El título de este trabajo de fin de grado es “Diseño de una antena de parche alimentada mediante ranura acoplada” y aborda el diseño de una antena para ser instalada en un nanosatélite. La fabricación de un satélite convencional tiene una duración estimada de alrededor de cuatro años y un coste que oscila entre los 50 y los 100 millones de dólares. Por este motivo su construcción quedaba limitada a grandes compañías y organizaciones gubernamentales, quienes pueden asumir los gastos ligados a la construcción de grandes satélites. Debido al reducido coste de los CubeSat, estos han ganado notoriedad como una alternativa útil frente al satélite convencional. Esta disminución en el coste de los nanosatélites implica a su vez una disminución en la funcionabilidad de los mismos. Con el objetivo de mejorar las comunicaciones de los nanosatélites los requisitos perseguidos para las antenas de los CubeSat son alta ganancia, amplio ancho de banda y tamaño reducido. Uno de los modelos de antena que más se adecua a las especificaciones definidas es la antena microstrip.
En este proyecto se pretende diseñar una antena rectangular en tecnología microstrip alimentada mediante ranura acoplada. Este tipo de alimentación es una de las técnicas más populares para conseguir un ancho de banda amplio. La antena bajo estudio se diseña para que trabaje a la frecuencia de 2.2 GHz. En el presente documento se analiza el impacto que produce el cambio de geometría de la ranura acoplada en los parámetros de rendimiento de la antena. Así pues, se estudia el comportamiento de los campos radiados y del ancho de banda de impedancia para cuatro geometrías de ranura diferentes. Una vez logrado un diseño de antena para las cuatro ranuras que cumpla con las especificaciones requeridas, se realiza un estudio comparativo de los cuatro casos. En dicha comparación se hará hincapié en las dimensiones tanto de la antena propiamente dicha como de las ranuras, las ganancias obtenidas en cada caso y el ancho de banda conseguido.
A lo largo del documento se proporciona las definiciones de los parámetros fundamentales de las antenas. Del mismo modo, se cubre los principales métodos de análisis de las antenas microstrip, puesto que tener una visión general de cómo son los campos sobre los parches es esencial para interpretar de manera apropiada tanto los diagramas de radiación como las gráficas de coeficiente de reflexión.
Como software de simulación se ha utilizado FEKO, que puede analizar la antena empleando distintos métodos numéricos, usando el método de los momentos por defecto. El proyecto se realiza de manera gradual, con etapas bien diferenciadas entre sí. Es decir, se diseña primeramente la antena para una geometría de ranura determinada usando el MoM. Tras obtener el diseño de antena óptimo para el MoM, con el objetivo de comprobar que el modelo de antena obtenido es válido, y que efectivamente se cumple con las especificaciones de diseño, se recurre a la utilización de diferentes métodos numéricos. Mas concretamente se usan otros dos métodos numéricos adicionales, encargados de validar la solución obtenida con el MoM. Una vez validado el diseño planteado se pasa a la siguiente geometría de ranura. Dentro de cada etapa de trabajo se lleva a cabo un proceso iterativo de prueba y error, con su posterior reajuste si fuera necesario. Con cada iteración se pretende estar más cerca de lograr unas determinadas especificaciones que debe cumplir la antena.
Para terminar, a modo de conclusión se evalúan los resultados obtenidos, demostrando que un incremento en el número de parámetros de diseño afecta de manera ligeramente positiva, aunque sin cambios significativos, a los parámetros de rendimiento de la antena.
Abstract:
The title of this final degree project is “Design of a Patch Antenna Fed by Slot Coupling” and it focuses on the design of an antenna to be installed on a nanosatellite. The production of a conventional satellite has an estimated lifespan of around four years and a cost ranging between 50 and 100 million dollars. For this reason, its construction has been limited to large companies and government organizations, which can bear the expenses associated with building large satellites. Due to the reduced cost of CubeSats, they have gained prominence as a useful alternative to conventional satellites. This reduction in the cost of nanosatellites also implies a decrease in their functionality. In order to improve the communications of nanosatellites, the requirements for CubeSat antennas are high gain, wide bandwidth, and small size. One of the antenna models that best fits the defined specifications is the microstrip antenna.
In this project, a rectangular antenna in microstrip technology is designed, fed by a coupled slot. This type of feed is one of the most popular techniques to achieve wide bandwidth. The antenna under study is designed to operate at a frequency of 2.2 GHz. This document analyzes the impact that changes in the geometry of the coupled slot have on the performance parameters of the antenna. Thus, the behavior of the radiated fields and the impedance bandwidth is studied for four different slot geometries. Once an antenna design that meets the required specifications for the four slots is achieved, a comparative study of the four cases is conducted. This comparison will emphasize the dimensions of both the antenna itself and the slots, the gains obtained in each case, and the achieved bandwidth.
Throughout the document, definitions of the fundamental antenna parameters are provided. Similarly, the main methods for analyzing microstrip antennas are covered, as having an overall understanding of the fields on the patches is essential for properly interpreting both radiation patterns and reflection coefficient graphs.
FEKO simulation software has been used for the project, which can analyze the antenna using different numerical methods, with the method of moments being the default. The project is carried out gradually, with well-differentiated stages. That is, the antenna is first designed for a given slot geometry using MoM. After obtaining the optimal antenna design with MoM, in order to verify that the antenna model obtained is valid and that it indeed meets the design specifications, different numerical methods are used. Specifically, two additional numerical methods are employed to validate the solution obtained with MoM. Once the proposed design is validated, the next slot geometry is tackled. Within each work stage, an iterative process of trial and error is carried out, with subsequent adjustments if necessary. With each iteration, the aim is to get closer to achieving the specifications that the antenna must meet.
Finally, as a conclusion, the obtained results are evaluated, demonstrating that an increase in the number of design parameters slightly positively affects the performance parameters of the antenna, although without significant changes.
El título de este trabajo de fin de grado es “Diseño de una antena de parche alimentada mediante ranura acoplada” y aborda el diseño de una antena para ser instalada en un nanosatélite. La fabricación de un satélite convencional tiene una duración estimada de alrededor de cuatro años y un coste que oscila entre los 50 y los 100 millones de dólares. Por este motivo su construcción quedaba limitada a grandes compañías y organizaciones gubernamentales, quienes pueden asumir los gastos ligados a la construcción de grandes satélites. Debido al reducido coste de los CubeSat, estos han ganado notoriedad como una alternativa útil frente al satélite convencional. Esta disminución en el coste de los nanosatélites implica a su vez una disminución en la funcionabilidad de los mismos. Con el objetivo de mejorar las comunicaciones de los nanosatélites los requisitos perseguidos para las antenas de los CubeSat son alta ganancia, amplio ancho de banda y tamaño reducido. Uno de los modelos de antena que más se adecua a las especificaciones definidas es la antena microstrip.
En este proyecto se pretende diseñar una antena rectangular en tecnología microstrip alimentada mediante ranura acoplada. Este tipo de alimentación es una de las técnicas más populares para conseguir un ancho de banda amplio. La antena bajo estudio se diseña para que trabaje a la frecuencia de 2.2 GHz. En el presente documento se analiza el impacto que produce el cambio de geometría de la ranura acoplada en los parámetros de rendimiento de la antena. Así pues, se estudia el comportamiento de los campos radiados y del ancho de banda de impedancia para cuatro geometrías de ranura diferentes. Una vez logrado un diseño de antena para las cuatro ranuras que cumpla con las especificaciones requeridas, se realiza un estudio comparativo de los cuatro casos. En dicha comparación se hará hincapié en las dimensiones tanto de la antena propiamente dicha como de las ranuras, las ganancias obtenidas en cada caso y el ancho de banda conseguido.
A lo largo del documento se proporciona las definiciones de los parámetros fundamentales de las antenas. Del mismo modo, se cubre los principales métodos de análisis de las antenas microstrip, puesto que tener una visión general de cómo son los campos sobre los parches es esencial para interpretar de manera apropiada tanto los diagramas de radiación como las gráficas de coeficiente de reflexión.
Como software de simulación se ha utilizado FEKO, que puede analizar la antena empleando distintos métodos numéricos, usando el método de los momentos por defecto. El proyecto se realiza de manera gradual, con etapas bien diferenciadas entre sí. Es decir, se diseña primeramente la antena para una geometría de ranura determinada usando el MoM. Tras obtener el diseño de antena óptimo para el MoM, con el objetivo de comprobar que el modelo de antena obtenido es válido, y que efectivamente se cumple con las especificaciones de diseño, se recurre a la utilización de diferentes métodos numéricos. Mas concretamente se usan otros dos métodos numéricos adicionales, encargados de validar la solución obtenida con el MoM. Una vez validado el diseño planteado se pasa a la siguiente geometría de ranura. Dentro de cada etapa de trabajo se lleva a cabo un proceso iterativo de prueba y error, con su posterior reajuste si fuera necesario. Con cada iteración se pretende estar más cerca de lograr unas determinadas especificaciones que debe cumplir la antena.
Para terminar, a modo de conclusión se evalúan los resultados obtenidos, demostrando que un incremento en el número de parámetros de diseño afecta de manera ligeramente positiva, aunque sin cambios significativos, a los parámetros de rendimiento de la antena.
Abstract:
The title of this final degree project is “Design of a Patch Antenna Fed by Slot Coupling” and it focuses on the design of an antenna to be installed on a nanosatellite. The production of a conventional satellite has an estimated lifespan of around four years and a cost ranging between 50 and 100 million dollars. For this reason, its construction has been limited to large companies and government organizations, which can bear the expenses associated with building large satellites. Due to the reduced cost of CubeSats, they have gained prominence as a useful alternative to conventional satellites. This reduction in the cost of nanosatellites also implies a decrease in their functionality. In order to improve the communications of nanosatellites, the requirements for CubeSat antennas are high gain, wide bandwidth, and small size. One of the antenna models that best fits the defined specifications is the microstrip antenna.
In this project, a rectangular antenna in microstrip technology is designed, fed by a coupled slot. This type of feed is one of the most popular techniques to achieve wide bandwidth. The antenna under study is designed to operate at a frequency of 2.2 GHz. This document analyzes the impact that changes in the geometry of the coupled slot have on the performance parameters of the antenna. Thus, the behavior of the radiated fields and the impedance bandwidth is studied for four different slot geometries. Once an antenna design that meets the required specifications for the four slots is achieved, a comparative study of the four cases is conducted. This comparison will emphasize the dimensions of both the antenna itself and the slots, the gains obtained in each case, and the achieved bandwidth.
Throughout the document, definitions of the fundamental antenna parameters are provided. Similarly, the main methods for analyzing microstrip antennas are covered, as having an overall understanding of the fields on the patches is essential for properly interpreting both radiation patterns and reflection coefficient graphs.
FEKO simulation software has been used for the project, which can analyze the antenna using different numerical methods, with the method of moments being the default. The project is carried out gradually, with well-differentiated stages. That is, the antenna is first designed for a given slot geometry using MoM. After obtaining the optimal antenna design with MoM, in order to verify that the antenna model obtained is valid and that it indeed meets the design specifications, different numerical methods are used. Specifically, two additional numerical methods are employed to validate the solution obtained with MoM. Once the proposed design is validated, the next slot geometry is tackled. Within each work stage, an iterative process of trial and error is carried out, with subsequent adjustments if necessary. With each iteration, the aim is to get closer to achieving the specifications that the antenna must meet.
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