Diseño de antenas monopolo de banda ancha mediantes modelo de lineas de transmision

Resumen

Las nuevas demandas de dispositivos de banda ancha para transmisión de datos a alta velocidad, entre los que se incluyen los sistemas de transmisión pulsada, establecen nuevas pautas en el diseño de sistemas de comunicación y localización presentes y futuros. La disposición de redes de alta conectividad predispone al empleo de las convencionales e inalámbricas conjugadas bajo el mismo sistema. Las ventajas de los sistemas inalámbricos quedan patentes al analizar su alta versatilidad, su baja inversión inicial, el elevado número de usuarios que justifique la instalación del cable, y su capacidad de acceso a lugares remotos. Estas ventajas se ponen en entredicho cuando el factor limitante procede la velocidad de transmisión de datos que proporciona el sistema, cuyo cuello de botella suele ser el elemento radi ante. En una evolución en el que se prima la compacidad de los diseños en terminales y la lineal i dad de fase, las antenas que tradicionalmente se han considerado de banda ancha, como los arrays de dipolos logoperiódicos, espirales y bocinas, no están en condiciones de dar respuesta a estas demandas. Las antenas monopolo que abandonan su concepción unifilar tradicional para banda estrecha, suponen una alternativa válida. La diferencia estriba en que, al no ser autosimilares a diferentes escalas, se separan de la línea de las antenas consideradas como independientes con la frecuencia. Es entonces cuando muchos diseños aportados de monopolos planos aparecen para optimización de ancho de banda en impedancia. Sin embargo, cuando se aborda el problema de la variabilidad del diagrama de radiación con la frecuencia, o bien rara vez se está en condiciones de controlarla, o bien se aborda como capítulo independiente a la adaptación en banda ancha sin metodología globalizadora. Por ello, se ve necesario emplear un modelo lo suficientemente versátil como para abarcar un diseño tan complejo como el que consiga que cada parámetro de la antena sea lo más constante posible con la frecuencia. A la vez, debería ser lo suficientemente apropiado como para proporcionar directrices de diseño claras. Es lo que se consigue con el Modelo de Líneas de Transmisión aplicado a antenas monopolo. En él, se establece una analogía gráfica sobre el diagrama de Smith para lograr la adaptación en banda ancha requerida mediante transformaciones geométricas del monopolo. Éstas son compatibles con diferentes configuraciones monopolares que permiten precisar el diagrama de radiación. Estabilidad de adaptación y radiación en banda ancha se abordan así desde un mismo punto de vista. Ello permite establecer una metodología capaz de ofrecer un diseño concreto que dé respuesta a las especificaciones de ancho de banda requerido y omnidireccionalidad, cuando ésta se considera como factor de mérito. En el presente trabajo se diseñan antenas de ancho de banda creciente desde 1.4 GHz con relación entre extremos de 1:3.1, 1:3.7, 1:9, 1:16 y más de 1:37. Además se demuestra para un mismo ancho de banda, cómo se pueden lograr relaciones de omnidireccionalidad crecientes o controlables en todo o en parte del rango. Como hipótesis de trabajo se emplea la tecnología Ultra-wideband como fuente de especificaciones. Por ello la caracterización de las antenas se aborda no sólo en términos de coeficiente de reflexión u omnidireccionalidad del diagrama de radiación, sino también de función de transferencia de pulso y retraso de grupo. The new demands of broadband devices for high-speed data transmission establish new guidelines in the design of present and future communicatión and location systems. In these devices, pul sed transmission systems are included. The establishment of high connectivity networks tends to the use of both conventional and wireless ones under the same system. The advantages of the wireless systems become clear when analyzing their high versatility, low initial investment, the high number of users whom the cable installation iustifies and the access capability to remote places. The question ari ses when tne constraint comes from the data transmission speed that the system provides, which is usually given by the antenna.%&/Provided an evolution in which the design compactness in terminals and the phase linearity are primed, the antennas that traditionally have been considered as broadband, like logoperiodic di pole arrays, spirals and horns, cannot answer to these demands. The monopole antennas that leave their traditional one-dimensional character for narrow bandwidth offer a valid alternative. Since they are not self-similar at different scales, they keep asi de from the antennas considered as frequency independent. Then, many impedance broadband optimized planar monopoles appear. Nevertheless, when the radiation pattern variability problem with frequency is approached, either it can hardly be controlled or it is approached as an independent topic to the broadband matching without overall methodology. For that reason, a versatile enough model is needed to approach such a complex design as the one that achieves that each antenna parameter is most constant possible with frequency. Simultaneously, it would have to be suitable enough so as to provi de clear design clues. it is what is achieved with Transmission Line Model applied to monopole antennas. in the model, a Eraphical analogy is settled down on the Smith Chart to obtain the requi red roadband matching by means of monopole geomètric transformations. These are compatible with different monopole configurations that define the radiation pattern. Thus, broadband matching and radiation stability are approached from the same point of view. Establishing a methodology is now possible, which can offer a concrete design that answers the requi red patterns and bandwidth specifi cations, in the current work, antennas of increasing bandwidth are designed from 1,4 GHz with ratio between "limits of 3.1:1, 3.7:1, 9:1, 16:1 and more than 37:1. Furthermore, for the same bandwidth, it is demonstrated how is it possible to achieve either increasingly or controlled omnidirectionality ratios within the impedance bandwidth. as work hypothesis is used the Ultra-wideband technology as an point of specifi cations. For that reason the characterization of the antennas is approached not only by reflection coefficient or radiation pattern omnidireccionality, but also by pulse transfer function and group delay.