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• Alex Cueva Rojas

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ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ANTENAS DIRECCIONALES POR MEDIO DE LA TÉCNICA DE MICROCINTA, PARA OPERAR A 2.4GHZ José Palacios. John Sinche. Nixon Villavicencio, Gustavo Berrú. Estudiantes, UNL. Todas las tecnologías inalámbricas han experimentado un gran desarrollo, y continuamente se busca la manera de superar o por lo menos brindar el mismo rendimiento que las comunicaciones mediante medios de transmisión guiados. Dentro de los sistemas de comunicación inalámbricos en la presente investigación nos centramos específicamente en los sistemas de comunicaciones bajo el estándar IEEE 802.11, nuestro campo de estudio estará enfocado al diseño de antenas con la técnica de microcinta para adaptarlas a equipos que operan bajo el estándar antes mencionado a la frecuencia de 2.4 GHz.

Resumen—En el presente proyecto se describe el diseño, simulación, construcción y verificación de cuatro antenas por medio de la técnica microcinta. Estas antenas se diseñan para sistemas inalámbricos bajo el estándar 802.11 (b/g) lo cual conlleva que operen a una frecuencia central de 2,4GHz, las antenas a construirse son: triangular, rectangular, cuadrada y rectangular con inserciones. El diseño de las mismas se obtiene por medio de las ecuaciones establecidas, tomando en cuenta características como frecuencia y el tipo de sustrato en el cual se desea trabajar, así como también parámetros como la permitividad eléctrica que posee el sustrato y su espesor. Una vez obtenidos los resultados de las ecuaciones, procedemos a realizar el respectivo diseño con el programa de simulación electromagnética AWR Microwave Office. Finalmente las antenas construidas serán adaptadas a routers estándar para medir el nivel de señal obtenido en dispositivos comunes como laptos y smartphones con conexión Wi-Fi. Finalmente, se presenta el análisis de los resultados obtenidos, y de las mediciones realizadas mediante el software INSSIDER, junto con las limitaciones que se han encontrado en la realización de este proyecto. Índice de Términos: Microstrip, direccionalidad, línea de transmisión. I.

Las antenas de microcinta han tenido un gran auge desde principios de los 90’s, como elementos de antenas o como arreglos y pueden satisfacer completamente los requerimientos de las redes inalámbricas. Entre sus ventajas se tienen que son versátiles, de bajo costo, livianas, moldeables, delgadas, con posibilidad de operación en diferentes bandas, baja sensibilidad a las tolerancias de fabricación y tiene una gran facilidad de integración con los amplificadores de microondas. Generalmente las antenas de microcinta son de ancho de banda angosto y baja ganancia, aunque también las hay de banda ancha. Existe un tipo muy popular de antena de microcinta denominada antena de parches. Este nombre es debido a que consiste en un parche metálico que se encuentra suspendido sobre un plano de tierra, y en la parte central se encuentra un dieléctrico aislando eléctricamente una placa de la otra. Hoy en día encontramos antenas de microcinta en dispositivos tan populares como son teléfonos móviles así como en aplicaciones aeronáuticas, espaciales, satelitales, radares, misiles, etc.

parche,

INTRODUCCIÓN

A

l hablar de telecomunicaciones en general vienen a nuestra mente un cumulo de ideas relacionadas al tema, dentro de este universo de conocimientos podemos centrarnos en un tema en particular como son los sistemas de comunicación inalámbricos los cuales han tenido un gran éxito en el mercado y se siguen extendiendo a lo largo del planeta, tal como se puede apreciar con los teléfonos inalámbricos, la telefonía celular, las redes inalámbricas de área personal “WPAN” (Bluetooth, 802.15) , de área local “WLAN” (802.11a/b/g) y de área metropolitana “WMAN” (IEEE 802.16) entre otros.

II.         1

MATERIALES

Software de Simulación AWR Microwave Office. Software de medición de nivel de señal INSSIDER Laptop. Router QPCOM. Router marca TP-LINK. Smartphone. Baquelita de doble cara FR4. Materiales de revelado de placa.

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 

documentos para averiguar el grosor y la constante dieléctrica típica del sustrato más utilizado, FR4, se empezó a realizar pruebas de simulaciones con el software.

Conectores SMA-Hembra. Cable de red directo. III.

MÉTODOS

Método para diseño de las antenas Entre los diversos métodos que existen para llevar a cabo el análisis de antenas tipo parche, hemos seleccionado el basado en Modelos Empíricos, el cual siendo el menos preciso a la hora de diseñar, es el mas fácil 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). Ilustración 1. Calculadora TXLINE para las dimensiones de la línea de transmisión

De este método a su vez se deriva el modelo de línea de transmisión el cual presenta una gran facilidad de diseño. 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 substrato) y separadas a una distancia L (longitud de la antena). El diseño mediante el método de línea de transmisión se muestra en el apartado 4.3.

El programa es sencillo de utilizar pero para poder simular los diseños es necesario definir una serie de parámetros y características del entorno en el AWR, hace falta fijar las unidades en que vamos a trabajar, definir el espacio en que se encuentra la antena, es decir, asignar un material al espacio indefinido dentro de los limites (ENCLOSURE) pudiendo elegir entre un conductor eléctrico perfecto (PEC) y un material normal libre de perdidas definido por su constante dieléctrica y permeabilidad, y fijar el rango de frecuencias del proyecto.

Método para alimentación de las antenas. De los diferentes métodos existentes para alimentar una antena, hemos optado aquel que considera una alimentación directa, el cual como su nombre lo indica, requiere un contacto directo entre la estructura de alimentación y la antena radiante. De este método se desprende la técnica de alimentación directa por microstrip, la cual se muestra en el apartado 4.4.1.1. IV.

PROCEDIMIENTO

Para el diseño de las antenas de parche se comenzó leyendo algunos apuntes de líneas de transmisión así como algunos tutoriales de AWR y CST en Internet para ver un poco las posibilidades del programa, pero hasta que no se comenzó a trabajar con el programa y a simular antenas no ha sido posible percatarse de las posibilidades de los programas ni de los errores habituales. Las medidas analizadas de las simulaciones han sido las de adaptación que nos da la idea de la transferencia de potencia entre la antena y la carga y la de eficiencia de radiación que representa la energía radiada en relación a la energía que se le suministra a la antena.

Es necesario asimismo colocar un puerto por donde alimentar el Microstrip o el parche, que en nuestro programa lo tenemos como edge port.

Microstrip

Parche

Se comenzó diseñando mediante el AWR una línea Microstrip sin ningún parche, tras consultar una serie de

Tras las primeras simulaciones del Microstrip se comienza con las simulaciones de la antena de parche, el

Ilustración 2. Propiedades de los elementos

2

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objetivo es tener un pico de resonancia a 2.45 GHz obteniendo en los resultados de la simulación un pico a 2.8 GHz. Se llevan a cabo varias pruebas aumentando el tamaño del dieléctrico y el parche, primero de pocos en pocos milímetros y luego doblando su superficie, desplazando el parche dentro del sustrato a izquierda y derecha sin conseguir cambios significativos. Por fin se realiza el diseño utilizando las medidas recomendadas de una longitud de parche de entre 0.25 λ0 y λ0 y un grosor de entre 18μm y 35 μm. Se pretende que la gráfica de adaptación tenga un mínimo en 2.4 GHz lo que equivale a una longitud de onda de 125 mm luego podría utilizar un parche desde 31 milímetros hasta 127 milímetros. Con estas medidas la simulación da un pico exactamente en 2.45 GHz que es nuestro objetivo inicial.

W(ancho) 31.8 mm B(línea Tx) 28.8 mm

L(largo) 29.3 mm

R(ranura) 0.3 mm

G(ancho línea Tx) 2.9 mm

A(altura) 9.9 mm Y(alto tablilla) 60 mm

Ilustración 3. Interfaz AWR Microwave Office

El laminado FR4 PCB es el material base más utilizado para circuitos impresos, el FR viene de “Flame Retardant’” y el 4 hace referencia a la fibra de vidrio impregnada de resina epoxi. El material FR4 tiene una constante dieléctrica de 4.4 y una permeabilidad de 1.

Ilustración 4. Pérdidas por retorno para Antena de Ranura

La grafica de parámetros S (perdidas por retorno) nos muestra que porcentaje de potencia se están entregando a la antena de acuerdo a nuestro acople, para este caso tenemos que a una frecuencia de 2.4 MHz tenemos un valor de S= -34.91 dB, así mismo en la gráfica fijamos dos marcadores a -3dB para calcular el ancho de banda de nuestra antena obteniendo un valor de AB = 278 KHz.

A continuación se detallan los cálculos matemáticos con su respectivo ajuste de optimización para uno de los diseños propuestos, los restantes son similares. Rectangular con ranura o hendiduras A partir de los modelos anteriores se construye uno nuevo modificando las dimensiones del parche. Se estimuló la respuesta de esta antena con alimentación directa de una línea Microstrip de 50 Ω para comprobar su correcto funcionamiento, la optimización de la impedancia a 50 Ω se realizó modificando las dimensiones que se obtuvo matemáticamente.

VSWR_Antena con Ranura 20

VSWR(1) Antena con Ranura

15

10

5

Las medidas finales fueron:

2398.7 MHz 1.064

0 2200

2400

2600

2800

Frequency (MHz)

Ilustración 5. VSWR para Antena de Ranura

3

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De la gráfica de anterior demos observar que se tiene un VSWR = 1.064 que es un valor muy bueno para nuestra antena, esto corresponde a un valor de potencia entregado por la antena de aproximadamente del 99.7 % con un mínimo valor de perdida de potencia igual a 0.3 %. Lo anterior lo podemos demostrar matemáticamente.

Tenemos un coeficiente de reflexión igual a | | Ahorra calculamos las pérdidas por retorno S como: Ilustración 7. Antena de Ranura a 2.4 GHz

( ) V. Que coincide con nuestra con el valor mostrado en la gráfica de pérdidas por retorno. Como la línea de transmisión tiene una impedancia de 50Ω y con los resultados anteriores podemos obtener también la impedancia de la antena. (

En la siguiente tabla se muestra los resultados obtenidos en la medición del nivel de señal obtenido para los cuatro diseños implementados.

)

(

)

5m Parche Cuadrado Rectangular Triangular Rec. parche

Lo que implica que el 2.30 Ω es el desacople existente.

10

Mag Max 10 dB

0 -4

Mag 6.222 Ang -0.2244

0

-6

Gustavo -43dBm -44 dBm -43 dBm -40 dBm

50

0

60

10m

0 70

Parche Cuadrado Rectangular Triangular Rec. parche

-70

80 -80

90 -90 100 -100 110 -11

0

-1

Gustavo -54 dBm -52 dBm -50 dBm -53 dBm

Proyec -47 dBm -41 dBm -44 dBm -37 dBm

12 DB(|PPC_EPhi(0,1)|)[*] 0 Antena con Ranura

20

1

30 DB(|PPC_ETheta(90,1)|)[*] Antena con Ranura

30

15m

0

-170

-16

180

170

160

-1

0

50

15

-1

0

40

14

-1

10 dB Per Div

Proyec -41 dBm -37 dBm -36 dBm -33 dBm

40

-3

30

20

-20

-10

0

Patron de radiacion_Antena con Ranura

-5

RESULTADOS DE LAS MEDICIONES

Parche Cuadrado Rectangular Triangular Rec. parche

Mag Min -40 dB

Ilustración 6. Patrón de radiación para Antena de Ranura

En la gráfica patrón de radiación indica que nuestra antena tiene un único lóbulo de radiación directivo, con el que se obtiene una ganancia de 6dB aproximadamente.

4

Gustavo -56 dBm -53 dBm -53 dBm -57 dBm

Proyec -52 dBm -44 dBm -45 dBm -41 dBm

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VI. 







Al simular mediante el software AWR Microwave Office las antenas basándonos en los cálculos previamente hechos, podemos apreciar que se requiere obligatoriamente de un proceso de optimización en el simulador, es decir modificar los parámetros de construcción para lograr que en el simulador la antena opere de la manera deseada, es decir que se cumpla que la frecuencia de resonancia sea 2.4GHz y que se acople la línea de transmisión con el parche. Al comparar los resultados de las mediciones del nivel de señal obtenido con nuestras antenas y con una antena estándar incluida en el router, podemos apreciar la sectorización de la señal mediante el empleo de las antenas construidas, esto es notorio al medir los niveles de señal en la parte posterior de la antena, el cual al ser una antena directiva es mucho menor que en el lóbulo principal. El software INSSIDER nos permite graficar en el tiempo el nivel de señal obtenido, al analizar dichas graficas podemos apreciar que nuestras antenas cumplen con el objetivo planteado de igualar y en algunos casos mejorar en recepción el mismo nivel de señal que si usáramos antenas estándar omnidireccionales, es decir brindan las misma intensidad de señal que una antena estándar, pero con la ventaja de sectorizar el área de cobertura.







Al usar antenas direccionales que provean el mismo nivel de señal que al usar antenas omnidireccionales estándar, logramos sectorizar el área de cobertura Wi-Fi sin perder la calidad de señal y mejorándola en algunos casos.



Por la facilidad tanto en la simulación como en la implementación se eligió el método de alimentación directa por microstrip.



Se suprimió el uso pigtail para acoplar cada antena con el router, esto con el fin de evitar pérdidas por el conductor así como posibles problemas por desacople de impedancias, y porque a fines prácticos seria innecesario el uso de un pigtail ya que se puede unir directamente la antena al router tal y como lo hemos realizado.



Concluimos que el substrato FR-4 si bien no es el más óptimo, por su disponibilidad este es el más factible, sin embargo se lograría mejores resultados al trabajar con un substrato con tangente de pérdidas más baja, y con constante de permitividad mas baja. VIII.

Con el fin de evitar pérdidas por conductor y por desacople de impedancias, hemos considerado el no utilizar un medio guiado que una la salida del router con cada una de nuestras antenas, es decir hemos incorporado de manera directa cada antena con el equipo que servirá como punto de acceso. VII.



DISCUSIÓN



No se recomienda utilizar geometrías complejas para el AWR Microwave Office ya que se utiliza demasiado espacio en la memoria de la computadora.



Se recomienda no utilizar un pigtail para unir cada antena con el router para evitar pérdidas por el conductor, así como problemas por desacople de impedancias, ya que en cuestiones prácticas esto no sería necesario.



Durante el proceso de simulación de la antena, se recomienda un proceso de optimización del diseño usando el simulador es decir modificando, las dimensiones del parche y las dimensiones del plano de tierra para lograr que la antena opere a los parámetros previamente establecidos.



Utilizar cloruro férrico nuevo y evitar dejar el circuito impreso mucho tiempo sumergido en él, así como de papel fotográfico e impresión láser de alta calidad para lograr un mejor acabado del revelado.

CONCLUSIONES

Con el desarrollo de este proyecto, se reforzaron los conocimientos sobre el desarrollo de antenas y su funcionamiento. Con la investigación sobre el funcionamiento de las antenas microcinta, se obtuvieron conocimientos sobre otros temas relacionados con el tema de comunicación y de las antenas más que nada. Se logró, diseñar, simular, construir y probar cuatro antenas mediante la técnica de microstrip, y se obtuvo una ganancia promedio de 6dB, con un ancho de haz de 125°. Aunque el diseño de una antena microstrip puede ser complicado, los resultados son más que aceptables y la fabricación de múltiples unidades del diseño es barata y sencilla.

RECOMENDACIONES

IX.

BILIOGRAFÍA

ALMODOVAR YUNES, Salvador. 2009. Diseño de antenas direccionales de 2.4 y 5.8 GHz por medio de la técnica de microcinta. (Tesis Ing. de Telecomunicaciones), Juárez México. Universidad 5

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Autónoma Ciudad de Juarez. Instituto de Ingeniería y Tecnología. 108 pag. BUENROSTRO ROCHA, Sergio. 2007. Metodología para el diseño y construcción de antenas microcinta en la banda Wimax. (Tesis Grado de Maestro en Ciencias), Tijuana México. Instituto Politécnico Nacional. Centro de Investigación y Desarrollo en Tecnología Digital. 161 pag. CASTANI SOLER, Jordy; BALIARDA PUENTE, Carles; ROBERT ROMEU, Jordy. 2005. Novel multifrecuency and small monopole antenna techniques for wireless and mobile applications. (Tesis Grado de Doctor). Universidad Politécnica de Cataluña. Departamento de Teoría de Señal y Comunicaciones. 180 pag. ROLDÁN ESCOLANO, Álvaro. 2000. Diseño y simulación de antenas plana. (Tesis Ing. Técnico de Telecomunicaciones, especialidad en Sonido e Imagen). Universidad Pública de Navarra. Escuela Técnica de Ingenieros Industriales y de Telecomunicaciones. 73 pag.

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