https://doi.org/10.37815/rte.v34n2.876
Artículos originales
Sistema de radiación doble banda con polarización =
circular
Double ba=
nd radiation
system with circular polarization
Frank Seguí Camacho1 <=
/span>https://orcid.org/0000-0=
003-4588-421X,
Francisco Marante Rizo1 https://orcid.org/0000-0=
003-3277-1371
1
fsegui16@gmail.com, <=
span
style=3D'mso-bookmark:_Hlk61880979'>marante@tele.cuja=
e.edu.cu
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 microcin=
ta
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 ce=
lular
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.
=
Pa=
labras
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 b=
anda
con polarización circular. Revista Tecnológica - Espol, 34(2), 64-8=
4.
http://www.rte.espol.e=
du.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 usi=
ng 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 W=
LAN
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 S=
uite
2017 software.
Introducción
La necesidad d=
e 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 b=
anda
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 Ba=
lanis
(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 simultán=
ea,
es decir que puedan trabajar en varios rangos de frecuencias para satisfacer
las exigencias de nuestros días; ejemplos de ellos son: 1575.42/1227.60/117=
5.45
MHz para los Global Positioning System
(GPS) como plantea Doust (2008), 90=
0/1800
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 (WiM=
AX) (H. Liu et al., 2014).
Múltiples antenas pueden lograr op=
eración
en multibanda, pero de esta forma también se incrementarían los costos, tam=
año
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 fabrica=
ción,
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 l=
as
soluciones para lograr doble banda de resonancia se encuentran modificar la
estructura de una antena que trabaje inicialmente en una sola banda de mane=
ra
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 m=
ultitrayectorias,
de forma que no requieran una orientación estricta en su transmisión y
recepción, lo cual es útil para las comunicaciones satelitales móviles dond=
e se
dificulta que exista una orientación constante entre las antenas.
M
Durante los añ=
os
recientes grandes progresos en investigación y desarrollo se han logrado
gracias al empleo de antenas polarizadas circularmente, y actualmente, se e=
stán
convirtiendo en piezas claves para el desarrollo de los sistemas inalámbric=
os,
incluyendo comunicaciones satelitales, móviles, sistemas globales de navega=
ción
por satélite (GNSS), sensores inalámbricos, identificación por radiofrecuen=
cia
(RFID), redes de área local inalámbricas (WLAN), redes de área personal
inalámbricas (WPAN), interoperabilidad mundial para acceso por microondas
(WiMAX), entre otras aplicaciones recogida=
s en
Gao (2014).
Generación de Campo Circular
La polarización de una antena en una dirección dada está definida po=
r 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 ti=
empo 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 on=
da
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, difere=
ntes
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 func=
ión
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 pu=
eden
ser obtenidos cuando la elipse se convierte en una línea recta o en un círc=
ulo,
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 diferen=
cia
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 tiemp=
o es
un círculo. El sentido de rotación puede determinarse observando la direcci=
ón
de la rotación temporal del campo como una onda que está vista a lo largo d=
e 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 (RHC=
P),
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<=
/span>. Las rec=
tas 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 polariza=
ción
circular. Se utiliza como convenio que sea inferior a los 3 dB para el caso=
de
las antenas circularmente polarizadas.
Figura <= /span>1<= /span>
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 m=
ultitrayectorias.
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 mult=
itrayectorias.
Según Brookner (1985) y Davies (1965) la segunda ventaja es que las antenas polarizadas
circularmente son capaces de reducir la rotación de Faraday, efecto produci=
do
en la ionosfera. Este efecto causa pérdidas significativas en la se=
ñal
que pueden superar los 3 dB si son empleadas señales linealmente polarizada=
s.
Las antenas polarizadas circularmente son inmunes a este problema, por tant=
o,
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 vent=
ajas
hacen muy atractivas el empleo de antenas polarizadas circularmente en much=
os
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 potenc=
ia.
Existen dificultades para incrementar el ancho de banda de relación
axial como se afirma en García (2017).
Antena Doble Banda con Polarización Ci= rcular para Aplicaciones WLAN
Para el
desarrollo de esta investigación se analizaron un grupo de propuestas anten=
as
de microcinta de años recientes con características similares a la que quer=
emos
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 an=
tena 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 sintonizad=
o de
este elemento radiante.
En la m=
isma, se
empleó un sustrato FR4 de 0.8 mm y dimensiones 70*50
Figura <= /span>2<= /span>
Estructura de la Antena
En la Figura
3
se recogen los resultados de las pérdidas de retorno y la relación axial pa=
ra
esta antena. En el caso de las pérdidas de retorno
Este diseño analizado posee patron=
es 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, anc=
hos
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, suficie=
ntes
para cubrir los requerimientos de aplicaciones WLAN.
Figura <= /span>3<= /span>
a) P=
érdidas de
retorno b) Relación axial en la banda inferior c) Relación axial en la banda
superior
Breve descripción del software emplead= o
CST Stu=
dio 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 l=
os 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 int=
erfaz
gráfica atractiva y sencilla de utilizar.
CST Stu=
dio Suite
emplea el método de las diferencias finitas, que converge a la simulación c=
on
mayor rapidez que el método de los elementos finitos usado en HFSS, lo cual
permite un uso más económico del poder de cómputo.
El moto=
r de
optimización del software utilizado permite además una convergencia más ráp=
ida
seleccionando de forma sencilla una variedad de métodos para realizar las
optimizaciones en los diseños planteados en
Guerra (2020).
Para los mod=
elos
que se proponen utilizar en este artículo se utiliza como sustrato dieléctr=
ico
el RT/Duroid 5880 con una altura h =3D 1.575 mm,
tangente de pérdidas de 0.0009 y permitividad relativa εr
=3D 2.2 cubierto por dos capas de cobre de grosor t =3D 35 μm
y conductividad σ =3D 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 frecuenci=
a y
banda ancha donde se requiera reducir al mínimo la dispersión y las pérdida=
s,
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 m=
odelar
y analizar mediante simulaciones diferentes diseños de antenas de microcint=
a 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 f=
ue
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 verticalm=
ente
una distancia equivalente a la mitad del radio exterior del anillo hexagona=
l.
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 estruct=
ura
con el fin de mejorar el ancho de banda de polarización circular en la band=
a 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 e= l 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 modifica=
r 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 de= spués de modificar borde exterior de la ranura en forma de anillo hexagonal
<= o:p>
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<= /span>
De la Figura 8 se
puede concluir que para la frecuencia de 1800 MHz se logra un ancho de band=
a 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 an=
chos
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 REF _Ref86879748 \h Figura 12 a) y
b) se pueden apreciar dichos patrones en 3D para las mismas frecuencias ant=
es
mencionadas en igual orden. Para este diseño se obtienen ganancias de 3.39 =
dB en 1.85 GH=
z y
4.43 dB en 2.45 GHz.
Figura 10
Parte real de la impedancia de entrada
Figura 11
a) Patrón de radiaci=
ón 2D
para 1.85 GHz b) Patrón de radiación 2D para 2.45 GHz<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc83825648'>
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 val=
ores
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 pier=
da
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 <=
![if !msEquation]>
Las dimensiones del plano tierra que se a=
ñadió,
así como su distancia inicial a la antena antes diseñada, se tomaron a part=
ir
de diferentes simulaciones que se realizaron previamente.
Figura 13
a) Vista lateral der= echa del nuevo modelo b) Vista en perspectiva del nuevo modelo<= /p>
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<= /span>
<= o:p>
Figura 15
Relación axial
En las gráficas anteriores se puede obser=
var
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 infer=
ior,
mientras que en la superior todavía es necesario seguir haciendo ajustes pa=
ra
lograrla completamente.
Siguiendo la lógica de la investigación q=
ue 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 ademá=
s 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. Finalment=
e 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 modificac= iones en las ranuras
Figura 17
Pérdidas de retorno<= /span>
Figura 18
Gráfica de la relación axial
Las pérdidas de retorno anteriormente mos=
tradas
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 b=
anda
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<= /p>
Figura 21
Gráfica de la relación axial para el modelo optimizado de la a= ntena
Después de haber cumplido prácticamente l=
os
objetivos de anchos de bandas requeridos y relación axial con el modelo
propuesto, se siguen realizando simulaciones en la antena hasta encontrar u=
na
forma sencilla de ampliar el ancho de banda de relación axial que incluya l=
as
frecuencias faltantes de la banda inferior. A partir del análisis del campo
eléctrico y de las gráficas de relación axial de las simulaciones realizada=
s 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 l=
a Figura 22.
Figura = 22
De Izquierda a Derecha Vista Frontal, Vista Trasera del Sustra= to, 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<= /span>
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 <= /span>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 cer=
o en
el caso de la parte imaginaria para las bandas de frecuencia de interés.
Figura 25
Parte Real de la Impedancia de Entrada
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 unidirecciona=
l,
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<= /p>
Figura 29
Distribución de las Variables Utilizadas en el Plano Tierra Ra= nurado para el Modelo de Antena Final
Tabla = 1=
Dimensiones de la Antena en el Plano Ranurado y del Plano Tierra Añadido<= /p>
|
PARÁMETROS |
VALOR (mm) |
PARÁMETROS |
VALOR (mm) |
|
Largo plano tierra añad=
ida |
162.802 |
ai |
33.60 |
|
Ancho plano tierra añad=
ido |
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
Dimensiones de la cara inferior del sustrato
Figura <= /span>30
Distribución de las
Variables Utilizadas en la Cara Inferior del Sustrato<=
/span>
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 evoluci=
ón;
por ello día a día grandes empresas, universidades, y profesionales vincula=
dos
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 med=
iante
la simulación en el software CST Studio 2017 se puede afirmar que se ha log=
rado
el diseño de dos antenas de microcinta multibanda que incorporan polarizaci=
ón
circular en las bandas de frecuencia de interés. En la Tabla 3<=
/span> se reflejan los rangos de frecuencia de =
los
servicios de telefonía celular en la banda 3 de la LTE en 1800 MHz, Bluetoo=
th y
WiFi en 2.4 GHz, y a continuación cómo los mism=
os 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 Q=
UE
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 |
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 via=
bles
para generar múltiples resonancias y polarización circular en las mismas,
seleccionando la alimentación por proximidad al parche, así como la inserci=
ón
de ranuras en el plano tierra.
Una vez analizados los resultados de la simulación mediante el softw=
are
CST Studio 2017 para las dos antenas de microcinta diseñadas, se decidió op=
tar
por la que presenta un patrón de radiación unidireccional al brindar mayor
control en la directividad de la misma.
Estas simulaciones demostra=
ron
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 G=
Hz y
telefonía LTE en la banda 3 para los que fue diseñada.
El diseño de e=
stas
antenas de ligero pes=
o, bajo
costo y pequeñas dimensiones,
garantizará que los servicios de WiFi en 2.4 GH=
z 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 form=
a 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 mode=
los
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 Univers=
idad
Tecnológica de La Habana (CUJAE) por brindarles bibliografía de los años
recientes relacionada con el tema de investigación que se ha plasmado en es=
te
artículo, sin las cuales no hubiera sido posible el desarrollo del mismo.
Referencias
Braasch, M. (1996)=
. Multipath effects, in Global Positioni=
ng
System: Theory and Applications.
Brookner, E., Hall=
W., and
Westlake R. (1985). Faraday loss for
L-band radar and communications systems. IEEE Transactions on Aerospace=
and
Electronic Systems, Vol 21, No 4, pp. 459–469,
=
Collazo,
C. (2020). Diseño de antena reconfigurable en frecuencia para aplicaciones Wif=
i,
Bluetooth y localizació<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;mso-ansi-language:ES-TRAD;mso-no-p=
roof:
yes'>n de dispositivos en la banda civil [Tes=
is de
Grado, Universidad Tecnológica de La Habana. Facultad de Telecomunicaciones=
y
Electrónica, Departamento de Comunicaciones Inalámbricas=
].
=
Balanis,
C (2016), Antenna Theory Analysis A=
nd
Design, Fourth Edition. John Wiley & Sons. https://www.wiley.com/en-us/Antenna+Theory%3A+Analysis=
+and+Design%2C+4th+Edition-p9781118642061
Counselman, C. (19=
99). Multipath rejecting GPS antennas. =
Proceedings of the IEEE, Vol 87,
No 1, pp. 86-91, https://doi.org/10.1109/5.736343
CST STUDIO SUITE® =
(2021). https://www.3ds.com.
Cabrera, A y Paz, N. (2018). A=
ntena
de Microcinta Doble Banda con Polarización Circular para Aplicaciones WLAN.=
[Tesis de Grado, Universidad Tecnológica de La Habana. Facultad de
Telecomunicaciones y Electrónica, Departamento de Comunicaciones
Inalámbricas].
Davies, K. (1965).=
Ionospheric Radio Propagation, NBS
Monograph 80, 181, US Government Printing Office, Washington DC.
Doust, E., Hemmati=
, V. and
Wight, J. (2008). An aperture-coupl=
ed
circularly polarized stacked microstrip antenna for GPS frequency bands L1,=
L2,
and L5. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, =
pp:
1-4, https://doi.org/10.1109/APS.2008.461944020
Carrazana, G. (2019). Diseño d=
e una
antena reconfigurable en frecuencia para operar en las bandas de servicios =
WiFi
de 2.4GHz y 5GHz. [Tesis de Grado, Universidad Tecnológica de La Habana.
Facultad de Telecomunicaciones y Electrónica, Departamento de
Comunicaciones Inalámbricas].
Liu H., et al. (20=
14). A multibroadband planar antenna for
GSM/UMTS/LTE and WLAN/WiMAX handsets, IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, Vol 62, No 5, pp 2856–2860, https://doi.org/10.1109/TAP.2014.2308525
=
Heidari,
A., Heyrani, M., y Nakhkash, M. (2009). A du=
al-band
circularly polarized stub loaded microstrip patch antenna for GPS applicati=
ons, Progress In
Electromagnetics Research, Vol. 92, pp. 195–208, =
https://doi.org/10.2528/PIER09032401
High Frequency Cir=
cuit
Materials (2021). RT/duroid ® 5880 Glass Microfiber Reinforced
Polytetrafluoroethylene Composite Rogers Corporation Microwave Materials
Division. ISO 9002 CERTIFIED http://www.rogerscorp.com/media/project/rogerscorp/doc=
uments/advanced-electronics-solutions/english/data-sheets/rt-duroid-5870-58=
80-data-sheet.pdf.
García, H. y Núñez, J. (2017). Arreglo
de antenas de microcinta con polarización circular para la banda de 60 GHz.=
[Tesis de Grado, Universidad Tecnológica de La Habana. Facultad de
Telecomunicaciones y Electrónica, Departamento de Comunicaciones
Inalámbricas].
Guerra, M. (2020). Sistemas de
Alimentación para 5G. [Tesis de Grado, Universidad Tecnológica de La
Habana. Facultad de Telecomunicaciones y Electrónica,
Departamento de Comunicaciones Inalámbricas].
=
Oulhaj,
O., Touhami, N., Aghoutane, M. y Tazon, A. (2016). A mi=
niature
microstrip patch antenna array with defected ground structure
Kumar, P. and Masa=
-Campos,
J. (2017). A novel dual polarized
waveguide fed circular patch antenna for Ku band applications. Microwave
and Optical Technology Letters, Vol. 59, pp. 1743-1750, https://doi.org/10.1002/mop.30622
Kumar, P. and Bish=
t, N.
(2011). Stacked coupled circular
microstrip patch antenna for dual band. Applications. Proceeding of
Progress in Electromagnetics Research Symposium, pp. 629-632. https://www.researchgate.net/publication/266346102_Sta=
cked_Coupled_Circular_Microstrip_Patch_Antenna_for_Dual_Band_Applications_P=
IERS_Proceedings_pp_629-632_Sept_2011
Kumar, P. (2014). =
Computation of resonant frequency of
gap-coupled ring microstrip antennas. International Journal of Automati=
on
and Computing, Vol. 11, No. 6, pp. 671-675. https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s11633-0=
14-0814-5.pdf
Kumar, P. (2017). =
Design of low cross-polarized patch an=
tenna
for ultra-wideband applications. International Journal on Antenna
Communications and Propagation, Vol. 7, No.4, pp. 265-270. https://doi.org/10.15866/irecap.v7i4.10435<=
/span>
Garg, R., Bhartia,=
P.,
Bahl, I. y Ittipiboon, A. (2000). M=
icrostrip
Antenna Design Handbook. Artech House Publishers. https://books.google.fr/books?id=3D_er1LO5pEnUC
Varma, R., Ghosh, =
J. y
Bhattacharya, R. (2017). A compact =
dual
frequency double U‐slot rectangular microstrip patch antenna for
WiFi/WiMAX. Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 59, pp.
2174-2179. https://doi.org/10.1002/mop.30705
Singh, A., Aneesh,=
M.,
Ansari, J. (2015) Slots and notches
loaded microstrip patch antenna for wireless communication. TELKOMNIKA
Indonesian Journal of Electrical Engineering, Vol. 13, No. 3, pp. 584-594. =
Steven (Shichang) =
Gao, Q.
L., Fuguo Zhu. (2014). Circularly
Polarized Antennas. John Wiley & Sons. https://ieeexplore.ieee.org/book/6670809=
=
Toh, B.,
Cahill, R. y Fusco V.(2003). Understanding and
measuring circular polarization, IEEE Transactions on Education, Vol. 46, No. 3
5
Sistema de radiación doble
banda con polarización circular