OPTIMIZACIÓN DE UNA
ANTENA PLANA
OPTIMIZACIÓN DE UNA
ANTENA PLANA
PARA SISTEMAS
MULTIESTÁNDAR
SEPI - IPN
Ing. Edson Gardu ˜no Nolasco
SEPI - ESIME - Zacatenco
Asesores:
Dr. Jorge Sosa Pedroza
SEPI - ESIME - Zacatenco
Dr. Hildeberto Jard ´on Aguilar
Cinvestav - Zacatenco
CONTENIDO
Lista de Figuras xi
Lista de Tablas xvii
Objetivo xxi
Justificación xxii
Resumen xxv
Abstract xxvii
Introducción xxix
1 Estado del arte y aplicaciones de antenas planares de banda ancha 1
1.1 Introducción 1
1.2 Sistemas personales de comunicaciones 3
1.3 Tendencia de los sistemas de comunicaciones personales 5
1.4 Las antenas en los sistemas personales multiestándar 10
1.5 Antenas planares para sistemas multiestándar 12
1.5.1 Antenas multibanda 15
1.5.2 Antenas de banda ancha 18
1.6 Resumen 20
Referencias 21
Apéndice 24
2 Parámetros de análisis para antenas planas 27
2.1 Introducción 27
2.2 Principales parámetros 28
2.2.1 Ancho de banda 28
2.2.2 Patrón de radiación 29
2.2.3 Densidad de potencia radiada 31
2.2.4 Ganancia 33
2.2.5 Polarización 33
2.2.6 Área efectiva 37
2.2.7 Impedancia de entrada 38
2.2.8 VSWR y el coeficiente de reflexión 40
2.3 Antenas Planas 41
2.4 Principio de funcionamiento 41
2.4.1 Antenas de Parche de Microcinta de Banda Ancha 43
2.4.2 Ventajas de las antenas de parche 45
2.4.3 Desventajas de las antenas de parche 45
2.4.4 Técnicas de ancho de banda 46
2.4.5 Sustratos 47
2.4.6 Formas de los parches 47
2.4.7 Técnicas de alimentación 49
2.5 Caracterización de la antena 53
2.5.1 Parámetro de reflexión 55
2.5.2 Parámetros S 56
2.5.3 Patrón de radiación 58
2.5.4 Ganancia 60
Referencias 62
3 Antenas circulares planares tipo "Fumarola de volcán" 63
3.1 Introducción 63
3.2 Antena plana circular con alimentación coplanar 65
3.2.1 Diseño 65
3.2.2 Análisis por computadora 66
3.2.3 Construcción y medición 68
3.3 Antena plana circular con alimentación de microcinta 71
3.3.1 Diseño 71
3.3.2 Análisis por computadora 72
3.3.3 Construcción y medición 75
3.4 Antena circular de UBA con alimentación coplanar 76
CONTENIDO ix
3.4.2 Segunda etapa de evolución 78
3.4.3 Construcción y medición 82
3.5 Antena circular de UBA con alimentación de microcinta 84
3.5.1 Primera etapa de evolución 84
3.5.2 Segunda etapa de evolución 88
3.5.3 Construcción y medición 91
3.6 Resumen 93
Referencias 94
4 Antena de banda ancha para sistemas multiestándar de comunicaciones
personales 97
4.1 Introducción 97
4.2 Antena circular a 800 MHz 98
4.2.1 Diseño de la línea de alimentación 98
4.2.2 Diseño del parche circular 98
4.2.3 Evolución a una antena para sistemas multi-estándar 101
4.3 Construcción 107
4.4 Caracterización 110
4.4.1 Parámetro de reflexión 110
4.4.2 Patrones de radiación 112
4.4.3 Ganancia 115
4.5 Resumen 118
Referencias 119
Apéndice: Antena Hyper-logarítmica (HyperLOG 3080) 120
5 Conclusiones 123
5.1 Introducción 123
5.2 Comparativa 124
5.3 Trabajo futuro 131
5.4 Conclusiones 132
Lista de Figuras
1.1 Ubicación de los sistemas personales de comunicación en el espectro
electromagnético. 2
1.2 Penetración de la telefonía móvil en México.[27] 7
1.3 Cantidad de usuarios móviles de telefonía en México.[27] 8
1.4 Penetración de Internet en México.[27] 10
1.5 Ubicación de las antenas en una computadora personal. 12
1.6 Antena volumétrica interna (PIFA). 14
1.7 Técnicas de optimización en antenas PIFA. 14
1.8 Antena plana [11]. 15
1.9 Estructuras tipo PIFA. 16
1.10 Monopolos impresos. 16
1.11 Parámetros de reflexión de las estructuras [2], [3], [4], [5] y [6]. 17
1.12 Diferentes modificaciones a la estructura circular. 18
1.13 Estructura circular modificada con alimentación de microcinta. 19
1.14 Diferentes modificaciones a la estructura circular. 20
2.1 Patrón de radiación. 29
2.2 Patrón de radiación. a) Isotrópico. b) Omnidireccional. c) Direccional. 30
2.3 Patrón de radiación y sus lóbulos asociados. 30
2.4 Patrones de los planos principalesEyH. 31
2.5 Representación de los vectores del campo eléctrico, el ángulo que se
desplaza y la dirección a la que se mueve. 34
2.6 Representación gráfica de como se encuentran las señales desfasadas. 35
2.7 Representación de una polarización lineal. a)Polarización vertical,
b)Polarización horizontal. 35
2.8 Representación de una polarización circular. 36
2.9 Representación de una polarización elíptica. 37
2.10 Área efectiva de una antena. 38
2.11 Antena en modo de transmisión. 39
2.12 Antena de parche rectangular de microcinta. 44
2.13 Antena de parche de microcinta con un radiador de forma arbitraria. 44
2.14 Fumarola de volcán. 46
2.15 Forma de los radiadores. 48
2.16 Alimentación por línea de microcinta. 49
2.17 Línea de transmisión a)microcinta y b)coplanar. 50
2.18 Alimentación por sonda coaxial. 51
2.19 Alimentación por acoplamiento de apertura. 52
2.20 Alimentación por acoplamiento de proximidad. 53
2.21 Cámara anecóica. 54
2.22 Superficie esférica de radio constante. 55
2.23 Anritsu MS4624B. 56
2.24 Red de 4 puertos. 58
2.25 Instrumentación básica para medición de patrones. 59
2.26 Instrumentación básica para medición de la ganancia. 60
3.1 Esquema de línea coplanar. 66
3.2 Estructura de antena circular impresa con alimentación coplanar. 67
3.3 Parámetro de reflexión de antena circular impresa con alimentación
LISTA DE FIGURAS xiii
3.4 Patrón de radiación de antena plana circular con alimentación coplanar. 68
3.5 Patrón de radiación en planos a)xy, b)xz y c)yz de antena plana circular
con alimentación coplanar. 69
3.6 Ganancia de antena circular impresa con alimentación coplanar. 69
3.7 Antena circular coplanar construida. 70
3.8 Parámetro de reflexión de una antena circular con alimentación coplanar. 70
3.9 Esquema de línea de microcinta. 71
3.10 Estructura de antena circular impresa con alimentación de microcinta. 72
3.11 Parámetro de reflexión de antena circular impresa con alimentación de
microcinta. 73
3.12 Patrón de radiación de antena plana circular con alimentación de
microcinta. 73
3.13 Patrón de radiación en planos a)xy, b)xz y c)yz de antena plana circular
con alimentación de microcinta. 74
3.14 Ganancia de antena circular impresa con alimentación de microcinta. 74
3.15 Construcción de una antena circular con alimentación de microcinta. 75
3.16 Parámetro de reflexión de una antena circular con alimentación de
microcinta. 75
3.17 Etapas de evolución para una antena con alimentación coplanar. a)Parche circular, b)Suavizado de línea de alimentación y c)Suavizado
de plano de tierra. 76
3.18 Estructura de antena circular impresa con alimentación coplanar con transiciones suaves en la línea de transmisión y el parche radiador. 77
3.19 Parámetro de reflexión de antena circular impresa con alimentación
coplanar para diversos ángulos de transición. 77
3.20 Patrón de radiación de antena plana circular con alimentación coplanar. 78
3.21 Patrón de radiación en planos a)xy, b)xz y c)yz de antena plana circular con alimentación coplanar a 5 GHz con modificaciones en la línea de
alimentación. 79
3.22 Ganancia de antena circular con modificaciones en transición entre la
línea de alimentación y parche circular coplanar. 80
3.23 Estructura de antena circular impresa con alimentación coplanar con transiciones suaves en el plano de tierra y el parche radiador. 80
3.24 Parámetro de reflexión de antena circular impresa con alimentación
coplanar para diversas curvaturas del plano de tierra. 81
3.26 Patrón de radiación en planos a)xy, b)xz y c)yz de antena plana circular con alimentación coplanar con bordes del plano de tierra curvos (5 GHz). 82
3.27 Ganancia de antena circular con modificaciones en transición entre la
línea de alimentación y parche circular coplanar. 83
3.28 Construcción de una antena de UBA con alimentación coplanar. 83
3.29 Parámetro de reflexión de una antena circular con alimentación coplanar
de UBA. 84
3.30 Etapas de evolución de una antena circular de microcinta. a)Parche circular, b)Suavizado de la línea de alimentación y c)Suavizado del
plano de tierra. 85
3.31 Estructura de antena circular impresa con alimentación por microcinta con transiciones suaves en la línea de transmisión y el parche radiador. 85
3.32 Parámetro de reflexión de antena circular impresa con alimentación por
microcinta para diversos ángulos de transición. 86
3.33 Patrón de radiación de antena plana circular con alimentación de
microcinta. 86
3.34 Patrón de radiación en planos a)xy, b)xz y c)yz de antena plana circular con alimentación de microcinta a 5 GHz con modificaciones en la línea
de alimentación. 87
3.35 Ganancia de antena circular con modificaciones en transición entre la línea de alimentación y parche circular con microcinta. 88
3.36 Estructura de antena circular impresa con alimentación por microcinta con transiciones suaves en el plano de tierra y el parche radiador. 89
3.37 Parámetro de reflexión de antena circular impresa con alimentación por microcinta para diversas curvaturas del plano de tierra. 89
3.38 Patrón de radiación de antena plana circular con alimentación coplanar. 90
3.39 Patrón de radiación en planos a)xy, b)xz y c)yz de antena plana circular con alimentación de microcinta a 5 GHz con modificaciones en la línea
de alimentación. 91
3.40 Ganancia de antena circular con modificaciones en transición entre la línea de alimentación y parche circular de microcinta. 92
3.41 Antena circular de UWB de microcinta. 92
3.42 Parámetro de reflexión de una antena circular de UBA con alimentación
de microcinta. 93
3.43 Parámetro de reflexión de una antenas coplanares. 93
3.44 Parámetro de reflexión de una antenas de microcinta. 94
LISTA DE FIGURAS xv
4.2 Parámetro S11 antena circular a diferentes radios. 100
4.3 Parámetro S11 antena circular a 800 MHz (r=40 mm). 101
4.4 Dimensiones de la antena. 102
4.5 Antena de microcinta de banda ancha para sistemas multiestándar
a)vista frontal y b)vista trasera. 103
4.6 Parámetro de reflexión para antena tipo fumarola de volcán. 103
4.7 Ubicación de la antena en los planos. 104
4.8 Patrones de radiación medidos para telefonía celular. 105
4.9 Patrones de radiación para los estándares de comunicaciones personales
y redes inalámbricas. 106
4.10 Ganancia obtenida por simulación. 107
4.11 Etapa de aislado de estructuras radiadora y plano de tierra en fresa
mecánica. 108
4.12 Aplicación de esmalte para el proceso serigráfico. 108
4.13 Limpieza y eliminado de cobre no útil del proceso serigráfico. 109
4.14 Prototipo final construido. 109
4.15 Antena terminada. 110
4.16 Medición del parámetro de reflexión de la antena final. 111
4.17 Medición del parámetro de reflexión de la antena final. 111
4.18 Medición de patrones de radiación en la cámara anecóica. 112
4.19 Medición del patrón de radiación. 112
4.20 Patrones de radiación medidos para telefonía celular. 114
4.21 Patrones de radiación para los estándares de comunicaciones personales
y redes inalámbricas. 115
4.22 Parámetro de dispersión de dos antenas iguales. 116
4.23 Sistema de medición. 116
4.24 Caracterización del generador. 117
4.25 Pérdidas en los cables. 117
4.26 Medición de ganancias. 118
A.1 Ganancia de antena HyperLOG 3080 121
A.2 estructura interna de la antena HyperLOG 3080 121
5.2 Monopolos impresos. 125
5.3 Parámetros de reflexión de las estructuras [17], [18], [19], [20] y [21]. 126
5.4 Estructura tipo Fumarola de volcán con alimentación coplanar. 126
5.5 Diferentes modificaciones a la estructura circular. 127
5.6 Medición del parámetro de reflexión de la antena final. 128
5.7 Patrones de radiación medidos para telefonía celular. 128
5.8 Patrones de radiación para los estándares de comunicaciones personales
y redes inalámbricas. 129
Lista de Tablas
I.1 Estándares inalámbricos. xxx
1.1 Banda del espectro electromagnético. 3
1.2 Estándares inalámbricos. 4
1.3 Frecuencias de los sistemas de comunicaciones inalámbricas. 5
1.4 Estadísticas de uso de Internet por tipo de servicio.[27] 9
A.1 Tabla de antenas coplanares. 24
A.2 Antenas de microcinta. 25
2.1 Anchos de banda para diferentes estándares de comunicaciones personales. 28
2.2 Técnicas de ancho de banda para antenas de parche de microcinta. 46
2.3 Materiales de sustratos típicos 47
2.4 Comparación de tipos de estructuras de alimentación para antenas de
parche de microcinta. 53
4.1 Radios para diferentes frecuencias centrales 100
4.2 Radios para diferentes frecuencias centrales. 104
A.1 Características de una antena HyperLOG 3080 120
Prefacio
Debo trabajar sin mirar atr´as un solo momento, porque eso har´a lento mi avance...
EDSONGARDUÑONOLASCO
Mexico, D.F. September, 2010
Objetivo
Diseño de una antena plana de microcinta para su operación en sistemas multibanda para servicios personales de comunicación (800 MHz - 6 GHz).
Justificación
Existe una gran variedad de sistemas móviles de comunicaciones. Tales sistemas son, por ejemplo, el Sistema de Posición Global (GPS), telefonía celular 2G/3G/4G, redes de área local inalámbricas WLAN, Bluetooth, Zigbee, sistemas para seguridad Tetra, entre otros. Cada uno de éstos estándares tiene su propio protocolo, codificación y su banda de frecuencias de operación.
En el pasado, un dispositivo de comunicaciones móviles era diseñado para operar úni-camente en un sistema de comunicaciones. Si se requería el acceso a otro sistema de comunicaciones era necesario adquirir un dispositivo específico, lo cual resultaba poco práctico para un usuario que requería el acceso a diferentes sistemas, ya que era difícil traer consigo mas de un equipo de comunicación y además era costoso.
En la actualidad, se tiene una tendencia a la integración de mas de un sistema de comu-nicaciones en un solo dispositivo móvil. Estos dispositivos son conocidos como equipos multiestándar.
Los equipos multiestándar requieren de antenas que operen en mas de una frecuencia central, o requieren de mas de una antena interna.
Las antenas multibanda son una de las posibles soluciones utilizadas por los equipos multiestándar para la reducción de sus dimensiones (ya que no es necesario integrar mas de una antena en el interior del dispositivo), sin embargo, la antena multiestándar está diseñada únicamente para un número específico de frecuencias para diversos sistemas de comunicaciones, lo que implica, que si aparece uno nuevo en una frecuencia diferente a las
de diseño, el equipo simplemente no operará en el nuevo estándar.
Otra posible solución es la integración de una antena de banda ancha. Ésta antena, tiene la capacidad de operar en un rango de frecuencias determinado por el diseño de la misma.
Las antenas de banda ancha con mayor potencial de integrabilidad en sistemas multi-estándar, son las antenas planas. Las antenas planas tienen ventajas como bajo perfil, bajo peso, facilidad de construcción en comparación con antenas de placa suspendida y antenas volumétricas. Sin embargo, se tienen desventajas como la ganancia que es menor a las estructuras de placa suspendida y la potencia que se puede radiar con la antena está limi-tada por las características térmicas intrínsecas del material del que esté fabricada la antena.
Las antenas de banda ancha son también una solución para los teléfonos cognitivos, los cuales tienen la capacidad de operar en el estándar disponible con las condiciones más favorables.
Los sistemas personales de comunicaciones actualmente vigentes se encuentran ubica-dos en el espectro electromagnético en el ancho de banda comprendido entre los 800 MHz y los 6 GHz. Por lo tanto un equipo que se desee configurar para su operación en cualquier estándar ubicado en ésta banda requiere de una antena que opere en estas frecuencias.
Resumen
Actualmente existe una gran cantidad de sistemas de comunicaciones personales que ofre-cen servicios de voz y datos a usuarios itinerantes. Debido a la variedad de éstos, la tendencia de los dispositivos móviles está fundada en la integración de mas de un sistema de comunicaciones en un solo equipo. El compromiso actual en ésta integración va direc-tamente relacionado con las dimensiones del equipo y su autonomía, ya que es necesario integrar una antena para cada uno de los estándares de comunicaciones integrado. Las ante-nas plaante-nas de banda ancha son actualmente una de las posibles soluciones para la reducción de las dimensiones de los dispositivos móviles para sistemas de comunicaciones personales.
Este trabajo de tesis desarrolla el diseño de una antena de banda ancha para equipos multiestándar de comunicaciones personales, eligiendo el ancho de banda más adecuado en función de los resultados de una exhaustiva investigación sobre el estado del arte de los sistemas de comunicaciones personales y los diferentes tipos de antenas utilizados para éstos, concluyendo que la banda de operación más adecuada es de 800 MHz a 6 GHz.
Consecuentemente, al analizar diversas técnicas de ampliación de la banda de operación de una antena plana se decide utilizar la técnica propuesta por Kraus que fundamenta prác-ticamente en antenas volumétricas. Por lo tanto, se realiza la validación de ésta técnica para antenas circulares planas con diferentes técnicas de alimentación. Una vez que ha sido validada la técnica de ensanchamiento de banda, se realiza el diseño de la antena en la banda de 800 MHz a 6 GHz, analizando por computadora la estructura resultante, construyendo el prototipo final, caracterizando la estructura en laboratorio y comprobando el cumplimiento del objetivo general del trabajo propuesto.
Abstract
Currently there are a lot of personal communication systems that offer voice and data services to mobile users. Due to the variety of these, the trend of mobile devices is now based on integration of over than one communications system on a single device. The current commitment to this integration is directly related to the size and the autonomy of the devices, so the need to integrate an antenna for each of the integrated communications standards. The broadband planar antennas are currently one of the possible solutions for reducing dimensions of mobile devices for personal communications systems. This thesis develops the design of a broadband antenna for multi-standard equipment for personal communications, choosing the most suitable bandwidth depending on the results of an exhaustive research on the state of the art of the systems for personal communications and the different types of antennas used for these and concluded that the best operating band is 800 MHz to 6 GHz. Consequently, considering various techniques to extend the operating band of a planar antenna, we decide to use the technique proposed by Kraus that relies almost volumetric antennas.
Therefore,validation is performed by this technique for planar circular patch antennas with different feeding techniques. Once validated the technique of band broadening, the design of the antenna is made in the band 800 MHz to 6GHz by computer analyzing of the resulting structure, building the final prototype, characterizing the structure on laboratory and verifying compliance with the general objective of the proposed work.
Introducción
En los últimos años se ha incrementado el interés por los sistemas móviles de comu-nicaciones, los cuales incluyen el Sistema de Posición Global (GPS), telefonía celular 2G/3G/4G, redes de área local inalámbricas WLAN, Bluetooth, Zigbee, sistemas para seguridad Tetra, entre otros que han sido profundamente estudiados para satisfacer las necesidades de los servicios de voz y datos. Además de nuevos protocolos de comunica-ciones como WiMAX y UWB radio que aun se encuentran en desarrollo.
Recientemente la tendencia en las unidades móviles radica en integrar la mayor cantidad de servicios en un solo dispositivo y que éste sea compatible con los diferentes estándares que deben satisfacer los sistemas personales (frecuencia de la portadora, ancho de banda, tipo de modulación, etc.). Ésta integración puede ser por medio un sistema operativo (OS) y éstos dispositivos son llamados ’teléfonos inteligentes’ (smart-phones) y han ganado una gran atención en el mercado, logrando grandes avances en la tecnología de semiconductores y en la miniaturización de los componentes pasivos de microondas como filtros y antenas.
Debido a que los sistemas inalámbricos operan en diferentes bandas del espectro ra-dioeléctrico, mencionando las mas representativas en la Tabla 1, es indispensable el desa-rrollo de antenas multibanda que cubran todas las bandas que emplean los diversos servicios inalámbricos personales. Otras características que se le imponen a las antenas multibanda son bajo costo, proceso de fabricación sencillo, peso y tamaño pequeños, adecuados pa-trones de radiación y una alta eficiencia.
Tabla I.1 Estándares inalámbricos.
Estándar Banda (MHz)
GSM 880 - 960
GPS 1595
DCS 1720 - 1880
PCS 1850 - 1990
W-CDMA 1885 - 2200
2400 -2484 (IEEE 802.11b)
WLAN 5150-5350 (HyperLAN/2)
5725-5827 (IEEE 802.11a)
Bluetooth 2400 - 2484
WiMax 2500 - 2700
UWB 3100-10600
868 (Europa)
ZegBee 915 (USA)
2400 (En todo el mundo)
Tetra 350 - 470
En el pasado se han reportado antenas multibanda internas, las cuales se pueden catalogar básicamente en dos grupos principales:
• Antena tipo ’F’ invertida (PIFA)
– Ancho de banda moderado
– Fácil fabricación
– Ampliamente utilizadas en dispositivos móviles
• Monopolos planos
– Fácilmente integrable con otros componentes en el mismo circuito
– Tienen menor tamaño que las tipo PIFA
En las antenas PIFA se utilizan ’ranuras’ para incrementar el ancho de banda de la antena o para introducir nuevas resonancias, éstas ranuras se insertan en el parche o placa radiadora.
Una de las técnicas utilizadas para modificar la impedancia de acoplamiento es el in-tegrar cargas capacitivas, dobleces en la antena, y cargas inductivas por medio de cortos circuitos o postes. Otra de las técnicas es agregar elementos parásitos aunque esto aumenta el tamaño de las antenas y hace los diseños mas complejos.
En el caso de los monopolos planos también se le puede utilizar la técnica de elementos parásitos para modificar y garantizar la impedancia de acoplamiento en todo el ancho de banda.
INTRODUCCIÓN xxxi
GHz) de comunicación manteniendo un uso eficiente de la energía, dimensiones pequeñas (integrabilidad), facilidad de construcción, entre otras características esenciales para los nuevos equipos multiestándar.
El presente trabajo teórico-experimental define como objetivo el diseño y construcción de una antena de banda ancha pasiva así como también aplicar alguna de las técnicas cono-cidas para mejorar sus parámetros, tales como ancho de banda, ganancia y el patrón de radiación. Para alcanzar el objetivo ésta tesis se dividirá en 4 capítulos y un quinto capítulo con las conclusiones.
El primer capítulo contiene la importancia del desarrollo de nuevas antenas para los nuevos equipos multiestándar, se investiga sobre el estado del arte de las antenas multi-banda (multi-banda ancha y ultra multi-banda ancha) así como la aplicación de las mismas en sistemas personales de comunicaciones.
Se estudiará el principio de funcionamiento de las antenas, así como sus parámetros más importantes y la problemática existente en su diseño, formando el cuerpo del segundo capítulo, adjuntando los diferentes tipos de antenas multibanda y sus principales caracterís-ticas. Este capítulo contempla además el estudio de radiadores circulares destacando sus ventajas frente a otras estructuras de geometría regular.
El tercer capítulo muestra la aplicación de la técnica de suavizado de bordes de una estructura radiadora tal como fué propuesto por Kraus en los años 50’s. Lo anterior con la finalidad de generar estructuras radiadoras con menor cantidad de desacoplamientos en la banda. La técnica mencionada será aplicada a radiadores circulares y se comprobará que es posible modificar el comportamiento de banda ancha de éstas antenas a un comportamiento de ultra banda ancha independientemente de la técnica de alimentación utilizada. Las estructuras propuestas se diseñan con dos tipos de alimentación: por microcinta y coplanar. Éste capítulo contempla la preparación de dos artículos para su publicación en congresos internacionales.
Ésta antena se fabrica y se caracteriza en laboratorio, obteniendo un panorama práctico y contrastando éstos resultados con los esperados por simulación, estructurando así el inicio del trabajo principal de la tesis.
El capítulo cuatro se diseña una antena plana que opera en un ancho de banda de 800 MHz a 6 GHz correspondiente al ancho de banda utilizado por los sistemas de comunica-ciones personales. El diseño se realiza en base al conocimiento adquirido en los capítulos anteriores. La estructura se analiza por computadora y se construye la antena, haciendo la evaluación de los resultados resaltando las mejoras, las ventajas y las desventajas. Son presentadas al final de cada uno de los capítulos las conclusiones particulares.
Capítulo 1
ESTADO DEL ARTE Y APLICACIONES DE
ANTENAS PLANARES DE BANDA ANCHA
"Lo último que se sabe cuando se realiza un trabajo es por donde empezar"
—Blaise Pascal
1.1 INTRODUCCIÓN
En los últimos años la elevada movilidad de las personas ha impulsado el desarrollo de nuevos sistemas de comunicaciones personales inalámbricos, los cuales incluyen diferentes técnicas de codificación, nuevos tipos de modulación, agregado de nuevos servicios, entre otros.
Actualmente en México se encuentran operando sistemas inalámbricos para comunica-ciones personales con servicios de voz y/o datos en el espectro de electromagnético de 500 MHz a 6 GHz aproximadamente (Fig. 1.1), dentro de los cuales tenemos GSM (Global
Position System), WLAN (Wireless Local Area Network) en cualquiera de sus versiones a,
b, g o n, entre otros.
La gran diversidad de sistemas de comunicaciones, así como los servicios que ofrecen, han generado una nueva necesidad de integrar distintos servicios en un solo equipo. Un ejemplo de esto es la aparición de los nuevos equipos PDA (Personal Digital Assistant),
equipos que surgen como una simple computadora personal con la funcionalidad de una agenda electrónica, pero hoy en día integran varios sistemas de comunicaciones personales
Tesis de maestría.2010
como son el acceso a redes locales inalámbricas, interconexión bluetooth, acceso a redes de telefonía celular con acceso a voz y datos.
En años recientes han aparecido los teléfonos inteligentes, mejor conocidos como smart-phones, los cuales tienen la característica principal de establecer comunicación con varios
proveedores de servicio.
Lo anterior implica que el dispositivo móvil es capaz de establecer comunicación en diferentes frecuencias, las cuales son determinadas por cada uno de los diferentes servicios a los cuales puede acceder el móvil. Éste tipo de equipos, son conocidos como receptores cognitivos.
Figura 1.1 Ubicación de los sistemas personales de comunicación en el espectro electromagnético.
Se observa claramente la meta de una mayor integración de servicios en un equipo móvil de comunicaciones personales, pero en consecuencia se requiere de una mayor inte-grabilidad de la etapa de RF a los equipos, menores costos de fabricación, mayor autonomía.
Una necesidad de los nuevos sistemas de comunicaciones personales son las antenas, que ahora deben ser se banda ultra ancha para ampliar su ancho de banda desde 800 MHz hasta 6 GHz.
SISTEMAS PERSONALES DE COMUNICACIONES 3
de las comunicaciones móviles personales.
1.2 SISTEMAS PERSONALES DE COMUNICACIONES
En los últimos años las comunicaciones móviles han aumentado su impacto en la sociedad mundial, debido a la alta movilidad de las personas por las necesidades propias del ritmo de las grandes ciudades haciendo imprescindible la comunicación en diferentes lugares con un mismo equipo.
Los estándares de comunicaciones personales móviles ocupan un ancho de banda desde 800 MHz hasta aproximadamente 6 GHz. Dentro de ésta banda encontramos diferentes servicios de datos, voz, multimedia, entre otros. Para que un usuario pueda accesar a un servicio requiere en primera instancia contar con un equipo que sea capaz de operar en la frecuencia en la cual se ubica dicho servicio, después debe verificar suscripciones y codificaciones del servicio que son protocolos establecidos por cada proveedor de servicio que siempre se encuentran apegados a estándares de legislación local.
La banda de frecuencia óptima para cada canal de propagación es determinado y limi-tado por lo requisitos técnicos de cada sistema de comunicación y por las condiciones de la propagación de radio a través de cada canal. En la tabla 1.1 se muestra la clasificación del espectro electromagnético. Es importante recordar que el diseño de una antena para cada uno de los estándares está relacionado directamente a la frecuencia de operación del sistema y es absolutamente independiente a la codificación utilizada para cada estándar de comunicación.
Tabla 1.1 Banda del espectro electromagnético.
Nombre Abreviatura Inglesa Frecuencias Longitud de onda
Extrabaja frecuencia ELF 3-30 Hz 100 000 Km-10 000 Km
Superbaja frecuencia SLF 30-300 Hz 10 000 Km-1 000 Km
Ultra baja frecuencia ULF 300-3000 Hz 1 000 Km-100 Km
Muy baja frecuencia VLF 3-30 KHz 100 Km-10 Km
Baja frecuencia LF 30-300 KHz 10 Km-1 Km
Media frecuencia MF 300-3000 KHz 1 Km-100 m
Alta frecuencia HF 3-30 MHz 100 m-10 m
Muy alta frecuencia VHF 30-300 MHz 10 m-1 m
Ultraalta frecuencia UHF 300-3000 MHz 1 m-100 mm
Superalta frecuencia SHF 3-30 GHz 100 mm-10 mm
Extraalta frecuencia EHF 30-300 GHz 10 mm-1 mm
Tabla 1.2 Estándares inalámbricos.
Estándar Banda (MHz)
GSM 880 - 960
GPS 1595
DCS 1720 - 1880
PCS 1850 - 1990
W-CDMA 1885 - 2200
2400 -2484 (IEEE 802.11b)
WLAN 5150-5350 (HyperLAN/2)
5725-5827 (IEEE 802.11a)
Bluetooth 2400 - 2484
WiMax 2500 - 2700
UWB 3100-10600
868 (Europa)
ZegBee 915 (USA)
2400 (En todo el mundo)
Tetra 350 - 470
los 4 dB, tamaño pequeño, un amplio ancho de banda, versatilidad e integrabilidad, etcétera.
En particular, como veremos, la impedancia del ancho de banda, la polarización, los patrones de radiación y ganancia se están convirtiendo en los factores más importantes que definen y limitan la aplicación de las antenas contemporáneas y futuros sistemas de comunicación inalámbrica.
La tabla 1.3 muestra las frecuencias de operación de algunos de los sistemas de co-municaciones inalámbricos comúnmente usados así como sus anchos de banda típicos. Los anchos de banda varían desde el 7% hasta el 13% para los sistemas comerciales de comunicación móvil.
Para que un equipo opere en la frecuencia específica de un servicio requerido debe contar con una antena cuya resonancia y ganancia sean adecuadas para el intercambio de datos de acuerdo a las normas vigentes. La antena debe estar diseñada para esa frecuencia. Para las antenas de banda angosta, solo se puede cubrir un servicio, en caso de requerir otra fre-cuencia de operación es indispensable contar con otra antena diseñada a la nueva frefre-cuencia.
Lo anterior explica el por qué los equipos móviles solo eran útiles para un solo sistema de comunicaciones, es decir, un equipo de telefonía celular únicamente era capaz de accesar a servicios de telefonía celular en el estándar de diseño (PCS, GSM, CDMA), un equipo de "posicionamiento global" (GPS) únicamente entregaba la posición relativa sin poder accesar a otros sistemas de comunicación como internet.
TENDENCIA DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES PERSONALES 5
Tabla 1.3 Frecuencias de los sistemas de comunicaciones inalámbricas.
Sistema Abreviatura Inglesa Frecuencia BW total
Servicio de telefonía AMPS Tx: 824-849 MHz 70 MHz (8.1 %)
móvil avanzado Rx: 869-894 MHz
Sistema global para GSM Tx: 880-915 MHz 80 MHz (8.7 %)
comunicaciones móviles Rx: 925-960 MHz
Servicio de comunicaciones PCS Tx: 1 710-1 785 MHz 170 MHz (9.5 %)
personales Rx: 1 805-1 880 MHz
Sistema global para GSM Tx: 1 850-1 910 MHz 140 MHz (7.3 %)
comunicaciones móviles Rx: 1930-1 990 MHz
Acceso multiple por Tx: 1 920-1 980 MHz
division de código de WCDMA 250 MHz (12.2 %)
banda ancha Rx: 2 110-2 170 MHz
Sistema universal de UMTS Tx: 1 920-1 980 MHz 250 MHz (10.2 %)
telecomunicaciones móviles Rx: 2110-2 170 MHz
Banda ultra ancha 3 100-10 600 MHz
para las comunicaciones UWB 7 500 MHz (109 %)
y la medición
(LAN), de los accesos a redes ad-hoc, entre otros.
Estos sistemas de comunicaciones personales sin licencia se ubican en las frecuencias mostradas en la tabla 1.3, con los estándares WLAN, bluethoot, WiMax.
1.3 TENDENCIA DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES PERSONALES
El mercado mundial de las telecomunicaciones crece rápidamente. No se trata únicamente de la demanda o la oferta, ambos fenómenos están presentes, y su interacción ha hecho que las telecomunicaciones se conviertan en uno de los sectores de mayor crecimiento en la economía mundial y uno de los componentes más importantes de la actividad social, cultural y política.
La demanda de servicios ve el crecimiento impulsado por la penetración de las teleco-municaciones y la tecnología de la información en todos los aspectos de la vida humana, en todos los sectores de la actividad económica y social, en la administración pública, en la provisión de servicios públicos y en la gestión de infraestructuras públicas, en la enseñanza y la expresión cultural, en la gestión del entorno y en las emergencias, sean naturales o provocadas por el hombre.
abiertas a los consumidores.
El efecto de las fuerzas fundamentales que mueven la demanda y la oferta se ve multipli-cado por la tendencia mundial hacia la liberalización de los mermultipli-cados de bienes y servicios de telecomunicaciones y tecnología de la información. Por efecto de esta tendencia, la mayoría de las redes de telecomunicaciones son actualmente de propiedad y explotación privadas. Se han adoptado también medidas significativas para introducir la competencia a nivel nacional, regional e internacional. Especial importancia reviste el Acuerdo de la Organización Mundial del Comercio (OMC) por el que se libera el comercio de servicios básicos de telecomunicaciones, celebrado en febrero de 1997 por 69 países que representan colectivamente más del 90% de los ingresos mundiales de telecomunicaciones. El Acuerdo entró en vigor el 5 de febrero de 1998.
Hace algún tiempo, pocos hubieran previsto que Internet llegaría a ser tan pronto uno de los protagonistas de las telecomunicaciones. Sin embargo, Internet de hoy es sólo el an-tecedente de las nuevas fuerzas que se manifestarán dentro de cinco o diez años en el nuevo sector de comunicaciones e información que traerá consigo laconvergencia tecnológica.
La lección esencial que ha de extraerse del fenómeno de Internet es que la competencia no puede considerarse ya como un instrumento de la política del Estado que puede intro-ducirse de una manera completamente controlada, y reglamentarse dentro de los límites del sector tradicional de las telecomunicaciones. La competencia en las telecomunicaciones se está transformando rápidamente en una auténtica fuerza del mercado, cuya evolución no pueden planificar las instancias políticas; una fuerza que, según una percepción creciente, debe regularse sobre la base de principios no específicos de las telecomunicaciones, sino derivados de una perspectiva económica, social y cultural más amplia.[27]
La liberalización de las telecomunicaciones no significa el fin de la reglamentación sino una modificación en la función del Estado y la naturaleza de la reglamentación de las telecomunicaciones.
La liberalización de las telecomunicaciones ha ido acompañada de una separación de ambas funciones. Hoy en día se tiende a reducir a las Administraciones de los Esta-dos Miembros de la UIT a una función política, confiada a un Departamento general del gobierno (por ejemplo, Industria y Comercio) y a encomendar la explotación de las tele-comunicaciones a empresas, sean públicas, privadas o mixtas, y la protección del "interés público" de las telecomunicaciones a una autoridad reguladora independiente.
En los países que han introducido una competencia total o parcial, cambia también el modelo de la reglamentación de las telecomunicaciones. Los principios derivados de la legislación de defensa de la competencia se yuxtaponen a las normas clásicas de la regulación de los servicios públicos. En algunos sistemas jurídicos, se ha abandonado la reglamentación específica de las telecomunicaciones.
TENDENCIA DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES PERSONALES 7
0.1 0.2 0.4 0.4 0.6 0.8 1.1 1.83.5 8.0 14.2 21.625.4 29.1 36.3 45.1 52.6 62.6 70.3 77.480.2 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 p / J u n -1 0 PENETRACIÓN
SUSCRIPCIONES (USUARIOS) DE TELÉFONOS CELULARES MÓVILES POR CADA 100 HABITANTES
1990-2010 SUSCRIPCIONES (USUARIOS)
1990-2010
TELEFONÍA MÓVIL
AÑO MILES DE USUARIOS
1990 63.9 1991 160.9 1992 312.6 1993 386.1 1994 571.8 1995 688.5 1996 1,021.9 1997 1,740.8 1998 3,349.5 1999 7,731.6
2000 14,077.9
2001 21,757.6 2002 25,928.3 2003 30,097.7 2004 38,451.1 2005 47,128.7 2006 55,395.5 2007 66,559.5 2008 75,303.5
2009 p/ 83,527.9
JUN-2010 86,912.4
p/: Cifras preliminares a partir de la fecha que se indica. Nota: A partir de 1999, incluye a los nuevos concesionarios de PCS.
La cifra de penetración telefónica se actualiza en forma semestral. FUENTE: Dirección de Información Estadística de Mercados,
COFETEL, con información proporcionada por los concesionarios.
Figura 1.2 Penetración de la telefonía móvil en México.[27]
Estos compromisos en materia de reglamentación y, de hecho, todos los demás compro-misos, están sujetos al mecanismo de solución de controversias de la OMC. Por tanto, se trata de algo más que un simple código voluntario de conducta. Se trata de compromisos de carácter obligatorio, cuyo cumplimiento puede imponerse con arreglo al mecanismo de solución de controversias de la OMC.
Los países que comenzaron a autorizar la competencia en las telecomunicaciones hace 10 ó 20 años lo hicieron en general de una manera planificada y ordenada: empezaron por el equipo terminal y siguieron luego con los servicios de valor añadido y de larga distancia, para terminar con los servicios locales e internacionales. Asimismo, la competencia se abrió en general primero a proveedores de servicios que utilizaban la misma infraestructura y posteriormente a diferentes proveedores de infraestructura. Todavía hoy, la mayoría de los países que autorizan la competencia lo hacen sobre una base altamente regulada.
En este entorno, la entidad de reglamentación debe aplicar salvaguardias competitivas, propiciar la competencia, garantizar la interconexión y el interfuncionamiento y asegurar el acceso general y asequible a los servicios necesarios.
Incluso en los países ya experimentados en la competencia, los proveedores de servicios y las entidades de reglamentación, que han basado sus planes respectivos en una evolución ordenada, observan que se está produciendo un súbito cambio de las "reglas del juego", que la competencia aparece desde horizontes imprevistos y que no puede regularse como en el pasado.
Internet simboliza, más que cualquier otro fenómeno, la naturaleza evolutiva de las telecomunicaciones basándose en diferentes tecnologías, arquitecturas de red, normas y sistemas de direccionamiento. Sin embargo, es una excelente alternativa a los servicios tradicionales ofrecidos por la industria de las telecomunicaciones como la telefonía local, de larga distancia o servicios de interconexión para grupos privados.
TELEFONÍA MÓVIL Miles de Suscripciones (Usuarios)
1990 - 2010
p/: Cifras preliminares a partir de la fecha que se indica. Nota: A partir de 1999, incluye a los nuevos concesionarios de PCS. FUENTE: Dirección de Información Estadística de Mercados,
COFETEL, con información proporcionada por los concesionarios.
64 161 313 386 572 689 1,022 1,7413,349 7,732
14,078 21,758
25,928 30,098
38,451 47,129
55,395 66,559
75,303 83,528
86,912
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 p/ Jun-10
Figura 1.3 Cantidad de usuarios móviles de telefonía en México.[27]
En el caso de México, la penetración de telefonía móvil marca una clara tendencia en aumento quasi exponencial (Figura 1.2).
Se observa claramente que el aumento de la cantidad de usuarios que utilizan telefonía móvil es mayor en inicios del siglo, al del año 2000 al 2005 hay casi un incremento en razón de 1:3 mientras que en el periodo de 2005 a 2010 tenemos tan solo un incremento en razón de 1:2 (Figura 1.3).
TENDENCIA DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES PERSONALES 9
la figura 1.2.
Nuevas tecnologías, como los Sistemas Mundiales de comunicaciones personales móviles por satélite, han experimentado un gran crecimiento entre las poblaciones muy alejadas comparado con los servicios que requieren de una infraestructura cableada como la telefonía local, lo anterior por el difícil acceso a la zona y los elevados costos de tender cableados a grandes distancias.
Existe actualmente una gran diferencia en cuanto al acceso de los países desarrollados y en desarrollo a Internet. Y, pese a que empieza a reducirse la diferencia en materia de telecomunicaciones que durante tantos años ha preocupado a la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), comienza ahora a abrirse una "brecha de la información" de proporciones aún mayores.
En el caso de México, el uso de internet se observa claramente una tendencia al cre-cimiento en una relación de 1:5 en los últimos 10 años. Los datos recopilados por la COFETEL son mostrados en la tabla 1.4.
Tabla 1.4 Estadísticas de uso de Internet por tipo de servicio.[27]
Tipo Cuenta 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 p/
Dial Up 1,023,024 1,772,568 1,864,929 2,015,996 2,134,042 1,959,544 1,718,795 1,283,288 684,188 393,276
XDSL 0 5,300 78,120 213,494 695,912 1,198,725 1,960,557 3,150,190 5,663,947 7,308,791
Cable Coaxial 8,622 64,479 124,052 180,752 326,774 668,874 987,802 1,236,239 1,690,272 2,097,872
Otras*/ 103,341 41,291 29,314 34,125 34,596 54,753 138,785 177,844 239,910 514,744
Total 1,134,987 1,883,638 2,096,415 2,444,367 3,191,324 3,881,896 4,805,939 5,847,561 8,278,317 10,314,683
p/ Cifras preliminares a partir de la fecha que se indica
*/ Incluye las cuentas por tecnología ISDN, enlaces dedicados, satelital, MMDS y otros. Fuente: Dirección de Información Estadística de Mercados, COFETEL.
Tipo Cuenta 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 p/
Dial Up 1.03 1.76 1.83 1.95 2.01 1.88 1.63 1.21 0.64 0.36
Banda Ancha 0.11 0.11 0.23 0.41 1.00 1.84 2.93 4.30 7.09 9.19
Total 1.14 1.87 2.05 2.36 3.01 3.72 4.56 5.50 7.73 9.55
p/ Cifras preliminares a partir de la fecha que se indica
*/ Incluye las cuentas por tecnología ISDN, enlaces dedicados, satelital, MMDS y otros.
SUSCRIPCIONES DE ACCESO A INTERNET POR CADA 100 HABITANTES
SUSCRIPCIONES DE ACCESO A INTERNET POR TIPO DE TECNOLOGÍA (CUENTAS)
En la figura 1.4 se observa una tendencia del impacto del internet vía diferentes tec-nologías de acceso. Es interesante el caso de la tecnología "Dial up", que es el acceso telefónico (telefonía local fija) al Internet. Esta tecnología tiene un claro decaimiento, alcanza su punto mas alto en el año 2004 y su punto mínimo en el año 2009 con una tendencia a la extinción. En contraste, se observa que el uso de otras tecnologías de acceso, van en incremento año con año. En estas tecnologías nuevas encontramos los dispositivos móviles con acceso a internet.
Lo anterior es una muestra contundente que el uso de internet en dispositivos móviles va en aumento y con ello el acceso inalámbrico a redes incrementa la movilidad de los usuarios y obliga a una mayor integrabilidad de servicios por dispositivo.
✁ ✂ ✂ ✄ ✂ ✂ ☎ ✂ ✂ ✆ ✂ ✂ ✝✂ ✂ ✝✁ ✂ ✂
✁ ✁ ✝ ✁ ✁ ✁ ✞ ✁ ✄ ✁ ✟ ✁ ☎ ✁ ✠ ✁ ✆ ✁ ✡
☛ ☞
✌✍ ✎✏
✑☛ ✒✌✓✔
✕✎✖✏ ✗
✕✘✎ ✙ ✍ ✎✏
✚✛✜ ✎✢✣
☞
✤✘✛✎✏
Figura 1.4 Penetración de Internet en México.[27]
conseguirá técnicamente, y se reduce constantemente la disparidad general entre países desarrollados y en desarrollo.
Esto plantea importantes cuestiones en relación con la visión de la sociedad mundial de la información. Los dispositivos móviles deben ser considerados ya como dispositivos multi-servicio, en consecuencia se requieren accesos a redes telefónicas locales, interna-cionales, se requiere el acceso a redes locales inalámbricas o el acceso directo a dispositivos móviles compartidos como son centros de impresión o simplemente el intercambio de in-formación con equipos personales de almacenamiento de inin-formación o comunicaciones. Se requieren equipos cada vez mas versátiles en el acceso a servicios que obliga una transformación completa de un dispositivo móvil para su acceso a diferentes bandas del espectro radioeléctrico. Lo anterior se consigue por medio de arreglos de antenas, el diseño de antenas multibanda o por mayor facilidad de integración una antena de banda ancha pagando un costo en complejidad de diseño.[27]
1.4 LAS ANTENAS EN LOS SISTEMAS PERSONALES MULTIESTÁNDAR
La antena como dispositivo acoplador del medio de transmisión con el equipo receptor o transmisor es un elemento fundamental para el óptimo rendimiento de un equipo móvil para sistemas personales de comunicaciones.
Las antenas para sistemas personales de comunicaciones están diseñadas para resonar en frecuencias que se encuentran en el ancho de banda de 800 MHz a 6 GHz aproximadamente.
LAS ANTENAS EN LOS SISTEMAS PERSONALES MULTIESTÁNDAR 11
la ubicación de los dispositivos electrónicos.
Con el avance de la tecnología se logra reducir las dimensiones de una antena para poder integrar mas de una de éstas a un equipo móvil y poder utilizarlo como un equipo multiestándar. Tal avance tecnológico se logra aprovechando las características que tiene una microcinta, la cual es capaz de radiar energía, concentrar campo y es posible realizar acoplamientos con circuitos impresos de microcinta.
En primer lugar, las antenas planas requieren una ganancia relativamente alta al rededor de los 4 dB, tamaño pequeño, un amplio ancho de banda, versatilidad e integrabilidad, etcétera. En particular, como veremos, la impedancia del ancho de banda, la polarización, los patrones de radiación y ganancia se están convirtiendo en los factores más importantes que definen y limitan la aplicación de las antenas contemporáneas y futuros sistemas de comunicación inalámbrica.
Un aspecto fundamental para el diseño del transreceptor es la etapa de acoplamiento entre la antena y el circuito de radiofrecuencia. Un buen acoplamiento asegura una eficaz transferencia de energía entre la antena y el circuito de RF, sin embargo, un error en el acoplamiento implica la pérdida de energía crucial para el buen desempeño del sistema.
Las antenas para terminales móviles deben ser pequeñas de modo que puedan ser in-tegradas en dispositivos o que puedan ser ajustadas a las plataformas de nuevos equipos. En general, las antenas son de dimensiones eléctricas pequeñas, que reduce significativamente la impedancia sobre el ancho de banda y reduce en gran medida la eficiencia de radiación o ganancia.
Las antenas de parche impresas, antenas de ranura, antenas de plato suspendido, antenas planas invertida L y F (PILAs y PIFAs), hoja de monopolos y dipolos, monopolos doblados, etc., son típicamente antenas planas usadas ampliamente en sistemas de comunicaciones inalámbricas. Por lo general, presentan ventajas como estructura simple, bajo costo, bajo perfil, tamaño pequeño y amplio ancho de banda.
En dispositivos personales como las computadoras portátiles, se tienen ubicaciones típi-cas [1]. Se muestra en la figura 1.5 la ubicación típica para antenas externas (posiciones1A y1B) correspondientes a elementos del tipo Plug-in que pueden ser monopolos, dipolos, antenas planas tipo F invertida (PIFA) o antenas en chip.
Las antenas internas tipo PIFA montadas sobre bases se ubican en la posición2. En la posición trasera de la pantalla3, es muy común encontrar antenas planas de parche.
Finalmente en la posición4Ay 4B se encuentran antenas tipo F invertida (IFA), an-tenas de placas radiadoras delgadas, monopolos miniatuizados, anan-tenas de chip y anan-tenas dobladas.
Figura 1.5 Ubicación de las antenas en una computadora personal.
Antenas de banda única y antenas de banda dual se presentan en algunos dispositivos móviles para acceso a las comunicaciones inalámbricas.
Las estructuras internas y externas más comunes en dispositivos portátiles se describen a detalle en [1], dando una visión más amplia de los enfoques de diseño de la antena: integrabilidad y compatibilidad electromagnética.
Estos estudios se han realizado de forma sistemática para varias clases de antenas inter-nas y exterinter-nas, con diferentes localizaciones y ángulos de la pantalla. Con este enfoque, una visión general de los aspectos de integración de la antena al equipo portátil, junto con las directrices unificadas para el diseño de la interfaz inalámbrica que se utiliza en los ordenadores portátiles modernos.
1.5 ANTENAS PLANARES PARA SISTEMAS MULTIESTÁNDAR
Los usuarios móviles acceden a varios servicios en una banda de frecuencias. Ejemplos de éstos servicios de comunicación móvil son los sistemas de posicionamiento, localización, los sistemas de servicios celulares a 800 MHz como son PCS y GSM, a 1990 MHz conocido como GPS y bandas sin licencias de 2.4 GHz, radiodifusión AM/FM convencional que se hallan tradicionalmente en vehículos.
ANTENAS PLANARES PARA SISTEMAS MULTIESTÁNDAR 13
Los equipos para comunicaciones celulares pueden ofrecer actualmente el acceso a servicio de datos, conectividad bluetooth, acceso a redes locales inalámbricas (WLAN), acceso a redes celulares como GSM, redes CDMA, entre otros servicios.
Lo anterior implica la operación del equipo en diferentes frecuencias del espectro elec-tromagnético.
Actualmente una de las soluciones es por medio del uso de sistemas operativos (OS), logrando el desarrollo de teléfonos inteligentes (smart phones) que han desplazado a tec-nologías anteriores posicionándose en un importante sector en el mercado a través de avances tecnológicos en semiconductores logrando una mayor miniaturización en compo-nentes pasivos de microondas como son los filtros y las antenas (integradas en el equipo final).
Por lo tanto se requiere paralelamente el desarrollo de antenas multibanda, antenas que cubran todas las bandas utilizadas por los servicios de comunicación personales inalámbri-cos. Antenas con patrones de radiación omnidireccionales, un bajo costo de fabricación que implica facilidad de construcción, peso y tamaños pequeños y una alta eficiencia.
En años pasados se han reportado antenas multibanda internas, las cuales se pueden catalogar básicamente en dos grupos principales:
• Antena tipo F-Invertida (PIFA’s)
– Ancho de banda moderado
– Fácil fabricación
– Ampliamente utilizadas en dispositivos móviles
• Monopolos planos
– Fácilmente integrable con otros componentes en el mismo circuito
– Tienen menor tamaño que las tipo PIFA
Las antenas planas tipo F invertida (PIFA) existen diferentes técnicas para mejorar su desempeño y características, como el caso de las ’ranuras’, utilizadas para incrementar el ancho de banda de la antena o para introducir nuevas resonancias y son insertadas como cortes en el parche o placa radiadora. [9]
Entre otras técnicas utilizadas para modificar la impedancia de acoplamiento se integran cargas capacitivas, dobleces en la antena, y cargas inductivas por medio de cortos circuitos o postes.
Las técnicas mencionadas son mostradas en la placa radiadora de la figura 1.7[8]. Otra de las técnicas es agregar elementos parásitos aunque esto aumenta el tamaño de las antenas y hace los diseños mas complejos.
Figura 1.6 Antena volumétrica interna (PIFA).
Figura 1.7 Técnicas de optimización en antenas PIFA.
Los monopolos planos y cualquier antena plana, son las antenas mas convenientes para integrarse en los equipos móviles por su gran integrabilidad y facilidad de fabricación ya que solo constan de un sustrato (dieléctrico) el cual tiene impreso de uno o ambos lados estructuras radiadoras acompañadas del plano de tierra.
ANTENAS PLANARES PARA SISTEMAS MULTIESTÁNDAR 15
Además de acoplamiento (resonancias) se buscan zonas en el ancho de banda en las cuales no tenga resonancia la antena para ayudar de esta forma a reducir señales interfe-rentes cercanas a nuestras bandas de interés.
Figura 1.8 Antena plana [11].
Por lo tanto, la importancia en el desarrollo de las antenas planas multiestándar descansa en la reducción de dimensiones y la complejidad de los equipos multiestándar. La meta son antenas de banda ancha que cubran las bandas de los sistemas personales (800MHz - 5.6GHz) de comunicación manteniendo un uso eficiente de la energía, dimensiones pe-queñas (integrabilidad), facilidad de construcción, entre otras características esenciales para los nuevos equipos multiestándar.
En la actualidad no hay tal antena, se realizan esfuerzos en torno a lograr todo el ancho de banda mencionado y hacerlo con antenas que cubran las necesidades de fabricación masiva.[7]
1.5.1 Antenas multibanda
Encontramos antenas publicadas que son llamadas tipo F invertida (PIFA) para sistemas de comunicaciones personales, en [17] y [18] (mostradas en la figura 1.9) se muestran estructuras PIFA impresas, el ancho de banda de éstas antenas es el mismo que la antena propuesta a diferencia que no se encuentran acopladas en toda la banda.
(a) [17] (b) [18]
Figura 1.9 Estructuras tipo PIFA.
(a) [19] (b) [20]
(c) [21]
Figura 1.10 Monopolos impresos.
Ninguna de éstas antenas PIFA presentan acoplamiento de banda ancha.
Otro tipo de antenas multibanda se consiguen con combinaciones del radiador y algunas de éstas son presentadas en [19], [20] y [21].
La figura 1.10 muestra otro tipo de antenas multibanda. Este tipo de antenas son impre-sas, son antenas planares que tienen como característica un menor tamaño que las antenas tipo F o L invertida.
ANTENAS PLANARES PARA SISTEMAS MULTIESTÁNDAR 17
material sobre el cual se imprime la antena se tienen menores dimensiones (recordemos que en éste tipo de antenas las dimensiones están en función de la permitividad eléctrica (εr) del material utilizado).
Estas antenas son diferentes configuraciones de monopolos impresos en la cual cada monopolo colabora con una frecuencia de operación (acoplamiento) tal como es mostrado en la figura 1.10(a) y 1.10(c).
La antena mostrada en la figura 1.10(b) es una variación de un monopolo, agregando una especie de "mangas" en el monopolo previamente doblado (el doblez al monopolo permite la reducción de las dimensiones totales de la antena) genera nuevas frecuencias de resonancia de la estructura.
Una ventaja fundamental de éstas antenas planarizadas es la posibilidad de alimentar la estructura vía microcinta. El uso de ésta técnica permite que la antena sea integrada directamente al circuito impreso de microondas (PCB) reduciendo las exigencias en la integración de los dispositivos.
De las antenas anteriores las de mejor acoplamiento son las PIFA en lo referente a ganancias. Sin embargo, en relación al perfíl de las estructuras, las antenas planas son la mejor opción.
En la figura 1.11 se muestra el parámetro de reflexión para las antenas tipo PIFA y los monopolos impresos, quedando claro que son antenas multibanda y que existen bandas de sistemas personales de comunicaciones que no cubren en general.
0 1 2 3 4 5 6
50 40 30 20 10 0 10
Parametros S11F
Frecuencia (GHz)11
S
1
1
(
d
B
)
[17] [18] [19] [20] [21]
1.5.2 Antenas de banda ancha
Las antenas de éste tipo son generalmente de formas geométricas conocidas.
Kraus realizó experimentos para aumentar el ancho de banda de operación de algunas estructuras de forma regular teniendo éxito en sus investigaciones. Las técnicas que utilizó son tema de el próximo capítulo.
Las antenas de banda ancha tienen la característica de lograr acoplamiento en toda la banda sin cortes como el caso de las antenas multibanda.
Una ventaja notable que se obtiene gracias a la característica de banda ancha es que al ser aplicada una antena de éste tipo en un equipo móvil, éste equipo puede ser reprogramado para accesar a algún servicio dentro de la banda de operación de la antena. Lo anterior resulta imposible con antenas multibanda, ya que al necesitar ingresar a una banda en la cual no cuenta con acoplamiento la antena multibanda, sencillamente es imposible accesar.
Existen estructuras basadas en radiadores circulares, logrando modificaciones y mejo-rando el rendimiento del radiador. La mayoría de ellas se encuentran en un ancho de banda de 3.1 GHz a 10.6 GHz aproximadamente siendo todas ellas para aplicaciones de ultra banda ancha (UBA).
En la figura 1.13 y en la figura 1.12 se muestran algunos ejemplos de antenas planares de banda ancha.
(a) (b)
Figura 1.12 Diferentes modificaciones a la estructura circular.
1.5.2.1 Antenas circulares planarizadas En la literatura se han publicado una
gran cantidad de artículos y estudios sobre antenas planares para sistemas de banda ancha.
ANTENAS PLANARES PARA SISTEMAS MULTIESTÁNDAR 19
Lo anterior tiene justificación en la facilidad que ofrece la integración de un dispositivo con alimentación de microcinta a un circuito de microondas impreso (microcinta) siendo fácilmente diseñada la etapa de acoplamiento. Sin embargo, no es igual de sencillo integrar una antena con alimentación coplanar a un circuito impreso de microondas.
Figura 1.13 Estructura circular modificada con alimentación de microcinta.
Los diseños son el resultado de las mejoras que autores han implementado a un radiador circular, dichas mejoras pueden ser en el tamaño, frecuencias de corte o ancho de banda, material de construcción, modificaciones en el diseño del parche radiador, plano de tierra o linea de alimentación, etc.
Las antenas publicadas en la literatura cubren un ancho de banda de que va entre 3.1 GHz a 10.6 GHz, con el fin de tener aplicación en UBA. La frecuencia mas baja que se alcanza de estas antenas es de 1.94 GHz [14] y la mas alta entre las promedio es de un poco mas de 15 GHz [6], aunque existe una excepción en la antena presentada en [5], ya que puede alcanzar un corte superior en 31.94 GHz.
En referencia a las ganancias de las antenas existe mucha variación, por la cual no podemos dar una ganancia promedio en la cual se encuentren operando dichas antenas. La mayoría de los autores utilizan CST MWS (Computer Simulation Technology - Microwave Studio Suite) y HFSS (High Frequency Simulation System) para simular, aunque también fue utilizado IE3D (3D Electromagnetic Simulation).
(a) [6]
(b) [9]
Figura 1.14 Diferentes modificaciones a la estructura circular.
1.6 RESUMEN
En este capítulo se han revisado varias estructuras radiadores presentadas en la literatura. Se han analizado estructuras planas de tipo L invertida (PILA), antenas de tipo F invertida (PIFA), antenas planares multibanda y antenas circulares modificadas.
REFERENCIAS 21
Se observa que las antenas de folder (PIFA y PILA) tienen las mas altas ganancias para las antenas con fines de integración en equipos móviles, sin embargo, la fabricación de éste tipo de antenas puede resultar algo engorrosa por la posición de la lámina suspendida sobre el plano de tierra.
Una desventaja importante de las antenas de folder son las dificultades que se presentan para integrar la antena al equipo. Como se observa en algunas figuras la antena general-mente utiliza como sustrato la batería del equipo móvil.
En lo que refiere a las antenas planarizadas o antenas impresas, se conoce que son las antenas de menor perfil y las mas fácilmente integrables a equipos móviles.
Una desventaja que presentan las antenas impresas es la baja ganancia, pero ésta desven-taja minimiza sus efectos por la gran versatilidad de diseño de éste tipo de antenas.
En la actualidad se prefiere el diseño de antenas de banda ancha por medio de radiadores circulares, realizando modificaciones y agregando resonancias en el ancho de banda a la estructura radiadora con el uso de diferentes técnicas.
Las antenas circulares presentan en general comportamientos de ultrabanda ancha. Este comportamiento puede ser explotado hacia las bajas frecuencias para obtener antenas de banda ancha que operen en los estándares personales de comunicaciones móviles.
En lo que refiere a los sistemas de comunicaciones móviles personales, actualmente se desarrollan estándares dentro de la banda delimitada por 800 MHz y 6 GHz.
En el caso de México, la COFETEL ha asignado las bandas de comunicaciones perso-nales a grandes operadores en la banda de 800 MHz y las bandas de 1.8 GHz y 1.9 GHz, recordando que éstas bandas requieren licencia para su operación.
También se utilizan bandas que no requieren de licencia de operación como las redes locales inalámbricas, las redes personales vía bluethoot y WiFi.
En conclusión podemos hablar que la integración de distintos servicios en un solo dis-positivo móvil ha generado la necesidad del desarrollo de antenas que puedan accesar a servicios en un amplio ancho de banda, en específico para intereses de éste trabajo de tesis en la banda de 800 MHz a 6 GHz.
El diseño de éstos radiadores puede ser por medio de diversas técnicas para ampliar el ancho de banda, pero el grado de complejidad se mantiene constante, resulta complicado el diseño de antenas con anchos de banda tan amplios y con acoplamiento en frecuencias menores a 1 GHz.
REFERENCIAS
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