Tesis defendida por Ricardo Antonio Millanes Ruiz y aprobada por el siguiente comité
Dr. José Luis Medina Monroy Director del Comité
Dra. María del Carmen Maya Sánchez Dr. Arturo Velázquez Ventura Miembro del Comité Miembro del Comité
Dr. Roberto Conte Galván Dr. Eugenio Rafael Méndez Méndez Miembro del Comité Miembro del Comité
Dr. César Cruz Hernández Dr. David Hilario Covarrubias Rosales Coordinador
Programa de Posgrado en Electrónica y Telecomunicaciones
Director
Dirección de Estudios de Posgrado
CENTRO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y DE EDUCACIÓN SUPERIOR DE ENSENADA
Programa de Posgrado en Ciencias
en Electrónica y Telecomunicaciones con orientación en Altas Frecuencias
Diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares sectorizadas con aplicación en WiMAX
Tesis
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de
Maestro en Ciencias
Presenta:
Ricardo Antonio Millanes Ruiz
Resumende la tesis de Ricardo Antonio Millanes Ruiz, presentada como requisito parcial para la obtención del grado de Maestro en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones con orientación en Altas Frecuencias. Ensenada, Baja California. Febrero del 2013.
Diseño y fabricaciónde un arreglo de antenas planares sectorizadas con aplicación en WiMAX
Resumen aprobado por:
________________________________
En este trabajo de tesis se presenta el diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares sectoriales con aplicación en WiMAX dentro del estándar 802.16d,e en la banda de 3.3 a 3.6 GHz. La aplicación de este tipo de antenas se centra en radiobases de largo alcance de hasta 30 Kms, necesarias para comunicar equipos portátiles o fijos a velocidades superiores a los 134 Mbps. Para diseñar la antena sectorial con un patrón omnidireccional que cubra los 360º en el plano H, se proponeun arreglo de cuatro antenas interconectadas mediante un circuito divisor / combinador de potencia de 5 puertos. Utilizandoun programa de análisis electromagnéticobasado enel método de momentos MOM, se analizan diferentes estructuras de antenas y se selecciona un arreglo lineal de 1X4 parches de microcinta, con la cual se obtiene una antena con un haz de mediana potencia HPBW de aproximadamente 90 grados en el plano H y con una ganancia de 12dB±2dB dentro de la banda de interés. Las antenas se diseñan y construyen sobre un substrato de material FR-4 delgado y suspendido en aire para aumentar su eficiencia y ganancia, tomando en cuenta el ancho de banda, sus pérdidas por regreso y el ancho del haz del patrón de radiación principalmente. Cada uno de los parches se conectan a un punto de alimentación de 50Ω mediante estructuras divisoras con redes de acoplamiento diseñadas empleando las tecnologías de sectum inductivo y la del doble stub balanceado. Se muestran resultados teóricos y experimentales del comportamiento de cada una de las antenas individuales, del circuito divisor/combinador de 5 puertos y de la antena final formada por las cuatro antenas construidas y conectadas mediante el divisor de potencia. La antena final mide 28cms de alto y con una base cuadrada de 12cms x 12cms. La antena completa se midió en el laboratorio y en campo abierto, mostrando resultados altamente satisfactorios con pérdidas por regreso menores a -10dB y una ganancia de aproximadamente 6 dB dentro del ancho de banda de500MHz en la banda de frecuencias de 3.14GHz a 3.64GHz. El comportamiento del patrón de radiación fue cercano al omnidireccional tal y como se esperaba.
Palabras Clave: Antena plana, antena sectorial, patrón omnidireccional, radiobase, WiMAX. Dr. José Luis Medina Monroy
Abstract of the thesis presented by Ricardo Antonio Millanes Ruizas a partial requirement to obtain the Master of Science degree in Electronics and Telecommunications with orientation in High Frequencies. Ensenada, Baja California, February 2013.
Design and fabrication of a planar antenna sector array for WiMAX applications
Abstract approved by:
________________________________
This thesis presents the design and fabrication of a planar antenna sector array for WiMAX applications within the standard 802.16d,e in the frequency range of 3.3 a 3.6 GHz.The application of this type of antenna is focused on base stations reaching up to 30 Kms of coverage, required to communicate portable or fixed equipments at speeds up to 134Mbps.To design the sector antenna with an ommnidirectional pattern covering 360º in the plane H, an array of four antennas interconnected by a circuit of a 5-port power divider/combiner is proposed. Using anelectromagnetic analysis program based on the Method of Moments MOM, different antenna structures were analyzed, and a linear array of 1X4 microstrip patches was selected, to obtain an antenna with a Half Power BeamWidth HPBW ofapproximately 90 º in the H-plane, with a gain of 12dB±2dB within the frequency band of interest. The antennas were designed and fabricated on a thin substrate material FR-4 suspended in air, to increase its efficiency and gain, considering mainly the bandwidth, return losses and beamwidth of the radiation pattern. Each one of the patches are connected to a 50Ωfeeding point by a dividing structure and matching networks designed using technologies of inductive sectum and double balanced stubs. Theoretical and experimental results showing the behavior of each of the individual antennas, the 5-port divider/ combiner circuit, as well as the final antenna constituted by the four antennas connected using the power divider circuit are included. Final antenna measures 28cmshigh with a square base of 12cms by 12cms. The complete antenna was measured in the laboratory and in a open area, showing highly satisfactory results with return losses < -10dB and a gain of approximately 6dB in a bandwidth of 500MHz within the frequency range of 3.14GHz to 3.64GHz. The radiation pattern behavior was very near to an omnidirectional shape as was expected.
Key words: Planar antenna, sector antenna, omnidirectional pattern, base station, WiMAX. Dr. José Luis Medina Monroy
Dedicatoria
Agradecimientos
Primeramente quiero dar gracias a la vida, por darme la posibilidad de estudiar esta maestría y darme las fuerzas e inteligencia para terminarla.
A mis padres, por siempre darme su apoyo sin ninguna condición, a mis hermanos que siempre estuvieron ahí para los momentos de estrés. A mis abuelos, tíos que me brindaron su apoyo desde lejos y familia en general. Dennis, por compartir a esa persona que siempre nos mantendrá cerca. A mi hijo que aunque a su corta edad, fue mi principal impulso para salir adelante en esta meta de mi vida.
A mi director de tesis Dr. José Luis Medina Monroy por haberme dado su apoyo y guía durante este trabajo de tesis, y durante los problemas y estancamientos que hubo durante él, a los miembros de mi comité de tesis, Dra. Carmen Maya Sánchez, Dr. Roberto Conte Galván, Dr. Arturo Velázquez Ventura y Dr. Eugenio Méndez Méndez, por su valiosa aportación y consejo durante el desarrollo de este trabajo de tesis, al Ing. René Torres Lira, por su ayuda en la elaboración de los circuitos impresos de las antenas.
Al centro de investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada por ser mi segundo hogar durante mis estudios de maestría.
Al CONACYT, por la ayuda otorgada con la beca de manutención y de colegiatura.
A mis compañeros y amigos; los microonderos: Martha, Miriam, Rodrigo, Manuel, Raúl y Jonathan; los telecos: Manuel C., Shiro, Enrique, Fernando, Arturo, Héctor, Miriam T., Verónica, Aldo, Carlos, Enrique Magaña; los controleros: Oscar, Topacio, Lilia, Antonio, Gonzalo, y Gabriel. Y también aAlma, Luis Angulo, Claudia, Javier, Julio, Anela y Karen. Por todos los momentos de estrés y alegría que compartimos y por haber sido una generación muy unida.
Quisiera agradecer a esas personas que a pesar de no compartir ni parentesco familiar ni de estudio siempre estuvieron presentes de una u otra forma: a mis compañeros de UABC, que siguen en contacto y me apoyaron de una u otra forma: Meño, Cristobal, Jorge, Alex,Frank,Francisco Villapando, Sergio, Yeraldine, Zamora, Luis Luna, Alan e Ismael.
Contenido
Resumen --- 2
Abstract --- 3
Dedicatoria --- 4
Agradecimientos --- 5
Lista de Figuras --- 9
Lista de Tablas ---11
Capítulo 1 ---12
Introducción ---12
1.1 Antecedentes --- 15
1.2 Objetivos --- 17
1.3 Estructura de la tesis --- 18
Capítulo 2 ---20
Teoría de Antenas ---20
2.1 Introducción --- 20
2.2 Tipos de antenas --- 20
2.2.1 Antenas de alambre --- 20
2.2.2 Antenas de apertura --- 21
2.2.3 Antenas de microcinta --- 22
2.2.4 Arreglos de antenas --- 23
2.2.5 Antenas reflectoras --- 23
2.2.6 Antenas de lentes. --- 25
2.3 Parámetros de las antenas --- 26
2.3.1 Impedancia de la antena. --- 26
2.3.2 Patrón de radiación --- 27
2.3.3 Ancho del haz --- 28
2.3.4 Directividad y Ganancia--- 29
2.3.5 Ancho de banda --- 30
2.3.6 Regiones de campo --- 31
2.3.7 Polarización --- 32
2.4 WiMAX --- 35
2.4.1 Desarrollo de WiMAX --- 35
2.4.2 WiMAX y WiFi --- 36
2.4.3 WiMAX en México --- 38
Capítulo 3 ---41
Diseño de antenas de microcinta y divisor/combinador ---41
3.1 Introducción --- 41
3.2 Antenas de microcinta --- 41
3.2.1. Propagación eléctrica y magnética --- 43
3.2.2 Ondas en el espacio --- 43
3.2.3Ondas de superficie --- 44
3.2.4 Ondas de fuga --- 44
3.2.5 Ondas guiadas --- 45
3.2.6 Topologías de parches --- 45
3.2.8 Arreglos de antena de microcinta --- 47
3.3 Métodos de diseño y análisis de antenas de microcinta. --- 50
3.3.1 Modelo de línea de transmisión --- 50
3.3.2 Modelo de cavidad --- 52
3.3.3 Método de Momentos --- 54
3.4 Metodología de diseño de la antena. --- 55
3.4.1 Determinación del substrato --- 57
3.4.2 Diseño de un parche --- 59
3.4.3 Optimización del parche --- 60
3.4.4 Diseño del arreglo de parches --- 61
3.4.5 Diseño de redes de acoplamiento --- 65
3.4.6 Optimización de la red de acoplamiento --- 68
3.5 Metodología de diseño del divisor/combinador --- 71
3.5.1 Análisis electromagnético del divisor --- 73
Capítulo 4 ---78
Construcción y caracterización ---78
4.1 Introducción --- 78
4.2 Proceso de construcción de las antenas --- 78
4.2.1 Obtención de mascarilla --- 79
4.2.2 Grabado de circuito impreso --- 80
4.2.3 Ensamble de las antenas --- 83
4.3 Caracterización de las antenas --- 84
4.3.1 Medición de pérdidas por regreso --- 85
4.3.2 Medición de la ganancia --- 86
4.3.3 Medición del patrón de radiación --- 89
4.4 Proceso de construcción y caracterización del divisor. --- 92
4.4.3 Ensamble del divisor --- 92
4.4.4 Medición de los parámetros S del divisor --- 93
4.5 Construcción y caracterización del arreglo de antenas planares --- 96
4.5.1 Medición de las pérdidas por regreso --- 99
4.5.2 Medición de la ganancia --- 99
4.5.3 Medición del patrón de radiación --- 101
Capítulo 5 --- 104
Análisis de resultados --- 104
5.1 Análisis de las antenas independientes --- 104
5.2 Análisis del divisor --- 105
5.3 Análisis del arreglo omnidireccional --- 107
Capítulo 6 --- 109
Conclusiones --- 109
6.1 Conclusiones generales --- 109
6.2 Aportaciones --- 110
6.2 Recomendaciones --- 111
Lista de Figuras
Figura Página
Figura 1. Antenas de alambre: a) Dipolo, b) Bucle circular y c) Helicoidal ... 21
Figura 2. Antenas de apertura. a) piramidal, b) circular, c) rectangular (modificado de Balanis C. 2005 p. 5). ... 22
Figura 3. Antenas de parche de microcinta: a) rectangular y b) circular (Modificado de Balanis C. 2005 p. 6). ... 23
Figura 4. Configuraciones de arreglos de antenas. (Balanis C. 2005, p. 7). ... 24
Figura 5. Configuraciones principales de antenas reflectoras (Cardama A. 2000, p. 261). ... 24
Figura 6. Configuraciones más importantes de las antenas de lentes. (Balanis C. 2005, p. 8). ... 25
Figura 7. Diagrama de radiación tridimensional de un arreglo de antenas (Kraus J., 2002, p. 20). 27 Figura 8. Diagrama de radiación en 2D: a) Coordenadas rectangulares, b) coordenadas polares. . 28
Figura 9. Parámetros de ancho del haz en un patrón de radiación (Balanis C. 2005, p. 29). ... 29
Figura 10. Regiones de campo de la antena (Balanis C. 2005, p. 34). ... 31
Figura 11. Polarización lineal de los campos eléctricos y magnéticos (Nave C.R.,2000). ... 32
Figura 12. Polarización circular (Nave C.R.,2000). ... 33
Figura 13. Polarización elíptica (Nave C.R., 2000). ... 34
Figura 14. Estructura de una antena de parche de microcinta. ... 42
Figura 15. Plano E y plano H en una antena planar. ... 43
Figura 16. Ondas en el espacio. ... 43
Figura 17. Ondas superficiales. ... 44
Figura 18. Ondas de fuga. ... 44
Figura 19. Ondas guiadas. ... 45
Figura 20. Topología de parches. (Flores Cuadras, 2006, p. 56). ... 46
Figura 21. Alimentación por línea de microcinta. ... 47
Figura 22. Alimentación coaxial. ... 48
Figura 23. Patrón de radiación de un solo parche. ... 48
Figura 24. Patrón de radiación de un arreglo de 2 y 4 parches. ... 49
Figura 25. Distribución de parches de un arreglo. ... 50
Figura 26. Metodología propuesta para el diseño de la antena planar de microcinta. ... 56
Figura 27. Dieléctricos mezclados. ... 58
Figura 28. Análisis electromagnético del parche con las dimensiones iniciales. ... 59
Figura 29. Comportamiento del parche optimizado. ... 60
Figura 30. Comportamiento de la Ganancia y HPBW en función de W. ... 61
Figura 31. Separación en los planos H y E en un arreglo planar de 2X2. ... 62
Figura 32. Comportamiento del AEM de un arreglo planar de 4 parches (ADS, 2009). ... 63
Figura 33. Patrón de radiación de un arreglo lineal de 4 parches: a) Vertical, b) Horizontal (ADS 2009). ... 64
Figura 34. Acoplamiento de impedancias mediante el método de Przedpelski. ... 65
Figura 35. Circuito equivalente de la red de acoplamiento de doble stub. ... 66
Figura 36. Proceso de acoplamiento empleando el método de doble stub (ADS 2009). ... 67
Figura 39. Comportamiento de las pérdidas por regreso del arreglo vertical lineal de 1X4 parches.
... 70
Figura 40. Comportamiento de Ganancia y HPBW del arreglo lineal de 4 parches. ... 70
Figura 41. Patrón de radiación esperado del arreglo de antenas omnidireccional. ... 71
Figura 42. Divisor de potencia Wilkinson. ... 72
Figura 43. Diagrama del circuito divisor/combinador de cinco puertos. ... 73
Figura 44. Coeficientes de reflexión. ... 74
Figura 45. Pérdidas por transmisión y aislamientos en los puertos del divisor ... 75
Figura 46. Estructura final del divisor de potencia Wilkinson, para su AEM. ... 75
Figura 47. Resultados del análisis electromagnético del divisor, a) Pérdidas por regreso, ... 76
Figura 48. Obtención de la mascarilla de la antena. a) Cámara fotográfica Repromaster de AFGA, b) Mascarilla después de la exposición a rayos UV. ... 80
Figura 49. Proceso de aplicación de filmina, a) Filmina fotosensible b) Roladora térmica para adhesión de la filmina. ... 81
Figura 50. Grabado del circuito: a) Lámpara UV, para exposición, b) circuito impreso en cloruro férrico. ... 82
Figura 51. Vista de la antena ensamblada en substrato suspendido y su plano de tierra con conector SMA. ... 83
Figura 52. Antena planar de substrato suspendido construida. ... 84
Figura 53. Medición de las pérdidas por regreso. ... 85
Figura 54. Resultados de la medición de las pérdidas por regreso de las antenas y su comparación con el AEM. ... 86
Figura 55. Resultados de la medición de ganancia de las antenas construidas y comparación con el AEM. ... 89
Figura 56. Configuración de los equipos de medición del patrón de radiación de las antenas. ... 90
Figura 57. Patrón de radiación medido de la antena a 3.5GHz y comparada con el AEM. ... 91
Figura 58. Patrón de radiación en el plano H en coordenadas rectangulares. ... 91
Figura 59. Patrón de radiación en el plano E en coordenadas rectangulares... 92
Figura 60. Circuito del divisor construido y ensamblado, a) vista inferior y b) vista superior. ... 93
Figura 61. Conexión del divisor para obtener sus parámetros S. ... 94
Figura 62. Pérdidas por regreso del divisor de 5 puertos, a) Puertos 1 al 3, b) Puertos 4 y 5. ... 95
Figura 63. Aislamiento del divisor de 5 puertos medido y calculado con el AEM. ... 96
Figura 64. Pérdidas de transmisión del divisor de 5 puertos medida y calculada con el AEM. ... 97
Figura 65. Detalles del arreglo de antenas planares y su interconexión. ... 98
Figura 66. Estructura final del arreglo de antena sectorizada con patrón omnidireccional. ... 98
Figura 67. Pérdidas por regreso del arreglo de antenas planares. ... 99
Figura 68. Conexión del arreglo de antenas planares para medición de ganancia. ... 100
Figura 69. Ganancia de las antenas del arreglo omnidireccional. ... 101
Figura 70. Medición del patrón de radiación de la antena en campo abierto. ... 102
Figura 71. Patrón de radiación medido en el plano H del arreglo de antenas y su comparación con el AEM. ... 102
Lista de Tablas
Tabla Página
Capítulo 1
Introducción
Desde las primeras investigaciones realizadas por Heinrich Hertz y Guglielmo Marconi, se ha incrementado la importancia de las antenas en nuestra sociedad y que a la fecha son indispensables. Las antenas se utilizan en los sistemas de comunicaciones, radar y radioastronomía entre otros, y las podemos encontrar en todas partes: en nuestros hogares y trabajos, en nuestros automóviles, aviones, barcos, satélites y hasta en las naves espaciales. Incluso como peatones, llevamos antenas en nuestros equipos portátiles móviles (teléfono, palm, tablets, notebooks, radio y televisión). Existe una gran variedad de antenas que se han desarrollado para diferentes aplicaciones, las cuales operan de acuerdo a los mismos principios básicos del electromagnetismo.
El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define a una antena como aquella parte de un sistema transmisor o receptor, diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas (IEEE std. 145-1983). Si bien sus formas son muy variadas, todas las antenas tienen la función de servir como la transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, pudiendo además tenercaracterísticas de radiación direccionales.
energía. Asimismo, para poder extraer la información se debe tener la capacidad de captar la onda radiada en algún punto del espacio y entregarla al receptor. Por lo general las antenas tienen dos funciones básicas: transmitir y recibir,donde, dependiendo de la aplicación se imponen condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe soportar, frecuencia de trabajo, ancho de banda, ganancia, impedancia y otros parámetros que se definenen el capítulo 2. Esta diversidad de aplicaciones da origen a un gran número de configuraciones y tipos de antenas (Kraus J. 2002), (Cardama A., 2000).
Dependiendo de la aplicación y de la banda de frecuencias de operaciónse requieren antenas con características peculiares que dan origen a diversas topologías de antenas. En una forma amplia y no exhaustiva, los tipos más comunes se pueden agrupar en: 1).Antenas alambricas las cuales se distinguen por estar construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados y pueden estar formadas por hilos rectos (dipolo, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y hélices. 2). Antenas de apertura y reflectoras, en donde la generación de la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen excitar con guías de ondas. Las antenas de apertura más conocidas son las de corneta piramidal y la cónica.Las antenas reflectoras más comunes son las parabólicas y generalmente están asociadas a un alimentador primario que permite contar con las prestaciones necesarias para servicios de comunicaciones a grandes distancias, tanto terrestres como especiales(Cardama A., 2000).
En ciertas aplicaciones se requieren características de radiación que no pueden lograrse con un solo elemento. Sin embargo, con la combinación de varios de ellos se consigue una agrupación o arreglo de antenas de diversos tipos degran flexibilidad y alta ganancia. Estas agrupaciones pueden realizarse combinando en principio, cualquier tipo de antena. (Kraus J., 2002).
Un transmisor conectado a una antena omnidireccional, tendrá una cobertura en los 360 grados con poco alcance debido a la baja ganancia de una antena omnidireccional. Para aumentar el área de cobertura y el número de clientes, por lo general se emplean sistemas punto-multipunto, donde se utilizan radiobases en las cuales se coloca un arreglo de antenas sectoriales de alta ganancia sobre la misma estructura de soporte para conseguir un patrón omnidireccional (Anón, 2007).
Las antenas sectoriales consisten de un número determinado de antenas directivas, en donde cada una de ellas tiene el ángulo de cobertura requerido para que al sumarlas se cubran los 360 grados, y tener de esta manera un patrón omnidireccional de alta ganancia. Generalmente este tipo de antenas se emplean en las radiobases con aplicaciones en telefonía celular para la banda de 1.8 – 1.9 GHz y en WiFi dentro de las bandas ISM de 2.4GHz y 5.8GHz.
En este trabajo de tesis se realiza investigación en el tema de antenas sectoriales y se propone una metodología de diseño y construcciónde un arreglo sectorial con aplicación en WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) estándar 802.16d en la banda de 3.5GHz.Se investiga la manera más adecuada para desarrollar un arreglo sectorial empleando un número de antenas dado, el cual se determinará para conseguir un patrón de radiación omnidireccional que proporcione una ganancia mayor a la de un monopolo omnidireccional.
La implementación de múltiples antenas ofrece la oportunidad de mejorar la cobertura, alcance y capacidad de los sistemas de telecomunicaciones en los ambientes más demandantes.Al emparejar las ventajas de rendimiento de WiMAX con implementaciones sofisticadas de la antena, los sistemas WiMAX pueden mejorar rápidamente la calidad de servicio actual y escalarse a las crecientes demandas del mañana (Anón, 2007). En el capítulo II se proporcionan más detalles acerca de la tecnología WiMAX.
adecuado para optimizar las características de las antenas individuales,adaptándolas a 50 Ω en el ancho de banda requerido.
Se realiza un análisis electromagnético de las estructuras diseñadas y se optimizan de manera independiente para satisfacer las especificaciones de ancho del haz, ganancia e impedancia dentro del ancho de banda requerido. Asimismo se realiza una integración de las antenas desarrolladas empleando un circuito divisor/combinador desarrollado para obtener un arreglo sectorial de antena que muestre un patrón de radiación omnidireccional de 360º.
1.1 Antecedentes
En México y particularmente en el CICESE se han investigado varios tipos de antenas planares directivas para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, Flores-Cuadras, R., (2006) diseñó una antena planar activa de 4x4 elementos para cumplir con los requerimientos deseados de ganancia y patrón de radiación específicos para WiFi 802.11a en el intervalo de frecuencias de 5.725-5.7825GHz. Otra investigación fue realizada por Díaz-Tapia E. (2008), quien desarrolló arreglos de antenas de 1 x 2 elementos para utilizarse en un repetidor WiFi 802.11b/g que opera en la banda de frecuencias de 2.4 - 2.5GHz.
En el contexto internacional, dos arreglos triangulares basados en guías de onda se desarrollaronen el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de Tokio, para utilizarse en una estación base con arreglos de antenas con un haz de 120 grados. Los dos tipos de arreglos de guía de onda triangular, se midieron a una frecuencia de 12.7GHz y se obtuvieron anchos del haz de 116 grados y de 108 grados respectivamente, con un comportamiento constante de 12.4 a 13GHz y con una relación frente/espalda F/B “front back ratio” de -18dB (Maejima H., et al., 2000).
Chun-YihWuet al, (2007) diseñaron una antena planar de alta ganancia para WiMAX ala frecuencia de operación de 5.8GHz, empleando tecnología de metamateriales. La antena está compuesta por cuatro capas de anillos metálicos, la cual se construyó y se caracterizó, obteniéndose una ganancia entre 7.6 y 8.3dB y con una relación F/B de 12dB
ChangT. y KiangJ., ( 2009) propusieron una antena para una estación base WiMAX basada en resonador dieléctrico con un ancho de haz mayor a 120º, obtenido al hacer un doblez en el plano de tierra. El ancho de banda de impedancias fue de 3.4 a 3.8 GHz con pérdidas por regreso menores a -10dB y con una ganancia mayor a 5.5dB dentro del mismo ancho de banda.
Una antena directiva de ultra ancho de banda se diseñó basándose en bucles acoplados omnidireccionales,obteniéndose una buena respuesta en la banda de 0.5-6GHz, con un patrón de radiación estable en la banda de 0.5-2GHz y con una ganancia mayor a 5dBi. (ElsherbibiA. y SarabandiK. 2009).
Por su parte King Lu, et al.,( 2004) desarrollaron un arreglo de antena planar en forma de dipolos para la banda de frecuencias de 2.4GHz. Este arreglo de antenas de dipolos planares proporciona un patrón omnidireccional y fue realizado empleando dos arreglos de 1 x 2 dipolos colocados de espaldas y separados por un estrecho plano de tierra rectangular, al ser construidos en los dos lados del substrato dieléctrico.
Por otro lado, Martínez-LorenzoJ.A. et al., (2006) diseñaron una antena reflectora con haces reconfigurables para una estación base LMDS a la frecuencia de 26GHz. La idea fue diseñar una antena con un ancho de haz de 90º reconfigurable a 45º, obteniéndose una reconfiguración de hasta 41º.
alimentación en serie, lo cual permite cubrir los 360 grados del plano de radiación, con una ganancia mayor a 7.2dB dentro del ancho de banda de operación.
Recientemente Xing C. et al.,(2011), diseñaron una estructura simple de antena planar a la frecuencia de 5.8GHz, basada en una stripline que se alimenta por una línea coaxial de 50Ω, sin la necesidad de un transformador de impedancias para acoplar, además fácil de fabricar y de bajo costo. Después de la optimización se obtuvieron buenos resultados en el plano magnético de radiación con una alta ganancia de 10dBi ±0.5dB, con lóbulos laterales menores a -10dB, y con un ancho de banda del 4.6%.
Así como estos, existen varias configuraciones de arreglos de antenas que fueron desarrolladas con el objetivo de crear un patrón de radiación omnidireccional, el cual es el propósito principal de este trabajo de tesis. Algunos ejemplos adicionales a los ya mencionados, pueden ser los trabajos de (Daniel J.P. et al., 1998), (Gazzah H. y Karim A., 2009), (KadriB., et al., 2010), entre otros.
Como se puede constatar en las referencias citadas anteriormente, existen arreglos de antenas que muestran buen comportamiento del patrón omnidireccional, pero muy pocos se enfocan en conseguir una buena ganancia. En este trabajo de tesis se desarrolla una estructura de antena sectorial que genera un patrón de radiación omnidireccional de alta ganancia.
1.2 Objetivos
El objetivo general de este trabajo de tesis es el de diseñar y construir un arreglo de antenas sectoriales con aplicación en WiMAX dentro de la banda de frecuencias de 3.5GHz.
Como objetivos particulares se tienen:
La estructura de la antena y el combinador se analizan y optimizan empleando programas de computadora adecuados para el diseño de circuitos y para efectuar el análisis electromagnético de la estructura.
1.3Estructura de la tesis
El presente trabajo de tesis se encuentra organizado de la siguiente manera: en el capítulo 2, se proporciona una breve introducción a la familia de las antenas, donde se mencionancuales son los principales tipos de estas y sus características más importantes. Se definen los parámetros que describen el comportamiento de una antena, como son la impedancia, directividad, ganancia, ancho de banday otros parámetros de primordial importancia. Además, se introduce a la tecnología WiMAX.
En el capítulo 3, se presentan los conceptos necesarios y los métodos convencionales para el diseño de antenas planares de microcinta, así como de arreglos de antenas de microcinta. Se proponeuna metodología para el diseño de las antenas individuales, incluyendo el diseño de los divisores de tipo Wilkinson,los cuales se emplean para la integración del arreglo de antenas planares. Se realiza el análisis electromagnético de las antenas diseñadas en el intervalo de frecuencias de 3.3GHza3.6GHz, y se optimizan para cumplir con los requerimientos establecidos en este trabajo de tesis. Asimismo, se muestran los resultados obtenidos del análisis electromagnético de las antenas diseñadas y de los divisores/combinadores empleados para integrar la estructura final con patrón omnidireccional.
respecto. Por último, se presenta la metodología utilizada para la integración de la estructura final del arreglo omnidireccional de antenas, y los resultados obtenidos de la caracterización de la misma, mostrando el comportamiento de sus pérdidas por regreso, ganancia y su patrón de radiación en el rango de frecuencias de interés.
En el capítulo 5 se realiza un análisis de los resultados obtenidos, tanto del proceso de construcción como de la caracterización de las antenas. Además, se realiza un análisis del comportamiento del divisor diseñado y construido, así como del arreglo final. Por último, seefectúa un análisis comparativo delos resultados teóricos con los resultados experimentales obtenidosde la medición de la estructura.
Capítulo 2
Teoría de Antenas
2.1 Introducción
En este capítulo se mencionan los diferentes tipos de antenas, desde las más sencillas como las de alambre hasta las reflectoras, haciendo énfasis en las antenas planares de microcinta y sus aplicaciones. Asimismo, se describen los parámetros más importantes que las caracterizan como son el ancho de banda, la impedancia, ganancia, directividad,ancho del haz, el patrón de radiación y sus lóbulos, entre otros. Por último, se define el término WiMAX, mencionando los estándares existentes y su evolución, así como el desarrollo de WiMAX en México
2.2 Tipos de antenas
Existe una gran cantidad de antenas de diversos tipos que se utilizan para diferentes aplicaciones, catalogadas de acuerdo a sus especificaciones de diseño y a su frecuencia de operación. En estasección se presentan los tipos más relevantes y sus características principales.
2.2.1 Antenas de alambre
forma circular es el más común por la simplicidad de construcción (BalanisC., 2005). Este tipo de antenas se clasifica en eléctricamente pequeñas (L<λ/10) o en eléctricamente grandes (L~ λ ) y se emplean en el rango de 3 a 3000 MHz.
Figura 1. Antenas de alambre:a) Dipolo, b) Bucle circular y c) Helicoidal (modificado de Balanis C. 2005, p. 4).
Las antenas de lazo se utilizan en aplicaciones de sistemas de alta frecuencia en las bandas de: HF (3-30MHz), VHF (30-300MHz) y UHF (0.3-3GHz), siendo estas: de Alta Frecuencia, Muy Alta frecuencia, y Ultra Alta Frecuencia respectivamente, por sus siglas en inglés. Este tipo de antenas tienen ganancias muy bajas de alrededor de 1.76 a 2.15dBi. (SilverS., 1984).
2.2.2 Antenas de apertura
a) b) c)
Figura 2. Antenas de apertura. a) piramidal,b) circular, c) rectangular (modificado de Balanis C. 2005 p. 5).
Estas antenas se diseñan generalmente para operar en las frecuencias de microondas superiores alos 300MHz, y también se utilizan como alimentadores para estructuras de antenas de grandes dimensiones, como las antenas parabólicas y otrasantenas reflectoras. Con estos tipos de antenas se pueden lograr comportamientos de ganancia entre 10 y 20 dBi, y aún hasta 25dBi como valor máximo (BevilaquaP., 2009).
2.2.3 Antenas de microcinta
2.2.4 Arreglos de antenas
Muchas aplicaciones requieren antenas con características de radiación que no pueden ser alcanzadas por un elemento sencillo. Sin embargo, puede ser posible que un conjunto de elementos radiantes acomodados en cierto orden geométrico y eléctrico (un arreglo o agrupación), proporcione las características de radiación deseadas. El orden del arreglo puede ser tal que la contribución de la radiación de cada elemento, se suma para obtener la máxima radiación en una dirección particular o bien para lograr la radiación mínima en otras.
a) b)
Figura 3. Antenas de parche de microcinta:a) rectangular y b) circular (Modificado de Balanis C. 2005 p. 6).
Ejemplos típicos de diferentes arreglos de antenas se muestran en la figura 4 (BalanisC., 2005), donde se pueden apreciar el arreglo tubular Yagi-Uda dado en la figura 4(a) o el arreglo planar de microcinta de la figura 4(d).
2.2.5 Antenas reflectoras
Las antenas reflectoras pueden ser de foco primario, asimétricas o de foco desplazado y del tipo Cassegrain o Gregoriana, ambas con un reflector secundario. Existen antenas parabólicas que han sido construidas con un diámetro de 305 metros, como la que se encuentra en el observatorio de Arecibo, Puerto Rico.Otra forma de reflector, no tan común como los parabólicos, es el reflector de esquina que consiste de dos placas metálicas colocadas a cierto ángulo (p. ej. 90 grados) y con un punto común (foco) donde se concentra la energía. (Kraus J., 2002).
Figura 4. Configuraciones de arreglos de antenas. (Balanis C. 2005, p. 7).
2.2.6 Antenas de lentes.
En general los lentes se utilizan primordialmente para colimar la energía incidente y divergente previniendo que se esparza por direcciones no deseadas. Al dar una forma apropiada a la configuración geométrica y seleccionando el material adecuado de los lentes, es posible transformar varias formas de energía divergente en ondas planas. Las antenas de lentes se clasifican de acuerdo al material que se utilizó para construirlas ya la forma geométrica de estas. En la figura 6 se muestran las configuraciones más importantes de las antenas de lentes clasificadas de acuerdo a su índice de refracción (BalanisC., 2005), (Kraus J., 2002).
Figura 6. Configuraciones más importantes de las antenas de lentes. (Balanis C. 2005, p. 8).
2.3Parámetros de las antenas
En esta sección se definen los parámetros que permitenconocer el comportamiento de una antena en un intervalo de frecuencias dado, como son la impedancia, patrón de radiación, ancho del haz, directividad, ganancia, ancho de banda y polarización entre otros, los cuales se describen enseguida.
2.3.1 Impedancia de la antena.
Por lo general cuando una antena se conecta a un transmisor, deberadiar la máxima potencia posible y minimizar las pérdidas en ella. La antena y el transmisor deben adaptarse o acoplarse para efectuar la máxima transferencia de potencia. Generalmente el transmisor se encuentra lejos de la antena y la conexión se hace mediante una línea de transmisión, la cualtambién contribuyea la adaptación. Por esta razón, se deben considerartanto la impedancia característica, la atenuación y longitud de la línea de transmisión, como la impedancia en el puerto de la antena. La impedancia de la antena ZA, se puede definir mediante relaciones de voltaje/corriente en el puerto, y tendrá una parte real RA(ω) y una imaginaria jXA(ω), ambas dependientes de la frecuencia. Si en una frecuencia específica ZA no presenta una parte reactiva (XA=0), se dice que la antena resuena a esa frecuencia. Sin embargo, debido a que la antena radia energía, existe una pérdida neta de potencia hacia el espacio atribuida a una resistencia de radiación Rr (Cardama A., 2000).
Se puede definir lo anterior como sigue:
(1)
donde:ZA: Impedancia de la antena
RA: Resistencia de la antena= Rr+ RL XA: Reactancia de la antena
2.3.2 Patrón de radiación
Un patrón o diagrama de radiación es una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena, en función de las distintas funciones del espacio y a una distancia fija. En la mayoría de los casos, se emplea un sistema de coordenadas esféricas. Con la antena en el origen y con la distancia constante se expresa el campo eléctrico en función de las variables angulares (θ,Φ).Debido a que el campo magnético se deriva directamente del eléctrico, la representación puede realizarse partiendo de cualquiera de los dos campos, siendo el eléctrico el que se utiliza habitualmente (Kraus J., 2002). El diagrama de radiación se puede representar en forma tridimensional al utilizar diversas técnicas gráficas, como las curvas de nivel o el dibujo en perspectiva. En la figura 7 se muestra un ejemplo de una representación tridimensional de un diagrama de radiación correspondiente a una antena directiva.
Figura 7. Diagrama de radiación tridimensional de un arreglo de antenas (Kraus J., 2002, p. 20).
hipotética. Por lo general la información en estos diagramas es excesiva, por lo que se recurre a representar dicha información sólo en los planos principales.Un ejemplo de esto puede observarse en la figura 8, donde se muestran cortes de un diagrama tridimensional, reducidos a 2D y representadosen coordenadas polares y cartesianas (Anón, 2011). La representación en coordenadas cartesianas permite observar los detalles de antenas muy directivas, mientras que el diagrama polar suministra información más clara de la distribución de la potencia en las diferentes direcciones del espacio.
a) b_
Figura 8. Diagrama de radiación en 2D: a) Coordenadas rectangulares, b) coordenadas polares.
2.3.3 Ancho del haz
BeamWidth en inglés), y es la separación angular entre los primeros nulos del patróncomo se puede apreciar en la figura 9. (Kraus J., 2002), (BalanisC., 2005).
Figura 9. Parámetros de ancho del haz en un patrón de radiación (BalanisC. 2005, p. 29).
2.3.4 Directividad y Ganancia
La directividad de una antena, 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 isotrópica que radiase la misma potencia que la antena.
(2)
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la dirección de máxima de radiación (CardamaA., 2000).
La directividad se puede obtener, a partir del conocimiento del diagrama de radiación de una antena el cual muestra la dirección en la cual se radia la mayor intensidad de potencia.
Un segundo parámetro directamente relacionado con la directividad es la ganancia de la antena. Su definición es semejante, pero la comparación no se establece con la potencia radiada sino con la potencia entregada a la antena, permitiendo tener en cuenta las pérdidas en la antena, debido a que no toda la potencia entregada seradia al espacio. La ganancia es una de las características más utilizadas que describen el rendimiento de las antenas, y que depende de la eficiencia de la antena y de la dirección. La ganancia y la directividad están relacionadas por la eficiencia. La ganancia también se puede definir de manera alterna como: una cantidad que define la habilidad de concentrar energía en una dirección particular. Las unidades de la ganancia son adimensionales pero comúnmente se expresa en decibeles (CardamaA., 2000).
(4)
(5)
donde
Gan: Ganancia (adimensional) U: Intensidad radiada
Pent: Potencia radiada GandB: Ganancia en decibeles
2.3.5 Ancho de banda
intervalo de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central, y se puede expresar en porcentaje (CardamaA., 2000).
Los anchos de banda más comunes son el de impedancia y el de ganancia a 3dB.
(6)
2.3.6 Regiones de campo
El espacio que rodea a una antena esta subdividido usualmente en tres regiones: el campo cercano reactivo, el campo cercano radiante o zona de Fresnel y las regiones de campo lejano, mostradas en la figura 10 (BalanisC., 2005). Las fronteras que separan las regiones no son únicas y se emplean varios criterios para establecerlas.La primera región es donde los campos reactivos son los que predominan, la segunda región es donde predominan los campos radiantes, mientras que en la tercera región, es donde la distribución del campo angular, es independiente de la distancia a la antena. La distancia del campo lejano se obtiene comoR2=2D2/λ, donde D es la dimensión máxima de la antena y λ la longitud de onda.
2.3.7 Polarización
La polarización de una onda radiada se define como “la propiedad de una onda electromagnética que describe la dirección variante en el tiempo y la magnitud relativa del vector de campo eléctrico. Específicamente es la figura trazada por la extremidad del vector a un punto fijo en el espacio, y el sentido en que se trazaen función del tiempoa lo largo de la dirección de propagación”. Dicho de otra manera, la polarización es la curva que se traza al final de la punta de la flecha (vector), y que representa el campo eléctrico instantáneo. El campo debe observarse a lo largo de la dirección de propagación (Kraus J., 2002), (BalanisC., 2005).
Polarización lineal. Una onda armónicase polariza linealmente en un punto dado en el espacio,cuando el vector de campo eléctrico en ese punto está orientado a lo largo de toda la onda y en cada instante de tiempo (Nave C. R., 2000).Como se puede apreciar en la figura 11, esto se logra si el vector de campo eléctrico o magnético posee:
a. Solo un componente, o
b. dos componentes ortogonales con la misma fase o bien con múltiplos de 180°.
Polarización Circular. Una onda armónica esta polarizada circularmente en un punto dado, cuando el vector de campo eléctrico o magnéticotraza en ese punto, un círculo en función del tiempo. En la figura 12 se puede observar una onda polarizada circularmente, donde los componentes eléctricos cambian conforme se propaga la onda y donde el campo eléctrico rota en sentido contrario a las manecillas del reloj. Las condiciones necesarias y suficientes para crear una polarización circular son las siguientes:
a. El campo debe tener dos componentes ortogonales lineales
b. Los dos componentes deben tener la misma magnitud, y
c. Los dos componentes deben tener un desfasamiento en múltiplos de 90°.
Figura 12. Polarización circular (Nave C.R.,2000).
instantes de tiempo, el vector de campo cambia constantemente con el tiempo de tal manera que describe la forma de una elipse. El sentido de la rotación se determina al emplear las mismas reglas que en la polarización circular. Las ondas polarizadas elípticamente también se especifican por su radio axial, cuya magnitud es el radio del eje mayor al eje menor.Para cumplir con esto, es necesario y suficiente cumplir con:
a. El campo debe tener dos componentes ortogonales
b. Los dos componentes pueden tener igual o diferente magnitud, y
c. Si los dos componentes no son de la misma magnitud, la diferencia de fase entre ellos no puede ser 0 o múltiplos de 180°, porque sería lineal. Cuando los dos componentes son de la misma magnitud, la diferencia de fase no puede estar en múltiplos de 90°, porque entonces sería una polarización circular.
2.4 WiMAX
El notable desarrollo de las comunicaciones móviles e inalámbricas en las últimas dos décadas, es un fenómeno único en la historia de la tecnología. Incluso las predicciones más optimistas dela penetración de subscriptores móviles y las capacidades inalámbricas de los dispositivos, han sobrepasado la realidad en menos de un cuarto de siglo.
El Foro de Investigación Mundial Inalámbrica, (Wireless World Research Forum, WWRF) predice que para el año 2017 habrá más de siete billones de dispositivos inalámbricos al servicio de siete mil millones de personas. La dirección del desarrollo de las comunicaciones puede ser identificada como: comunicaciones de área amplia, con la omnipresencia de los sistemas celulares como el ejemplo más representativo, y las comunicaciones de corto alcance, que envuelve un arreglo de tecnologías de redes para proveer de conectividad inalámbrica a cortas distancias, como por ejemplo WLANs(Wireless Local Area Network), WPANs(Wireless Personal Area Network), WBANs(Wirless Body Area Network), bluetooth, etc. (KatzM., 2009). En años recientes, se ha presenciado un enorme crecimiento en el interés de las redes inalámbricas metropolitanas. Esto no debe ser una sorpresa, ya que en el 2008, más de la mitad de la población mundial vive en zonas urbanas. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es la iniciativa mundial más representativa que se enfoca en la comunicación metropolitana. WiMAX se basa en el estándar IEEE 802.16, el cual define las redes inalámbricas combinando las claves de las redes de área amplia con las de corto alcance, teniendo movilidad y alto rendimiento de datos. El estándar IEEE 802.16 sirve como la base para los sistemas WiMAX (Katz M., 2009).
2.4.1 Desarrollo de WiMAX
tecnología también actuaría como un sistema versátil para distribuciones de redes corporativas o institucionales compitiendo con los portadores líderes de internet.
MMDS fue desarrollada para proveer un medio de comunicación para redes de televisión local y para servicios de banda ancha residencial. Sin embargo, el alto costo, la falta de estándares, y el temor del vendedor previno a la LMDS (Local Multipoint Distribution Service) de ser desplazada muy temprano. Como resultado, en 1999 el IEEE propone el estándar 802.16 para LMDS (Anón, 2001).Este estándar, lanzado en el año 2001, operó en una red de enlace de radio punto a punto mediante transmisiones a línea de vista, en el intervalo de frecuencias de 10 GHz a 66 GHz. Sin embargo, ya que el estándar fue propuesto inicialmente para WLAN (Wireless Local Area Network) y tenía capacidades restringidas, los desarrolladores se enfocaron exclusivamente en el estándar 802.16 que funcionara solo en el intervalo de 2GHz a 11GHz.
En el año 2001, se establece el “WiMAX Forum” para comercializar y promover el estándar 802.16. Ahí se acuñó el término WiMAX (SubramanianA,P, et al., 2009). En el 2003 el IEEE propone el 802.16a que transmitió datos a través de canales de radio sin línea de vista hacia y desde antenas omnidireccionales. Más tarde, en el 2004, se lanza el estándar 802.16-2004, el cual combinó las actualizaciones de las regulaciones de la IEEE 802.16a, 802.16b, y 802.16c. Este sistema de banda ancha extendió el servicio de WiMAX a un intervalo de 30 millas y tuvo la habilidad de dispersar sus redes entre cientos de terminales. El IEEE continúa modificando y actualizando las especificaciones del estándar de WiMAX para mejorar las capacidades futuras. Han presionado para publicar el estándar 802.16m, cuya metaes incrementar la velocidad hasta 1Gbps. El IEEE también visualiza la aprobación y despliegue del estándar 802.20 en un futuro cercano, que se le ha denominado como Mobile-Fi. Es por esta razón que WiMAX está liderando los estándares inalámbricos emergentes (FeldmanB., 2010). En la Tabla 1 se resume la clasificación de los estándares WiMAX.
2.4.2 WiMAX y WiFi
es totalmente cierto. En primer lugar, los estándares que rigen a Wi-Fi se encuentran en el grupo 802.11 y los estándares WiMAX son los correspondientes al grupo 802.16. Al mismo tiempo que se desarrollaba Wi-Fi, surgió WiMAX basado en la idea de Wi-Fi pero con objetivos distintos.
Tabla 1. Clasificación de estándares WiMAX.
Existen diferencias entre las tecnologías de WiMAX y WiFi muy simples, las cuales son:
Las diferencias básicas entre la tecnología WiMAX y WiFi son el costo, la velocidad, y la distancia entre otras. La cobertura de WiMAX es alrededor de las 30 millas, mientras que la de WiFi está limitada a unasuperficie pequeña menor a 30 metros.
La arquitectura de una red WiMAX hace posible la red de área metropolitana (MAN) y como un ISP (Internet Service Provider) da acceso a internet a cientos de casas o negocios sin necesidad de un cable, mientras que WiFi se utiliza dentro de una área de red local (LAN) pequeña para acceso a internet.
La estación base WiMAX dirige el haz al receptor de WiMAX, de manera similar a la que el punto de acceso de WiFi transporta la señal al dispositivo receptor.
La red de WiMAX provee una excelente QoS (Quality of Service), permitiendo que un gran número de personas accedan a la torre al mismo tiempo. El algoritmo automáticamente transfiere al usuario a otra radio base, torre o estación WiMAX, mientras que un usuario de WiFi debe mantenerse conectado con un punto de acceso específico.
El problema más significativo de WiMAX comparado con WiFi es el precio, ya que WiMAX es una red de alto costo, mientras que WiFi es una red de bajo costo Es por esta razón que la mayoría de las personas adoptan WiFi, debido al menor gasto y para evitar las instalaciones caras del WiMAX.
Por otro lado WiMAX ofrece una alta velocidad de internet, como un acceso de banda ancha donde ocurre una transferencia de datos, voz y video a una velocidad alta. Mientras que WiFi ofrece una transferencia de corto alcance, ya que se puede conectar sólo en áreas específicas para compartir archivos.
WiMAX soporta conexiones punto a punto y punto multipunto, existiendo múltiples estándares de WiMAX como el 802.16e, 802.16b para conectividad móvil. Mientras que WiFi ofrece una buena calidad de servicio a un Ethernet fijo donde los paquetes son la prioridad.
Los puntos de acceso de WiFi son usualmente de “backhaul” (red de retorno) como los ADSLs existentes en pequeños negocios, cafés, etc.,haciendo difícil acceder a ellos. La velocidad de subida para WiFi es muy baja comparada con la de WiMAX entre la nube de internet y los enrutadores.
2.4.3 WiMAX en México
argumenta que dicho retraso ha detenido inversiones cercanas a los 1,000 millones de dólares para el despliegue de infraestructura que permita proveer tecnología WiMAX a nivel nacional.
La banda contemplada para WiMAX es: 3.4 GHz.La Comisión Federal de Telecomunicaciones (COFETEL) ha publicado la convocatoria para la licitación de dos bandas de frecuencias del espectro radioeléctrico para servicios móviles. Con esto arranca el proceso de subasta de las bandas de 1.9 GHz y de 1.7 -2.1 GHz, el cual se ha retrasado por más de dos años. Las próximas licitaciones del espectro radioeléctrico serán las primeras que realice esta administración, y se espera que subaste otras frecuencias del espectro para nuevas tecnologías como WiMAX.(Dimas R., 2011)
Otra opción es una tarjeta que se instala en la computadora. El director de tecnología de “Ultratelecom”, aclaró que el servicio sólo es portátil, por lo que todavía no hay movilidad. Sin embargo, el siguiente paso es ofrecer esta posibilidad.Para este despliegue la compañía asegura que realizó una inversión de 150 millones de pesos y planea erogar otros 200 millones de pesos para expandirse a otras ciudades, y lograr una cobertura de 14 plazas más al cierre de este año y así sumar más de 40 para 2010 (Mejía-GuerreroA., 2008).
La compañía Axtel seleccionó la tecnología de banda ancha WiMAX desde 2005, enfocada a servicios móviles con el estándar 802.16e en las bandas de 2.3GHz, 2.5GHz y 3.4 GHz que garantiza una excelente calidad de servicios.El Gobierno Mexicano aprobó la WiMAX de banda ancha en 3.3GHz para el desarrollo de redes educativas y de salud. El 18 de mayo 2011, Marisol Ramírez del Universal, publicó que Veracruz será el primer estado de la republica con una red WiMAX de banda ancha, con la cual se beneficiará a toda la población y comunidades Marginadas, informó Javier Duarte, Gobernador de Veracruz. Veracruz cuenta con la infraestructura necesaria para introducir fibra óptica y en las carreteras ir creando anillos con conexiones a alta velocidad entre las diferentes regiones del Estado. WiMAX utiliza antenas con un alcance de hasta 30 kilómetros a la redonda y provee internet incluso a las comunidades más alejadas o en las que no hay cableado.
Redes de banda ancha que combinan tecnologías de fibra óptica con WiMAX han sido instaladas en el 2012 a la frecuencia de 3.3GHz en la Universidad de Tabasco con apoyo de CUDI (Cooperación Universitaria para el Desarrollo de Internet). El estado de Tabasco planea interconectar escuelas primarias y secundarias empleando WiMAX a la red de internet para proveer acceso a las tecnologías de la información de una manera eficiente y de bajo costo.
Telmex desarrolla la primera red WiMAX en Tabasco para operar a la frecuencia de 3.5 GHz basada en el estándar 802.16e. A partir del 28 de noviembre 2012, las bandas de frecuencia entre 5470 a 5600 MHz y 5650 a 5725 MHz serán de uso libre para servicios de internet inalámbrico
WiMAX y podrán ser utilizadas por cualquier empresa sin la necesidad de una concesión, permiso
o registro por parte de los operadores, según el acuerdo publicado por la Secretaría de
Comunicaciones y Transportes (SCT). Esta medida busca incentivar el despliegue de
infraestructura de telecomunicaciones en el País, que permita una mayor oferta de servicios sin la
necesidad de contar con una concesión, permiso o registro para el uso del espectro radioeléctrico,
Capítulo 3
Diseño de antenas de microcinta y divisor/combinador
3.1 Introducción
En este capítulo, se propone una metodología de diseño de antenas de parche en microcinta. Para realizar el diseño de la antena directiva se considera la metodología propuesta basada en ecuaciones existentes en la literatura. Asimismo se describe el diseño de un divisor/ combinador de potencia tipo Wilkinson, y posteriormente se propone una estructura final para la integración del número total de antenas utilizadas para conformar el arreglo omnidireccional. Se muestran los resultados obtenidos del análisis electromagnético de los dos tipos de antenas diseñadas y del circuito divisor/combinador de cinco puertos.
3.2 Antenas de microcinta
radiador colocado sobre un material dieléctrico y soportado por un plano de tierra. Las dimensiones del parche van ligadas directamente a la constante dieléctrica, a la frecuencia de operación y al espesor del material dieléctrico. La figura 14muestra lasacotaciones de las dimensiones físicas de un parche de microcinta.
Figura 14. Estructura de una antena de parche de microcinta.
Algunas consideraciones para obtener las dimensiones se presentan en laecuación 7:
⁄
⁄
donde
: Longitud de onda de microcinta : Longitud de onda en espacio libre
(7)
3.2.1. Propagación eléctrica y magnética
La propagación se puede efectuar en un conductor de dimensiones finitas depositado en la parte superior de un substrato, donde la amplitud de la corriente de superficie resulta significativa, cuando la señal de la frecuencia de operación es cercana a la frecuencia de resonancia (Windlin M., 2005). Cuando un parche o parches radian, se tienen patrones de radiaciónen el plano eléctrico E y en el plano magnético H mostrados en la Figura 15,los cuales están relacionados con el flujo de corriente eléctrica.
Figura 15. Plano E y plano H en una antena planar.
3.2.2 Ondas en el espacio
Estas son las ondas que se transmiten hacia arriba con ángulos de elevación de 0º y 90º, al desplazarse al espacio libre, donde las amplitudes de los campos decrecen con la distancia. Este fenómeno es importante en la antena ya que se desea radiar, contrario a lo requerido en una línea de transmisión y otras estructuras planas, donde la radiación se considera como espuria (Zurcher y Gardiol, 1995). La Figura 16 muestra este fenómeno de forma gráfica.
3.2.3Ondas de superficie
Son las ondas que son transmitidas con ángulos de elevación entre y
√ ⁄ . Para que exista una reflexión total, se requiere un ángulo de incidencia en particular que haga que la onda se refleje entre el substrato y el espacio libre. Estas ondas de propagación se presentan de forma ilustrativa en la Figura 17.
Figura 17. Ondas superficiales.
3.2.4 Ondas de fuga
Las ondas de fuga son aquellas que se introducen con un ángulo entre √ ⁄ y . Estas ondas se reflejan por el plano de tierra, pero solo una parte de ellas se reflejan en la frontera entre el substrato y el espacio libre. Las ondas de fuga se pueden observar en la figura 18.Eventualmente contribuyen a la radiación, y por lo tanto se presenta un fenómeno de desvanecimiento de la onda, con respecto al avance en la dirección del frente de onda. Este fenómeno se aprovecha en las antenas de multicapas, ya que son utilizadas para aparentar que el tamaño de la antena es más grande, proporcionando una mayor ganancia
3.2.5 Ondas guiadas
Las ondas guiadas se reflejan entre el plano de tierra y el conductor superior a través del dieléctrico, pero solo para algunos valores de ángulos de incidencia, como se puede apreciar en la Figura 19. Sin embargo, estas cavidades no se desean en las antenas ya limitan el ancho de banda y la radiación hacia el espacio.
Figura 19. Ondas guiadas.
3.2.6 Topologías de parches
Un parche de microcinta tiene la posibilidad de poseer una gran variedad de topologías para simplificar el análisis y la predicción de su desempeño. Por lo general las formas más utilizadas son las estructuras cuadradas, rectangulares, circulares, elípticas, triangulares, pentagonales y de anillo. Existen otras configuraciones que se utilizan de acuerdo a la aplicación y especificaciones de diseño.
posible cuando el parche se excita por dos modos ortogonales y en cuadratura de fase, eliminando la complejidad de la alimentación híbrida. El parche de anillo es similar al parche circular, pero con una cavidad en el centro, de modo que cuando la distancia radial es mayor a la longitud de onda, los efectos de borde se desprecian, aunque los efectos de curvatura se deben tomar en consideración.
Figura 20. Topología de parches. (Flores Cuadras, 2006, p. 56).
3.2.7 Tipos de alimentación
3.2.7.1 Alimentación por línea de microcinta
Esta técnica de alimentación consiste de una línea conductora conectada directamente al borde del parche radiador como se muestra en la Figura 21. La línea es más angosta comparada con el parche y se tiene la ventaja que esta puede grabarse sobre el mismo substrato que se utiliza para construir el parche. La impedancia en el borde del parche al que se conecta la línea se debe acoplar a una impedancia característica de 50 Ω mediante un transformador de impedancias.
Figura 21. Alimentación por línea de microcinta.
3.2.7.2 Alimentación coaxial
El método de alimentación coaxial,presenta una alimentación perpendicular al plano de tierra mediante una perforación que atraviesa al substrato y hace contacto con el parche o con la red de alimentación donde se solda posteriormente. Su ventaja principal es que se puede colocar en cualquier punto dentro de un parche, para mejorar así su desempeño en ancho de banda al encontrar la posición óptima. Este método presenta pocas radiaciones de espurias, pero tiene una desventaja de tener un ancho de banda estrecho, además de que es muy difícil de modelarse. En dieléctricos gruesos se pueden presentar problemas de acoplamiento, debido a que la impedancia de las líneas de acoplamiento se vuelven más inductivas (Kumar G. y Ray K., 2003).
3.2.8 Arreglos de antena de microcinta
necesariorealizar agrupaciones de parches para que el patrón de radiación se vuelva directivo con respecto a una dirección deseada y por consecuencia tenga una ganancia mayor.
Figura 22. Alimentación coaxial.
En la Figura 23 se muestra el patrón de radiación que presenta un solo parche radiador, donde se puede observar que el parche radia por 180 grados.
Figura 23. Patrón de radiación de un solo parche.
presentaruna ganancia de 12 dB, uno de ocho parches presentaría una ganancia de15dB y así sucesivamente.
En la Figura 24se muestra de manera visual el patrón de radiación de dos arreglos, uno de dos parches y otro de cuatro parches.Para mantener una simetría en el patrón de radiación un arreglo debe de cumplir con 2n elementos (n=0, 2 ,6…), donde cada uno de los elementos se debe interconectar entre sí y tener un punto en común de alimentación en el puerto de entrada, con una impedancia característica que por lo general es de 50Ω. Cuando se realiza un arreglo de parches se deben de considerar las pérdidas que se generan por las líneas de acoplamiento, por las ondas de superficie, por la cercanía de los parches y por los errores introducidos en los procesos de diseño y construcción. En la Figura 25se puede observar la distribución a seguir para obtener un comportamiento simétrico del patrón de radiación.
Figura 25. Distribución de parches de un arreglo.
3.3 Métodos de diseño y análisis de antenas de microcinta.
Existen en la literatura dos métodos que permiten obtener las dimensiones iniciales de un parche para que opere a una frecuencia determinada los cuales son: el método de línea de transmisión y el de cavidad, los cuáles se describen a continuación.
3.3.1 Modelo de línea de transmisión
El método de línea de transmisión solo sepuede aplicarpara diseñar parches rectangulares. En este método el parche radiador se trata como una línea resonante. Las variaciones transversales de campo y la resonancia del parche, se determinan por la longitud del parche, que generalmente es de media longitud de onda. El algoritmo de este modelo se puede obtener con las ecuaciones 8 a la 13 siguientes.
√
( ) (9) ( ⁄ ⁄ ⁄ ) ( ( ⁄ ) ) (10) ( ) (11) ( ) ( ⁄ ⁄ ) (12) √ (13) donde:
: Ancho del parche (m) : Velocidad de la luz (m/s)
: Constante dieléctrica relativa (adimensional) : Frecuencia de resonancia (Hz)
: Constante dieléctrica efectiva (adimensional)
: Altura de substrato (m)
: Efecto de borde (m) : Longitud de parche (m)
3.3.2 Modelo de cavidad
El modelo de cavidad puede soportar un mayor número de formas de parches que el de línea de transmisión. Este método considera una cavidad resonante cerrada con paredes magnéticas y eléctricas. El conductor y el plano de tierra representan las paredes eléctricas mientras que los bordes son las paredes magnéticas. El algoritmo para obtener las dimensiones de los parches se da mediante las ecuaciones 14 a la 27. En este método se debe realizar cierto número de iteraciones hasta conseguir las dimensiones que proporcionen la frecuencia de resonancia deseada (Bhartia et al., 1991).
( √ ( ) ) (14)
(22) (23) (24) (25) (26) √ (27) donde:
: Impedancia característica (Ω) : Impedancia de la microcinta (Ω)
:Constante (adimensional)
: Eigenvalores (adimensional)
3.3.3 Método de Momentos
El método de momentos es un procedimiento general para resolver ecuaciones lineales del tipo dado en la ecuación 28, y que se utiliza para transformar una ecuación diferencial o integral en una matricial.
(28)
donde L es el operador lineal, g es conocido y f es la incógnita que se debe encontrar, la cual se puede expandir en una serie de funciones como sigue:
∑ (29)
donde, las son las llamadas funciones de expansión o funciones base. Para obtener una solución exacta se tendría que utilizar un número infinito de funciones base. Sin embargo, para fines prácticos se trunca a un número finito, y resulta una aproximación de la siguiente forma:
∑ (30)
Se pueden definir entonces las funciones llamadas de peso o de prueba, en el intervalo de L, en donde al tomar el producto interno de cada una de ellas se tiene:
∑ 〈 〉 〈 〉 (31)
la cual se puede escribir de forma matricial como:
[ ][ ] [ ] (32)
[ ] [
〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 ]
(33)
[ ] * + [ ] [ 〈 〉 〈 〉]
(34)
Cuando la matriz [ ] no es singular, entonces su inversa existe:
[ ] [ ] [ ] (35)
La solución para la ecuación 29 se obtiene al determinar las funciones mediante la ecuación 36.
[ ] [ ] (36)
y finalmente la incógnita se calcula como:
[ ][ ] [ ][ ] [ ] (37)
Con este método se pueden encontrar la distribución de corriente, los campos eléctricos y magnéticos, el patrón de radiación, los parámetros S y otros resultados de importancia.
3.4 Metodología de diseño de la antena.
La metodología propuesta en este trabajo para diseñar una antena planar de microcinta se resume en el diagrama de flujo de la Figura 26.
