Diseño de antena plana de un transceptor fijo para el satélite Morelos III

Abstract

RESUMEN: En este trabajo de tesis, se diseñan un arreglo de antenas que parte del diseño de un de parche con plano a tierra y geometría optimizada que individualmente tienen un ancho de banda mayor a 1 GHz con una impedancia de entrada de 50 Ω y que para el arreglo son alimentados por una novedosa red de alimentación. El arreglo tiene el objetivo de ser utilizado para una aplicación de comunicaciones satélites, en específico para la transmisión y recepción de las bandas de operación del satélite Morelos 3. El satélite tiene una banda para el enlace ascendente que va de 1.6265 GHz a 1.6455 GHz y una banda para el enlace descendente que va de 1.525 GHz a 1.544 GHz, por lo que se requiere un ancho de banda de 200 MHz. Se emplean dos redes de alimentación, una para alimentar a los parches que forman el arreglo de 4×4 elementos y otra red para juntar dos arreglos y dar lugar a un arreglo de 4×8 elementos. La primera red de alimentación es del tipo serie conectada a las microcintas de alimentación (derivaciones) y segunda red de alimentación es una red que busca acoplar las impedancias de los arreglos para tener una impedancia de entrada de 50 Ω. La novedosa red de alimentación en serie conecta las derivaciones con los parches optimizados. La red se modela, se construye y se caracteriza para hacer comparaciones de los resultados. Se observa que los resultados de la simulación y resultados de las mediciones son muy similares. Se consigue un ancho de haz de 11◦ tanto en el plano acimutal y de elevación, así como una ganancia de 19 dBi junto con una relación de lóbulos secundarios inferiores a -14 dB en los diagramas de radiación, que son del tipo direccional debido al reflector que se encuentra separado un octavo de longitud de onda. Los resultados del proceso de caracterización para el arreglo de 4×8 elementos tienen un ancho de banda de 140 MHz, una ganancia de 16.8 dBi, un ancho de haz de 11◦ y una relación frente-espalda de 34 dB. El arreglo plano de 32 elementos fue construido en una tabla de FR-4 con un solo lado metalizado con un tamaño de 856 mm×548 mm×1.6 mm, a ese valor hay que agregas las dimensiones del reflector junto con la distancia entre el reflector y el arreglo que es de 24 mm. Los diseños se fabricaron utilizando una técnica de circuito impreso, que además de ser simple y de bajo costo, permitió obtener buenos resultados en el proceso de caracterización. ABSTRACT: In this thesis work, an antenna array is designed based on the design of a patch antenna with optimized ground plane and geometry that individually have a bandwidth greater than 1 GHz with an input impedance of 50 Ω and that for the array are fed by a novel feeding network. The array is intended to be used for a satellite communications application, specifically for the transmission and reception of the operating bands of the Morelos 3 satellite. The satellite has an uplink band ranging from 1.6265 GHz to 1.6455 GHz and a downlink band ranging from 1.525 GHz to 1.544 GHz, so a bandwidth of 200 MHz is required. Two feed networks are employed, one to feed the patches that form the 4×4 element array and another network to join two arrays together to give rise to a 4 × 8 element array. The first power supply network is of the series type connected to the micro power supply tapes (taps) and the second power supply network is a network that seeks to couple the impedances of the arrays to have an input impedance of 50 Ω. The novel series feed network connects the taps to the optimized patches. The network is modeled, constructed and characterized to make comparisons of the results. It is observed that the simulation results and measurement results are very similar. A beamwidth of 11◦ is achieved in both the azimuthal and elevation plane, as well as a gain of 19 dBi along with a secondary lobe ratio of less than -14 dB in the radiation patterns, which are of the directional type due to the reflector being spaced one eighth of a wavelength apart. The results of the characterization process for the 4 × 8 element array has a bandwidth of 140 MHz, a gain of 16.8 dBi, a beamwidth of 11◦, and a front-to-back ratio of 34 dB. The 32-element planar array was built on a single-sided metallized FR-4 board with a size of 856 mmtimes548 mmtimes1.6 mm, to that value you have to add the dimensions of the reflector along with the distance between the reflector and the array which is 24 mm. The designs were fabricated using a printed circuit technique, which besides being simple and low cost, allowed obtaining good results in the characterization process.