Conjunto de antenas para redes WI FI

Texto completo

(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Conjunto de antenas para redes WI-FI Autor: Ken Manuel Valdivia Martínez Tutor: Msc. David Beltrán Casanova. 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 Conjunto de antenas para redes Wi-Fi. Autor: Ken Manuel Valdivia Martínez E-mail: kvmartinez@uclv.cu Tutor: Msc. David Beltrán Casanova E-mail: dbeltranc@uclv.edu.cu Consultante:. 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 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. “El futuro tiene muchos nombres. Para los débiles es lo inalcanzable. Para los temerosos, lo desconocido. Para los valientes es la oportunidad.” Víctor Hugo.

(5) ii. DEDICATORIA. Especialmente a mi mamá por ser la principal fuente de apoyo en toda mi vida, mi guía y la razón por la cual me he esforzado todos estos años. A mi papa, mis abuelos y demás familiares que estuvieron pendientes de todo mi trayecto como estudiante A mi esposa por ser mi complemento perfecto, tanto en la vida estudiantil como en la personal, por amarme y apoyarme. A todos mis compañeros de curso, que hicieron del ciclo universitario una experiencia inolvidable..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Mi más sincero agradecimiento a todas las personas que de una forma u otra me brindaron su apoyo, y a todos los que han sido parte de este hermoso sueño que hoy se hace realidad. Especialmente: A mi mamá Beatriz por ser tan sacrificada y forjar la persona en que me he convertido. A mi papá Lázaro por ser un ejemplo de devoción y dedicación. A mi esposa Lisandra por el amor y apoyo incondicional que me ha dado todos estos años de estudio. A toda mi familia por creer en mí, en especial a mi abuelo Octavio por ser la mejor persona en el mundo. A mi suegra Nodaisy por toda su ayuda. A mi tutor el master en ciencias David Beltrán Casanova por los conocimientos transmitidos. A mi compañero de aula y amigo Edgar Antonio por ser una de las personas que más me ayudó en el transcurso de la carrera y en este trabajo de diploma. A todas las niñas del cuarto 101 C del 900 por aguantarme casi 5 años. A todos los profesores de la Facultad de Ingeniería Eléctrica que participaron en mi formación como ingeniero..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados para la realización de esta tesis, se tomaron en cuenta para la confección del informe final las siguientes tareas técnicas:  Revisión bibliográfica acerca de las principales antenas usadas en las redes Wi-Fi y de los criterios de diseño de las mismas.  Estudio de los basamentos teóricos y métodos de diseño a los que están sujetos los prototipos de antenas en cuestión.  Diseño y simulación de los prototipos de antenas seleccionados.  Evaluación de los parámetros de las antenas propuestas a través de las mediciones de campo.  Elaboración del informe final que contenga los resultados de la investigación.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Esta investigación se centra en el diseño de dos prototipos de antenas para redes Wi-Fi que operan en la banda de frecuencias de 2.4 GHz, Helicoidal y Belgrano. Debido a sus particularidades en cuanto a polarización, facilidad de implementación y numerosas ventajas que presentan. El informe de la investigación expone los fundamentos teóricos de las antenas seleccionadas. Se refieren los métodos de diseño de las mismas. Se presenta el software CST Microwave Studio 2015 como herramienta fundamental para la simulación y análisis de resultados. Además, se propone una variante de la antena helicoidal miniaturizada y una antena Belgrano para la banda Wi-Fi de 5 GHz. El principal aporte de este proyecto radica en su utilidad metodológica como complemento a la asignatura Antenas; además de poner a disposición de todos los estudiantes y demás personas interesadas en el tema las herramientas y conocimientos para implementar estos diseños, como alternativa viable en términos de costo, y además lograr buenas prestaciones..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 3 CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi. ... 7. 1.1 Parámetros básicos de antenas. ............................................................................... 7 1.1.1. Patrón de radiación. ........................................................................................ 7. 1.1.2. Intensidad de radiación. .................................................................................. 8. 1.1.3. Directividad. ................................................................................................... 9. 1.1.4. Eficiencia. ..................................................................................................... 10. 1.1.5. Ganancia. ...................................................................................................... 11. 1.1.6. Ancho de banda. ........................................................................................... 11. 1.1.7. Adaptación de impedancia. ........................................................................... 11. 1.1.8. Relación de onda estacionaria....................................................................... 12. 1.1.9. Área y longitud efectiva ................................................................................ 13.

(10) vii 1.1.10 Polarización. ................................................................................................. 13 1.2 Antena helicoidal. ................................................................................................. 15 1.2.1. Características geométricas de la antena helicoidal. ..................................... 15. 1.2.2. Modos de operación. ..................................................................................... 16. 1.2.3. Modo normal de radiación. ........................................................................... 17. 1.2.3.1 Análisis de la hélice radiando en modo normal ......................................... 17 1.2.4. Modo axial de radiación. .............................................................................. 19. 1.2.4.1 Distribución de corrientes en la hélice .................................................... 20 1.2.4.2 Fase de la onda radiada. ........................................................................... 21 1.2.4.3 Análisis del patrón de campo mediante el método del arreglo. ............... 22 1.2.4.4 Patrón de radiación de una vuelta de la hélice. ........................................ 22 1.2.4.5 Factor de arreglo. ..................................................................................... 25 1.2.4.6 Análisis del patrón de campo mediante el método de integración de elementos de corriente ........................................................................................... 27 1.3 Antena Belgrano. .................................................................................................. 28 1.3.1. Origen. .......................................................................................................... 28. 1.3.2. Ventajas y limitaciones ................................................................................. 29. 1.3.3. Tipos de ondas en líneas microstrip ............................................................. 30. 1.3.4. Requerimientos para circuitos y antenas ...................................................... 31. 1.3.5. Patrón de radiación ....................................................................................... 32. 1.3.6. Ancho de banda ............................................................................................ 32. 1.3.7. Configuraciones de antenas microstrip......................................................... 33. 1.3.7.1 Antenas de parche .................................................................................... 33 1.3.7.2 Dipolos microstrip ................................................................................... 33 1.3.7.3 Antenas de ranura impresa ...................................................................... 34.

(11) viii 1.3.7.4 Antenas microstrip de onda viajera ......................................................... 34 1.3.8. Métodos de análisis ....................................................................................... 34. 1.3.8.1 Modelos empíricos .................................................................................. 34 1.3.8.1.1. Modelo de línea de transmisión ........................................................... 35. 1.3.8.1.2. Modelo de cavidad ............................................................................... 36. 1.3.8.2 Modelos semi-empíricos.......................................................................... 36 1.3.8.3 Modelos de onda completa ...................................................................... 37 1.3.9. Métodos típicos de alimentación de antenas tipo parche .............................. 37. 1.3.9.1 Alimentación directa................................................................................ 37 1.3.9.1.1. Alimentación por mictrostrip ............................................................... 38. 1.3.9.1.2. Alimentación directa con sonda coaxial .............................................. 38. 1.3.9.2 Alimentación por proximidad .................................................................. 39 1.3.9.3 Alimentación por apertura ....................................................................... 40 MÉTODOS DE DISEÑO DE LAS ANTENAS SELECCIONADAS. CAPÍTULO 2.. PARA REDES Wi-Fi. ........................................................................................................... 41 2.1 Diseño de la antena helicoidal. ............................................................................. 41 2.2 Diseño de la antena Belgrano. .............................................................................. 44 SIMULACIÓN DE LAS ANTENAS PROPUESTAS Y ANÁLISIS DE. CAPÍTULO 3.. LOS RESULTADOS OBTENIDOS MEDIANTE EL SOFTWARE CST MICROWAVE STUDIO 2015.. 51. 3.1 CST Microwave Studio 2015 ................................................................................ 51 3.2 Especificaciones iniciales ..................................................................................... 52 3.3 Edición de la antena helicoidal con CST MICROWAVE STUDIO 2015 ........... 52 3.3.1. Optimización del diseño. .............................................................................. 54. 3.3.1.1 Simulación y evaluación del comportamiento de la antena. ................... 54.

(12) ix 3.3.1.2 Análisis de las características de radiación de la antena. ........................ 58 3.3.2. Miniaturización de la antena. ........................................................................ 60. 3.3.2.1 Análisis de los resultados alcanzados en las simulaciones ...................... 61 3.3.2.2 Análisis de las características de radiación de la antena. ........................ 64 3.4 Edición de la antena Belgrano con CST MICROWAVE STUDIO 2015 ............... 66 3.4.1. Optimización del diseño. .............................................................................. 68. 3.4.1.1 Simulación y evaluacion del comportamiento de la antena en el simulador. .............................................................................................................. 68 3.4.1.2 Análisis de las características de radiación de la antena. ........................ 72 3.4.2. Análisis de la antena prescindiendo de sustrato. ........................................... 72. 3.4.3. Rediseño de la antena para operar en la banda de 5 GHz ............................. 77. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 80 Conclusiones ................................................................................................................. 80 Recomendaciones ......................................................................................................... 81 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 82 ANEXOS ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Anexo I. Hoja de datos del sustrato FR4. .............. ¡Error! Marcador no definido.. Anexo II. Dimensiones de los modelos de antenas helicoidales.¡Error! Marcador no definido.. Anexo III. Dimensiones de la antena Belgrano con sustrato FR4.¡Error! Marcador no definido.. Anexo IV. Dimensiones de la antena Belgrano sin sustrato.¡Error! Marcador no definido.. Anexo V. Dimensiones de la antena Belgrano para la banda de 5 GHz. ........ ¡Error! Marcador no definido..

(13) x.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. INTRODUCCIÓN. Las comunicaciones son una parte vital en la vida de las personas, teniendo gran repercusión en la educación, negocios y muchas otras situaciones donde las personas necesitan contactar entre sí. Además, existe una continuada demanda de transmisión de datos a altas tasas de transmisión a través de largas distancias. Después de la primera demostración de tecnología inalámbrica hecha por Heinrich Hertz y su aplicación práctica en radio comunicaciones por Guglielmo Marconi la antena ha ido cobrando importancia en la sociedad hasta volverse indispensables. Están en todos lados, en hogares y grupos de trabajo, en autos, aeronaves y barcos, los satélites y naves espaciales se encrespan con ellas, incluso como peatones las llevamos encima [1]. La tendencia a la movilidad y la ubicuidad hacen que cada vez sean más utilizados los sistemas inalámbricos y la antena ha sido un bloque indispensable en la construcción de cada uno de estos sistemas [2]. En general la tecnología inalámbrica utiliza ondas de radiofrecuencia de baja potencia y una banda específica, de uso libre o privado, para transmitir entre dispositivos. La revolución de la tecnología inalámbrica es uno de los indicadores más poderosos e influyentes en el cambio del estilo de vida de las personas. Esta revolución está creando un diluvio de nuevos dispositivos que incrementan dramáticamente la disponibilidad de voz y datos casi en cualquier lugar del mundo. Nuevos equipos salen al mercado cada día con mejor desempeño que sus predecesores, lo que requiere también un diseño mejorado de la antena. La antena se define como el medio encargado de radiar o recibir ondas radioeléctricas. Es un arreglo de conductores eléctricos con la función de radiar y recibir ondas.

(15) INTRODUCCIÓN. 4. electromagnéticas de forma eficiente en direcciones deseadas. Es también considerada como interface y estructura guía entre la línea de transmisión y el espacio, actuando como sistema de macheo entre fuentes de energía electromagnética y el espacio. En un sistema de comunicación radiado, las antenas constituyen la zona de transición entre una región con una onda electromagnética guiada, que puede representarse mediante voltajes y corrientes (hilos conductores y líneas de transmisión) y otra con una onda electromagnética en el espacio libre, que puede representarse mediante campos y tiene cierta direccionalidad. Así, la antena trasmisora transforma la onda guiada en ondas electromagnéticas que radiará al espacio libre con el objetivo de que la antena receptora las reciba y realice la operación inversa. Además, deberán transmitir y recibir cumpliendo las características adecuadas a la aplicación para la cual se han diseñado, la cual impondrá condiciones y restricciones sobre la región del espacio en la que se desea radiar, como por ejemplo la frecuencia de trabajo o la direccionalidad, entre otros. En estos momentos en el país, la empresa de Telecomunicaciones de Cuba “ETECSA” ha dado importantes pasos en la implementación de redes inalámbricas con tecnología Wi-Fi, para brindar servicios a la población, hecho que ha sido aceptado masivamente. Debido a que no existía una infraestructura previa, ha sido necesario realizar inversiones en dispositivos, que a su vez pueden ser muy costosos en el mercado. Teniendo en cuenta la situación actual del país, y que la adquisición de antenas con tecnología de punta tiene un costo alto, la solución podría ser una línea nacional de ensamblaje de antenas con un desempeño similar a las que se encuentran en el mercado. Con este fin, el proyecto presenta gran utilidad metodológica como complemento a la asignatura Antenas. Actualmente en la Universidad Central Marta Abreu de las Villas no existen trabajos precedentes que aborden sobre el tema. Por este motivo el proyecto contempla el diseño de dos tipos de antenas para redes Wi-Fi: Belgrano y Helicoidal; debido a la gran aplicabilidad que presentan estos diseños hoy en día y las cuales servirán como motivación a los estudiantes que cursan la asignatura de Antenas. Por lo expuesto anteriormente se llega al siguiente problema científico:  ¿Cómo contribuir con estos ejemplos a mejorar la calidad de la asignatura Antenas?.

(16) INTRODUCCIÓN. 5.  ¿Cómo verificar que el método de diseño teórico corresponde con el diseño práctico? El objetivo general que persigue el siguiente trabajo es diseñar antenas para redes Wi-Fi y analizar su comportamiento mediante la utilización del software de simulación CST Microwave Studio 2015. En vísperas de ofrecer solución al problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general del proyecto, se plantean los siguientes objetivos específicos:  Abordar la teoría relacionada con las antenas para redes Wi-Fi.  Emplear el software de simulación CST Microwave Studio 2015 para la simulación y optimización de las antenas seleccionadas.  Analizar los resultados obtenidos mediante las simulaciones. Para ello y en concordancia con cada uno de los objetivos específicos se crean las interrogantes científicas:  ¿Cuál es la situación actual en los conocimientos de las antenas seleccionadas para aplicaciones Wi-Fi?  ¿Cómo evaluar la efectividad de los métodos de diseño expuestos con la utilización del software CST Microwave Studio 2015?  ¿Existe correspondencia entre el diseño teórico y los resultados alcanzados en las simulaciones? El informe de la investigación consta de 3 capítulos en los cuales se abordan las siguientes temáticas: Capítulo 1: Se dedicará al estudio teórico de antenas usadas en esta tecnología, las cuales son: Antena Helicoidal y Antena Belgrano. Capítulo 2: Se utilizará para expresar el diseño teórico de las antenas, así como los cálculos realizados para cada una de estas. Capítulo 3: Se dedicará a la simulación de las antenas y a expresar los resultados de la validación de la efectividad del método y la calidad de los diseños..

(17) INTRODUCCIÓN. 6. El trabajo consta de conclusiones donde se establece un análisis de los resultados obtenidos. También presenta recomendaciones que toman en consideración aspectos que puedan perfeccionar, además de enriquecer el trabajo en futuras investigaciones. Las referencias bibliográficas conforman un listado de la bibliografía utilizada teniendo en cuenta las normas establecidas. Los anexos incluyen aquellos aspectos del trabajo que por su longitud o complejidad no se incluyen en el texto de la tesis pero que auxilian a una mejor comprensión de lo que se expone en ella..

(18) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 7. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. El capítulo que se presenta a continuación expone las principales bases teóricas que nutren el trabajo presentado posteriormente. Mediante esta sección se hace un acercamiento teórico a las antenas Wi-Fi, particularizando en dos tipos: la antena Helicoidal y la antena Belgrano, y sus peculiaridades en cuanto a geometría, patrón de radiación y principios electromagnéticos que hacen posible su funcionamiento. 1.1 Parámetros básicos de antenas El comportamiento de una antena es descrito por un conjunto de parámetros, por lo que esta sección se destina al análisis de algunos de los más relevantes a la hora de describir el desempeño de las antenas propuestas en el proyecto. Cabe destacar que algunos de estos parámetros están interrelacionados y no es necesario tomarlos todos en consideración para llegar a una completa descripción de la antena. Una discusión más detallada puede consultarse en [3]. 1.1.1 Patrón de radiación El patrón de radiación de la antena se define como una función matemática o una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena en función de coordenadas espaciales. En la mayoría de los casos se determina en la región de campo lejano como función de coordenadas direccionales. Dentro de las propiedades de radiación se encuentra la densidad de flujo de potencia, la intensidad de radiación, directividad, polarización entre otras. La representación del campo eléctrico (magnético) recibido con un radio constante se denomina patrón de amplitud de campo, mientras que la variación.

(19) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 8. espacial de la densidad de potencia con un radio constante se denomina patrón de amplitud de potencia [4]. Dado que la densidad de potencia es proporcional al cuadrado del módulo del campo eléctrico, tanto el diagrama de potencia como el diagrama de radiación de campo de la antena proporcionan la misma información. Si se observara la antena desde una gran distancia, se podría ver la radiación electromagnética como si se propagara hacia el exterior a partir de un punto o un conjunto de puntos, de modo que sus frentes de onda serían esféricos, siendo la fase de la señal igual en cualquier punto de la esfera. Este punto se conoce como centro de fase de la antena y corresponde al centro de curvatura de las superficies de fase constante. Esto significa que el valor de la fase es constante en un área angular determinada cuando se mide con respecto a un sistema de coordenadas en el que el centro de fase está situado en el origen. Sin embargo, la posición exacta del centro de fase es ambigua para la mayoría de las antenas, ya que puede variar en función de diversos factores como la longitud de onda, la frecuencia o el ángulo de incidencia, por lo que normalmente el centro de fase no se encuentra en el origen del sistema de coordenadas. Según como se distribuya el diagrama de radiación en función de las distintas direcciones del espacio, las antenas pueden clasificarse en antenas isótropas, omnidireccionales o directivas. En este caso, dado que el campo de aplicación del proyecto es Wi-Fi, se trabajará con antenas directivas. 1.1.2 Intensidad de radiación La intensidad de radiación en una dirección específica se define como la potencia radiada por unidad de ángulo sólido. La intensidad de radiación es un parámetro que se analiza en la región de campo lejano, y se obtiene multiplicando la densidad de radiación por el cuadrado de la distancia. Matemáticamente se representa por la expresión 1.1 [4]. (1.1) U: intensidad de radiación (W/unidad de ángulo sólido).

(20) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 9. Wrad: densidad de radiación (W/m2) 1.1.3 Directividad La directividad, de acuerdo con la expresión 1.2 se establece como la relación entre la densidad de potencia radiada en determinada dirección y la intensidad de radiación promedio en todas direcciones, donde la intensidad de radiación promedio se calcula como la potencia total radiada por la antena dividida por 4π. Si no se especifica la dirección, se toma la de máxima radiación [4]. (1.2) Dmax: directividad en la dirección de máxima radiación Umax: máxima intensidad de radiación( W/unidad de ángulo sólido) Prad: potencia total radiada (W) Para antenas con componentes de polarización ortogonales, la máxima directividad se calcula como la suma de las directividades parciales correspondiente a la polarización dada. (1.3) Donde las directividades parciales Dθ y Dϕ empleadas en la expresión 1.3 se calculan mediante las expresiones 1.4 y 1.5 respectivamente.. (. ). (. ). (1.4). (1.5) (. ). (. ). Uϕ: intensidad de radiación contenida en la componente de campo Eϕ Uθ: intensidad de radiación contenida en la componente de campo Eθ.

(21) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 10. 1.1.4 Eficiencia Las antenas tienen asociados fenómenos de reflexión, conducción y pérdidas. Cada uno de estos fenómenos tiene asociado determinados coeficientes que resultan de utilidad para estimar la eficiencia de la antena [4]. Dichos coeficientes pueden ser apreciados en la Figura 1.1.. Figura 1.1. a) Reflexión, conducción y pérdidas dieléctricas, y b) terminales de referencia de la antena. En general, la eficiencia total puede ser calculada mediante la expresión 1.6. (1.6) e0: eficiencia total er: eficiencia de reflexión ec: eficiencia de conducción ed: eficiencia del dieléctrico Los coeficientes ec y ed se determinan experimentalmente, y aun con mediciones no pueden ser separados, por lo que es conveniente escribir la expresión 1.6 como sigue: (1.7) El término ecd da la eficiencia de radiación de la antena, la cual se usa para relacionar la ganancia y la directividad..

(22) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 11. 1.1.5 Ganancia A pesar de que la ganancia de la antena está estrechamente relacionada con la directividad, es una medición que toma en cuenta la eficiencia de la antena, así como sus capacidades direccionales. La ganancia de la antena se define, en determinada dirección, como la razón entre la intensidad de radiación de la antena y la intensidad de radiación de la fuente isotrópica correspondiente [5]. 1.1.6 Ancho de banda El ancho de banda (BW) se define como el rango o margen de frecuencias dentro del cual los parámetros de la antena satisfacen las características y requisitos de diseño impuestos por el sistema. El ancho de banda puede ser considerado como el rango de frecuencias, con centro en una frecuencia central (usualmente la frecuencia de resonancia) donde las características de la antena, sean estas polarización, ganancia, eficiencia de radiación, entre otras; tienen un valor aceptable en concordancia con el diseño. Debido a que las características de una antena en cuanto a impedancia de entrada, patrón de campo, ganancia, polarización entre otras no necesariamente varían de la misma manera, o no están incluso afectadas críticamente por la frecuencia, no existe una única caracterización para el ancho de banda. Las especificaciones son hechas en cada caso para cumplir las necesidades de una aplicación en particular. Usualmente se hace una distinción entre variaciones en el patrón y variaciones en la impedancia, para enfatizar esta distinción se usan los términos pattern bandwidth (ancho de banda del patrón) e impedance bandwidth (ancho de manda de impedancia). Asociado con el primero está la ganancia, los niveles de lóbulos laterales, polarización entre otros, mientras que la impedancia de entrada, el coeficiente de reflexión y la eficiencia de radiación están relacionadas con el ancho de banda de impedancia[5]. 1.1.7 Adaptación de impedancia. La adaptación de impedancia es un parámetro que mide el acople de las impedancias de entrada y salida del sistema, con el objetivo de conseguir una máxima transferencia de potencia entre ambos y disminuir así las pérdidas de potencia debido a reflexiones. Para ello, las impedancias deben ser iguales. También es posible determinar la adaptación de las.

(23) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 12. antenas a partir de la observación de la representación gráfica del coeficiente de reflexión (S11) de las mismas, que proporciona información sobre la transferencia de potencia. (1.8). ZA: impedancia de entrada de la antena Z0: impedancia característica de la línea de transmisión El coeficiente de reflexión de una antena con respecto a una línea de transmisión o el receptor, usualmente conectados como se muestra en la Figura 1.2, es un parámetro que describe la amplitud o intensidad de la onda reflejada, que se produce cuando la onda incidente atraviesa dos medios con propiedades de propagación distintas. Para considerar que la antena está adaptada, la gráfica debe presentar un valor inferior a -10 dB en la frecuencia o banda de frecuencias para la que se desea obtener adaptación, lo que indica que las pérdidas por reflexión son despreciables y se transmite un mínimo del 90 % de la potencia máxima a la carga.. Figura 1.2. Ejemplo de línea de transmisión. 1.1.8 Relación de onda estacionaria La relación de onda estacionaria (Standing Wave Ratio) se define como la relación entre el mínimo y el máximo de la onda estacionaria de tensión o de corriente que se forma a la.

(24) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 13. salida del generador tal como se muestra en la Figura 1.2. Para el caso concreto de relación de tensión, las siglas utilizadas son VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). Este parámetro está directamente relacionado con la adaptación de la antena ya que se puede obtener como: | |. | |. (1.9). La relación de onda estacionaria ofrece una idea de la potencia que se ha transmitido a la carga, o la reflexión que se ha producido en la carga por falta de adaptación. Un valor de VSWR=1 indicaría que la antena está perfectamente adaptada, en la práctica esta condición no es posible de lograr. Aun así, si se considera que |S11|< -10 dB implicará una VSWR<2, lo cual ofrece, en el caso crítico, un 90 % de transferencia de potencia. 1.1.9 Área y longitud efectiva El área efectiva de una antena receptora es el área del frente de onda incidente a partir de la cual la antena extrae la potencia, y se define como la relación entre la potencia que la antena entrega a su carga (que se supone sin pérdidas y adaptada) y la densidad de potencia que representa dicha porción del frente de onda. La longitud efectiva es un indicador de la efectividad de la antena como radiador o como colector de la radiación electromagnética. Tanto el área efectiva como la longitud de onda se definen a partir de magnitudes eléctricas y no tiene por qué coincidir con las magnitudes físicas reales de la antena, aunque para algunos tipos de antenas puede existir una relación directa entre ellas. 1.1.10 Polarización. La polarización de una antena es un parámetro que indica como varía la orientación del vector de campo eléctrico en un punto fijo del espacio a medida que transcurre el tiempo. Se usa para analizar la radiación de la antena en cada punto del espacio. Existen tres tipos de polarización, lineal, circular y elíptica. Si la figura que describe la variación temporal del campo eléctrico es un segmento, se dice que la onda tiene polarización lineal, si es un círculo su polarización es circular, mientras que si es una elipse se denomina elíptica. Tanto para las ondas circularmente polarizadas como para las elípticas, si el sentido de giro del campo eléctrico avanza en la dirección de propagación o siguiendo el sentido de las agujas.

(25) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 14. del reloj se dice que la polarización es de mano derecha, el sentido opuesto corresponde con la polarización de mano izquierda.. Figura 1.3. a) Diferentes trazos descritos por una onda en el tiempo y b) polarización elíptica. Las antenas helicoidales tienen la característica de lograr la polarización circular con cierta facilidad, esta característica es deseable ya que este tipo de polarización está sujeta a menos interferencias. En enlaces punto a punto, la utilización de este tipo de antena permite alcanzar grandes distancias, por lo que el diseño propuesto está basado en este tipo de enlace. Para la polarización circular OA y OB en la Figura 1.3 b) toman el mismo valor en magnitud mientras que toman valores reales en la polarización lineal. En cada punto de la esfera de la Figura 1.3 b), la polarización se puede descomponer en dos fases ortogonales, la componente copolar (deseada) y la componente contrapolar (no deseada). Para mantener esto, la copolarización debe ser especificada en cada punto de la esfera. La mayoría de las redes Wi-Fi que brindan servicios transmiten con polarización lineal vertical, por lo que la antena helicoidal no es recomendable para este tipo de enlaces debido a las grandes pérdidas por despolarización de la onda. En este caso la antena Belgrano se concibe como una alternativa para lograr conexión a las redes Wi-Fi con polarización lineal..

(26) CAPÍTULO 1.. 1.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 15. Antena helicoidal. La antena helicoidal tiene una larga historia y ha sido objeto de muchos estudios y desarrollo desde su invención en 1946 por el profesor de la universidad de Ohio John D. Kraus y puede considerarse como una genialidad en lo que respecta al diseño de antenas. Las antenas helicoidales han sido ampliamente usadas como radiadores simples y prácticos durante las últimas 5 décadas debido a sus propiedades únicas, ha sido de mucha utilización en comunicaciones para el telecontrol de satélites (TTC) y es muy popular entre los radio-aficionados [6], pero su empleo no es frecuente en redes Wi-Fi. El análisis riguroso de una antena helicoidal es extremamente complicado, aun así, sus propiedades de radiación, patrón de campo lejano, razón axial e impedancia han sido investigados usando métodos experimentales, técnicas analíticas aproximadas y análisis numéricos. 1.2.1 Características geométricas de la antena helicoidal La antena helicoidal consiste de un conductor (generalmente cilíndrico) enrollado en forma de hélice con un diámetro constante y un plano de tierra o reflector. Se puede considerar la antena helicoidal como un híbrido de las antenas dipolo y las antenas de lazo. Una antena helicoidal se convierte en una antena lineal a medida que su diámetro y el ángulo de paso tienden a cero; de igual manera, con un diámetro dado se convierte en una antena de lazo a medida que el espaciamiento entre vueltas tiende a cero.. Figura 1.4. a) Geometría de la antena, b) vuelta desenrollada en un plano..

(27) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 16. La Figura 1.4 a) muestra la geometría de una antena helicoidal convencional, descrita por seis parámetros que se presentan a continuación: D: diámetro de la hélice S: espaciamiento entre vueltas N: número de vueltas C: circunferencia de la hélice A: longitud axial total α: ángulo de paso Si una vuelta de la hélice es desenrollada como se muestra en la Figura 1.4 b), la relación entre los parámetros S, C, α y la longitud del conductor en una vuelta, L, es obtenida como sigue: (1.10) √. √. (1.11). Dependiendo de la geometría de la hélice la radiación puede ser, en teoría, circular, elíptica o plana, aunque es propio de este tipo de antenas la polarización circular [7]. Además, la polarización circular es poco sensible a los fenómenos atmosféricos, e independiza bastante la calidad de los enlaces respecto a la orientación angular de las antenas ya que todas las posiciones son equivalentes. La polarización puede ser de mano derecha (RHCP), o de mano izquierda (LHCP), en dependencia del sentido de bobinado con que se construya la antena. Una antena diseñada para ondas de polarización de mano derecha no recibirá ondas con polarización de mano izquierda y viceversa. 1.2.2 Modos de operación El campo electromagnético alrededor de una hélice puede ser considerado de dos puntos de vista: el primero, como un campo guidado a lo largo de la hélice; asumiendo que la onda.

(28) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 17. electromagnética se pude propagar sin atenuación a lo largo de una hélice infinita, tal y como lo hace en una línea de transmisión infinita o guía de onda, este tipo de propagación puede ser descrita por el modo de transmisión. El segundo punto de vista es considerando que el campo electromagnético en la hélice es un campo radiante y puede ser descrito por el patrón de radiación de la antena. A pesar de que una infinidad de patrones son posibles, dos son de particular interés, el modo normal de radiación y el modo axial de radiación. 1.2.3 Modo normal de radiación El modo normal ocurre cuando las dimensiones de la hélice son mucho menores que la longitud de onda, para este caso el modo de transmisión que predomina es el modo más bajo (T0), que se caracteriza por tener regiones adyacentes de carga positiva y negativa separadas por varias vueltas. Este modo ocurre comúnmente en inductores de baja frecuencia y además es el modo dominante en a traveling wave tube [8-10]. En el patrón de radiación mostrado en la Figura 1.5 se observan máximos en la dirección normal al eje de la hélice, una combinación de los patrones de radiación del dipolo eléctricamente corto y la antena de lazo.. Figura 1.5. Patrón de radiación ideal de la antena en modo normal. 1.2.3.1 Análisis de la hélice radiando en modo normal El análisis de la antena helicoidal radiando en el modo normal es basado en una distribución de corriente uniforme en toda la longitud de la hélice. Además, la hélice puede ser modelada como una serie de dipolos eléctricamente cortos y antenas de lazo pequeñas, como se muestra en la Figura 1.6..

(29) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 18. Figura 1.6. Geometría equivalente de la antena radiando en modo normal. La longitud del dipolo eléctricamente corto es la misma que el espaciamiento entre vueltas (S) en la geometría original, mientras que el diámetro del lazo es el mismo que el de la hélice. Como las dimensiones de la hélice son mucho más pequeñas que la longitud de onda, el patrón de campo lejano es independiente del número de vueltas. Por esta razón es posible calcular el patrón de campo lejano total de la hélice radiando en el modo normal combinando los campos de la antena de lazo y el dipolo corto conectados en serie. Al hacer esto, la expresión para el campo eléctrico resultante queda de la forma siguiente: ( ̂. ⃗. ̂). (1.12). k: constante de propagación. k= 2π/λ η: impedancia intrínseca del medio. η=√ ⁄ I0: amplitud de corriente Como puede notarse en la expresión, las componentes. y. del campo están en cuadratura. de fase. Generalmente la polarización de este modo es elíptica con una razón axial dada por: |. |. |. |. (1.13).

(30) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 19. La razón axial cuantifica la calidad de polarización para una antena circularmente polarizada, siendo la razón entre la respuesta máxima y mínima a una señal lineal de cualquier orientación. Así, en el caso extremo cuando Eϕ=0, la razón axial es infinita y la polarización elíptica se convierte en polarización vertical lineal. En la otra situación extrema, cuando Eθ=0, la razón axial es cero y la polarización elíptica se transforma entonces en polarización horizontal lineal. Un caso interesante y además especial ocurre cuando la razón axial es la unidad, (Eθ= Eϕ). La polarización en este caso es circular, y como puede apreciarse en la expresión anterior, esta condición se satisface si el diámetro de la hélice y el espaciamiento entre vueltas se relacionan mediante: √. (1.15). 1.2.4 Modo axial de radiación Cuando la circunferencia de la hélice es comparable con la longitud de onda, y las vueltas se encuentran espaciadas a ¼λ entre sí, el modo de transmisión de primer orden (T1) comienza a ser importante y sobre un amplio rango de dimensiones de la hélice se logra el modo axial de radiación o beam mode. Una característica de este modo de radiación es la facilidad con la que puede ser producido, de hecho, teniendo en cuenta las dimensiones de la antena en este modo, es uno de los tipos de antena más simples que puede construir [11]. En lo referente a modos de transmisión, se asume que la hélice es infinita en extensión; en la práctica la hélice es finita, por conveniencia se asume la hélice finita como una sección de la hélice infinita. Las observaciones de distribución de corriente y características de impedancia terminal consideradas para hacer esta suposición son las presentadas en [12, 13]. El patrón de radiación característico de este modo presenta un máximo del patrón de radiación en el eje de la hélice [14] y pequeños lóbulos laterales en ángulos oblicuos, lo cual se ilustra en la Figura 1.7. Las dimensiones de la antena a construir corresponden al modo axial de radiación, por lo que el análisis posterior estará enmarcado en esas condiciones..

(31) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 20. Figura 1.7. Patrón de radiación ideal (rojo) y real (azul) de una antena en modo axial. 1.2.4.1 Distribución de corrientes en la hélice Aparentemente, un conductor cilíndrico relativamente fino, enrollado en forma de hélice tiene una distribución de corriente con una atenuación inicial de la componente de onda viajera que puede compararse con la distribución de un conductor recto de un diámetro mucho mayor, como se ilustra en la Figura 1.8 [11]. En este caso cada onda se caracteriza por tener una región en la cual sufre una rápida atenuación seguida de otra región en la cual la corriente es relativamente constante en valor, esto ocurre sólo cuando la hélice está radiando en modo axial. Esta gran atenuación de la onda reflejada en el conductor helicoidal resulta en una distribución de corriente uniforme en la región central de hélices con gran longitud, lo que también tributa en una impedancia terminal estable. En este caso cada onda se caracteriza por tener una región en la cual sufre una rápida atenuación seguida de otra región en la cual la corriente es relativamente constante en valor, tal y como se muestra en la Figura 1.8. La razón de onda estacionaria (SWR) se define por la expresión siguiente: (1.16).

(32) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 21. Figura 1.8. Resolución idealizada de la distribución de corriente en una hélice radiando en modo axial a partir de la onda incidente y reflejada. De la Figura 1.8 también se puede apreciar que I0 es mucho mayor que I2, por lo que la razón de onda estacionaria en los terminales de entrada es aproximadamente la unidad, la misma de una línea de transmisión terminada en su impedancia característica. 1.2.4.2 Fase de la onda radiada Cuando la hélice está radiando en modo axial la velocidad de fase de la onda propagada en la hélice es tal que, suma en fase y en dirección del eje de la hélice las componentes del campo eléctrico de cada vuelta, este fenómeno produce que la antena se autoajuste de forma natural y se mantenga radiando en el modo axial para un amplio rango de dimensiones de la hélice. La velocidad de fase de la onda propagada en la hélice es aproximadamente igual a la velocidad de la luz en el vacío cuando la frecuencia es demasiado baja para que persista el modo axial de radiación. A medida que aumenta la frecuencia se puede ver que hay un rango de frecuencia en el cual la velocidad de fase decrece, y la distribución de corriente cambia de la que ocurre debido a dos ondas viajeras opuestas de aproximadamente el mismo valor, a una onda viajera principal y una pequeña onda reflejada [11]..

(33) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 22. La expresión de la velocidad de fase que permite un máximo de directividad queda como sigue:. [. (. ). ]. (1.17). p: velocidad de fase Lλ: longitud de la hélice en función de λ Sλ: espaciamiento entre vueltas en función de λ N: número de vueltas 1.2.4.3 Análisis del patrón de campo mediante el método del arreglo Existen dos variantes para calcular analíticamente el patrón de campo de una antena radiando en el modo axial. En el primer método una antena de N vueltas es considerada como un arreglo de N elementos. 1.2.4.3.1. Patrón de radiación de una vuelta de la hélice. En esta sección se analiza el campo de radiación de una vuelta de la hélice, asumiendo que la citada vuelta tiene una onda viajera uniforme a lo largo de su longitud. Una hélice circular puede ser tratada aproximadamente asumiendo que es el resultado de secciones transversales cuadradas como se ilustra en la Figura 1.9. El campo total de una sola vuelta es entonces el resultante de los campos de 4 antenas cortas lineales. Una hélice de sección transversal cuadrada puede, por supuesto ser tratada por este método, pues está demostrado que las hélices de sección circular y cuadrada difieren muy poco [1]..

(34) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 23. Figura 1.9. Equivalente en secciones transversales cuadradas de la hélice. Las componentes de campo eléctrico EϕT y EθT el plano xz podrán ser calculados como una función de ϕ para una sola vuelta. Siendo el área de la hélice de sección cuadrada igual al área de la de sección circular, tenemos entonces: √. (1.18). El campo magnético para un elemento lineal con una onda viajera uniforme como el mostrado en la Figura 1.10 es dado por la siguiente expresión:. ( ⁄ ). (. ). (1.19). (1.20). (1.21).

(35) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 24. Figura 1.10. Relación entre un conductor de longitud b con una onda viajera y coordenadas cilíndricas. Multiplicando la expresión anterior por la impedancia intrínseca del espacio libre y estableciendo algunas condiciones tales como: (. ). t=0. Se obtiene la expresión 1.22 para la componente. de Eϕ1 del campo lejano en el plano xz. debido al elemento 1 de la hélice de sección cuadrada: (. ) (1.22).

(36) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 25. Las expresiones para Eϕ2, Eϕ3 etc., debido a los elementos 2, 3 y 4 de la vuelta cuadrada son obtenidos de la misma forma. Debido a que todos los elementos son fuentes diferentes, la componente ϕ total EϕT, debido a una vuelta completa es obtenida sumando los campos de los 4 elementos a cada ángulo ϕ. Cuando se requiere efectuar los cálculos para una hélice de sección circular, y los valores de α y ϕ son pequeños, una buena aproximación es omitir la contribución de los elementos 2 y 4, la expresión para EϕT se simplifica considerablemente. Haciendo esta aproximación, tomando k=1 y r1 constante, se obtiene: (. (1.23). ) [. √. (. )]. √. En la expresión 1.23, el valor de B está representado por: √. (1.24). En el caso de la componente θ del campo en el plano xz, solo los elementos 2 y 4 contribuyen. Poniendo k=1, la magnitud aproximada de la componente θ del patrón de campo lejano de una vuelta, perteneciente a una hélice con sección circular es: |. |. [ ( ( 1.2.4.3.2. ). √. ). √. ]. (1.25). Factor de arreglo.. El patrón de una hélice de N vueltas es entonces calculado como un arreglo de N vueltas, tomando el producto del patrón de una sola vuelta y el arreglo. Cuando la longitud axial de la hélice es suficientemente grande, el factor de arreglo es dominante y determina la forma del patrón de la antena [11]..

(37) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 26. La Figura 1.11 representa las componentes del patrón de campo eléctrico para una hélice de 7 vueltas y un ángulo de disparo de 12°, e ilustra el efecto dominante del factor de arreglo. Los patrones de las componentes polarizadas horizontal y verticalmente para una sola vuelta son muy diferentes en forma. Sin embargo, estos mismos patrones para la hélice completa son casi iguales. Además, los lóbulos principales en los patrones Eθ y Eϕ son muy similares al patrón del factor de arreglo, lo que ofrece razones suficientes para afirmar que para hélices suficientemente largas, el patrón del factor de arreglo basta para aproximar el patrón de la antena helicoidal en cualquier polarización.. Figura 1.11. Componentes del patrón de campo de una antena de 7 vueltas y ángulo de disparo de 12°. EϕT= patrón de la componente polarizada horizontalmente para una vuelta. EθT = patrón de la componente polarizada verticalmente para una vuelta. Yn= patrón de arreglo (N=7) de fuentes puntuales isotrópicas espaciadas un valor de S. Eθ= EϕT *Yn= patrón de la componente polarizada horizontalmente de la hélice completa..

(38) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 27. Para calcular el factor de arreglo la hélice de N vueltas es reemplazada por N fuentes isotrópicas con una separación entre sí equivalente a S. el factor de arreglo normalizado está dado de forma simple por la expresión [15]:. (1.26). = función auxiliar que da la diferencia de fase entre fuentes sucesivas en una dirección. particular. Para el caso de mayor directividad, sustituyendo p queda: [ (. * Para el caso en que. ). (. )]. (1.27). =0 la expresión anterior se indefine, por lo que es necesario. analizar Yn en el límite cuando. tiende a cero.. 1.2.4.4 Análisis del patrón de campo mediante el método de integración de elementos de corriente Este método se basa en calcular directamente el campo total mediante la integración de los elementos de corriente de un extremo de la hélice hasta el otro. En este método la corriente es asumida como una onda viajera de amplitud constante. La distribución de corriente en un punto arbitrario de la hélice es representado por: (̅ ). (. )̂. (1.28). (1.29) l: longitud del alambre desde el principio de la hélice hasta un punto arbitrario. LT= longitud total de la hélice p= velocidad de fase de la onda propagada a lo largo de la hélice relativa a la velocidad de la luz..

(39) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 28. De acuerdo con la condición de Hansen-Woodyard [16] la expresión anterior de la distribución de corriente queda como sigue: () * ̂. ̂. ̂. +(. (1.30). ) ̂. (1.31). ̂= vector unitario a lo largo del alambre. (1.32). l= coordenada azimutal de un punto arbitrario Finalmente, las componentes eléctricas del campo lejano Eθ y Eϕ, pueden ser expresadas de la siguiente forma: ( [( 1.3. ) ). (1.33) ]. (1.34). Antena Belgrano.. La teoría detrás del diseño de la antena Belgrano se basa fundamentalmente en la tecnología microstrip. Una forma general de analizar la antena es considerando que el reflector actúa como el plano de tierra o masa del parche, los elementos radiantes, o el parche, está constituido por un conjunto de dos directores, y el aire hace la función de sustrato. Debido a que el diseño se basa en este tipo de antenas es apropiado entonces resaltar algunos aspectos de interés relacionados con la tecnología microstrip. 1.3.1 Origen. Los antecedentes de la tecnología microstrip se remontan a los años 50, cuando Dechamps propuso por primera vez el concepto de radiadores microstrip en 1953, pero pasaron 20 años antes de que las antenas prácticas fueran fabricadas. Durante los años 70 tuvieron un gran desarrollo por la disponibilidad de buenos sustratos con bajas pérdidas y atrayentes características mecánicas y termales. La primera antena práctica fue desarrollada por Howell [17] y Munson [18]. Desde entonces las antenas microstrip han sido objeto de.

(40) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 29. extensiva investigación y desarrollo, explotando sus numerosas ventajas, lo cual ha propiciado que en las dos últimas décadas la demanda de aplicaciones [19-21] para este tipo de antenas haya aumentado considerablemente. Como se muestra en la Figura 1.12, una antena microstrip consiste, en su más sencilla configuración, en un parche radiante en un lado del sustrato, el cual tiene un plano de tierra en el otro lado. El parche conductor, normalmente de cobre u oro, puede asumir virtualmente cualquier forma, pero formas regulares son generalmente usadas para simplificar el análisis y la predicción de rendimiento [23].. Figura 1.12. Antena microstrip. 1.3.2 Ventajas y limitaciones Las antenas impresas tienen importantes ventajas en comparación con las antenas de microondas convencionales, algunas de las cuales de presentan a continuación:  Son antenas de un perfil extremadamente bajo lo que las hace ligeras en peso, y ocupan poco volumen en la estructura o vehículo donde van a ser montadas, logrando diseños robustos. Considerables arreglos de antenas microstrip en forma de apertura sobre paneles puede ser una alternativa falible para aplicaciones espaciales [24].  Versatilidad en cuanto a impedancia, patrón de radiación, polarización y frecuencia de resonancia. Es posible lograr una operación multifrecuencia mediante la utilización de parches apilados [25].  Bajos costos de fabricación, de fácil producción en masa..

(41) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 30.  Con simple alimentación son posibles de lograr tanto polarización lineal como circular.  Antenas de frecuencia y polarización dual pueden ser hechas con facilidad.  Pueden ser fácilmente integradas con circuitos integrados de microondas.  Líneas de alimentación y redes de acople pueden ser fabricadas simultáneamente con la estructura de la antena. Sin embargo, este tipo de antenas tienen algunas limitaciones comparadas con las antenas convencionales de microondas:  Ancho de banda estrecho y problemas de tolerancia asociados.  Poca ganancia.  Pérdidas óhmicas grandes en la estructura de alimentación de arreglos.  Una polarización pura es difícil de logra.  Manejo de potencia baja (alrededor de 100 Watts).  Excitación de ondas de superficie. Existen maneras de minimizar algunas de estas limitaciones, por ejemplo, el ancho de banda puede ser incrementado en un 60% usando técnicas especiales [26-29]. Limitaciones asociadas a las ondas de superficie como la eficiencia, reducida ganancia y degradación del patrón de radiación pueden ser superadas usando estructuras de brechas fotónicas [30], baja ganancia y el manejo de baja potencia pueden ser superados con una configuración de arreglo o conjunto. 1.3.3 Tipos de ondas en líneas microstrip Existen 4 tipos de ondas presentes en una línea de microstrip: las ondas espaciales, las ondas superficiales, ondas de fuga y ondas guiadas. A continuación se presenta una breve descripción de cada una de ellas. 1. Las ondas espaciales son aquellas que son enviadas considerando un plano de elevación de 0 a 180 grados fuera de la estructura, en otras palabras son ondas que son enviadas al espacio libre y por lo tanto, pierden magnitud y se atenúan conforme aumenta la distancia. En el diseño de antenas este tipo de ondas son el más importante puesto que son ondas radiadas, mientras que si se habla de líneas de trasmisión y circuitos estas significan pérdidas y por tanto conviene eliminarlas..

(42) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 31. 2. Las ondas superficiales son aquellas que se encuentran prácticamente confinadas en el dieléctrico y no son uniformes. Al ir descendiendo las ondas encuentran el plano de tierra que las refleja, después de llegar a la entrecara del dieléctrico y el espacio libre se reflejan mediante un fenómeno llamado reflexión interna total, de este modo las ondas permanecen viajando y decayendo exponencialmente debajo de la interfaz, lo que significa que toman parte de la señal y aumentan las pérdidas, además, introducen errores en el acoplamiento de impedancia del circuito. Si se llega a dar el caso de que una onda alcance las fronteras de la estructura, que se caracteriza por ser abierta, la onda será difractada por los ejes y será trasmitida al aire lo que degradaría el patrón de radiación para una antena ya que aumentan los lóbulos laterales y hay nivel de polarización cruzada. 3. Las ondas de fuga son parecidas a las ondas superficiales, pero tienen otro rango en el plano del ángulo de elevación. Estas son inicialmente reflejadas en el plano de tierra, cuando las ondas alcanzan la entrecara del sustrato y el espacio libre una parte de las ondas es reflejada nuevamente mientras que otra se escapa al espacio libre, este proceso se repite hasta que desaparecen después de cierto recorrido. 4. Las ondas guiadas se presentan en circuitos impresos que son utilizados para quías de onda o líneas de trasmisión, y se pueden encontrar cuando la parte superior del sustrato esta metalizada casi en su totalidad. Estas ondas guiadas solo pueden existir para valores muy específicos del ángulo de incidencia. Por lo que no se utilizan para aplicaciones de antena. 1.3.4 Requerimientos para circuitos y antenas Dependiendo de las aplicaciones que se requieran, las necesidades tanto del ancho del sustrato como de la permitividad eléctrica de este son diferentes. Al variar estos parámetros se logra que un tipo de onda sea predominante alcanzándose el comportamiento deseado. Para líneas de trasmisión y circuitos se busca que la mayor parte de la energía se encuentre confinada entre los dos conductores de tal forma que se procura que el sustrato sea muy delgado (comparado con la longitud de onda) y la permitividad eléctrica de este sea muy alta. De esta forma se logra que las ondas predominantes sean las guiadas. En el caso de las antenas se requiere exactamente lo contrario, y para evitar que se concentre toda la energía en ondas guiadas, el sustrato debe ser grueso en comparación con la longitud de onda y la.

(43) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 32. permitividad eléctrica debe ser baja. De esta forma se puede garantizar que las ondas predominantes en estas estructuras sean las radiadas y se tenga el comportamiento de una antena. 1.3.5 Patrón de radiación El patrón de radiación de este tipo de antena es omnidireccional aunque la potencia radiada es emitida solamente hacia la parte superior de la antena en su forma ideal debido a que se considera un plano de tierra infinito, el cual bloquea la radiación hacia la parte inferior de la antena. En realidad puede existir una radiación hacia la parte inferior debido a que el plano de tierra tiene dimensiones finitas, sin embargo los lóbulos posteriores son de pequeñas dimensiones en comparación con el lóbulo principal por lo que pueden despreciarse. 1.3.6 Ancho de banda El ancho de banda de una antena parche presenta una variación inversamente proporcional al factor de calidad de la antena. Los parámetros del sustrato, como la constante dieléctrica (εr) y el espesor, pueden variar para obtener un factor de calidad diferente, y, en última instancia aumentar el ancho de banda de la antena. El ancho de banda incrementa monótonamente con el espesor, además, un decrecimiento en el valor de la constante dieléctrica tiene el mismo efecto. Modelando un parche rectangular como un capacitor con pérdidas, el incremento en el factor de calidad es explicado por el hecho de que la energía almacenada aumenta y la potencia radiada disminuye con el aumento de la constante dieléctrica. Similarmente, cuando el grosor del sustrato es aumentado, la disminución de la energía almacenada disminuye el factor de calidad, como se observa en la Figura 1.13. Físicamente este efecto ocurre debido a que los fringing effects aumentan con el aumento del grosor del sustrato, y decrecen con la constante dieléctrica. Sin embargo, esta aproximación es útil hasta valores de b menores que 0.02 lambda solamente..

(44) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 33. Figura 1.13. Variación del factor de calidad como una función del ancho del sustrato. 1.3.7 Configuraciones de antenas microstrip Todas las antenas microstrip pueden ser divididas en cuatro categorías básicas: antenas parche, dipolos microstrip, ranuras impresas y antenas microsptrip de ondas viajeras, cada una de estas presenta características peculiares, tanto geométricas como electromagnéticas, a continuación se discuten brevemente cada una de ellas. 1.3.7.1 Antenas de parche Consiste de un parche conductivo, de geometría planar o no planar en una cara de un sustrato dieléctrico con un plano de tierra en la otra cara, las configuraciones usadas en la práctica son el rectángulo, el círculo, la elipse, el triángulo equilátero, el anillo, el disco entre otros. Típicamente tienen una ganancia entre 5 y 6 dB. 1.3.7.2 Dipolos microstrip Geométricamente difieren del parche rectangular en su ancho, el ancho de un dipolo es típicamente menor que 0,05λ0. El patrón de radiación del dipolo y el parche son similares con similares distribuciones longitudinales de corriente. Pero la resistencia de radiación, el ancho de banda y la radiación cross-polar difieren ampliamente, son atractivos por sus deseables propiedades como el reducido tamaño y la polarización lineal..

(45) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 34. 1.3.7.3 Antenas de ranura impresa Las antenas de abertura impresa comprenden una abertura o ranura en el plano de tierra, la abertura puede tener virtualmente cualquier forma, pero solo unas cuantas de ellas han sido estudiadas. Como las antenas parche, las antenas de abertura impresa pueden ser alimentadas tanto por una línea de microstrip como por una guía de onda coplanar, son generalmente antenas bidireccionales, la radiación unidireccional es obtenida usando un reflector en el lado de la abertura. 1.3.7.4 Antenas microstrip de onda viajera Puede consistir en un conductor quebrado periódicamente o en una línea microstrip larga y lo suficientemente ancha como para soportar el modo de trasmisión TE. El otro lado de la antena termina en una carga resistiva acoplada para evitar las ondas estacionarias en la antena. 1.3.8. Métodos de análisis. El análisis de este tipo de antenas puede ser llevado a cabo mediante una gama de métodos que se diferencian en el grado de precisión y sencillez que se persiga en el diseño. Hay tres categorías principales: modelos empíricos, modelos semi-empirícos y modelos de onda completa. 1.3.8.1 Modelos empíricos Son los menos precisos a la hora de diseñar, sin embargo son los más sencillos de realizar. Este 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 métodos pueden tener un buen nivel de precisión cuando se trabaja en rangos de frecuencia menores a los de las ondas milimétricas. A pesar de sus limitaciones 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 y utilizar escalas para diseños a más altas frecuencias. Los principales modelos empíricos son el modelo de línea de trasmisión y el modelo de cavidad..

(46) CAPÍTULO 1.. 1.3.8.1.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 35. Modelo de línea de transmisión. El modelo de línea de trasmisión presenta 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 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. La distribución de los campos en una antena de parche en los bordes presenta los antes mencionados fringing effects o efectos de borde que forman líneas de radiación como se muestra en la Figura 1.14. 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 fenómeno la longitud y el ancho efectivo de la antena no es de igual valor que las dimensiones físicas, por lo tanto esta es una consideración importante a tomar a la hora del diseño. El modelo de línea de trasmisión supone entonces una permitividad eléctrica efectiva, combinando las permitividades del aire y el sustrato, y asume que la antena se encuentra inmersa dentro de un solo medio homogéneo con dicha constante en toda su superficie.. Figura 1.14. Efecto de borde en un parche rectangular para el modo TM10..

(47) CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ANTENAS PARA REDES Wi-Fi.. 36. El modelo de línea de trasmisión produce una aproximación muy aceptable para diseñar una antena, sin embargo presenta un defecto al generar un ancho de la antena (W) mayor que la longitud (L) de la antena con fines de lograr mayor radiación, sin embargo la eficiencia en el tamaño disminuye al excitar la parte menos larga de la antena cuando se podrían lograr tamaños más reducidos. 1.3.8.1.2. Modelo de cavidad. En este modelo la región interior del parche es modelada como una cavidad limitada por paredes eléctricas en el techo y el fondo, y una pared magnética a lo largo de la periferia, las bases para esta asunción son siguiendo observaciones para sustratos delgados (b<<λ): El campo en la región interior no varía en dirección z, debido a que el sustrato es muy delgado. El campo eléctrico es orientado solamente en el eje z, y el campo magnético tiene solo la componente transversal en la región limitada por el parche y el plano de tierra, esta observación se provee para las paredes de la parte superior y el fondo La corriente eléctrica en el parche no tiene componente normal al borde del parche, lo que implica que la componente tangencial de H a lo largo del borde es despreciable, y una pared magnética puede ser puesta alrededor de la periferia. Así la distribución en el parche puede ser dividida en dos regiones, el campo interior y el campo exterior. 1.3.8.2 Modelos semi-empíricos Ocupan un lugar intermedio entre los modelos empíricos y los de onda completa. Poseen mayor nivel de dificultad que los modelos empíricos, pero a su vez son más sencillos que los modelos de onda completa. Entre los principales modelos de este tipo se pueden encontrar:  Enfoque variacional.  Enfoque de ecuación integral dual.  Modelo de corriente superficial eléctrica.  Técnica de la transformada de Hankel.  Método de reciprocidad..