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Implementación de un arreglo de antenas doble banda resonante a 28 GHz y 38 GHz para la quinta generación móvil

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Academic year: 2020

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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 un arreglo de antenas doble banda resonante a 28 GHz y 38 GHz para la Quinta Generación Móvil” Autor: Ailen Capó Vega Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra. Santa Clara 2017 "Año 59 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 un arreglo de antenas doble banda resonante a 28 GHz y 38 GHz para la Quinta Generación Móvil” Autor: Ailen Capó Vega E-mail: acapo@uclv.cu. Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: yrodriguez-gallo@uclv.edu.cu. Santa Clara 2017 "Año 59 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. El aspecto más triste de la vida actual es que la ciencia gana en conocimiento más rápidamente que la sociedad en sabiduría. Isaac Asimov.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A Dios por ser el principal mentor de este proyecto y el mejor refugio en mis momentos de angustia. A mis padres, Anita y Pablo I, por ser fuente de amor y apoyo constante e incondicional durante toda mi vida. A mi esposo Dayan por su paciencia y comprensión durante mis duros años de carrera profesional. Gracias por tus cuidados, amor y por ese bebé tan lindo que vamos a compartir en breve. A mi familia por ser el mejor resguardo de amor que existe, en especial a mis dos hermanas, Yania y Anabel. A mis compañeros de aula, en especial a Collazo, Yordany, Carlos, Joaquín, Dairon, Rigoberto, Geovanny, Amanda y Grether, por aguantarme todos estos años, por los momentos felices que compartimos y por todo el apoyo que me dieron en los amargos períodos de prueba y estrés. A mis más grandes amigas, Cindy y Lismary por enseñarme el valor de la amistad y ser parte fundamental en mi formación como persona ¡Desde la antigüedad! ja ja ja. A todos los profesores que han intervenido en mi formación como profesional y a mi tutor por sus acertadas orientaciones metodológicas..

(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.. . 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 la banda milimétrica.. . Implementación de un arreglo de antenas resonante a las frecuencias 28 GHz y 38 GHz, utilizando MatLab y CST Microwave Studio.. . Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.. __________________. _________________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Los requerimientos de ancho de banda que posee la (5G), hacen necesario el empleo del amplio espectro disponible en las altas frecuencias de la banda milimétrica. Las antenas inteligentes se presentan como una tecnología prometedora para suplir muchas de las desventajas que se presentan en la propagación de las ondas en este rango de frecuencias tan elevadas, dado que son direcccionables y poseen gran ganancia. En el presente trabajo, se caracterizó la 5G, la banda milimétrica, las antenas inteligentes y se exponen investigaciones acerca de antenas y arreglos de antenas diseñadas para el trabajo en las frecuencias 28 GHz y 38 GHz. Además, se identificaron los parámetros fundamentales que caracterizan el funcionamiento de las antenas de este tipo, los arreglos más utilizados y se hace una descripción de algunas herramientas útiles en el proceso de diseño de las mismas. En la investigación se realiza el diseño de una antena de parche resonante a dos frecuencias de la banda milimétrica, 28 GHz y 38 GHz, utilizando MatLab y CST Microwave Studio. La antena de parche sirvió como base en la implementación de un arreglo de seis elementos, y a través de comparaciones realizadas a los resultados obtenidos en las simulaciones, se llega a la conclusión de que existen evidentes mejoras en el desempeño de los arreglos de antenas..

(9) vi ÍNDICE. PENSAMIENTO ....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................. ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN. ................................................................................................................... v. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2 CAPÍTULO 1.. LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA. MILIMÉTRICA PARA LA 5G. ............................................................................................. 6 1.1 1.1.1 1.2. Aspectos generales de la 5G ............................................................................. 6 Requisitos principales para la 5G ..................................................................... 7 Características principales de la banda milimétrica .......................................... 8. 1.2.1. Ventajas y limitantes en el uso de la banda milimétrica ................................... 9. 1.2.2. Solución a las principales limitantes del uso de la mmWave en la 5G .......... 10. 1.3. Características generales de las antenas inteligentes ...................................... 11. 1.3.1. Tipos de antenas inteligentes .......................................................................... 12. 1.3.2. Ventajas y desventajas en el uso de antenas inteligentes ................................ 14. 1.4. Investigaciones acerca de antenas y arreglos de antenas multibanda. resonantes a 28 GHz y 38 GHz ......................................................................................... 16 1.5. Conclusiones parciales .................................................................................... 18. CAPÍTULO 2.. LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS. CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G .................................................... 20 2.1 2.1.1. Parámetros básicos de las antenas .................................................................. 20 Directividad y Ganancia ................................................................................. 21.

(10) vii 2.1.2. Diagrama de radiación o patrón de radiación ................................................. 22. 2.1.3. Ancho del haz ................................................................................................. 23. 2.1.4. Impedancia de entrada .................................................................................... 23. 2.1.5. Eficiencia de la antena .................................................................................... 24. 2.1.6. Polarización .................................................................................................... 24. 2.1.7. Ancho de Banda .............................................................................................. 25. 2.1.8. Intensidad de campo ....................................................................................... 25. 2.1.9. Relación front to back ..................................................................................... 26. 2.2. Tipos de antenas según su estructura .............................................................. 26. 2.2.1. Características de las antenas de parche ......................................................... 27. 2.2.2. Métodos de alimentación de las antenas de parche ........................................ 28. 2.2.3. Ventajas y desventajas de las antenas de microcinta ...................................... 30. 2.2.4. Métodos de análisis ......................................................................................... 30. 2.3 2.3.1. Los arreglos de antenas en los sistemas de telecomunicaciones .................... 32 Elementos de un arreglo ................................................................................. 34. 2.4. Herramientas para el cálculo numérico y la simulación de antenas ............... 34. 2.5. Conclusiones parciales .................................................................................... 35. CAPÍTULO 3.. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN ARREGLO DE ANTENA. RESONANTE A 28 GHZ Y 38 GHz. .................................................................................. 37 3.1. Pasos para el diseño de un arreglo de antenas doble banda resonante a 28GHz. y 38 GHz ........................................................................................................................ 37 3.1.1 3.2 3.2.1. Especificaciones técnicas a alcanzar ............................................................... 38 Diseño de una antena de parche resonante a 28 GHz ..................................... 38 Selección de la forma del parche, los materiales a utilizar y sus respectivos. espesores ....................................................................................................................... 39.

(11) viii 3.2.2. Selección del tipo de alimentación y el método de análisis para obtener las. dimensiones iniciales de la antena ................................................................................ 40 3.2.3. Modelación, simulación y análisis de resultados de la antena de parche. resonante a 28GHz ........................................................................................................ 41 3.2.4 3.3. Optimización de la antena de parche resonante a 28GHz .............................. 42 Diseño de una antena resonante a 28 GHz y a 38 GHz a partir del elemento. radiante diseñado previamente.......................................................................................... 44 3.3.1 3.4 3.4.1 3.5. Optimización de la antena de parche resonante a 28 GHz y 38 GHz ............. 46 Diseño de un arreglo de antenas 2x3 .............................................................. 49 Optimización de la antena de parche resonante a 28 GHz y 38 GHz ............. 50 Conclusiones parciales .................................................................................... 50. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 51 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 53 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 54 ANEXOS. ................................................................................................................. 57. Anexo 1. Valores típicos de eficiencias en diferentes tipos de antena .......................... 57. Anexo 2. Representación de los métodos de alimentación de antenas de parche ......... 57. Anexo 3. Programación en MATLAB del método de línea de transmisión para calcular. las dimensiones del parche ............................................................................................... 58 Anexo 4. Resultados obtenidos mediante la función DimParche................................... 58. Anexo 5. Programación en MATLAB de las ecuaciones para calcular las dimensiones. de acople para la antena de parche.................................................................................... 59 Anexo 6. Resultados obtenidos mediante la función MatchDim() ................................. 59. Anexo 7. Características de los materiales de la antena ................................................. 60. Anexo 8. Dimensiones preliminares de la antena de parche resonante a 28 GHz ......... 60.

(12) ix Anexo 9. Dimensiones preliminares del acople ............................................................. 60. Anexo 10 Dimensiones finales de la antena de parche resonante a 28 GHz ................... 60 Anexo 11 Dimensiones finales del acople después de la optimización .......................... 60 Anexo 12 Representación de la ganancia para f = 28 GHz y f = 38 GHz en el patrón de radiación de la antena de parche doble banda ................................................................... 61 Anexo 13 Representación de la ganancia para f = 28 GHz y f = 38 GHz en el patrón de radiación de la antena de parche doble banda optimizada ................................................ 62 Anexo 14 Arreglo de antenas de 6 elementos con ranuras para la alimentación independiente. ................................................................................................................... 63 Anexo 15 Patrón de radiación del arreglo doble banda para f=28 GHz graficando ganancia. ........................................................................................................................ 64. Anexo 16 Patrón de radiación del arreglo doble banda para f=38 GHz graficando ganancia. ........................................................................................................................ 64. Anexo 17 Patrón de radiación del arreglo doble banda para f = 28 GHz graficando directividad ....................................................................................................................... 65 Anexo 18 Patrón de radiación del arreglo doble banda para f = 38 GHz graficando directividad ....................................................................................................................... 65 Anexo 19 Nivel de lóbulos laterales (LSS) para 28 GHz ................................................ 66 Anexo 20 Nivel de lóbulos laterales (LSS) para 38 GHz ................................................ 66 Anexo 21 Pérdidas de retorno para cada elemento del arreglo ....................................... 67 Anexo 22 Funcionalidad como antena inteligente .......................................................... 69 Anexo 23 Funcionalidad como antena inteligente .......................................................... 70 Anexo 24 Funcionalidad como antena inteligente .......................................................... 71 Anexo 25 Funcionalidad como antena inteligente .......................................................... 72 Anexo 26 Funcionalidad como antena inteligente .......................................................... 73.

(13) INTRODUCCIÓN. Con el avance de la tecnología se ha podido lograr que la comunicación móvil incorpore funcionalidades que hace sólo pocas décadas parecían futuristas debido, en gran parte, al impacto que ha tenido en la sociedad moderna, no solo en los países desarrollados sino también en numerosos países subdesarrollados, ya que integra disímiles servicios y representa comodidad debido a su movilidad. Dicho avance ha dejado a su paso una serie de generaciones de la telefonía móvil que a medida que progresan, muestran superioridad tecnológica con respecto a la generación anterior. La primera generación móvil estuvo caracterizada por utilizar tecnología analógica, estos sistemas estaban basados principalmente en conmutación de circuitos y eran diseñados únicamente para la transmisión de voz. A esta le sucedió, aproximadamente 10 años más tarde, la segunda generación donde se introdujeron protocolos de telefonía digital que además de permitir más enlaces simultáneos en un mismo ancho de banda, integró otros servicios como el envío de mensajes de texto cortos y datos de baja velocidad. Más tarde aparecen especificados los requerimientos de la Tercera Generación (3G), la cual ofrece un servicio con mayor grado de seguridad que la generación predecesora y brinda la posibilidad de transferir tanto datos y voz, como datos y no voz [1]. La Cuarta Generación (4G) está basada completamente en el protocolo IP, la principal diferencia con las predecesoras es la capacidad para proveer velocidades de acceso mayores de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, alta calidad de video, y gran escalabilidad [2]. Se prevé que la Quinta Generación Móvil (5G) pueda ser introducido en las cercanías del 2020, las diferencias principales comparadas a 4G estarán en el uso de antenas direccionales en los dispositivos móviles y estaciones bases, vida de la batería más larga, baja probabilidad de desconexión, mayores razones de bit en porciones más largas del área de cobertura,.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. menores costos de infraestructura y mayores capacidades agregadas para muchos usuarios simultáneos en los dos espectros: el autorizado y el espectro ilícito [3]. Todas estas prestaciones serán posibles mediante el uso de asignaciones del espectro en las frecuencias de la banda milimétrica sin explotar, comprendida en el rango de 30GHz a 300GHz. Se recurre a esta parte de la banda milimétrica debido a que para las necesidades de grandes cantidades de nuevo ancho de banda que esta generación demanda, es necesario un aumento de la frecuencia, ya que el espectro actualmente utilizado en los sistemas inalámbricos está casi totalmente ocupado [3], [4]. El uso de antenas direccionales se vuelve una necesidad ya que las ondas en la banda milimétrica no pueden viajar largas distancias. Estas antenas ayudan a enfocar la potencia de la señal en una dirección deseada [5]. Los sistemas de antenas inteligentes pueden ser, por tanto, una buena solución a las necesidades actuales en las comunicaciones ya que el haz principal del patrón es transmitido directamente hacia un usuario específico, logrando así, una conectividad más económica y eficiente [6]. Para el diseño de estas antenas se emplean, en este caso, herramientas de software como MatLab y CST Microwave Studio que aseguran un trabajo más preciso, rápido y eficiente con los cálculos numéricos. El mercado cubano aún está en fase de despliegue de la tecnología 2G y 3G, y se han hecho escasas investigaciones con respecto a la telefonía móvil de 5G. Sin embargo en la Directiva presidencial de política: "Normalización de las relaciones entre Estados Unidos y Cuba" emitida por el presidente Barack Obama y publicada en el Periódico Granma el 20 de octubre de 2016, el mandatario afirma que el Departamento de Estado apoyará el sector de las telecomunicaciones en Cuba, de ahí la relevancia de hacer una investigación exhaustiva acerca de esta generación móvil con el objetivo de prever su llegada a dicho país [7]. En la Universidad Marta Abreu de Las Villas se han desarrollado algunas investigaciones acerca del diseño de arreglos de antenas para la 5G para una sola banda de frecuencias, mas no se ha indagado lo concerniente al diseño de antenas en múltiples bandas de frecuencia, cuestión que se fundamentará a lo largo del trabajo, para crear, con ayuda de la herramienta CST Microwave Studio, un esquema que pueda servir como base a una implementación futura de esta tecnología. De ahí a que sea de gran relevancia para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y en especial para la Facultad de Ingeniería Eléctrica, así.

(15) INTRODUCCIÓN. 4. como para las personas que deseen conocer y/o investigar los aspectos teóricos y prácticos que se exponen en esta investigación.. Teniendo en cuenta las cuestiones abordadas anteriormente, se plantea el siguiente problema de investigación: ¿Cómo diseñar un arreglo de antenas multibanda para la Quinta Generación Móvil que opere en las frecuencias 28 GHz y 38 GHz? 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 un arreglo de antenas que opere en las frecuencias 28 GHz y 38 GHz, para su posible utilización en la Quinta Generación Móvil. 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.. . 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.. . Caracterizar las herramientas utilizadas para el diseño y simulación de antenas en la banda milimétrica.. . Implementar con el CST Microwave Studio y el MatLab, un arreglo de antenas multibanda resonante a las frecuencias 28 GHz y 38 GHz, determinando su eficacia para su utilización en la Quinta Generación Móvil.. 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 Quinta Generación sobre la generación anterior que hacen que sea necesaria su implementación en la actualidad?. . ¿Cuáles son los tipos de antenas y arreglos más utilizados para las frecuencias de la banda milimétrica?.

(16) INTRODUCCIÓN. . 5. ¿Qué características tienen las herramientas utilizadas para el diseño y simulación de las antenas en la banda milimétrica?. . ¿Cómo implementar arreglos de antenas doble banda para las frecuencias 28 y 38 GHz utilizando CST Microwave Studio y MatLab?. 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 acerca de la 5G, los requisitos principales que deben cumplir estos sistemas; particularidades de la banda milimétrica y de los sistemas de antenas inteligentes. Además se exhiben investigaciones acerca del diseño de antenas doble banda, resonantes a las frecuencias 28 GHz y 38 GHz. En el segundo capítulo se exponen los diferentes tipos de antenas que existen según su estructura y los principales parámetros que presentan, haciendo mayor énfasis en las antenas de microcinta debido a su gran aplicación en las frecuencias de la banda milimétrica. Se mencionan las ventajas de utilizar arreglos de antenas, y finalmente se realiza una caracterización del software CST Microwave Studio y MatLab aplicados para la simulación y cálculo de las antenas. En el tercer capítulo se realiza la implementación y simulación de un arreglo de antenas en tres pasos de diseño utilizando el software CST Microwave Studio y MatLab como asistente para los cálculos matemáticos necesarios. Se presentan las especificaciones técnicas que se pretenden lograr como resultado en las simulaciones, y los criterios para la selección de los materiales, métodos y formas de los elementos a utilizar. Finalmente se exponen las gráficas resultantes del proceso de diseño y se comprueba mediante un ejemplo la posibilidad de emplear el arreglo en un sistema de antenas inteligentes..

(17) CAPÍTULO 1.. LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES Y LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G.. El sector de las comunicaciones móviles ha estado caracterizado, desde sus inicios, por un rápido incremento a nivel mundial en las demandas de tráfico debido a la continua evolución de los requerimientos y las expectativas, tanto de usuarios como operadores. Actualmente el interés en la 5G ha venido creciendo gradualmente y se han estado realizando varias investigaciones encaminadas a su pronta implementación y estandarización. En el presente capítulo se exponen aspectos generales acerca de la 5G, los requisitos principales que deben cumplir estos sistemas; particularidades de la banda milimétrica y de los sistemas de antenas inteligentes. Además se exhiben investigaciones acerca del diseño de antenas doble banda resonantes a 28 GHz y 38 GHz. 1.1 Aspectos generales de la 5G Se espera que las nuevas redes móviles 5G sean desplegadas en el 2020 y que entreguen aproximadamente 1,000 veces más capacidad que la 4G. Además, se prevé una significativa mejora en la calidad de servicio (QoS) de las comunicaciones en la red 5G a pesar de que debe incorporar un número masivo de dispositivos conectados que pueden alcanzar a 100 veces la cantidad de la red inalámbrica actual. Pretenciosamente, estos dispositivos conectados pueden tener requisitos diferentes en lo que se refiere a la razón de comunicación, retraso, y fiabilidad [8]. Estas redes tendrán que apoyar las aplicaciones multimedias con una gran variedad de requisitos, incluyendo altas razones de datos, latencia reducida, cobertura indoor y eficiencia energética mejoradas, entre otras [9]. En particular, debe permitir ver la sociedad.

(18) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 7. verdaderamente conectada a una red de computadoras con acceso ilimitado de información por cualquiera, en cualquier parte, y cuando quiera [8]. La red 5G no se desarrollará para reemplazar las redes inalámbricas actuales sino que optimizará e integrará las infraestructuras de la red existente con elementos nuevos. En la red 5G, las tecnologías inalámbricas actuales, incluyendo el sistema global para las comunicaciones móviles, la 3G, el acceso a paquetes de alta velocidad, LTE (Long Term Evolution) y LTE avanzado, y las tecnologías Wi-Fi, continuarán evolucionando y se integrarán en un sistema unificado [8]. 1.1.1 Requisitos principales para la 5G Los niveles de desempeño exacto y requerimientos que necesitarán los sistemas y equipos para etiquetarse como de 5G aún no están completamente definidos, pero se están dando pasos en la estandarización de esta generación [10]. A continuación se muestran algunos de los requerimientos que necesitarán ser alcanzados en la nueva generación móvil, aunque no todos éstos necesitarán ser satisfechos simultáneamente, las distintas aplicaciones pondrán los requisitos en acción de manera diferente [4]: 1. Razón de datos 2. Latencia 3. Energía y Costo La necesidad de soportar la explosión del tráfico de datos móviles es indiscutible, es un aspecto principal detrás de 5G. La razón de datos puede medirse de varias maneras diferentes, y habrá un objetivo de la 5G designado para cada métrica. Una medida de la razón de datos puede hacerse a través de la tasa de bits agregados que se refiere a la cantidad total de datos que la red puede ofrecer, caracterizada en bits/s por unidad de área. El acuerdo general es que esta cantidad necesitará aumentar aproximadamente 1000 veces de 4G a 5G. Otra medición puede hacerse con la tasa de borde también conocida como tasa del 5%, esta es la peor razón de datos, razonable, que un usuario puede esperar recibir dentro de un rango de la red, es una métrica importante y tiene un significado ingenieril concreto. Las metas de tasa de borde para la 5G van de 100 Mbps a un 1 Gbps. Obtener 100 Mbps para el 95% de usuarios sería un desafío extraordinario, incluso con mayores adelantos tecnológicos. Esto requiere un adelanto 100 veces mayor que el de los sistemas actuales 4G que tienen una tasa de borde.

(19) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 8. típica de aproximadamente 1 Mbps. Otra de las medidas de razón de datos puede darse a través de la razón máxima, esta es la mejor razón que un usuario puede llegar a experimentar bajo cualquier configuración de la red. Es un número meramente publicitario, desprovisto de mucho significado para los ingenieros y probablemente estará en el rango de los 10Gbps [4]. Otro de los desafíos que deberá suplir la 5G es la latencia. Las latencias de ida y vuelta actuales en la 4G están en el orden de los 15 ms aproximadamente. Aunque esta latencia es suficiente para la mayoría de los servicios actuales, las aplicaciones de 5G incluyen las nuevas tecnologías basadas en el almacenamiento en la nube, y la realidad virtual y mejorada. Como resultado, 5G necesitará soportar una latencia de ida y vuelta de aproximadamente 1 ms, un orden de magnitud más rápido que 4G [4], [8]. Además de los requerimientos abordados anteriormente, con el paso a la 5G, los costos y consumo de energía serán, teóricamente, disminuidos. Puesto que las razones de datos por enlace que son ofrecidas estarán incrementadas 100 veces aproximadamente, entonces los Joules por bit y el costo por bit necesitará caer por lo menos 100 veces también. De igual manera, las células pequeñas deben ser de 10 a 100 veces más baratas y más potencialmente eficientes que las macroceldas [4]. 1.2 Características principales de la banda milimétrica Las redes celulares actuales operan principalmente en las bandas de frecuencia debajo de 3 GHz debido a las características en el canal de propagación favorables para las comunicaciones celulares en esas bandas. Como la mayoría de las bandas de frecuencia, por debajo de 3 GHz, están ocupadas, la atención en adquirir el nuevo espectro para los sistemas de comunicaciones inalámbricos de la 5G ha cambiado a las bandas de frecuencia por encima de 3GHz [11]. Aunque pueden hacerse las asignaciones de ancho de banda significativamente más eficaces modernizando los procedimientos de asignación; para poder poner grandes cantidades de nuevo ancho de banda en obra hay sólo una manera: escalar en la frecuencia [4]. Se espera que el nuevo espectro para los sistemas de comunicaciones inalámbricos sea asignado en las bandas de (3–30 GHz) así como en las de más altas frecuencias, de (30–300 GHz) a la cual le corresponden las longitudes de onda de 1mm a 10 mm, conocida como.

(20) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 9. banda milimétrica (mm-Wave), dónde las características de propagación del canal son diferentes a las de las bandas de frecuencia por debajo de 3GHz [11]. 1.2.1 Ventajas y limitantes en el uso de la banda milimétrica Hay varias motivaciones que apoyan el uso de las frecuencias de la mm-Wave en los enlaces de radio para la telefonía móvil. Algunas de ellas son [12]:  La enorme cantidad de espectro existente en la mm-Wave que no está utilizado.  La misma frecuencia en la mm-Wave puede ser reutilizada en la comunicación a distancias más cortas ya que las señales tienen pobres características de propagación.  El ancho del haz relativamente estrecho que puede lograrse con mm-Wave y el limitado rango de propagación, es capaz de brindar seguridad y privacidad.  La resolución espacial es mejor en las frecuencias de la mm-Wave ya que la longitud de onda pequeña permite antenas de tamaño reducido y con un ancho del haz pequeño.  El tamaño físico de las antenas a las frecuencias de la mm-Wave asegura la reciente idea de usar la técnica de MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) masiva.  El tamaño físico de las antenas a las frecuencias de la mm-Wave se vuelve tan pequeño que es práctico para construir complejos arreglos de antena y/o integrarlos en un chip o PCB. Mientras la idea de usar la banda de frecuencia alta para la transmisión es razonable por lo expresado anteriormente, tiene sus propias complicaciones y limitaciones. La limitación más grande de transmitir a estas frecuencias es que las ondas no pueden viajar largas distancias. Esto implica que las estaciones bases así como los nodos móviles tendrán un rango de transmisión pequeño [5]. Las pérdidas por penetración también crecen con el aumento de la frecuencia de transmisión. Por consiguiente, las ondas con las frecuencias de la 5G tendrán dificultad para penetrar a través de los edificios y otras infraestructuras urbanas [5]. A estos inconvenientes se le suman otros que hacen que las calidades de propagación a estas frecuencias sean bastante hostiles como las fuertes pérdidas por trayectoria, la absorción atmosférica y por lluvia, y la baja difracción alrededor de los obstáculos [4]..

(21) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 10. En las bandas de la mm-Wave, aunque un intervalo de tiempo de transmisión más corto puede usarse debido a la baja selectividad de frecuencia, la cobertura celular sería limitada debido a las grandes pérdidas por trayectoria que llevaría inevitablemente al uso de tamaños de célula pequeños. A su vez, los tamaños de célula pequeños causarían los problemas en el manejo de la movilidad pero habilitarían una mejor reutilización espacial y de frecuencia [11]. 1.2.2 Solución a las principales limitantes del uso de la mmWave en la 5G Con el objetivo de librarse de los problemas asociados con las altas pérdida por penetración, el uso de femtoceldas se ha estado considerando. Las estaciones bases de femtoceldas se despliegan dentro de los edificios o casas y proporcionan que sea recibida una fuerte señal en ambientes interiores además de permitir que se liberen canales de comunicación en las estaciones bases cercanas a ella [5]. Por otro lado para solucionar el problema del área de cobertura, las RNS (Radio Network Subsystem) pueden aumentar la región de alcance, pero su uso excesivo puede incurrir en considerables costos de instalación y de mantenimiento. En lugar de usar RNS, otra alternativa es el despliegue de estaciones bases 5G dedicadas separadas 500m aproximadamente [5]. La tecnologías MIMO masiva (también conocidas como arreglos adaptativos de antenas, antenas múltiples o antenas inteligentes) unido a las ventajas que aporta la banda milimétrica proporcionan vitales recursos para resolver desafíos técnicos como el desvanecimiento de la señales debido a la propagación multitrayecto, la interferencia co-canal o canal adyacente, áreas de cobertura limitada entre otros, y pueden integrarse transparentemente con las redes actuales y las tecnologías de acceso. El despliegue de un número masivo de antenas en el transmisor y/o en el receptor (MIMO masivo) puede reforzar significativamente la eficiencia espectral y energética de la red inalámbrica. Como la ondas milimétricas tienen una longitud de onda sumamente corta, es posible condensar un gran número de elementos de antena en una área pequeña que por consiguiente ayuda a desarrollar MIMO masivo en ambas partes, estaciones bases y equipos de usuario [8], [13], [14]..

(22) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 11. 1.3 Características generales de las antenas inteligentes Las antenas forman parte esencial de un sistema de telefonía móvil, ya que son el medio radiante de la señal que se transmite y llega a todos los usuarios de la red. Las antenas se ubican en cada estación base, la cual se ubica en el centro de cada célula. Debido a la forma geométrica que se ha determinado para las células se utilizan varios tipos de antenas, las más utilizadas son las antenas directivas debido a la perfecta adaptación del patrón de radiación de estas antenas con la forma de la célula [15]. La tecnología de antenas inteligentes en los sistemas móviles ha alcanzado un enorme interés debido a que, al introducir este tipo de antenas, se ha conseguido un gran aumento en la capacidad de manejo de usuarios por estación base, un mayor ancho de banda y posibilidades de introducir nuevos servicios [15]. Un Sistema de Antenas Inteligentes es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con una unidad de Procesamiento Digital de Señales (DSP) que optimiza los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno. Es aquella que, en vez de disponer de un diagrama de radiación fijo, es capaz de generar o seleccionar haces muy directivos enfocados hacia el usuario deseado, e incluso adaptarse a las condiciones radioeléctricas en cada momento [16].. Figura 1.1. Distribución de lóbulos laterales y nulos en el diagrama de radiación de las antenas inteligentes [17] Como se puede apreciar en la figura 1.1 cuando una antena inteligente dirige su lóbulo o diagrama de radiación con mayor ganancia en la dirección del usuario, forma lóbulos.

(23) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 12. laterales y nulos o áreas de ganancia mínima en las direcciones lejanas al lóbulo principal [17]. Las Smart Antenas, como suelen ser llamadas también, se diferencian de las antenas convencionales en que pueden trabajar de dos modos distintos, los que se describen brevemente a continuación [16]: 1) Modo omnidireccional: La antena en este modo funciona exactamente igual que las antenas convencionales es decir, emite señal con la misma intensidad hacia todas direcciones. 2) Modo direccional: En este modo, la antena emite señal en una sola dirección y con un cierto ángulo de apertura. La consecuencia de transmitir en este modo se traduce en un mayor alcance hacia la dirección donde emite la antena debido a que ésta concentra todo su espectro de potencia en un rango de cobertura mucho menor. Las antenas en las estaciones bases viejas de la comunicación celular normalmente son omnidireccionales. Eso trae consigo un derroche de energía porque la mayor parte de la potencia de la señal se irradia en otras direcciones en lugar del usuario deseado. La potencia de la señal radiada a lo largo del área de la célula aumentará la interferencia y reducirá la relación S/N [14]. 1.3.1 Tipos de antenas inteligentes Los Sistemas de Antenas Inteligentes se presentan en tres configuraciones [18]: 1) Haz Conmutado (Switched Beam) 2) Haz de Seguimiento (Scaninig) 3) Haz Adaptativo El sistema de Haz Conmutado (Switched Beam) es la configuración más simple de Antenas Inteligentes. El sistema radiante genera varios haces fijos, cada uno apuntando en una dirección distinta, de modo que entre todos los lóbulos se cubre el sector de la célula. Por lo general se trata de 4 haces con una apertura de 30º. La inteligencia de la célula selecciona el haz de mejor servicio basado en parámetros de control tales como: mayor nivel de potencia recibida, mejor relación señal a ruido y mejor relación señal a interferencia (C/I) [14]..

(24) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 13. En caso de recibir señal, el sistema guarda información correspondiente a la posición del haz (ángulo + identificación de usuario) y se establece la comunicación con el usuario en un intervalo de tiempo. Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la zona de cobertura. Este proceso se repite permanentemente en el tiempo [18]. El sistema de Haz de Seguimiento (Scaninig) es un poco más complejo que el anterior. Es conocido también como arreglo dinámico en fase y se puede decir que es una generalización de la técnica de haz conmutado [14]. 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 1.2. A diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema haz de seguimiento ejecuta algoritmos DoA (Direction of Arrival) para identificar la dirección de arribo de las señales de los usuarios. Otra diferencia es que los cambios de fase para en el sistema conmutado se realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijados en el sistema y en el sistema de Haz de seguimiento el posicionamiento del haz tiene mayor resolución angular [18].. Figura 1.2. Diagrama ilustrativo del patrón de radiación de una antena de haz de seguimiento [14]. Por otro lado la técnica de Haz Adaptativo constituye el máximo nivel de inteligencia que se podría dar a un sistema de antenas. En este sistema, las salidas de cada elemento del arreglo de antenas se ponderan con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para.

(25) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 14. conformar un diagrama de radiación, semejante al que presenta el diagrama ilustrativo de la figura 1.3, que dirige el haz principal hacia la posición del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes de multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia. Esta técnica requiere el uso de algoritmos (DoA) tanto para la detección de las señales de arribo e interferentes como para la optimización de los pesos que conforman el haz [18].. Figura 1.3. Diagrama ilustrativo del patrón de radiación de una antena con haz adaptativo [14]. No siempre será posible eliminar toda la interferencia, ya que el número de fuentes interferentes que se pueden suprimir está directamente relacionado con el número de elementos de la antena. Esta técnica requiere el uso de complicados algoritmos, tanto para la detección de las señales deseada e interferente como para la optimización de los pesos que conforman el haz. Estos algoritmos suelen conllevar una gran carga computacional, mientras que deben procesarse en tiempo real, por lo que suponen una seria limitación [14], [18]. 1.3.2 Ventajas y desventajas en el uso de antenas inteligentes Las características de las antenas inteligentes de tener haces de radiación con una mayor directividad (mayor ganancia y mayor selectividad angular) deriva en una serie de ventajas. Una de ellas es que presenta controles de potencia más eficientes. Esto es debido a que el Sistema de Antenas Inteligentes puede radiar una potencia menor por lo cual se pueden reducir o simplificar las especificaciones de los amplificadores de potencia asociadas al sistema de antenas, generando una reducción de costos en las etapas de amplificación..

(26) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 15. Además, la mayor ganancia de la antena permitirá incrementar la sensibilidad de la estación base, por lo que los móviles podrán transmitir con menor potencia, ahorrando batería [17], [18]. Otra de las ventajas radica en que puede alcanzar una mayor área de cobertura y con ello el incremento del radio de la célula, gracias a la directividad obtenida con un arreglo de antenas con respecto a una antena sectorial. Este hecho podría permitir reducir el número de estaciones base necesarias para cubrir una zona, siempre y cuando no sea el tráfico el factor limitante lo que supone un ahorro en los costes asociados al despliegue y mantenimiento de la red [17], [18]. Además, los Sistemas de Antenas Inteligentes, dan lugar a un aumento en la capacidad del sistema permitiendo brindar soporte a servicios de valor agregado. Al mismo tiempo reducen los niveles de interferencia ya que la antena posee una mejor selectividad espacial lo que permite a la estación base discriminar las señales de usuarios interferentes en favor de la señal del móvil deseado (en el caso del enlace ascendente), y también reducir el nivel de potencia transmitida en las direcciones de esos otros usuarios (en el caso del enlace descendente) [17], [18]. Estos sistemas también representan una mejora en la seguridad gracias a que la transmisión entre la estación y el equipo móvil es direccional por lo que es muy difícil que otro equipo intercepte la comunicación, a menos que esté situado en la misma dirección en que apunta el haz de la antena. Asimismo se hace fácil la localización de usuarios que estén haciendo uso fraudulento de los servicios que ofrece la red de comunicación móvil [17], [18]. A pesar del conjunto de beneficios que comprende el uso de las antenas inteligentes en los sistemas de telecomunicaciones existen una serie de limitantes, que aunque no son determinantes en su implementación, es necesario tenerlas en cuenta en la utilización de estos sistemas. Uno de ellos es que los sistemas de antenas inteligentes son mucho más complejos y difíciles de diseñar en comparación con los sistemas radiantes convencionales. Es necesario una cadena de transmisión y recepción independiente para cada elemento del arreglo, y todas ellas deben estar balanceadas y calibradas en tiempo real. Además, es imprescindible el uso.

(27) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 16. de potentes procesadores (DSPs, por ejemplo) para ejecutar los algoritmos de optimización, conformación de haz, detección del ángulo de llegada, etc [18]. Además se hacen más complejos los procedimientos de gestión. El hecho de que exista un haz de radiación enfocado hacia cada usuario implica que las funciones de red deben revisarse, en particular, las que afectan a la gestión de recursos radio (RRC) y a la gestión de movilidad (MM). Por ejemplo, algunos procedimientos que pueden verse afectados son los de selección y reelección de celda, establecimiento de conexiones, handover, paging, etc [18]. Por otra parte en la implementación de esto sistemas se incurre en mayores costos. Los procesadores de señales deben ser de última generación para evitar retardos que pueden ser totalmente perjudiciales cuando se trabaja en el área de telecomunicaciones y los componentes utilizados deben ser los mejores que existan en el mercado para evitar pérdidas y tener la máxima exactitud posible. Como consecuencia de la complejidad de esta tecnología, se tiene el alto costo de implementar un sistema de antenas inteligentes [19]. 1.4 Investigaciones acerca de antenas y arreglos de antenas multibanda resonantes a 28 GHz y 38 GHz Las investigaciones acerca de arreglos de antenas multibanda para frecuencias de la mmWave son bastante recientes. Actualmente se siguen realizando diseños, dirigidos principalmente hacia la 5G, que constituyen bases fundamentales para su futura implementación. A continuación se mencionan algunas de estas investigaciones. En mayo de 2015, Nadeem Ashraf, Osama Haraz, Muhammad A. Ashraf y Saleh Alshebeili publicaron el artículo “28/38-GHz dual-band millimeter wave SIW array antenna with EBG structures for 5G applications” [20]. En esta investigación se propone el diseño de un arreglo de antenas de doble banda de guía-onda integrada de substrato (substrate integrated waveguide, SIW) linealmente polarizada que opera en la banda Ka. El arreglo horizontalmente polarizado consta de 4 elementos y cuenta con una red de alimentación con líneas de microcinta para lograr altas ganancias. Se usa además un sustrato de bajo costo RT/Duroid 5880 para los diseños propuestos. Se presenta el resultado de las simulaciones realizadas, en el software CST Microwave Studio. El análisis muestra que la abertura de radiación diseñada para una frecuencia no afecta la propagación de la otra frecuencia dentro.

(28) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 17. de la guía de ondas y por consiguiente las antenas multibanda pueden ser diseñadas con múltiples aberturas desiguales dentro de SIW. En el julio de 2015, Osama M. Haraz, Mohamed Mamdouh M. Ali, Saleh Alshebeili y AbdelRazik Sebak expone, en “Design of a 28/38 GHz dual-band printed slot antenna for the future 5G mobile communication Networks” [21], una antena de ranura impresa que opera en las bandas de 28 y 38 GHz para las comunicaciones móviles. La misma muestra un patrón con alta eficiencia de radiación a través de la banda de frecuencia que excluye la banda rechazada la cual comprende las frecuencias de 30 a 34 GHz. La banda de rechazo se logra creando una ranura en forma π y se crea con el objetivo de reducir la interferencia entre el sistema 5G y otros. Además, con el objetivo de mejorar el ancho de banda de la antena fue grabada una abertura con forma elíptica en el plano de superficie. Los autores Nadeem Ashraf y Osama Haraz junto a otros autores publicaron en el año 2015 el artículo titulado “Optimized broadband and dual-band printed slot antennas for future millimeter wave mobile communication” [22]. En él, se proponen dos antenas de abertura impresa, una de banda ancha y una de doble banda para las futuras redes de comunicación móvil de la 5G. Las antenas se diseñan para el trabajo en la banda de frecuencias Ka. Los resultados indican que la antena propuesta como prototipo I tiene un ancho de banda > 20 GHz (de 20 a 40 GHz) cubriendo dos importantes frecuencias de la banda milimétrica (28/38 GHz). La antena propuesta como prototipo II es de doble banda a 28 y 38 GHz con una banda de rechazo a 33GHz para reducir la interferencia entre las diferentes aplicaciones que operan alrededor de estas bandas de frecuencia. La antena de banda ancha de bajo costo (el prototipo I) y antena de doble banda (el prototipo II) tienen ganancias por encima de 5.30 dBi y 5.6 dBi con una eficiencia de radiación estimada de 93% y 94%, respectivamente. En abril de 2016, los autores Hanieh Aliakbari, Abdolali Abdipour, Rashid Mirzavand, Alessandra Costanzo y Pedram Mousavi, publicaron un artículo titulado “A single feed dualband circularly polarized millimeter-wave antenna for 5G communication” [23]. En esta investigación se presenta, una antena simple de parche polarizada circularmente con doble banda (28 y 38 GHz), conveniente para comunicación móvil de la 5G. Es excitada por una línea de alimentación simple de microcinta lo que es deseable para lograr una alta ganancia.

(29) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 18. en la banda milimétrica y compensar la pérdida de enlace. Además se llega a la conclusión por una serie de resultados en las mediciones que las dimensiones de las aberturas en forma de L afectan significativamente la actuación de la antena. A mediados de 2016, los autores Mohamed Mamdouh M. Ali, Osama Haraz y Saleh Alshebeili presentan, en el artículo “Design of a dual-band printed slot antenna with utilizing a band rejection element for the 5G wireless applications” [24], una antena de abertura impresa con doble banda 28/38 GHz para futuras aplicaciones en la 5G. Para obtener doble banda a 28/38 GHz, se graba un parche elíptico no concéntrico dentro de una abertura elíptica en el plano de masa. La antena es alimentada por una microcinta en el otro lado del sustrato. Los resultados indican que la antena propuesta tiene un ancho de banda mayor que 20 GHz (de 20 a más de 40 GHz) con S11<-10 dB que cubren ambas bandas. Para reducir la interferencia entre el 5G sistema y otras aplicaciones, la hendedura en forma de L se graba fuera, en la línea de alimentación para crear una banda de rechazo de 30-35 GHz. En Julio de 2016, Mohamed Mamdouh M. Ali y Abdel-Razik Sebak publicaron el artículo “Design of compact millimeter wave massive MIMO dual-band (28/38 GHz) antenna array for future 5G communication systems” [25]. En este, un arreglo compacto de antenas de doble banda (28/38 GHz) con MIMO masivo se propone para los futuros sistemas de comunicación 5G. El arreglo de antenas propuesto para el sistema de antenas MIMO tiene un tamaño de 13x22 mm². Los resultados en las simulaciones muestran que el ancho de banda es alcanzado alrededor de los 28 y 38 GHz con una alta ganancia de 12.07dB and 13.46dB respectivamente. La estación base del sector 6 propuesto tendrá 6 subsectores (arreglos de antena) cubriendo un rango de 40° y 30° a 28 y 38 GHz, respectivamente, en el plano azimutal (ɵ). 1.5 Conclusiones parciales En este capítulo se abordó acerca de los principales requisitos y desafíos técnicos que debe suplir la 5G para su futura implementación. Además fueron resaltadas las características de la mm-Wave que hacen que sea conveniente su utilización en la 5G así como también las dificultades que implica el uso de estas frecuencias y las posibles soluciones que pueden asumirse para erradicarlas. También se profundizó en los sistemas de antenas inteligentes, sus principales características, y las ventajas y desventajas de su utilización. Finalmente se.

(30) LOS SISTEMAS DE ANTENAS INTELIGENTES LA BANDA MILIMÉTRICA PARA LA 5G. 19. exhibieron investigaciones en las que se proponen antenas o arreglos de antenas de doble banda resonantes a las frecuencias 28 y 38 GHz, apropiados para las comunicaciones móviles en la 5G..

(31) CAPÍTULO 2.. LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. Las antenas son un elemento clave dentro de un sistema de comunicaciones ya que se encargan de transmitir y recibir las señales que portan la información que desea recibir el usuario. Las antenas pueden tener diferentes formas o presentarse en forma de arreglos según sea la función que debe cumplir dentro de un sistema de comunicación. Para los sistemas de comunicación inalámbrica, la antena es el componente más crítico. Hacer un buen diseño de estas puede ayudar a aminorar los requerimientos del sistema y mejorar su actuación de manera general. Las antenas con tecnología de microcinta son las que más están siendo empleadas actualmente para las altas frecuencias debido a las ventajas que ofrece en cuanto al costo, fabricación, dimensiones, entre otras. En el presente capítulo se exponen los diferentes tipos de antenas que existen según su estructura y los principales parámetros que presentan, haciendo mayor énfasis en las antenas de microcinta debido a su gran aplicación en las frecuencias de la banda milimétrica. Se mencionan las ventajas de utilizar arreglos de antenas, y finalmente se realiza una caracterización del software CST Microwave Studio y MatLab aplicados para la simulación y cálculo de las antenas. 2.1 Parámetros básicos de las antenas Una antena es un dispositivo utilizado para la radiación o recepción de ondas electromagnéticas, la cual tiene como función la transición de una onda guiada dentro de una línea de transmisión a una onda electromagnética en el espacio libre, si se trata de una antena transmisora y ocurre el proceso inverso si se trata de una antena receptora [15]. Un extremo.

(32) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 21. de la antena se toma como un elemento eléctrico de un circuito mientras que el otro extremo de la antena es el que provee la interfaz entre el circuito y el espacio físico por medio de la onda plana propagada [19]. Dentro del estudio de antenas existen algunos términos o parámetros que determinan ciertas características de la antena, al conocer estas características se puede optimizar el uso que se le puede dar a la antena [15]. La mayoría de los siguientes parámetros se definen en transmisión, pero son válidos también en recepción [19]:  Directividad y Ganancia  Diagrama de radiación o patrón de radiación  Ancho del haz  Impedancia de entrada  Eficiencia de la antena  Polarización  Ancho de Banda  Intensidad de Campo  Relación frente detrás (front-to-back) 2.1.1 Directividad y Ganancia La directividad consiste en cuanta energía concentra la antena en una dirección específica. Es expresada en términos de la ganancia de energía, la cual es definida como la relación entre la energía radiada por la antena entre la energía radiada por una antena de referencia como se observa en la figura 2.1. Se debe tener en cuenta que la energía de entrada para ambas antenas es la misma y la antena de referencia se elige como una antena isotrópica, la cual irradia energía equitativamente en todas direcciones. La ganancia se da en unidades de decibelios dB, y en el caso de una antena omnidireccional dBi (decibel isotrópico) [15]..

(33) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 22. Figura 2.1. Representación gráfica de la directividad [26].. 2.1.2 Diagrama de radiación o patrón de radiación Es la característica más importante de una antena y consiste en una representación gráfica de las características de radiación de la misma [15]. El patrón de radiación es una gráfica espacial que muestra las diferentes intensidades de campo que se tiene en diferentes puntos del plano horizontal o vertical [19]. El diagrama puede ser obtenido por la colocación de una antena de prueba fija en relación a un entorno donde se está midiendo el diagrama, también por la rotación de la antena en torno a sus ejes, donde las señales enviadas son recibidas en un receptor capaz de discriminar con precisión la frecuencia y la potencia recibidas. Se puede representar esta medición en forma cartesiana o polar [27]. Es importante mencionar que para la emisión de señales se tiene el mismo patrón de radiación que para la recepción de éstas, es decir, que donde se muestra mayor potencia emitida en un patrón de emisión, se tendrá también mayor capacidad de recepción. Un ejemplo de patrón de radiación es el que se muestra en la figura 2.2 [19].. Figura 2.2. Ejemplo de un patrón de radiación [27]..

(34) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 23. Como se aprecia en la figura 2.2 la representación polar se hace mediante el trazado de segmentos proporcionales a una magnitud de referencia (módulo) y un ángulo que da la dirección respecto a una semirrecta de referencia (argumento). Los resultados obtenidos son generalmente normalizados. El valor máximo de la señal recibida para 0 dB de referencia, facilita la interpretación de los lóbulos secundarios en relación al frente de los bordes [27]. 2.1.3 Ancho del haz La distancia angular entre los puntos de mitad de potencia se define como el ancho del haz. La mitad de la potencia expresada en decibeles es de -3 dB, por lo tanto algunas veces el ancho del haz a mitad de potencia es referido como el ancho del haz a 3 dB. Generalmente se consideran tanto el ancho de haz vertical como horizontal. Suponiendo que la mayoría de la potencia radiada no se disperse en lóbulos laterales, entonces la ganancia directiva es inversamente proporcional al ancho del haz. Cuando el ancho del haz decrece, la ganancia directiva se incrementa [27]. 2.1.4 Impedancia de entrada La impedancia de entrada se puede expresar como la impedancia que presenta la antena, o también la relación entre la tensión y la corriente entre los terminales. Suele ser un valor complejo expresado de la siguiente manera [26]: 𝑍𝑎 = 𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑎. (2.1). Siendo Za la impedancia de la antena, Ra la resistencia de la antena (parte real) y Xa la reactancia de la antena (parte imaginaria). La parte resistiva representa la disipación, se puede descomponer en dos componentes, una de radiación 𝑅𝑟 y otra de pérdida por disipación de calor 𝑅𝑙 [26]: 𝑅𝑎 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝑙. (2.2). La resistencia de radiación es un valor asignado a una resistencia ficticia cuyo valor es el que tendría una resistencia que disipara la misma potencia eléctrica entregada por la antena con la misma potencia radiada por la antena. En la práctica no toda la potencia entregada por la antena es radiada totalmente al espacio que la rodea. Una parte se disipa bajo la forma de calor a causa de las pérdidas resistivas.

(35) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 24. provocada por los conductores, aisladores de soporte, la torre y los cables de anclaje. Las pérdidas óhmicas están determinadas por la frecuencia de trabajo. En bajas frecuencias, estas pérdidas son pequeñas comparadas con la resistencia de radiación y la antena es un radiador muy eficiente. En altas frecuencias, donde la antena es relativamente corta en relación a su longitud, el suelo es un componente esencial que forma parte del sistema irradiante. La altura de la antena respecto al suelo conductor es un factor importante que afecta la resistencia de radiación. Algunas ondas son reflejadas por el suelo, y al regresar a la antena, inducen corriente cuya magnitud y fase dependen de la distancia entre la antena y el suelo. Si llegan en fase habrá más radiación y sucede lo contrario si llegan en oposición de fase. El resultado es una serie de variaciones respecto al valor R de la resistencia de radiación en el espacio libre [27]. 2.1.5 Eficiencia de la antena Es la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia total entregada a la antena para una frecuencia dada de operación. Se puede considerar que la resistencia total de carga está formada por dos resistencias en serie, una de valor de R (resistencia de radiación) y otra de valor r que representa la disipación óhmica de la antena. Será tanto más eficiente cuanto mayor sea la relación R/r. En consecuencia, se puede expresar la eficiencia de la antena en valores porcentuales como [27]: 𝜂=. 𝑅 ∗ 100 𝑅+𝑟. (2.3). Cada tipo de la antena tiene un valor típico de eficiencia distinto, como se muestra en el Anexo 1. 2.1.6 Polarización La polarización es determinada por la dirección en la que se mueve el vector de campo eléctrico E de una onda electromagnética. En general, la polarización se describe por una elipse. Hay dos casos especiales de la polarización elíptica: la polarización lineal y la polarización circular. Con la polarización lineal, el vector del campo eléctrico se mantiene en el mismo plano del eje de la antena todo el tiempo. El campo eléctrico puede posicionar a la antena en una orientación vertical, horizontal o en algún ángulo intermedio entre los dos [15], [27]..

(36) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 25. La radiación en una antena polarizada verticalmente se ve ligeramente menos afectada por las reflexiones en el camino de transmisión. Las antenas omnidireccionales siempre tienen una polarización vertical. Por otra parte las antenas con polarización horizontal tienen menos probabilidad de captar interferencias generadas por el hombre que las polarizadas verticalmente [15]. En la polarización circular el vector del campo eléctrico aparece rotando con un movimiento circular en la dirección de la propagación, haciendo una vuelta completa para cada ciclo de RF. Esta rotación puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda [27]. La polarización circular es utilizada para propósitos específicos, tales como transmisión de estaciones móviles de televisión y transmisiones satelitales en frecuencias de VHF y UHF [15]. 2.1.7 Ancho de Banda Es el intervalo de frecuencias en la cual debe funcionar satisfactoriamente la antena cumpliendo determinadas restricciones. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia, etc. [27], [26]. La expresión del ancho de banda relativo viene dada por: 𝐵𝑊 =. 𝑓𝑚𝑎𝑥 − 𝑓𝑚𝑖𝑛 𝑓𝑜. (2.4). Donde fmax es la frecuencia más alta de la banda, fmin es la frecuencia más baja, y fo es la frecuencia central. 2.1.8 Intensidad de campo La magnitud de la energía en la componente eléctrica y en la magnética es exactamente la misma. La variación de una componente resulta en la formación de la otra. Si ambas componentes tienen la misma energía, la determinación de una componente dará el valor de la otra. Se ha acordado expresar la intensidad de campo en términos de su componente eléctrica, es decir, en unidades de Volts/metro. La intensidad de campo esperada en el espacio libre a una distancia d de una antena transmisora está dada por [27]: 𝐸= Donde:. √30𝐷𝑡𝑃𝑡 𝑑. (2.5).

(37) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 26. d: distancia [metros]. Dt: Ganancia de la antena transmisora respecto a una antena isotrópica. Pt: Potencia radiada de la antena transmisora [Watts]. El campo recibido también se puede expresar en términos de la densidad de potencia, lo cual es muy común, sobre todo a frecuencias por encima de 300 MHz (λ< 1 metro). La conversión se puede efectuar mediante: 𝜌=. 𝐸2 120𝜋. (2.6). Donde: E = Intensidad de Campo [V/ m]. p = Potencia de Campo. [W/𝑚2 ]. 120 π es la impedancia intrínseca del espacio libre de valor aproximado a 377 Ohms. Representa la oposición al flujo de energía electromagnética en el espacio libre. 2.1.9 Relación front to back Es la relación de ganancia entre el lóbulo principal y posterior y está definida por [27]: 𝑅𝐷𝐹[𝑑𝐵] = 10 log10. 𝑃𝑚 𝑃𝑜𝑝. (2.7). Donde: Pm: Energía máxima en la dirección de propagación. Pop: Energía irradiada hacia atrás. 2.2 Tipos de antenas según su estructura Existen tres clases de antenas atendiendo a su estructura: antenas de hilo, antenas de apertura y antenas planas [26]. Las antenas de hilo son aquellas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo. La longitud del hilo no suele ser mayor que la longitud de la onda [26]. Las antenas de hilo pueden adoptar varias formas, pueden ser de hilo recto (como los dipolos), de lazo y en forma.

(38) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 27. de hélice. Las de lazo no necesitan ser necesariamente circulares, pueden tener forma de rectángulo, cuadrado, elipse y cualquier otra configuración. Las antenas más utilizadas de este tipo son: el dipolo y el monopolo vertical [28]. Otro tipo de antenas son las antenas de apertura y se distinguen del resto porque 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 ranuras y bocinas, y las de apertura definida por porción de la superficie frontal plana en la que los campos de la onda colimada por aquella toma valores significativos como son los lentes y reflectores [26]. Por último están las antenas planas que son aquellas cuyo elemento radiante es bidimensional, suele ser rectangular o circular. Requiere muy poco espacio, por esta razón es empleado en la telefonía móvil. Las antenas de tipo parche con tecnología de microcinta son las más empleadas dentro de este grupo [26]. 2.2.1 Características de las antenas de parche Las antenas de tipo parche son antenas planas fabricadas sobre tecnología de circuito impreso. Debido a su configuración planar y fácil integración, este tipo de antenas se suelen usar como elementos unitarios de un array [26]. Las antenas de parche, como se muestra en la figura 2.3 están conformadas por un parche metálico muy fino (t << λₒ, donde λₒ es la longitud de onda en el espacio libre). Este parche es colocado sobre un plano de masa (ground plane) que tiene una altura igual a una pequeña fracción de la longitud de onda (h << λₒ, usualmente 0.003λₒ ≤ h ≤ 0.05λₒ). Para un parche rectangular, la longitud L del elemento es usualmente λₒ/3 < L < λₒ/2. El parche y el plano de masa están separados por un dieléctrico conocido como sustrato [28]..

(39) LAS ANTENAS DE PARCHE COMO ELEMENTOS EN LAS CONFIGURACIONES DE ARREGLOS PARA LA 5G. 28. Figura 2.3. Estructura de un parche rectangular de antenas [29]. Hay numerosos sustratos que pueden ser utilizados para el diseño de antenas de parche, y las constantes de sus dieléctricos están comúnmente en el rango de 2.2 ≤ Ԑr ≤ 12. Los más deseables para la actuación de la antena son los sustratos gruesos cuya constante del dieléctrico está en el límite inferior del rango ya que proveen mayor eficiencia y gran ancho de banda pero a expensas de un tamaño más grande en los elementos. Los sustratos finos con altas constantes dieléctricas son deseables para circuitos de microondas porque minimizan la radiación indeseada, y conduce a elementos de menor tamaño, sin embargo debido a sus grandes pérdidas son menos eficientes y tienen anchos de banda relativamente más pequeños [28]. El parche radiante puede ser cuadrado, rectangular, circular, dipolos, elíptico o cualquier otra configuración. Las formas que puede tener este elemento son muy variadas, aunque las más utilizadas son la rectangular y la circular, representadas en la figura 2.4, por su fácil análisis y diseño, y sus atractivas características de radiación [30].. Figura 2.4. Parche rectangular y circular [30] Polarizaciones lineales y circulares pueden ser logradas con arreglos de antenas de parche o con simples elementos. Estos arreglos con alimentación única o múltiple, pueden ser usadas también para introducir capacidades de análisis y lograr grandes directividades. 2.2.2 Métodos de alimentación de las antenas de parche Existen varias formas de alimentar la antena tipo parche: mediante línea microstrip, mediante sonda coaxial, alimentación por acoplamiento por proximidad y por ranura, siendo las dos primeras las más utilizadas [26]. La alimentación mediante línea microstrip consiste, como su nombre lo indica, en alimentar la antena parche con una línea microstrip. Normalmente la anchura de la línea microstrip es.

Figure

Figura 1.1. Distribución de lóbulos laterales y nulos en el diagrama de radiación de las  antenas inteligentes [17]
Figura 1.2. Diagrama ilustrativo del patrón de radiación de una antena de haz de  seguimiento [14]
Figura 1.3. Diagrama ilustrativo del patrón de radiación de una antena con haz adaptativo  [14]
Figura 2.1. Representación gráfica de la directividad [26].
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Referencias

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