Variación de Parámetros de Antena Parche
mediante el Agregado de Material dieléctrico
Variation of Patch Antenna Parameters by Adding Dielectric Material
Brian Maximiliano Gluzman
#1
, Benigno Rodríguez*
2
, Ramiro Avalos Ribas
#3
, Juan Alberto Etcheverry
#4
,
Alejandro José Uriz
#5
#
ICYTE, Laboratorio de Comunicaciones, Depto. De Electrónica y Computación, Facultad de Ingeniería - UNMDP
Mar del Plata, 7600, Argentina
1
briangluzman@mdp.edu.ar
3
avalosribas@fi.mdp.edu.ar
4
jaetcheverry@patora.fi.mdp.edu.ar
5
ajuriz@fi.mdp.edu.ar
*
Departamento de Telecomunicaciones, IIE-Fing-Udelar, Julio Herrera y Reissig 565, Montevideo, 11300, Uruguay
2
benigno@fing.edu.uy
Resumen— Se propone analizar las variaciones de los
parámetros de una antena tipo parche a la cual se le agrega un
material dieléctrico en distintas formas. La principal novedad
es encontrar bandas de trabajo a frecuencias menores a las de
la antena sin material adicional manteniendo, e incluso
mejorando, la ganancia. Esto permite desarrollar antenas de
menor tamaño que el que correspondería si no se agregara un
material con constante dieléctrica alta. Poder desarrollar
antenas de buen desempeño y dimensiones reducidas, siempre
es de interés. Las simulaciones de parámetros S y del patrón
de radiación son realizadas mediante un simulador de sistemas
electromagnéticos. Como resultado se han encontrado casos
donde se observa una disminución en la frecuencia de
resonancia y un aumento en la ganancia con respecto a la
antena sin material adicional. Por otro lado, se encontraron
resonancias a frecuencias considerablemente menores, pero
con pérdidas mayores.
Palabras clave: Antena de parches, simulación
electromagnética, parámetros S, patrón de radiación, glicerina.
Abstract— It is proposed to analyze the variations of the
parameters of a patch-type antenna to which a dielectric
material is added in different ways. The main novelty is
finding working bands at frequencies lower than those of the
antenna without additional material, maintaining, and even
improving, the gain. This allows the development of smaller
antennas than would be the case if a material with a high
dielectric constant were not added. Being able to develop
antennas with good performance and small dimensions is
always of interest. The simulations of S parameters and the
radiation pattern are carried out using an electromagnetic
systems simulator. As a result, cases have been found where a
decrease in the resonance frequency and an increase in the
gain is observed with respect to the antenna without glycerin.
On the other hand, resonances were found at considerably
lower frequencies, but with greater losses.
Keywords: Patch antenna, electromagnetic simulation, S
parameters, radiation pattern, gliceryn.
I. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de comunicaciones actuales, como los basa-
dos en las Radios Definidas por Software (SDR por sus
siglas en inglés), permiten modificar parámetros de la
comunicación como: la frecuencia, la modulación, la
ganancia, el ancho de banda [1] [2]. Un cambio en estos
parámetros puede requerir un cambio en los requisitos de la
antena. Embeber una antena en un dieléctrico permite
modificar sus características [3-5]. Un dieléctrico de alta
permitividad eléctrica, a su vez, permite reducir la
frecuencia de resonancia. Por ejemplo, en [5-7] proponen el
uso de agua destilada con un ε
r
de 80 para mejorar las
prestaciones de una antena y principalmente disminuir su
frecuencia de resonancia, para lograr diseños más
compactos.
Este trabajo propone estudiar el comportamiento de las
características de una antena, a la cual se le agrega un
material dieléctrico, en distintas formas. Uno de los
objetivos es encontrar resonancias a frecuencias menores a
las de diseño, manteniendo o mejorando la ganancia. Para
ello se utiliza una antena parche como referencia y un
material con constante dieléctrica alta.
Los criterios para utilizar el material dieléctrico se
concentran en tres diseños. El primero consiste en embeber
la antena por completo en el material adicional, el segundo
reduce el área del nuevo material a las dimensiones de la
placa cubriendo solo la cara del parche, por último, el tercer
diseño concentra el material sobre la parte del parche de la
antena. Para comparar los diseños planteados y la antena sin
material extra se simulan los parámetros S y los patrones de
radiación con un software dedicado para sistemas
electromagnéticos. En el simulador, y en el resto del trabajo,
se utiliza la glicerina como material por presentar una
constante dieléctrica alta y por ser un material fácil de
conseguir y manipular, además de proponer una opción
alternativa al agua destilada. Sin embargo, la glicerina real
presenta variaciones en sus propiedades al modificarse su
Recibido: 11/02/25; Aceptado: 30/04/25
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.9.1.209.2025
Original Paper
Revista elektron, Vol. 9, No. 1, pp. 30-36 (2025)
ISSN 2525-0159
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concentración y/o la frecuencia, por lo tanto, para los fines
de este trabajo se adopta un valor de ε
r
de 50, lo cual es
equivalente a glicerina al 90% a una frecuencia de 100 MHz
[6][8].
El trabajo se organiza de la siguiente manera: La Sección
2 presenta el diseño de la antena sin glicerina y des-cribe la
propuesta de uso de la glicerina. La Sección 3 presenta las
simulaciones y su análisis. Finalmente, la Sección 4
presenta las conclusiones.
II. METODOLOGÍA
A. Antena de referencia
La antena de referencia utilizada se basa en una antena de
parche diseñada para la frecuencia de 1.725 GHz y con el
agregado de ranuras que permiten una mejor adaptación de
impedancias, la cual se ajustó a 50 Ω [9] [10].
La Fig. 1 y la Tabla 1 presentan las dimensiones de la
antena. El ancho W y el largo L del parche se calcularon
teniendo en cuenta las ecuaciones de diseño en la frecuencia
de 1.725 GHz [10]. El ancho Wf y el largo Lf de la línea de
alimentación fueron calculados para la frecuencia de diseño
y 50 Ω de impedancia [11] [12]. El ancho Wran y el largo
Lran de las ranuras fueron obtenidos y optimizados
mediante simulación.
Se utilizó FR4 como substrato con espesor h y constante
dieléctrica 4.3. Además, se consideró el espesor t del
material conductor. Las dimensiones finales de la placa son
de ancho 2*W y de largo 1.5*L+Lf-Lran.
Fig. 1. Dimensiones de la antena.
Tabla 1. Dimensiones de la antena.
Parámetro
Valor
W (mm)
52.800
L (mm)
40.800
Lf (mm)
24.182
Lran (mm)
5.785
Wf (mm)
2.898
Wran (mm)
2.892
h (mm)
1.524
t (mm)
0.010
B. Diseños propuestos
Se proponen tres formas de agregarle glicerina a la antena.
El criterio utilizado consiste en cubrir totalmente la antena
con glicerina, para luego ir reduciendo la superficie hasta
cubrir solo el parche. Con esta propuesta también se
pretende ver si existe alguna relación entre el área de
glicerina utilizada y la reducción en la frecuencia de
resonancia. Para comprobarlo se simularán los parámetros
S
11
y los patrones de radiación de la antena de referencia y
de los diseños que se proponen a continuación:
1) Antena inmersa en glicerina: Este primer caso
consiste en cubrir totalmente la antena con glicerina, el
mismo se puede apreciar en la Fig. 2 a. Buscando el mayor
efecto del agregado de la glicerina, se espera encontrar una
disminución significativa en las frecuencias de resonancias.
Las dimensiones de la glicerina en cada caso son: ancho
111.200 mm, largo 159.194 mm, y la altura total será
variable en las simulaciones y corresponderá al valor de la
expresión “2*espesor + t + h”, la variable “espesor (mm)”
corresponde a la altura de la glicerina desde el parche hacia
el frente.
2) Antena con glicerina en la cara del parche:
Buscando reducir el área con respecto al caso anterior, el
largo y ancho del agregado de la glicerina se limitan a las
dimensiones de placa y a cubrir solo el lado frontal de la
antena, como se puede ver en el centro de la Fig. 2 b. La
altura será variable y corresponde al valor de “espesor”. Se
espera encontrar un efecto similar con frecuencias de
resonancias levemente mayores al primer diseño.
3) Antena con glicerina sobre el parche: Siguiendo con
la lógica de los casos anteriores, se limitó a colocar glicerina
sobre el parche, como se puede observar en la Fig. 2 c. Las
dimensiones son el largo y ancho del parche con altura
“espesor (mm)”. Se espera encontrar una disminución en la
frecuencia de resonancia, pero no tan significativo como los
casos previos.
a) b) c)
Fig. 2. a) Antena inmersa en glicerina, b) Antena con glicerina en la cara
del parche, c) Antena con glicerina sobre el parche.
III. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
A. Simulación de Parámetros S11
En las Fig. 3, 4, 5 y 6 se presentan las simulaciones del
parámetro S
11
de la antena sin glicerina y de los tres diseños
propuestos para distintos espesores de glicerina.
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-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
|S
11
| (dB)
Frecuencia (GHz)
Espesor = 1.524 mm
Antena de referencia Antena Inmersa en Glicerina
Antena con Glicerina sobre el Parche Antena con Glicerina en la Cara del Parche
Fig. 3. Parámetros S
11
para espesor de 1.524 mm.
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
|S
11
| (dB)
Frecuencia (GHz)
Espesor = 5 mm
Antena de referencia Antena Inmersa en Glicerina
Antena con Glicerina sobre el Parche Antena con Glicerina en la Cara del Parche
Fig. 4. Parámetros S
11
para espesor de 5 mm.
Como se mencionó en la sección previa, la única variable
es el espesor del bloque de glicerina, por lo tanto, para
poder comparar las distintas alternativas, se propuso simular
cuatro valores. El primer valor busca introducir una capa
fina de glicerina, por eso se propuso igualar la altura al
espesor del substrato FR4 con 1.524 mm, para luego ir
aumentando el espesor a 5 mm, 10 mm, hasta llegar a los
20 mm.
La Fig. 3, 4, 5 y 6 en color rojo muestra los parámetros S
de la antena de referencia, la cual presenta dos resonancias
de interés en 1.725 GHz y 2.672 GHz con una amplitud
menor a los -20 dB y menor a los -17 dB, respectivamente.
La simulación nos muestra distintos comportamientos, los
que varían con el diseño y con el espesor de la glicerina.
En primer lugar, como se puede observar en las Fig. 5 y 6,
la mayor reducción en la frecuencia de resonancia se da para
los casos de espesor 10 mm y 20 mm en los diseños que
cubren toda la placa. Llegando a frecuencias del orden de
los 375 MHz, y una resonancia con ancho de banda amplio
centrada en los 500 MHz, para el caso de la antena con
glicerina en la cara del parche. Estos casos también
presentan múltiples resonancias en otras frecuencias.
En segundo lugar, el caso de glicerina sobre el parche
presenta, para los cuatro casos de espesor planteados, una
mejora en la adaptación de impedancias y una leve
reducción en la frecuencia, la cual podría ser de utilidad
para aplicaciones donde se requiera realizar un ajuste fino
en la resonancia de una antena, ya sea en frecuencia y/o en
magnitud.
Un caso intermedio en la reducción de la frecuencia de
resonancia se da para los diseños que cubren toda la placa
con un espesor de 1.524 mm, los cuales muestran una
resonancia menor a los -10 dB en la frecuencia de
1.401 GHz. Para los mismos diseños, pero, con espesor de
glicerina a 5 mm no muestran signos de resonancias a
frecuencias menores a 1.725 GHz. Sin embargo, presenta
resonancias a partir de 2.200 GHz.
Es interesante notar la gran variación, tanto en amplitud
como en frecuencia, que provoca colocar una capa fina de
glicerina sobre una antena. Por un lado, se puede lograr
reducciones, incluso significativas, en las frecuencias de
resonancias, y por el otro, puede ocurrir que las resonancias
suban en frecuencia.
B. Simulacion de Patrón de Radiación
La simulación de parámetros S nos muestra las zonas de
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interés, donde la antena tiene una buena adaptación de
impedancias. Sin embargo, no nos da información sobre la
directividad ni la eficiencia de radiación. Al agregarle
glicerina a la antena es lógico pensar que su patrón de
radiación sea modificado, a su vez, al reducir la frecuencia
de resonancia las dimensiones de la antena quedan
significativamente más chicas que la longitud de onda.
La Fig. 7 muestra el patrón de radiación de la antena de
referencia a la frecuencia de 1.725 GHz, la cual tiene una
Directividad de 6.952 dBi con una Eficiencia de Radiación
de -5.023 dB, siendo la diferencia de 1.929 dBi, lo que
representa su Ganancia. El lóbulo principal presenta una
dirección hacia el frente de la placa.
Para analizar los patrones de radiación de los diseños
propuestos se clasificaron cuatro casos de interés:
1. Menor frecuencia de resonancia:
Con el fin de maximizar la reducción de frecuencia de
resonancia se analiza la variación del patrón de radiación
para los casos de resonancia en el orden de los 500 MHz
presentados en los parámetros S
11
de las Fig. 5 y 6.
Los resultados de las simulaciones de los patrones de
radiación se pueden ver en la Tabla 2.
Para la antena inmersa en glicerina con un espesor de 10
mm la resonancia en frecuencia más baja se presenta en 525
MHz con una Directividad de 6.932 dBi. Para un espesor de
20 mm la resonancia baja a una frecuencia de 375 MHz con
una Directividad de 12.990 dBi. Ambos casos presentan
Eficiencias Totales menores a los -23 dB, por lo que gran
parte de la energía no llega a ser radiada, lo cual provoca
pérdidas en la Ecuación de Friss, mayores a los 16 dBi.
Sin embargo, las dimensiones de la antena se podrían
reducir hasta 4.5 veces. Por otro lado, los patrones de
radiación presentan múltiples lóbulos que tiende hacia los
costados del parche.
Para la antena con glicerina en la cara del parche con un
espesor de 10 mm la resonancia en frecuencia más baja se
presenta en 560 MHz con una Directividad de 1.654 dBi.
Para un espesor de 20 mm la resonancia ocurre en 507 MHz
con una Directividad de 2.493 dBi. Al igual que el caso de
la antena inmersa en glicerina las Eficiencias Totales son
menores a los -23 dB y las pérdidas son mayores a los
20 dBi. En estos casos los patrones de radiación tienden a
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
|S
11
| (dB)
Frecuencia (GHz)
Espesor = 10 mm
Antena de referencia Antena Inmersa en Glicerina
Antena con Glicerina sobre el Parche Antena con Glicerina en la Cara del Parche
Fig. 5. Parámetros S
11
para espesor de 10 mm.
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
|S
11
| (dB)
Frecuencia (GHz)
Espesor = 20 mm
Antena de referencia Antena Inmersa en Glicerina
Antena con Glicerina sobre el Parche Antena con Glicerina en la Cara del Parche
Fig. 6. Parámetros S
11
para espesor de 20 mm.
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Tabla 2. Resultados de simulaciones de patrones de radiación.
Clasificación
Diseño
Espesor
(mm)
Frecuencia
(GHz)
Directividad
(dBi)
Eficiencia de
Radiación (dB)
Eficiencia
Total (dB)
Ganancia
(dBi)
Menor frecuencia de
resonancia
Antena inmersa
en glicerina
10
0.525
6.932
-22.960
-23.780
-16.028
20
0.375
12.990
-33
-33.400
-20.010
Antena con
glicerina en la
cara del parche
10
0.560
1.654
-26.020
-28.010
-24.366
20
0.507
2.293
-22.360
-23.080
-20.067
Ajuste fino y mejora
de adaptación
Antena con
glicerina sobre el
parche
1.524
1.713
7.040
-5.182
-5.201
1.858
5
1.692
7.304
-6.711
-6.715
0.593
10
1.710
7.248
-2.882
-2.884
4.366
20
1.656
5.429
-2.379
-3.560
3.050
Mínima frecuencia
de resonancia con
ganancia positiva
Antena con
glicerina en la
cara del parche
1.524
1.401
6.387
-4.882
-5.219
1.505
Antena inmersa
en glicerina
1.524
1.401
8.597
-4.680
-4.961
3.917
Mínima frecuencia
de resonancia con
pérdidas menores a
1 dBi
Antena inmersa
en glicerina
20
1.644
7.262
-7.314
-7.608
-0.052
1.700
8.238
-8.883
-9.302
-0.645
Antena con
glicerina en la
cara del parche
10
1.542
5.460
-6.219
-6.539
-0.759
1.623
4.545
-4.894
-5.404
-0.349
20
1.710
5.907
-6.497
-7.805
-0.590
los de una antena isotrópica, con forma ovalada y una
mayor radiación hacia los costados.
Fig. 7. Patrón de radiación de antena de referencia.
2. Ajuste fino y mejora de adaptación
Por lo visto en los parámetros S de las Fig. 3, 4, 5 y 6 el
agregado de glicerina en el lugar y proporción adecuado
permitiría ajustar la frecuencia de resonancia e incluso
mejorar la adaptación de impedancias.
La Tabla 2 presenta los resultados de las simulaciones de
los patrones de radiación de la antena cubierta con glicerina
sobre el parche.
Para un espesor de glicerina de 1.524 mm la resonancia
aparece en 1.713 GHz, en esa frecuencia la Directividad es
de 7.040 dBi y la Eficiencia Total es de -5.201 dB. Para
espesor de 5 mm la resonancia baja a los 1.692 GHz, la
Directividad es de 7.304 dBi y la Eficiencia total es de
-6.715 dB. Con un espesor de 10 mm la resonancia vuelve a
subir en este caso a 1.710 GHz con una mejora en la
ganancia, don-de la Directividad es de 7.248 dBi y la
Eficiencia Total es de -2.884 dB. Por último, para un
espesor de glicerina de 20 mm la frecuencia de resonancia
se reduce a 1.656 GHz, al igual que Directividad con
5.429 dBi y la Eficiencia Total con -3.560 dB.
En todos los casos las antenas presentan ganancias y
adaptaciones de impedancias aceptables en sus nuevas
bandas de resonancia y los patrones de radiación mantienen
la Directividad hacia el frente de la placa como la antena de
referencia. En particular, el caso de espesor de 10 mm logra
mejorar la ganancia de la antena con 4.366 dBi.
3. Mínima frecuencia de resonancia con ganancia
positiva
Los parámetros S mostraban múltiples resonancias,
algunas a frecuencias muy bajas, pero con pérdidas
significativas y otras cercanas a la frecuencia de diseño, con
una mejora en la adaptación. En este caso, se busca una
reducción en la frecuencia de resonancia con, al menos, una
ganancia de 1 dBi.
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a) b)
Fig. 8. Patrón de radiación: a) Antena inmersa en glicerina, b) Antena con glicerina en cara frontal.
Los resultados de las simulaciones de los patrones de
radiación se pueden ver en la Tabla 2.
La Fig. 8 muestra dos patrones de radiación donde la
glicerina cubre toda la placa con espesor de 1.524 mm y en
ambos casos la resonancia se presenta en la frecuencia de
1.401 GHz. El diseño de la antena inmersa en glicerina
(Fig. 8 a) presenta 8.596 dBi de Directividad con una
Eficiencia Total de -4.961 dB y la antena con glicerina en la
cara frontal (Fig. 8 b) tiene una Directividad de 6.387 dBi
con una Eficiencia Total de -5.219 dB. En ambos casos las
1antenas aportan una ganancia superior a 1.500 dBi, incluso
se logra una ganancia de 3.917 dBi en la antena inmersa en
glicerina. Los lóbulos principales mantienen la directividad
hacia el frente de la placa en ambos casos.
4. Mínima de frecuencia de resonancia con pérdidas
menores a 1 dBi
En la Tabla 2 se presentan los resultados de las
simulaciones de los patrones de radiación donde existe una
reducción de frecuencia y las pérdidas son menores a 1 dBi.
Para la antena inmersa en glicerina con espesor de 20 mm
se tiene dos resonancias de interés. La primera en
1.644 GHz con pérdidas de 0.052 dBi y múltiples lóbulos
con el principal hacia el frente del parche. La segunda en
1.700 GHz con pérdidas de 0.645 dBi y múltiples lobulos
con el principal hacia atrás del parche.
La antena con glicerina en la cara del parche tiene tres
resonancias de interes. Para un espesor de 10 mm se tiene
dos resonancias, una en 1.542 GHz con pérdidas de
0.759 dBi y la otra en 1.623 GHz con pérdidas de 0.349 dBi.
En ambos, los patrones de radiación presentan dos lóbulos
principales hacia los costados del parche. Para un espesor de
20 mm se tiene una resonancia en 1.710 GHz con pérdidas
de 0.590 dBi y múltiples lóbulos con el principal hacia el
frente del parche.
IV. CONCLUSIONES
En las simulaciones de los parámetros S se pueden
apreciar que los diseños propuestos logran obtener
resonancias menores a la de la antena de referencia. Se
destacan dos comportamientos, el primero para los diseños
que agregan el material dieléctrico a toda la placa con un
espesor de, al menos, 10 mm logran la mayor reducción de
la frecuencia de resonancia, y la segunda para el diseño con
material adicional sobre el parche que logra una leve
reducción en la frecuencia.
De los patrones de radiación, se observó que una máxima
reducción de la frecuencia de resonancia resulta en una
antena con una eficiencia muy baja y una reducción de
frecuencia más reducida podría mejorar la ganancia en
casos particulares.
De los tres diseños propuestos, la máxima reducción de
frecuencia de resonancia se da para el diseño que cubre toda
la placa con espesor de 20 mm y logra bajar la resonancia
de 1.725 GHz a 375 MHz.
El diseño que cubre la cara del parche de la placa
presentó una leve variación en la resonancia de la antena, en
todos los casos analizados mejoró la adaptación y en
particular con 10 mm se logró una ganancia de 4.366 dBi.
El primer diseño, con espesor de 1.524 mm, es de
especial interés por presentar una reducción de la frecuencia
de resonancia de 1.725 GHz a 1.401 GHz y una mejora en
la ganancia de 1.929 dBi a 3.917 dBi.
Se concluye que es posible modificar y, en particular,
mejorar los parámetros de una antena con el agregado de un
material con una permitividad eléctrica relativa de 50. En la
práctica esto permitiría ajustar la frecuencia de resonancia,
mejorar la adaptación de impedancias y aumentar la
ganancia de la antena. Además, el uso de este material
permitiría diseñar nuevas antenas con dimensiones más
compactas, lo cual sería valioso en aplicaciones donde el
espacio es limitado.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen la financiación del proyecto
ERASMUS/NEON (Project No. 618942-EPP-1-2020-1-AT-
EPPKA2-CBHE-JP) la cual les permitió comprar licencias a
perpetuidad de la herramienta de simulación
electromagnética Computer Simulation Technology (CST)
que fue utilizada en la realización de este trabajo.
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https://publicaciones.ucuenca.edu.ec/ojs/index.php/maskana/article/
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