Topología
La topología de la antena, en forma de array de patches, se considerará como un arraycuadrado de NxN patches. Cada uno de los patches se encontrará alimentado en fase yla distancia entre cada uno de los patches será 0/2 (a la longitud de onda de trabajo60 mm). Supondremos un tamaño máximo de la antena de unos 15 cm, por lo que lasolución de topología (teniendo en cuenta el tamaño de los patches y que ademáshabrá que dejar un margen en la placa) es de un array 2x2.
Tras analizar las dos posibles topologías que en un principio se nos pueden ocurrir,vemos que en ambas cada uno de los patches se encuentra separado la mismadistancia ( 0/2) y que, en ambos casos, se encuentran alimentados en fase. Sinembargo, únicamente una de las dos posibilidades es correcta. Vemos que la fase noes igual en todas las partes del patch (sobre todo en las dos zonas de máximaradiación), por lo que en principio sólo puede ser correcta la solución de la derecha,en la que cada una de las partes iguales está separada 0/2 de su homóloga en el patchadyacente.Vemos entonces, que cada uno de los radiadores elementales del array no sólo debenser iguales en dimensiones y geometría, sino también en su posición, para conseguiruna antena con configuración broadside.
Substrato
La elección del substrato, en este diseño es una tarea fácil, pero crucial para el diseño.Los patches se diseñarán de modo que resuenen en la banda de frecuencias deseada, yla impedancia que presentan a esa frecuencia depende fuertemente del substratoseleccionado. El diseño, a su vez, de dicha impedancia, con lo que dependiendo delvalor de dicha impedancia el resto de las líneas del circuito serán realizables o no.Para elegir el substrato, se han seleccionado tres substratos diferentes, cuyascaracterísticas varían de forma gradual, y se han comenzado las primeras etapas dediseño con cada uno de los substratos, para poder decidir cuál de ellos es el másapropiado.Los substratos inicialmente a considerar son: una placa doble cara, dos placas de unacara contrapuestas por la parte no conductora y dos placas de una cara, separadas 5 mm.El primer substrato, el de una placa doble cara de 1,5 mm, daba lugar, debido a laelevada impedancia de los patches a líneas demasiado finas, difíciles de realizar.El segundo substrato, el de dos placas de una cara contrapuestas por la parte noconductora, es para funcionar como si fuera una placa doble cara de 3 mm. Este hasido el substrato cuyo diseño da lugar a una solución de antena más viable.El tercer substrato, el de las dos placas de una cara separadas 5 mm, hace irrealizablelas dimensiones de cada uno de los patches y las líneas de más baja impedancia deldiseño.El substrato que se ha considerado más viable es el de dos placas a doble cara, por larealizabilidad de sus líneas, tanto de baja como de alta impedancia y el adecuadotamaño resultante de cada uno de los patches.
Patch
El diseño de cada uno de los patches se ha realizado siguiendo las fórmulas del libroindicado en la bibliografía, con ayuda de una hoja de cálculo, que permite de formaintuitiva calcular los resultados para diferentes substratos, frecuencias, etc.De los resultados de los cálculos obtenidos, para el substrato anteriormente citado, seconcluye que los patches deben tener una longitud de 38 mm y una anchura de28.5 mm, para resonar con la máxima calidad posible en el centro de la banda detrabajo.Tras el diseño de los patches se simuló un patch por separado para comprobar elfuncionamiento correcto de los mismos. Se comprobó (por simulación porque en labiliografía afirmaba como único método el experimetal) que la impedancia de entradaes de 300 . Dicha impedancia es, de forma correcta, real en la frecuencia deresonancia.
Array de Patches
El diseño del array de patches se emplazará cada uno de los patches, separado 0/2(60 mm) que es la separación que permite mayor selectividad sin introducir ningúnlóbulo secundario en el factor de array.El correcto funcionamiento del array se ha comprobado por simulación, colocando loscuatro patches, con un puerto cada uno, para conocer de esta forma la impedancia decada patch dentro de la agrupación. Del resultado de estas mediciones se obtiene quela impedancia de cada uno de los patches, cuando se encuentra en forma de array, esde 140 ohm. A primera vista, sorprende la baja impedancia de cada uno de los patches cuando seencuentran estos en forma de array. Sin embargo, si consideramos la reducidadistancia que separa cada uno de los arrays, es comprensible que la señal de cada unade las antenas se induzca en las antenas adyacentes, y cada una de ellas deba soportarsu corriente, más la corriente inducida reduciendo de este modo su impedancia.
Adaptación 1
Para realizar la primera fase de adaptación, en la que se diseña la línea que une lospatches por parejas, se deberá tener en cuenta la impedancia que presenta cada patch yla impedancia que, para estar adaptados, deberían presentar.Cada patch presenta una impedancia de 140 . Después de incluir esta primera línea,la impedancia ideal es de 200 (4 patches en paralelo de 200 darían una impedanciade 50 y todo quedaría ya adaptado). La impedancia puede no ser necesariamente tanelevada, porque la adaptación se puede continuar en más etapas (aumentando ademásel ancho de banda). Sin embargo, lo óptimo en esta adaptación sería elevar laimpedancia de los patches (en nuestro caso con la línea incluida). El problema quesurge, es que para elevar la impedancia colocando únicamente líneas serie (sin stubs)se debería poder fabricar impedancias superiores a la impedancia del patch (140 ).Este tipo de impedancias es irrealizable, así que un replantemiento del diseño puedeconsistir en introducir una línea de longitud Ó/2 y de este modo, al menos, no variar laimpedancia (dado el hecho de que no la podemos aumentar), para conseguir el anchode banda lo más elevado posible, fabricaremos aún así la línea con la mayorimpedancia posible (que es aquella que sufrirá menor desadaptación). Se haconsiderado una línea de 1 mm de anchura, que presenta una impedanciacaracterística de 110 .De este modo con una línea de longitud Ó/2 (35,2 mm) y anchura 1 mm (110 ), seconseguirá que cada patch, con su línea de transmisión presente una impedancia de140 . Una vez unidos los patches en paralelo, estos presentarán por parejas 70 .
Adaptación 2
Una vez que la impedancia a la entrada de la pareja de patches tenemos unaimpedancia de 70 . La impedancia que idealmente deberían presentar es de 100 ,para que unidos ambos terminales al conector presenten una impedancia de 50 . Deeste modo, se introducirá una línea de adaptación Ó/4, con impedancia 84 (que es lamedia geométrica de 70 y 100 ). De este modo, con una línea de longitud 17,52 mm ( Ó/4) e impedancia 84 laimpedancia que se verá en cada uno de los terminales será de 100 . Entonces,uniendo directamente, ambas líneas al conector mediante una línea de impedanciacaracterística 100 , tenemos el sistema adaptado.
Adaptación 3
En teoría el sistema anterior se encontraría perfectamente adaptado. Sin embargo, nose ha tenido en cuenta la realimentación de señal entre las antenas y las líneas que laconectan, y otros efectos no ideales de nuestro diseño. Mediante una simulación por elmétodo de los momentos, se caracterizará el diseño anterior, y con ello obtenemosuna impedancia en el centro de la banda de 36,9 - 22j . Si lo ponemos en forma deadmitancia: 0,02 + 1,19j s. Como la admitancia que queremos es de 0,02 , vemosque, por simulación hemos obtenido una parte imaginaria en la admitancia adicionalde 1,19j s. Esto se solucionará introduciendo un stub en paralelo de admitancia deentrada -1,19j s. (En impedancia de entrada 84j ).
Vemos entonces, que los efectos no ideales que no se han tenido en cuenta en eldiseño, han provocado una parte imaginaria de la admitancia no nula, y que se puedeanular introduciendo un stub de impedancia 84j .Para que este factor sea ajustable y así poder tener en cuenta, por una parte los erroresde simulación y por otra los de fabricación, se realizará el stub 5 mm mayor mayor delo diseñado, para que el diseño sea ajustable cortando fragmentos de dicho stub.(Posteriormente se ha comprobado que el diseño era correcto y que el ajuste óptimo seobtiene cuando se cortan los 5 mm de dicho stub).
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