Diseño del modelo macro de una micro antena inteligente con MEMS

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(1)Número de Tesis: 118. TESIS presentada al. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Ciudad De México para la obtención del grado de .. MAESTRO EN ADMINISTRACIÓN DE LAS TELECOMUNICACIONES por. Víctor Hugo Ortega Vega. -. DISENO DEL MODELO MACRO DE UNA MICRO ANTENA INTELIGENTE CON MEMS. Defendida el 1º de Junio de 2007 ante el comité de tesis:. Dr. Rogelio Martín Bustamante Bello. Asesor. Dr. José Luis Escamilla Reyes. Profesor del Departamento de C1enc1as Básicas del ITESM-CCM. Dr. José Ramón Álvarez Bada. Director de MTL. Trabajo efectuado en el seno de la Escuela de Graduados de Ingeniería y Arquitectura del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey campus Ciudad de México..

(2) Resumen Ejecutivo En esta tesis se diseñó un modelo macro de una micro antena inteligente que puede replicarse con MEMS, el cual puede ayudar a las operadoras de serv1c1os de comunicación inalámbrica a realizar un meJor uso del espectro disponible y con ello vencer el paradigma que indica que a mayor cantidad de suscriptores, se reduce la distancia de reuso de frecuencias, aumenta la interferencia y se degrada la calidad de la transmisión. Para llegar al diseño de la antena, la tesis expone los fundamentos teóricos que necesitan ser aplicados para obtener un modelo funcional que conjunte los requ1s1tos de diseño en radio frecuencia, y que su proceso de construcción sea afín a los requisitos para hacer un MEMS y replicarlo a menor escala. En nuestro pais aún continúa en aumento el número de suscriptores de servicios de comunicación inalámbrica, como la telefonía celular principalmente. La micro antena inteligente puede implementarse como una respuesta a la necesidad de las operadoras para mejorar la calidad de sus servicios, hacer un uso más eficiente del espectro y continuar con sus planes de expansión. S1 bien México no se encuentra a la vanguardia de la tecnología MEMS, posee el talento para realizar el diseño y la infraestructura suficiente para construir el modelo propuesto en la tesis. Con el apoyo de Instituto Nacional de Astrofísica óptica y Electrónica (INAOE), y la metodología ahí desarrollada es posible..

(3) Abstract In th1s dissertation, a macro model of an 1ntelligent micro antenna was designed for 1mplementat1on w1th MEMS; the model would help w1reless communícation-service operators to make a better use of the ava1lable spectrum, and defeat the paradigm that indicates that a larger number of subscribers reduces frequency-reuse distance, then enlarge the interference and degrade the quality of transmission. This work exposes the theoret1cal fundamentals that must be apphed tor obtairnng a functional model that meets the requ1rements ot radio frequency des1gn, and its construct1on process for fabricat1ng a MEMS 1n smaller scale. In Mex1co, the number of subscnbers of w1reless-communicat1on serv1ces, and especially cellular-telephone services, keeps increas1ng. The micro intelllgent antenna may fulfill the need of the operators to 1mprove the quality of the1r serv1ces, to do a more effic1ent use of the spectrum and to continue with 1ts plans of expansion. Desp1te not hav1ng state-of-the-art MEMS facilities, Mex1co possesses the talent to carry out the des1gn process, and has infrastructure ava1lable for building the model proposed in this work. The support and methodology developed by the National lnstitute of Electronics, Optics and Astrophysics is suggested for this goal..

(4) Índice. Índice Objetivos y alcances ..... Introducción general.. .. 1. .2. Capitulo l. Antecedentes. 1.1 Introducción ..... .. . ... ..... 4. 1 .2 Problemática actual de las operadoras de serv1c1os de comunicación inalámbrica .......................................... .................................. .4. 1.3 Retos de diseño ............... ............ ........ .. .................... ............ 1O. 1.4 Problemática y oportunidades a desarrollar .... ............................. 13. 1.5 Conclusiones ..... 1.6 Bibliografía ........ . . .. 16. . . 16. Capitulo 11. Marco teórico y estado del arte. 2.1 Introducción ...... ... .................................................................... 18. 2.2 Teoria general de antenas ....... ........... . ..................................... 18 2.2.1 Impedancia ....................................................... ........... 23 2.2.2 Relación de onda estacionaria (VSWR). 25. 2.2.3 Densidad de potencia, 1ntens1dad de campo, patrón de radiación ................................................................ ..... 27.

(5) Índice. 2.3 Div1s1ón del espectro. .... 32. ........ 34. 2.4 Fundamentos de MEMS. 2.4.1 Técnicas de fabricación de micro maquinado volumétrico ..... 35 2.4.2 Técnica de fabricación de micro maquinado de superficie ..... 36 2.4.3 Técnica de LIGA................. . . . . ... ..37. 2.4.4 Procesos de fabricación.. .. ... 38. 2.4.4.1 Depositar . .. . . . .. .38. 2.4.4.2 Grabar ..... ....... .................................. ............... 38 2.4.4.3 Remover .......................................................... 38 2.4.5 Materiales utilizados en MEMS ............. .. . ..... ............. 38. 2.4.4.1 Materiales usados como sustratos ................ ......... 38 2.4.4.2 Materiales de construcción .... ........ . .. . ................... 39. 2.5 Proceso de fabricación de un circuito integrado convencional .......... 39 2.5 1 Procesos de fabricación (ad1c1ón y sustracción)... . . .... .41. 2.5.2 Estructuras de MEMS .... ............... ................ ..... ..... .42. 2.6 Estado del arte de antenas inteligentes ...... ...... . ... . 43. 2.7 Ejemplos representativos de micro antenas. . . .... . . ...... ........... 46 2. 7.1 Arreglo matricial con micro interruptores .... .... .. .................. .46 2. 7 .2 Micro antena con dipolo móvil..... . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . ..... .48. 2. 7 .3 Antena de micro pistas de 9 elementos ........................ . .... .48 2.7.4 Antena miniatura multl elementos ...................... . ............. .49. 2.8 Conclusiones ..... 2.9 Bibliografía.. . .. 52. 52. Capitulo 3. Modelos desarrollados. 3.1 Introducción ............................................................................. 54. 11.

(6) Indice. 3.2 Antena básica ......................... ....... ............... .. ....................... 55. 3.3 Diseños realizados. ... . 56. 3.3.1 Elementos planos sobre una base de tierra horizontal ......... 57 3.3.2 Elementos planos verticales con una base de tierra horizontal.. .. . . . .. .. . .. . . . .. .. ... .. . .. ... 59. 3.3.3 Elementos planos verticales con una base de tierra vertical .. 61 3.3.4 Antena Yag1 de elementos sem1c1rculares sobre una base de tierra horizontal ............................................................. 62 3.3.5 Antena Yagi de elementos semicirculares sobre una base de tierra horizontal con dos directores. .. 65. 3.3.6 Antena Yagi de 4 elementos circulares.. ..69. 3.3.7 Antena Yagi basada en m1cropistas .............. .. .................. 72 3.3.8 Antena a base de micro sw1tches. .. .. . . 3.3.9 Antena log-penódica de 1O elementos.. .. ....... 75 .. ...... 85 . ... 91. 3.3.1 O Antena Log periódica con micro pistas.. 3.4 Cálculo de la capac1tanc1a e inductancia de ia antena iogaritm1ca periódica con micro pistas... . .. . . . .. .. ... .. .. .. .. . .. ..... .. ... . .......... 102. 3.5 Tabla resumen de modelos desarrollados .... .... .................... .. .... 106. 3.6 Conclusiones ........................................... .. ........... .. ............. 107. 3. 7 Bibliografía ...... ....... .. . .. ....... 108. Capitulo 4. Fabricación y viabilidad económica del diseño. 4.1 Introducción .......... .. 109. 4.2 Estado del arte en nanotecnologia ..... .. ... .. .. ... .... .. ................ 11 O 4.2.1 Sandia ...................................................................... 110 4.2.1 lntel ......... ................................................................ 110 111.

(7) Indice. 4.2.3 MEMSIC....... . . . . . . . . ... . . . .. ..... 111. 4.2.4 INAOE (México) ................................. ....................... 111 4.2.5 Experiencias previas INAOE .... 4.3 Procesos de fabricación de MEMS en el INAOE ... .... 117 . ......... 119. 4.4 Anál1s1s de viabilidad. 125. 4.5 Enfoque de mercado. 130. 4.6 Diseno del MEMS para la micro antena inteligente.. .. 132. 4. 7 Proceso de fabricación de la micro antena con MEMS en el INAOE .. 135. 4.8 Conclusiones ..... .. 4.9 Bibliografía. . .. .. . ....... 136. 137. Conclusiones generales ...... ... ... .................... .......... ................ . ....... 138. IV.

(8) Lista de figuras. Lista de figuras Fig. 1.1. Cobertura ideal de un sitio de 3 sectores __ .... . . . . . . . . . . .. . ............ 5. Fig. 1.2. Ventajas y desventajas de coberturas estándar de !as operadoras ... _ ... 5 Fig. 1.3. Crec1m1ento de usuarios de telefonía móvil en México 2000 - 2006 ....... 6 Fig. 1.4. Crec1m1ento de usuarios de telefonía celular en México 1989 - 2000 ...... 7 Fig. 1.5. Crecimiento esperado de usuarios de serv1c1os móviles en México ....... 8 Fig. 1.6. Zona densa en torres de telecomunicaciones. .. ..9. Fig. 1. 7. Camuflaje de estructuras de telecomunicaciones: a) Bandera, b) Palmera, e) y d) Campanario, e) Reloj, f) Monopolo esbelto ................ 9 Fig. 1.8. Cobertura de voz/datos concentrada para cada móvil. ....................... 1O Fig. 1.9. Antena de haz dinámico..................... ........... ........ ........ . ....... 11. Fig. 1.1 O. Células hexagonales..... 13. . .. _.... _.... _.. Fig. 1.11. D1vis1ón de células en tres sectores ............................................. 13 Fig. 1.12. Subdiv1s1ón de células en otras más pequeñas.. . .. . .... 14. Fig. 2.1. Antena básica ........................ . .. 19. Fig. 2.2. Campos eléctrico y magnético. . .. 19. Fig. 2.3. Propagación de señal de un elemento de sección transversal.. .20. Fig. 2.4. Propagación de señal de un elemento de sección transversal.. . .20. Fig. 2.5. Campo eléctrico ......... ...................... . .......... . ... _........ ................ 21 Fig. 2.6. Campo magnético ............................................. . .. .... ......... 21 Fig. 2.7. Campo eléctrico y magnético propagado por un dipolo ...................... 21 Fig. 2.8. Lóbulo principal de una antena en plano horizontal. ............ . ............. 22 Fig. 2.9. Lóbulos principal, posterior y laterales de una antena ....................... 22 Fig. 2.1 O. Ondas 1nc1dente y reflejada........... ..... . . . . . . . . . . .. . ............. 26. Fig. 2.11. Radiador isotróp1co ............................................................... 28 Fig. 2.12. Radiador 1sotrópico de varios radios..... .. . .. 28. Fig. 2.13. Antena Yag1 de 3 elementos y patrón de rad1ac1ón ......................... 30 Fig. 2.14. Antena logaritm1ca periódica receptora de TV y FM... . . . . . . . . . . . . . 30 Fíg. 2.15. Diseño de la antena Log periódica ............................................... 31 Fíg. 2.16. Variación de la impedancia respecto de la frecuencia ...................... 31 V.

(9) Lista de figuras. Fíg. 2.17. Tabla resumen de antenas .......... .. .32. Fíg. 2.18. Espectro audible ... _ ........... . ...... _. . 33. Fíg. 2.19. Espectro radioeléctrico. __ ............ . .. . Fíg. 2.20. Espectro de alta frecuencia .............. .. 33 . ........... 33. Fíg. 2.21. Bandas de frecuencia para enlaces (terrestres y satelitales) ........... 34 Fig. 2.22. Dimensiones de los MEMS y elementos conocidos ..... . ..... . .... ... _... 35 Fig. 2.23. Ejemplos de micro maquinado de volumen. .. .. .. . .. . ........... . ..... 36. Fig. 2.24. Ejemplos de micro maquinado de superficie ..... ............................ 37 Fig. 2.25. Ejemplos de micro maquinado LIGA... .. ... .. ........ 38. Fig. 2.26. Cristal piezoeléctrico, al que se le aplica una fuerza. ... 39. Fig. 2.27 a) Primer paso para fabricación de un circuito convencional (placa. . .. 40. inicial).. Fig. 2.27 b) Segundo paso para fabricación de un c1rcu1to convencional (máscara) ................................................................................... .40 Fig. 2.27 e) Tercer paso para fabricación de un circuito convencional (generar. foto resina positiva o negativa) .... _.. _........ .. . .41. Fig. 2.27 d) Cuarto paso para fabricación de un c1rcu1to convencional (generar foto resina positiva o negativa). . . . . . _ .................... _ ..... . .. ........... .41 Fig. 2.28 Procesos básicos de fabricación de MEMS _. _... . ... .. _.... _. _.. .42. Fig. 2.29 Estructuras más comunes en la construcción de MEMS .................. .42 Fig. 2.30. Prototipos de antenas inteligentes .. _. ... .43. Fig. 2.31. Antena de haz conmutado ........................................................ .44 Fig. 2.32. Uso de antena inteligente en estación base macro UMTS ................ .45 Fig. 2.33. Micro antena de arreglo matricial de dipolos........ . ..... .46. Fig. 2.34. Micro antena de con micro interruptores..... . .... 46. Fig. 2.35. Desempeño de la antena a base de micro interruptores .................. .47 Fig. 2.36. EJemplo de micro antena._ .................................................. ..48. Fig. 2.37 a) Antena logarítmica periódica de micro pistas de 9 elementos .. .48. Fig. 2.37 b) Valores de diseño de antena logarítmica periódica de micro pistas de 9 elementos..... ......... ... Fig. 2.38. Antena miniatura mult1 elementos (planta).. .49 . ... 50. Fig. 2.39. Antena miniatura multi elementos (elevación) ...................... . .......... 50 Fig. 2.40. Antena miniatura multi elementos (vista 30) .................................. 51 Fig. 2.41. Desempeño en frecuencia antena miniatura multi elementos ............ 51 VI.

(10) Lista de figuras. Fig. 2.42. Patrones de radiación antena miniatura mu1t1 elementos .................. 51 Fig. 3.1. Propagación de señal omnidirecc1onal de una esfera ........................ 55 Fig. 3.2. Propagación de señal omnidireccional de dos esferas ...................... 55 Fig. 3.3. Propagación de señal de un dipolo de dos esferas .......... ................ 56 Fig. 3.4. Propagación de señal de un dipolo de barras paralelas ............. ...... 56 Fig. 3.5. Campos eléctrico (rojo) y magnético (azul).. . . . . . . .. . ................. 57. Fig. 3.6. Propagación de señal oscilante de un dipolo en vanos instantes de tiempo .. . . 57. Fig. 3.7. Elementos planos sobre una base de tierra horizontal.. .. 59. Fig. 3.8. Elementos planos verticales con una base de tierra horizontal. .......... 60 Fig. 3.9. Elementos planos perpendiculares a la base ... .. . .. 60. Fig. 3.10. Elementos planos perpendiculares a la base ... .. . .61. Fig. 3.11. Elementos planos con elevación uniforme. . ... . .... 61. Fig. 3.12. Elementos planos verticales con una base de tierra vertical.. .......... 62. Fig. 3.13. Elementos semicirculares sobre una base de tierra horizontal. .......... 62 Fig. 3.14 Antena de media longitud de onda....... .. . .. .. ..... . ... ............ ......... 63 Fig. 3.15 Patrón de radiación horizontal. .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .............. 63. Fig. 3.16 Patrón de radiación vertical. ......... .. . . .64. Fig. 3.17. Rotación horizontal de antena Yag1 d1recc1onable de 4 elementos ..... 65 Fig. 3.18. Ejemplificación de la rotación horizontal con antena Yag1 .66. d1recc1onable de 4 elementos.... . . ........ .. Fig. 3.19 a) EJemplificac1ón de la rotación vertical con antena Yag1 d1recc1onable de 4 elementos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ........................ 66. Fig. 3.19 b) Ejempiificac1ón de la rotación vertical con antena Yag1 direccionable de 4 elementos ................................ .......................... 67. Fig. 3.20. Antena Yag1 direccionable de 4 elementos............. . .......... ......... 67. Fig. 3.21. Patrón de radiación horizontal antena direccionable ... ... . .. ............. 68 Fig. 3.22. Patrón de radiación vertical antena direccionable ............................ 68 Fig. 3.23. Pruebas de directividad: Ganancias obtenidos al girar bastidores ...... 69 Fig. 3.24. Antena Yag1 de 4 elementos direccionable separada de la base de tierra ...........................................................................................70. Fig. 3.25. Patrón de radiación horizontal antena Yagi 4 elementos ................... 70 Fig. 3.26. Pruebas de directividad: Ganancias obtenidas a diferentes grados VII.

(11) Lista de figuras. de rotación. .71. Fig. 3.27. Patrón de radiación vertical antena Yag1 4 elementos ... . ................ 71 Fig. 3.28. Diseño de antena Yag1 con eJes desplazables ..... .. ............... ......... 72 Fig. 3.29. Antena Yag1 con eJes desplazables.. .. . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . ...... 73. Fig. 3.30. Patrón de radiación horizontal obtenido con las pruebas de laboratorio .................................................... ......................................... 7 4. Fig. 3.31. Patrón de radiación vertical obtenido con las pruebas de laboratorio ... 75 Fig. 3.32. Ejes de antena de micro interruptores ..... ......................... ..... .... 76 Fig. 3.33. Arreglo de elementos radiadores .. Fig. 3.34. Eiernentos radiadores interconectados con micro interruptores.. ..76 ..... 77. Fig. 3.35 Micro interruptores cruzados ........................................................ 77 Fig. 3.36 Alimentación a elementos radiadores en eJe longitudinal. .......... .. .... 78 Fig. 3.37. Alimentación a micro interruptores ............................................... 78 Fig. 3.38. Antena a base de micro interruptores ........................................... 80 Fig. 3.39. Antena logarítmica periódica de 5 macro elementos ............ . ... ........ 81 Fig. 3.40. Antena logarítmica periódica con micro interruptores ....... ................ 81 Fig. 3.41. Antena Yag1 con micro interruptores ......................... .............. .. .... 82 Fig. 3.42. Antena Yag1 con micro interruptores (modificada) ............. .............. 82 Fig. 3.43. Antena multl elementos con micro interruptores.. . . .. . . .. .. 83. Fig. 3.44. Antena omnid1recc1onal con micro interruptores ... . .83. Fig. 3.45. Antena simplificada con micro interruptores ................. . .. ......... .... 84 Fig. 3.46. D1mens1ones de antena logarítmica periódica con 10 elementos ........ 87 Fig. 3.47. Antena logarítmica periódica con directores, reflectores y deformadores de haz ............. .. Fig. 3.48. Movimiento vertical de antena logarítmica periódica.... .... 88 . ... 89. Fig. 3.49. Antena iogaritm1ca periódica 10 elementos ................................... 89 Fig. 3.50. Patrón de radiación horizontal antena logarítmica periódica ............... 90 Fig. 3.51. Patrón de radiación vertical antena logarítmica periódica .................. 90 Fig. 3.52. D1mens1ones de antena logarítmica periódica de micro pistas ............ 93 Fig. 3.53. Capa1. Base y conector de la antena logarítmica periódica de micro pistas. .... 94. Fig. 3.54. Capa 2. Bobina de acoplarmento ................................................. 94 Fig. 3.55. Capas 1 y 2 de la antena logarítmica periódica de micro pistas .......... 95 Fig. 3.56 Capas 1,2 y 3 de la antena logarítmica periódica de micro pistas ........ 94 Vlll.

(12) Lista de figuras. Fig. 3.57 Capa 4 de la antena logarítmica periódica de micro pistas ................. 96 Fig. 3.58 Capa 5 de la antena logarítmica periódica de micro pistas ................. 96 Fig. 3.59. Capa 6 de la antena logarítmica periódica de micro pistas ................ 97 Fig. 3.60 a) Antena logaritm1ca periódica de micro pistas........ . .................. 98 Fig. 3.60 b) Vista de acercamiento de la antena !ogaritm1ca periódica de micro. .98. pistas .. Fig. 3.61. Sección transversal antena logarítmica periódica de micro pistas ........ 99 Fig. 3.62. Detalle sección transversal antena logaritm1ca periódica de. . .. 99. micro pistas. . . . . . Fig. 3.63. FluJo de comentes en la sección transversal de un elemento de. . ...... 100. micro antena hecha a base de micro pistas.... . . Fig. 3.64. Campo eléctrico en la sección transversal de un elemento de. micro antena hecha a base de micro pistas ................. .................... 100 Fig. 3.65. Patrón de radiación horizontal antena logarítmica periódica de. micro pistas. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................. 101. Fig. 3.66. Patrón de radiación vertical antena logarítmica periódica de. micro pistas................ .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . ....... ..... ..... 101. Fig. 3.67. Cálculo de capacitancia de placas paralelas .............................. 102 Fig. 3.68 Cálculo de capacitancia en paralelo.. . . . . Fig. 3.69. Cálculo de capacitancia en sene .. Fig. 3.70. Cálculo de 1nductanc1a para bobina en espiral. . .. .... 103. .. 104 104. Fig. 3.71. Fórmula de la ecuación de segundo grado ................................... 105 Fig. 3.72. Tabla resumen de modelos desarrollados .... .......... ... ................... 106. Fig. 4.1. Depositadora de óxidos .............................. . ......... . ............. .. .... 113 Fig. 4.2. Micro soldadora ..................... . .................... . ................. ......... 114 Fig. 4.3. Micro soldado de terminales ....................................................... 114 Fig. 4.4. Grabadora de Pistas ...................................................... .. ......... 114 Fig. 4.5. Grabadora por Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... ........ . ................. 115 Fig. 4.6. Secciones de limpieza......... .. 115. Fig. 4.7. Evaporadora de Aluminio.... 115. Fig. 4.8 a) Consola de control, b) y e) Implantadora de Iones ........................ 116 Fig. 4.9. Horno de difusión atómica .......................................................... 116 Fig. 4.1 O a) y b) Micro puntas de prueba ................................................... 117 IX.

(13) Lista de figuras. Fig. 4.11 Ejemplo de Acelerómetro ................. .. . .. . ............ 118. Fig. 4.12. Sistemas de Chevrones, vigas y engranes. .... ..... 118. Fig. 4.13. Patrones geométricos de bobinas .............................................. 119 Fig. 4.14. Diagrama de flujo para la fabricación de un MEMS... . .. .... 120. Fig. 4.16 a) y b). Simulación de un MEMS con chevrones Fig. 4.17 a), b), e) y d). Patrones geométricos..... .. .. 121. . . .. .... . .. . .... 122 ........ 123. Fig. 4.18 a) y b). Fotografía de la segunda reducción Fig. 4.19 Equipo para grabación de mascarillas ... . .. ..... 123. Fig. 4.20 Oblea de silicio. 124. Fig. 4.21 Ejemplo de circuito en oblea de silicio ..... 124 ..... ...... 125. Fig. 4.22 a), b) y e) Ejemplo de c1rcu1tos encapsulados. Fig. 4.23. Porcentaje de decremento de tarifas, T elmex 2000 - 2006 .............. 126 Fig. 4.24. Porcentaje de decremento de tarifas telefonía celular 2000 - 2006 ... 126 Fig. 4.25. Costo de acelerómetro dual. ...................... ............................... 128 Fig. 4.26. Características del acelerómetro dual.... .. . ............ 128. Fig. 4.27. Diagrama a bloques del acelerómetro MXR2312G&M ................... 129 Fig. 4.28 Modelo de vaíor hacia el cliente ................................ ........... . ...... 130 Fig. 4.29 Desarrollo de un nuevo producto..... .. ... Fig. 4.30 Desarrollo de un nuevo producto......... Fig. 4.31. Diseno de MEMS para micro antena logarítmica periódica... . ........ 131 . 132 . ...... 134. Fig. 4.32. Sección transversal de placa base de antena logarítmica periódica ... 135. X.

(14) Objetivos y alcances A lo largo de este trabajo de investigación se contemplan los objetivos y alcances descritos a continuación:. Objetivos •. Exponer los avances realizados en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey campus Ciudad de México correspondientes al diseño de antenas inteligentes y aplicaciones de rad1ofrecuenc1a para MEMS desde septiembre de 2004 hasta la fecha.. •. Describir un modelo funcional a nivel macro de una antena inteligente que puede ser implementado a nivel micro con MEMS, y las mejoras aplicadas respecto de modelos previos vinculando la teoría de antenas y MEMS.. •. Analizar el estado del arte mundial en el desarrollo de MEMs con aplicaciones para telecomurncac1ones, descnb1endo las capacidades que hay en México y las oportunidades existentes para implementar el modelo diseñado en esta tesis, así como la viabilidad de su implementación.. Alcances •. La tesis describirá el diseño de un modelo a escala macro de una micro antena inteligente, el cual servirá a futuros equipos de desarrollo e investigación como punto de partida para su fabricación, implementación, encapsulado y pruebas de laboratorio como MEMs.. •. A lo largo de la tesis se expondrán los criterios de diseño considerados y los resultados de las pruebas de laboratorio a nivel macro para cada uno de los modelos de la micro antena inteligente que llevaron al desarrollo del modelo definitivo, los cuales servirán de guía a futuros equipos que planeen mejorar el diseño tomando en cuenta la experiencia previa aquí reflejada.. •. El modelo de antena inteligente desarrollado requerirá de un sistema de control que le permita adaptarlo a las aplicaciones donde se implemente. El modelo se limita únicamente al diseño de funcionalidades electromecánicas combinadas con el desempeño de radiofrecuencia que permite aplicarlo en usos comerciales, venciendo las limitaciones actuales de los sistemas inalámbricos de transmisión..

(15) Introducción general. Introducción general El presente trabajo de 1nvest1gac1ón pretende vencer el paradigma típico ai que se enfrenta un operador de una red de comunicación mediante serv1c1os inalámbricos de voz y/o datos, ya sea de telefonía celular, WIMAX, WiFi o cualquier otro que realice planes de as1gnac1ón de frecuencias, cuando desea tener un crecimiento en su infraestructura que se refleJe en una mayor cantidad de erlangs disponibles por usuario y por consiguiente en el incremento de su facturación como retorno de la inversión realizada en ia puesta de nuevas estaciones de radio o expansión de canales de espectro en las existentes, disminuyendo la saturación del sistema mediante el uso de un espectro de frecuencias finito. Aparentemente el beneficio pudiera ser lineal: a mayor capacidad instalada, mayor posibilidad de atender a una mayor cantidad de usuarios, pero por desgracia no es así: cuando se incrementa la cantidad de canales o densidad de frecuencias emitidas por área geográfica de cobertura, la interferencia producto de las ondas electromagnéticas propagadas de igual portadora aumenta. además de que las distancias de reuso de canales se disminuyen, afectando el desempeño del sistema, comprometiendo la calidad de las llamadas y ei desempeño de los servicios hacia los suscriptores, además de requerir una administración del espectro rigurosa por parte de las operadoras para controlar, predecir y minimizar al máximo esta situación. El problema actual de crec1m1ento de las operadoras celulares se basa en la imposibilidad de contar con un espectro infinito disponible para ser utilizado a libertad. En nuestro país, por ejemplo, existen bandas de frecuencias predefinidas y conces1onadas para los operadores comerciales de telefonía celular en las bandas de los 800 y 1900 MHz, las cuales contienen espacios entre 5 y 15 MHz. de ancho de banda. Por este motivo los operadores requieren hacer arreglos de reuso de frecuencias para aprovechar al máximo este espacio que tienen del espectro. Por otro lado, las radiobases utilizadas en forma comercial, utilizan antenas con patrones de radiación fijos y de aperturas horizontales que van desde los 60º hasta los 360º para distribuir su señal en la periferia de su cobertura y con ella barren de manera uniforme a todos los móviles que se encuentran dentro de esta área y generando amplias zonas de traslape de frecuencias entre una célula y !a adyacente. Este escenario que compromete el desempeiio de un sistema celular con la necesidad de crec1m1ento, se resuelve con el diseno, construcción e implantación de una antena inteligente de patrón de radiación auto configurable y con múltiples trayectorias únicas y exclusivas para cada móvil que eviten la propagación indiscriminada al aire de frecuencias en zonas geográficas que son innecesarias.. 2.

(16) lntroducc1on general. El trabajo de 1nvestigac1ón presentado en esta tesis planea solucionar la situación mencionada en los párrafos precedentes con el desarrollo de una micro antena a base de MEMS la cual se oriente en la dirección del punto de recepción o trasmisión ubicado al otro lado de la trayectoria con un haz de propagación concentrado que permita reutilizar la frecuencia dentro de la misma zona de cobertura, para lo cual esta organizado en cuatro capítulos. El Capitulo l. "Antecedentes" describe la necesidad por la cual se desarrolla el proyecto, la forma en como las operadoras de servicios inalámbricos dividen zonas de cobertura en células, la problemática actual del uso de espectro y forma de resolverlo, así como las justificaciones de las oportunidades que se pueden aprovechar con la micro antena inteligente. El Capitulo 11. "Marco teórico y estado del arte' contiene la teoría asociada al diseño de la antena y su fabricación dentro de un MEMS. También se incluye aquí un resumen de los avances existentes con micro antenas y micro interruptores. El Capitulo 111. "Modelos desarrollados" muestra los modelos de antenas desarrolladas a lo largo dei trabajo de investigación, explicando sus características. ventajas, desventajas y mejoras hasta llegar aí modelo funcional que servirá para implementarse en un MEMS El Capitulo IV "Fabricación y viabilidad económica del diseño'· describe el proceso de fabricación del MEMS de acuerdo a los procesos estandarizados en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica del estado de Puebla en México, y los pasos a seguir para encapsular el sistema mecánico de orientación del patrón de radiación de la antena con los elementos encargados de la propagación de la señai. Aquí también se realiza una comparación de las capacidades existentes en nuestro país respecto de otras entidades de la industria mundial para la fabricación de MEMS y c1rcu1tos integrados donde se destaca la 1mportanc1a de implementar el modelo de antena. Por último las conclusiones reflejan los logros obtenidos a lo largo del trabajo y pasos que pueden ser desarrollados a futuro.. 3.

(17) Capitulo l. Antecedentes. Capitulo 1 Antecedentes 1.1 Introducción En este capítulo se describirá la problemática existente en la operación actual de las compañías proveedoras de servicios de comunicación inalámbrica, tales como telefonía celular, servicios de datos, banda ancha y todos aquellos enfocados a mercados masivos preferentemente, donde el espectro de frecuencias disponible es finito y cada vez más aumenta ia demanda de serv1c1os de comunicación, escenarios donde es indispensable aprovechar al máximo los recursos. Ante esta problemática, las soluciones posibles representan retos de diseño de los sistemas de radio que permitan vencer la hnealldad de que "A mayor cantidad de usuarios, mayor espectro es requerido". Por otro lado, las regulaciones a nivel mundial, el avance tecnológico o ambas, promueven el desarrollo de soluciones de banda ancha y serv1c1os convergentes, cada vez con mayor capacidad y velocidades. El diseño de una micro antena inteligente perm1t1rá una mayor flexibilidad en el diseño y mantenimiento de los sistemas de radio que proveen los serv1c1os de comunicaciones inalámbricas con ia posibilidad de reutilizar el espectro en distancias más cortas, haciendo un uso más eficiente de las frecuencias licitadas, trayendo una mayor rentabilidad para las operadoras. En el capítulo 2 se explicará el estado del arte de las antenas inteligentes, las micro antenas hechas con MEMS y los avances registrados en esta materia, donde se hará notar de las oportunidades que se pueden aprovechar haciendo uso de la micro y nano tecnología.. 1.2 Problemática actual de las operadoras de servicios de comunicación inalámbrica Actualmente la mayoría de los sitios celulares de un operador comercial dividen los 360º de la cobertura en 1, 2 o 3 sectores, siendo el caso más común la división en 3 sectores de 120º [HA Y-00]. Con este arreglo la cobertura ideal de cada sitio se vuelve uniforme y teóricamente estaría representada por la figura 1.1.. 4.

(18) Capitulo 1. Antecedentes. Fig. 1.1. Cobertura ideal de un sitio de 3 sectores En la figura 1.2 se indican los inconvenientes y ventajas vinculados a la división de una zona de cobertura en segmentos.. VENTAJAS. DESVENTAJAS. - La cobertura de los canales de control en teoría es idéntica a la cobertura de los canales de voz.. - Coberturas y patrones de radiación muy anchos. - Generación de interferencia innecesaria. - No existe un haz de cobertura exclusivo por móvil.. - Todo móvil dentro de la cobertura puede hacer o recibir una llamada. - Facilidad de implementación en diseño, administración del espectro y mantenimiento.. -. Amplitud de espacios abiertos. cobertura. en. - Cada uno de los móviles dentro de una célula de cobertura recibe las señales transmitidas por el resto de ios móviles y viceversa - Restricción de reuso de frecuencias y pobre desempeño en zonas de alta densidad de usuarios. - Desperdicio de cobertura en zonas donde no se ubica un móvil de interés. - Se requieren esquemas que garanticen la seguridad. Fig. 1.2. Ventajas y desventajas de coberturas estándar de las operadoras. 5.

(19) Capitulo l. Antecedentes. Las ventajas y desventajas indicadas en la figura 1.2 aplican también para aquellos operadores que requieren usar antenas para enviar y recibir una señal usando la atmósfera terrestre como medio de transmisión, y así entregar un servicio inalámbrico a un usuario. El arreglo mostrado en la figura 1 .1 implica que el canal de control es propagado en toda la cobertura de cada sector al igual que los canales de servicío y tráfico (voz, datos) independientemente de la frecuencia (DAMPS 800 MHz, GSM 1900 MHZ, WIFI 2.4 GHz, WIMAX 3.5 GHz), modulación (AM, FM, PSK, xxPSK), tecnología (GSM, OAMPS, WIMAX, WIFI, GPRS, EOGE, UMTS, HSOPA), técnica de acceso utilizada (COMA, TOMA, FOMA) o generación del servicio (1º, 2º, 3º, 4º). En los inicios de la telefonía celular comercial en nuestro país a fines de los 80's y principios de los 90's el crecimiento de usuarios e infraestructura era lento. Con el lanzamiento del plan "El que llama paga" a fines de los 90's y principios de siglo, las redes celulares experimentaron un crecimiento exponencial ocasionado por el incremento de suscriptores [COF-06].. CRECIMIENTO DE USUARIOS DE TELEFONIA MOVIL EN MEXICO (21110 - 21Dl). 50,000. ,.. 'l0,000. u,. .;. I!. 30,000. ....ci 20,000. 10,000. o HJ1. 11-0i. 111...01. W-01. H12. 11-Q2. 11...a:2. IV-Cl2. f-m. il-03. 111-aJ. IV-,CD. "Usuarios. l-04. 11-0t. IIHJiL. IV-04. ~. H,-.CJ5. 111-05. IV-0$. I-CIEi. 1 C!rtidades en niles. 11-(E.. m-06. ele susc~ores. 1. Fig. 1.3. Crecimiento de usuarios de telefonia móvil en México 2000 - 2006 Entre el año 2000 y 2006 el sector de telefonía móvil ha tenido el segundo lugar en inversiones después del servicio telefónico convencional y de larga distancia, por parte de sus operadoras en nuestro país en relación al total de servicios de telecomunicaciones ofrecidos. Al cierre del tercer trimestre del 2006, en nuestro país había casi 53 millones de usuarios registrados [COF-06]. 6.

(20) Capitulo 1. Antecedentes. El crecimiento de los sistemas de telefonía móvil celular ha demostrado un crecimiento exponencial desde su lanzamiento comercial en 1989, el cual se muestra en la figura 1.4 de acuerdo a los resultados pubhcados por la COFETEL para el primer trimestre del año 2005 [COF-05].. CRECIMIENTO DE USUARIOS TELEFONIA CELULAR (1990-2000). 16000 ~. 12000. ------------------------14,078. -te;:==========,:::=:=-:;;=· 7,732. 8000. 3,349. 4000. 1990. 1991. 1992. 1993. 1994. l. 11. 1995. USUARIOS. !. 1996. 1997. 1998. 1999. 2000. !Cantidades en miles de suscriptores j. Fig.1.4. Crecimiento de usuarios de telefonía celular en México 1990 - 2000. El crecimiento de suscriptores de las redes celulares, la dificultad de construir nuevos sitios, el reuso de frecuencias en distancias cada vez más cortas, el costo de adquirir nuevo espectro radioeléctrico y la interferencia que genera el aumento de canales de voz derivan en un inconveniente para las operadoras al no poder mantener una calidad y desempeño de una red aceptable que evite las caídas de llamadas, incremente la facturación y proporcione confiabilidad al usuario que se vea reflejada como fidelidad para la operadora. Actualmente, esta tendencia continúa en crecimiento. De acuerdo a un estudio de "Pyramid research" se espera un aumento constante para los próximos años en la demanda de servicios de comunicación inalámbrica en nuestro país [PYR-06]:. 7.

(21) Capitulo l. Antecedentes. INGRESOS ESTIMADOS DE SERVICIOS DE COMUNICACION (2002-2011). mUSD 36,000 32,000 28,000 24,000. 20,000 16,000 12,000 8,000 4,000. o 2002. 2003. •MOVIL. 2004 • VOZ FIJA. 2005. 2006 e INTERNET. 2007. 2008. • TV PAGA. 2009. 2010. 2011. • CIRCurros PRIVADOS. Fig.1.5. Crecimiento esperado de usuarios de servicios móviles en México El desarrollo de un modelo de antena inteligente abre un nuevo campo de posibilídades para la planeación y diseño de redes celulares de todas las tecnologías: mejora de desempeño, disminución de las llamadas caídas o de mala calidad (entrecortadas), mayor cantidad de llamadas cursadas, incremento en la facturación, planes de frecuencia con reusas a menor distancia física y administración eficiente del espectro radioeléctrico; posibilidades que pueden hacerse realidad con la ínversión e interés de las operadoras telefónicas y sus accionistas. Otro problema al que se enfrentan las operadoras de telefonía y celular y de servicios de comunicación móvil que deseen instalar antenas a lo largo de las ciudades y poblados de nuestro país, es el impacto ambiental que produce la ínstalación de torres de telecomunicaciones, en algunos casos se aprovecha una torre para coubicar a varios operadores; pero en otros casos la densidad de torres de telecomunicaciones es alta, un ejemplo son las inmediaciones del campus del ITESM CCM donde se pueden apreciar tres grupos de antenas de telefonica celular y algunos de enlaces de micro ondas, ya sean ubicadas en torres o azoteas, tal y como se muestra en la fotos de la figura 1.6.. 8.

(22) Capitulo 1. Antecedentes. Fig.1.6. Zona densa en torres de telecomunicaciones. En la mayoría de los casos, esta infraestructura hace que baje la plusvalía de las zonas donde se encuentra, pierde el lujo y la vista del entorno, además de causar molestias a los vecinos donde se instalan. Esta situación no es exclusiva de México, de ahí la importancia de aprovechar al máximo la infraestructura instalada y los espacios disponibles. Una alternativa para disimular el efecto de la instalación de torres y antenas de telecomunicaciones es el camuflaje dándoles formas que armonicen con el entorno [SIS-07].. a). b). c). d). e). f). Fig.1.7. Camuflaje de estructuras de telecomunicaciones. a) Bandera, b) Palmera, e) y d) Campanario, e) Reloj, f) Monopolo esbelto. Las técnicas de camuflaje no resuelven el problema de aprovechar en mejor medida el espectro de radio, pero si las antenas inteligentes.. 1.3 Retos de diseño. La propuesta de este trabajo consiste en diseñar una antena inteligente y asi asignar a cada móvil un patrón de radiación único que no se traslape con el de los demás móviles de la misma célula, proporcionándole una cobertura direccional y cambiante de acuerdo a su movimiento y necesidades de servicio, pudiendo así concentrar la señal de radiofrecuencia en un ángulo más pequeño evitando enviar esta señal de forma innecesaria a todos los móviles que se encuentran dentro de una célula de cobertura. 9.

(23) Capitulo l. Antecedentes. Cabe aclarar que el término de "antena inteligente" en ningún momento atribuye una lógica de pensamíento a la antena. El concepto se refiere a la construcción interna de la misma: arreglos de sus elementos en conjunto y a la capacidad de procesamiento de señales, para la transmisión y recepción de información hacia y desde una terminal móvil, por ejemplo un teléfono celular ubicado en una cierta dirección, donde esta terminal cada una de las existentes en una zona, obtiene un patrón de radiación independiente desde la radiobase de acuerdo a la ubicación en la que encuentre, aumentando el reuso de canales o frecuencias dentro de la misma célula sin que se traslapen sus coberturas [IEC-01].. Fig. 1.8. Cobertura de voz/datos concentrada para cada móvil. Actualmente existen prototipos de antenas inteligentes, los cuales consisten en arreglos de antenas de varias aperturas fijas, los cuales son conmutados por un circuito electrónico que decide cuál segmento es el que proporciona cobertura a cada uno de los móviles que cursan llamada dentro del área de servicio de la célula involucrada. La aportación principal de esta tesis consiste en diseñar una antena inteligente e innovadora que pueda ser construida dentro de un MEMS y supere las limitaciones actuales de las antenas de patrón de radiación fijo e inteligentes de haz conmutado La cobertura en interiores también puede resolverse con el uso de antenas inteligentes. Dado que los móviles dentro de inmuebles se desplazan distancias mínimas, resulta posible implementar las siguientes funciones en una red [ZWl-02].. 10.

(24) Capitulo l. Antecedentes. •. Modulación por espacio (SOMA) para reutilizar en una misma célula el mismo canal dedicado pero en otra dirección. •. Filtrado espacial para reducción de interferencia. •. Entrada múltiple - salida múltiple. El objetivo de la tesis es desarrollar un modelo de antena inteligente de las siguientes características: •. Arreglos de dipolos múltiples con apertura horizontal y vertical delgadas. •. Circuito conmutador que permita elegir al dipolo más adecuado para dar cobertura a un móvil que requiera un canal dedicado. •. Dipolos dinámicos con dos grados de libertad y sistema de control con motores que permita determinar la orientación (azímuth) y elevación (inclinación) adecuada de cada dipolo para apuntar a la dirección de cada móvil. El patrón de radiación conmutado dinámico funcionaria tal y como se muestra en la figura 1.9 [MOR-01]:. Usuario Deseado. Usuano lnterferente. Fig. 1.9. Antena de haz dinámico. Los beneficios que se pueden obtener a partir del diseño de este modelo son [RUG-04, SON-02]: •. El operador podrá contar con multi coberturas direccionales únicas y cambiantes en cada antena destinadas a cada móvil. 11.

(25) Capitulo l. Antecedentes. •. Aumento de zonas de cobertura y de reusas en distancias físicas menores a las requeridas por antenas de panel tradicionales. •. Mejora de la calidad de llamadas por la reducción de: multi trayectorias y desvanecimiento de la señal. •. Reducción de interferencia en canales dedicados debida a la propagación de haces concentrados en dirección a los móviles aumentando la relación de C/1. •. La reducción de interferencia permite una mejora en la tasa de SER lo cual permite que la calidad del servicio aumente; además, mediante técnicas de acceso múltiple espacial (modulación SOMA), permite realizar planes de frecuencia menos ajustados. •. Las coberturas directivas generan una dificultad para que un tercero interfiera la comunicación. •. Estadística precisa de lugares de mayor tráfico (ayuda para detectar HOT SPOTS). •. Entrada al mercado con un diseño único e innovador en nuestro país. •. Una inversión mínima en comparación con la ganancia obtenida con la facturación de servicios, la cual hace rentable la implantación de esta tecnología [AVl-03]. Las desventajas del desarrollo del modelo de antena inteligente son las siguientes: •. Mayor complejidad para el diseño y administración del espectro. •. La operadora requiere acostumbrarse a este nuevo diseño de antena y a una nueva metodología de planeación de la red celular. •. El uso comercial de estas antenas aún no ha sido explotado de forma masiva, por lo que no existe experiencia ni consultoría al respecto. 1.4 Problemática y oportunidades a desarrollar. El diseño tradicional de zonas de cobertura para los sistemas inalámbricos comienza a partir de la necesidad de ubicar una antena que en forma ideal tenga una cobertura uniforme a los 360º de su perímetro, constituyendo de esta manera una cobertura omnidireccional en una extensión de terreno definida.. 12.

(26) Capitulo l. Antecedentes. En el límite del círculo descrito, será necesario ubicar otra antena para extender la cobertura hacia una nueva zona geográfica. Si a este sistema se agregan más y más estaciones base con antenas omnidireccionales y se ubican a la misma distancia unas de otras, los traslapes entre ellas describirán células hexagonales [ERl-00].. Fig. 1.1 O. Células hexagonales. Si estas células dividen su cobertura en 3 secciones de 120º como se muestra en la figura 1.8, se puede aumentar la cantidad de espectro propagado hacia el aire [ERl-00].. Fig. 1.11. División de células en tres sectores. Tradicionalmente, las operadoras de servicios inalámbricos han buscado subdividir los hexágonos en otros más pequeños para atender problemas de saturación y demanda de servicios por parte de los suscriptores móviles, cada uno de ellos manteniendo el estándar de 3 sectores [ERl-00].. 13.

(27) Capitulo 1. Antecedentes ¡-.. /. \. \. .- -. -. \. \ r. H ,. /. '. '. Fig. 1.12. Subdivisión de células en otras más pequeñas. Las antenas inteligentes han surgido como una tecnologia líder innovadora para lograr una mayor eficiencia en las redes de telefonía inalámbrica, aumentar su capacidad e impulsar la calidad y cobertura; sin embargo, su incorporación implica una mayor complejidad en los equipos transmisores - receptores, así como la metodología de diseño y mantenimiento [ROD-04]. Por cada una de las subdivisiones que se hagan a un hexágono, se reduce la distancia de reuso de frecuencias, lo cual aumenta ia posibilidad de que una misma frecuencia se ocupe en una distancia física de separación muy corta y genere interferencia degradando la calidad del servicio [ERl-00]. En la telefonía celular existe el problema de que continuamente aumenta la demanda de servicios por parte de los usuarios, tanto en cantidad de abonados como de información, lo cual requiere un mayor uso del espectro electromagnético y una mejora en la calidad de la señal. Instalar más células en zonas densas de usuarios no es la forma más económica de resolver el problema, pero ayuda ya que a menor distancia de separación, las antenas necesitan de menor potencia a transmitir [ROD-04]. A diferencia de las antenas convencionales, las antenas inteligentes se ajustan a la zona de radiación para adaptarse al entorno electromagnético y las condiciones de tráfico para así atender solo a los usuarios que requieren servicio en ese momento por medio de haces muy directivos. Las venta1as de la directividad se enuncian a continuación [ROD-04]: •. Incremento en la ganancia. •. Mayor selectividad angular 14.

(28) Capitulo I Antecedentes. •. Incremento en la zona de cobertura (mayores d1stanc1as). •. Reducción de la potencia transm1t1da (ahorro de energía, mayor duración de las baterías). •. Disminución de la propagación en mult1 trayectorias. •. Menor nivel de interferencia. •. Mejora en la seguridad de la 1nformac1ón. •. Desarrollo de nuevos serv1c1os: radiolocalizac1ón precisa, tarifas por zona geográfica, envio de mensajes por zona. Aparentemente el uso de las antenas inteligentes puede proveer estas ventajas a una red de telefonía móvil, pero existen desventa¡as que limitan su aplicación [ROD-04}. •. Instalación compleja. •. Costosos sistemas de procesamiento de señales para optimizar la zona de radiación. •. Los sistemas adicionales de control y gestión encarecen el costo de la antena. Se presume que con el paso del tiempo y el avance de servicios de telefonía de tercera generación, las operadoras tengan la necesidad de implementar antenas de este tipo. Como ejemplo, Lucent T echnolog1es en febrero 2003 presentó un nuevo modelo de radiobase con tecnología CDMA y aplicaciones digitales para tercera generación [ROD-04). Los MEMS tienen ventajas atractivas para la telefonía celular, ya que permiten el uso de antenas inteligentes reconfigurables de rápida velocidad de respuesta y menores pérdidas que las antenas actuales de patrón de rad1ac1ón fijo. Estas ventajas son trasladables a otros serv1c1os de cornun1cac1ón 1nalarnbnca como WIMAX, WIFI, EDGE.. 15.

(29) Capitulo l. Antecedenies. 1.5 Conclusiones Los desarrollos en telecomunicaciones a partir de MEMS permitirán a futuro aprovechar los anchos de banda que tienen las frecuencias del orden de ios gigahertz en lugar las de megahertz. El tamaño pequeño (micras) de los MEMS y su capacidad de trabaJar a frecuencias de hasta 100 GHz. Abre un campo de posibilidades y aplicaciones nuevo que se enfocará a servicios de transmisión y procesamiento de datos a mayores velocidades de las que estamos acostumbrados. Mediante la explicación de los usos más comunes, es posible entender el func1onam1ento, la interacción de los elementos de una antena, las configuraciones actuales y los pasos de diseño que permiten desarrollar un modelo de una antena innovadora que pueda vencer los retos de desempeño que las aplicaciones comerciales no han solucionado. El diseño de una micro antena inteligente con tecnología MEMS y sistema de control, representa un proyecto que conjunta la complejidad de dos tecnologías: antenas y MEMS.. 1.6 Bibliografía. [AVl-03]. Av1dor Furman, L1ng, Papadias. "On the Financia! lrnpact of Capac1ty Enhancing T echnologies to Wireless Operators" Lucent Technolog1es, Bell La borato ríes. IEEE Wireless Communications, Agosto 2003. pp. 62-65.. [COF-05]. Com1s1ón Federal de Telecomunicac1ones. ··índice de producción del sector de T elecomumcac1ones - ITEL - Primer trimestre 2005 (cifras preliminares)". COFETEL México. Consultado el dia 05-Jul-05, pp 19. URL http://www.cofetel.gob.mx/tmp/1 trim2005.pdf.. [COF-06]. Corrns1ón Federal de Telecomumcac1ones. ·'indice de producción del sector de Telecomumcac1ones - ITEL - Tercer trimestre 2006 ( cifras preliminares)". COFETEL México. Consultado el dia 05-Mar-06, pp 1-12. URL http://www.cofetel.gob.mx/tmp/3trim2006.pdf.. [HAY-00]. Hayk1n, ··communication Systems". 4th edition, Wiley & Sons. 2003. Chapter 8 pp. 512-566.. [ERl-00]. Ericsson, 'TOMA 136 Cell Planmng Principies, EN/LZT 123 5488 R1A". Abril 2000, capitulo 4 ''Radio Wave Propagation" . capitulo 5 ·'Antennas". [MOR-01]. Moreno, Franco, Miranda. "Introducción a la tecnología de antenas inteligentes. Aplicación a UMTS". Telefónica Móviles España. 16.

(30) Capitulo l. Antecedentes. Revista comumcac,ones de Telefonía i+D, Número 21, Jumo 2001. pp. 43-56. [PYR-06]. Salvador. Anas, Oorr. "Commumcat1ons markets 1n Mex1co 2007' Pyram,d Research Premium country report 2006. URL http://www. pyram1dresearch.com. Consultado el día 05-Feb-07. [ROD-04]. Rodríguez, García, Sedano, Martínez. ''Prospectiva y ruta tecnológica de aplicaciones MEMS en telecomurncac1ones". TEKINFO, Jumo 2004, 117 páginas.. [RUG-04]. Rugamba.. Syman, Kunen. ·viab1hty of Us1ng lntelligent (smart) Antenna Systems in GSM Cellular Networks m Atnca". IEEE PRESS 0-7803-8574. 2004. pp. 124-130.. [515-07]. Catalogo S1sttemex 2007 Versión impresa. Versión electrónica URL http://www.s1sttemex.com consultada el 1º de Marzo 2007.. [50N-02]. Soni, Buehrer, Benning. ''lntelligent Antenna System for COMA 2000". IEEE Signa/ Processing Magazme, Jul 2002. pp. 54-67. [ZWl-02]. Zw1ck, Fischer, W1esbeck. ªA Stochastic Mult1path Channel Model lncluding Path Directions far lndoor Env1ronment". IEEE Journal on Selected Areas m Commumcations, vol. 20, no. 6 Agosto 2002. pp. 1178-1191.. 17.

(31) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. Capitulo 11 Marco teórico y estado del arte 2.1 Introducción. En el capítulo anterior se explicó la problemática actual de las operadoras de servicios de comunicación inalámbrica, en este capítulo se describen las consideraciones de diseño y teoría de antenas necesarias para desarrollar un modelo de antena inteligente que pueda enfocar su lóbulo principal hacia un objetivo en específico, así como la posibilidad de modificar su patrón de radiación y cambiar la orientación del haz principal mediante una acción mecánica con el apoyo de un sistema de control externo. Lograr el diseño de una antena inteligente con elementos móviles, que cumpla las características mencionadas en el párrafo anterior, representa un reto para el diseño tradicional de una antena; sin embargo, su aplicación hacia la telefonía celular puede originar que el desempeño de una red mejore a partir de la posibilidad de que las antenas ubicadas en las estaciones base y/o en las estaciones móviles, adecuen flexiblemente sus características para orientarse hacia la dirección donde se requiere transmitir o recibir una señal de comunicación. El diseño de una antena inteligente a partir de MEMS considera los criterios de diseño de ambas tecnologías, la integración de los principios de radiofrecuencia, sistemas de transmisión y propagación de señales, como también los materiales, limitaciones y procesos de fabricación característicos de los MEMS.. 2.2 Teoría general de antenas. Una antena es un sistema conductor metálico capaz de emitir y recibir ondas electromagnéticas hacia y desde la atmósfera. Se utiliza como la interfaz entre un transmisor y un receptor o ambos, donde la señal electromagnética (enviada o recibida) en la mayoría de los casos usa la atmósfera terrestre como medio de transmisión. Se trata de un dispositivo pasivo, es decir: no amplifica una señal, sin embargo puede tener una ganancia cuando concentra las ondas electromagnéticas en una dirección en específico. También es recíproca ya que se comporta de igual forma como receptor y transmisor. Se compone de dos elementos radiadores llamados dipolos, los cuales son los responsables de la propagación de las ondas electromagnéticas. La potencia radiada no puede exceder la potencia de entrada, de tal forma que no amplifica la potencia que recibe, únicamente la concentra en una dirección, es decir que la densidad de potencia se propaga en la dirección de su lóbulo principal de radiación [TOM-96]. La figura 2.1 muestra una antena básica formada por dos elementos emisores / receptores de señal (dipolos). 18.

(32) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. Alimentación. 1 +' \t /i. Ondas emitidas. 1. ------..__¿. I. .. /. ''-(. Fig. 2.1. Antena básica. La polarización consiste en la orientación del campo eléctrico radiado desde antena, la cual puede ser en forma lineal. Un ejemplo es la polarización vertical cuando onda electromagnética que propaga se emite en forma vertical, análogamente polarización horizontal sigue este principio. Otro tipo de polarización es la elíptica circular cuando el patrón de radiación gira en forma circular o elíptica [TOM-96].. la la la o. La onda electromagnética se conforma de dos campos. Uno eléctrico y otro magnético. Ambos se encuentran perpendiculares entre si en el eje de la propagación de la señal [ERl-00]. La orientación del eléctrico indica la polarización de la antena. La figura 2.2 muestra el arreglo de ambos campos: Campo eléctrico Plano de la antena. Dirección de la propagación de serial. Fig. 2.2. Campos eléctrico y magnético. Para que se genere el campo electromagnético se requiere que la antena sea alimentada por una señal (corriente alterna). La diferencia entre una antena transmisora y una receptora es la potencia que maneja cada una de ellas. La propagación de señal depende de la configuración de elementos de la antena. En el caso de las antenas de panel que se utilizan para telefonía celular, la dirección de propagación de señal es en forma perpendicular a la superficie; para las antenas Yagi y Log Pe el lóbulo principal se ubica al frente de la antena y no en forma perpendicular como en las antenas de panel.. 19.

(33) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. Considerando una antena elemental de un elemento de sección transversal circular, la señal se propagará en forma omnidireccional y perpendicular a la superficie, tal y como se muestra en Fig. 2.3. t Propagación de señal. ...··... ..··... ....···········*. .............. ··············.... ......... ,...................... .. Elemento de sección circular. ··········-·················. ··.. ............................·. Cobertura Omnidireccional. ·····... ·····... ····..... "'. Fig. 2.3. Propagación de señal de un elemento de sección transversal Una antena en su forma más elemental se compone de dos elementos: Uno positivo y otro negativo, conformando un dipolo (dos polos). La propagación de señal en un dipolo se genera a partir de la propagación de señal de un polo hacia el otro [ERl-00].. Transmisor. Propagación en el sentido del campo eléctrico. Fig. 2.4. Propagación de señal de un elemento de sección transversal La propagación de señal de un dipolo se genera en dirección perpendicular a la superficie de los elementos, describiendo un lóbulo principal. Este lóbulo se compone de dos campos: eléctrico y magnético [ERl-00].. 20.

(34) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. Fig. 2.5. Campo eléctrico. Fig. 2.6. Campo magnético. Tanto el campo eléctrico como el magnético son perpendiculares entre si. En la figura 2. 7 se muestra como interaccionan ambos cuando se combinan para describir el patrón de radiación de la antena [ERl-00].. J. Campo eléctrico. Campo eléctrico Campo magnético. Campo magnético. o~. Fig. 2.7. Campo eléctrico y magnético propagado por un dipolo. El ancho del haz de la antena se forma por la separación angular entre los dos puntos de media potencia (-3 dB) en el lóbulo principal del patrón de radiación del plano de la antena, cada uno de estos puntos representa los puntos de media potencia [TOM96]. La figura 2.8 muestra estos dos puntos (A y B) junto con la parte de la potencia de la señal que se propaga en sentido completamente inverso. En una antena, no solo existe emisión de ondas electromagnéticas hacia el frente y hacia la parte posterior. Existen también lóbulos secundarios (orden 2) y hasta de orden "n" no deseados que se propagan fuera de los puntos A-B de la señal principal, y por lo tanto no están contemplados dentro de los 3 dB del haz frontal de la antena [TOM-96].. 21.

(35) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte Lóbulo principal. X dB. X- 3 dB. Fig. 2.8. Lóbulo principal de una antena en plano horizontal Los lóbulos no deseados se pueden propagar hacia la parte posterior de la antena y sus lados. [TOM-96].. 60º. 315º. 45º. Lóbulo posterior menor. - 6 dB 225". 135". - 3 dB O dB. 180º. Fig. 2.9. Lóbulos principal, posterior y laterales de una antena. 22.

(36) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. El ancho de banda de la antena se define como el rango de frecuencias sobre las cuales la operación de la antena es satisfactoria. La antena más elemental consiste en un dipolo, el cual puede ser corto (su tamaño es de una décima parte de la longitud de onda), de un cuarto de longitud de onda, de media onda o más grande [TOM-96]. La longitud de una antena depende de la frecuencia a la cual se desea diseñar. Por ejemplo, para una frecuencia de transmisión de 1 GHz, un cuarto de longitud de onda equivale a 7.5 cm; sin embargo para una frecuencia de 1 MHz , un cuarto de longitud de onda equivale a 75 m, y el tamaño continúa aumentando si la frecuencia de transmisión disminuye. Es obvio que las dimensiones físicas para antenas de baja frecuencia no son prácticas [TOM-96].. Fórmula 2.1. Cálculo de la longitud de onda. Un arreglo de antena se forma cuando dos o más elementos se combinan para formar uno solo. Cada elemento de la antena representa a un propagador individual. Cuando se colocan físicamente varios elementos de tal forma que sus campos de radiación interactúen entre sí, se produce un patrón de radiación total que es la suma de los vectores de los campos individuales. El propósito de un arreglo es incrementar la directividad de un sistema formando así una antena, concentrando la potencia emitida dentro de una zona de interés y obtener así una ganancia [TOM-96].. 2.2.1 Impedancia. No toda la potencia suministrada a la antena se propaga hacia la atmósfera, parte de ella se convierte en calor y se disipa, por lo que la antena tiene una resistencia a la corriente eléctrica que se alimenta y constituye una pérdida a la señal. Esta resistencia resulta compleja ya que no se puede medir en forma directa [TOM-96]. La resistencia de radiación es una resistencia de la antena en corriente alterna y es igual a la relación de la potencia radiada por la antena dividida entre la potencia elevada al cuadrado de la corriente en su punto de alimentación. Matemáticamente se muestra en la figura 2.2 [TOM-96].. R=p i~. Fórmula 2.2. Ecuación de la resistencia de radiación. La resistencia de radiación es la resistencia que, si reemplazara la antena, disiparía exactamente la misma cantidad de potencia de la que irradia la antena. La eficiencia de la antena es la relación de la potencia radiada por una antena a la suma de la potencia radiada y disipada, o la relación de la potencia radiada por la antena con la potencia total de entrada. La figura 2.4 muestra esta ecuación [TOM-96]. JJ =. Pr Pr+ Pd. xl00%. Fórmula 2.3. Ecuación de eficiencia de la antena 23.

(37) Capitulo 2. Marco teórico. y estado del arte. La ganancia directiva de una antena se refiere a la relación de densidad de potencia radiada en una dirección en particular con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas irradian la misma cantidad de potencia. El patrón de radiación para la densidad de potencia de una antena es realmente un patrón de ganancia directiva si la referencia de la densidad de potencia se toma de una antena referida, que por lo general se le llama isotrópica. La máxima ganancia directiva se llama directividad [TOM-96]. p. G=. Pref.. Fórmula 2.4. Ecuación de ganancia directiva La ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva excepto que considera el total de potencia que alimenta a la antena, es decir: considera la eficiencia. Se supone que la antena irradiada y la antena de referencia tienen la misma potencia de entrada, y la segunda no tiene pérdidas (eficiencia = 100%), por lo que matemáticamente la ganancia de potencia se expresa como [TOM-96]: Ap = G * l}. Fórmula 2.5. Ecuación de ganancia de potencia La ecuación de la fórmula 2.5 puede expresarse como una relación en decibeles de la potencia de entrada y la potencia que realmente se aprovecha por la eficiencia de la antena [TOM-96]. Ap=lülog Pr¡ Pref. Fórmula 2.6. Ecuación de ganancia de potencia en decibeles Para una referencia isotrópica, la directividad de un dipolo de media onda es de 2.15 dB, por lo que la ganancia se expresa en dBi (decibeles isotrópicos) y es 2.15 dB mayor que si se utiliza un dipolo de media onda como referencia. Resulta importante considerar que una antena nunca puede radiar una cantidad de potencia que exceda la potencia de entrada, por lo que una antena directiva concentra su potencia radiada en una dirección en particular, lo cual refleja una aparente ganancia en la potencia. Cabe aclarar que el patrón de transmisión de una antena es idéntico a su patrón de recepción [TOM96]. La potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) se define como una potencia de transmisión equivalente y se expresa como la potencia total radiada en watts multiplicada por la ganancia directiva de la antena transmisora (adimensional) [TOM-96]. EIRP = P* At. Fórmula 2.7. Ecuación de EIRP La radiación proveniente de una antena es el resultado directo del flujo de corriente de Radiofrecuencia. La corriente fluye a la antena a través de la línea de transmisión y se 24.

(38) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. conecta por el punto de alimentación, el cual presenta una carga en corriente alterna a la línea de transmisión, la cual se llama impedancia de entrada de la antena. Si la impedancia de salida del transmisor y la impedancia de entrada de la antena son iguales a la impedancia característica de la línea de transmisión, se eliminan las ondas estacionarias, se transfiere toda la energía a la antena y se irradia [TOM-96]. La impedancia de entrada se define como la relación del voltaje de entrada a la antena en volts, dividido entre la corriente de entrada a la antena en amperes [TOM-96].. z = E, '°. I. 1. Fórmula 2.8. Ecuación de impedancia de entrada de la antena. Generalmente la impedancia de entrada de la antena es compleja y equivale a la suma de la impedancia de radiación y la impedancia efectiva [TOM-96]. El tipo más sencillo de antena consiste en un dipolo corto (menor a una décima parte de la longitud de onda) que tiene corriente uniforme en toda su longitud, la cual varía en forma sinusoidal en el tiempo y en cualquier instante [TOM-96]. i(t). = i * sen(21l{t + ¡J). Fórmula 2.9. Ecuación de corriente instantánea. En esta fórmula, la "i" representa la amplitud pico de la corriente de RF en amperes, la "f" corresponde a la frecuencia en hertz utilizada, la "t" es el tiempo instantáneo en segundos y "8" es el ángulo de fase en radianes [TOM-96]. El dipolo lineal de media onda es una de las antenas más comunes en frecuencias por encima de los 2 MHz [TOM-96].. 2.2.2 Relación de onda estacionaria (VSWR). La antena recibe la señal que la alimenta directamente de una línea de transmisión, la cual se acopla a la antena mediante un conector. En el otro extremo de la línea se coloca un generador de señal o transmisor con un amplificador que proporciona la potencia a la señal que se desea propagar por el aire como medio de transmisión inalámbrico [TOM-96]. La línea que alimenta a la antena es bidireccional, ya que la potencia puede propagarse en ambos sentidos: desde y hacia la antena. El voltaje que viaja desde la fuente de la señal (transmisor) hacia la carga (antena) se conoce como voltaje incidente y el que se propaga desde la antena hacia el receptor se le conoce como voltaje reflejado. Análogamente existen corrientes incidentes y propagadas en la línea de transmisión [TOM-96]. La corriente y el voltaje incidente siempre están en fase para una impedancia puramente resistiva de la antena. Si existiera una línea infinitamente larga, toda la potencia propagada es absorbida por la línea y no se regresa ninguna parte de la señal 25.

(39) Capitulo 2. Marco teórico y estado del arte. transmitida de vuelta hacia la fuente. Si la línea terminara en una carga resistiva, sucedería este mismo fenómeno y la potencia sería absorbida por la carga y por la línea (pérdidas en la trayectoria) [TOM-96]. En el caso de que no toda la potencia transmitida sea absorbida por la carga y la línea de transmisión, existirá una porción de la energía que viajará de vuelta hacia la fuente por la misma línea y se le conoce como potencia reflejada, la cual en ningún caso puede ser mayor a la potencia incidente [TOM-96]. Una línea que no refleje potencia se le conoce como línea no resonante. Cuando la carga es un circuito cerrado o completamente abierto, toda la potencia se regresa por completo hacia la fuente. En caso de que las terminales de la línea en el extremo de la carga estén en circuito abierto y no sean paralelas, el campo electromagnético que viaja a lo largo de los dos conductores de la línea de transmisión permitirá que la señal se escape fuera de la línea y funcionará como una antena (dipolo) en su forma más sencilla [TOM-96]. El coeficiente de reflexión es una cantidad que representa la relación del voltaje o corriente que regresa a la fuente que la genera. Matemáticamente se expresa con la letra griega gamma y se describe como [TOM-96]:. r = 1, 1,. Fórmula 2.1 O. Ecuaciones del coeficiente de reflexión Cuando la Za = ZL la carga absorbe toda la potencia incidente y la línea se acopla por completo a la carga. Por otro lado, cuando esta igualdad no se cumple, parte de la potencia es absorbida por la carga y otra parte se regresa a la fuente, por lo que la línea no esta acoplada por completo a la carga, lo cual representa a dos ondas electromagnéticas que viajan por el conductor: una hacia la carga y otra de regreso hacia la fuente, por lo que se genera interferencia entre ambas. La figura 2.1 O muestra las dos ondas [TOM-96].. Linea de Transmisión. Carga. Fuente. Onda Incidente. Onda Reflejada. Fig. 2.1 O. Ondas incidente y reflejada El concepto de onda reflejada es útil cuando la carga utilizada es una antena, ya que la eficiencia de la propagación de la señal generada por la fuente en el espacio,. 26.