Análisis y simulación de la propagación de ondas milimétricas en un ambiente indoor

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE LA PROPAGACIÓN DE ONDAS MILIMÉTRICAS EN UN AMBIENTE INDOOR. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. JORGE EDUARDO VACA PROAÑO [email protected]. DIRECTOR: M.Sc. RICARDO XAVIER LLUGSI CAÑAR [email protected]. Quito, junio 2017.

(2) i. DECLARACIÓN. Yo, JORGE EDUARDO VACA PROAÑO, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. _________________________ Jorge Eduardo Vaca Proaño.

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por JORGE EDUARDO VACA PROAÑO, bajo mi supervisión.. _________________________ Ing. Ricardo Llugsi, MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) iii. AGRADECIMIENTO. Agradezco a mis padres Carmita y Jorge, por el ejemplo de perseverancia, y su apoyo incondicional en todas las etapas de mi vida. Al resto de mi familia, Mónica, Verónica, Martha, Laura, Aurora, Pierre que siempre han sabido darme apoyo y fuerzas para cumplir los objetivos de mi vida. Al Ingeniero Ricardo Llugsi por los consejos y la oportunidad brindada para realizar el presente trabajo bajo su dirección. A los ingenieros, Luis Bravo, Henry Díaz y Daniel Montufar quienes han sido mentores en el campo laboral y de quienes he aprendido de la profesión nos apasiona.. Jorge Vaca Proaño.

(5) iv. DEDICATORIA. Este trabajo está dedicado a mi familia, por estar siempre junto a mí, y ayudarme a crecer en el aspecto académico y personal.. Jorge Vaca Proaño.

(6) v. CONTENIDO DECLARACIÓN ....................................................................................................... i CERTIFICACIÓN .................................................................................................... ii AGRADECIMIENTO ............................................................................................... iii DEDICATORIA ....................................................................................................... iv CONTENIDO ........................................................................................................... v CAPÍTULO I ........................................................................................................... 1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................................ 1 1.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1. 1.2. ANTENAS ................................................................................................ 1. 1.2.1. PARÁMETROS................................................................................... 3. 1.2.1.1. Ganancia ...................................................................................... 3. 1.2.1.2. Directividad .................................................................................. 4. 1.2.1.3. Patrón de Radiación ..................................................................... 6. 1.2.1.3.1 Patrón de Radiación Omnidireccional ..................................... 7 1.2.1.3.2 Patrón de Radiación Directivo ................................................ 8 1.2.1.4. Ancho de Banda........................................................................... 8. 1.2.1.5. Polarización.................................................................................. 9. 1.2.1.6. Impedancia................................................................................. 11. 1.2.1.7. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, Relación de Onda. Estacionaria de Voltaje) ............................................................................. 11 1.3. ANTENAS MICROSTRIP ....................................................................... 12. 1.3.1. 1.4. Métodos de Alimentación ................................................................. 12. 1.3.1.1. Ranura ....................................................................................... 12. 1.3.1.2. Cable Coaxial ............................................................................. 13. 1.3.1.3. Línea Microstrip .......................................................................... 13. 1.3.1.4. Acoplamiento Electromagnético ................................................. 14. 1.3.1.5. Consideraciones adicionales...................................................... 14. ONDAS MILIMÉTRICAS ........................................................................ 15. 1.4.1. PROPAGACION DE ONDAS MILIMÉTRICAS ................................. 16. 1.4.2. Efectos en el canal ........................................................................... 17. 1.4.3. Difracción .......................................................................................... 19. 1.4.4. Reflexión y Penetración .................................................................... 19.

(7) vi. 1.4.5 1.5. Consideraciones adicionales ............................................................ 20. AMBIENTE INDOOR ............................................................................. 20. 1.5.1. Modelo de Trazado de Haces (Ray Tracing Model) ......................... 21. 1.5.2. Modelo COST 231 Multi Pared ......................................................... 21. 1.5.3. Modelo de pérdidas Log-distancia .................................................... 22. 1.5.4. Desvanecimiento de Rayleigh .......................................................... 23. 1.6. NORMAS PARA LA CONSTRUCCION ................................................. 23. 1.6.1. Norma Ecuatoriana para la Construcción (NEC) ............................. 23. 1.6.2. Ordenanzas del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ) ................... 24. 1.6.2.1. Régimen Administrativo del Suelo en el Distrito Metropolitano de. Quito. 24. 1.6.2.2. Normas específicas de edificaciones por usos .......................... 26. CAPÍTULO II ........................................................................................................ 27 DISEÑO DEL ARREGLO DE ANTENAS ............................................................. 27 2.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................... 27. 2.2. SELECCIÓN DEL RANGO DE FRECUENCIAS .................................... 27. 2.3. SELECCIÓN DEL SUSTRATO .............................................................. 27. 2.4. DISEÑO DEL ELEMENTO RADIANTE.................................................. 28. 2.4.1. DISEÑO DEL ELEMENTO RADIANTE PARA 38.75 GHz ............... 30. 2.4.1.1. Cálculo del sistema alimentador del elemento radiante ............. 31. 2.4.1.2. Cálculo de la distancia entre elementos radiantes ..................... 32. 2.4.1.3. Diseño de la red de alimentación del elemento radiante ............ 33. 2.4.1.4. Resumen de parámetros de la antena para 38.75 GHz ............. 38. 2.4.2. DISEÑO DEL ELEMENTO RADIANTE PARA 73.5 GHz ................. 38. 2.4.2.1. Diseño con el sustrato RO5880 ................................................. 39. 2.4.2.1.1 Cálculo del sistema alimentador del elemento radiante ........ 40 2.4.2.1.2 Cálculo de la distancia entre elementos radiantes ................ 40 2.4.2.1.3 Diseño de la red de alimentación del elemento radiante ...... 41 2.4.2.1.4 Resumen de parámetros de la antena para 73.5 GHz.......... 44 2.4.2.2. Diseño con el sustrato RO3003 ................................................. 45. 2.4.2.2.1 Cálculo del sistema alimentador del elemento radiante ........ 46 2.4.2.2.2 Cálculo de la distancia entre elementos radiantes ................ 46 2.4.2.2.3 Diseño de la red de alimentación del elemento radiante ...... 47.

(8) vii. 2.4.2.2.4 Resumen de parámetros de la antena a 73.5 GHz ............... 50 2.5. Diseño del Ambiente Indoor ................................................................... 50. 2.5.1. Aulas................................................................................................. 50. 2.5.2. Oficinas ............................................................................................. 52. CAPÍTULO III ....................................................................................................... 54 SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................... 54 3.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................... 54. 3.2. SOFTWARE DE SIMULACIÓN.............................................................. 54. 3.2.1. CST STUDIO SUITE ........................................................................ 54. 3.2.2. WINPROP ........................................................................................ 55. 3.2.2.1. WallMan ..................................................................................... 56. 3.2.2.1.1 Materiales ............................................................................. 57 3.2.2.2. ProMan....................................................................................... 59. 3.2.2.2.1 Modelo Multi-Pared COST 231 ............................................. 59 3.2.2.2.2 Modelo de Trazado de Haces ............................................... 59 3.2.2.2.3 Modelo de Trazado de Haces SRT ....................................... 60 3.3. SIMULACIÓN DE LA ANTENA A 38.75 GHz ........................................ 60. 3.3.1. SIMULACIÓN DE LA ANTENA USANDO CST STUDIO SUITE ...... 60. 3.3.1.1. Plano de tierra y sustrato ........................................................... 60. 3.3.1.2. Simulación del parche individual ................................................ 62. 3.3.1.3. Simulación de la red de alimentación ......................................... 63. 3.3.1.4. Simulación del arreglo de parches ............................................. 65. 3.3.2. SIMULACIÓN DE LA ANTENA EN EL AMBIENTE INDOOR ........... 68. 3.3.2.1. Construcción de los ambientes en WallMan .............................. 68. 3.3.2.1.1 Aulas ..................................................................................... 68 3.3.2.1.2 Oficinas ................................................................................. 70 3.3.2.2. Simulación en ProMan ............................................................... 71. 3.3.2.2.1 Simulación en Aulas ............................................................. 72 3.3.2.2.2 Simulación en Oficinas ......................................................... 82 3.4. SIMULACIÓN DE LA ANTENA A 73.5 GHz .......................................... 86. 3.4.1. SIMULACIÓN DE LA ANTENA USANDO CST STUDIO SUITE ...... 86. 3.4.1.1. Plano de tierra y Sustrato RO5880 ............................................ 86. 3.4.1.2. Simulación del arreglo de parches para el sustrato RO5880 ..... 88.

(9) viii. 3.4.1.3. Simulación del arreglo de parches en el sustrato RO3003 ........ 91. 3.4.1.4. Simulación de la red de alimentación en el sustrato RO3003 .... 92. 3.4.1.5. Simulación del arreglo de antenas ............................................. 93. 3.4.2. SIMULACIÓN DE LA ANTENA EN EL AMBIENTE INDOOR ........... 96. 3.4.2.1. Construcción de los ambientes en WallMan .............................. 96. 3.4.2.2. Simulación en ProMan ............................................................... 96. 3.4.2.2.1 Simulación en Aulas ............................................................. 96 3.4.2.2.2 Simulación en Oficinas ....................................................... 105 3.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................................. 109. 3.5.1. 3.5.1.1. Aulas ........................................................................................ 109. 3.5.1.2. Oficinas .................................................................................... 111. 3.5.2. 3.6. ANÁLISIS PARA 38.75 GHz ........................................................... 109. ANÁLISIS PARA 73.5 GHz ............................................................. 112. 3.5.2.1. Aulas ........................................................................................ 112. 3.5.2.2. Oficinas .................................................................................... 113. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA OPERACIÓN A FRECUENCIAS. EXTREMADAMENTE ALTAS......................................................................... 114 CAPÍTULO IV ..................................................................................................... 116 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 116 4.1. CONCLUSIONES ................................................................................ 116. 4.2. RECOMENDACIONES ........................................................................ 118. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 119 ANEXO A: DATASHEET DUROID 5880 ............................................................ 123 ANEXO A: DATASHEET DUROID 3003 ............................................................ 125 ANEXO B: Patrón de Radiación para 38.75 GHz. .............................................. 110 ANEXO C: Patrón de Radiación para 73.5 GHz. ................................................ 122 ANEXO D: Resumen de Recomendaciones para Bandas de Frecuencia Libres. ........................................................................................................................... 110.

(10) ix. INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Ensamble experimental (1887) desarrollado por Hertz [2] .................... 1 Figura 1.2 Sistema típico de radio [7] ..................................................................... 2 Figura 1.3 Ángulo que forma el lóbulo en los puntos de media potencia [3] .......... 5 Figura 1.4 Diagramas de radiación en los planos E y H; corresponden a una antena Yagi comercial para la banda de 2,4 GHz [12] ....................................................... 6 Figura 1.5 Patrón de radiación 3D para una antena Yagi [13] ............................... 7 Figura 1.6 Diagrama de una antena omnidireccional tipo dipolo [16] ..................... 7 Figura 1.7 Diagrama de una antena direccional Yagi [17] ...................................... 8 Figura 1.8 Polarización lineal [19] .......................................................................... 9 Figura 1.9 Polarización lineal (de derecha) [19] ................................................... 10 Figura 1.10 Polarización elíptica (de derecha) [19] .............................................. 10 Figura 1.11 Antena Microstrip [29] ....................................................................... 12 Figura 1.12 Alimentación por ranura [30] ............................................................. 13 Figura 1.13 Alimentación por cable coaxial [4] ..................................................... 13 Figura 1.14 Alimentación por línea microstrip [31] ............................................... 13 Figura 1.15 Alimentación por acoplamiento electromagnético [6] ........................ 14 Figura 1.16 Alimentación en serie (a) y alimentación en paralelo (b) [6] .............. 14 Figura 1.17 Pérdidas atmosféricas en la banda EHF [6] ...................................... 15 Figura 1.18 Atenuación por lluvia 38 GHz [6] ....................................................... 17 Tabla 1.2 Pérdidas en función de la distancia y la frecuencia [6]. ........................ 18 Figura 1.19 Atenuación por lluvia [32] .................................................................. 18 Tabla 1.3 Comparación de pérdidas por penetración a 73.5 GHz, considerando obstáculos de materiales [6] ................................................................................. 19 Figura 1.20 Haces difractados en la superficie de un edificio [7].......................... 21 Figura 1.21 Modelo para Multi-Pared COST 231 [8] ............................................ 21 Figura 1.22 Probabilidad de desvanecimiento de rayleigh [33] ............................ 23 Figura 1.23 Estructura de la Norma Ecuatoriana de la Construcción [27] ............ 24 Figura 1.24 Normas generales para edificación referente a dimensiones de altura [28] ....................................................................................................................... 25 Figura 1.25 Resumen de Circulaciones [28]......................................................... 25 Figura 1.26 Resumen de Circulaciones [28]......................................................... 26 Figura 2.1 Diseño del elemento radiante [2]. ........................................................ 29.

(11) x. Figura 2.2 Parche simple para 38.75 GHz ........................................................... 33 Figura 2.3 Red de alimentación para el arreglo de parches ................................. 34 Figura 2.4 Vista Superior del ambiente interior para aulas ................................... 51 Figura 2.5 Elevación del ambiente interior para aulas .......................................... 52 Figura 2.6 Elevación del ambiente interior para aulas en 3 dimensiones ............. 52 Figura 2.7 Vista Superior del ambiente interior para oficinas ............................... 53 Figura 2.8 Elevación del ambiente interior para oficinas ...................................... 53 Figura 2.9 Elevación del ambiente interior para oficinas en 3 dimensiones ......... 53 Figura 3.1 Componentes del programa de simulación CST ................................. 55 Figura 3.2 Herramientas de trabajo WinProp ....................................................... 56 Figura 3.3 Importación de archivo vectorial de AutoCAD a WallMan. .................. 56 Figura 3.4 Conversión de plano vectorial de AutoCAD a WallMan ...................... 57 Figura 3.5 Parámetros eléctricos del material Concreto ....................................... 57 Figura 3.6 Parámetros eléctricos del material Vidrio ............................................ 58 Figura 3.7 Parámetros eléctricos del material Madera ......................................... 58 Figura 3.8 Modelo para Multi-Pared COST 231 [8] .............................................. 59 Figura 3.9 Elemento radiante individual para 38.75 GHz ..................................... 61 Figura 3.10 (a) Diagrama de radiación para el parche a 38.75 GHz (b) Parámetro S (1,1) para el parche a 38.75 GHz. ........................................................................ 62 Figura 3.11 Diagrama de radiación en plano E (a) y plano H (b) ......................... 63 Figura 3.12 Parámetro S (1,1) de la red de alimentación para 38.75 GHz ........... 63 Figura 3.13 Parámetro S (2,3) de la red de alimentación para 38.75 GHz ........... 64 Figura 3.14 Parámetro S (2,4) de la red de alimentación para 38.75 GHz ........... 64 Figura 3.15 Parámetro S (2,9) de la red de alimentación para 38.75 GHz ........... 64 Figura 3.16 Arreglo de 8 parches para 38.75 GHz ............................................... 65 Figura 3.17 Parámetro S (1,1) para el arreglo a 38.75 GHz ................................. 65 Figura 3.18 Parámetro S (1,1) para el arreglo a 38.75 GHz ................................. 66 Figura 3.19 VSWR para el arreglo a 38.75 GHz .................................................. 66 Figura 3.20 Parte real de la impedancia para el arreglo a 38.75 GHz.................. 67 Figura 3.21 Directividad del arreglo a 38.75 GHz................................................. 67 Figura 3.22 Ganancia del arreglo a 38.75 GHz .................................................... 67 Figura 3.23 Ganancia del arreglo a 38.75 GHz en el plano E (a) y plano H (b) ... 68 Figura 3.24 Piso de Aulas importado a WallMan.................................................. 68.

(12) xi. Figura 3.25 Parámetros eléctricos del material Pizarrón ...................................... 69 Figura 3.26 Vista superior del plano de Aulas en WallMan .................................. 69 Figura 3.27 Vista en 3 dimensiones del plano de Aulas en WallMan ................... 70 Figura 3.28 Vista superior del plano de Oficinas en WallMan .............................. 70 Figura 3.29 Vista en 3 dimensiones del plano de Oficinas en WallMan ............... 71 Figura 3.30 Configuración del sitio de transmisión en ProMan ............................ 71 Figura 3.31 Ubicación del sitio de transmisión en ProMan ................................... 72 Figura 3.32 Potencia calculada usando el modelo COST 231 ............................. 72 Figura 3.33 Potencia calculada usando el modelo COST 231, considerando ángulos de incidencia ........................................................................................................ 73 Figura 3.34 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en 3 dimensiones desde el sitio 1 ................................................................................ 73 Figura 3.35 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en 3 dimensiones proyectada en 3 dimensiones ......................................................... 74 Figura 3.36 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino sin obstáculos............................. 74 Figura 3.37 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino con obstáculos ........................... 75 Figura 3.38 Multi trayecto desde el sitio 1 hasta una de las aulas más alejadas . 76 Figura 3.39 Histograma de la distribución de potencia en la habitación ............... 77 Figura 3.40 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en 3 dimensiones desde el sitio 2 ................................................................................ 77 Figura 3.41 Multi trayecto desde el sitio 2 hasta el aula más alejada ................... 78 Figura 3.42 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino sin obstáculos............................. 78 Figura 3.43 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino con obstáculos ........................... 79 Figura 3.44 Potencia radiada por la antena ......................................................... 81 Figura 3.45 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de haces en 3 dimensiones desde el sitio 1 ................................................................................ 82 Figura 3.46 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces a una oficina cercana ..................................................................................................... 83.

(13) xii. Figura 3.47 Múltiple trayecto desde el sitio de transmisión hasta una oficina alejada ............................................................................................................................. 83 Figura 3.48 Múltiple trayecto desde el sitio de transmisión hasta una oficina alejada ............................................................................................................................. 83 Figura 3.49 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces a una oficina lejana ........................................................................................................ 84 Figura 3.50 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de haces en 3 dimensiones desde el sitio 2 ................................................................................ 84 Figura 3.51 Múltiple trayectoria desde el sitio 3 hasta una oficina alejada ........... 85 Figura 3.52 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces (a) a una oficina cercana y (b) a una oficina lejana desde el sitio 2 .................................... 85 Figura 3.53 Elemento radiante individual para 73.5 GHz ..................................... 87 Figura 3.54 (a) Diagrama de radiación para el parche a 73.5 GHz (b) Parámetro S (1,1) para el parche a 73.5 GHz. .......................................................................... 87 Figura 3.55 Diagrama de radiación en plano E (a) y plano H (b) ......................... 88 Figura 3.56 Arreglo de 8 parches para 73.5 GHz ................................................. 88 Figura 3.57 Parámetro S (1,1) para el arreglo a 73.5 GHz ................................... 88 Figura 3.58 Parámetro S (1,1) para el arreglo a 73.5 GHz ................................... 89 Figura 3.59 VSWR para el arreglo a 73.5 GHz .................................................... 89 Figura 3.60 Gráfica de la directividad del arreglo a 73.5 GHz .............................. 90 Figura 3.61 Gráfica de la ganancia del arreglo a 38.75 GHz ............................... 90 Figura 3.62 Diagrama de radiación del arreglo a 73.5 GHz en el plano E (a) y H (b) ............................................................................................................................. 90 Figura 3.63 Diagrama de Radiación del parche a 73.5 GHz ................................ 91 Figura 3.64 Diagrama de radiación del parche a 73.5 GHz en el plano E (a) y plano H (b) ..................................................................................................................... 91 Figura 3.65 Parámetro S (1,1) de la red de alimentación para 73.5 GHz ............. 92 Figura 3.66 Parámetro S (2,3) de la red de alimentación para 73.5 GHz ............. 92 Figura 3.67 Parámetro S (2,4) de la red de alimentación para 73.5 GHz ............. 92 Figura 3.68 Parámetro S (2,9) de la red de alimentación para 73.5 GHz ............. 93 Figura 3.69 Arreglo de parches para 73.5 GHz .................................................... 93 Figura 3.70 Parámetro S (1,1) para el arreglo a 73.5 GHz. .................................. 94 Figura 3.71 Parámetro S (1,1) para el arreglo a 73.5 GHz. .................................. 94.

(14) xiii. Figura 3.72 VSWR para el arreglo a 73.5 GHz .................................................... 95 Figura 3.69 Gráfica de la ganancia del arreglo a 73.5 GHz ................................. 95 Figura 3.70 Gráfica de la directividad del arreglo a 73.5 GHz .............................. 95 Figura 3.71 Diagrama de radiación del arreglo a 73.5 GHz en el plano E (a) y plano H (b) ..................................................................................................................... 95 Figura 3.72 Diagrama de eficiencia para la antena a 73.5 GHz en el sustrato RO3003 ................................................................................................................ 96 Figura 3.73 Configuración del sitio de transmisión en ProMan ............................ 96 Figura 3.74 Potencia calculada usando el modelo COST 231 ............................. 97 Figura 3.75 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en 3 dimensiones ......................................................................................................... 97 Figura 3.76 Histograma de distribución de potencia en el ambiente de Aulas ..... 98 Figura 3.77 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en 3 dimensiones proyectada en 3 dimensiones ......................................................... 98 Figura 3.78 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino sin obstáculos............................. 99 Figura 3.79 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino con obstáculos ......................... 100 Figura 3.80 Múltiple trayecto desde el sitio 1 hasta un aula alejada .................. 101 Figura 3.81 Potencia calculada usando el modelo Trazado de Haces en 3 dimensiones ....................................................................................................... 101 Figura 3.82 Múltiple trayectoria en un camino con obstáculos ........................... 102 Figura 3.83 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino sin obstáculos........................... 102 Figura 3.84 (a) Línea recta donde se mide potencia (b) Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces en un camino con obstáculos ......................... 103 Figura 3.85 Potencia radiada por la antena ....................................................... 105 Figura 3.86 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de haces en 3 dimensiones ....................................................................................................... 106 Figura 3.87 Múltiple trayecto desde el sitio de transmisión hasta una oficina alejada ........................................................................................................................... 106 Figura 3.88 Múltiple trayecto desde el sitio de transmisión hasta una oficina alejada ........................................................................................................................... 107.

(15) xiv. Figura 3.89 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces .......... 107 Figura 3.90 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de haces desde el sitio 2 .................................................................................................................. 107 Figura 3.91 Múltiple trayectoria desde el sitio 2 hasta una oficina alejada ......... 108 Figura 3.92 Potencia calculada usando el modelo de Trazado de Haces .......... 108.

(16) xv. INDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Estado de propuestas públicas para aplicaciones móviles [1]............... 15 Tabla 1.2 Pérdidas en función de la distancia y la frecuencia [6]. ......................... 18 Tabla 1.3 Comparación de pérdidas por penetración a 73.5 GHz, considerando obstáculos de materiales [6] .................................................................................. 20 Tabla 2.1 Resumen de parámetros de la antena para 38.75 GHz ........................ 39 Tabla 2.2 Resumen de parámetros de la antena para 73.5 GHz ................................. 44 Tabla 3.1 Parámetros con corrección de la antena para 38.75 GHz ........................... 65 Tabla 3.2 Comparación de trayecto con obstáculos y sin obstáculos ........................... 75 Tabla 3.3 Análisis de incremento y decremento de potencia en el primer obstáculo ...... 79 Tabla 3.4 Análisis de incremento y decremento de potencia en el segundo obstáculo . 80 Tabla 3.5 Análisis de incremento y decremento de potencia en el último obstáculo ..... 80 Tabla 3.6 Parámetros con corrección de la antena para 73.5 GHz ............................. 89 Tabla 3.7 Parámetros con corrección de la antena para 73.5 GHz ............................. 94 Tabla 3.8 Comparación de trayecto con obstáculos y sin obstáculos ......................... 100 Tabla 3.9 Análisis de incremento y decremento de potencia en el primer obstáculo .... 103 Tabla 3.10 Análisis de incremento y decremento de potencia en el segundo obstáculo ............................................................................................................................ 104 Tabla 3.11 Análisis de incremento y decremento de potencia en el último obstáculo .. 104 Tabla 3.12 Potencia considerando pérdidas en espacio libre .................................... 109 Tabla 3.13 Potencia en trayecto sin obstáculos desde el sitio 1 ................................ 109 Tabla 3.14 Potencia en trayecto con obstáculos ..................................................... 110 Tabla 3.15 Potencia considerando pérdidas en espacio libre .................................... 111 Tabla 3.16 Potencia en trayecto con obstáculos ...................................................... 111 Tabla 3.17 Potencia considerando pérdidas en espacio libre ................................... 112 Tabla 3.18 Potencia en trayecto sin obstáculos desde el sitio 1 ................................ 112 Tabla 3.19 Potencia en trayecto con obstáculos ...................................................... 113 Tabla 3.20 Potencia considerando pérdidas en espacio libre .................................... 113 Tabla 3.21 Potencia en trayecto con obstáculos ...................................................... 114.

(17) 1. CAPÍTULO I FUNDAMENTOS TEÓRICOS 1.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se realiza una revisión de los fundamentos teóricos que definen a una antena, como son directividad, ganancia, ancho de banda, impedancia, polarización y patrón de radiación. Se justifica el uso de antenas Microstrip para el rango de frecuencias seleccionado y el tipo de alimentación adecuado para la aplicación. Se hace una introducción y revisión de ondas milimétricas, como sus características principales y aspectos requeridos para entender su propagación y comportamiento. Al final del capítulo se realiza una revisión de las normas de construcción vigentes en Ecuador y como afectan a las posibles aplicaciones de ondas milimétricas en telecomunicaciones.. 1.2 ANTENAS El primer experimento satisfactorio de antenas conocido, fue conducido por el físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894). Este experimento fue desarrollado en 1887 con el objetivo de detectar radiación electromagnética, y consistió en un sistema capaz de producir y detectar ondas de radio. Un esquema de este dispositivo se muestra en la Figura 1.1. [7]. Figura 1.1 Ensamble experimental (1887) desarrollado por Hertz [2].

(18) 2. A partir de este experimento, el campo de las antenas se ha desarrollado ampliamente. Una antena es un dispositivo pasivo que no ofrece ninguna potencia añadida a la señal. En su lugar, una antena simplemente re direcciona la energía que recibe del transmisor. La redirección de esta energía tiene el efecto de proporcionar más energía en una dirección, y menos energía en las otras direcciones [7]. En la Figura 1.2 se muestra sistema típico de comunicación por radio. La información de fuente se modula y amplifica en el transmisor y luego se transmite a la antena a través de una línea de transmisión. La antena de transmisión se encarga de emitir la información en forma de una onda electromagnética hacia el destino, donde la información se recoge por la antena receptora y se transmite al receptor a través de otra línea de transmisión. La señal es demodulada y el mensaje original se recupera en el receptor [7].. Figura 1.2 Sistema típico de radio [7]. Actualmente el rol de las antenas no se limita únicamente a ser un dispositivo emisor y receptor de ondas electromagnéticas, sino que es un dispositivo integrado a otras partes del sistema para conseguir un mejor desempeño. A pesar de este rápido desarrollo en el mundo inalámbrico, hay un aspecto que no ha cambiado desde la primera antena desarrollada por Hertz: la antena es un tema de ingeniería práctica. Después de que una antena es diseñada y manufacturada, es necesario que sea probada. Su buen funcionamiento y rendimiento no sólo es determinado por la antena, sino que depende de otras partes del sistema y del entorno. Es importante recordar que una antena es un dispositivo esencial de un sistema de radio, pero no constituye un dispositivo aislado [7]..

(19) 3. 1.2.1 PARÁMETROS Con el fin de evaluar el desempeño de una antena, es necesario detallar varios parámetros que la definen. Los parámetros que se van a describir son: ganancia, directividad, patrón de radiación, ancho de banda, polarización, impedancia y VSWR. 1.2.1.1 Ganancia La ganancia es la relación que existe entre la densidad de potencia entregada a la antena en una dirección con respecto a la densidad de potencia radiada por una antena isotrópica1 [2]. La eficiencia de una antena se define como la relación entre la potencia en los terminales de la antena y la potencia radiada, en los casos en que la ganancia es elevada, se debe a que la energía es dirigida con un ancho de haz pequeño, mientras que, si la energía es transmitida a través de un haz amplio, la ganancia es baja. La relación entre la ganancia y la directividad se expresa mediante la ecuación (1.1) [2]. = !". (1.1). Donde: G = Ganancia D = Directividad η = Eficiencia de la antena La eficiencia de la antena es la relación entre la potencia total radiada y la potencia ingresada a la antena. Es por esto que para una antena Microstrip de parche rectangular, donde la eficiencia es cercana a 1, se puede considerar que el valor de la ganancia es igual al valor de la directividad [2]. ≅". (1.2). 1 Antena Isotrópica es aquella antena ideal sin pérdidas que presenta igual radiación en todas las direcciones. [2].

(20) 4. 1.2.1.2 Directividad La Directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección por unidad de ángulo sólido y a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada. Es un parámetro adimensional y puede expresarse en unidades logarítmicas dBi2. La definición de ganancia y directividad son similares, sin embargo, difieren en que la ganancia se fundamenta en la potencia que es entregada a la antena y la ganancia en la potencia radiada. La ganancia de una antena es proporcional a su directividad. A mayor directividad, mayor ganancia. Cuando una antena irradia de igual forma en todas direcciones, se considera que la directividad es cero. Este es el caso de las antenas omnidireccionales. La directividad se define matemáticamente gracias a la ecuación (1.3) [2].. "=. $%&. '()*. (1.3). Donde: D = Directividad U = Intensidad de radiación Prad = Potencia total radiada Debido a que la antena tiene componentes de polarización tanto en el plano horizontal como en el vertical, la directividad total es la suma de las directividades parciales de estas polarizaciones [2]. +=. ,. -.. [|/0 (2, ∅)|- + |/∅ (2, ∅)|- ]. (1.4). Donde: Eθ y EΦ = Componentes del campo eléctrico. 2. dBi = Es la relación logarítmica entre la potencia emitida de una antena en relación a un radiador isotrópico..

(21) 5. η = Impedancia intrínseca del medio La potencia total radiada se define matemáticamente con la ecuación 1.5 [2]. -%. -%. -%. 789: = ∯? +(2, ∅)<> = @A ∫D ∫D C(2, ∅) sin 2 <2<∅. (1.5). Donde: Bo = Constante F(θ,Φ) = Potencia radiada en una dirección Reemplazando en la Ecuación (1.3), se obtiene la expresión matemática de la ecuación (1.6).. " = 4F. G(2,∅). 2F 2F @H ∫0 ∫0 C(2,∅) sin 2<2<∅. (1.6). La ecuación 1.6 se puede escribir de la manera mostrada en la ecuación (1.7).. "=. $%. 2F 2F @H ∫0 ∫0 C(2,∅) sin 2<2<∅ K(2,∅). ≈. $%. ?M. (1.7). Donde: ΩA = Ángulo sólido del lóbulo de radiación. Figura 1.3 Ángulo que forma el lóbulo en los puntos de media potencia [3]. En el caso de las antenas direccionales, en las cuales existe un lóbulo principal junto a lóbulos laterales de menor tamaño, el valor de la directividad es.

(22) 6. aproximadamente igual al producto de los ángulos en los puntos de media potencia (- 3 dB) de dos planos perpendiculares [7] [2], como se muestra en la Figura (1.3). Con base en este concepto, se puede calcular la directividad a partir de los ángulos que forma el lóbulo en los puntos de media potencia, mediante la ecuación (1.8).. "=. $%. ?M. =. $%. 0N( ∗0P(. (1.8). Donde: θ1r y θ2r = Ángulos del lóbulo de radiación de los puntos de media potencia de los planos vertical y horizontal. 1.2.1.3 Patrón de Radiación El patrón de radiación se define como “una función matemática o una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena, como una función de las coordenadas espaciales. Muchas veces este patrón se define en la región de campo lejano, y se representa en función de las coordenadas direccionales” [1] [2]. Las propiedades de radiación de la antena son densidad de flujo, intensidad de radiación, fuerza del campo, directividad de fase o polarización.. Figura 1.4 Diagramas de radiación en los planos E y H; corresponden a una antena Yagi comercial para la banda de 2,4 GHz [12]. La propiedad de mayor importancia es la distribución espacial en dos y tres dimensiones de la radiación en función de la posición del observador sobre una superficie de radio constante. Esta distribución espacial de energía radiada se representa en una gráfica o diagrama de radiación. Estos diagramas representan la potencia radiada por la antena, generalmente en la escala de los decibeles..

(23) 7. Debido a que la distribución de la radiación depende de la geometría y dimensiones de la antena, la energía radiante se orienta en varias direcciones [3]. La representación en dos y tres dimensiones se muestra en las Figuras 1.4 y 1.5.. Figura 1.5 Patrón de radiación 3D para una antena Yagi [13]. 1.2.1.3.1 Patrón de Radiación Omnidireccional Las antenas omnidireccionales proporcionan un patrón de radiación horizontal de 360 grados. Éstas se utilizan cuando se requiere cobertura en todas las direcciones de la antena (horizontalmente) con diversos grados de cobertura vertical. La polarización es la orientación física del elemento en la antena que realmente emite la energía de radiofrecuencia. Una antena omnidireccional emite radiación en todas las direcciones en un solo plano [15, la Figura 1.6 muestra los diagramas de una antena omnidireccional en el plano horizontal, vertical y en tres dimensiones.. Figura 1.6 Diagrama de una antena omnidireccional tipo dipolo [16].

(24) 8. 1.2.1.3.2 Patrón de Radiación Directivo Las antenas direccionales enfocan la energía de radiofrecuencia en una dirección particular. A medida que aumenta la ganancia de una antena direccional, aumenta la distancia de cobertura, pero el ángulo de cobertura efectivo disminuye. Para antenas direccionales, los lóbulos se empujan en una dirección determinada y una pequeña cantidad de energía permanece en la parte posterior de la antena [15]. En la Figura 1.7 se muestran los diagramas de una antena direccional en el plano horizontal, vertical y en tres dimensiones.. Figura 1.7 Diagrama de una antena direccional Yagi [17]. 1.2.1.4 Ancho de Banda El ancho de banda de una antena se define como el rango de frecuencias dentro del cual el funcionamiento de la antena con respecto a una característica cumple con un estándar especificado [2]. En otras palabras, el ancho de banda corresponde al rango de frecuencias dentro de las cuales opera la antena emitiendo y recibiendo energía. Fuera de este rango de frecuencias, la reactancia aumenta por lo que no se tiene un funcionamiento adecuado. El ancho de banda se define por la frecuencia superior e inferior, mediante la ecuación 1.9 [2]. @Q = RS9T − RSVW. (1.9).

(25) 9. Donde: BW = Ancho de banda fmax = Frecuencia superior fmin = Frecuencia inferior La frecuencia central se define como la frecuencia de resonancia de la antena. Con base en este concepto, el ancho de banda es el rango de frecuencias en que la frecuencia central se ubica en la mitad de este rango. 1.2.1.5 Polarización La polarización es una propiedad de una onda electromagnética que describe la variación en el tiempo de la dirección y magnitud relativa del vector de campo eléctrico [2]. En otras palabras, “La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo, en una posición dada” [2]. Según la forma de esta figura, se tienen tres tipos de polarización: lineal, circular y elíptica. Cuando el campo eléctrico de una onda electromagnética ocurre en un solo plano, mismo plano que contiene la dirección de propagación, se produce una polarización lineal. En la Figura 1.8 se observa que el campo eléctrico tiene componentes en ambos ejes que varían sinusoidalmente y en fase [11]. En la polarización lineal las componentes son iguales o varían en fase nπ radianes.. Figura 1.8 Polarización lineal [19].

(26) 10. En otro caso, cuando las amplitudes de las componentes del campo eléctrico son iguales, y sus fases varían en π/2 o 3π/2, la polarización es circular. En la Figura 1.9 se muestra un ejemplo de polarización circular.. Figura 1.9 Polarización lineal (de derecha) [19]. Cuando la onda gira por el espacio en el transcurso del tiempo, se produce una polarización elíptica. Este es un caso diferente a la polarización lineal y circular, ya que las amplitudes son distintas y los ángulos no están en fase ni en contrafase. En la Figura 1.10 se muestra un ejemplo de polarización elíptica.. Figura 1.10 Polarización elíptica (de derecha) [19]. Las polarizaciones circulares y elípticas pueden ser de derecha o de izquierda, dependiendo del sentido de giro del vector campo eléctrico. Son de derecha cuando el giro se da en sentido horario, y de izquierda cuando se dan en sentido anti horario..

(27) 11. 1.2.1.6 Impedancia La impedancia es un parámetro que relaciona el voltaje y la corriente en la entrada de la antena. Es una cantidad compleja expresada en ohm, la impedancia de una antena tiene una parte real y una parte imaginaria. La parte real representa la energía que es irradiada o absorbida dentro de la antena. La parte imaginaria constituye la energía que se almacena en el campo cercano de la antena (energía no radiada). Cuando la parte imaginaria es cero, se dice que la antena tiene una impedancia de entrada real y se la denomina antena resonante [9]. 1.2.1.7 VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, Relación de Onda Estacionaria de Voltaje) La relación de onda estacionaria de voltaje permite determinar qué tan bueno es el acoplamiento de la línea de transmisión con la carga. Se define matemáticamente mediante la ecuación (1.10) [19]. XYQZ =. |\|^)_ |\|^`a. ,b|c|. = ,d|c|. (1.10). Donde: VSWR = Relación de onda estacionaria de voltaje |X|S9T = Voltaje máximo en la línea de transmisión. |X|SVW = Voltaje mínimo en la línea de transmisión e = Coeficiente de reflexión. Cuando VSWR tiene un valor de 1, existe un acoplamiento perfecto. Sin embargo, cuando el valor de VSWR es menor a 2, se lo considera un buen acoplamiento [19]. Existen tres casos especiales de acoplamientos VSWR: ·. Terminales acoplados, que es cuando la impedancia de la línea de transmisión y la impedancia de la carga son iguales. fg = fh ∴ XYQZ = 1. ·. Circuito abierto fg = ∞ ∴ XYQZ = ∞.

(28) 12. ·. Corto circuito fg = 0 ∴ XYQZ = ∞. 1.3 ANTENAS MICROSTRIP Una antena Microstrip o Microcinta es aquella que está formada por placas paralelas metálicas separadas por un material dieléctrico de bajas pérdidas, donde una de sus capas metálicas funciona como elemento radiante y la otra como plano de tierra, la estructura se ilustra en la Figura 1.11.. Figura 1.11 Antena Microstrip [29]. El elemento más simple en una antena Microstrip es un parche rectangular, y pueden existir parches con diferentes formas geométricas que afectarán al patrón de radiación de la antena, siendo las más comunes, circulares, triangulares, elípticas y arreglos de las figuras mencionadas. 1.3.1 Métodos de Alimentación La alimentación del elemento radiante es de gran importancia en el diseño pues de esto depende el acople a la fuente de energía y que la potencia se distribuya de igual manera en todos los puntos del elemento radiante para su difusión. 1.3.1.1 Ranura Consiste en un plano de tierra común para dos sustratos, el plano de tierra que los divide tiene una ranura que permite que la alimentación de un sustrato pase al siguiente a través del plano de tierra, éste método es el de más complejidad tanto en diseño como en construcción, como se puede observar en la Figura 1.12..

(29) 13. Figura 1.12 Alimentación por ranura [30]. 1.3.1.2 Cable Coaxial Consiste en conectar la parte conductora del cable coaxial con el elemento radiante y la malla de tierra del cable con la tierra de la antena Microstrip, esto se logra haciendo una inserción perpendicular en el sustrato como indica la Figura 1.13.. Figura 1.13 Alimentación por cable coaxial [4]. 1.3.1.3 Línea Microstrip. Figura 1.14 Alimentación por línea microstrip [31].

(30) 14. Este tipo de alimentación consiste en una línea metálica sobre el sustrato que conecta la fuente de potencia con el elemento radiante, teniendo la función de conducir la corriente y de acoplar la impedancia de entrada con la del elemento radiante, como se muestra en la Figura 1.14. 1.3.1.4 Acoplamiento Electromagnético En éste método la línea de alimentación está conectada al plano de tierra de un sustrato, sobre el cual se coloca otro sustrato en el que se encuentra el elemento radiante, se muestra el esquema y el circuito equivalente en la Figura 1.15 [6].. Figura 1.15 Alimentación por acoplamiento electromagnético [6]. 1.3.1.5 Consideraciones adicionales Para la alimentación de arreglos de antenas, se debe escoger entre un método serie y un método paralelo, el método paralelo representa mayor facilidad de diseño e implementación porque se puede diseñar una rama del sistema de alimentación, y la misma será igual en dimensiones y mantendrá simetría para los demás parches del arreglo, como se observa en la figura 1.16 (b).. Figura 1.16 Alimentación en serie (a) y alimentación en paralelo (b) [6].

(31) 15. 1.4 ONDAS MILIMÉTRICAS Se denominan ondas milimétricas aquellas que corresponden al rango del espectro de frecuencia denominado Extremadamente Alto, con sus siglas en inglés EHF, que va de 30 GHz a 300 GHz, y con la ecuación (1.11) [2], se observa que su longitud de onda varía desde 1 hasta 10 milímetros. p. o=q. (1.11). Donde: λ = longitud de onda C= velocidad de la luz en el vacío f = frecuencia de operación Aplicando la ecuación (1.1) al rango de EHF se tiene. (oD =. 3 × 10t 3 × 10t , o = ) 300 × 10u q 30 × 10u (1 vv , 10 vv ). De la ecuación (1.11) se observa que la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia, lo cual implica dispositivos y antenas sumamente pequeñas.. Figura 1.17 Pérdidas atmosféricas en la banda EHF [6].

(32) 16. Otra desventaja del uso de ésta banda es la gran atenuación que presenta debido a las longitudes de onda tan pequeñas, en la Figura 1.17 se observan las pérdidas atmosféricas, a 22 grados centígrados, humedad relativa 10% y 101 kilo Pascales. Existen zonas similares a las ventanas de comunicaciones ópticas, en las que debido a la composición molecular del ambiente, las ondas se atenúan mayormente a determinadas frecuencias. Dentro de las bandas libres, la banda de 60 GHz se ha empezado a explotar académicamente y por parte de empresas desarrolladoras de tecnología, así mismo existen porciones del espectro EHF que no tienen licencia y otras que han sido destinadas para la investigación, como se puede observar en la Tabla 1.1 [1]. País. Estado/Rango de Frecuencia. Notas. Apoya una agenda para el uso futuro de comunicaciones sobre 6GHz. Se espera comentarios sobre el. Reino. enfocado en las bandas: 10.125-10.225. trabajo con las frecuencias por parte. Unido. GHz / 10.475-10.575 GHz; 31.8-33.4. de un CPG (Grupo Preparatorio de. GHz; 40.5-43.5 GHz; 45.5-48.9 GHz; y. Conferencia). 66-71 GHz. Estados Unidos ha decidido proponer Estados Unidos. los siguientes rangos para ser estudiados: 27.5-29.5 GHz, 37-40.5 GHz, 47.2-50.2 GHZ, 50.4-52.6 GHZ, y 59.3-71 GHz.. FCC busca comentarios sobre: 24.2524.45 GHz y 25.05-25.25 GHz, 27.528.35 GHz, 29.1-29.25 GHz y 31-31.3 GHz, 37-38.6 GHz, 38.6-40 GHz, 4242.5 GHz, 57-64 GHz, 64-71 GHz, 7176 GHz y 81-86 GHz.. Tabla 1.1 Estado de propuestas públicas para aplicaciones móviles3 [1]. 1.4.1 PROPAGACION DE ONDAS MILIMÉTRICAS La propagación de ondas milimétricas es esencial para entender los requerimientos de un sistema que use esta tecnología, sirve para el diseño de antenas, tanto en transmisión como en recepción, y para entender las limitaciones a nivel de distancias de transmisión y elementos que intervienen en la red.. 3. Tabla Original en el Anexo D..

(33) 17. La longitud de onda es tan pequeña que la consistencia molecular de elementos ambientales como son agua, lluvia o neblina, interfiere de manera directa con la propagación de ondas de radio, la Figura 1.18 detalla la atenuación por lluvia considerando 3 días del año e incremento en la taza de lluvia.. Figura 1.18 Atenuación por lluvia 38 GHz [6]. Se pueden analizar varios escenarios para la propagación de ondas milimétricas, se revisa aspectos influyentes en el canal, ambientes interiores y exteriores. 1.4.2 Efectos en el canal Las pérdidas en espacio libre sin obstrucciones se expresan matemáticamente con la ecuación (1.12) [3]. 7w = 32.4 + 20 log C + 20 log ". (1.12). Donde: F= Frecuencia en MHz D = Distancia en kilómetros Se puede describir la pérdida de transmisión evaluando los valores de la ganancia de la antena y de la potencia radiada isotrópica efectiva, con sus siglas en inglés EIRP [6]. S9T. Donde:. $%. = }S9T ~S9T P . (1.13).

(34) 18 S9T =. ganancia máxima. }S9T = eficiencia máxima de la antena. ~S9T = área máxima efectiva. Se muestra la Tabla 1.2 con valores calculados para pérdidas a diferentes frecuencias. fc = 460 MHz. fc = 2.4 GHz. fc = 5 GHz. fc = 60 GHz. d=1m. -25.7 dB. -40 dB. -46.4 dB. -68 dB. d = 10 m. -45.7 dB. -60 dB. -66.4 dB. -88 dB. d = 100 m. -65.7 dB. -80 dB. -86.4 dB. -108 dB. d = 1000 m. -85.7 dB. -100 dB. -106.4 dB. -128 dB. Tabla 1.2 Pérdidas en función de la distancia y la frecuencia [6].. Se puede observar que las pérdidas aumentan considerablemente y en forma directamente proporcional a la distancia y a la frecuencia. Dentro de las pérdidas en canales a gran escala se pueden incluir pérdidas por condiciones atmosféricas, dichas pérdidas no serán sujeto de estudio en el presente trabajo, se muestra la atenuación por lluvia en la Figura 1.19.. Figura 1.19 Atenuación por lluvia [32].

(35) 19. 1.4.3 Difracción Difracción es la propagación de una onda electromagnética a través y alrededor de un objeto que represente una obstrucción o un cambio de medio para la onda. En casos de que no exista la condición de línea de vista, se vuelve importante considerar los efectos de la difracción. Los modelos para analizar difracción con ondas milimétricas son casi en su totalidad empíricos, pues no existen aplicaciones comerciales que hayan obligado al desarrollo de un estándar, por ejemplo estudios han demostrado que la atenuación por difracción es mayor a 40 dB en frecuencias entre 28 y 73 GHz [6]. 1.4.4 Reflexión y Penetración Número de Particiones. RX Id. recibida,. Separación Tx-Rx (m). Potencia. Pared. Gabinete. Cubículo. de Metal. Puerta Pared. espacio. de Madera. libre (dBm). Potencia recibida, material. Pérdida por. de. penetración. prueba (dBm). 1. 6.8. 1. 0. 0. 0. -34.1. -39.4. 5.3. 2. 8. 1. 1. 0. 0. -35.6. -52.8. 17.2. 3. 10.1. 2. 2. 0. 0. -37.6. -61.4. 23.8. 4. 11.5. 1. 2. 1. 1. -38.7. -75.5. 36.8. 5. 8.6. 0. 2. 0. 0. -36.2. -50.3. 14.1. 6. 8.1. 0. 2. 0. 0. -35.7. -45.4. 9.7. 7. 8.8. 1. 2. 0. 0. -36.4. -63. 26.6. 8. 14. 0. 2. 1. 1. -40.4. -55.6. 15.2. 9. 13. 1. 3. 0. 0. -39.7. -53. 13.3. 10. 15.2. 1. 2. 1. 0. -41.1. -60.4. 19.3. 11. 15.2. 1. 2. 1. 0. -41.1. -59. 17.9. Tabla 1.3 Comparación de pérdidas por penetración a 73.5 GHz, considerando obstáculos de materiales [6].

(36) 20. Cuando se analiza cómo mejorar una señal multi trayecto, una consideración adicional a la difracción en ondas milimétricas es la reflexión, se ha demostrado empíricamente que árboles, paredes, postes, etc., son muy reflectivos para este rango de frecuencia y contribuyen constructivamente con la señal. La reflexión evita que la señal cambie de medio por lo que lo ideal será buscar un camino en el que un haz sea capaz de llegar al destino sin la necesidad de difractarse. La Tabla 1.3 muestra valores para pérdidas por penetración a 73.5 GHz, éstos valores son resultados de mediciones de campo [6]. 1.4.5 Consideraciones adicionales Dentro de la propagación y las pérdidas que intervienen en la misma, se pueden incluir más parámetros como el retardo producido por varios haces de energía que usualmente están expresados en el orden de nano segundos para frecuencias en el rango EHF, y efectos de dispersión y multi-trayectoria. Dichos efectos no serán considerados. en. este. estudio. pues. se. requieren. mediciones. reales. extremadamente precisas para su consideración.. 1.5 AMBIENTE INDOOR Un ambiente indoor se define como aquel de tamaño pequeño, usualmente destinado a oficinas, hogares donde no se consideran efectos de atenuaciones climáticas o efectos externos, y se orienta para redes personales. En éste tipo de ambiente, es importante considerar el diseño del lugar, donde constan paredes, detallando materiales y su ubicación, cualquier tipo de obstáculo debe ser tomado en cuenta, así como la directividad de la antena, que será uno de los aspectos más críticos para analizar la propagación. Existen modelos de canales en capa física y capa de enlace estandarizados para ciertas frecuencias, por ejemplo existe el modelo de canal IEEE 802.11ad para 60 GHz, en el cual se detallan valores recomendados para pérdidas, ganancia e inclusión de diferentes elementos en la red que ayudan a la propagación de las ondas [6]..

(37) 21. 1.5.1 Modelo de Trazado de Haces (Ray Tracing Model) Debido al alto grado de dispersión y reflexión que ocurre en la propagación de ondas milimétricas, y a la falta de contribución por parte de la difracción, el modelo de trazado de haz es efectivo para producir resultados precisos para canales inalámbricos. Este modelo depende mucho del escenario en el que se encuentra el sistema de comunicación y sin un modelo exacto del escenario físico no se pueden tener resultados precisos de la propagación. Sin embargo esto es de gran ayuda para diseños individuales y varios software de simulación incluyen este modelo como una de sus principales herramientas. Éste modelo basa sus cálculos en un sistema de N-haces de partículas que se dirigen desde el transmisor hasta el receptor a través del medio de forma geométrica, como en la Figura 1.20 [7].. Figura 1.20 Haces difractados en la superficie de un edificio [7]. 1.5.2 Modelo COST 231 Multi Pared. Figura 1.21 Modelo para Multi-Pared COST 231 [8].

(38) 22. Este modelo solo considera haces con trayectoria en línea recta entre transmisor y receptor, y considera atenuación individual para cada elemento, por ejemplo una pared, como se muestra en la Figura 1.21. Las pérdidas en éste modelo están dadas por la ecuación (1.14) [21]: . = G + +. ∑W V, V V. + q q. a P d a N. . (1.14). Donde: LF = Pérdidas por espacio libre Lf y Lw = factores de atenuación de paredes y pisos. nf y nw = número de paredes y pisos. b = constante empírica Lc = Coeficiente de ajuste empírico 1.5.3 Modelo de pérdidas Log-distancia Este modelo expresa las pérdidas de un sistema en relación a los valores de la desviación estándar de un modelo de pérdidas en espacio libre, con valores de exponente de pérdidas obtenidos empíricamente, se calcula mediante la ecuación (1.15) [22]. hg = 7(<D ) + 10 log : + :. . (1.15). Donde: 7(<D ) = Pérdidas de espacio libre a 1 metro de distancia. = Exponente de pérdidas obtenido empíricamente. = Variable Gaussiana con media igual a cero y desviación estándar σ La variable gaussiana se obtiene con la ecuación (1.16) [22]. . ,. = ∫ . . √-%. P. }d P <. (1.16).

(39) 23. 1.5.4 Desvanecimiento de Rayleigh Éste modelo se usa para analizar sistemas sin línea de vista en los que existe desvanecimiento rápido, es decir cuando interviene la variable de tiempo y es incoherente con el tiempo requerido por la aplicación.. Figura 1.22 Probabilidad de desvanecimiento de rayleigh [33]. Como se ve en la Figura 1.22, se calcula una probabilidad de desvanecimiento para predecir el comportamiento de la señal en radioenlaces.. 1.6 NORMAS PARA LA CONSTRUCCION 1.6.1 Norma Ecuatoriana para la Construcción (NEC) La norma ecuatoriana de la construcción (NEC) es el documento que contiene las normativas y lineamientos que regulan los procesos constructivos en el Ecuador. Establece las características de diseño estructural y las especificaciones técnicas de los principales materiales consideradas como las mínimas necesarias para garantizar seguridad y calidad en las edificaciones. Este conjunto de normativas fueron generadas en el año 2014 por el Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda, a través de la Subsecretaría de Hábitat y Asentamientos Humanos. Este documento supone una actualización de la normativa legal y técnica contenida en el Código Ecuatoriano de la Construcción generado en el año 2001 [22]. Todos los conceptos, requisitos y regulaciones técnicas que se detallan dentro de esta normativa son de cumplimiento obligatorio dentro del territorio ecuatoriano. Las autoridades competentes dentro de los gobiernos autónomos descentralizados.

(40) 24. (GAD) y del Distrito Metropolitano de Quito son las encargadas de acoger esta normativa y complementarla con las respectivas ordenanzas locales [24].. Figura 1.23 Estructura de la Norma Ecuatoriana de la Construcción [27]. Es importante mencionar que no todos los capítulos de la norma han sido publicados, es decir, que todavía se encuentran en revisión, se muestra el estado de la norma en la Figura 1.23. 1.6.2 Ordenanzas del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ) 1.6.2.1 Régimen Administrativo del Suelo en el Distrito Metropolitano de Quito Esta ordenanza fue sancionada el 30 de diciembre de 2011. Este documento contiene los lineamientos de planificación a través de los cuales se organiza el territorio dentro del Distrito Metropolitano de Quito. Regula la distribución de la población y las principales actividades humanas posibles en el espacio, las características físicas de los diferentes tipos de edificaciones de acuerdo a su uso, la dotación de infraestructura, servicios y equipamientos urbanos, y el sistema vial,.

(41) 25. la Figura 1.24 detalla las especificaciones técnicas referentes a arquitectura y urbanismo y en texto dice:. Figura 1.24 Normas generales para edificación referente a dimensiones de altura [28]. “Título II: Régimen General del Suelo, Capítulo III: De la Planificación Territorial, Sección Segunda: Instrumentos de la Planificación Territorial, Parágrafo VII: De las Reglas Técnicas de Arquitectura y Urbanismo. El artículo 28 contenido en la ordenanza municipal No. 0172 define las reglas técnicas de arquitectura y urbanismo como las especificaciones mínimas requeridas para el diseño y construcción de espacios habitables. La intención es garantizar la seguridad, funcionalidad y calidad de los espacios de acuerdo a la actividad que en ellos se pretende realizar.” [26]. El cuadro número 11 de la presente ordenanza establece que la altura mínima requerida para oficinas es 2.30 metros libres.. Figura 1.25 Resumen de Circulaciones [28].

(42) 26. El cuadro número 12 de la sección de ésta ordenanza presenta un resumen con las normativas. para circulaciones horizontales y verticales como caminerías o. corredores de circulación peatonal interior establecidas en 1.20 metros como ancho mínimo libre, un resumen de ésta sección se muestra en la Figura 1.25. 1.6.2.2 Normas específicas de edificaciones por usos ·. La altura mínima entre el nivel de piso terminado y cielo falso será 3.00 metros libres para educación preescolar, escolar y secundaria. Las instituciones universitarias e institutos superiores se rigen a las dimensiones de la edificación generales citadas en la sección 1.6.2.1.. ·. El cuadro número 21 mostrado en la Figura 1.26 contiene las normas específicas para edificaciones educativas (aulas, laboratorios, talleres y afines). Se asignan entre 1.00 y 1.20 metros cuadrados de área mínima por alumno en cada espacio.. ·. Se establece que la altura mínima requerida para oficinas es 2.30 metros libres.. Figura 1.26 Resumen de Circulaciones [28].

(43) 27. CAPÍTULO II DISEÑO DEL ARREGLO DE ANTENAS 2.1 INTRODUCCIÓN En éste capítulo se cubrirá el diseño de los elementos que caracterizan al parche, y posteriormente el arreglo de parches para formar la antena requerida. Se escoge un arreglo de alimentación en paralelo, ya que el mismo permite realizar cálculos de los elementos de la red de manera independiente, la antena se vuelve simétrica, y es necesario solo diseñar un parche y una rama de la red de alimentación, y la potencia será distribuida de manera equitativa hacia todos los elementos. Los lóbulos de radiación de cada parche se suman en éste tipo de arreglo ya que en el plano eléctrico todos se encuentran al mismo nivel y de ésta forma se obtiene una antena muy directiva. Se referenciarán las fórmulas usadas para los cálculos y se detallarán los criterios tomados en la selección del sustrato y de la frecuencia de trabajo, dichos valores corresponden al sustrato RO5880 y para los rangos de frecuencia de 37 a 40.5 GHz y de 71 a 76 GHz.. 2.2 SELECCIÓN DEL RANGO DE FRECUENCIAS El espectro de frecuencia para ondas milimétricas es muy amplio, se pretende probar una frecuencia operativa dentro de los rangos de 37 a 40.5 GHz y de 71 a 76 GHz, mismos que se encuentran libres en EEUU y en Reino Unido, además cuentan con la recomendación de instituciones como la Comisión Federal de Comunicaciones de Estados Unidos para aplicaciones científicas. [1]. 2.3 SELECCIÓN DEL SUSTRATO Debido al rango de frecuencia alto, el uso de sustratos de constante dieléctrica alta queda descartado, pues influye directamente en las pérdidas del material, y las ventajas como bajo costo y alta disponibilidad se ven anuladas por las desventajas.

(44) 28. como pérdidas en el sustrato y disipación directamente proporcional a la frecuencia [4], se escoge valores de sustratos comerciales que han evidenciado buenos resultados en la bibliografía consultada y para que no sean eléctricamente gruesos para la frecuencia requerida se comprueba con la ecuación (2.1) [4]. ¡ . <. D,£. -%√¤(. (2.1). Donde: h: Altura del sustrato λ: longitud de onda central εr: Constante dieléctrica relativa del sustrato Se considera que el sustrato RO5880 presenta las características necesarias para el trabajo a 38.75 GHz, h presenta un valor bajo lo que se vuelve una gran ventaja a la hora del diseño, otra de las ventajas de éste material es el bajo factor de disipación, resiste grandes cambios de temperatura y está optimizado para trabajar a altas frecuencias por su sustrato fabricado de microfibras de vidrio reforzado. Sus características relevantes en el diseño son las siguientes: εr = 2.2 h = 0.127 mm Aplicando la ecuación (2.1) verificamos si el sustrato es eléctricamente delgado para el diseño. ℎ < 0.249 vv Las láminas del sustrato vienen en diferentes longitudes estándar, se escogió la más pequeña. Se adjunta la hoja de datos del sustrato en el Anexo A.. 2.4 DISEÑO DEL ELEMENTO RADIANTE Para el diseño del elemento radiante de la antena, se usan las fórmulas detalladas a continuación para un parche microstrip rectangular mostrado en la Figura 2.1. Se calcula el ancho del elemento radiante mediante la ecuación (2.2) [2]..

(45) 29 Q≈. p. (2.2). ¨ N -q § ( P. Donde: W: Ancho del elemento radiante c: Velocidad de la luz f0: Frecuencia central de diseño εr: Constante dieléctrica relativa del sustrato. Figura 2.1 Diseño del elemento radiante [2].. Debido a las diferencias de cálculos reales con los teóricos y la variación de circulación de corrientes en el sustrato, se requiere el uso de una constante dieléctrica efectiva, que se calcula con la ecuación (2.3) [2]: ©8ªqq ≈. ¤( b, -. +. ¤( d, -. ¡. (1 + 12 )d,/-. (2.3). Donde: εreff = Constante dieléctrica efectiva del sustrato h = Altura del sustrato Dada la variación en el tiempo de los campos eléctricos emitidos por el elemento radiante, se crea un margen de error entre la longitud teórica y la práctica del.

(46) 30. elemento radiante, por lo que se introduce el factor de corrección detallado en la fórmula (2.4) [2]: ∆ = ℎ × 0.412. ® ¯. (¤( bD.£)( bD.-°$) ® ¯. (¤( dD.-±t)( bD.t). (2.4). Donde: ΔL= Variación de longitud del elemento radiante Debido a que los campos eléctricos se propagan de forma diferente en medios diferentes, la longitud física no es igual a la longitud efectiva de un elemento radiante. Se usa la constante dieléctrica efectiva para determinar dicha longitud efectiva mediante la ecuación (2.5) [2]: ªqq =. p. -q ²¤. (2.5). Para finalizar con las dimensiones del parche, se debe calcular la longitud física del mismo usando la variación de longitud y la longitud efectiva, mediante la ecuación (2.6) [2]: = ªqq − 2∆. (2.6). Donde: L= Longitud del elemento radiante 2.4.1 DISEÑO DEL ELEMENTO RADIANTE PARA 38.75 GHz Una vez determinadas las fórmulas, se procede a realizar el diseño para el primer rango de frecuencias seleccionado que corresponde a (37 – 40.5 GHz), cuya frecuencia central corresponde a 38.75 GHz, y usando los datos del sustrato seleccionado. Se determina el ancho del elemento usando la ecuación (2.2) Q≈. 3 × 10t v/³. 2(38.75 × 10u ·¸)§. 2.2 + 1 2. Q ≈ 0.00306027 v = 3.06 vv.