la aplicación en dispositivos
portables. La antena se desarrolló considerando la frecuencia de
operación y las características del material. El material utilizado
es RO4003C con permitividad dieléctrica ε
r
= 3.38 y espesor h =
0.254 mm. Se aplicó dos técnicas de miniaturización: por la forma
y ranura en el parche. La forma del parche miniaturizado se
definió en la segunda iteración del diseño fractal del T-cuadrado.
El proceso de optimización del diseño de la antena se realizó
mediante simulaciones y se utilizó la herramienta Ansoft Designer.
Se implementó el diseño de la antena final que alcanzó el valor del
parámetro S de -21 dB. Las mediciones se realizaron con la antena
transmisora y receptora separadas a 15 cm y con potencia de
entrada de 15 dBm. El diseño del parche final presentó el 46,65 %
de
miniaturización del tamaño con respecto
al parche original. La
optimización del diseño final de la antena presentó el 62,2 % de
reducción en el tamaño con respecto a la antena microstrip inicial.
Palabras Clave Antena, Microstrip, Miniaturización, Frac-
tal, Parámetro S.
Abstract— This document describes the design and imple-
mentation of a miniaturized fractal microstrip antenna at 2.4 GHz
operating frequency for application in portable devices. The
antenna was developed considering the operating frequency and
the characteristics of the material. The material used is RO4003C
with dielectric permittivity ε
r
= 3.38 and thickness h = 0.254 mm.
Two miniaturization techniques were applied: shape and groove
in the patch. The shape of the miniaturized patch was defined in
the second iteration of the T-square fractal design. The antenna
design optimization process was carried out through simulations
in Ansoft Designer tool. The antenna was implemented with final
design reached at S parameter value of -21 dB. Measurements
were made with the transmitting and receiving antenna separated
by 15 cm and input power of 15 dBm. The final patch design
presented 46.65% miniaturization in size with respect to the
original patch. The final antenna design optimization presented a
62.2% reduction in size with respect
to the initial microstrip
antenna.
Keywords Antenna, Microstrip, Miniaturization, Fractal,
Parameter S.
I. INTRODUCCIÓN
Los sistemas inalámbricos permiten una comunicación entre
dos estaciones separadas sin necesidad de estar conectadas por
un medio guiado o cable. La comunicación inalámbrica es
posible con la utilización de antenas en los sistemas de
transmisión y recepción. Las especificaciones, características
del diseño y tipo de antena permiten establecer las expectativas
del funcionamiento de un sistema de comunicación inalám-
brica. La calidad de señal está relacionada con la capacidad,
ganancia y otros parámetros de las antenas y/o del canal [1].
El tamaño de una antena está relacionado con la frecuen-cia
de operación del sistema de comunicación inalámbrico. A
bajas frecuencias el tamaño es mayor y viceversa. Los
dispositivos portables permiten utilizar servicios como wifi y
bluetooth. Existe una aplicación que integra sistemas compat-
ibles con WiFi IEEE 802.11n con el transceptor Bluetooth
IEEE 802.15. Ambos comparten la banda de frecuencia ISM
comprendida desde 2.40 a 2.48 GHz [2]. Considerando la
relación inversamente proporcional a la frecuencia, el tamaño
de las antenas para operar en la banda ISM será pequeño [1].
Se propone el desarrollo de una antena con tecnología
Microstrip, las cuales aparecieron en 1970. Su estructura
se
compone por una placa
de substrato conectada a tierra
(ground) sobre el cual se encuentra un parche metálico. Los
diseños de antenas Microstrip más conocidos son circulares,
rectangulares y están orientadas a tamaños pequeños. Las
principales características son la frecuencia de resonancia,
polarización, patrón e impedancia. Y dentro de las aplicaciones
para las cuales está diseñada son compatibles con diseños
MMIC, por lo que puede ser ubicada en un dispositivo de
mano [1].
No obstante, el espacio en los dispositivos portables es
muy reducido, por esto se necesita optimizar el tamaño del
diseño de las antenas. Una alternativa para reducir el tamaño
de una antena microstrip es usar la teoría fractal. La geometría
fractal está compuesta por fragmentos de formas aleatorias o
repetitivas [3,4]. Se conoce que Nathan Cohen es el inventor
de las antenas fractales, en su patente se describe que el diseño
de una antena está determinado por la geometría euclidiana, la
/ JULIO - DICIEMBRE 2021
Fecha de Recepción: 31/may/2021 Fecha de Aceptación: 28/jun/2021 DOI: 10.47187/perspectivas.vol3iss2.pp36-44.2021
cual define que el área cerrada de una antena es proporcional a
su perímetro [5].
Una antena fractal está compuesta por varias copias de
su forma, pero en diferentes dimensiones dentro de sí. Esto
permite aplicar el diseño para antenas multibanda, reducir el
tamaño original y también para formar arreglos buscando el
comportamiento de una sola antena con su propio patrón de
radicación [3]. En la actualidad la necesidad de reducir el
tamaño de una antena sin afectar la comunicación inalámbrica,
impulsan la evolución de las antenas fractales generando
varios tipos y diseños. Las antenas fractales más conocidas
son el triángulo de Sierpinski, arboles fractales, fractal de
Minkowski, curvas e islas de Kock, entre otras [6,7].
En [7], los autores proponen aplicar diseño fractal a una
antena para reducir el tamaño de un parche microstrip original.
Realizan una comparativa entre los diseños fractales de Koch y
de Minkowski para determinar el porcentaje de reducción. Los
resultados con respecto a la antena con parche rectangular
original y las antenas fractales luego de tres iteraciones mues-
tran que: la antena con diseño de Koch alcanza una reducción
de tamaño del 28,41% mientras que la antena fractal con
diseño de Minkowski con un coeficiente de relación de
0,75 y
0,9, logran una reducción de tamaño de 49,76% y 62,73%
respectivamente. Considerando este trabajo, se plantea que es
posible alcanzar un diseño de antena lo más pequeño mediante
la aplicación de la geometría fractal y los beneficios aportados
por las características del substrato elegido para el desarrollo
de una antena para dispositivos portables.
La estructura de este artículo se detalla a continuación: en la
sección II se describe la metodología de diseño para lo cual se
realiza un breve estudio teórico del modelo de antenas que se
aplica, se indica características del material substrato
necesarios para el diseño del parche de la antena, se describe la
técnicas de miniaturización que se utiliza para el diseño, la
etapa de simulación, optimización y finalmente se evidencia la
implementación de la antena fractal en prototipo de smartwatch
que se considera como un dispositivo portable. En la sección
III, se muestran los resultados de la etapa de simulación y las
mediciones resultantes de la evaluación de la antena
implementada. Al terminar esta sección se determina el
porcentaje de miniaturización de la antena implementada. En la
sección IV se presenta las conclusiones de este trabajo.
II. M
ETODOLOGÍA
El diseño e implementación de la antena fractal propuesta
se divide en cuatro etapas. La primera es el estudio teórico
de metodologías de diseño y miniaturización de antenas, la
segunda etapa es la simulación y optimización de la antena
con la herramienta Ansoft Designer, la tercera etapa es la
implementación de la antena y aplicación dentro de un pro-
totipo de smartwatch y la cuarta etapa es la evaluación del
funcionamiento.
A. Modelo de la línea de transmisión
Se elige este modelo de antena porque parte de un método
empírico para el análisis de antenas microstrip y se utiliza
para el diseño con parches de forma rectangular o circular.
Figura 1. Modelo de la línea de transmisión [8].
Tabla I
CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL RO4003C
Parámetro Dato
Rogers
RO4003C
Nombre
Serie Tipo
Frecuencias
Espesor
Poliéster/cerámico
Altas frecuencias
0.254 mm
Constante dieléctrica ε
r
, para proceso 3.38 ± 0.05
3.55
Constante dieléctrica ε
r
, para diseño
Factor de disipación tangencial
0.0021 2.5 GHz
Tabla II
DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA ANTENA
Parámetro Dato
Frecuencia
2.4 GHz
3x10
8
m/s
0.254 mm
Velocidad de la luz,c
Espesor del substrato, h
Constante dieléctrica ε
r
, para diseño
3.55
Ancho de la línea de transmisión proporcionado por el fabricante 0.56 mm
Este modelo considera los bordes de la antena como dos slots
o aperturas que irradian energía. Cada uno de los slots está
definido por una medida. Estas medidas se describen como W
(ancho de la antena) y L (largo de la antena). El modelo de
línea de transmisión se muestra en la Figura 1 [8].
B. Diseño de la antena microstrip a 2.4 GHz
El dimensionamiento de la antena microstrip se desarrolló
basado en la metodología propuesta en [9]. Se inició con
la elección del material substrato sobre el cual se realizó
el diseño. En la Tabla I se muestra los datos técnicos del
material substrato elegido. Seguido, se realizó el cálculo de las
dimensiones de la antena que está en dependencia del tipo de
material. Se calculó los valores de las dimensiones del parche
en función de la frecuencia de operación de 2.4 GHz. Los
datos necesarios para el cálculo se detallan en la Tabla II.
El detalle de los cálculos se describe en las siguientes
ecuaciones:
Ancho del parche:
W =
c
2 f
2
ε
r
+ 1
= 41.44mm (1)
/ JULIO - DICIEMBRE 2021
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3
Figura 2. Esquema de la antena microstrip a 2.4 GHz
Constante dieléctrica efectiva:
2
ε
r
+ 1
ε
eff
= +
2
ε
r
1
1 + 12
h
W
= 3.51 (2)
Longitud efectiva del parche:
L
eff
=
c
2 f
ε
eff
= 33.36mm (3)
Longitud del substrato:
L = (0.412 h)
(ε
eff
+ 0.3)(
W
h
+ 0.264)
(ε
eff
0.258)(
W
h
+ 0.8)
= 0.12mm (4)
Longitud real del parche:
L = L
eff
2 L = 33.12mm
(5)
En base a los cálculos efectuados, el parche es un rectángulo
de medidas W x L (41,44mm x 33.12mm). Sin embargo,
para la aplicación de geometría fractal es conveniente trabajar
con una estructura cuadrada, por lo que es mejor tomar estas
medidas en la forma W x W o L x L [10]. Se decide por el
dimensionamiento más pequeño, es decir L x L. Finalmente,
el diseño del parche microstrip con modelo de la línea de
transmisión se muestra en la Figura 2.
C. Simulación de la antena microstrip a 2.4 GHz
Esta etapa inicia con el diseño de la Figura 2 que es el
parche microstrip original a 2.4 GHz. La simulación de la
antena se realizó en el programa Ansoft Designer, versión
estudiantil. En la Tabla II se especificó el diseño del parche de
la antena microstrip y el ancho de la línea de transmisión.
Debido a las propiedades del material la línea de transmisión es
muy delgada, y provoca que sea muy larga. A demás, el
parámetro S no fue eficiente por lo que se
requirió añadir un
acoplador de cuarto de onda para reducir el efecto de reflexión
de la onda que se estaba generando, el diseño simulado se
muestra en la Figura 3. Las dimensiones de la antena se
detallan en la Tabla III. La longitud total del primer diseño de
antena microstrip es de 62.77 mm.
La Figura 4 muestra la gráfica del parámetro S o VSWR que
indica el nivel de acoplamiento del parche con la línea
Figura 3. Antena microstrip a 2.4 GHz simulada.
Tabla III
DIMENSIONES DE LA ANTENA MICROSTRIP A 2.4GH
Z
Variable Valor
Variable Valor
L
33.12 mm
d_A
17.4 mm
d_L
12.25 mm
w_A
1.14 mm
w_L
0.56 mm
de transmisión e indica la frecuencia de resonancia de la
antena microstrip convencional a 2.4 GHz. En la metodología
para el diseño de antenas, el valor del VSWR de una antena
diseñada y simulada debe superar el valor de -10 dB. La antena
microstrip original presenta un nivel de -13 dB con frecuencia
de resonancia a 2.4 GHz.
D. Técnicas de Miniaturización
Típicamente, las antenas microstrip son de tamaño reducido,
pero es conveniente reducir aún más, a lo máximo posible, para
aplicaciones que necesitan que se cumpla este requerimiento,
como, por ejemplo: teléfonos celulares. En este documento se
propone la aplicación en dispositivos portables ejemplificado
Figura 4. Parámetro S de antena microstrip convencional a 2.4 GHz.
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