Diseño de dos arrays de antenas en tecnología plana con polarización lineal y circular a 60 GHz

Abstract

Hoy en día el uso de las comunicaciones inalámbricas sigue creciendo de una forma exponencial, lo que está produciendo una rápida congestión de las bandas frecuenciales inferiores. Dicha congestión hace que las aplicaciones en las bandas frecuenciales altas resulten cada vez más atractivas. La próxima generación de comunicaciones móviles, por ejemplo, ha designado la banda de ondas milimétricas a 60 GHz como su principal frecuencia de operación. Es por ello que la necesidad de diseñar antenas que operen en este rango de frecuencias este cobrando cada vez más interés. Este proyecto tiene como objetivo el diseño y simulación de dos arrays de antenas parche microstrip, uno con polarización lineal y otro con polarización circular, a la frecuencia de 60 GHz, utilizando para ello distintos métodos de alimentación, distintas configuraciones para la obtención de la polarización circular, así como la variación del número de parches. El diseño a alta frecuencia hace que las dimensiones de los dos arrays sean de unos pocos milímetros, lo que complica el proceso de fabricación. Es por ello que dicho diseño se va a realizar con el objetivo de poder fabricar ambos arrays mediante un método de bajo coste, así como en una única capa. Se ha seleccionado un sustrato de tipo Rogers 5880, con una altura de 0.127mm y una distancia entre antenas de 0.6𝜆��0.que evita la aparición de los grating lobes. Para el diseño del array de antenas parche microstrip con polarización lineal, se comenzará con el cálculo de las dimensiones del parche microstrip a integrar en el array para seguidamente estudiar qué forma de alimentación es la que mejor encaja en el diseño. A continuación, se ira variando el número de antenas parche microstrip hasta alcanzar la configuración óptima NxN que ofrezca una directividad en torno a los 20 dBi. Para el diseño del array de antenas parche microstrip con polarización circular, se comenzará por la generación de polarización circular en un parche microstrip que mejor se adapte al diseño. Seguidamente y mediante la reutilización de diferentes partes diseñadas en el array de polarización lineal, se ira variando el número de antenas parche microstrip y observando la evolución del axial ratio, parámetro que refleja el tipo de polarización, hasta alcanzar la configuración óptima NxN que ofrezca una directividad en torno a los 27 dBi.Tras el diseño y simulación de ambos arrays, se ha incorporado un conector de 1.85mm con el fin de observar si dicha inserción varia los resultados obtenidos. Se han presentado dos diseños que cumplen con las especificaciones tanto de directividad como de axial ratio, en el caso de la polarización circular. Dichos diseños han finalizado con un array de 64 antenas parche y dimensiones de 30x30x0.127mm para el caso de polarización lineal y con un array de 256 antenas parche microstrip y dimensiones de 60x60x0.127mm para el caso de polarización circular. Al final de proyecto se muestran las conclusiones obtenidas, así como las posibles líneas futuras

Nowadays the use of wireless communications continues growing exponentially, which is causing a fast congestion of lower frequency bands. Such congestion makes applications in high frequency bands increasingly attractive. The fifth generation of mobile communications, for example, has designated the millimeter waveband at 60 GHz as its main operating frequency. Therefore the need to design antennas operating in this frequency range is getting more and more interesting. This project aims to design two arrays of microstrip patch antennas, one with linear polarization and the other with circular polarization, at the frequency of 60 GHz, using different feeding methods, different configurations to obtain the circular polarization , as well as the variation of the number of patches. The high frequency design makes the dimensions of the two arrays a few millimeters, which complicates the manufacturing process. Therefore, this design has been realized with the objective of being able to manufacture both arrays in a single layer by means of a low cost method. A Rogers 5880 substrate, with a height of 0.127mm and a distance between antennas of 0.6𝜆�0, has been selected to prevent grating lobes appearance. For the design of the microstrip patch antenna array with linear polarization, it will be taken into accounts firstly to fix the dimensions of the microstrip patch to be integrated into the array. Then the study of the best feeding system for the configuration will be studied. Finally, the number of microstrip patch antennas will be varied to reach the optimum NxN configuration that offers a directivity around the 20 dBi. The design of the circularly polarized microstrip patch antenna array begins by generating circular polarization in a microstrip patch that best suits the design. Next, and by reusing different parts designed in the linear polarization array, the number of microstrip patch antennas will be varied and the evolution of the axial ratio will be observed until the optimum NxN configuration is achieved Directivity around 27 dBi. After the design and simulation of both arrays, a connector of 1.85mm has been incorporated in order to observe if this insertion varies the obtained results.Two different array designs have been presented whith comply with the directivity and Axial Ratio specifications required. These designs have ended with an array of 64 patch antennas and dimensions of 30x30x0.127mm for the case of linear polarization and with an array of 256 antennas microstrip patch and dimensions of 60x60x0.127mm for the case of circular polarization. At the end of the project, the conclusions obtained and the possible future lines are shown