Aunque datan de mediados del siglo XX, las antenas de ranura son objeto de muchas investigaciones recientes y se han convertido en elementos cruciales en el diseño de dispositivos inalámbricos compactos de alta frecuencia.

Creo que la mayoría de nosotros imaginamos una antena como una cosa, ya sea:

• Artilugio de metal en el techo de una casa
• Enorme plato que se comunica con los satélites
• Antena de chip de montaje en superficie
• Rastrear PCB

Sin embargo, resulta que una antena también puede ser la ausencia de una cosa; Una antena de ranura consta de una o más aberturas creadas al quitar material de una superficie conductora.

Una (muy) breve historia de las antenas de ranura

Al navegar por la literatura de investigación, uno tiene la impresión de que la antena de ranura es una innovación reciente asociada con la proliferación de circuitos de RF compactos y de alto rendimiento; sin embargo, la investigación y el desarrollo de antenas de ranura comenzaron antes de la Segunda Guerra Mundial. Al igual que con muchas otras tecnologías, las hostilidades militares favorecieron el avance, en este caso, porque las antenas de ranura tenían el potencial de mejorar el rendimiento de los sistemas de radar.

La tecnología de antena de hendidura se ha asociado durante mucho tiempo con frecuencias relativamente altas, pero al principio, «relativamente alto» podía significar cientos de megahercios, y las antenas optimizadas para frecuencias en ese rango eran bastante grandes. Estos tipos de antenas se conocen más específicamente como antenas de guía de ondas ranuradas (SWA), que es cuando un objeto conductor más grande es la guía de ondas y las aberturas en este objeto, dimensionadas según la longitud de onda, afectan fuertemente la forma en que la estructura general irradiará (Figura 1) .

Figura 1. Esta es una versión prototipo de aluminio de un SWA diseñado para usarse como un dispositivo portátil hecho de tela conductora. Imagen utilizada por cortesía de Mikulić et al.

Los SWA todavía se utilizan en sistemas de radar marítimos y aéreos, y ofrecen un buen rendimiento en relación con el costo y la complejidad.

A medida que avanzaba el siglo XX, los científicos e ingenieros acumularon gradualmente una gran cantidad de conocimientos sobre el diseño, análisis e implementación de antenas de ranura. En este artículo, estamos más interesados ​​en la tecnología de antena de ranura, ya que se utiliza en dispositivos electrónicos de bajo voltaje y factor de forma pequeño.

Principales características de la antena de ranura

Las antenas de ranura son comunes en aplicaciones de alta frecuencia. Los primeros SWA se incorporaron a los sistemas de radar que operan en frecuencias de microondas bajas, y la investigación reciente que involucra antenas de ranura está explorando aplicaciones más allá de 100 GHz. La antena portátil mencionada anteriormente está diseñada para la comunicación inalámbrica de estilo IoT en la banda ISM (industrial, científica y médica) para 5,8 GHz y parece haber un interés significativo en las antenas de ranura para su uso en diseños 5G de ondas milimétricas.

El rendimiento de una antena de ranura depende de varios factores, como la geometría y si la ranura tiene una cavidad trasera. Sin embargo, en general, las antenas de ranura son atractivas para los dispositivos de RF avanzados porque normalmente pueden ofrecer:

• Amplio ancho de banda
• Buena eficiencia
• Versatilidad
• Bajo costo
• Facilidad de fabricación
• Factor de forma de perfil bajo

El comportamiento electromagnético de las antenas de hendidura

Una antena de ranura teórica y rudimentaria es simplemente una abertura rectangular en un plano conductor. Si se aplica una señal de voltaje de RF (radiofrecuencia) a los lados opuestos de la abertura, la corriente fluirá alrededor del perímetro y la estructura irradiará.

La idea de que el espacio vacío funcione como una antena de alto rendimiento es contraria a la intuición, y puede que le resulte útil invocar el principio de Babinet y, por lo tanto, imaginar una antena de ranura como el «dos veces» de una configuración de antena fundamental conocida como dipolo. Tenga en cuenta que si no está familiarizado con las antenas dipolo, puede leer sobre ellas en este excelente artículo de Mark Hughes.

El principio de Babinet en realidad está tomado de la óptica y establece lo siguiente:

“La suma de la onda transmitida a través de una pantalla. . . más la onda transmitida a través de la pantalla complementaria, es como si no hubiera pantalla presente.

-Principio de Babinet para campos electromagnéticos.

Este concepto fue extendido al ámbito electromagnético por Henry Booker, y cuando el principio de Babinet-Booker se aplica a una antena de ranura, sugiere que podemos crear un patrón de conducción complementario y esperar un comportamiento de radiación similar. La Figura 2 muestra un ejemplo de esto.

Figura 2. Ranura en el centro del plano conductor (a) y una señal de ejemplo alimentada a la antena dipolo (b). Imagen utilizada cortesía de John Borchardt

La figura de arriba es de un artículo escrito por John Borchardt, investigador de Sandia National Laboratories. La Figura 2(a) muestra la rendija en el centro de un plano conductor y en la Figura 2(b) se alimenta una señal a una antena dipolo cuyas secciones conductoras coinciden con la geometría de la abertura. Borchardt usó la versión dipolo para calcular la impedancia de la versión de ranura.

Agregando al concepto de comportamiento de la antena de ranura, la Figura 3 proporciona otro ejemplo, esta vez del Evolución de las antenas de ranura compactas por Alan Sangster.

Figura 3. Ejemplo de diagrama de comportamiento de antena de ranura. Imagen redibujada con referencia y cortesía de Alan Sangster

En este caso, la antena de ranura se implementa como una abertura en una línea de transmisión de microcinta. Tenga en cuenta la orientación, donde la rendija, directamente encima y perpendicular a la microbanda, está orientada para interrumpir el flujo de corriente. Esta interrupción conduce a efectos tanto capacitivos como inductivos, y cuando la geometría de la rendija (en relación con la longitud de onda de la señal) favorece la resonancia inductivo-capacitiva, la línea de transmisión funciona como un radiador efectivo.

Antenas de ranura: tecnología antigua para nuevos diseños

Las antenas de ranura representan una tecnología bastante antigua que ha ganado nueva relevancia y nuevas técnicas de diseño en la era de 5G e IoT. Si bien se podría decir mucho más sobre las antenas de ranura, espero que este artículo le haya proporcionado una base sólida para seguir estudiando.