Antena multibanda para comunicaciones WiFi y WiGig

Las comunicaciones WiFi y WiGig se basan en los estándares adoptados para las WLAN (comunicaciones a decenas de metros), los cuales se describen en la tabla 1.

Estándar Descripción802.11a Banda 5GHz – tasa de datos 54 Mbps802.11b Banda 2.4 GHz – tasa de datos 11 Mbps802.11e Calidad de servicio y priorización802.11f Handover - Traspaso802.11g Banda 2.4 GHz – tasa de datos 54 Mbps802.11h Control potencia802.11i Autenticación y cifrado802.11j Interworking – Interfuncionamiento802.11k Informes de medición802.11n Banda 2.4 y 5 GHz – tasa de datos 600 Mbps802.11s Redes de malla802.11ac Banda menor 6 GHz – tasa de datos 500 Mbps y 1 Gbps802.11ad Banda 60 GHz - WiGig802.11af WiFi en espacio en blanco del espectro de TV802.11ah WiFi banda sin licencia menor 1GHz – Apoyo al Internet de las Cosas

Tabla 1. Resumen estándares IEEE 802.11

El estándar 802.11 condensa el desarrollo, la maduración y el futuro de las comunicaciones WLAN. A partir de esto se debe analizar qué, ya que los dispositivos móviles están siendo construidos para las conexiones WiFi y en el futuro serán para conexiones de corta distancia y alta velocidad (WiGig); se debería experimentar más la posibilidad que estos dispositivos tengan la capacidad de ser adaptables entre los dos tipos de conexiones, lo cual se lograría con una antena tribanda.

Al unificar en una misma antena, comunicaciones WiFi y WiGig, los canales a cubrir son: 2,4 – 2,5 - 5,8 GHz y 56 – 64 GHz respectivamente, como muestra la figura 1.

Figura 1. Dispositivo IEEE 802.11 ac/ad capaz de operar comunicaciones tri-banda.

La antena que se propone en el artículo se fabrica imprimiéndola en una sola capa de Duroid 5880, con constante dieléctrica 2.2 y grosor de 0.254mm; además integrada por 3 partes. La primera es una antena tipo parche, que trabaja en modos de baja y alta frecuencia (TM01 - Patch A’ y TM03 – Patch A), para cubrir toda la banda de 60GHz. La segunda es un filtro pasa bajo CMRC, el cual permite alimentar el monopolo impreso (tercera parte) en banda de baja frecuencia, mientras aísla el dicho monopolo de la antena parche. Finalmente la tercera parte, como se describió anteriormente, consiste en un monopolo rectangular impreso.

Con la simulación de desempeño el artículo demuestra que la estructura CMRC permite analizar por separado las dos bandas de frecuencias, debido a que la perdida de inserción es menor que 0.1dB por debajo de 10GHz, y a su vez el aislamiento en la banda de 60 GHz es más alto de 20dB. Para las bandas de WiFi, la corriente pasa por medio de la sonda y el CMRC hacia el monopolo. En este punto la antena Patch A’ trabaja como porción de la línea de alimentación. Ya para la banda de WiGig, el CMRC trabaja como corto circuito y de esta manera impide el paso de corriente hacia el monopolo.

Se validó el diseño de la antena fabricándola por medio de la impresión 3D con propiedades del material. Se utilizó un accesorio externo para soportar la antena y el conector debido a que el substrato era poco rígido y aunque presenta alguna influencia en la banda baja de frecuencias, tiene influencia significativa sobre el rendimiento en alta frecuencia. Si bien esto se confirmó con la simulación y también con la medición del coeficiente de reflexión a través del Analizador de redes de ondas milimétricas Agilent; los resultados demuestran anchos de banda suficientes.

Para los patrones de radiación y ganancia se utilizó software de dos empresas dedicadas al campo de soluciones para la medida de antenas: SATIMO y NSI. La primera permitió medir radiación delantera y trasera, la segunda solo delantera. El monopolo impreso que trabaja para las bandas WiFi muestra patrón de radiación bidireccional en plano xy y en el plano yz omnidireccional. Para la banda WiGig, el patrón de radiación de la antena parche que trabaja en modo de orden superior, se basó en la figura 2.

Figura 2. Diagramas de radiación medidos y simulados en 56, 60 y 64 GHz.

Al cruzar la banda desde 56 hasta 64 GHz, se observa patrones de radiación similares y la diferencia con la antena propuesta es que el patrón se inclina en el plano xy debido al monopolo impreso. Aunque también se presenta un valor alto de polarización cruzada, estos no son significativos para este tipo de antena de dispositivo móvil; proporciona una ganancia de 5 – 6 dBi, la cual es adecuada para las comunicaciones a 60 GHz que rpesentan características como: alta velocidad, corto alcance, eficiencia de banda y seguridad. El conector V utilizado experimentalmente en el estudio se puede reemplazar por un conductor conectado a una almohadilla de metal separado del plano tierra como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Fotografía de un dipolo de un solo pliegue sin plano de tierra en la izquierda y con el plano tierra a la derecha.

La antena se diseñó pensando en el futuro de los dispositivos móviles para que puedan trabajar tanto en WiFi como en WiGig, demostrando que cubre las frecuencias de ambas y lo más importante obteniendo buen rendimiento.

Tabla 1. Tomada de:

http://www.radio-electronics.com/info/wireless/wi-fi/ieee-802-11-standards-tutorial.php

Figura 1. Tomada de:

http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/case-studies/802-11-wireless-lan-standards-study.pdf

Figura 2. Tomada de: D. Wang, K. B. Ng, C. H. Chan, and H. Wong, “A novel wideband differentially-fed higher-order mode millimeter-wave patch antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 2, pp. 466–473, Feb. 2015

http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2318/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6977926

Figura 3. Tomada de: T. Zwick, D. Liu, and B. Gaucher, “Broadband planar superstrate antenna for integrated millimeter-wave transceivers,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 54, no. 10, pp. 270–2796, Oct. 2006.

http://aplicacionesbiblioteca.udea.edu.co:2318/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1707916

http://copa.uniandes.edu.co/software/latex/manual.html

http://nokyotsu.com/latex/windows.html

INTRODUCCION

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Estándar & Descripción\\

802.11a & Banda 5GHz – tasa de datos 54 Mbps\\

802.11b & Banda 2.4 GHz – tasa de datos 11 Mbps\\

802.11e & Calidad de servicio y priorización\\

802.11f & Handover - Traspaso\\

802.11g & Banda 2.4 GHz – tasa de datos 54 Mbps\\

802.11h & Control potencia\\

802.11i & Autenticación y cifrado\\

802.11j & Interworking – Interfuncionamiento\\

802.11k & Informes de medición\\

802.11n & Banda 2.4 y 5 GHz – tasa de datos 600 Mbps\\

802.11s & Redes de malla\\

802.11ac & Banda menor 6 GHz – tasa de datos 500 Mbps y 1 Gbps\\

802.11ad & Banda 60 GHz - WiGig\\

802.11af & WiFi en espacio en blanco del espectro de TV\\

802.11ah & WiFi banda sin licencia menor 1GHz – Apoyo al Internet de las Cosas\\

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RENDIMIENTO DE LA ANTENA