Implementación de arreglos de antenas en la banda de 28 GHz para la quinta generación móvil

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Implementación de arreglos de antenas en la banda de 28 GHz para la Quinta Generación Móvil” Autor: Fabián Domínguez Valdivia Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra Cotutor: Dr.CT Roberto Jiménez Hernández. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Implementación de arreglos de antenas en la banda de 28 GHz para la Quinta Generación Móvil” Autor: Fabián Domínguez Valdivia E-mail: [email protected]. Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: [email protected]. Cotutor: Dr.CT Roberto Jiménez Hernández E-mail: [email protected] Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.. ____________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ___________________ Firma del Tutor. _____________________. ________________________. Firma del Jefe de Departamento. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. A veces son las personas de las que nadie imagina nada quienes hacen las cosas que nadie puede imaginar. Alan Turing..

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, Eugenio y Maritza, quienes me han apoyado incansablemente en este empeño y cuyo sacrificio constituye mi mayor fuente de inspiración para alcanzar mis sueños. A mi hermana, Liset, que ha sido la luz que he seguido toda mi vida, guiándome por el camino correcto..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por todo el amor y esfuerzo que han dedicado en la formación de mi persona; por ser ejemplo de constancia, sacrificio y fuente de inspiración en estos cinco años de carrera. Papá; aunque estés lejos no importa, para mí siempre has estado aquí, lograr este sueño ha sido mucho más fácil gracias a ti. A mi hermana por apoyarme en todo momento, algún día alcanzaré tu luz y entonces he de ser yo quien pueda ayudarte a ti. A mi cuñado Felierix por apoyarme en todos estos años, incluso en momentos donde solo tú me comprendías, por querer y merecer a mi hermana, por ser otro hermano para mí. A mi novia Yaneris por su cariño y comprensión, que aparecieras en mi vida es el mejor regalo de haber estudiado en la Marta Abreu. A mis amigos que han estado siempre aquí, Luis Miguel, Onaldo, Barrios, Idael, Oscar, Dariel, Jared, Yoelvis, Rolando, Javier, Serafín, etc., juntos hemos compartido momentos malos y buenos, su presencia hizo menos angosta esta sacrificada carrera. A otro amigo que hace tiempo está lejos, comprendí que todo tiene algún sentido en la vida, tu partida hizo más fuerte mi voluntad. A mi tutor Yakdiel por su constante seguimiento todos estos años. A todos mis profesores, quienes constituyen ejemplo a seguir para mí y han contribuido en gran medida en mi formación como futuro profesional..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para lograr la confección del presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, se desarrollaron las tareas técnicas siguientes: . Realización de una revisión bibliográfica de las características de la banda milimétrica y de las antenas inteligentes, determinando las particularidades que hacen factible su utilización en la 5G.. . Exposición de investigaciones acerca de la banda de 28 GHz y de arreglos de antenas que se proponen para dicha banda, demostrando la posible implementación de los mismos en la 5G.. . Identificación de los parámetros fundamentales de las antenas y los tipos de antenas que se emplean para las frecuencias de la banda milimétrica, así como los arreglos de antenas más utilizados.. . Descripción de las herramientas a emplear para la simulación de antenas para ondas milimétricas.. . Implementación de arreglos de antenas para la banda de 28 GHz, utilizando MATLAB y CST Microwave Studio.. . Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.. __________________. _________________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. El empleo de la banda milimétrica en la 5G constituye una solución acertada para logar los requisitos de esta futura tecnología, pero para una adecuada utilización de esta parte del espectro se requieren arreglos de antenas direccionables y de gran ganancia. La presente investigación se dedica a la implementación de arreglos de antenas en la banda de 28 GHz para la quinta generación móvil. Para ello, se caracterizaron la 5G, la banda milimétrica y las antenas inteligentes. También se expusieron investigaciones acerca de la banda de 28 GHz y de arreglos de antenas propuestos para la misma. Además, se identificaron los parámetros fundamentales de antenas, entre ellas, las que se emplean para frecuencias de la mmWave, los arreglos más utilizados; y se describieron herramientas para la simulación de antenas de dimensiones milimétricas. Como resultado de la investigación se expusieron los pasos a seguir para la implementación de arreglos de antenas para la frecuencia de 28 GHz, utilizando MATLAB y CST Microwave Studio, pudiéndose aplicar para otras frecuencias de la mmWave. Se propusieron, analizaron y compararon seis arreglos de antenas, llegándose a la conclusión de que a medida que se incrementa el número de elementos, mejora el desempeño de los arreglos..

(9) vi ÍNDICE. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2 CAPÍTULO 1.. LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS. INTELIGENTES PARA LA 5G ............................................................................................ 5 1.1. Aspectos generales de la 5G .................................................................................... 5. 1.1.1 1.2. Principales parámetros de desempeño de la 5G................................................ 6. Características principales de la banda milimétrica ................................................. 7. 1.2.1. Características de la propagación de las ondas milimétricas ............................ 8. 1.2.2. Principales implicaciones del uso de la mmWave en la 5G ........................... 10. 1.3 Características fundamentales de las antenas inteligentes .......................................... 10 1.3.1 Partes fundamentales de un sistema de antenas inteligentes ............................... 12 1.3.2. Configuraciones de antenas inteligentes ......................................................... 13. 1.4 Investigaciones acerca de arreglos de antenas para la banda de 28 GHz ................... 16 1.5. Conclusiones parciales ........................................................................................... 18. CAPÍTULO 2.. LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS. CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA ............... 19 2.1 Parámetros fundamentales de antenas ........................................................................ 19 2.1.1. Tipos de antenas de acuerdo a su estructura ................................................... 22.

(10) vii 2.2 Aspectos fundamentales de las antenas de parche ...................................................... 23 2.2.1. Características de las antenas de parche ......................................................... 23. 2.2.2. Métodos de alimentación de las antenas de parche ........................................ 24. 2.2.3. Métodos para el análisis de las antenas de parches ........................................ 25. 2.3. Los arreglos de antenas en los sistemas de telecomunicaciones ............................ 29. 2.3.1. Principio de funcionamiento de los arreglos de antenas ................................. 29. 2.3.2. Configuraciones utilizadas en arreglos de antenas ......................................... 30. 2.4. Herramientas para el cálculo numérico y la simulación de antenas....................... 32. 2.5. Conclusiones parciales ........................................................................................... 33. CAPÍTULO 3.. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ARREGLOS DE ANTENAS PARA LA. BANDA DE 28 GHZ. ANÁLISIS DE SUS DESEMPEÑOS.............................................. 34 3.1. Pasos para el diseño y simulación de arreglos de antenas para la banda de 28 GHz. empleando MATLAB y CST Microwave Studio ............................................................. 34 3.2. Diseño de una antena de parche resonante a 28 GHz ............................................ 35. 3.2.1. Seleccionar la forma del parche a diseñar, los materiales a utilizar y el espesor. de los componentes de la antena ................................................................................... 35 3.2.2. Selección del método de análisis para obtener las dimensiones preliminares. de la antena de parche ................................................................................................... 36 3.2.3. Elección del tipo de alimentación para la antena de parche ........................... 37. 3.2.4. Modelación y simulación de la antena de parche ........................................... 40. 3.2.4.1. Creación de un proyecto en CST Microwave Studio .............................. 41. 3.2.4.2. Modelación de la antena de parche en CST Microwave Studio .............. 41. 3.2.4.3. Simulación de la antena de parche en CST Microwave Studio ............... 43. 3.2.5. Análisis de los resultados obtenidos ............................................................... 44. 3.2.6. Optimización de la antena de parche .............................................................. 46.

(11) viii 3.3. Implementación de arreglos de antenas para la banda de 28 GHz a partir del. elemento diseñado previamente ........................................................................................ 53 3.3.1. Comprobación de la funcionalidad de los arreglos propuestos como antenas. inteligentes .................................................................................................................... 57 3.4. Conclusiones parciales ........................................................................................... 57. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 59 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 62 ANEXOS .............................................................................................................................. 66 Anexo 1. Eficiencias típicas de las antenas [32] ............................................................ 66. Anexo 2. Materiales de substratos típicos [29] .............................................................. 66. Anexo 3. Ventajas e inconvenientes de las antenas de parche [48] ............................... 67. Anexo 4. Representación de los métodos de alimentación de antenas de parche [48] .. 67. Anexo 5. Métodos de alimentación de los parches. Ventajas e Inconvenientes [48] ..... 68. Anexo 6. Comparación entre los métodos de alimentación de antenas de parche [29] . 68. Anexo 7. Técnicas para aumentar el ancho de banda de reflexión de una antena de. parche [48], [28] ............................................................................................................... 69 Anexo 8. Importancia de los arreglos de antenas para los sistemas de. telecomunicaciones [3] ..................................................................................................... 69 Anexo 9. Programación en MATLAB del método de línea de transmisión para calcular. las dimensiones del parche ............................................................................................... 70 Anexo 10. Resultados obtenidos mediante la función PatchDim() .............................. 71. Anexo 11. Programación en MATLAB de las ecuaciones para calcular las. dimensiones de acople para la antena de parche ............................................................... 71 Anexo 12. Resultados obtenidos mediante la función MatchDim() ............................. 72. Anexo 13. Ventana principal de CST Studio Suite ...................................................... 72.

(12) ix Anexo 14. Selección del área de aplicación en CST .................................................... 73. Anexo 15. Elección del tipo de antena a implementar en CST .................................... 73. Anexo 16. Selección del tipo de simulación a emplear en CST ................................... 74. Anexo 17. Selección de las unidades de medidas a utilizar en CST ............................ 74. Anexo 18. Configuración del rango de frecuencias y los monitores a analizar............ 75. Anexo 19. Nombre y resumen de las configuraciones de la plantilla creada en CST .. 75. Anexo 20. Espacio de trabajo de CST Microwave Studio ........................................... 76. Anexo 21. Definición de parámetros en CST Microwave Studio ................................ 76. Anexo 22. Ventana para la modelación de estructuras en CST Microwave Studio ..... 77. Anexo 23. Modelación del plano de masa de la antena de parche ............................... 77. Anexo 24. Modelación del substrato de la antena de parche ........................................ 78. Anexo 25. Proceso 1 de la modelación del parche y la línea de transmisión ............... 78. Anexo 26. Proceso 2 de la modelación del parche y la línea de transmisión ............... 79. Anexo 27. Proceso 3 de la modelación del parche y la línea de transmisión ............... 79. Anexo 28. Proceso 4 de la modelación del parche y la línea de transmisión ............... 80. Anexo 29. Herramienta Boolean para unir las estructuras ........................................... 80. Anexo 30. Modelación de la antena de parche concluida............................................. 81. Anexo 31. Alimentación de la antena mediante puerto guía-onda ............................... 81. Anexo 32. Dimensiones del puerto guía-onda .............................................................. 82. Anexo 33. Selección de la herramienta Setup Solver para la simulación ..................... 82. Anexo 34. Ventana de opciones para la simulación ..................................................... 83. Anexo 35. Progreso de la simulación en CST Microwave Studio................................ 83. Anexo 36. Modificación de las dimensiones del substrato y el plano de masa ............ 84. Anexo 37. Ventana para la configuración de un barrido de parámetros en CST. Microwave Studio ............................................................................................................. 84.

(13) x Anexo 38. Selección de las dimensiones de la antena a optimizar ............................... 85. Anexo 39. Parámetro a mejorar en la optimización...................................................... 86. Anexo 40. Proceso de optimización finalizado ............................................................ 87. Anexo 41. Estructura de los arreglos a modelar en CST Microwave Studio ............... 88. Anexo 42. Pérdidas de retorno del arreglo de 2x2 ........................................................ 88. Anexo 43. Pérdidas de retorno del arreglo de 2x3 ........................................................ 89. Anexo 44. Pérdidas de retorno del arreglo de 2x4 ........................................................ 89. Anexo 45. Pérdidas de retorno del arreglo de 3x3 ........................................................ 90. Anexo 46. Pérdidas de retorno del arreglo de 3x4 ........................................................ 90. Anexo 47. Pérdidas de retorno del arreglo de 4x4 ........................................................ 91. Anexo 48. Ancho de banda de reflexión del arreglo de 2x2......................................... 91. Anexo 49. Ancho de banda de reflexión del arreglo de 2x3......................................... 92. Anexo 50. Ancho de banda de reflexión del arreglo de 2x4......................................... 92. Anexo 51. Ancho de banda de reflexión del arreglo de 3x3......................................... 93. Anexo 52. Ancho de banda de reflexión del arreglo de 3x4......................................... 93. Anexo 53. Ancho de banda de reflexión del arreglo de 4x4......................................... 94. Anexo 54. Eficiencias de radiación y total del arreglo de 2x2 ..................................... 94. Anexo 55. Eficiencias de radiación y total del arreglo de 2x3 ..................................... 95. Anexo 56. Eficiencias de radiación y total del arreglo de 2x4 ..................................... 95. Anexo 57. Eficiencias de radiación y total del arreglo de 3x3 ..................................... 96. Anexo 58. Eficiencias de radiación y total del arreglo de 3x4 ..................................... 96. Anexo 59. Eficiencias de radiación y total del arreglo de 4x4 ..................................... 97. Anexo 60. Diagrama de radiación del arreglo de 2x2 .................................................. 97. Anexo 61. Diagrama de radiación del arreglo de 2x3 .................................................. 98.

(14) xi Anexo 62. Diagrama de radiación del arreglo de 2x4 .................................................. 98. Anexo 63. Diagrama de radiación del arreglo de 3x3 .................................................. 99. Anexo 64. Diagrama de radiación del arreglo de 3x4 .................................................. 99. Anexo 65. Diagrama de radiación del arreglo de 4x4 ................................................ 100. Anexo 66. Arreglo de 2x2. Dirección del lóbulo principal y ancho del haz. Nivel de. los lóbulos laterales y posteriores ................................................................................... 100 Anexo 67. Arreglo de 2x3. Dirección del lóbulo principal y ancho del haz. Nivel de. los lóbulos laterales y posteriores ................................................................................... 101 Anexo 68. Arreglo de 2x4. Dirección del lóbulo principal y ancho del haz. Nivel de. los lóbulos laterales y posteriores ................................................................................... 101 Anexo 69. Arreglo de 3x3. Dirección del lóbulo principal y ancho del haz. Nivel de. los lóbulos laterales y posteriores ................................................................................... 102 Anexo 70. Arreglo de 3x4. Dirección del lóbulo principal y ancho del haz. Nivel de. los lóbulos laterales y posteriores ................................................................................... 102 Anexo 71. Arreglo de 4x4. Dirección del lóbulo principal y ancho del haz. Nivel de. los lóbulos laterales y posteriores ................................................................................... 103 Anexo 72. Funcionalidad como antena inteligente. Matriz de fases 0 ....................... 103. Anexo 73. Funcionalidad como antena inteligente. Matriz de fases 1 ....................... 104. Anexo 74. Funcionalidad como antena inteligente. Matriz de fases 2 ....................... 104. Anexo 75. Funcionalidad como antena inteligente. Matriz de fases 3 ....................... 105. Anexo 76. Funcionalidad como antena inteligente. Matriz de fases 4 ....................... 105.

(15) INTRODUCCIÓN. Durante las últimas décadas, las comunicaciones móviles han contribuido en gran medida al desarrollo económico y social tanto de países desarrollados como subdesarrollados. Actualmente son parte indispensable de la vida diaria de millones de personas en el mundo, situación que se espera continúe en ascenso hasta llegar a ser incluso más ineludible en el futuro. En este momento muchos operadores a nivel mundial están implementando LTE (Long Term Evolution) para ofrecer acceso a más baja latencia y mayor eficiencia que sus predecesores 3G y 3.5G. También se encuentra en desarrollo e implementación LTE-A (LTE-Advanced), la cual es una evolución de 4G. De ahí que se avizoren grandes retos para el nuevo sistema de comunicaciones móviles que comienza a surgir, es decir, la Quinta Generación (5G) [1]. La característica principal de las redes de 5G es que las mismas están pensadas para que el usuario pueda conectarse simultáneamente a múltiples tecnologías inalámbricas e intercambiar entre ellas. La 5G está enfocada hacia los dispositivos que soportan Voz sobre IP (VoIP), en los cuales el usuario experimentará una alta razón de transmisión de datos (data-rate transmission) y un adecuado volumen de la llamada. Esta tecnología pretende cumplir todos los requisitos de los clientes que ansíen características avanzadas en los teléfonos celulares [2]. Las redes de 5G procuran proporcionar una económica conectividad inalámbrica de banda ancha. Esta demanda ha evocado la inaplazable necesidad de aumentar la capacidad y razón de transmisión de datos de estos sistemas. Subsecuentemente, el espectro disponible para proporcionar capacidad y alta razón de transmisión de datos a todos los usuarios subscritos está limitado. Los sistemas de antenas inteligentes (Smart Antenna Systems, SAS) parecen ser la mejor solución debido al uso de la división espacial, haciendo que las señales sean.

(16) INTRODUCCIÓN. 2. muy sensibles hacia una dirección específica, mientras que se proporciona gran atenuación hacia las demás direcciones. De esta manera se incrementa la capacidad y eficiencia del sistema y por tanto se reduce el costo global [3]. Recientemente, una parte del espectro electromagnético conocida como banda milimétrica (mmWave) se ha estado proponiendo para su utilización en la 5G, dónde varios Giga-Hertz de esta porción del espectro pudieran usarse para ofrecer altos órdenes de magnitud de razón de datos a los usuarios móviles, pudiéndose soportar también el backhaul (radioenlaces utilizados para conectar las estaciones bases celulares con el nodo principal de la red) entre celdas pequeñas. A estas frecuencias existe un gran espectro disponible, puesto que no está siendo utilizado actualmente. Las frecuencias de 28, 38, 71–76 y 81–86 GHz son las más convenientes en esta parte del espectro, según mediciones realizadas recientemente. Debido a las pequeñas longitudes de onda de la mmWave, es posible la fabricación arreglos de antenas direccionables de gran ganancia, los cuales pueden ser instalados tanto en los pequeños dispositivos móviles como en las estaciones bases [4],[5],[6]. La implementación y análisis del comportamiento de dispositivos como las antenas no es algo trivial, de ahí que sería engorroso sin el apoyo de herramientas de simulación como MATLAB, CST Microwave Studio, entre otras, las cuales están especializadas y equipadas para el cálculo numérico de forma rápida y precisa, permitiendo optimizar y ahorrar tiempo en el proceso de implementación. En Cuba, las investigaciones que se llevan a cabo en el ámbito de la implementación de arreglos de antenas para la futura 5G son escasas, tratándose de un tema novedoso. Sin embargo, en el periódico Granma, Órgano Oficial de Comité Central del Partido Comunista de Cuba (PCC), del día 9 de enero del presente año, se señala que China comenzaría las pruebas de la tecnología 5G con el fin de iniciar su comercialización en el año 2020 [7]; de ahí la importancia de comenzar a investigar este tema. La presente investigación será de gran importancia para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y por ende para la Facultad de Ingeniería Eléctrica, desde el punto de vista teórico y práctico, así como para aquellas personas que se incentiven a indagar en el tema, ya que serán expuestas las características principales a tener en cuenta a la hora.

(17) INTRODUCCIÓN. 3. de concebir un arreglo de antenas para la banda milimétrica, así como las herramientas utilizadas para su implementación. Tomando en consideración las razones anteriormente expuestas, se plantea el siguiente problema de investigación: ¿Cómo implementar arreglos de antenas en la banda de 28 GHz para la Quinta Generación Móvil? Esta investigación tiene como objeto de estudio la Quinta Generación de las Comunicaciones y el campo de estudio lo constituyen los arreglos de antenas para ondas milimétricas. Para dar cumplimiento al problema de investigación, se propone el siguiente objetivo general: Implementar arreglos de antenas en la banda de 28 GHz para su posible utilización en la 5G. Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: . Caracterizar la banda milimétrica y las antenas inteligentes, determinando las particularidades que hacen factible su utilización en la 5G.. . Exponer investigaciones acerca de la banda de 28 GHz y de arreglos de antenas que se proponen para dicha banda, demostrando la posible implementación de los mismos en la 5G.. . Identificar los parámetros fundamentales de las antenas y los tipos de antenas que se emplean para las frecuencias de la banda milimétrica, así como los arreglos de antenas más utilizados.. . Describir las herramientas a emplear para la simulación de antenas para ondas milimétricas.. . Implementar arreglos de antenas para la banda de 28 GHz, utilizando MATLAB y CST Microwave Studio.. De los objetivos específicos propuestos, surgen las siguientes interrogantes científicas, a las cuales se les dan respuestas en el desarrollo de la investigación: . ¿Cuáles son las características de la banda milimétrica y de las antenas inteligentes que determinan su utilización en la 5G?.

(18) INTRODUCCIÓN. . 4. ¿Qué investigaciones se han realizado acerca de la banda de 28 GHz y de arreglos de antenas para dicha banda, que demuestran su posible implementación en la 5G?. . ¿Cuáles son los parámetros fundamentales de las antenas y los tipos de antenas que se emplean para las frecuencia de la banda milimétrica y qué arreglos de antenas son los más utilizados?. . ¿Qué herramientas se emplean para la simulación de antenas para ondas milimétricas?. . ¿Cómo implementar arreglos de antenas para la banda de 28 GHz, utilizando MATLAB y CST Microwave Studio?. Para cumplir los objetivos establecidos, el informe de la investigación se estructuró en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el primer capítulo se exponen aspectos generales de la tecnología de comunicaciones móviles 5G, las particularidades de la banda milimétrica del espectro radioeléctrico, así como las principales características de las antenas inteligentes. Finalmente se exhiben investigaciones realizadas acerca de la banda de 28 GHz y sobre arreglos de antenas para esta frecuencia de la mmWave. En el segundo capítulo se exponen los parámetros fundamentales de antenas, identificándose el prototipo de antena a emplear para las frecuencias de la banda milimétrica. Además, se presentan las configuraciones de arreglos de antenas más utilizados, así como las herramientas de software especializadas en la simulación de antenas para ondas milimétricas. En el tercer capítulo se exponen los pasos a seguir para el diseño y simulación de arreglos de antenas haciendo uso de las herramientas de software MATLAB y CST Microwave Studio. Seguidamente, se realiza la implementación y simulación de algunos arreglos de antenas diseñados para la banda de 28 GHz. A partir de los resultados obtenidos en las simulaciones, se analizan y comparan los arreglos propuestos. Finalmente, se comprueba mediante un ejemplo la posibilidad de emplear los arreglos implementados en un sistema de antenas inteligentes..

(19) CAPÍTULO 1.. LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. Desde su surgimiento, la tecnología móvil ha experimentado diferentes cambios de generaciones, las cuales han transformado el ámbito celular en un conjunto global de redes interconectadas. Actualmente varias investigaciones están siendo realizadas encaminadas hacia la próxima generación: la 5G. En el presente capítulo se exponen aspectos generales de la tecnología de comunicaciones móviles 5G, las particularidades de la banda milimétrica del espectro radioeléctrico, así como las principales características de las antenas inteligentes. También se exhiben investigaciones acerca de la banda de 28 GHz, y sobre arreglos de antenas para esta frecuencia de la mmWave. 1.1 Aspectos generales de la 5G Al igual que las generaciones anteriores, la 5G será un conjunto de tecnologías de red perfeccionadas. Esta apunta a lograr acceso ilimitado a la información y a la capacidad de compartir datos en cualquier parte y cualquier momento para el beneficio de las personas, los negocios y la sociedad en general. Los niveles de desempeño exacto y requerimientos que necesitarán los sistemas y equipos para etiquetarse como de 5G aún no están completamente definidos. Ya han comenzado algunas actividades de estandarización y se piensa que se inicie la comercialización de esta tecnología para el año 2020 [8]. La 5G es mucho más que otro nuevo conjunto de tecnologías que requerirán actualizaciones masivas en los equipos. Su objetivo es construir sobre la madurez que los sistemas de telecomunicaciones han alcanzado. La 5G incluirá versiones avanzadas de radio-acceso (radio-access), la nube (cloud), entre otras; así como algunas nuevas tecnologías.

(20) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 6. complementarias, para soportar más dispositivos, de mayor diversidad y con requerimientos de operación diferentes [8]. También serán importantes factores como la seguridad, el mantenimiento a largo plazo y el costo. Además, la necesidad de proporcionar conectividad a los próximos mil millones de subscriptores, constituye también un rol indispensable en la dirección del desarrollo de la futura tecnología [8]. 1.1.1 Principales parámetros de desempeño de la 5G Entre los principales parámetros de desempeño que serán perfeccionados en la 5G se encuentran la razón de datos (Data Rate), pues el crecimiento del tráfico móvil es la principal característica pensada para las redes de 5G [9]. Se pretenden ofrecer razones de datos de 1 Gbps como mínimo desde cualquier lugar, pudiendo alcanzar valores máximos de hasta 50 Gbps. Cada generación de tecnología móvil ha logrado aumentar el desempeño del sistema mediante el uso adicional de bandas de frecuencias (típicamente más altas) y mayores anchos de bandas de transmisión; ya que esto permite aumentar la capacidad de tráfico y las razones de datos. La 5G no es una excepción, pues también deberá utilizar el espectro adicional para alcanzar las aspiraciones que se propone [8]. Otro parámetro de importancia lo constituye la latencia (Latency). Actualmente, los valores de la latencia de ida y vuelta (round-trip latency) de la 4G están en el orden de los 15 ms, pudiendo satisfacer los requisitos de la mayoría de las aplicaciones actuales. Sin embargo, dadas las nuevas aplicaciones que están surgiendo, principalmente nuevos juegos online en los diferentes dispositivos inalámbricos, la latencia para redes celulares de la 5G deberá ser de aproximadamente 1 ms, orden de magnitud mucho menor que en la 4G [9]. El consumo de energía y el costo son otros parámetros de desempeño a tener en cuanta pues se espera que el consumo de energía por enlace disminuya. Puesto que la razón de datos por enlace que será ofrecida aumentará en aproximadamente 100 veces, entonces el costo y consumo de energía por bit deberá disminuir en al menos un 99 por ciento [9]. Algunas tecnologías prometedoras tales como las comunicaciones de onda milimétrica (mmWave communications) y el uso de celdas pequeñas (small cell) podrían proporcionar un costo razonable y un consumo adecuado de potencia. Especialmente, el espectro de ondas milimétricas es más económico que el espectro por debajo de 3 GHz de las redes celulares actuales ya que la mmWave posee un gran ancho de banda disponible que permite lograr.

(21) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 7. altas razones de transmisión sin necesidad de aumentar en gran medida la potencia de transmisión [5]. La posibilidad de usar esta banda en la tecnología 5G constituye un paso significativo para lograr grandes anchos de banda de trasmisión que permitirán alcanzar altas velocidades de datos en la red [8]. 1.2 Características principales de la banda milimétrica El espectro de microondas, el cual se ha usado para la mayoría de las redes comerciales se encuentra actualmente casi completamente ocupado. Afortunadamente, existe un gran espectro disponible en el rango de la mmWave. Esta parte del espectro incluye frecuencias desde los 30 a los 300 GHz con longitudes de onda de orden milimétrico (de 1 a 10 mm), pero debido al comportamiento similar del espectro a partir de los 3 GHz, son incluidas dichas frecuencias más bajas a esta porción espectral conocida como banda de frecuencias milimétricas o mmWave, la cual se pretende explotar para las futuras comunicaciones móviles. Para lograr que el uso de esta banda satisfaga los requisitos de las redes celulares de 5G se deben superar los desafíos impuestos por la propagación de las ondas milimétricas, tales como las grandes pérdidas de propagación y las pérdidas por obstáculos [9], [10]. El espectro de ondas milimétricas, aún no licenciado, proporciona las ventajas siguientes [9]: Grandes asignaciones de frecuencias. Típicamente varios GHz en muchas regiones del mundo. Mayor potencia disponible. Al contrario de las estrictas restricciones de potencia de transmisión de la UWB (Ultra Wide Band, Banda Ultra-Ancha), la mmWave permite una PIRE (potencia isotrópica radiada efectiva) significativamente grande. Espectro limpio. No hay grandes radiadores desarrollados para esta banda ni en entornos interiores (indoor) ni exteriores (outdoor), por tanto hay muy poca interferencia. Las diminutas longitudes de onda permiten el diseño de pequeñas antenas de gran ganancia, las cuales permiten obtener altos valores de PIRE con el uso de amplificadores de RF de bajo consumo de potencia..

(22) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 8. Las grandes pérdidas de propagación permiten la interacción de varias redes de manera tal que no se interfieran entre ellas, ya que las antenas a estas frecuencias son muy direccionales, posibilitando la reutilización espacial. 1.2.1 Características de la propagación de las ondas milimétricas Las características de la propagación de las ondas milimétricas varían a lo largo de toda la banda. Un gran inconveniente de utilizar esta banda para las comunicaciones de 5G lo son la lluvia y la atmósfera que, por los niveles de atenuación que provocan, hacen que dicha banda no sea muy apropiada para las comunicaciones móviles. Sin embargo, considerando que el tamaño de las celdas en entornos urbanos está hoy en el orden de los 200 m, entonces estos problemas, debido a las atenuaciones, pueden ser superados [9]. La figuras 1.1 y 1.2 muestran el comportamiento de la atenuación por lluvia y la absorción atmosférica respectivamente en la mmWave.. Figura 1.1. Atenuación por lluvia en dB/km en la mmWave para varias tasas de precipitación [6]..

(23) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 9. Figura 1.2. Absorción atmosférica en la mmWave en dB/km [6]. En la figura 1.1 se observa que la atenuación por lluvia a la frecuencia de 28 GHz es de 7 dB/km para una fuerte precipitación de 25mm/h. De esta forma, si el área de cobertura de las celdas es de 200 m de radio, la atenuación por lluvia se reduce a 1.4 dB. De igual forma puede ser observado en la figura 1.2 que la atenuación causada por la absorción atmosférica es de 0.012 dB a la frecuencia de 28 GHz, y de 0.016 dB a la frecuencia de 38 GHz, ambas medidas a 200 m de distancia. Además, las frecuencias de 70 a 100 GHz y de 125 a 160 GHz también poseen bajas pérdidas [6]. Uno de los rasgos distintivos de las comunicaciones mediante ondas milimétricas lo constituye la alta pérdida de propagación. Las pérdidas de propagación de espacio libre (free space propagation loss) son proporcional al cuadrado de la frecuencia, y esto es una consecuencia con la que hay que lidiar al utilizar dichas frecuencias. Las pérdidas de propagación que se presentan en la mmWave son mucho más altas que las percibidas por las bandas más bajas, por ejemplo, la frecuencia de 60 GHz posee 28 dB más de pérdidas que la frecuencia de 2,4 GHz [11]. Las longitudes de ondas relativamente cortas en la mmWave imponen retos como la difusión de señales y la dificultad de difracción en obstáculos. La ausencia de línea vista (NLOS) en los canales de onda milimétrica provoca atenuaciones significativas y escasos trayectos múltiples [12]. Por consiguiente, los sistemas de onda milimétrica deben contar con transmisiones que aseguren la línea de vista (LOS) para lograr altas razones de transmisión..

(24) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 10. Los obstáculos y las personas en movimiento pueden fácilmente bloquear la línea de vista y por tanto reducir la razón de transmisión de datos. Además, las señales de ondas milimétricas poseen dificultades para penetrar a través de construcciones de materiales sólidos, por ejemplo, la atenuación provocada por una pared de ladrillo a 40 GHz es de 178 dB [12], tal atenuación hace indisponible las conexiones a estas frecuencias. 1.2.2 Principales implicaciones del uso de la mmWave en la 5G Partiendo del estudio de las características de la mmWave, existen importantes implicaciones de su utilización en la 5G. La red a implementar debe ser direccional pues para superar las pérdidas de propagación en la mmWave (incluidas, pérdidas de espacio libre, atenuación por lluvia y absorción atmosférica) y lograr altas razones de transmisión, deben ser utilizadas antenas direccionables de gran ganancia. También debe explotarse la reutilización del espacio para que más transmisiones concurrentes puedan ser soportadas, así como mejorar la razón de datos, puesto que las grandes pérdidas de propagación y la utilización de antenas direccionables conllevan a que exista poca interferencia entre las señales [9]. Como ya fue mencionando, a consecuencias de las severas pérdidas de propagación de las ondas en la mmWave, las estaciones bases deben ser desplegadas mediante celdas pequeñas (aproximadamente 200 m de radio) para asegurar la fidelidad de los datos, así como las razones de transmisión mínimas previstas por la futura tecnología. Además, las pequeñas longitudes de onda de las frecuencias de la mmWave implican que más antenas puedan ser empaquetadas en un área relativamente pequeña, haciendo factible el diseño de compactos arreglos de antenas de gran ganancia. Dichos arreglos deben ser direccionables para una adecuada reutilización del espacio, logrando con ello disminuir las interferencias y combatir las grandes pérdidas de propagación. De ahí la necesidad de utilizar antenas inteligentes (Smart Antennas) en la 5G [13]. 1.3 Características fundamentales de las antenas inteligentes La forma en que la energía electromagnética es distribuida y recopilada del espacio tiene aún una profunda influencia en el uso eficiente del espectro, el costo del establecimiento de las nuevas redes de comunicaciones, así como en la calidad de servicio proporcionada por estas..

(25) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 11. La adopción de antenas inteligentes promete ser una gran solución para los retos a los que se enfrentan actualmente las comunicaciones inalámbricas [11], entre los que se encuentran: Limitado espectro de frecuencia que restringe la capacidad estos sistemas. Desvanecimiento de la señales debido a la propagación multi-trayecto. Interferencia co-canal o canal adyacente. Potencia restringida de las baterías de los dispositivos móviles. La utilización de antenas inteligentes permite la explotación del dominio espacial (spatial domain) reduciendo los efectos de la interferencia, extendiendo el rango y cobertura de las redes inalámbricas, incrementando la capacidad del sistema y logrando altas razones de transferencia de datos. Estas ventajas se logran mediante el aumento de la complejidad del sistema de telecomunicaciones, la cual constituye la principal desventaja del empleo de esta tecnología, puesto que se requiere de mayor procesamiento de señales para la implementación de la misma [14]. Las antenas de las antiguas estaciones bases de las comunicaciones celulares son normalmente omnidireccionales, es decir, irradian su energía en todas las direcciones. Esto resulta en un desperdicio de potencia ya que la mayoría de la potencia de las señales que se trasmiten irradia en direcciones diferentes a la del usuario deseado. Esto provoca incremento de la interferencia y disminución de la relación señal a ruido (SNR). A pesar de que el uso de antenas sectoriales disminuye la interferencia mediante la división de las celdas en varios sectores, aún existen algunos niveles de interferencia. Las antenas inteligentes proporcionan gran ahorro de potencia al dirigir la radiación hacia la dirección deseada, suprimiendo las señales no deseadas [15]. Muchos se refieren a los sistemas de antenas inteligentes como “antenas inteligentes”. Pero en realidad las antenas no son inteligentes por sí solas. Es la capacidad del procesamiento digital de señales junto con las antenas lo que hace inteligente al sistema [15]. En el ámbito de las redes inalámbricas modernas, el término “antena inteligente” define un arreglo de antenas combinado con un grupo de unidades usadas para el procesamiento adaptativo de las señales realizado en el espacio y el tiempo [16]. En otras palabras, el término “sistema de antena inteligente” se refiere a las novedosas técnicas de procesamiento de las señales que son implementadas eficientemente para explotar la información direccional de.

(26) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 12. los usuarios de las redes de comunicaciones inalámbricas. Esta información direccional o espacial es portada por las señales emitidas por el usuario y puede ser obtenida usando múltiples antenas receptoras [17]. Las antenas inteligentes (también conocidas como arreglos adaptativos de antenas, antenas múltiples o MIMO) están pensadas para conformar y colocar el haz principal de la antena en la dirección del usuario deseado. De esta manera, se reducen las interferencias provocadas por otros usuarios como se muestra en la figura 1.3. Como ya se mencionó, para lograr lo anterior se usan algoritmos inteligentes de procesamiento de señales para identificar la dirección de donde provienen las señales del usuario y así calcular la localización del mismo [15]. En aplicaciones de ingeniería, cuando una señal es detectada y censada por un arreglo de antenas, las señales asociadas a los diferentes puntos del espacio pueden ser procesadas para extraer varias informaciones incluyendo su dirección de arribo (direction of arrival, DoA). Los algoritmos para la estimación de la DoA en un arreglo de antenas son usados a menudo en las comunicaciones inalámbricas para incrementar la capacidad y la razón de transferencia efectiva de la red [18].. Figura 1.3. Conformación adaptativa del haz [15]. 1.3.1 Partes fundamentales de un sistema de antenas inteligentes De la explicación anterior pueden ser desglosados otros aspectos fundamentales de un SAS entre los que se encuentran; calcular la dirección de arribo (DoA) de la señal del usuario, aplicar los parámetros específicos a los elementos de la antena para direccionar el haz de.

(27) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 13. radiación en la dirección deseada y por consiguiente, utilizar arreglos de antenas. La idea básica de los arreglos de antenas es usar varias antenas y ajustar sus parámetros (fase y amplitud de las corrientes de alimentación) para que la radiación de todos elementos del arreglo interactúe constructivamente en la dirección deseada y destructivamente hacia las demás direcciones [15]. Como ya se mencionó, una antena inteligente consta de un arreglo de antenas que se usa en conjunto con un subsistema de procesamiento de señales para mejorar el desempeño de los sistemas inalámbricos. De esta forma, el sistema puede ser dividido en tres partes fundamentales [19]: 1) Arreglo de antenas: Censa las señales que están arribando al sistema. Está compuesto por varios elementos de antenas que pueden estar dispuestos en diferentes configuraciones (lineal, plano o circular) para que sus salidas puedan ser electrónicamente direccionadas mediante un cálculo realizado por las unidades de procesamiento de señal. 2) Estimador de la dirección de arribo (DoA estimator): realiza la clasificación de la dirección de arribo encontrando cuales señales se originan del usuario y cuales son interferentes. 3) Algoritmo de conformación del haz (Beamforming algorithm): Conforma un patrón de radiación de la antena con el lóbulo principal dirigido hacia la dirección del usuario, minimizando la influencia de las señales interferentes y el ruido. 1.3.2 Configuraciones de antenas inteligentes Básicamente existen tres configuraciones principales de antenas inteligentes. La más simple es la de haz conmutado (Switched Beam) y consiste en la formación de haces de radiación fijos con alta sensibilidad hacia direcciones particulares. Tal sistema, al detectar una señal con intensidad, escoge uno de los varios haces fijos predeterminados y conmuta de un haz a otro mientras el móvil se mueve dentro del sector, como se muestra en la figura 1.4. Este sistema, basado en una función de conmutación básica, puede seleccionar el haz que aporte mayor intensidad a la señal recibida. Cambiando las diferentes fases de las señales usadas para alimentar los elementos de la antena, el lóbulo principal puede ser direccionado a diferentes posiciones en el espacio [11]..

(28) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 14. Figura 1.4. Cobertura del sistema de haz conmutado [11]. Otra configuración del SAS es la de haz de seguimiento (Scaninig Beam). Este sistema posee mayor complejidad que el anterior. Está conformado por un arreglo de antenas con una red de excitación que permite controlar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los elementos del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente y establecer comunicación con el usuario respectivo, como se muestra en la figura 1.5. A diferencia del sistema de haz conmutado, este sistema ejecuta algoritmos DoA para identificar la dirección de arribo de las señales de los usuarios [20].. Figura 1.5. Cobertura del sistema de haz de seguimiento [20]. El máximo nivel de inteligencia que se puede proporcionar a un SAS se logra mediante el sistema de haz adaptativo (Adaptive Beam). Estos se ajustan al ambiente de RF o al cambio en el origen espacial de las señales, pueden alterar los patrones de señal para optimizar el desempeño de los sistemas inalámbricos. Además, proporcionan mayores grados de libertad.

(29) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 15. ya que tienen la habilidad de adaptar en tiempo real el patrón de radiación al ambiente de las señales de RF, en otras palabras, pueden dirigir el lóbulo principal hacia la dirección deseada mientras se suprime la radiación hacia las direcciones no deseadas o interferentes. La figura 1.6 ilustra la idea general de este sistema. Los sistemas de haz adaptativo utilizan sofisticados algoritmos de procesamiento de señales para continuamente distinguir entre las señales deseadas y las interferentes, mantener localizadas las direcciones de arribo de las mismas y conformar el patrón de radiación eficientemente [11].. Figura 1.6. Cobertura del sistema de haz adaptativo [20]. Los sistemas de haz de seguimiento y adaptativo poseen mayor complejidad en el procesamiento de las señales que los convencionales sistemas de haz conmutado, pero poseen un mejor desempeño, puesto que los sistemas de haz conmutado no solo son ineficientes al colocar la señal deseada en el máximo del lóbulo principal, sino también son incapaces de rechazar convenientemente las señales interferentes [11]. Abordado el tema referente a las antenas inteligentes, se puede apreciar que una de las partes fundamentales de este sistema lo constituye el arreglo de antenas. Este debe implementarse con un número relativamente bajo de elementos, a fin de evitar complejidad en las unidades de procesamiento de señal [11]. En el epígrafe siguiente se exponen investigaciones enfocadas a la utilización de la mmWave en la 5G y la implementación de arreglos de antenas para algunas frecuencias de la misma..

(30) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 16. 1.4 Investigaciones acerca de arreglos de antenas para la banda de 28 GHz Las primeras investigaciones acerca de arreglos de antenas para frecuencias de la mmWave datan de finales de la década del noventa. Actualmente se realizan varias indagaciones en este campo, encaminados principalmente hacia la 5G, que brindan información actualizada sobre en el tema. A continuación se mencionan algunas de estas investigaciones. En el año 1997, David M. Pozar, Stephen D. Targonski y H. D. Syrigos publicaron el artículo “Design of Millimeter Wave Microstrip Reflectarrays” [21]. En este se discutió el modelo teórico y diseño práctico de un arreglo-reflector usando antenas de microcinta o parches (patch) de tamaño variable para la mmWave. En dicho artículo también fue descrito el tratamiento realizado en el diseño para obtener un arreglo-reflector óptimo y calcular el patrón de radiación. Además, fueron analizados los parámetros principales del diseño tal como pérdidas, ancho de banda, ganancia, entre otros. También fueron expuestas varias técnicas de alimentación y se realizaron mediciones de arreglos diseñados para las frecuencias de 28 y 73 GHz. En el año 2013, Félix Gutiérrez de la Universidad de Texas, realizó la disertación “Millimeter-Wave and Sub-Terahertz On-Chip Antennas, Arrays, Propagation, and Radiation Pattern Measurements” [22]. Esta estuvo enfocada a la utilización de la mmWave para la nueva generación de las telecomunicaciones. Allí fueron propuestas las frecuencias de 28 GHz, 60 GHz y 180 GHz para aliviar la congestión en las redes inalámbricas actuales. En dicho artículo también fueron resumidas investigaciones acerca de las características de la mmWave. Además, se describió el proceso de diseño y fabricación de arreglos de antenas en chips para las ondas milimétricas mediante circuitos integrados y se realizaron mediciones del patrón de radiación. Los autores Shu Sun y Theodore S. Rappaport, del Instituto Politécnico de la Universidad de Nueva York publicaron en el año 2013 el artículo titulado “Multi-beam Antenna Combining for 28 GHz Cellular Link Improvement in Urban Environments” [4]. En dicha investigación fue expuesto el desempeño de los arreglos de antenas de haces múltiples que permitirán mejorar la calidad del enlace de los futuros sistemas celulares que operen en la mmWave, mediante el uso de datos de mediciones a la frecuencia de 28 GHz en la ciudad de Nueva York. Allí se demostró que la combinación de varios haces en los arreglos de.

(31) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 17. antenas receptoras pueden mejorar significativamente los efectos de la propagación. Además, se propuso la implementación de arreglos de antenas de gran ganancia en combinación con adecuados algoritmos adaptativos de conformación del haz para la 5G. A finales de mayo de 2013, los autores Theodore S, Rappaport, Shu Sun, Rimma Mayzus, Hang Zhao, entre otros, publicaron un artículo titulado “Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!” [6]. En esta investigación se fundamentó la necesidad de utilizar la mmWave en la 5G, realizando una caracterización de la misma. Además, se propuso la implementación de arreglos de antenas direccionables para algunas frecuencias de la mmWave. Mediante mediciones se demostró la factibilidad de usar arreglos de antenas en las bandas de 28 y 38 GHz, que pudieran ser instalados tanto en estaciones bases como en los dispositivos móviles. En mayo de 2015, los autores Haraz, O., Ashraf, M.A., Alshebeili, S. publicaron en una conferencia realizada en Abu Dhabi el artículo “28/38-GHz dual-band millimeter wave SIW array antenna with EBG structures for 5G applications” [23]. En dicho artículo fue propuesto el diseño de un arreglo de antenas de doble banda (dual-band) de guía-onda integrada de substrato (substrate integrated waveguide, SIW) linealmente polarizada, para la operación en banda Ka (26.5 a 40 GHz). El arreglo fue diseñado para resonar a 28 y 38 GHz para el cual fueron sugeridos substratos de costo económico y pocas pérdidas. Además, fueron realizadas simulaciones para diferentes configuraciones de arreglos usando el software CST Microwave Studio. En Julio de 2015, Helander, J. Zhao, K., Ying, Z., Sjoberg, D publicaron el artículo “Performance Analysis of Millimeter Wave Phased Array Antennas in Cellular Handsets” [24]. En este fue abordado el uso de arreglos de antenas direccionables de gran ganancia para operar en la mmWave. También se caracterizaron los posibles arreglos de antenas a utilizar en los futuros celulares de la 5G, basándose en la posible utilización de la mmWave (28 GHz, 38 GHz, etc.) en esta tecnología. Además, fue analizado el desempeño de diferentes configuraciones de arreglos a fin de establecer comparaciones entre ellos. En el vigésimo-tercer fórum de Telecomunicaciones realizado en Serbia, a finales de noviembre de 2015 (TELFOR 2015), los autores Naser Ojaroudiparchin, Ming Shen, y Gert Frølund Pedersen publicaron el artículo “Design of Vivaldi Antenna Array with End-Fire.

(32) LA BANDA MILIMÉTRICA Y LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES PARA LA 5G. 18. Beam Steering Function for 5G Mobile Terminals” [25]. En este fue presentado un nuevo diseño de arreglo de antenas para la futura 5G. También se propuso el uso de materiales económicos y dimensiones pequeñas. El diseño fue realizado para la frecuencia de 28 GHz y estaba pensado para ser instalado en los teléfonos móviles. En dicha investigación fueron realizadas simulaciones para medir los parámetros del arreglo, obteniéndose buenos resultados de ganancia, eficiencia y características direccionales del haz en toda la banda de operación. Además, fue analizado el desempeño del arreglo de antenas al estar en la mano del usuario. 1.5 Conclusiones parciales En este capítulo se realizó un acercamiento a la futura tecnología de 5G, y se destacaron los parámetros de desempeño que se pretenden perfeccionar para su implementación. También fueron expuestas las características fundamentales de la mmWave y se resaltaron los aspectos que hacen factible la idea de su empleo en la 5G, así como las implicaciones de su utilización en esta futura tecnología. Además, fueron abordadas las principales características de las antenas inteligentes, sus partes fundamentales y las configuraciones básicas de este sistema. Finalmente se expusieron varias investigaciones que se han realizado sobre la banda de 28 GHz y acerca de arreglos de antenas que se proponen para dicha banda, quedando demostrada su creciente importancia y posible implementación en las comunicaciones de 5G..

(33) CAPÍTULO 2.. LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA. Actualmente se realizan varias investigaciones para lograr las metas que la futura 5G pretende cumplir. En estas se evidencia la necesidad de emplear la mmWave así como desarrollar los SAS. Los arreglos de antenas son parte fundamental de estos sistemas cuya función es censar las señales que están arribando al mismo. Una adecuada implementación de estos permite optimizar el desempeño de los SAS y por ende de las comunicaciones móviles. De ahí la importancia de realizar un estudio en función de implementar arreglos de antenas para la mmWave. En este capítulo se exponen los parámetros fundamentales de antenas, y se identifica el prototipo de antena a emplear para las frecuencias de la banda milimétrica. Además, se exponen las configuraciones de arreglos de antenas más utilizados, así como las herramientas de software especializadas en la simulación de antenas de longitud de onda milimétrica. 2.1 Parámetros fundamentales de antenas Una antena es un dispositivo formado por uno o varios conductores metálicos, capaz de emitir o recibir ondas electromagnéticas. Una antena transmisora convierte voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa [18]. Las antenas están constituidas por uno o varios conductores de dimensiones convenientes y de formas diversas, cuyas características varían en dependencia de la aplicación en la que se.

(34) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA. 20. pretende implementar [26]. Por tanto, para elegir una antena para alguna aplicación específica existen distintos aspectos a considerar, pues primeramente se deben conocer los parámetros fundamentales a lograr en el diseño y entonces seleccionar el prototipo de antena que mejor se adecúe a los mismos [27]. Entre los parámetros fundamentales de las antenas se encuentra la impedancia de entrada que se define como la relación entre tensión y corriente en sus terminales. Consta de una parte real 𝑅𝑎 (ω) y una parte imaginaria 𝑋𝑎 (ω) que dependen de la frecuencia [18]: 𝑍𝑎 = 𝑅𝑎 (ω) + 𝑗𝑋𝑎 (ω). (2.1). La parte real se puede descomponer como 𝑅𝑎 (ω) = 𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 donde 𝑅𝑟 es la resistencia de radiación de la antena y 𝑅𝐿 es la resistencia de pérdidas óhmicas de la misma. Esto permite distinguir entre la potencia radiada por la antena y la potencia disipada en calor como: 𝑃𝑟 =. 1 |𝐼 |2 𝑅𝑟 2 0. (2.2). 𝑃𝐿 =. 1 |𝐼 |2 2 0. (2.3). donde 𝐼0 es el valor de corriente de entrada de la antena. Si el valor de la reactancia 𝑋𝑎 (ω) es nulo a una frecuencia determinada, se dice que la antena es resonante [18]. Otro parámetro de importancia es la adaptación de la antena pues, tanto en transmisión como en recepción, esta suele estar conectada a una línea de transmisión. Para medir el grado de reflexión de la potencia en una carga, se emplea el parámetro de dispersión S11 que brinda información sobre la transferencia de potencia hacia la antena [28]. Este parámetro representa el coeficiente de reflexión en la entrada (la relación entre la onda reflejada respecto a la onda incidente) y es usado para definir las frecuencias en las cuales una antena se encuentra resonando, tomando valores inferiores a los -10 dB [29]. En la Figura 2.1 se muestra una línea de transmisión de impedancia característica 𝑍0 , siendo 𝑍𝐴 la impedancia de entrada de la antena, de esta forma el parámetro S11 se determina: 𝑆11 =. 𝑍𝐴 − 𝑍0 𝑍𝐴 + 𝑍0. (2.4).

(35) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA. 21. Figura 2.1. Representación de la conexión mediante una línea de trasmisión a la antena [30]. La directividad y la ganancia son otros de los parámetros fundamentales de una antena cuyas definiciones son similares, pero diferentes. La directividad se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección a una distancia dada y la densidad de potencia, que radiaría a esa misma distancia, una antena isótropa que radiase la misma potencia. Mientras que la ganancia de una antena es la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección a una distancia determinada y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancia y potencia entregada a la antena [18], [31]. El diagrama de radiación de la antena constituye también un parámetro a considerar. Este es una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena a grandes distancias. Puede ser representado en 3D, como se muestra en la figura 2.2b, utilizando técnicas gráficas diversas o mediante cortes en planos. En este sentido, el plano E (plano que forma la dirección de máxima radiación y el campo eléctrico en dicha dirección) y el plano H (plano formado por la dirección de máxima radiación y el campo magnético en dicha dirección) constituyen los más representativos. Ambos planos son perpendiculares y su intersección define la dirección de máxima radiación de la antena [31]. El diagrama de radiación también se puede representar en dos dimensiones (2D) [32]. Para ello se puede usar la representación en coordenadas polares, obteniéndose una visualización clara de la distribución de potencia en todas las direcciones, como se muestra en la figura 2.2a o mediante coordenadas cartesianas, representando la variable angular en el eje de abscisas y la magnitud en el eje de ordenadas como muestra la figura 2.2c..

(36) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA. 22. Figura 2.2. Representación del diagrama de radiación. a) Coordenadas polares, b) Tridimensional, c) Coordenadas cartesianas [31]. La eficiencia es otro parámetro importante de las antenas. Este se define como la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia entregada a la misma, o lo que es lo mismo, la relación entre la ganancia y la directividad. Cada tipo de la antena tiene un valor típico de eficiencia (Anexo 1). La eficiencia toma valores entre cero y uno, si una antena no tiene pérdidas, la directividad y la ganancia son iguales. Por tanto la eficiencia de una antena se puede definir como [18]: 𝜂=. 𝑃𝑟 𝐺0 = 𝑃𝑖𝑛 𝐷0. (2.5). En general, las antenas están limitadas a funcionar bajo las especificaciones deseadas para un rango de frecuencias determinado y limitado. Este rango de frecuencias donde el comportamiento de la antena es similar, es decir, donde un parámetro de la antena no sobrepasa un límite prefijado se conoce como ancho de banda, el cual es otro parámetro fundamental de una antena y puede ser definido como [30]: 𝐵𝑊 =. 𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝑓𝑚𝑖𝑛 % 𝑓0. (2.6). 𝑓𝑚𝑎𝑥 y 𝑓𝑚𝑖𝑛 son las frecuencias que delimitan el rango de frecuencias donde se cumplen las especificaciones y 𝑓0 la frecuencia central. 2.1.1 Tipos de antenas de acuerdo a su estructura Se suele clasificar las antenas según su estructura, de esta manera se pueden identificar tres clases de antenas: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas. Las antenas de hilo son aquellas antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo. La longitud del hilo.

(37) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA. 23. no suele ser mayor que la longitud de la onda. Las antenas más utilizadas de este tipo son las antenas dipolo y el monopolo vertical. Otro tipo de antenas son las de apertura, en las que la radiación sale a través de una embocadura. Dentro de este tipo de antenas se incluyen las de apertura delimitada por paredes metálicas conductoras, como las antenas de ranuras, bocinas etc., y las de apertura definida por porción de la superficie frontal plana, en la que los campos de la onda colimada por esta toma valores significativos, por ejemplo los reflectores parabólicos [33]. Las antenas planas son otro tipo de antenas, cuyo elemento radiante es bidimensional, típicamente rectangular o circular. Estas requieren muy poco espacio, de ahí su utilización en la telefonía móvil. Las más empleadas son las de tecnología microcinta (microstrip) también conocidas como antenas de parche (patch antenna). Este tipo de antenas se usan en el rango de frecuencias desde 500 MHz a 50 GHz, aunque son mejor aprovechadas para las frecuencias más altas del espectro, es decir, en las bandas de microondas y milimétricas, ya que se hace posible la realización de arreglos de antena direccionales y de pequeñas dimensiones [34]. 2.2 Aspectos fundamentales de las antenas de parche Las antenas de tipo parche están basadas en la tecnología microstrip y se emplean fundamentalmente en aplicaciones aeronáuticas, de aviación, misiles, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricas y para frecuencias de microondas y ondas milimétricas principalmente [28]. 2.2.1 Características de las antenas de parche De forma general las antenas de parche están compuestas por un pequeño parche metálico (que constituye la antena impresa) de dimensiones comparables con la longitud de onda (λ) que se sitúa sobre un substrato con una constante dieléctrica εr determinada. Este substrato está completamente cubierto de metal en su parte inferior llamado plano de masa [35], como se muestra en la figura 2.3..

(38) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA BANDA MILIMÉTRICA. 24. Figura 2.3. Estructura general de las antenas de parche [34]. El parche de este tipo de antenas consiste en una lámina metálica muy delgada (mucho más delgada que la longitud de onda de operación de la antena), comprendida entre 18 µm y 35 µm de espesor. La longitud del parche es de tamaño resonante (0.25λ - 1λ). Típicamente se escoge la mitad de la longitud de onda de la señal en el espacio libre (0.5λ) que dará como resultado un parche resonante en el modo fundamental [28]. El substrato puede tener distintos grosores, tomando valores comprendidos entre 0.003λ y 0.05λ [18]. Hay gran variedad de substratos que pueden ser utilizados para el diseño de una antena de parche, como se muestra en la tabla del Anexo 2. Su constante dieléctrica se encuentra normalmente en el rango de 2.2 ≤ εr ≤ 12. Cuanto más pequeña sea la constante del substrato y más grueso sea este, se obtienen mejores resultados de la antena en cuanto eficiencia de radiación y ancho de banda. Los substratos finos y con constante dieléctrica de mayor valor son más adecuados para las altas frecuencias (microondas, milimétricas) pues minimizan la radiación no deseada [35], [36]. Generalmente los elementos radiantes o parches pueden ser cuadrados, rectangulares, circulares, elípticos, triangulares o de cualquier otra configuración (aconsejablemente simétricos). Lo más común es elegir diseños con forma cuadrada, rectangular, circular o en forma de tira, ya que son más fáciles de fabricar y sobre todo de analizar [28]. Las antenas de parche poseen varias ventajas que las hacen útiles en comparación con las antenas convencionales [18], pero también tienen algunos inconvenientes. Estas ventajas e inconvenientes se resumen en el Anexo 3. 2.2.2 Métodos de alimentación de las antenas de parche Hay varias formas de alimentar las antenas de parche (Anexo 4), entre las más conocidas se encuentran: el acople directo, que consiste en una línea de transmisión conectada.