https://doi.org/10.37815/rte.v34n2.876

Artículos originales

Sistema de radiación doble banda con polarización circular

Double band radiation
system with circular polarization

Frank Seguí Camacho1 https://orcid.org/0000-0003-4588-421X,

Francisco Marante Rizo1  https://orcid.org/0000-0003-3277-1371

1Universidad Tecnológica de La Habana (CUJAE), La Habana, Cuba

[email-masked], [email-masked]

Enviado:         2021/11/07

Aceptado:       2022/05/18

Publicado:
2022/06/30

Resumen

El progresivo desarrollo de las comunicaciones
inalámbricas a nivel mundial, y la necesidad de que los dispositivos puedan ser
utilizados en distintas bandas de frecuencia de forma simultánea para
satisfacer los servicios que se brindan en ellas, pone en marcha
investigaciones con el fin de buscar soluciones económicas, sencillas y con la
calidad requerida. Ante esta situación las antenas de microcinta por sus
características resultan una de las opciones más indicadas para lograr una
solución. En este artículo se propone el diseño y simulación de una antena
multibanda con polarización circular empleando una alimentación de microcinta
en las bandas de frecuencias de 1800 MHz y 2.4 GHz. La misma, atendiendo a los
resultados que arrojó la investigación puede ser empleada para telefonía celular
LTE en la banda 3 de 1800 MHz y aplicaciones WLAN como Wi-Fi
y Bluetooth en la banda de 2.4 GHz. Todo el proceso de diseño, simulación y
optimización se realizó en el software CST Studio Suite 2017.

Palabras
clave: antena,
microcinta, multibanda, polarización circular.

Abstract

Sumario: Introducción, Metodología, Propuesta, Discusión de Resultados y
Conclusiones.

Como citar: Seguí, F., & Marante, F. (2022). Sistema de radiación doble banda
con polarización circular. Revista Tecnológica - Espol, 34(2), 64-84.
http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/876

The progressive development of wireless communications
worldwide, and the need for devices to be used simultaneously in different
frequency bands to satisfy the services provided in them, has triggered
research to find economical, simple solutions with the required quality. In
this situation, microstrip antennas, due to their characteristics, are one of
the most suitable options for achieving a solution. This paper proposes the
design and simulation of a multiband antenna with circular polarization using a
microstrip feed in the 1800 MHz and 2.4 GHz frequency bands.  According to the research results, this
antenna can be used for LTE cellular telephony in the 1800 MHz band 3 and WLAN
applications such as Wi-Fi and Bluetooth in the 2.4 GHz band. The entire
design, simulation, and optimization process were conducted in CST Studio Suite
2017 software.

Keywords: antenna, microstrip,
multiband, circular polarization.

Introducción

La necesidad de los
sistemas de comunicaciones móviles actuales de soportar múltiples servicios
inalámbricos como la conmutación hacia otros canales, mejoras de las
velocidades de transmisión, calidad de voz y video, menos llamadas perdidas y
transmisión de mayores volúmenes de información, ha traído consigo un gran
incremento en el desarrollo de antenas que trabajen con un mayor ancho de banda
y resuenen en varias frecuencias.

Este rápido crecimiento de las
comunicaciones móviles demanda antenas de ligero peso, bajo costo y pequeñas
dimensiones. Ante las exigencias actuales, las de microcinta son una de las
opciones más recomendadas para las aplicaciones inalámbricas debido
principalmente a su sencillo diseño, variedad de formas y fácil instalación como
se ve en Balanis
(2016).

Las antenas de microcinta típicas resuenan
en una sola banda, pero el desarrollo actual de las comunicaciones requiere de
dispositivos que sean capaces de brindar varios servicios de forma simultánea,
es decir que puedan trabajar en varios rangos de frecuencias para satisfacer
las exigencias de nuestros días; ejemplos de ellos son: 1575.42/1227.60/1175.45
MHz para los Global Positioning System
(GPS) como plantea Doust (2008), 900/1800
MHz para Global System for
Mobile Communication (GSM), 2.4/5.2/5.8 GHz para
Wireless Local Area Networks (WLANs)
y 2.5/3.5/5.5 GHz para Interoperability for Microwave Access (WiMAX) (H. Liu et al., 2014).

Múltiples antenas pueden lograr operación
en multibanda, pero de esta forma también se incrementarían los costos, tamaño
de los dispositivos, complejidad de los sistemas y pueden surgir problemas de
acoplamiento; influyendo de forma negativa en el rendimiento de las mismas. Debido a su tamaño compacto, fácil fabricación,
bajo peso y poco costo las antenas de microcinta son candidatas ideales para
aplicaciones aéreas, bélicas o balísticas, radares y comunicaciones móviles
entre otras, planteado en Balanis (2016); Oulhaj
(2016); Kumar (2017) y Garg (2000).

Entre las
soluciones para lograr doble banda de resonancia se encuentran modificar la
estructura de una antena que trabaje inicialmente en una sola banda de manera
asimétrica, hacer slots en el parche radiante o en el plano tierra como se recoge en Varma (2017), empleo de dos o
más parches apilados entre uno o más dieléctricos planteado en Kumar (2011), utilizar más de un elemento radiante con
diferentes tamaños que resuenen en diferentes frecuencias como se evidencia en Kumar (2014), cargas reactivas con stubs, ejemplificado en Heidari
(2009) o realizando muescas en el parche como muestra Singh (2015).

Además, en esta
investigación se presentan dos modelos de antenas doble banda que poseen
polarización circular posibilitando que sean muy efectivas combatiendo las
interferencias producidas por desvanecimientos y las multitrayectorias,
de forma que no requieran una orientación estricta en su transmisión y
recepción, lo cual es útil para las comunicaciones satelitales móviles donde se
dificulta que exista una orientación constante entre las antenas.

Metodología

Durante los años
recientes grandes progresos en investigación y desarrollo se han logrado
gracias al empleo de antenas polarizadas circularmente, y actualmente, se están
convirtiendo en piezas claves para el desarrollo de los sistemas inalámbricos,
incluyendo comunicaciones satelitales, móviles, sistemas globales de navegación
por satélite (GNSS), sensores inalámbricos, identificación por radiofrecuencia
(RFID), redes de área local inalámbricas (WLAN), redes de área personal
inalámbricas (WPAN), interoperabilidad mundial para acceso por microondas
(WiMAX), entre otras aplicaciones recogidas en
Gao (2014).

Generación de Campo Circular

La polarización de una antena en una dirección dada está definida por la
polarización de la onda
transmitida (radiada) por ella; ésta a su vez es la propiedad de la onda
electromagnética que describe la dirección variable en el tiempo y
la magnitud relativa del vector de campo eléctrico en su dirección de
propagación.

Cuando la dirección no es conocida se asume la polarización de la onda
en la dirección de máxima ganancia. En la práctica, la polarización de la
energía radiada varía con la dirección del centro de la antena; así, diferentes
partes del patrón pueden tener diferentes polarizaciones planteado por Carrazana (2019).

La polarización se puede clasificar como linear, circular o elíptica. Si
el vector que describe el campo eléctrico en un punto en el espacio en función
del tiempo se encuentra siempre a lo largo de una línea, se dice que está
linealmente polarizado. Por lo general la figura que describe el campo
eléctrico es una elipse y se dice que está elípticamente polarizado. La
polarización lineal y la circular son casos especiales de la elíptica, y pueden
ser obtenidos cuando la elipse se convierte en una línea recta o en un círculo,
respectivamente, como se afirma en Balanis
(2016.).

Polarización
Circular

La polarización circular puede ser obtenida solamente si el campo
eléctrico posee dos componentes ortogonales con la misma magnitud y diferencia
de fase de 90° entre ellas.

Para una onda polarizada circularmente, el vector de
campo eléctrico en un punto dado en el espacio trazado en función del tiempo es
un círculo. El sentido de rotación puede determinarse observando la dirección
de la rotación temporal del campo como una onda que está vista a lo largo de la
dirección de propagación de la onda: si el campo de rotación está en sentido
horario, se dice que está con polarización circular de la mano derecha (RHCP),
y si se encuentra en sentido contrario a las manecillas del reloj, la onda está
con polarización circular de la mano izquierda (LHCP).

En realidad, es imposible lograr una perfecta polarización circular por
lo que la curva trazada en una posición dada en función del tiempo es
usualmente una elipse, como se muestra en la Figura 1. Las rectas a
y b denotan el eje mayor y menor de la elipse, respectivamente. La razón del
eje mayor con el menor de la elipse determina la relación axial.

La relación axial es el parámetro fundamental para medir la polarización
circular. Se utiliza como convenio que sea inferior a los 3 dB para el caso de
las antenas circularmente polarizadas.

Figura 1

Elipse con centro en el origen de
coordenadas con sus ejes mayor y menor trazados

Ventajas de las antenas polarizadas
circularmente

Braasch (1996) y Counselman (1999) muestran que
las antenas polarizadas circularmente son muy efectivas combatiendo las
interferencias producidas por desvanecimientos y las multitrayectorias.
La señal de radio reflejada proveniente de la tierra u otros objetos posee
polarización circular reversa al incidente; es decir, si la onda posee RHCP
tendrá una reflexión LHCP. Una antena RHCP presentará rechazos a señales
reflejadas LHCP reduciendo las interferencias por multitrayectorias.

Según Brookner (1985) y Davies (1965) la segunda ventaja es que las antenas polarizadas
circularmente son capaces de reducir la rotación de Faraday, efecto producido
en la ionosfera. Este efecto causa pérdidas significativas en la señal
que pueden superar los 3 dB si son empleadas señales linealmente polarizadas.
Las antenas polarizadas circularmente son inmunes a este problema, por tanto,
son empleadas ampliamente en aplicaciones satelitales, cápsulas espaciales y
misiles balísticos.

Las antenas polarizadas circularmente no requieren una orientación
estricta en su transmisión y recepción; mientras que las polarizadas
linealmente están sujetas a pérdidas si hay un incorrecto alineamiento entre
las antenas transmisora y receptora. Esto es útil para las comunicaciones
satelitales móviles donde se dificulta que exista una orientación constante
entre las antenas. Con polarización circular la fuerza de la señal recibida es
prácticamente la misma sin importar la orientación de la antena. Estas ventajas
hacen muy atractivas el empleo de antenas polarizadas circularmente en muchos
sistemas inalámbricos como afirma Gao (2014).

Desventajas de las
antenas polarizadas circularmente

Por lo general las antenas con polarización circular presentan una
estructura más compleja para lograr el desfasaje de los campos ortogonales.

En cuanto a la ganancia, la señal con polarización circular sufre
pérdidas al recibir señales con polarización lineal de hasta 3 dB en potencia.

Existen dificultades para incrementar el ancho de banda de relación
axial como se afirma en García (2017).

Antena Doble Banda con Polarización Circular
para Aplicaciones WLAN

Para el
desarrollo de esta investigación se analizaron un grupo de propuestas antenas
de microcinta de años recientes con características similares a la que queremos
desarrollar, entre ellas la de Cabrera et al (2018), que reflejaremos de forma breve para que el
lector conozca los principios que tomamos como base en el diseño.

Esta antena está
conformada por una línea de microcinta en la cara superior del sustrato, la
cual alimenta por proximidad una serie de ranuras en el plano tierra que, al
combinar correctamente sus dimensiones y geometría, facilitan el sintonizado de
este elemento radiante.

En la misma, se
empleó un sustrato FR4 de 0.8 mm y dimensiones 70*50

. Al
anillo hexagonal exterior de la figura se le incorporó una ranura en forma de
rayo, donde su distancia total es aproximadamente

a 2.4 GHz, con el fin de
proporcionar polarización circular en la banda inferior y, al incorporarle muescas en el interior fue posible lograr simultáneamente
polarización circular en la banda superior. El diseño se puede observar en la Figura
2.

Figura 2

Estructura de la Antena

En la Figura
3
se recogen los resultados de las pérdidas de retorno y la relación axial para
esta antena.  En el caso de las pérdidas de retorno las mediciones que resultan por debajo de -10 dB se consideran como la
banda de resonancia de la antena, y en el caso de la relación axial, ésta tiene
que ser inferior a 3 dB para afirmar la existencia de polarización circular,
como se planteó anteriormente.

Este diseño analizado posee patrones de
radiación bidireccionales en las bandas de trabajo de 2.4 GHz y 5.2 GHz,
ganancias de aproximadamente 3.45 dB en las dos frecuencias de interés, anchos
de banda de acoplamiento y de polarización circular de 90 MHz en 2.4 GHz y 630
MHz en 5 GHz, lo que representa un 3.83 % y 11.5 % respectivamente, suficientes
para cubrir los requerimientos de aplicaciones WLAN.

Figura 3

a) Pérdidas de
retorno b) Relación axial en la banda inferior c) Relación axial en la banda
superior

Breve descripción del software empleado

CST Studio Suite
se utiliza en empresas líderes de tecnología e ingeniería de todo el mundo. Es
un software de alto rendimiento empleado para diseñar, analizar y optimizar
componentes y sistemas electromagnéticos.

Entre los objetos
más comunes del análisis en este software se incluyen el rendimiento y la
eficiencia de antenas y filtros, la exposición del cuerpo humano a campos
electromagnéticos, los efectos electromecánicos en motores y generadores, y los
efectos térmicos en dispositivos de alta potencia como describe su página oficial.

Ventajas de este
software

Una interfaz
gráfica atractiva y sencilla de utilizar.

CST Studio Suite
emplea el método de las diferencias finitas, que converge a la simulación con
mayor rapidez que el método de los elementos finitos usado en HFSS, lo cual
permite un uso más económico del poder de cómputo.

El motor de
optimización del software utilizado permite además una convergencia más rápida
seleccionando de forma sencilla una variedad de métodos para realizar las
optimizaciones en los diseños planteados en
Guerra (2020).

Propuesta

Para los modelos
que se proponen utilizar en este artículo se utiliza como sustrato dieléctrico
el RT/Duroid 5880 con una altura h = 1.575 mm,
tangente de pérdidas de 0.0009 y permitividad relativa εr
= 2.2 cubierto por dos capas de cobre de grosor t = 35 μm
y conductividad σ = 5.8×107 S/m.

Al poseer la
pérdida dieléctrica más baja de cualquier material de PTFE reforzado, pueden
ser considerados como sustratos ideales para aplicaciones de alta frecuencia y
banda ancha donde se requiera reducir al mínimo la dispersión y las pérdidas,
logrando así que se alcance mejor radiación hacia el espacio como plantea
Collazo (2020) y se recoge en la hoja de datos de este componente (2021).

Después de modelar
y analizar mediante simulaciones diferentes diseños de antenas de microcinta se
procedió a tomar como base el del plano tierra ranurado alimentado por
proximidad mostrado en Cabrera et al (2018),
con el cambio del sustrato empleado como se expresó anteriormente, porque fue
de esta forma que se arrojaron los mejores resultados.

A partir de una serie de parametrizaciones y
optimizaciones realizadas en la estructura del mismo,
con el fin de adaptarlo a nuestros requerimientos se obtiene el diseño que se
muestra en la Figura 4.
Inicialmente el centro del plano ranurado se encuentra desplazado verticalmente
una distancia equivalente a la mitad del radio exterior del anillo hexagonal.

Figura 4

Diseño
Inicial del Modelo Propuesto

Con este modelo inicial se logra una antena
multibanda que satisface las especificaciones de anchos de banda requeridas en
la investigación; pero es necesario seguir realizando cambios en la estructura
con el fin de mejorar el ancho de banda de polarización circular en la banda de
los 1800 MHz. La Figura 5
muestra las pérdidas de retorno para este diseño y la Figura 6 su
relación axial.

Figura 5

Parámetro S11 para el modelo
inicial

Figura 6

Relación Axial para el modelo inicial

A partir del análisis del comportamiento del
campo eléctrico en el software para la banda de 1800 MHz se decide modificar el
borde exterior de la ranura en forma de anillo hexagonal, y se procede a
optimizar la nueva estructura, quedando tal como se muestra en la Figura 7.

Figura 7

Antena optimizada después de
modificar borde exterior de la ranura en forma de anillo hexagonal

En la Figura 8 y la Figura 9 se
muestran las pérdidas de retorno y la relación axial simuladas,
respectivamente.

Figura 8

Pérdidas de retorno

De la Figura 8 se
puede concluir que para la frecuencia de 1800 MHz se logra un ancho de banda de
332.2
MHz (1.6624-1.9946 GHz) y en la de 2.4 GHz se logra un ancho de banda 424.9 MHz
(2.3104-2.7353 GHz).

Figura 9

Relación Axial

En el caso de la Figura 9 se logran anchos
de banda de polarización circular en la banda inferior de 199 MHz (1.683-1.882
GHz), y 771.7 MHz (2.3966 - 3.1683 GHz) en la banda superior.

En la Figura 10 se
muestra la impedancia de entrada de esta antena, donde los valores son muy
cercanos a 50 Ω para las frecuencias de interés, lo que demuestra el
correcto acople del sistema.

En la Figura 11 a) y
b) se muestran los patrones de radiación en 2D para este diseño en las
frecuencias de 1.85 GHz y 2.45 GHz, respectivamente; en la Figura 12 a) y
b) se pueden apreciar dichos patrones en 3D para las mismas frecuencias antes
mencionadas en igual orden. Para este diseño se obtienen ganancias de 3.39 dB en 1.85 GHz y
4.43 dB en 2.45 GHz.

Figura 10

Parte real de la impedancia de entrada

Figura 11

a) Patrón de radiación 2D
para 1.85 GHz b) Patrón de radiación 2D para 2.45 GHz

Figura 12

a) Patrón de radiación 3D para 1.85 GHz b)
Patrón de radiación 3D para 2.45 GHz

Como se ha mostrado hasta ahora, la antena
diseñada posee un patrón de radiación bidireccional. Debido a los bajos valores
de ganancia alcanzados característicos de este tipo de antenas, el elevado
precio del sustrato empleado, y con el objetivo principal de poseer un mayor
control sobre la directividad de la misma,
aprovechando de mejor forma su patrón de radiación y evitar así que se pierda
potencia en radiar una señal que puede considerarse en algunos casos como no
deseada, se hace necesario buscar vías para adaptar el diseño a una antena
unidireccional.

Adaptando
el modelo diseñado a una antena de patrón de radiación unidireccional

A la antena que se diseñó se le añadió un plano
tierra de cobre de conductividad

, cuyo grosor es de

. El mismo como muestra la Figura 13 se
encuentra “frente a la línea de alimentación”, inicialmente a una distancia de

del
sustrato y será unido a la antena por medio de tornillos de teflón.

Las dimensiones del plano tierra que se añadió,
así como su distancia inicial a la antena antes diseñada, se tomaron a partir
de diferentes simulaciones que se realizaron previamente.

Figura 13

a) Vista lateral derecha del
nuevo modelo b) Vista en perspectiva del nuevo modelo

En la Figura 14 y Figura 15 se
muestran las pérdidas de retorno y la relación axial para este nuevo modelo.

Figura 14

Pérdidas de retorno

Figura 15

Relación axial

En las gráficas anteriores se puede observar
que al agregar el plano tierra se obtiene un ancho de banda que cubre las
frecuencias de interés, pero carece de polarización circular la banda inferior,
mientras que en la superior todavía es necesario seguir haciendo ajustes para
lograrla completamente.

Siguiendo la lógica de la investigación que se
tuvo en cuenta para la construcción del modelo de antena de radiación
bidireccional expuesto anteriormente, se decidió modificar nuevamente el
exterior de la ranura en forma de anillo octogonal que se tenía; pero además se
apreció que mover horizontalmente la línea de microcinta en la zona inferior
del sustrato, la separación de la antena al plano tierra que se añadió, así
como el desplazamiento vertical del “dibujo” ranurado influían
significativamente en el ancho de banda de polarización circular. Finalmente se
obtiene el diseño de la Figura 16, con
sus correspondientes gráficas de pérdidas de retorno y relación axial en la Figura 17 y la Figura 18,
respectivamente.

Figura 16

Antena con modificaciones en
las ranuras

Figura 17

Pérdidas de retorno

Figura 18

Gráfica de la relación axial

Las pérdidas de retorno anteriormente mostradas
cubren el ancho de banda que se requiere para los servicios, y ya la banda
superior posee la polarización circular completamente, mientras que en la banda
de los 1800 MHz se ha logrado este objetivo de forma parcial. Realizando una
optimización de las variables antes mencionadas se mejoran los resultados,
quedando como se aprecia en el nuevo modelo de la Figura 19 con
sus correspondientes resultados en Figura 20 y la Figura 21.

Figura 19

Modelo optimizado de la
antena

Figura 20

Gráfica
de los parámetros S11 para el modelo optimizado de la antena

Figura 21

Gráfica de la relación axial para el modelo optimizado de la antena

Después de haber cumplido prácticamente los
objetivos de anchos de bandas requeridos y relación axial con el modelo
propuesto, se siguen realizando simulaciones en la antena hasta encontrar una
forma sencilla de ampliar el ancho de banda de relación axial que incluya las
frecuencias faltantes de la banda inferior. A partir del análisis del campo
eléctrico y de las gráficas de relación axial de las simulaciones realizadas se
decide combinar dos parámetros que de cierta forma se complementaban entre sí
para lograr el cumplimiento de la totalidad de los objetivos. Los mismos
fueron: la distancia de separación entre la antena y el plano tierra y el
desplazamiento de la línea de alimentación. El diseño final se muestra en la Figura 22.

Figura 22

De Izquierda a Derecha Vista Frontal, Vista Trasera del Sustrato,
Vista Lateral y en Perspectiva

De la Figura
23 se
puede observar que la antena diseñada posee un ancho de banda en la banda de
1800 MHz de 775.3 MHz (1.3084-2.0837 GHz) y en la de 2.4 GHz de 456 MHz
(2.1762-2.6322 GHz), lo que hace posible su uso para las aplicaciones que se
perseguían con su diseño.

Figura 23

Pérdidas de Retorno

La Figura 24 muestra
la relación axial, donde se logra un ancho de banda en la banda inferior de 185
MHz (1.6971-1.8821 GHz), mientras que en la banda superior es de 862.3 MHz
(2.1245-2.9868 GHz), abarcando completamente las frecuencias necesarias de los
servicios para los que fue diseñada la antena.

Figura 24

Relación Axial

En las Figura
25 y Figura
26 se
puede apreciar que este modelo presenta un buen acoplamiento de impedancia, al
tener valores cercanos a los 50 Ω en el caso de la parte real, y a cero en
el caso de la parte imaginaria para las bandas de frecuencia de interés.

Figura 25

Parte
Real de la Impedancia de Entrada

Figura 26

Parte
Imaginaria de la Impedancia de Entrada

En la Figura
27 y la Figura
28 se
muestran los patrones de radiación de la antena optimizada para un grupo de
frecuencias en 2D y 3D, respectivamente. A partir de su análisis se puede
afirmar que este modelo logra un patrón de radiación de forma unidireccional,
con ganancias de 8.19 dB en 1.75 GHz y 8.22 dB en 2.45 GHz. En el caso de la
directividad para todas las frecuencias que se muestrearon, la misma fue
siempre superior a 8.1 dBi.

Figura 27

Patrones
de radiación en 2D a) 1750 MHz, b) 1850 MHz, c) 2400 MHz y d) 2450 MHz

Figura 28

Patrones
de radiación en 3D a) 1750 MHz, b) 1850 MHz, c) 2400 MHz y d) 2450 MHz

Con el
fin de facilitar la construcción de la antena propuesta, a continuación
se exponen las dimensiones del diseño optimizado en mm.
Para ello el análisis se apoyará en la Figura 29 y en
la Tabla 1 para
el caso de las variables utilizadas en el plano ranurado y en el añadido, y en
la Figura 30 y la Tabla 2 donde
se recogen las medidas empleadas en la vista trasera del sustrato.

Dimensiones
de la antena en el plano ranurado y del plano tierra añadido

Figura 29

Distribución de las Variables Utilizadas en el Plano Tierra Ranurado
para el Modelo de Antena Final

Tabla 1

Dimensiones
de la Antena en el Plano Ranurado y del Plano Tierra Añadido

PARÁMETROS

VALOR (mm)

PARÁMETROS

VALOR (mm)

Largo plano tierra añadida

162.802

ai

33.60

Ancho plano tierra añadido

134.749

ad

35.441

Ls

142.748

ldent

39.616

Ws

105.089

adent

3.912

Desplazamiento vertical

19.907

inc

40.275

Rext

51.023

ainc

4.838

Rint

29.497

li

9.7

at

0.802

ld

10.231

xt

5.042

lid

6.022

ab

12.59

lii

9.923

lb

7.085

lsd

12.452

Rx

25.589

lsi

10.732

aid

24.299

ray

26.409

aii

29.531

a

5.685

asd

26.246

asi

27.569

La
rotación de las muescas es de

. El vértice de dicho ángulo lo constituye el
centro que fue desplazado como se explicó anteriormente, mientras que uno de sus
lados es utilizado como referencia para medir la amplitud de la rotación.
Tomando como centro de una circunferencia dicho punto de la figura, la otra
muesca es diametralmente opuesta a la antes mencionada. En el caso del ángulo
α su valor es de 45°. La longitud total de la estructura en forma de rayo
es de aproximadamente λ/4 para una frecuencia de 1.8 GHz.

Dimensiones
de la cara inferior del sustrato

Figura
30

Distribución de las
Variables Utilizadas en la Cara Inferior del Sustrato

Tabla
2

Dimensiones
de la Cara Inferior del Sustrato

PARÁMETROS

VALOR (mm)

AG

8.455

LG

65.931

ap

6.826

lp

16.221

Desplazamiento
de la alimentación

0.75

Discusión
de Resultados

Las antenas de microcinta convencionales con
formas de parches rectangulares y circulares tienen estrecho ancho de banda y
pobre eficiencia de radiación, lo que impide que sean capaces de satisfacer los
principales requerimientos de los sistemas de comunicaciones modernos. El
perfeccionamiento de los equipos de telecomunicaciones, y en este caso
particular de las antenas de microcinta, es un proceso en constante evolución;
por ello día a día grandes empresas, universidades, y profesionales vinculados
directamente a estas áreas realizan contribuciones con técnicas modernas que
toman como base, tanto los antiguos como los más novedosos conocimientos
alcanzados en estas esferas y los adaptan a las condiciones futuras. En este
apartado de la investigación se resumen los resultados obtenidos durante el
desarrollo de los modelos propuestos anteriormente.

Algunos de los ejemplos de las técnicas
utilizadas para la realización de las propuestas fueron la introducción de
ranuras en el plano tierra de la antena; una de ellas en forma de rayo que fue
la de mayor influencia en lo relacionado con la generación de polarización
circular en la banda inferior junto a la del borde exterior; la generación de
la polarización circular en la banda superior se logró gracias a la
contribución que ejerció la correcta orientación de las muescas en la zona
central del ranurado realizado, y el plano tierra añadido posteriormente
proporcionó que el patrón de radiación de la estructura diseñada fuera
unidireccional.

Partiendo de los resultados obtenidos mediante
la simulación en el software CST Studio 2017 se puede afirmar que se ha logrado
el diseño de dos antenas de microcinta multibanda que incorporan polarización
circular en las bandas de frecuencia de interés. En la Tabla 3 se reflejan los rangos de frecuencia de los
servicios de telefonía celular en la banda 3 de la LTE en 1800 MHz, Bluetooth y
WiFi en 2.4 GHz, y a continuación cómo los mismos son
cubiertos en su totalidad por cada uno de los modelos propuestos.

Tabla 3

Aplicaciones
inalámbricas que se perseguían en el diseño

SERVICIOS

BANDAS DE FRECUENCIAS QUE
REQUIEREN (MHz)

ANCHO DE BANDA ANTENA DE
PATRÓN BIDIRECCIONAL (MHz)

ANCHO DE BANDA ANTENA DE
PATRÓN UNIRECCIONAL (MHz)

Telefonía LTE
Banda 3

1710-1785; 1805-1880

1683-1888.2

1697.1-1882.1

WiFi
en 2.4 GHz

2400-2483.5

2396.6-2735.3

2176.2-2632.2

Bluetooth

2400-2483.5

2396.6-2735.3

2176.2-2632.2

Conclusiones

El
estudio del contexto internacional y nacional sobre el diseño de antenas de
microcinta, y el
análisis de las técnicas más recientes, posibilitaron identificar aquellos métodos más viables
para generar múltiples resonancias y polarización circular en las mismas,
seleccionando la alimentación por proximidad al parche, así como la inserción
de ranuras en el plano tierra.

Una vez analizados los resultados de la simulación mediante el software
CST Studio 2017 para las dos antenas de microcinta diseñadas, se decidió optar
por la que presenta un patrón de radiación unidireccional al brindar mayor
control en la directividad de la misma.

Estas simulaciones demostraron
que se alcanzan ganancias de aproximadamente 8.2 dB en las frecuencias de
interés, anchos de banda de acoplamiento y de polarización circular de 185 MHz
en la banda de 1800 MHz y 456 MHz en la de 2.4 GHz, y cubre totalmente los
requerimientos de frecuencias de las aplicaciones WLAN en la banda de 2.4 GHz y
telefonía LTE en la banda 3 para los que fue diseñada.

El diseño de estas
antenas de ligero peso, bajo
costo y pequeñas dimensiones,
garantizará que los servicios de WiFi en 2.4 GHz y
LTE en la banda de 1800 MHz sean utilizados simultáneamente sin necesidad de emplear un
dispositivo de este tipo para cada prestación por separado.

La forma de
describir los pasos del diseño de ambos modelos sugeridos facilitará a todos
los interesados su futura construcción, teniendo en cuenta que se recogieron de forma detallada los modelos
elaborados mediante imágenes tomadas del software, con sus correspondientes
gráficas, en un orden lógico de trabajo proporcionándole a éstos las medidas
exactas del modelo final.

Reconocimientos

Los autores desean expresar su
agradecimiento al Departamento de Comunicaciones Inalámbricas de la Universidad
Tecnológica de La Habana (CUJAE) por brindarles bibliografía de los años
recientes relacionada con el tema de investigación que se ha plasmado en este
artículo, sin las cuales no hubiera sido posible el desarrollo del mismo.

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