Desarrollo de un arreglo de antenas en la banda de 38 GHz para la 5G

Texto completo

(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Desarrollo de un arreglo de antenas en la banda de 38 GHz para la 5G. Autor: Bárbaro Adrián Barrios Hernandez Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra Co-Tutor: DrCT. Roberto Jiménez Hernández. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Desarrollo de un arreglo de antenas en la banda de 38 GHz para la 5G Autor: Bárbaro Adrián Barrios Hernández E-mail: [email protected]. Tutor: MSc. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: [email protected]. Co-Tutor: DrCT. Roberto Jiménez Hernández E-mail: [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados 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 donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Conoceréis la verdad y la verdad os hará libres. Jesús de Nazaret.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, quienes han hecho posible este sueño y siempre han estado conmigo..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A Dios que ha sido testigo de las dificultades encontradas durante estos años, pero que por su gracia me ha permitido llegar a este momento. A mis padres quienes me han sostenido durante mis años de carrera, sin ellos no hubiera sido posible este sueño. A mi tutor Yakdiel por su apoyo en la realización de este proyecto. A todos los profesores que han contribuido en mi formación como profesional durante todos estos años. A todos mis compañeros con los que he compartido magníficas experiencias estos años..

(7) iv. TAREA TÉCNICA Para lograr la confección del presente trabajo, dar cumplimiento a los objetivos trazados y obtener los resultados esperados, se desarrollan las siguientes tareas técnicas: 1. Revisión bibliográfica de las características de la 5G, la banda milimétrica y las antenas inteligentes. 2. Caracterización de las ventajas y desventajas de las antenas de microcinta tipo parche para su implementación en la 5G. 3. Identificación de las herramientas de simulación para el diseño de antenas a frecuencias elevadas. 4. Implementación de una antena de parche y de un arreglo de cuatro elementos en el CST Microwave Studio con apoyo del MATLAB. 5. Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma..

(8) v. RESUMEN. Las altas razones de transmisión que poseerá la 5G requerirá el empleo de frecuencias elevadas como las de la banda milimétrica, lo cual hará que se necesiten antenas direccionales debido a que estas frecuencias presentan baja penetración en la mayoría de los objetos y grandes pérdidas por propagación. Las antenas inteligentes han sido propuestas como una solución a estos inconvenientes. En el presente trabajo se abordan las características y aspectos generales de la 5G, la banda milimétrica, las antenas inteligentes y las antenas de microcinta. En el trabajo se realiza el diseño de una antena de parche y de un arreglo de cuatro elementos del mismo tipo en el CST Microwave Studio, basándose inicialmente en el modelo de línea de transmisión, cuyos resultados se obtuvieron con apoyo del MATLAB. Mediante la herramienta Optimizer del software CST Microwave Studio se pudieron obtener diseños más aceptables. Además, se implementó un arreglo en el que la alimentación se realiza mediante inserciones, evidenciándose un mejor acople de impedancia. Finalmente se realiza una comparación de los resultados obtenidos..

(9) vi ÍNDICE. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS. ANTENAS INTELIGENTES................................................................................................. 5 1.1. Principales características de la 5G .......................................................................... 5. 1.2. La banda milimétrica y las antenas inteligentes ....................................................... 6. 1.2.1. Características de la banda milimétrica ............................................................ 7. 1.2.2. Ventajas y desventajas de las frecuencias propuestas para la 5G ..................... 9. 1.2.3. Características principales de las antenas inteligentes .................................... 10. 1.2.4. Artículos sobre diseños de antenas en la banda de 38 GHz............................ 15. 1.3. Conclusiones parciales ........................................................................................... 16. CAPÍTULO 2.. LAS ANTENAS DE MICROCINTA COMO PROPUESTA PARA LA. 5G. ................................................................................................................. 17. 2.1. Tipos de antenas y sus principales parámetros ...................................................... 17. 2.1.1. Impedancia de entrada .................................................................................... 18. 2.1.2. Patrón de radiación ......................................................................................... 19. 2.1.3. Ganancia directiva .......................................................................................... 19. 2.1.4. Eficiencia ........................................................................................................ 19.

(10) vii 2.1.5. Ganancia de potencia ...................................................................................... 19. 2.1.6. Polarización .................................................................................................... 20. 2.1.7. Ancho de banda .............................................................................................. 20. 2.1.8. Adaptación de impedancia .............................................................................. 21. 2.2. Características de las antenas de microcinta .......................................................... 22. 2.2.1. Ventajas y desventajas de las antenas de parche ............................................ 23. 2.2.2. Tipos de alimentación ..................................................................................... 24. 2.3. Métodos de análisis empleados en antenas de microcinta tipo parche .................. 26. 2.3.1. Modelo de línea de transmisión ...................................................................... 26. 2.4. Arreglos de antenas ................................................................................................ 28. 2.5. Caracterización de las herramientas de simulación ............................................... 29. 2.5.1. Caracterización de la herramienta CST Microwave Studio 2014................... 29. 2.5.2. Caracterización de la herramienta MATLAB 2015 ........................................ 30. 2.6. Conclusiones Parciales ........................................................................................... 30. CAPÍTULO 3.. IMPLEMENTACIÓN DE UN ARREGLO DE ANTENAS DE. MICROCINTA TIPO PARCHE PARA LA FRECUENCIA DE 38 GHZ .......................... 32 3.1. Especificaciones técnicas iniciales y pasos del diseño .......................................... 32. 3.2. Fase de simulación del elemento radiante unitario ................................................ 33. 3.2.1. Resultados de la simulación del elemento radiante unitario ........................... 34. 3.2.2. Optimización del elemento radiante unitario .................................................. 37. 3.3. Diseño y simulación de un arreglo de cuatro elementos ........................................ 42. 3.3.1. Resultados de la simulación del arreglo y optimización del mismo ............... 43. 3.4. Diseño de un arreglo con inserciones..................................................................... 44. 3.5. Comparación de los resultados obtenidos .............................................................. 45. 3.6. Arreglos con un número alto de radiadores ........................................................... 49.

(11) viii 3.7. Conclusiones parciales ........................................................................................... 50. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 51 Conclusiones ..................................................................................................................... 51 Recomendaciones ............................................................................................................. 52 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 53 ANEXOS .............................................................................................................................. 57 Anexo I. Alimentación mediante línea de microcinta: a) conexión directa de la línea de. microcinta a la antena; b) conexión de la línea de microcinta mediante inserciones ....... 57 Anexo II. Alimentación mediante sonda coaxial ........................................................ 57. Anexo III. Alimentación mediante ranura radiante ...................................................... 58. Anexo IV. Alimentación por proximidad acoplada ...................................................... 58. Anexo V. Efecto de borde en una antena de parche rectangular ................................. 59. Anexo VI. Ajustes de la herramienta Optimizer para el arreglo ................................... 59. Anexo VII. Ajustes de la herramienta Optimizer para el arreglo ................................... 60. Anexo VIII. Parámetro S11 del arreglo optimizado...................................................... 60. Anexo IX. Eficiencia del arreglo optimizado ............................................................... 61. Anexo X. Patrón de radiación del arreglo optimizado ................................................ 61. Anexo XI. Patrón de radiación en coordenadas polares del arreglo optimizado .......... 62. Anexo XII. Parámetro S11 del arreglo optimizado con inserciones ............................... 62. Anexo XIII. Eficiencia del arreglo optimizado con inserciones .................................. 63. Anexo XIV. Patrón de radiación del arreglo optimizado con inserciones ................... 63. Anexo XV. Patrón de radiación en coordenadas polares del arreglo optimizado con. inserciones ..................................................................................................................... 64.

(12) INTRODUCCIÓN. La comunicación móvil ha sido una de las innovaciones tecnológicas más exitosa en la historia moderna. Desde el surgimiento del primer teléfono celular hasta la actualidad se ha producido un vertiginoso desarrollo de las tecnologías de telefonía móvil. Estas han tenido un gran impacto en la sociedad moderna, convirtiéndose en una parte indispensable de la vida de millones de personas. Este avance está caracterizado por las varias generaciones por las que ha atravesado la telefonía móvil, cada una siendo superior tecnológicamente a la generación anterior. Esta tecnología comenzó con la primera generación en la década de los 80 en la que los teléfonos empleaban tecnología analógica y el servicio solo permitía realizar llamadas, a esta le sucedió la segunda generación que marcó el cambio de la tecnología analógica a digital en estos sistemas. Más adelante la tercera generación de la tecnología móvil permitió el acceso a internet con una razón de datos de hasta 2 Mbps y la cuarta generación que aumentó la razón de transmisión con respecto a su predecesor, permitiendo hasta 1 Gbps de razón de dato [1]. Actualmente se encuentra en desarrollo la quinta generación de las comunicaciones móviles (5G). Países del primer mundo están comenzando a realizar pruebas para la futura implantación de la infraestructura 5G con el objetivo de comercializarla en el año 2020 [2]. Todas las versiones anteriores de las redes celulares, (además de otras redes de comunicaciones) operan en la banda inferior a 6 GHz. Debido al abrumador uso del espectro en las frecuencias de 700 MHz a 2.6 GHz no existe allí espacio para acomodar futuras tecnologías inalámbricas. Por lo tanto la tecnología de la 5G se establece fuera para usar la banda de frecuencia que va desde 30 a 300 GHz [3] [4]. Dentro de la banda de frecuencias que va de 3 a 300 GHz se estima que hay al menos 252 GHz disponibles para ser usados [5]. La 5G de la tecnología celular está siendo concebida.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. para ser usada en las bandas de 28, 38 y 73 GHz. A esta banda de frecuencias se le conoce como banda milimétrica (mm-wave), por consiguiente la comunicación en la quinta generación es a menudo llamada comunicación por onda milimétrica, esto es debido a que la longitud de onda de las ondas de radio en este rango de frecuencias es del orden de los milímetros [4]. Debido al ínfimo tamaño de la longitud de onda en esta banda, las antenas a emplear son muy pequeñas también, pues la antena debe ser proporcional a la longitud de onda, esta es una de las ventajas que proporciona el uso de frecuencias en la banda milimétrica, lo cual permite emplear voluminosos arreglos en pequeños espacios. Recientemente las antenas inteligentes han sido propuestas como una solución prometedora para incrementar significativamente la razón de datos y mejorar la calidad de la transmisión inalámbrica, la cual está limitada por la interferencia y propagación multitrayecto. Incrementar el ancho de banda de la señal en conjunto con el uso de arreglos de antenas es una vía efectiva para incrementar la razón de datos en los futuros sistemas de comunicaciones inalámbricos [6]. El término “antena inteligente” generalmente se refiere a algún arreglo de antena con un algoritmo de procesamiento de señal sofisticado empleado para ajustar o adaptar su propio patrón de radiación para acentuar el nivel de señal de interés y minimizar el nivel de señal interferente [7]. Para el diseño y la implementación de antenas han sido desarrollados varios softwares. En esta investigación se emplea el CST Microwave Studio y el MATLAB. En Cuba no se han realizado muchas investigaciones acerca de la 5G ni de tipos de antenas para ser empleados en la misma. La red de telefonía móvil en Cuba actualmente emplea tecnología 2G y en estos momentos se empieza a desplegar la 3G por la capital [8], por lo tanto el presente trabajo es de gran importancia para una futura implementación de esta tecnología en el país. En la Universidad Central de Las Villas las investigaciones sobre este tema no abundan, solamente un profesor de la Facultad de Ingeniería Eléctrica del Departamento de Electrónica se encuentra investigando en este tema. De esta forma el presente trabajo brinda información sobre la implementación de arreglos de antenas de parche en el CST Microwave Studio por.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. lo que sirve de apoyo para investigadores del tema que deseen implementar nuevos diseños para la 5G. Teniendo en cuenta todo lo antes expuesto, se enuncia el siguiente problema científico: ¿Cómo implementar un arreglo de antenas que pueda ser empleado en la banda de 38 GHz para la 5G de las comunicaciones? Esta investigación tiene como objeto de estudio la 5G de la telefonía móvil y el campo de acción lo constituye el diseño de un arreglo de antenas para ser empleado en la 5G. Por tanto para dar cumplimiento al problema de investigación se propone el siguiente objetivo general: Desarrollar un arreglo de antenas para su posible uso en la 5G de la telefonía móvil. Para resolver el problema científico y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: 1. Describir las características principales de la 5G para conocer sus particularidades y requerimientos. 2. Caracterizar las antenas inteligentes y la banda milimétrica, determinando sus ventajas para su utilización en la 5G. 3. Describir las características que presentan las antenas de microcinta tipo parche para conocer sus ventajas y desventajas. 4. Identificar las herramientas de simulación para el desarrollo de antenas en la banda milimétrica. 5. Implementar un arreglo de antenas que pueda ser empleado en la 5G en la banda de 38 GHz utilizando el CST Microwave Studio y el MATLAB. De los objetivos específicos propuestos, surgen las siguientes interrogantes científicas: 1. ¿Qué características presentarán las redes 5G? 2. ¿Qué características presentan las antenas inteligentes y la banda milimétrica? 3. ¿Qué características presentan las antenas de microcinta tipo parche? 4. ¿Qué herramientas se utilizan actualmente para el diseño de antenas? 5. ¿Qué hacer para implementar un arreglo de antenas en CST Microwave Studio con apoyo del MATLAB?.

(15) INTRODUCCIÓN. 4. El presente trabajo está estructurado de la siguiente forma: resumen, introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. En el primer capítulo se abordan las principales características de la 5G y sus beneficios para el usuario. Además se exponen las principales características de las antenas inteligentes, así como las particularidades de la banda milimétrica. También se exponen investigaciones recientes que han sido realizadas sobre la banda de 38 GHz. En el segundo capítulo se exponen parámetros básicos que presentan las antenas, además se muestran las características de las antenas de microcinta. También se exponen las ventajas que aporta el uso de arreglos. Además se hace una caracterización de las herramientas de simulación empleadas para el diseño de antenas como CST Microwave Studio y del asistente matemático MATLAB. En el tercer capítulo se muestran los resultados obtenidos de la simulación del elemento radiante que se obtuvo a partir del método de línea de transmisión. El diseño inicial es modificado con el objetivo de optimizar su desempeño. Luego se realiza la implementación de un arreglo, y a partir de los resultados se realiza también un proceso de optimización. Además se implementa un arreglo con inserciones y finalmente se realiza una comparación de los resultados obtenidos..

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. Las comunicaciones móviles debido a su capacidad de integración de servicios y comodidad para los usuarios debido a la movilidad, la convierten en la actualidad, en una tecnología de gran aceptación en todo el mundo. En la actualidad están siendo realizadas numerosas investigaciones con vista a una nueva generación: la 5G. Sin embargo, debido a la necesidad de emplear frecuencias en la banda milimétrica, ha sido necesario considerar el uso de antenas inteligentes. En este capítulo se describen las principales características de la tecnología 5G y de las antenas inteligentes. Además se describen las particularidades de la banda milimétrica. 1.1. Principales características de la 5G. El término 5G se refiere a la quinta generación de las tecnologías de las redes móviles. Mientras que todavía se siguen realizando investigaciones sobre las características técnicas de la 5G, se espera que represente un salto mayor de las tecnologías de telecomunicaciones actuales, incluyendo cambios en la interfaz de radio y el uso del espectro. Se espera que las redes 5G sean más rápidas, siempre accesibles, altamente confiables y eficientes en el manejo de grandes cantidades de dispositivos [9] [10]. Se espera que 5G permita nuevas aplicaciones en varios dominios, incluyendo entretenimiento, salud, transporte e industria. Sin embargo el despliegue de esta nueva generación para su uso comercial debe comenzar en el 2020 [11]. Las redes 5G serán diseñadas para aprovechar altas frecuencias en la banda milimétrica, las cuales pueden proveer anchos de banda superiores aunque sobre cortas distancias..

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 6. Para soportar una alta densidad de conexiones y gran ancho de banda, las redes 5G serán heterogéneas, estando formadas por celdas grandes y pequeñas (llamadas así en dependencia del tamaño del área que cubren, macro-celdas, pico-celdas y femto-celdas) usando diferentes tecnologías. Las celdas pequeñas son necesarias para dar cobertura en áreas urbanas muy densas, usando altas frecuencias del espectro pueden proveer transmisiones de mayor capacidad y eficiencia en uso de energía (los haces son directivos, aunque las ondas de altas frecuencias pueden tener dificultad al penetrar la vegetación y edificios). Debido a la cada vez mayor complejidad en la administración y manejo de redes, los nodos 5G tendrán la capacidad de auto-organización, por ejemplo balance autónomo de carga, minimización de la interferencia, asignación del espectro y adaptación de energía. Los dispositivos en las redes 5G deben ser capaces de operar en múltiples bandas del espectro, pero manteniendo la compatibilidad con las tecnologías anteriores 3G y 4G [12] [13]. En general, se estima que una red 5G tenga como principales características las siguientes [4] [14]: 1. El uso de frecuencias en la banda milimétrica. 2. Permite acomodar más usuarios sobre la red. 3. Ofrece mayores razones de transmisión. 4. El empleo de antenas altamente direccionales. 5. Permite una mejor eficiencia en energía. 6. Bajas latencias. 1.2. La banda milimétrica y las antenas inteligentes. La banda milimétrica es el conjunto de frecuencias que van desde 30 GHz a 300 GHz, también conocida como EHF (extremely high frequency). Esta banda comprende longitudes de onda de 1 a 10 mm, de ahí el nombre de onda milimétrica. En esta banda de frecuencias el uso de antenas direccionales se convierte en una necesidad debido a que las ondas de radio a tales frecuencias no pueden viajar grandes distancias. Las antenas direccionales son empleadas para ayudar a enfocar la potencia de la señal en una dirección deseada..

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 7. 1.2.1 Características de la banda milimétrica Los sistemas de comunicaciones inalámbricos terrestres están restringidos en gran medida a un rango de frecuencias que se extiende desde cientos de MHz hasta unos pocos GHz, correspondientes a longitudes de onda de varios centímetros hasta aproximadamente un metro. Existe un amplio margen de frecuencias en la banda milimétrica que está desocupado. También hay varios GHz de espectro disponible en el rango de 20 a 30 GHz [9]. La principal razón por la que el espectro en la banda milimétrica está desocupado, hasta recientemente, ha sido por que se ha considerado inapropiado para las comunicaciones móviles debido a las cualidades hostiles de propagación, incluyendo grandes pérdidas por trayecto, absorción atmosférica y por lluvia, baja penetración a través de objetos y debido al fuerte ruido de fase. La percepción dominante ha sido que tales frecuencias, y en particular la banda no autorizada alrededor de los 60 GHz son apropiadas principalmente para rangos de transmisión muy cortos. Las frecuencias en el rango de 57 a 64 GHz, donde la absorción del oxígeno es elevada, pueden experimentar una atenuación de 15 dB/km, debido a que la molécula O2 absorbe la energía electromagnética alrededor de los 60 GHz [15]. La absorción por vapor de agua depende de la cantidad de vapor de agua y puede alcanzar hasta decenas de dBs en el rango de 164 a 200 GHz [15]. Estas bandas quedan excluidas de las aplicaciones para comunicaciones móviles debido a que el rango de transmisión en estas bandas sería muy limitado [15]. En la figura 1.1 se muestra la banda de frecuencias superior a 3 GHz, en la que se señalan las frecuencias fuertemente afectadas por la absorción del oxígeno y el vapor de agua.. Figura 1.1 Banda de frecuencia superior a 3 GHz [16]..

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 8. Mientras las señales a bajas frecuencias pueden penetrar más fácilmente las edificaciones, las señales de onda milimétrica tienen dificultad al atravesar la mayoría de los materiales. En la tabla 1.1 se muestran valores de atenuación que sufren señales a frecuencias de 40, 60 GHz e inferiores a 3 GHz para materiales comunes [15] [16]. Tabla 1.1 Atenuación para diferentes materiales [15]. Atenuación (dB) Material. Espesor (cm). < 3 GHz. 40 GHz. 60 GHz. Cristal puro. 0.3/0.4. 6.4. 2.5. 3.6. Madera (Wood). 0.7. 5.4. 3.5. –. Cartón de yeso. 1.5. –. 2.9. –. 10. –. 178. –. 10. 17.7. 175. –. (Clear glass). (Plasterboard) Pared de ladrillo (Brick wall) Hormigón (Concrete). Las pérdidas debido al follaje para ondas milimétricas son significativas también y pueden ser una limitante para la propagación en algunos casos. Una fórmula empírica ha sido desarrollada en [17] para calcular las pérdidas por penetración de follaje. En la figura 1.2a se trazaron pérdidas por propagación debido a follaje con profundidades de 5, 10, 20 y 40 metros. Es importante notar que por ejemplo, a una frecuencia de 80 GHz y 10 metros de follaje, las pérdidas pueden ser de 23.5 dB, la cual es 15 dB mayor que las pérdidas a 3 GHz [15]..

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 9. Figura 1.2 Características de propagación por onda milimétrica: a) pérdidas por penetración de follaje; b) atenuación por lluvia [15]. Otra pérdida significativa para las ondas milimétricas se debe a la presencia de fuertes lluvias. Las gotas de lluvia son aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda y por lo tanto, producen dispersión de la señal. La atenuación (dB por kilómetro) depende de la razón de la lluvia (milímetros por hora) [18], en la figura 1.2b se muestra esta relación. Por ejemplo, la lluvia ligera a una razón de 2,5 mm/h produce una atenuación de solo 1 dB/km, mientras que lluvias severas a una razón de 150 mm/h puede poner en peligro la comunicación con decenas de dB de pérdidas por kilómetro a frecuencias de ondas milimétricas. 1.2.2 Ventajas y desventajas de las frecuencias propuestas para la 5G Todas las frecuencias del espectro empleadas para los sistemas móviles actuales están concentradas en bandas inferiores a 6 GHz gracias a las condiciones de propagación favorables. Debido a que este rango de frecuencias está abarrotado, ha sido necesaria una nueva consideración del espectro para la arquitectura 5G [14]. Las frecuencias propuestas para la implementación de la 5G son 28, 38 y 73 GHz. En bandas de altas frecuencias se pueden acomodar más usuarios y proveer razones de transmisión elevadas a los usuarios. Mientras la idea de usar bandas de altas frecuencias es razonable en términos de disponibilidad del espectro, esto tiene sus propias complicaciones y limitaciones. La mayor limitación de usar las bandas de 28, 38 y 73 GHz es que las ondas de radio no.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 10. pueden viajar grandes distancias como se mencionó anteriormente. Esto implica que las estaciones base tendrán pequeños rangos de transmisión. Las pérdidas de propagación también aumentan con el incremento de la frecuencia de transmisión, por lo tanto las ondas de radio a las frecuencias de la 5G tendrán dificultad al atravesar edificios y otras infraestructuras urbanas [4]. A las frecuencias de 28 y 38 GHz la atenuación atmosférica es despreciable, aproximadamente 0.06 dB/km y 0.08 dB/km respectivamente. Otras frecuencias también presentan baja atenuación atmosférica como son las bandas de 70 a 90 GHz, de 120 a 170 GHz y de 200 a 280 GHz. Empleando antenas altamente direccionales en pequeñas celdas urbanas [19], la atenuación por lluvia a 28 y 38 GHz se consideraría despreciable también [20]. En la figura 1.3 se muestra la atenuación atmosférica para distintas frecuencias.. Figura 1.3 Atenuación atmosférica en diferentes bandas de frecuencia [20].. 1.2.3 Características principales de las antenas inteligentes Debido a que las ondas de radio en la banda milimétrica no pueden atravesar grandes distancias, el uso de antenas direccionales se convierte en una necesidad primordial. Las últimas tendencias en comunicaciones móviles, principalmente con el advenimiento de la 5G.

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 11. de la telefonía móvil, apuntan a la utilización de un nuevo tipo de antenas para mejorar la capacidad y la calidad de los servicios de telecomunicaciones, así como para ofrecer un mayor número de servicios inalámbricos [7]. Todo ello será posible gracias a las antenas inteligentes (smart antennas), una tecnología prometedora en comunicaciones inalámbricas que permite una reducción de la interferencia [21], consiguen aumentar la capacidad de conexión a múltiples usuarios simultáneamente y otra serie de ventajas que se expondrán a continuación. En esencia, el sistema funciona de tal forma que cuando el usuario se desplaza, o lo hace la señal interferente, se modifica la dirección del lóbulo principal para que se mueva con él y se minimice la interferencia y, en el caso común en que una estación de radio atienda a varios usuarios simultáneamente, los sistemas permiten transmitir el haz desglosado en varios lóbulos muy directivos, de forma que se reduce la interferencia en la red considerablemente y se incrementa la capacidad en ambos sentidos. En la figura 1.4 se muestra un ejemplo de la conformación del haz con el lóbulo principal dirigido al usuario deseado y los nulos en la dirección de señales interferentes, mientras los nulos se sintetizan en la dirección de las señales no deseadas [22].. Figura 1.4 Conformación del haz con el lóbulo principal en dirección de la señal deseada [23]..

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 12. La motivación para el desarrollo de antenas inteligentes se encuentra en los mayores problemas que enfrenta la industria inalámbrica actualmente, estos son [24]: 1. Espectro de frecuencias limitado, que resulta en límite de la capacidad. 2. Desvanecimiento de la señal debido a la propagación multitrayecto. 3. Interferencia de canal adyacente. 4. La limitada vida de las baterías de los dispositivos móviles. Los SAS (Smart Antennas Systems) son una técnica que permite combatir el desvanecimiento por multitrayecto que es primordial en los sistemas de comunicación inalámbricos [25] [26]. Una antena inteligente es una agrupación de antenas que son usadas en conjunto con un sistema de procesamiento de señal para optimizar el rendimiento del sistema inalámbrico. Este sistema puede ser dividido principalmente en tres partes [25]: 1. El arreglo de antenas (lineal, circular, o plano); el cual recibe las señales entrantes. 2. Estimador de la dirección de llegada; el cual realiza la clasificación de la dirección de llegada encontrando cuáles señales se originan desde el usuario y cuáles son interferentes. 3. Algoritmo de conformación del haz; el cual conforma un patrón de antena con un lóbulo principal dirigido en la dirección del usuario, mientras se minimizan las señales interferentes y el ruido. Sin embargo, al hablar de “inteligencia”, las antenas no son inteligentes, sino lo que es inteligente es el sistema completo dado que puede interactuar con el medio, y la inteligencia radica en la posibilidad de variar el patrón de radiación en su forma una vez que se ha implementado la antena [15]. En la figura 1.5 se muestran los componentes elementales de una antena inteligente..

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 13. Figura 1.5 Componentes elementales de una antena inteligente [22]. Los sistemas de antenas inteligentes se clasifican en tres tipos [7] [24]: 1. Haz Conmutado 2. Haz de Seguimiento 3. Haz Adaptativo Haz Conmutado: Es la configuración más simple de Antenas Inteligentes. El sistema genera varios haces a ángulos prefijados que se van conmutando secuencialmente dando como resultando un barrido discreto de la zona de cobertura en posiciones angulares fijas. En cada posición discreta del haz se activa el sistema de recepción para detectar la posible existencia de señales. 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. Haz de Seguimiento: Este sistema es un poco más complejo que el anterior, aunque es una variante del haz conmutado. 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. A diferencia del sistema de haz.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 14. 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 el sistema conmutado se realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijados en el sistema, y en el caso de haz de seguimiento el posicionamiento del haz tiene mayor resolución angular. Haz Adaptativo: 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 conformar un diagrama de radiación que presente 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. En general existen características propias de las antenas inteligentes, las cuales se resumen a continuación [27]: 1. Aumento de la capacidad de conexión a múltiples usuarios simultáneamente. 2. Incremento de la capacidad y la confiabilidad. 3. Reducción de la potencia de transmisión. 4. Reducción de la propagación multitrayecto. 5. Disminución del nivel de interferencia. 6. Incremento del nivel de seguridad. En cuanto a la seguridad, ésta se ve incrementada 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..

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 15. 1.2.4 Artículos sobre diseños de antenas en la banda de 38 GHz En julio de 2015, en su artículo “Design of a 28/38 GHz dual-band printed slot antenna for the future 5G mobile communication Networks” [28], Haraz propone una antena de ranura impresa para operar en las bandas de 28 y 38 GHz para la 5G. La antena propuesta es compacta, con dimensiones de 0.8λo × 0.75 λo a 28 GHz. Una apertura con forma elíptica fue grabada en el plano de superficie para mejorar el ancho de banda de la antena. Para mejorar el acople de impedancia, Haraz empleó un stub y para reducir la interferencia entre sistema 5G y otros sistemas, empleó una ranura en forma π en la línea de alimentación para crear una banda de rechazo en las frecuencias de 30 a 34 GHz. La antena propuesta presenta un patrón casi omnidireccional con alta eficiencia de radiación. Los resultados de simulación mostraron que la antena tiene una función de doble banda que cubre las futuras aplicaciones 5G. En mayo de 2015 se publicó el artículo “28/38-GHz dual-band millimeter wave SIW array antenna with EBG structures for 5G applications” [29] por los autores Nadeem Ashraf, Osama Haraz, Muhammad A. Ashraf y Saleh Alshebeili. En este artículo se propone el diseño de un arreglo de antenas de doble banda mediante guía-onda integrada en sustrato (SIW) linealmente polarizada, para operar en banda Ka. El elemento unitario consiste de dos cavidades SIW con dos ranuras longitudinales grabadas en uno de los planos conductores. Las ranuras son resonantes a 28 y 38 GHz. La antena simple presenta el parámetro S11 por debajo de -10 dB en el ancho de banda que abarca y una ganancia máxima de 5.2 dB a 28 GHz y 5.9 dB a 38 GHz. Las simulaciones fueron realizadas empleando el CST Microwave Studio. En el año 2013 fue publicado un artículo titulado “Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!” [30] por los autores Theodore S, Rappaport, Shu Sun, Rimma Mayzus, Hang Zhao, entre otros. En esta investigación se fundamenta la necesidad de emplear la banda milimétrica en la 5G. Además se muestran una variedad de resultados obtenidos mediante mediciones, los cuales demuestran que se pueden emplear las frecuencias de 28 y 38 GHz en conjunto con antenas direccionales en las estaciones base y en dispositivos móviles..

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA 5G, LA BANDA MILIMÉTRICA Y LAS ANTENAS INTELIGENTES. 1.3. 16. Conclusiones parciales. En este capítulo se profundizó en cuestiones relacionadas con las características de la 5G que demuestran que será una tecnología superior a las redes de 3G y 4G en varios aspectos como razón de transmisión, latencias y capacidad de la red. Se expusieron las ventajas y desventajas que presentan las frecuencias que están propuestas para el despliegue de la 5G. También se trataron las características generales de la banda milimétrica, demostrándose la necesidad del empleo de antenas altamente direccionales para este tipo de frecuencias que poseen poca capacidad de penetración en los materiales, y que presentan, en muchos casos, dispersión y desvanecimiento por multitrayecto. Además, se trató el concepto y las características de las antenas inteligentes. Finalmente se mostraron investigaciones en las que se proponen diseños de antenas para la banda de 38 GHz..

(28) CAPÍTULO 2. LAS ANTENAS DE MICROCINTA COMO PROPUESTA PARA LA 5G. La antena es un elemento de circuito que presenta más de un parámetro, los cuales deben ser evaluados, ya que la variación de uno u otro puede afectar el desempeño del sistema, debido a esto se han desarrollado varias herramientas para la simulación de antenas. En la actualidad existen diversos tipos de antenas, y son empleadas de acuerdo a las exigencias de las aplicaciones, incluso en ocasiones es necesario emplear arreglos, pues la ganancia de un solo elemento radiante a veces es insuficiente. En el presente capítulo se abordan los tipos de antenas y sus principales parámetros. También se resumen las características de las antenas de microcinta, los tipos de alimentación empleados y los métodos de análisis. Además se mencionan las ventajas que aportan los arreglos de antenas. Finalmente se caracterizan las herramientas de simulación CST Microwave Studio y MATLAB. 2.1. Tipos de antenas y sus principales parámetros. El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define una antena como aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas [31]. En esencia funciona como un transductor que convierte una señal eléctrica en ondas electromagnéticas y viceversa. Desde el punto de vista del transmisor, el propósito de la antena es radiar eficientemente la energía electromagnética hacia direcciones convenientes, haciendo uso de la máxima potencia disponible del transmisor. En el caso de una antena receptora, su función es captar ondas radioeléctricas, debilitadas y contaminadas con ruido en direcciones convenientes, para que el receptor recupere la información contenida en esta señal [32]..

(29) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 18. Existen varios tipos de antenas [33]: 1. Antenas de alambre (Wire Atennas) 2. Antenas de apertura (Aperture Antennas) 3. Antenas de microcinta (Microstrip Antennas) 4. Arreglo de antenas (Array Antennas) 5. Antenas de reflector (Reflector Antennas) Cada tipo de antena responde a ciertas aplicaciones en específico, en dependencia de la ganancia requerida y de la frecuencia. Para que una antena pueda radiar eficientemente energía electromagnética, su longitud debe ser proporcional a la longitud de onda de la señal [34], de ahí que se puedan apreciar antenas grandes como las empleadas en ondas medias que miden aproximadamente 90 metros y antenas pequeñas del orden de centímetros como las empleadas en redes Wi-Fi. 2.1.1. Impedancia de entrada. Una antena es un dispositivo de un puerto y, por lo tanto, presenta una impedancia de entrada que no es más que la relación entre la tensión y la corriente presente en el puerto de entrada. La impedancia de una antena tiene una parte real y otra imaginaria, y ambas dependen de la frecuencia [32]: 𝑍𝐴 = 𝑅𝐴 (𝜔) + 𝑗𝑋𝐴 (𝜔). (2.1). La parte real de la impedancia equivale a 𝑅𝐴 (𝜔) = 𝑅𝑅 + 𝑅𝐿 (2.2), donde RR es la resistencia de radiación de la antena y RL representa la resistencia óhmica de la antena. La resistencia de radiación está asociada a la potencia o energía que la antena radia hacia el espacio libre, 1. esto sería 𝑃𝑅 = 2 |𝐼𝑜 |2 𝑅𝑅 (2.3), y la resistencia óhmica está asociada a las pérdidas que se producen en la antena debido a la conductividad finita de los conductores que la conforman, 1. esto sería 𝑃𝐿 = 2 |𝐼𝑜 |2 𝑅𝐿 (2.4). En ambas potencias, Io representa la corriente eficaz que se le entrega a la antena. La potencia entregada a la antena será la suma de las dos anteriores, 1. de este modo 𝑃𝐴 = 𝑃𝑅 + 𝑃𝐿 = 2 𝐼02 (𝑅𝑅 + 𝑅𝐿 ) (2.5). Se dice que la antena es resonante a una frecuencia fo si la parte imaginaria de la impedancia de entrada en fo es cero..

(30) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 2.1.2. 19. Patrón de radiación. El diagrama de radiación es una representación gráfica de las características de la radiación de una antena en función de las coordenadas espaciales. El diagrama de radiación está definido en regiones de campo lejano, aquello que está a distancias de la antena superiores a 2𝐷 2 𝜆0. , donde 𝜆o es la longitud de onda y D es la dimensión de la antena [35].. Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son los siguientes [36]: 1. Lóbulo principal: lóbulo con el máximo de radiación. 2. Lóbulos secundarios: resto de los lóbulos. 3. Lóbulos laterales: lóbulos colindantes al principal. 4. Nivel de lóbulos secundarios (SLL): relación entre los niveles del lóbulo principal y los laterales. 5. Ancho de haz a -3 dB: Ancho entre puntos del lóbulo principal con una caída de la mitad de la potencia. 6. Ancho de haz entre nulos: Ancho entre dos nulos consecutivos. 2.1.3. Ganancia directiva. La ganancia directiva de una antena se define como el cociente entre la intensidad de radiación en una dirección “(θ,φ)”, y la intensidad de radiación de una fuente isotrópica, para la misma potencia radiada, esto es [37]: 𝐺𝑑 (𝜃, 𝜑) = 2.1.4. 𝑈(𝜃,𝜑) 𝑈𝑖𝑠𝑜. = 4𝜋. 𝑈(𝜃,𝜑). (2.6). 𝑃𝑟𝑎𝑑. Eficiencia. La eficiencia total o el rendimiento de una antena es la relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena. Esta se puede expresar como [38]: η=. 2.1.5. 𝑃𝑅 𝑃𝑇. =. 𝑅𝑅 𝑅𝑅 + 𝑅𝐿. (2.7). Ganancia de potencia. Muchas veces se necesita tener en cuenta las condiciones de adaptación de impedancia entre la antena y el alimentador, así como las pérdidas en calor, debido a la conductividad finita en los conductores. La ganancia de potencia “Gp” se expresa de la misma forma que la ganancia.

(31) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 20. directiva, excepto que, en lugar de la potencia radiada por la antena directiva, se toma la potencia total entregada a la antena “PT”, entonces 𝐺𝑝 (θ, φ) = 𝑃𝑅 + 𝑃𝐿. 4𝜋𝑈(θ,φ) 𝑃𝑇. (2.8) donde 𝑃𝑇 =. (2.9). Si η representa la eficiencia óhmica, entonces se puede expresar que. 𝐺𝑝 (θ, φ) = η 𝐺𝑑 (θ, φ) (2.10) para condiciones de adaptación de impedancia. De no haber. acople, entonces [33]: 𝐺𝑝 (θ, φ) = η(1 − |Γ|2 ) 𝐺𝑑 (θ, φ). (2.11). Se observa que en general siempre se cumple que Gp ≤ Gd. En el caso bastante usual, de que la antena esté trabajando en condiciones de adaptación de impedancia, y que las pérdidas en calor sean despreciables, Gp ≈ Gd = G, y entonces se habla de la ganancia “G” de la antena, la cual por reciprocidad, es la misma para la antena como transmisora que para la antena como receptora. 2.1.6. Polarización. Se le llama polarización de la antena a la polarización del campo eléctrico respecto a un plano de tierra dado. La polarización generalmente se define en la dirección en la que la antena radia el máximo de potencia, ya que los enlaces se diseñan para que sean eficientes en la dirección de máxima radiación. La polarización de la onda radiada varía con la dirección respecto al centro de la antena, por lo que diferentes partes del diagrama de radiación pueden tener diferentes polarizaciones [31]. En la figura 2.1 se muestran los tres tipos de polarización.. Figura 2.1 Tipos de polarización [34]. 2.1.7. Ancho de banda. El ancho de banda es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas restricciones. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia, etc. La expresión del ancho de banda relativo viene dada por [39]:.

(32) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 𝐵𝑊 =. 𝑓𝑚𝑎𝑥 −𝑓𝑚𝑖𝑛 𝑓𝑜. 21. (2.12). Donde fmax y fmax son la frecuencia máxima y mínima que acotan el ancho de banda y fo es la frecuencia central. 2.1.8. Adaptación de impedancia. Una antena puede estar en modo transmisión o en modo recepción, pero la impedancia de la antena para los dos modos de operación es la misma. En recepción la antena puede estar unida a una línea de transmisión o directamente al receptor. Para medir el grado de reflexión de la potencia en una carga, se emplea el parámetro de dispersión S que brinda una idea de la transferencia de potencia hacia la antena. El objetivo de los parámetros S es proveer una descripción completa de una red como es vista a través de sus N puertos. La diferencia fundamental con los otros juegos de parámetros (parámetros Y, H, Z) es que mientras estos miden relaciones entre tensiones y corrientes totales medidas sobre los puertos, los parámetros S miden la relación entre las amplitudes de tensión reflejadas e incidentes cuando no hay reflexión a la salida [40]. En la Figura 2.2 [41] se muestra una línea de transmisión de impedancia característica Zo, ZA es la impedancia de entrada de la antena.. Figura 2.2 Representación de la conexión mediante una línea de trasmisión a la antena [42]. El parámetro S11 se obtendría de la siguiente forma: 𝑆11 =. 𝑍𝐴 − 𝑍0 𝑍𝐴 + 𝑍0. (2.13)..

(33) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 2.2. 22. Características de las antenas de microcinta. Las antenas microcinta datan de los años 50 [43], aunque no recibieron gran atención hasta los años 70 [44]. La investigación en el campo de las antenas microcinta vino motivada por la necesidad de antenas cada vez más ligeras y compactas para las nuevas aplicaciones que operarían en frecuencias de microondas. Estas premisas han dado lugar a que en la actualidad exista una actividad cada vez mayor en este campo y, fruto de ello, las antenas de microcinta aparecen en numerosas aplicaciones y en infinidad de libros, manuales y recopilaciones sobre antenas [45]. La configuración básica de una antena microcinta es una superficie metálica (denominada comúnmente parche) impresa sobre un sustrato dieléctrico de espesor muy pequeño en términos de longitudes de onda. La estructura se completa con un plano metálico en la parte posterior del sustrato dieléctrico comúnmente denominado plano masa (ground plane). La figura 2.1 muestra un ejemplo de antena microcinta tipo parche. Aunque en la figura aparece un parche de geometría rectangular, existen parches de geometrías muy variadas: circular, triangular, anular y elíptica [46].. Figura 2.1 Antena de parche rectangular alimentada por línea de microcinta [49]. Las antenas de microcinta son caracterizadas por un gran número de parámetros físicos. Pueden ser diseñadas para tener muchas formas y dimensiones geométricas [47] [48]. Las antenas de microcinta pueden ser divididas en cuatro categorías básicas: 1. Antenas de parche de microcinta (Microstrip Patch Antennas) 2. Dipolos de microcinta (Microstrip Dipoles) 3. Antena de ranura impresa (Printed Slot Antennas) 4. Antena de microcinta de onda viajera (Microstrip Travelling-Wave Antennas).

(34) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 23. En la tabla 2.1 se muestra una breve comparación de las características de tres de los tipos de antenas de microcinta antes mencionados. Tabla 2.1 Características de varios tipos de antenas de microcinta [48]. Características. Microstrip Patch. Microstrip Slot. Printed Dipole. Antenna. Antenna. Antenna. Perfil. Fino. Fino. Fino. Fabricación. Muy fácil. Fácil. Fácil. Polarización. Lineal y circular. Lineal y circular. Lineal. Posible. Posible. Flexibilidad de la Cualquier forma. Mayormente. Rectangular. forma. rectangulares. Operación en doble Posible frecuencia. y. y triangular. circulares Radiaciones. Existe. Existe. Existe. 2-50%. 5-30%. 5-30%. espurias Ancho de banda. 2.2.1 Ventajas y desventajas de las antenas de parche Como se mencionó anteriormente las antenas de microcinta tipo parche presentan ventajas sobre las antenas convencionales de microonda, estas son [46]: 1. Bajo peso, pequeñas dimensiones y bajo perfil de configuración plana (Directamente proporcional al espesor del sustrato utilizado). 2. Facilidad de producción en masa utilizando la tecnología de circuito impreso, conduce a un bajo costo de fabricación. 3. Integrabilidad con otros circuitos integrados de microondas sobre el mismo sustrato. 4. Provee polarización lineal y circular en función de su alimentación. 5. Compactas, lo cual las hace compatibles con equipos de comunicaciones móviles personales. 6. Permiten frecuencias de operación doble..

(35) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 24. 7. Líneas de alimentación y redes de acoplamiento pueden ser fabricados simultáneamente con la estructura de la antena. Pero a pesar de las ventajas, las antenas de microcinta sufren algunas desventajas en comparación con las antenas convencionales de alambre o de placas suspendidas. Estas desventajas son [46]: 1. Estrecho ancho de banda y problemas asociados con la tolerancia. Puede ser modificado y ampliado teniendo como consecuencia una mayor complejidad en la estructura. 2. Pureza de polarización pobre. 3. Baja eficiencia de radiación (aproximadamente 60 %). 4. Menor ganancia (aproximadamente 6 dBi). 5. Baja capacidad de potencia de manejo debido a la dimensión de la línea de alimentación. 6. Grandes pérdidas óhmicas en la estructura de alimentación de arreglos. 7. Excitación de ondas de superficie.. 2.2.2 Tipos de alimentación Existen varias técnicas de alimentación, entre ellas las más populares son [49]: 1. Por línea de microcinta (Microstrip Line Feed) 2. Por sonda coaxial (Coaxial probe feed) 3. Por abertura acoplada (Aperture Coupled Feed) 4. Por proximidad acoplada (Proximity Coupled Feed) La alimentación por línea de microcinta es uno de los métodos más fáciles de fabricar puesto que es una simple tira conductora y puede ser considerada como una extensión del parche. Es fácil de fabricar y de acoplar controlando la posición de intercalación, además tiene bajo nivel de radiaciones espurias. Por el contrario al aumentar el espesor del sustrato se incrementan las ondas de superficie y las radiaciones espurias acotando el ancho de banda entre un 2% y un 5%. El acople entre el parche y la línea produce niveles altos de radiación en polarización cruzada y campos inducidos. La falta de simetría de la antena hace que se.

(36) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 25. generen modos de orden mayor y que aumente el nivel de radiación en polarización cruzada. En el anexo I [47] se muestra la alimentación por línea de microcinta. En la alimentación por sonda coaxial, el conductor interior está unido al parche radiante y el conductor exterior está conectado al plano de masa. Este tipo de alimentación permite fácil acople y tiene bajo nivel de radiaciones espurias. Como desventajas presenta un ancho de banda reducido y que son difíciles de modelar, sobre todo con sustratos gruesos (espesor > 0.2 λo), porque la propia vía puede actuar como una antena perturbando la señal generada por el parche. También una desventaja es el mayor nivel de radiación en polarización cruzada producida por los modos de orden mayor, causa de la asimetría de la antena. En el anexo II [47] se muestra la alimentación por sonda coaxial. La alimentación por abertura acoplada soluciona los efectos de radiación en polarización cruzada y la aparición de modos de órdenes superiores. Es el más difícil de fabricar y el que menos ancho de banda proporciona pero es más fácil de modelar y tiene un menor nivel de radiaciones espurias. Se basa en dos sustratos separados por un plano de masa, normalmente el sustrato superior presenta una constante dieléctrica más baja que el sustrato inferior. En la superficie inferior del sustrato, situado debajo se encuentra la línea impresa, su energía se acopla al parche a través de una ranura que tiene el plano de masa que separa ambos dieléctricos. Esta configuración permite mejorar el mecanismo de alimentación y el elemento radiante independientemente variando la anchura de la línea de alimentación o la longitud de la ranura. El plano de masa aísla la alimentación del elemento radiante y minimiza la interferencia de las radiaciones espurias. En el anexo III [47] se muestra la alimentación por abertura acoplada. La alimentación por proximidad acoplada evita las desventajas de los dos primeros métodos. Se basa en el acople de energía desde la línea de transmisión utilizada como alimentación del elemento radiante. Este acople se produce a través del sustrato superior, que suele ser delgado. Se obtiene buena pureza de polarización, ausencia de radiación en polarización cruzada en los planos principales, baja radiación espuria y es el método que presenta mayor ancho de banda (hasta un 13 %) que en los modelos anteriores, sin embargo es difícil su fabricación. En el anexo IV [47] se muestra la alimentación por proximidad acoplada..

(37) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 2.3. 26. Métodos de análisis empleados en antenas de microcinta tipo parche. Al hablar del diseño de antenas tipo parche se puede encontrar una gran gama de métodos mediante los cuales se pueden llevar a cabo análisis de las antenas. Dependiendo de la precisión y el grado de sencillez que se busque se puede seleccionar el método que más se ajuste a las necesidades. Entre los diversos métodos existentes para llevar a cabo el análisis de antenas tipo parche se pueden encontrar tres categorías principales: modelos empíricos, semi-empíricos y de onda completa. En el presente trabajo solo se trata el modelo de línea de transmisión que entra en el rango de los empíricos. Los modelos empíricos son los menos precisos a la hora de diseñar, sin embargo son los más sencillos de realizar. Su método de análisis se basa en la suposición de conceptos y estructuras de forma general sin llevar a cabo consideraciones de irregularidades en parámetros. Estos modelos pueden tener un buen nivel de precisión cuando se trabaja en rangos de frecuencias menores a los de las ondas milimétricas (f < 30 GHz) sin embargo, conforme se salen de estos rangos los modelos presentan imprecisiones muy grandes por lo que es necesario utilizar otros modelos en estos casos [50]. A pesar de las limitantes mencionadas, los modelos empíricos tienen un rol muy importante para realizar diseños de los cuales partir en primera instancia, a su vez, aportan un buen sustento para llevar a cabo diseños en rangos superiores a las ondas milimétricas ya que muchos análisis pueden ser llevados a cabo en rangos de microondas y utilizar escalas para diseños a frecuencias más altas [50].. 2.3.1 Modelo de línea de transmisión El modelo de línea de transmisión presenta una gran facilidad de diseño aunque también es el menos preciso, además de que solamente puede ser utilizado para el diseño de antenas rectangulares o circulares. Este modelo considera los bordes de la antena como dos aperturas (slots) que radian. Cada apertura tiene un grosor W (ancho de la antena), una altura h (ancho del sustrato) y separadas a una distancia L (longitud de la antena). Las aperturas a su vez son consideradas como admitancias complejas compuestas de una conductancia G y una susceptancia B. En la figura 2.6 se muestra el circuito equivalente para una antena rectangular con el modelo de línea de transmisión..

(38) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 27. Figura 2.6 Modelo de línea de transmisión de una antena [50]. La distribución de los campos en una antena de parche en los bordes presenta lo que se conoce como efecto de borde (fringing effects), que forman líneas de radiación como se muestra en el anexo V [47]. Dependiendo de la frecuencia de operación así como de los sustratos utilizados para las antenas, los efectos de borde se presentan de diferente forma para cada diseño. Debido a este efecto, la longitud y ancho efectivos de la antena no es de igual valor que las dimensiones físicas. A su vez los efectos de borde se presentan en dos medios en una antena de microcinta: el aire y el sustrato dieléctrico utilizado para la antena, por lo que se tienen dos permitividades eléctricas distintas y la distribución de los campos será diferente de un medio al otro. Los efectos de borde a su vez ocasionan que la longitud efectiva de la antena sea diferente a la longitud física, por lo tanto debe considerarse este efecto cuando se diseña una antena [50]. El diseño mediante el método de línea de transmisión se resume en los siguientes pasos: 1. Se especifica la frecuencia de operación y el sustrato a utilizar para la construcción de la antena con lo cual se asignan los valores de: fr (frecuencia de operación) εr (permitividad eléctrica del sustrato) h (altura del sustrato) 2. Se obtiene el ancho efectivo de la antena de parche rectangular mediante la fórmula: 𝑊 =. 1 2𝑓𝑟 √𝜇𝑜 𝜖𝑜. √𝜖. 2 𝑟 +1. =. 𝑐 2𝑓𝑟. √𝜖. 2 𝑟 +1. (2.14). Donde c es la velocidad de la luz en el espacio libre. 3. Se obtiene la permitividad eléctrica efectiva mediante la ecuación:.

(39) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 𝜀𝑟,𝑒𝑓𝑓 =. 𝜀𝑟 +1 2. +. 𝜀𝑟 −1 2. ∙. 1 ℎ 𝑊. 28. (2.15). √1+12. 4. Se obtiene la extensión ΔL mediante la siguiente ecuación que derivará en la obtención de la longitud real de la antena considerando la longitud efectiva: ∆𝐿 = 0.412ℎ. 2.4. 𝑊 ℎ 𝑊 (𝜀𝑒𝑓𝑓 +0.03)( +0,8) ℎ. (𝜀𝑒𝑓𝑓 +0.03)( +0,264). (2.16). Arreglos de antenas. Cuando se requiere una mayor directividad de la que puede obtenerse con una sola antena, se emplean arreglos de antenas. Un arreglo es un sistema de antenas iguales que están orientadas similarmente y consiste de un gran número de antenas individuales, las cuales pueden ser cualquiera de las mencionadas como por ejemplo antenas de parche, de alambre (usualmente todas del mismo tipo) arregladas en forma de red o parrilla uniforme. Controlando la amplitud y fase de la señal de excitación de cada elemento, se puede tener mayor control sobre el patrón de radiación del arreglo en función del nivel de los lóbulos laterales y posicionamiento del haz principal. Por ejemplo, un arreglo de antenas por cambio de fase, utiliza cambiadores de fase los cuales se controlan electrónicamente para realizar un seguimiento rápido del haz principal [33]. El campo total del arreglo está determinado por la suma vectorial de los campos radiados por los elementos individuales. En una serie de elementos idénticos, hay cinco procedimientos que se pueden utilizar para cambiar el patrón de radiación de la antena. Estos son: cambio de la configuración geométrica de todo el arreglo, variación del distanciamiento entre los elementos, cambio de la amplitud y variación de la fase de excitación individual de cada elemento y cambio del patrón de los elementos individuales [51]. Existen diferentes tipos de arreglos. Los arreglos lineales tienen los elementos dispuestos sobre una línea recta. Los arreglos planos son agrupaciones bidimensionales cuyos elementos están sobre un plano. Los arreglos conformados son aquellos donde los elementos radiantes se disponen sobre una forma específica como podría ser un cilindro, una pirámide o un prisma [33]. El factor de array es el diagrama de radiación de una agrupación de elementos isotrópicos. Cuando los diagramas de radiación de cada elemento del array son iguales y los elementos.

(40) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 29. están orientados en la misma dirección del espacio, el diagrama de radiación de la agrupación se puede obtener como el producto del factor de array por el diagrama de radiación del elemento, esto es E(Total) = [E(elemento)] x [Factor del Arreglo] [33]. Entre los aportes más relevantes de los arreglos de antenas está el aumento de la ganancia, que teóricamente aumenta en 3 dBi cuando se duplica el número de elementos del arreglo y la mejora del patrón de radiación [52]. 2.5. Caracterización de las herramientas de simulación. Para la simulación de antenas han sido desarrollados diversos software donde algunos presentan mayores potencialidades que otros. Estas herramientas permiten la obtención de resultados precisos y además, permiten evaluar la viabilidad, fidelidad y eficiencia del diseño antes de que sea implementado en hardware. En este trabajo se emplea el CST Microwave Studio y el MATLAB. 2.5.1 Caracterización de la herramienta CST Microwave Studio 2014 El software CST Microwave Studio, perteneciente a CST (Computer Simulation Technology), es una herramienta especializada para la simulación en tres dimensiones de componentes que trabajan a alta frecuencia. Simplifica el proceso de creación de estructuras proporcionando un poderoso modelado gráfico de sólidos. Después de que el modelo se diseñe, se aplica un procedimiento para la generación de la malla completamente automático antes de que comience la máquina de simulación. El simulador utiliza el método “PBA” (Perfect Boundary Approximation), el algoritmo “FIT” (Finite Integration Technique) y la “TST” (Thin Sheet Technique), tratando de asegurar una mayor precisión de los resultados que los obtenidos por un simulador convencional [53] [54]. Proporciona varias técnicas de simulación diferentes: transitorio, en el dominio de la frecuencia, por ecuaciones integrales, asintótico, multicapa, lo que lo hace adecuado para muchos tipos de aplicaciones. Sus aplicaciones abarcan desde comunicaciones móviles, diseño sin hilos e integridad de la señal, hasta diseño y análisis de campos electromagnéticos en general. Cada resultado de las simulaciones puede visualizarse, de nuevo, con una gran variedad de opciones. Además permite la completa parametrización del modelo de la estructura, lo que habilita el uso de variables en el diseño..

(41) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 30. La técnica más flexible es el análisis transitorio, de la cual se puede obtener el comportamiento en banda ancha de un solo golpe. Este tipo de simulación es indicada para los conectores, las líneas de transmisión, los filtros y las antenas. Sin embargo, el diseño de filtros necesita un análisis modal preciso, obtenido mediante el solucionador eigenmode. El software se basa principalmente en FIT, un algoritmo matemático que permite una completa discretización de la estructura en cuestión [53] [54]. FIT es el acrónimo de “Finite Integration Technique”, uno de los mejores métodos de discretización numérica para la simulación de campos electromagnéticos que se ha mostrado como un elemento indispensable de análisis y síntesis en los diversos campos de aplicación. La idea fundamental de esta técnica es el uso durante la discretización matemática del problema, de la forma integral de la ecuación de Maxwell en lugar de la fórmula diferencial [53] [54].. 2.5.2 Caracterización de la herramienta MATLAB 2015 MATLAB es un entorno de computación y desarrollo de aplicaciones totalmente integrado, orientado para llevar a cabo proyectos donde se encuentren implicados elevados cálculos matemáticos y la visualización gráfica de los mismos, integrando análisis numérico, cálculo matricial y procesado de señal; en un entorno completo donde los problemas y sus soluciones son expresados del mismo modo en que se escribirían tradicionalmente, sin necesidad de hacer uso de la programación tradicional. MATLAB es uno de los programas más utilizados dado sus resultados en tiempo real y visualización gráfica de las ecuaciones en dos y tres dimensiones, señales, simulación de sistemas dinámicos, identificación de sistemas, redes neuronales entre otros [55]. 2.6. Conclusiones Parciales. En este capítulo se abordaron de forma general los tipos de antenas que existen y sus principales parámetros. Se trató específicamente las características de las antenas de microcinta, haciéndose mención de las principales ventajas y desventajas de las de tipo parche, los tipos de alimentación que se emplean y los métodos de análisis, específicamente el modelo de línea de transmisión. También se expusieron las ventajas del empleo de arreglos.

(42) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROCINTA. 31. de antenas; y finalmente se realizó una caracterización de la herramienta de simulación CST Microwave Studio 2014 y del asistente matemático MATLAB 2015..