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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE
ANTENAS EN MICROCINTA PARA
BANDA ISM
Jhoanny Andrés Abril Olaya Programa de Ingeniería Electrónica Y de Telecomunicaciones
Universidad Católica de Colombia
Abstract : The project is based on the design and
implementation of two antenna prototypes, the
first design is based on a Yagi-Uda antenna at the
frequency of 5.7 GHz and the second design is a
patch antenna at the frequency of 915 MHz. On
substrate RO 3006 of 1.28 mm thickness. This
article explains how was the process that was
carried out for its respective design going through
all parts of the antenna, its simulation and
corresponding implementation. The antennas
were designed using the ANSYS (HFSS) de
ANSOFT electromagnetic simulator.
RESUMEN: El proyecto se basa en el diseño e
implementación de dos prototipos de antenas, el
primer diseño se basa en una antena Yagi-Uda a
la frecuencia de 5.7 GHz y el segundo diseño es
una antena tipo parche a la frecuencia de 915
MHz. Sobre substrato RO 3006 de 1.28 mm de
espesor. El presente artículo explica cómo fue el
proceso que se llevó a cabo para su respectivo
diseño pasando por todas las partes de la antena,
su simulación y correspondiente implementación.
Las antenas fueron diseñadas utilizando el
simulador electromagnético ANSYS HFSS de
ANSOFT.
I. INTRODUCCIÓN
En los últimos años las comunicaciones
inalámbricas han tenido un avance y un
número de usuarios que se sigue extendiendo a
lo largo del mundo y esto exige un continuo
desarrollo y dedicación, para prestar un
excelente servicio de calidad. Con el número
creciente de usuarios y al ser limitado el ancho
de banda disponible, recientemente ha habido
un crecimiento del interés por las antenas
impresas debido a su tamaño compacto, fácil
diseño y fabricación; en especial porque estas
características son prioridades en los nuevos
sistemas de comunicación inalámbricos[1].
La banda ISM es ampliamente utilizada en
nuestro país, razón por la cual el espectro
electromagnético en la banda de 2.4 GHz
presenta bastante actividad, sobre todo con el
uso de antenas omnidireccionales que radian
energía en un plano en el espacio, que son
útiles en algunas aplicaciones como las redes
inalámbricas de la casa u oficina, pero que no
lo son tanto en aplicaciones como los enlaces
punto a punto que requieren radiar energía en
una sola dirección. Sin embargo, desde hace ya
un tiempo se ha observado una migración
hacia otras bandas de frecuencia, debido a la
saturación del espectro en 2.4GHz en
Colombia [2].
La Unión Internacional de Telecomunicaciones
(ITU) estableció en el artículo 5 de las
regulaciones de radio las bandas ISM
(Industrial, Scientific y Medic) las cuales son
.
2
de uso libre. Colombia como miembro de
Comisión Interamericana de Comunicaciones
(CITEL) se acogió a esta regulación para usar
las bandas, sin licencia en nuestro país (según
la resolución 711 del 11 de octubre del 2016 de
la Agencia Nacional del Espectro) [3] [4].
Tabla 1. Bandas ISM de la ITU-R
Banda Anchura Región ITU Uso en WLAN
6,765-6,795 MHz 30 kHz Todas No
13,53-13,567 MHz 14 kHz Todas No
26,957-27,283 MHz 326 kHz Todas No
40,66-40,70 MHz 40 kHz Todas No
433,05-434,39 MHz 174 kHz 1(EMEA) No
902-928 MHz 26 kHz 2(América)Sistemas propietarios antiguos
(solo en América)
2,4-2,5 GHz 100 kHz Todas 802.11,802.11b,802.11 g
5,725-5,875 GHz 150 MHz Todas 802.11 a
24-24,25 GHz 250 MHz Todas No
61-61,5 GHz 500 MHz Todas No
122-123 GHz 1 GHz Todas No
244-246 GHz 2 GHz Todas No Fuente. El Autor
II. DESARROLLO PRIMER PROTOTIPO
Para el desarrollo de este trabajo se ha
empleado un substrato ROGERS RO 3006,
con un espesor de 1.28 mm y una constante
dieléctrica de (Ɛr) 6.16. Este material brinda un
buen rendimiento en altas frecuencias y una
elaboración del circuito de bajo costo. La
frecuencia de trabajo es la banda ISM
(Industrial, Scientific and Medicina) de 5.7
GHz.
Las características del sustrato se pueden ver
en la Tabla 2:
Tabla 2. Características del sustrato
Fuente. El Autor
A. Cálculos para la línea de alimentación
primer prototipo.
En el diseño de la línea de alimentación para
este trabajo de grado, que tiene una
impedancia característica (Zₒ) de 50 ohm, se
tiene en cuenta la ecuación empírica para
calcular el ancho y su longitud de la misma. La
relación entre el espesor del substrato y el
ancho de la línea viene dada por la ecuación 1:
( 1)
Para W/d < 2
Donde:
( 2)
Ɛr: permitividad relativa del material.
d: espesor del substrato (mm).
W: ancho de la línea (mm).
Zₒ: impedancia característica de la línea (Ω).
Reemplazando los valores en la ecuacion 2,
obtendremos:
Luego reemplazando en la ecuación 1
obtenemos.
Con este ancho calculado, garantizo la
condición de tener una impedancia
característica de 50 Ω como se aprecia en la
Figura 1.
Substrato Permitividad Relativa (Ɛr) Espesor
RO 3006 6.15 1.28 mm
.
3
Figura 1. Línea de Entrada Diseñada.
Fuente: El Autor.
B. Balun(Balanced to Unbalanced)
Para el desarrollo de este artículo se llevó a
cabo un balun Wilkinson, el cual tiene la
siguiente configuración como se aprecia en la
Figura 2.
Figura 2. Configuración general de un Balun Wilkinson.
Fuente. El Autor.
Para la primera red que se observa en la figura
2, que es la red de adaptación, se puede
contemplar un divisor de potencia Wilkinson,
el cual asegura dividir la señal preliminar, en
dos señales con la mitad de potencia de la
señal inicial.
La impedancia de las líneas del divisor de
potencia Wilkinson (ver Figura 3) viene dada
por la relación de la ecuación 3:
( 3)
Para el diseño que se está desarrollando la
impedancia es la siguiente reemplazando los
valores en la ecuación 3:
Como podemos observar en el diseño,
encontramos una nueva impedancia para las
líneas del divisor de potencia, para ello
debemos calcular el ancho de la línea, con el
fin de asegurar la impedancia característica de
70.71Ω.
Donde;
( 1)
Para W/d < 2
Y
( 2)
Obtenemos:
Reemplazando la ecuación 1 obtenemos:
.
4
Obtenemos el ancho deseado para esta
impedancia,
Figura 3. Red de adaptación, Divisor de potencia.
Fuente. El Autor.
En la segunda red (ver Figura 4) se
implementan las líneas de desfase, con el fin
de garantizar un desfase de 180° entre la señal
de un extremo del dipolo y el otro para lograr
la máxima radiación a la frecuencia de 5.7
GHz.
Figura 4. Balun implementado en HFSS de Ansoft.
Fuente. El Autor
Simulando la red de adaptación, se logra un
desfase entre los brazos del dipolo de 181.3°, a
la frecuencia de 5.7 GHz, muy cercano al valor
teórico (180°).
Partiendo de los resultados anteriores se
implementa en el programa HFSS de Ansoft el
diseño del dipolo y se procede a su simulación
a la frecuencia de 5.7 GHz. En la figura 5 se
aprecia el dipolo implementado en ANSYS
(HFSS) de Ansoft.
Figura 5. Dipolo simulado en ANSYS (HFSS)
Fuente. El Autor
Al analizar el patrón de radiación se aprecia
que tiene una directividad de 5 dB en la
dirección endfire.
Figura 6. Patrón de radiación del dipolo.
Fuente. El Autor
.
5
El coeficiente de reflexión de este dipolo a 5.7
GHz. Es de -19.9165 dB. Un ancho de banda
de 350 MHz. (ver figura 7).
Figura 7. Coeficiente de reflexión del dipolo de longitud
media implementado.
Fuente. El Autor
La impedancia de entrada de la línea del dipolo
simulado es de 48.84-j 17.82 Ω. (Ver figura 8).
Se puede evidenciar una reactancia capacitiva.
Figura 8. Impedancia de entrada del dipolo.
Fuente. El Autor
En la tabla 3 se presentan el resumen de los
parámetros del dipolo simulado en el
simulador HFSS de Ansoft.
Tabla 3. Parámetros de interés del dipolo.
Magnitud Simulación
Frecuencia de resonancia
(GHz) 5.7
Valor mínimo [S11] (dB) -19.91
Ancho de Banda (MHz) 350
Parte real de la
impedancia a la
frecuencia central (Ω)
48.84
Parte reactiva de la
impedancia a la
frecuencia central (Ω)
-17.82
Fuente. El Autor
La tabla 3 presenta los resultados obtenidos de
la simulación del dipolo, donde podemos
apreciar que la antena esta resonando en la
frecuencia de trabajo de la banda 5.7 GHz.
Las pérdidas por retorno son -19.91 dB lo que
indica un VSWR bajo y un buen acople de
impedancia a 50 Ω.
La impedancia de entrada que presenta la
antena es una de las variables más importantes,
que muestra el grado de adaptación de la
antena con la línea de alimentación y con el
resto del sistema. Cuando la impedancia de
entrada del dipolo coincide con la del sistema
de transmisión se produce la máxima
transferencia de potencia y así la antena radia
de forma efectiva, y como se apreciá en la
tabla la reactancia o la parte imaginaria es muy
cercana a cero y la parte real está muy cercana
a la impedancia requerida en los parámetros
del diseño.
Teniendo en cuenta la resolución 711 de la
ANE, la antena implementada satisface el
requerimiento de ancho de banda para la banda
ISM de 5.7 GHz, es tomado en cuenta por
debajo de los -9.64 dB.
.
6
III. DESARROLLO DEL SEGUNDO
PROTOTIPO
Revisando la literatura de Constantine A.
Balanis es posible diseñar una antena tipo
parche de la forma como se aprecia en la figura
9 [5]:
Figura 9. Largo y Ancho del parche.
Fuente. El Autor
Los cálculos de las dimensiones de la antena se
realizan a partir de las siguientes ecuaciones 4:
( 4)
Donde:
Ɛr: permitividad relativa del material.
W: ancho del parche (mm).
f: frecuencia de operación de la antena.
V : velocidad de la luz en el espacio libre.
El siguiente paso es calcular la constante
dieléctrica efectiva con la siguiente ecuación 5:
( 5)
Donde h corresponde el grosor del sustrato
para este caso (1.28 mm).
ΔL se da por efectos de borde y se calcula de la
siguiente forma usando la ecuación 6:
(6)
Para hallar la longitud física del parche se usa
el resultado de las ecuaciones anteriores y
reemplazándolos en la ecuación 7:
(7)
La antena mostrada anteriormente (ver figura
9), es conectada directamente por una line de
transmisión, esto supone un desacople de
impedancia, para calcular este valor se emplea
la siguiente ecuación 8:
(8)
Donde:
(9)
.
7
(10)
Siendo el número de onda:
(11)
Un efecto importante es la conductancia mutua
que se produce entre las dos ranuras (G12), se
calcula dicho término con la siguiente
ecuación 12:
(12)
Donde:
(13)
Siendo la función de Bessel de orden cero.
Para aproximar la impedancia de entrada de la
antena a la línea de alimentación (50Ω) se debe
colocar el punto de alimentación de la antena
realizando una muesca como se muestra en la
figura 10:
Figura 10. Forma final del parche rectangular.
Fuente: El Autor
Para calcular el punto de alimentación y se
usa la siguiente ecuación:
(15)
(16)
Despejar y ;
Para calcular el valor g se utiliza la ecuación
17:
(17)
Con = 3 x mm /s y f en GHz.
Partiendo de los resultados anteriores se
implementa en el programa ANSYS (HFSS) de
Ansoft el diseño de la antena tipo parche
rectangular y se procede a su simulación a la
frecuencia de 915 MHz. En la figura 11 se
aprecia el parche implementado en ANSYS
(HFSS) de Ansoft.
Figura 11. Antena tipo parche simulada en ANSYS
(HFSS) de Ansoft
Fuente. El Autor
.
8
Al analizar el patrón de radiación se aprecia
que tiene una directividad de 2.4 dB en la
dirección endfire como se puede apreciar en la
figura 12.
Figura 12. Patrón de radiación de la antena tipo parche
rectangular plano XY.
Fuente. El Autor
El coeficiente de reflexión de esta antena tipo
parche a 915 MHz. Es de -20.78 dB. Un ancho
de banda de 7.71 MHz. (ver figura 13).
Figura 13. Coeficiente de reflexión de la antena de tipo
parche rectangular implementado.
Fuente. El Autor
La impedancia de entrada de la línea de la
antena simulado es de 49.79 +j 9.1515 Ω. (Ver
figura 14). Se puede evidenciar un pequeño
fenómeno inductivo.
Figura 14. Impedancia de entrada de la antena tipo
parche rectangular.
Fuente. El Autor
La tabla 4 presenta el resumen de los
parámetros de la antena tipo parche rectangular
simulado en el simulador ANSYS (HFSS) de
Ansoft.
Tabla 4. Parámetros de interés de la antena tipo parche
rectangular.
Magnitud Simulación
Frecuencia de resonancia
(MHZ) 915
Valor mínimo [S11] (dB) -20.78
Ancho de Banda (MHz) 7.71
Parte real de la
impedancia a la
frecuencia central (Ω)
49.79
Parte reactiva de la
impedancia a la
frecuencia central (Ω)
9.1515
Fuente. El Autor
La tabla 4 muestra que la antena esta
resonando a la frecuencia de trabajo que
deseamos a 915 MHz, y posee un ancho de
banda de 7.71 MHz que se tomó en cuenta por
debajo de los -9.64 dB, las perdidas por retorno
se encuentran a -20.78 dB lo que indica un
VSWR muy bajo y un buen acople de
impedancia a 50Ω.
.
9
Se pueden apreciar los niveles de la
impedancia de entrada del parche rectangular,
recordando que para que haya una máxima
transferencia de energía la reactancia o la parte
imaginaria debe ser lo más cercana a cero,
como la obtuvimos en la simulación que es de
9.1515Ω, y la parte real debe estar próxima a
la impedancia de interés que se calculó en los
parámetros del diseño que en este caso fue de
49.79Ω.
IV. RESULTADOS
En este apartado se presenta la medición de los
prototipos de antenas diseñados, con sus
respectivos resultados.
A. Medición del Primer Prototipo
El primer prototipo a realizar sus mediciones,
es el dipolo de media longitud de onda, a este
prototipo se le agregaron 6 directores con el fin
de obtener una buena ganancia, las
disposiciones de estos elementos parásitos se
diseñaron a una separación de 0.25 𝝀, además
su longitud va decreciendo cada uno de 1 mm.
Figura 15. Primer prototipo a implementar.
Fuente. El Autor
Para la elaboración del prototipo se utilizaron
las instalaciones del laboratorio de
comunicaciones del Sena en Tecno-Parque. La
fabricación de se realizó mediante el método
químico. Obteniendo el acabado final de la
antena como se aprecia en la figura 16.
Figura 16. Antena del primer prototipo terminada.
Fuente. El Autor
Después de haber culminado la fabricación del
primer prototipo se procede a realizar su
correspondiente medición y comparación con
los resultados de la simulación con el fin de
apreciar la calidad del diseño realizado. Las
mediciones se realizan con el analizador
vectorial de redes ROHDE & SCHARZ FSH8
SPECTRUM ANALYZER 100 KHz –8 GHz,
propiedad de la Universidad Católica de
Colombia.
En la siguiente Figura 17 se aprecia el
coeficiente de reflexión.
.
10
Figura 17. Coeficiente de reflexión simulado (rojo) y
medido (verde).
Fuente. El Autor
En la figura 18 se puede apreciar la impedancia
de entrada de la antena, realizado con el
Analizador Vectorial de Redes.
Figura 18. Impedancia de entrada dato extraído del
(VNA).
Fuente. El Autor
La tabla 5 presenta los resultados simulados y
medidos:
Tabla 5. Mediciones de interés del primer prototipo.
Variable de interés Simulación Medición
Coeficiente de
Reflexión (dB) -19.91 -27.06
Ancho de Banda
(MHz) 350 308
Fuente. El Autor
En la tabla 5 podemos apreciar que, el
prototipo fabricado supera en un 26.4% el
coeficiente de reflexión del prototipo simulado,
el ancho de banda del prototipo fabricado es
menor en un 12% al prototipo simulado, pero
es muy bueno este valor, ya que el ancho de
banda para la frecuencia ISM de 5.7 GHz es de
150 MHz, siendo este ancho de bando
superado por el prototipo implementado.
En la figura 17 presenta las perdidas por
retorno logradas mediante el analizador
vectorial de redes, donde podemos apreciar el
ancho de banda logrado por el diseño
implementado. Siguiendo el criterio de
resonancia en una antena con el parámetro
S11, donde tiene que estar ubicado por debajo
de -9.64 dB, donde podemos observar el límite
inferior en 5.61 GHz y el límite superior en
5.92 GHz, respectivamente con una frecuencia
de resonancia máxima de 5,72 GHz
alcanzando un ancho de banda d 308 MHz
El valor de la impedancia expuesto en la figura
18 es tomado de la frecuencia donde se
localiza la máxima resonancia obteniendo
Zin = 55.80 + j 0.45Ω. Este resultado nos
muestra el grado de adaptación de la antena
con la línea de alimentación.
.
11
B. Medición del Segundo Prototipo
El segundo prototipo a implementar es la
antena de parche rectangular que ópera en la
frecuencia de 915 MHz. La antena
implementada para la simulación y
construcción en ANSYS (HFSS) de Ansoft se
aprecia en la figura 19.
Figura 19. Segundo prototipo a implementar.
Fuente. El Autor
El proceso de fabricación de esta antena es el
mismo que el del primer prototipo, el resultado
final del proceso se aprecia en la figura 20.
Figura 20. Segundo prototipo implementado.
Fuente. El Autor
A continuación, se comparan los resultados de
las simulaciones realizadas, usando el
simulador ANSYS (HFSS) de Ansoft y las
mediciones tomadas en el laboratorio con el
analizador vectorial de redes ROHDE &
SCHARZ FSH8 SPECTRUM ANALYZER
100 KHz –8 GHz. En la siguiente Figura 21 se
aprecia el coeficiente de reflexión medido
contra simulado.
Figura 21. Coeficiente de reflexión para el segundo
prototipo, (rojo) simulado y (verde) medido.
Fuente. El Autor
En la figura 22 se puede apreciar la impedancia
de entrada de la antena, realizado con el
Analizador Vectorial de Redes
Figura 22. Impedancia de entrada del segundo prototipo
dato extraído del (VNA).
Fuente. El Autor
.
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La tabla 6 presenta los resultados de interés
simulados y medidos del segundo prototipo:
Tabla 6. Mediciones de interés del segundo prototipo.
Variable de interés Simulación Medición
Frecuencia de
resonancia (MHz) 915 910
Coeficiente de
Reflexión (dB) -20.78 -25.34
Ancho de Banda
(MHZ) 7.71 10.93
Fuente. El Autor
El prototipo fabricado supera en un 17.99% el
coeficiente de reflexión del prototipo
simulado, el ancho de banda del prototipo
simulado es 29.46% inferior al prototipo
fabricado. Como se pudo observar el prototipo
fabricado muestra buenos resultados frente a
los simulados.
Siguiendo la resolución 711 del 11 de octubre
de 2016 del Ministerio de
Telecomunicaciones, el ancho de banda para la
frecuencia de 915 MHz es de 26 MHz, la cual
opera desde el límite inferior 902 MHz hasta el
límite superior 928 MHz, como se aprecia en
la tabla anterior la frecuencia medida está
dentro de los parámetros designados resonando
en 910 MHz.
Como se puede observar en la figura 22 los
niveles de la impedancia de entrada del parche
rectangular son muy buenos, recordando que
para que haya una máxima transferencia de
energía la reactancia o la parte imaginaria debe
ser lo más cercana a cero, como la obtuvimos
en el Analizador Vectorial de Redes que es de
0.04Ω, y la parte real debe estar próxima a la
impedancia de interés que se calculó en los
parámetros del diseño que en este caso fue de
45.32Ω.
V. CONCLUSIONES
En las antenas con diseño de microcinta, se
observó que un substrato de alta constante
dieléctrica reduce las dimensiones de la antena,
puesto que las dimensiones son inversamente
proporcionales a la permitividad relativa.
Comparando los resultados de las medidas
simuladas frente a la medición del, coeficiente
de reflexión, se presenció que una antena radia
adecuadamente cuando el parámetro (S11) es
menor a -9.64 dB. Adicional se encontró que el
diseño implementado en el primer prototipo
tuvo un comportamiento satisfactorio, en
cuanto a los parámetros de coeficiente de
reflexión y ancho de banda del prototipo
simulado contra el prototipo medido, sus
variaciones fueron realmente pequeñas.
En el primer prototipo que se implementó, se
le diseñaron seis directores, la disposición de
estos elementos parásitos se ha hecho
manteniendo una separación de 0.25𝝀, además
la longitud de los mismos va desde los 9 mm y
va decreciendo cada uno de 1 mm, se pudo
apreciar que agregando los directores se
aumentó la ganancia y la directividad de la
antena, otorgándole excelentes características
para un buen desempeño.
Se concluyó que la diferencia que existe entre
una antena cuasi Yagi-Uda y Yagi-Uda, es que
la primera, emplea el plano de tierra de
alimentación como elemento reflector en la
parte posterior del substrato y Yagi-Uda
emplea un elemento parasito detrás del director
que realiza la función de reflector.
El buen ancho de banda obtenido en el
desarrollo del primer prototipo se debe en gran
medida a la excelente actuación del balun
diseñado, este tiene un desempeño
inmejorable. En Colombia según la resolución
711 del 11 de octubre de 2016 del Ministerio
de Telecomunicaciones, el ancho de banda
para la frecuencia de 5.7 GHz es de 150 MHz,
la cual opera desde el límite inferior 5725 MHz
.
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hasta el límite superior 5875 MHz, siendo este
ancho de banda fácilmente superado por la
antena diseñada.
La técnica de línea de transmisión que se
realizó para el diseño del parche microstrip
rectangular, entrego resultados muy
determinantes a las especificaciones de diseño,
pero es necesario concebir ajustes a las
longitudes calculadas en este método para
obtener la frecuencia deseada, donde el
objetivo es modificar las dimensiones del
parche, hasta conseguir los valores
inmejorables en sus parámetros de trabajo. En
consecuencia, si se varia la longitud del
parche, esta contesta de forma inversamente
proporcional, es decir si se desea aumentar la
frecuencia de resonancia se deberá disminuir la
longitud o viceversa.
La conclusión más importante de este trabajo
es un aporte que se coloca en el avance de
investigación tecnológica, en cuanto al diseño
de antenas impresas en PCB, que se están
desarrollando en nuestro país, para contribuir a
la liberación de espectro radio eléctrico.
VI. REFERENCIAS
[1] V. Jiménez Martín, José Luis. Rodríguez
Martín, José María. González Posadas,
“Procedimiento de Diseño y Realización de
Antenas de Parche en Tecnología Microstrip,”
Iac, vol. 22, no. January 1974, pp. 74–78, 2011.
[2] Ó. G. G. A. D. Suárez, “conectividad de zonas
rurales de Colombia,” vol. 9, pp. 7–22, 2012.
[3] Agencia Nacional del Espectro-Colombia,
“Cuadro nacional de atribucion de bandas de
frecuencia 2014,” pp. 1–375, 2014.
[4] Agencia Nacional del Espectro-Colombia,
“Resolución ANE 0711 de 2016 Bandas ICM
Colombia,” 11 Oct 2016. 2016.
[5] C. a. Balanis, Antenna Theory Analysis and
Design, vol. 28, no. 3. 2012.