Evolución a una antena para sistemas multi-estándar

Se tiene el radiador resultante de la etapa anterior con desacoplamientos en 2.2 GHz y 5 GHz. La antena se modifica para eliminar estos desacoplamientos con la técnica utilizada el capítulo anterior.

Se comienza con realizar cambios en los bordes de la estructura primero en la línea de alimentación hasta encontrar una transición óptima con la estructura circular radiadora. Después se deben hacer los cambios necesarios para suavizar la transición entre el radiador resultante de la primera etapa y el plano de tierra.

En cada una de las etapas mencionadas anteriormente se realizan etapas de optimización paramétrica de igual forma que fueron realizadas las evoluciones de las estructuras circu- lares del capítulo anterior.

En la figura 4.4 se muestran las dimensiones de la estructura finales. Se tiene un radio (r) de 40 mm, las circunferencias auxiliares están centradas en las coordenada (±30 mm (desde el eje de simetría vertical), 4 mm) y un radio (rc) de 35 mm.

Figura 4.4 Dimensiones de la antena.

La antena tiene dimensiones totales de 0.762 mm X 131 mm X 69 mm.

Las dimensiones de la antena aumentan en relación con las dimensiones de las antenas del capítulo anterior. La razón de éste incremento es que la frecuencia de corte inferior está por debajo de 1 GHz, que es realmente una frecuencia baja para éste tipo de antenas y se requiere de mayores dimensiones para lograr la resonancia a dicha frecuencia.

La estructura se dibuja en el simulador con las dimensiones mostradas en la figura 4.4 (se muestran las dimensiones óptimas encontradas con el simulador después de un proceso largo, en el cual se modificaba la altura de la microcinta de alimentación de la estructura y se reubicaron los centros de los radios que suavizan el plano de tierra).

Se construye la antena final en el simulador tal como se muestra en la figura 4.5. Se realiza el análisis transitorio de la estructura.

Se obtiene el parámetro de reflexión y se muestra en la figura 4.6. El resultado es ade- cuado para el objetivo del presente trabajo de tesis. Se tiene acoplamiento desde 800 MHz y se mantiene hasta por encima de los 6 GHz (Recordemos que para efectos específicos del trabajo de tesis solo es requerida la visualización de los resultados en un intervalo de 800 MHz a 6 GHz).

Por lo anterior, obtenemos resultados excelentes para una antena que requiere carac- terísticas de acoplamiento en todo el ancho de banda para poder operar en cualquiera de los estándares de comunicaciones personales móviles.

Se observa que al realizar la evolución de la estructura a una antena de tipo fumarola de volcán se tiene un cambio significativo en el valor del coeficiente de reflexión en la

ANTENA CIRCULAR A 800 MHZ 103

(a) Vista frontal (b) Vista trasera

Figura 4.5 Antena de microcinta de banda ancha para sistemas multiestándar a)vista frontal y b)vista trasera. 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 •45 •40 •35 •30 •25 •20 •15 •10 •5 0 Frecuencia (GHz) S1 1 (d B)

Antena tipo fumarola de volcán Antena original

Figura 4.6 Parámetro de reflexión para antena tipo fumarola de volcán.

frecuencia de corte inferior, para la antena original a 800 MHz teníamos -8 dB y con las modificaciones al plano de tierra y a la estructura radiadora mejoramos éste valor a -15 dB, lo cual representa al rededor de un 10% de reflexión de la energía total.

En el resto de la banda se observa que se tiene al rededor de -40 dB de reflexión para una frecuencia de 3.5 GHz y el mínimo acoplamiento se presenta en 1.3 GHz con -11.5 dB. Los resultados obtenidos por simulación son muy convenientes.

Es importante, además del parámetro de reflexión, obtener los patrones de radiación en el ancho de banda deseado. Para efectos de este trabajo de tesis se obtienen los patrones de radiación solamente para la frecuencia central de cada uno de los estándares de comu- nicaciones personales (Tabla 4.2).

Tabla 4.2 Radios para diferentes frecuencias centrales.

Frecuencia central(GHz) Estándar

0.92 GSM-900 1.80 GSM-1800 1.90 PCS 2.00 WCDMA 2.40 Bluetooth 2.44 W-LAN 802.11a 2.60 WiMAX 5.25 W-LAN 802.11g 5.75 W-LAN 802.11b

Debemos considerar en primera instancia la posición de la antena en el simulador para poder presentar adecuadamente los patrones de radiación. La antena para su análisis por computadora, la antena se ubica con el parche radiador paralelo al planoxyy perpendicular

al planoxz. La posición de la antena se muestra gráficamente en la figura 4.7.

ANTENA CIRCULAR A 800 MHZ 105

Se obtienen los patrones de radiación únicamente para el planoxz el cual es el más

importante para cualquier antena con fines en aplicaciones móviles, además que ha sido comprobado en el capítulo anterior que las características de radiación no son modificadas en gran medida, por lo tanto el análisis se enfoca al planoφúnicamente.

Los patrones de radiación para los estándares de comunicaciones celulares se muestran en la figura 4.8, mostrando carácter omnidireccional en GSM y PCS.

10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 920 MHz (a) GSM 900 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 1.8 GHz (b) GSM 1800 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 1.9 GHz (c) PCS

Figura 4.8 Patrones de radiación medidos para telefonía celular.

Para los estándares de comunicaciones inalámbricas se muestran los patrones en la figura 4.9 (figuras 4.9(a), 4.9(b) y 4.9(c)), mostrando que son omnidireccionales.

Finalmente, para la familia de redes locales inalámbricas los patrones de radiación son mostrados en la figura 4.9 (figuras 4.9(d), 4.9(e) y 4.9(f)).

Tal como era esperado, de acuerdo a la literatura de antenas, el patrón de radiación comienza a perder su omnidireccionalidad conforme se incrementa la frecuencia. Se ob- serva lo anterior en los patrones de radiación de la familia WLAN en sus versiones g y b.

10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 2.0 GHz (a) WCDMA 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 2.4 GHz (b) Bluetooth 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 2.6 GHz (c) WiMAX 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 2.44 GHz (d) W-LAN 802.11a 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 5.25 GHz (e) W-LAN 802.11g 10 20 30 40 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 5.75 GHz (f) W-LAN 802.11b

Figura 4.9 Patrones de radiación para los estándares de comunicaciones personales y redes inalámbricas.

Otra métrica importante para propósitos móviles es la ganancia, se configura el pro- grama de análisis computacional para obtener las ganancias con intervalos de 100 MHz, recordemos que la ganancia no debe tener cambios abruptos y esperamos ganancias al rededor de 3 dB que es un valor típico para éste tipo de antenas.

CONSTRUCCIÓN 107 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X: 6 Y: 6.66 Frecuencia (GHz) G a n a n ci a (d B) X: 0.8 Y: 0.95

Figura 4.10 Ganancia obtenida por simulación.

Las ganancias simuladas se muestran en la figura 4.10 obteniendo resultados óptimos, la menor ganancia se presenta en bajas frecuencias (tal como era esperado de acuerdo a la literatura) en 800 MHz con solo 0.9 dB, pero la ganancia se incrementa conforme incrementamos la frecuencia de análisis siendo la ganancia más elevada la presente en una frecuencia de 6 GHz con 6.7 dB, obteniendo un aumento quasi-lineal que es un resultado lógico que deberá ser comprobado, al igual que el resto de los resultados obtenidos por simulación, con el prototipo físico.

Los resultados obtenidos por el análisis computacional dan una visión muy positiva sobre el diseño de la antena, puesto que tiene acoplamiento en todo el ancho de banda requerido, propuesto en el objetivo de éste trabajo, presentando patrones de radiación omnidireccionales y sobre todo con ganancias por encima de 1 dB en cualquiera de las frecuencias de análisis.

4.3 CONSTRUCCIÓN

La antena se construye con un equipo de control numérico y por serigrafía.

La estructura se imprime sobre un sustrato Taconic RF-35, con un espesor de 0.725 mm y una constante dieléctrica de 3.5, con recubrimiento de cobre por ambas caras.

Se obtiene el diseño esquemático de la antena y se realizan los cambios de formato del archivo para obtener un archivo reconocible por la fresa mecánica. Para un diseño preciso la fresa tiene dos etapas importantes:

Figura 4.11 Etapa de aislado de estructuras radiadora y plano de tierra en fresa mecánica.

• Aislado: Etapa de delineado de la estructura, utiliza una broca lo suficientemente delgada para dar un buen terminado en los detalles como curvas e intersecciones, evitando que al devastar sea invadido el cobre útil del diseño.

• Devastado: Etapa donde es retirado el cobre que no es útil para el diseño. Utiliza una broca gruesa para evitar que la fresa realice un número mayor de recorridos. Para el caso específico de la antena presentada en éste capítulo, las dimensiones obligan a realizar únicamente el aislado (delineado) de la estructura por ambas caras del sustrato (Figura 4.11).

(a) Vista frontal (b) Vista trasera Figura 4.12 Aplicación de esmalte para el proceso serigráfico.

CONSTRUCCIÓN 109

(a) Vista frontal (b) Vista trasera Figura 4.13 Limpieza y eliminado de cobre no útil del proceso serigráfico.

Figura 4.14 Prototipo final construido.

Una vez trazada la estructura, el cobre sobrante es retirado utilizando el método seri- gráfico, el cual consiste en cubrir el cobre deseado con un esmalte resistente al líquido corrosivo (Cloruro Férrico) tal como se muestra en la figura 4.12.

La placa se sumerge el sustrato en éste líquido y finalmente al observar que el cobre sobrante ha sido atacado, se retira la estructura del líquido corrosivo y se lava perfectamente para evitar que residuos del líquido en la superficie de la antena ataque el cobre útil (Figura 4.13).

En seguida se retira el esmalte y finalmente se obtiene la antena impresa en el sustrato. Se coloca el conector SMA cuidando no calentar en exceso el conector ya que podría afectar su funcionamiento.

Figura 4.15 Antena terminada.

Para evitar el calentamiento excesivo de la estructura se utiliza soldadura de plata y se debe asegurar una buena unión entre el cobre de la antena y el conector mediante el uso de un microscopio. Además, para darle firmeza mecánica, se agrega una delgada placa de cobre entre el plano de tierra y el conector (Figura 4.14) y finalmente la antena terminada se muestra en la figura 4.15.

4.4 CARACTERIZACIÓN

Mediante la caracterización se obtiene el parámetro de reflexión (parámetroS11), los pa-

trones de radiación en las frecuencias centrales mostradas anteriormente en la tabla 4.2 y la ganancia en el ancho de banda de operación de interés.

4.4.1 Parámetro de reflexión

Para medir el coeficiente de reflexión de la antena (ParámetrosS11) se utiliza un analizador

de redes, el cual entrega una relación de potencias, eliminando las pérdidas de los cables y los conectores desplazando el plano de referencia de medición justo al puerto de entrada de la antena, que en éste caso es el conector SMA.

Se calibra adecuadamente el analizador de redes y se coloca la antena en posición ver- tical, alejada de objetos metálicos y objetos que pudieran ser una contribución importante de reflexiones no deseadas para la medición (Figura 4.16).

Los resultados obtenidos son bastante parecidos a los valores simulados, ésta compara- ción se presenta en la figura 4.17. Podemos observar que hay una mejora significativa al rededor de 1.3 GHz, en la práctica se mejora el acoplamiento de la antena obteniendo una reflexión de -15 dB. Al igual que en la simulación se presenta una antena de banda ancha, con acoplamiento desde 800 MHz hasta 6 GHz. Se tiene un ligero desplazamiento de una resonancia que aparecía en simulación en 3.6 GHz y se recorrió aproximadamente 50

CARACTERIZACIÓN 111

Figura 4.16 Medición del parámetro de reflexión de la antena final.

MHz, quedando en la práctica en 3.55 GHz que es una frecuencia utilizada para sistemas WiMAX que se investiga actualmente.

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 •45 •40 •35 •30 •25 •20 •15 •10 •5 0 Frecuencia (GHz) S1 1 (d B) Simulacion Medicion

Figura 4.17 Medición del parámetro de reflexión de la antena final.

Por lo tanto, el comportamiento de la antena en la práctica es casi igual al resultado esperado proporcionado por el análisis por computadora de la estructura. Se satisface la primera de las métricas requeridas para el cumplimiento del objetivo principal de éste trabajo de tesis, aseguramos que la antena resuena en todo el ancho de banda con coeficientes de reflexión muy buenos para aplicaciones móviles y dentro de los niveles típicos presentados por otros autores en la literatura.