A dual-frequency patch antenna with monopolar  radiation patterns at both working frequencies is presented in  this paper. The antenna design is based on a conventional patch  with two concentric short-circuited conditions with a separating  gap between them. Both shorting conditions are implemented  with vias between the patch and the ground plane.  These  conditions impose two modes with a uniform electric field  distribution both in phase and amplitude at the edge of the  patch antenna. These modes result in a monopolar radiation  pattern at two different frequencies. The working frequencies  can be arbitrary set and depend on the patch dimensions and  the location of the shorting vias. Two feeding strategies have  been studied: a single coaxial probe which excites both  monopolar modes and a different coaxial probe for each mode.  A two-port design working at 2.6 GHz and 4.8 GHz is  presented, obtaining the desired monopolar radiation pattern at  both frequencies. High isolation between the feeding ports is  achieved

González Posadas, Vicente

Herraiz Martínez, Francisco Javier

Segovia Vargas, Daniel

Ugarte Muñoz, Eduardo

Archivo Digital UPM

Antena de Parche Monopolar de Doble Frecuencia

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

  
ANTENA DE PARCHE MONOPOLAR 
DE DOBLE FRECUENCIA 
Francisco Javier Herraiz Martínez(1), Eduardo Ugarte Muñoz(1), Vicente González Posadas(2), Daniel 
Segovia Vargas(1) 
fjherraiz@tsc.uc3m.es, eugarte@tsc.uc3m.es, vgonzalz@diac.upm.es, dani@tsc.uc3m.es 
(1) Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones. Universidad Carlos III de Madrid. Avenida de la 
Universidad 30, 28911, Leganés, Madrid. 
(2) Dpto. de Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones. Universidad Politécnica de Madrid. Carretera de 
Valencia Km. 7, 28031, Madrid. 
 
 
Abstract- A dual-frequency patch antenna with monopolar 
radiation patterns at both working frequencies is presented in 
this paper. The antenna design is based on a conventional patch 
with two concentric short-circuited conditions with a separating 
gap between them. Both shorting conditions are implemented 
with vias between the patch and the ground plane.  These 
conditions impose two modes with a uniform electric field 
distribution both in phase and amplitude at the edge of the 
patch antenna. These modes result in a monopolar radiation 
pattern at two different frequencies. The working frequencies 
can be arbitrary set and depend on the patch dimensions and 
the location of the shorting vias. Two feeding strategies have 
been studied: a single coaxial probe which excites both 
monopolar modes and a different coaxial probe for each mode. 
A two-port design working at 2.6 GHz and 4.8 GHz is 
presented, obtaining the desired monopolar radiation pattern at 
both frequencies. High isolation between the feeding ports is 
achieved. 
I. INTRODUCCIÓN 
Las antenas de parche cortocircuitadas tienen la 
propiedad única de presentar un diagrama de radiación 
monopolar (omnidireccional con polarización Eθ y máximo 
en el horizonte) en su modo fundamental [1–2]. Esto es 
opuesto a las antenas de parche convencionales, que 
presentan un diagrama de radiación broadside en su modo 
fundamental [3]. Clásicamente las antenas de parche con 
diagrama de radiación monopolar se han obtenido con 
geometrías en anillo cortocircuitado [1–2], aunque se ha 
demostrado se puede conseguir un comportamiento similar 
en geometrías cuadradas con un cortocircuito en el centro 
[4]. Más recientemente se han realizado grandes esfuerzos 
para conseguir antenas de parche monopolares 
miniaturizadas y parches que combinen los modos 
monopolares y broadside. En este sentido se han obtenido 
buenos resultados mediante el empleo de estructuras 
metamateriales [5–7]. 
Durante los años noventa este tipo de antenas de parche 
se empleó extensivamente como elementos radiantes de 
terminales de comunicaciones celulares [4]. Después, se 
propuso el empleo de los parches con diagramas de radiación 
monopolar en las redes de área local inalámbricas (WLANs). 
Debido a la creciente demanda de este tipo de sistemas 
inalámbricos, cada vez más se están estandarizando nuevas 
bandas de frecuencia. Por esta razón, resultaría de enorme 
utilidad el desarrollo de parches multifrecuencia con 
diagrama de radiación monopolar. Sin embargo, en la 
literatura no encontramos antenas de parche con dichas 
características. En esta comunicación se propone un nuevo 
diseño de antena de parche con el que se consigue excitar 
dos modos monopolares. Dicha antena tiene geometría 
cuadrada y los cortorcircuitos se realizan mediante vías entre 
el plano de masa y el parche lo que facilita su fabricación. 
El esquema de esta comunicación es el siguiente: en la 
Sección II se muestra un ejemplo de parche cortocircuitado 
con vías y geometría cuadrada. La Sección III explica el 
esquema de la antena de parche monopolar de doble 
frecuencia y se muestra un ejemplo de diseño. Finalmente, en 
la Sección IV se exponen las conclusiones de este trabajo. 
II. ANTENA DE PARCHE CON DIAGRAMA DE RADIACIÓN 
MONOPOLAR 
El procedimiento convencional para obtener una antena 
de parche con diagrama de radiación monopolar consiste en 
introducir una condición de cortocircuito en el centro del 
mismo [1–4]. Típicamente esta técnica se ha aplicado a 
geometrías en anillo en las que se ha introducido un 
cortocircuito cilíndrico en el centro del mismo [1–2]. De este 
modo se obtiene un modo fundamental TM01 con una 
distribución de campo eléctrico constante, tanto en amplitud 
como en fase. Así, las corrientes magnéticas equivalentes 
forman un lazo, lo que proporciona un diagrama de radiación 
monopolar. Además de este modo fundamental, los parches 
en anillo cortocircuitado también presentan el modo típico de 
un parche (TM11 en la geometría anular) con diagrama de 
radiación de tipo broadside. Este comportamiento permite 
emplear estas antenas para aplicaciones duales de 
comunicaciones móviles y radionavegación [1]. El mismo 
tipo de comportamiento se puede obtener mediante la 
inserción de vías que cortocircuiten el parche con el plano de 
masa en determinadas posiciones [8]. La ventaja del segundo 
procedimiento es que es más fácil de fabricar que el primero. 
Además, como se comentó en la Introducción, es posible 
obtener un modo monopolar con geometrías distintas a la 
anular [4]. El objetivo de esta Sección consiste en demostrar 
que es posible obtener un parche monopolar con una 
geometría cuadrada y con vías para imponer la condición de 
cortocircuito. Este tipo de antena de parche va a ser la base 
para desarrollar la antena monopolar de doble frecuencia en 
la siguiente Sección. 
 
  
 
Fig. 1. Esquema de la antena de parche cuadrada con vías y diagrama de 
radiación monopolar 
El esquema de la antena de parche monopolar con 
geometría cuadrada se muestra en la Fig. 1. Los parámetros 
de dicha antena son la longitud del lado del parche (L), el 
diámetro de las vías (dvias), la posición de las vías (dshort) y la 
permitividad y el espesor del sustrato dieléctrico (h y εr, 
respectivamente). 
 
Fig. 2. Coeficiente de reflexión de la antena de parche cortocircuitado 
Se ha diseñado un ejemplo con dimensiones L = 31.00 
mm, dvias = 0.70 mm, dshort = 3.50 mm y sustrato 
polipropileno con εr = 2.2 y h = 2.00 mm. La antena se 
alimenta mediante una sonda coaxial situada a 4.50 mm del 
centro del parche para conseguir una buena adaptación del 
modo monopolar. La Fig. 2 Muestra el coeficiente de 
reflexión simulado con CST Microwave Studio ®. Se 
observa la resonancia del modo fundamental (el modo 
monopolar) con un buen nivel de adaptación en 1.8 GHz. 
Además, se puede apreciar también el modo convencional 
del parche (TM10 en geometría cuadrada) en torno a 3 GHz, 
aunque en este diseño está mal adaptado. Las distribuciones 
de campo eléctrico transversal (Ez) de ambos modos se 
muestra en la Fig. 3. Se aprecia como en el modo 
fundamental (Fig. 3.a) se obtiene una distribución de campo 
eléctrico casi uniforme, tanto en amplitud como en fase, en 
toda la antena. En cambio, en el modo convencional del 
parche (Fig. 3.b) se obtiene una distribución de media 
longitud de onda con un desfase de 180º entre los extremos 
del parche. De este modo se obtiene un diagrama de 
radiación monopolar a la primera frecuencia (Fig. 4.a) y otro 
broadside a la segunda frecuencia (Fig. 4.b). 
 
Fig. 3. Distribuciones de campo eléctrico transversal (Ez) de la antena de 
parche cortocircuitado de la Fig. 1. (a) 1.8 GHz. (b) 3 GHz 
 
Fig. 4. Diagramas de radiación simulados de la antena de parche 
cortocircuitado de la Fig. 1. (a) 1.8 GHz. (b) 3 GHz 
 
  
III. ANTENA DE PARCHE MONOPOLAR DE DOBLE 
FRECUENCIA 
El diseño propuesto para conseguir una antena de tipo 
parche de doble frecuencia con diagrama de radiación 
monopolares consiste en insertar dos condiciones de 
cortocircuito concéntricas dentro de un parche convencional 
y separarlas mediante un gap. Esto es posible porque las 
densidades de corriente magnéticas equivalentes dependen 
del campo eléctrico en el borde del parche. Con otras 
palabras, el diagrama de radiación es independiente de la 
distribución radial del campo eléctrico y depende del campo 
eléctrico en el borde del parche. Mediante el diseño 
propuesto se consiguen dos modos diferentes con una 
distribución de campo eléctrico uniforme en el borde del 
parche y de esta forma se consigue un diagrama de radiación 
monopolar a dos frecuencias distintas. 
 
Fig. 5. Esquema de la antena de parche monopolar de doble frecuencia 
La Fig. 5 muestra el esquema de la antena propuesta. 
Dicha antena está basada en un parche cuadrado con un gap 
para separar las dos condiciones de cortocircuito. Cada uno 
de estos cortocircuitos está realizado con cuatro vías situadas 
a la misma distancia del centro del parche. En el 
cortocircuito exterior las vías están situadas junto al gap. Los 
parámetros de la antena son la longitud del parche cuadrado 
(L), la posición y la anchura del gap (dgap y wgap, 
respectivamente), el diámetro de las vías (dvias), la posición 
de las vía interiores (dshort) y la permitividad y el espesor del 
sustrato dieléctrico (h y εr, respectivamente). 
Las frecuencias de funcionamiento, la relación entre las 
mismas y la impedancia de entrada de la antena dependen 
básicamente de la longitud del parche (L) y de la posición de 
los cortocircuitos (dgap y dshort). La frecuencia de 
funcionamiento del primer modo monopolar (modo 
fundamental del parche) se puede ajustar mediante el tamaño 
del parche (L). A mayor tamaño del parche, se obtiene una 
frecuencia más baja para el primer modo monopolar. La 
relación de frecuencias entre los dos modos monopolares se 
puede seleccionar mediante la posición del cortocircuito 
interior (dshort). Cuanto más próximo al centro se encuentre el 
cortocircuito interior, se obtiene una relación de frecuencias 
menor entre los modos monopolares. Además, se han 
estudiado dos estrategias diferentes de alimentación. La 
primera de ellas consiste en emplear una única sonda coaxial 
que excite los dos modos monopolares. La otra estrategia de 
alimentación se basa en el empleo de dos sondas coaxiales, 
cada una de ellas para excitar un modo monopolar distinto. 
Es posible conseguir una buena adaptación simultánea de los 
dos modos monopolares con ambas técnicas. Además se 
puede conseguir un buen aislamiento entre los puertos 
cuando se emplea la segunda estrategia de alimentación. Esta 
segunda estrategia es la que se muestra en la Fig. 5. 
 
Fig. 6. Parámetros [S] simulados de la antena propuesta 
Para demostrar el correcto funcionamiento de este tipo de 
antena de parche, se ha realizado un diseño de doble 
frecuencia con dos puertos. Las dimensiones de la antena 
propuesta, de acuerdo con la Fig. 5,  son L = 31.00 mm, dgap 
= 7.50 mm, wgap = 0.40 mm, dvias = 0.70 y dshort = 3.75 mm. 
El sustrato dieléctrico empleado es polipropileno con εr = 2.2 
y h = 2.00 mm. El puerto 1 está situado a 9.00 mm del centro 
del parche y el puerto 2 a 6.00 mm. La antena se ha simulado 
con CST Microwave Studio ®. La Fig. 6 muestra los 
parámetros [S] simulados. Se puede observar que los 
coeficientes de reflexión son distintos en cada puerto. La 
primera resonancia en el puerto 1 aparece en 2.6 GHz, 
mientras que la primera resonancia en el puerto 2 aparece en 
4.8 GHz. En ambos casos se obtiene un buen nivel de 
adaptación, considerando un nivel de –10 dB. El nivel de 
aislamiento entre los puertos es superior a 10 dB a la primera 
frecuencia de funcionamiento y superior a 22 dB a la 
segunda frecuencia. La segunda resonancia que aparece en el 
puerto 1 (en 3.4 GHz) es el modo convencional del parche 
cuadrado (TM10). 
En la Fig. 7 se muestran las distribuciones de campo 
eléctrico a las dos frecuencias de funcionamiento. Se puede 
observar que tienen un comportamiento radial distinto, pero 
que en la parte externa del parche ambos modos tienen una 
distribución de campo eléctrico casi uniforme, tanto en 
amplitud como en fase. Estas distribuciones de campo 
producen el deseado diagrama de radiación monopolar a 
ambas frecuencias, como se puede ver en la Fig. 8. Las 
ganancias que se obtienen en simulación son 2 dBi a 2.6 
GHz y 2.7 dBi a 4.8 GHz. La longitud eléctrica del parche es 
λ0/3.72 a la primera frecuencia de funcionamiento y λ0/2.02 a 
la segunda. Hay que resaltar que la longitud eléctrica del 
parche se reduce considerablemente a la primera frecuencia 
 
  
de funcionamiento respecto a una antena de parche 
convencional. 
 
Fig. 7. Distribuciones de campo eléctrico transversal (Ez) de los dos modos 
monopolares. (a) 2.6 GHz. (b) 4.8 GHz. 
 
Fig. 8. Diagramas de radiación simulados de los dos modos monopolares. (a) 
2.6 GHz. (b) 4.8 GHz. 
 
IV. CONCLUSIONES 
El empleo de dos condiciones de cortorcircuito situadas 
concéntricamente en una antena de parche permite obtener 
dos modos con una distribución de campo eléctrico 
constante, tanto en amplitud como en fase, en el borde del 
parche. Esto implica dos bandas de frecuencia con diagrama 
de radiación monopolar. Además, las frecuencias de 
funcionamiento de los dos modos monopolares se pueden 
fijar de forma arbitraria ya que dependen de las dimensiones 
del parche y las posiciones de los cortorcircuitos. También se 
ha comprobado que este comportamiento es independiente de 
la geometría empleada, en concreto, en esta comunicación se 
ha presentado una geometría cuadrada. Hay que destacar que 
se pueden emplear dos estrategias de alimentación diferentes. 
La primera de ellas consiste en excitar los dos modos 
monopolares mediante una sonda coaxial y la segunda 
estrategia consiste en emplear una sonda para excitar cada 
modo monopolar por separado. Finalmente, se ha mostrado 
un ejemplo de diseño empleando la segunda estrategia de 
alimentación y se ha conseguido un buen aislamiento entre 
los dos puertos. 
AGRADECIMIENTOS 
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por los 
proyectos TEC2007-65214/TCM y TEC2009-14525-C02-01 
del MICCIN. F. J. Herraiz Martínez es becario del programa 
FPU del Ministerio de Educación.  
REFERENCIAS 
[1] V. González-Posadas, D. Segovia-Vargas, E. Rajo-Iglesias, J. L. 
Vázquez-Roy, and C. Martín-Pacual, “Approximate Analysis of Short 
Circuited Ring Patch Antenna Working at TM01 Mode”, IEEE 
Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 6, pp. 1875–
1879, June 2006. 
[2] N. Mercé, P. Tejedor, and J. Vassal’lo, “TheTM01 mode of microstrip 
radiators and some of its applications,” in IEEE Antennas and 
Propagation Society Int. Symp., pp. 33–36, Apr. 1995. 
[3] R. Garg, P. Barthia, I. Bahl, and A. Ittipiboon, “Microstrip Antenna 
Handbook”, Norwood, MA, Artech House, 2001. 
[4] C. Martín-Pascual and I. Seoane, “On the generation and applications of 
the monopolar (“zeroth” like) mode in non-circular patches,” in Proc. 
17th Int. Conf. on Applied Electromagnetics and Communications, 
Dubrovnik, Croatia, pp. 160–163, Oct. 2003. 
[5] A. Lai, K. M. K. H. Leong, and T. Itoh, “Infinite Wavelength Resonant 
Antennas with Monopolar Radiation Pattern Based on Periodic 
Structures,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, 
no. 3, pp. 868-876, March 2007. 
[6] M. A. Antoniades and G. V. Eleftheriades, “A folded-monopole model 
for electrically small NRI-TL metamaterial antennas,” IEEE Antennas 
Wireless Propag. Lett., vol. 7, pp. 425–428, 2008. 
[7] F. J. Herraiz-Martínez, L. E. García-Muñoz, V. González-Posadas and 
D. Segovia-Vargas, “Multi-frequency and Dual Mode Patch Antennas 
Partially Filled with Left-Handed Structures”, IEEE Transactions on 
Antennas and Propagation, pp. 2527-2539, Vol. 58, No. 8, Part 2, 
August 2008. 
[8] G. Zhou, “Sorthing-Pin Loaded Annular Ring Microstrip Antenna,” in 
IEEE Antennas and Propagation Society Int. Symp., vol. 2, pp. 33–36, 
Jun 1998. 
 
 


http://oa.upm.es/9145/1/INVE_MEM_2010_84734.pdf

Antena de Parche Monopolar de Doble Frecuencia

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Archivo Digital UPM

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid