(2.4GHz)
Jorge Alberto Cabrera Botero
Dirección de Personal
Armada Nacional de Colombia
[email protected]
Carlos Iván Páez Rueda
Departamento de Electrónica
Pontificia Universidad Javeriana
[email protected]
Resumen
En el presente artículo se detallan los avances en el diseño de una antena de patrón conmutado, conformado por un arreglo lineal de antenas de 4 elementos tipo patch Microstrip y una alimen-tación por medio de un circuito desfasador Butler de 4x4 operando en la banda no licenciada de ISM (Industrial, Scientific and Medical) con una frecuencia central de operación de 2.45GHz.
1.
Introducción
En la actualidad, los sistemas de arreglos de antenas de patrón conmutado vienen siendo investigados para su aplicación en sistemas de comunicaciones inalámbricas, ya que permiten mejorar la cobertura, la capacidad y la calidad de estos servicios [1], [2]. La tecnología relacionada con antenas de patrón conmutado permite implementar una selectividad espacial y angular, miniaturización de antenas equivalentes, y disminución de la complejidad del montaje y de los costos de fabricación [3]. La implementación de la Matriz Butler como circuito de desfase para los sistemas de antenas de patrón conmutado ha sido exitosa [4] y depende del tipo de tecnología de guías de onda o líneas de transmisión con que se cuenta. Las comúnmente usadas son la guía de onda coplanar (CPW), la línea de transmisión de banda conductora complementaria (CCS TL), la tecnología cerámica quemada a baja temperatura (LTCC), la guía de onda integrada en substrato (SIW), CMOS, stripline y slotline [5–10], entre otros. En particular, la tecnología con mayor impacto para reducir los tamaños, los costos y la complejidad en el proceso de diseño e implementación de sistemas de antenas de patrón conmutado es la Microstrip [11, 12].
Los desarrollos recientes de la tecnología de antenas de patrón conmutado tienen dos líneas principales de trabajo. La primera, está dirigida hacia la aplicación en las bandas S, X, Ku y Ka, para detección de señales de arribo interferentes, capacidad de direccionamiento de haz y reducción de tamaño [13–17], entre otras. La segunda se refiere a investigaciones enfocadas hacia la mejora de las características y medidas de desempeño de las antenas, tales como lograr niveles de lóbulo lateral reducidos, anchos de banda más grandes, haces directivos más angostos, reducción de tamaños, pesos y costos de fabricación para aplicaciones aéreo espaciales, y en general, mejorar en el desempeño de los componentes de sistema [7, 14, 18, 19].
El uso de haces múltiples a partir de arreglos de antenas se usa en algunas aplicaciones de comunicaciones tales como radar y medidas de soporte electrónico (ESM), con el propósito de alcanzar selectividad espacial y radio
localización [20–22]. Sus aplicaciones son múltiples, encontrando campos de acción en el área de las comunica-ciones móviles principalmente, en donde las características de la selectividad espacial permiten el desarrollo de sistemas que aprovechan mejor la capacidad reducida de las bandas de frecuencia ante el incremento permanen-te y sospermanen-tenido de usuarios. Los principios aplicados en el diseño de sispermanen-temas de anpermanen-tenas inpermanen-teligenpermanen-tes, son la base para el futuro desarrollo de la tecnología militar de los sistemas de RADAR, así como también de los sistemas de medidas de soporte electrónico (ESM), como localizadores de dirección de señales electromagnéticas. De igual forma, son la base para el futuro diseño y desarrollo de sistemas de comunicaciones militares más seguros, gracias a la capacidad de direccionamiento de haz, que permite evitar la intercepción de comunicaciones por receptores no deseados en direcciones específicas.
La Matriz Butler es un circuito de desfase que alimenta a un arreglo de antenas y que facilita la conformación de un haz variable. Es equivalente a la transformada rápida de Fourier (FFT) en sus conceptos básicos [23]. Por lo anterior, en [24] se propone un procedimiento de diseño manipulando la ecuación de intensidad de haz, con el fin de cambiar el problema de diseño que presenta una matriz Butler con un gran número de haces a uno con un pequeño número de haces.
En este artículo se presentan los principios básicos de una antena de haz conmutado a través del diseño y análisis de una antena de patrón conmutado de 4 haces en un semi plano. En la primera sección se encontrarán la topología y elementos básicos del sistema de patrón conmutado. En la segunda parte se presentan el diseño y análisis de un caso de estudio operando en la banda de (2,4 − 2,5) GHz. En la última parte se presentan los conclusiones del presente trabajo de investigación.
2.
Configuración del Arreglo de Antena de patrón Conmutado
En un arreglo de antena de haz conmutado se escoge un patrón de haz entre varios patrones predefinidos, con el fin de incrementar la ganancia de recepción en una dirección deseada [25]. La topología requerida para conmutar los patrones consiste básicamente de tres elementos: un arreglo de antenas, un circuito de desfase y una red de conmutación. La red de conmutación permite seleccionar la entrada al circuito de desfase, que en nuestro caso es una matriz Butler, para seleccionar el patrón de haz que se requiere. La matriz Butler produce los desfases apropiados y alimentación de los elementos del arreglo de antenas, lo que finalmente genera el patrón con el lóbulo principal dirigido en la dirección deseada [26]. En la Figura 1 se muestra el diagrama en bloques del sistema para una arreglo de antenas lineal conformado por 8 elementos radiadores.
Figura 1. Diagrama de Bloques de un Sistema de Antena de Patrón Conmutado 1x8
2.1.
Arreglo de Antenas
Un arreglo de antenas está conformado por varios elementos radiadores estáticos que producen un patrón de haz determinado, de acuerdo con los valores de la amplitud y la fase en cada entrada. Para el caso de estudio propuesto, se presenta un arreglo lineal de 1x4 elementos tipo patch rectangular en tecnología Microstrip de capa sencilla construido en un substrato dieléctrico FR4, que permita generar un patrón de radiación de polarización vertical, con impedancia de entrada del arreglo de 50 Ohm y operando en la banda de frecuencias ISM (2.4-2.5
del modelo de líneas de transmisión presentado en [27]. Este elemento básico fue un Patch rectangular como se detalla en la Figura 2.
Figura 2. Patch Rectangular en Tecnología Microstrip
2.2.
Circuito Desfasador (Matriz Butler)
Para el caso de estudio propuesto, se considera como circuito de desfase una matriz Buttler de 4x4 puertos de entrada y salida. Al intercambiar la excitación entre los puertos de entrada del 1 al 4, se generan las diferentes fases en cada uno de los puertos de salida del 5 al 6 de igual amplitud. La señal con diferentes fases en los puertos de salida de la matriz Butler alimenta directamente el arreglo de antenas y este al final produce el patrón de haz direccionado requerido. En la Figura 3 se muestra una configuración esquemática típica para una matriz Butler de 4x4.
Figura 3. Matriz Butler 4x4 Típica
En general, una Matriz Butler está conformada típicamente por tres tipos de componentes principales, Híbridos de 90° o de 180°, desfasadores de 45° y cruces (o crossovers). Para este caso de estudio se escogieron Híbridos de 90° o también denominados de cuadratura y cruces conformados por dos Híbridos de cuadratura en cascada. Todos los componentes anteriores fueron diseñados con tecnología Microstrip de capa sencilla.
Para un arreglo lineal de 4 elementos con componentes ideales, una matriz Butler de 4x4 produce las fases, las diferencias de fase y las direcciones de lóbulo principal como se detalla en la Tabla 1. A continuación se detallan cada unos de los componentes diseñados en la Matriz Buttler.
2.2.1. Híbridos de 90° (Cuadratura). Un híbrido ideal es un dispositivo de cuatro puertos con propiedades que son descritas a través de su matriz de Scattering (ec.1). Esta matriz describe su comportamiento a partir de la relación de voltajes de entrada y de salida en cada puerto, en condiciones de acoplamiento. En particular, el Híbrido de cuadratura ante una señal incidente en el puerto uno produce un desfase en el puerto dos de -90° y desface en el puerto tres de -180°, mientras que el puerto cuatro permanece aislado. También son llamados acopladores direccionales de 3 dB, debido a que tiene dirección de entrada y salida la señal de RF y se produce adicionalmente una atenuación de la señal de 3 dB en sus puertos 2 y 3, representado por la constante 1/√2 en notación de voltajes.
Tabla 1. Distribuciones de Fases de la Matriz Buttler 4x4 Puertos Entrada/Salida 1 2 3 4 5 135° 45° 90° 0° 6 90° 180° -45° 45° 7 45° -45° 180° 90° 8 0° 90° 45° 135° Diferencia Fase -45° 135° -135° 45°
Dirección Lóbulo Principal 15° -45° 45° -15°
Nomenclatura del Haz 1R 2L 2R 1L
SH´ıbrido= −1 √ 2 = 0 j 1 0 j 0 0 1 1 0 0 j 0 1 j 0 (1)
2.2.2. Cruces (Crossovers). La función principal de un cruce dentro de una matriz Butler es la de permitir el cruce físico de las señales electromagnéticas manteniéndolas aisladas unas de otras. Teniendo en cuenta que otras técnicas de implementación de cruces, como por ejemplo la propuesta por Lange [28], requieren de un diseño en tres dimensiones (cables elevados o técnicas múlticapa), la forma más conveniente de implementar un cruce en tecnología Microstrip de capa sencilla es a través del uso de dos híbridos de cuadratura en cascada. La matriz Scattering de este tipo de componente (ec.2) muestra que al entrar una señal por el puerto uno, ésta sale por el puerto tres con un desfase de 90°, mientras que los puertos dos y cuatro permanecen aislados. Así mismo, si entra una señal por el puerto cuatro, ésta se presenta en el puerto dos con un desfase de 90°, mientras los puertos uno y tres permanecen aislados.
SCruce= 0 0 j 0 0 0 0 j j 0 0 0 0 j 0 0 (2)
2.2.3. Desfasadores 45°. Una matriz Butler 4x4 ideal requiere de dos desfasadores de 45°, los cuales son necesarios para alcanzar las diferencias de fase requeridas en las salidas. Las tres técnicas de implementación de desfasadores en Microstrip son la de retardo por LxTx, la “Stepped Broadband” [29] y las líneas de Schiffman [30]. Las últimas dos técnicas producen mejoras en el ancho de banda operacional de la matriz Butler. La primera técnica se base en que cualquier LxTx de cierta longitud de bajas pérdidas, produce un desfase en comparación con otra LxTx con otra longitud de referencia. Por simplicidad, ésta fue la técnica que se consideró para el diseño de los desfasadores.
2.3.
Red de Conmutación
La función de la red de conmutación dentro del sistema de antena de patrón conmutado, es la de permitir seleccionar el patrón de radiación deseado a través de la selección del puerto de entrada apropiado en la Matriz Butler. Esta red estará conformada por conmutadores de RF SP4T controlados por señales lógicas digitales generadas por la unidad de control.
3.
Diseño y Análisis
En el diseño y la simulación de la antena de haz conmutado se utilizó un modelo basado en componentes ideales para todo el sistema, con el fin de comprobar la funcionalidad teórica de los mismos, por medio de la plataforma
el fin de facilitar el proceso de fabricación posterior en Colombia y se realizan los diseños a una frecuencia de operación central de 2,45GHz.
3.1.
Diseño y Análisis de la Matriz Butler 4x4 por medio de Simulación
3.1.1. Híbrido de Cuadratura. Un Híbrido de cuadratura se implementa típicamente en Microstrip usando cuatro LxTx en una topología rectangular todas con una longitud eléctrica deλ/4. Las impedancias
caracterís-ticas de las LxTx que conectan los puertos 1-2 y 4-3 son de50/√2Ω y las que conectan 1-4 y 2-3 son de 50Ω. La Figura 1 muestra el híbrido 90° diseñado, con las medidas de las LxTx apropiadas para la frecuencia de operación central.
Figura 1. Híbrido 90°
La Figura 2a muestra las fases entre los puertos 1-2 y 1-3, confirmando una diferencia de fase de -90° presente en el puerto 2 y de -180° en el puerto 3, correspondiente a su matriz de Scattering (ec.1) a la frecuencia central de operación. La Figura 2b muestra la atenuación ente los puertos 1-2 y 1-3, que a la frecuencia central de operación es de -3.54 dB, así como el aislamiento existente entre el puerto 1-4 y 2-3
(a) Fase S21 y S31 del Híbrido 90° (b) Módulo S21 y S31 del Híbrido 90° y Aislamiento S23 y S41 Figura 2. Caracterización de S21, S31 y Aislamiento
3.1.2. Cruce. La Figura 3 muestra el cruce diseñado a partir de dos híbridos de 90° en cascada. La Figu-ra 4.a ilustFigu-ra que el ángulo de fase entre los puertos 1-3 y 2-4 es de 0.06° a la frecuencia centFigu-ral de opeFigu-ra- opera-ción..Finalmente, la Figura 4.b muestra la atenuación entre el puerto (1-3) el cual fue de -1.18dB, el aislamiento entre los puertos (1-2) y (1-4) que es de -15.37 y -22.64 [dB] respectivamente.
Figura 3. Cruce
(a) Ángulos de Fase S31 y S24 del Cruce (b) Atenuación y Aislamiento entre los puertos Figura 4. Análisis de los diferentes puertos del cruce
3.1.3. Desfasadores 45°. La Figura 5a muestra el diseño realizado para el desfasador de 45° y la Figura 5b permite apreciar los resultados obtenidos en la simulación, con un desfase de 45° y atenuación de -0.174 [dB] en 2.45 [GHz].
(a) Implementación con LxTx (b) Desfase y Atenuación del desfasador de 45° Figura 5. Desfasador 45°
3.2.
Diseño y Análisis del Arreglo de Antenas
3.2.1. Diseño y Análisis del Elemento de Antena. Como primera fase para diseñar el arreglo lineal de antenas de 1x4 elementos, se diseñó una antena tipo patch rectangular con alimentación empotrada (recessed feed) en Microstrip como se observa en la Figura 6. La antena se diseñó para una frecuencia central de operación de 2,45GHz e impedancia de entrada de 50 [Ohm] siguiendo el modelo de línea de transmisión propuesto en [27]. Los valores de las variables de diseño encontrados mediante este procedimiento se detallan en la Tabla 2.
La Figura 7a muestra el RL en el puerto de entrada de la antena y la Figura 7b muestra el patrón de radiación para la frecuencia de operación central.
Figura 6. Antena patch rectangular
Tabla 2. Valores de Variables Patch Rectangular Microstrip con alimentación empotrada
Variable Valor Calculado Optimizado
W 3.726 [cm] 3.715 [cm] L 2.885 [cm] 2.875 [cm] Yo 0.9185 [cm] 0.99 [cm] W1 0.25 [mm] 0.3 [cm] Wo 2.8942 [mm] 2.91 [mm] Lx 6 [cm] 3 [cm]
(a) RL a la entrada (b) Patrón de radiación Figura 7. Elemento radiador básico del arreglo de antenas 1x4
3.2.2. Diseño del Arreglo 1x4. El diseño del arreglo de antenas se hizo tomando como elemento base la antena patch rectangular anteriormente diseñada. Los elementos fueron espaciados a una distancia Dx = 0,5λw 6,12[cm]. El diseño del arreglo con sus dimensiones es mostrado en la Figura 8.
Figura 8. Diseño y Dimensiones del Arreglo de Antenas
3.3.
Diseño del Sistema Completo
Una vez diseñados los componentes individuales del sistema, se realizó la integración de los mismos por etapas, con el fin de verificar el desempeño esperado de cada elemento en conjunto con los demás. De esta forma,
se realizaron los ajustes requeridos, que incluyeron el uso de desfasadores adicionales en la última etapa para compensar los retardos debidos a las líneas de conexión de la matriz Butler al arreglo de antenas. La Figura 9 permite apreciar las dimensiones generales del sistema y su topología final, sin incluir la red de conmutación. De acuerdo con el diseño, el sistema de antena de patrón conmutado descrito tiene unas dimensiones totales de 25.35x16.95 [cm]. Uno de los objetivos principales del trabajo de investigación en desarrollo es el de reducir el área total del sistema. En general, se puede concluir a partir de las curvas de desempeño de cada uno de los componentes con respecto a la frecuencia, que la antena de haz conmutado propuesta utilizando la red Butter tiene un comportamiento de banda angosta.
Figura 9. Diseño General del Sistema
Los patrones de radiación 1R, 2L, 2R y 1L resultantes de la simulación al excitar los puertos 1, 2, 3 y 4 en la matriz Butler, respectivamente, son mostrados en la Figura 10, en donde se puede apreciar un alto nivel de lóbulos laterales, cuya reducción es otro de los objetivos principales del trabajo de investigación que se encuentra en desarrollo. Sin embargo, las direcciones de los lóbulos principales producidos por la antena de conmutación corresponden con el resultado esperado de acuerdo con cada entrada de la Matriz Butler (Tabla 1).
(a) 1R (15°) (b) 2L (-45°)
(c) 2R (45°) (d) 1L (-15°)
4.
Conclusiones
En el presente artículo se realizaron el diseño y análisis de cada uno de los subsistemas que componen una antena de patrón conmutado. Para lograrlo, se diseñó y analizó un sistema conformado por cuatro elementos radiantes y alimentado por un desfasador tipo Butler de 4x4 para una operación en la banda ISM de 2,4GHz. Los resultados encontrados muestran que efectivamente la red de desfase tipo Buttler tiene una real operación de banda angosta, dificultando su aplicación en tecnologías de banda ancha.
El trabajo de investigación en desarrollo tiene como objetivo el diseño, análisis y construcción de un sistema de antena de patrón conmutado conformado por una matriz Butler de 8xN y un arreglo lineal de antenas de N ele-mentos, con capacidad para conmutar ocho haces. El diseño incluye la optimización de todos los componentes para lograr una disminución considerable de la relación de los lóbulos laterales y el área final del circuito. El grupo de investigación en telecomunicaciones, SISCOM, continuará analizado y proponiendo nuevas sis-temas de radiación adaptables y miniaturizados con el fin de proponer diversas aplicaciones RADAR para plataformas navales y aéreas.
5.
Agradecimientos
Los autores desean dar sus agradecimientos a la Pontificia Universidad Javeriana y al Departamento de Electró-nica de dicha universidad, por facilitar los recursos necesarios de Software, Hardware y personal para realizar a cabo la presente investigación.
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Hoja de vida
Jorge Alberto Cabrera Botero. Oficial Naval egresado de la Escuela Naval Arturo Prat, Valparaiso, Chile, 1998. Especialista en Inte-ligencia Naval Estratégica, Escuela de InteInte-ligencia y ContrainteInte-ligencia Naval, Cartagena, 2002. Ingeniero Naval Electrónico egresado de la Escuela Naval Almirante Padilla, Cartagena, 2006. Durante los meses de septiembre y octubre de 2007 asistió al curso "International Maritime Intelligence Course" en el Centro de Entrenamiento de Inteligencia de la Flota del Pacífico, San Diego (CA), Estados Unidos. Entre los años de 1999 y 2000 se desempeñó como Jefe de la División de Guerra Electrónica a bordo de la Fragata Misilera ARC "Almirante Padilla" con puerto base en Cartagena de Indias. Entre los meses de Agosto y Diciembre de 1999 fue destinado como Jefe del Palo Trinquete a bordo del B.E. "Gloria" durante un corto crucero por el mar Caribe. En los años 2001 y 2003 fue Comandante de las patrulleras ARC "Monclart" y ARC "Orocué", en el río Atrato y río Magdalena, respectivamente . Oficial de planta a bordo de la Estación de Guardacostas de Cartagena durante el año 2002. Su último cargo fue el de Jefe de la División de Inteligencia de Señales de la Fuerza Naval del Caribe en Cartagena de Indias durante los años 2007 y 2008. Actualmente, con grado Teniente de Navío, se encuentra cursando sus estudios de profundización científica en el área de las comunicaciones en la Pontificia Universidad Javeriana, con intereses en hardware para antenas inteligentes, radares y comunicaciones digitales.
Carlos Iván Páez Rueda. Ingeniero Electrónico egresado de la Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, 1997. Especialista en Investi-gación y Docencia, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, 2003. Magíster en Eléctrica con énfasis en Comunicaciones, Universidad de los Andes, 2002. En 1997 se vinculó como ingeniero de proyectos en el área inalámbrica en Colsago Com. En 1999 se vinculó como director de ingeniería y líder de proyectos relacionados con el diseño y optimización de redes inalámbricas en Tes América Andina. En el 2000 inició sus estudios de profundización científica en el área de las comunicaciones. En el 2002 trabajó como consultor e investigador en dife-rentes empresas y universidades de Colombia. En el 2004, se vinculó como gerente del área de inalámbricos de la Dirección de Expansión en EPMBOGOTA S.A. E.S.P. En el 2006, se vinculó a la Pontificia Universidad Javeriana como profesor de planta del Departamento de Electrónica, sección Comunicaciones. Actualmente se desempeña como profesor de planta en el Departamento de Electrónica y director del grupo de investigación en telecomunicaciones (SISCOM) en dicha universidad, donde trabaja en las áreas de Teletráfico, Comunicaciones
