Tesis defendida por Ricardo Antonio Millanes Ruiz y ...En este trabajo de tesis se presenta el diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares sectoriales con aplicación

Tesis defendida por

Ricardo Antonio Millanes Ruiz

y aprobada por el siguiente comité

Dr. José Luis Medina Monroy

Director del Comité

Dra. María del Carmen Maya Sánchez Dr. Arturo Velázquez Ventura

Miembro del Comité Miembro del Comité

Dr. Roberto Conte Galván Dr. Eugenio Rafael Méndez Méndez

Miembro del Comité Miembro del Comité

Dr. César Cruz Hernández Dr. David Hilario Covarrubias Rosales

Coordinador Programa de Posgrado en Electrónica y

Telecomunicaciones

Director Dirección de Estudios de Posgrado

26 de febrero de 2013

CENTRO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y DE EDUCACIÓN SUPERIOR

DE ENSENADA

Programa de Posgrado en Ciencias

en Electrónica y Telecomunicaciones con orientación en Altas Frecuencias

Diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares sectorizadas

con aplicación en WiMAX

Tesis

que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de

Maestro en Ciencias

Presenta:

Ricardo Antonio Millanes Ruiz

Ensenada, Baja California, México

2013

2

Resumende la tesis de Ricardo Antonio Millanes Ruiz, presentada como requisito parcial para la

obtención del grado de Maestro en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones con orientación

en Altas Frecuencias. Ensenada, Baja California. Febrero del 2013.

Diseño y fabricaciónde un arreglo de antenas planares sectorizadas

con aplicación en WiMAX

Resumen aprobado por:

________________________________

En este trabajo de tesis se presenta el diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares

sectoriales con aplicación en WiMAX dentro del estándar 802.16d,e en la banda de 3.3 a 3.6 GHz.

La aplicación de este tipo de antenas se centra en radiobases de largo alcance de hasta 30 Kms,

necesarias para comunicar equipos portátiles o fijos a velocidades superiores a los 134 Mbps. Para

diseñar la antena sectorial con un patrón omnidireccional que cubra los 360º en el plano H, se

proponeun arreglo de cuatro antenas interconectadas mediante un circuito divisor / combinador de

potencia de 5 puertos. Utilizandoun programa de análisis electromagnéticobasado enel método de

momentos MOM, se analizan diferentes estructuras de antenas y se selecciona un arreglo lineal de

1X4 parches de microcinta, con la cual se obtiene una antena con un haz de mediana potencia

HPBW de aproximadamente 90 grados en el plano H y con una ganancia de 12dB±2dB dentro de

la banda de interés. Las antenas se diseñan y construyen sobre un substrato de material FR-4

delgado y suspendido en aire para aumentar su eficiencia y ganancia, tomando en cuenta el ancho

de banda, sus pérdidas por regreso y el ancho del haz del patrón de radiación principalmente. Cada

uno de los parches se conectan a un punto de alimentación de 50Ω mediante estructuras divisoras

con redes de acoplamiento diseñadas empleando las tecnologías de sectum inductivo y la del doble

stub balanceado. Se muestran resultados teóricos y experimentales del comportamiento de cada

una de las antenas individuales, del circuito divisor/combinador de 5 puertos y de la antena final

formada por las cuatro antenas construidas y conectadas mediante el divisor de potencia. La

antena final mide 28cms de alto y con una base cuadrada de 12cms x 12cms. La antena completa

se midió en el laboratorio y en campo abierto, mostrando resultados altamente satisfactorios con

pérdidas por regreso menores a -10dB y una ganancia de aproximadamente 6 dB dentro del ancho

de banda de500MHz en la banda de frecuencias de 3.14GHz a 3.64GHz. El comportamiento del

patrón de radiación fue cercano al omnidireccional tal y como se esperaba.

Palabras Clave: Antena plana, antena sectorial, patrón omnidireccional, radiobase, WiMAX.


Director de Tesis

3

Abstract of the thesis presented by Ricardo Antonio Millanes Ruizas a partial requirement to

obtain the Master of Science degree in Electronics and Telecommunications with orientation in

High Frequencies. Ensenada, Baja California, February 2013.

Design and fabrication of a planar antenna sector array

for WiMAX applications

Abstract approved by:

________________________________

This thesis presents the design and fabrication of a planar antenna sector array for WiMAX

applications within the standard 802.16d,e in the frequency range of 3.3 a 3.6 GHz.The application

of this type of antenna is focused on base stations reaching up to 30 Kms of coverage, required to

communicate portable or fixed equipments at speeds up to 134Mbps.To design the sector antenna

with an ommnidirectional pattern covering 360º in the plane H, an array of four antennas

interconnected by a circuit of a 5-port power divider/combiner is proposed. Using

anelectromagnetic analysis program based on the Method of Moments MOM, different antenna

structures were analyzed, and a linear array of 1X4 microstrip patches was selected, to obtain an

antenna with a Half Power BeamWidth HPBW ofapproximately 90 º in the H-plane, with a gain of

12dB±2dB within the frequency band of interest. The antennas were designed and fabricated on a

thin substrate material FR-4 suspended in air, to increase its efficiency and gain, considering

mainly the bandwidth, return losses and beamwidth of the radiation pattern. Each one of the

patches are connected to a 50Ωfeeding point by a dividing structure and matching networks

designed using technologies of inductive sectum and double balanced stubs. Theoretical and

experimental results showing the behavior of each of the individual antennas, the 5-port divider/

combiner circuit, as well as the final antenna constituted by the four antennas connected using the

power divider circuit are included. Final antenna measures 28cmshigh with a square base of

12cms by 12cms. The complete antenna was measured in the laboratory and in a open area,

showing highly satisfactory results with return losses < -10dB and a gain of approximately 6dB in

a bandwidth of 500MHz within the frequency range of 3.14GHz to 3.64GHz. The radiation

pattern behavior was very near to an omnidirectional shape as was expected.

Key words: Planar antenna, sector antenna, omnidirectional pattern, base station, WiMAX.


Thesis Advisor

4

Dedicatoria

… A mi hijo, familia y amigos

5

Agradecimientos

Primeramente quiero dar gracias a la vida, por darme la posibilidad de estudiar esta maestría y

darme las fuerzas e inteligencia para terminarla.

A mis padres, por siempre darme su apoyo sin ninguna condición, a mis hermanos que siempre

estuvieron ahí para los momentos de estrés. A mis abuelos, tíos que me brindaron su apoyo desde

lejos y familia en general. Dennis, por compartir a esa persona que siempre nos mantendrá cerca.

A mi hijo que aunque a su corta edad, fue mi principal impulso para salir adelante en esta meta de

mi vida.

A mi director de tesis Dr. José Luis Medina Monroy por haberme dado su apoyo y guía durante

este trabajo de tesis, y durante los problemas y estancamientos que hubo durante él, a los

miembros de mi comité de tesis, Dra. Carmen Maya Sánchez, Dr. Roberto Conte Galván, Dr.

Arturo Velázquez Ventura y Dr. Eugenio Méndez Méndez, por su valiosa aportación y consejo

durante el desarrollo de este trabajo de tesis, al Ing. René Torres Lira, por su ayuda en la

elaboración de los circuitos impresos de las antenas.

Al centro de investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada por ser mi segundo

hogar durante mis estudios de maestría.

Al CONACYT, por la ayuda otorgada con la beca de manutención y de colegiatura.

A mis compañeros y amigos; los microonderos: Martha, Miriam, Rodrigo, Manuel, Raúl y

Jonathan; los telecos: Manuel C., Shiro, Enrique, Fernando, Arturo, Héctor, Miriam T., Verónica,

Aldo, Carlos, Enrique Magaña; los controleros: Oscar, Topacio, Lilia, Antonio, Gonzalo, y

Gabriel. Y también aAlma, Luis Angulo, Claudia, Javier, Julio, Anela y Karen. Por todos los

momentos de estrés y alegría que compartimos y por haber sido una generación muy unida.

A todo el personal del CICESE, que siempre me atendieron con amabilidad.

6

Quisiera agradecer a esas personas que a pesar de no compartir ni parentesco familiar ni de estudio

siempre estuvieron presentes de una u otra forma: a mis compañeros de UABC, que siguen en

contacto y me apoyaron de una u otra forma: Meño, Cristobal, Jorge, Alex,Frank,Francisco

Villapando, Sergio, Yeraldine, Zamora, Luis Luna, Alan e Ismael.

Y por último pero no menos importante a mis amigos que siempre que siempre estuvieron al

pendiente sobre mi trabajo y me apoyaron como solo los amigos saben: Alejandrina y Xochitl, que

no importando el nivel de estrés siempre con sus consejos. A Miguel, Andrew, Mike y Aldo por

todo el apoyo brindado motivacionalmente. Erick, Jose, Yarisddy, Sara y Kenary, gracias por

simplemente estar ahí.

7

Contenido Resumen -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

Abstract --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

Dedicatoria ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

Agradecimientos ----------------------------------------------------------------------------------------------- 5

Lista de Figuras ------------------------------------------------------------------------------------------------ 9

Lista de Tablas ------------------------------------------------------------------------------------------------11

Capítulo 1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------12

Introducción ---------------------------------------------------------------------------------------------------12

1.1 Antecedentes ----------------------------------------------------------------------------------------- 15

1.2 Objetivos ----------------------------------------------------------------------------------------------- 17

1.3 Estructura de la tesis --------------------------------------------------------------------------------- 18

Capítulo 2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------20

Teoría de Antenas --------------------------------------------------------------------------------------------20

2.1 Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------- 20

2.2 Tipos de antenas ------------------------------------------------------------------------------------- 20

2.2.1 Antenas de alambre -------------------------------------------------------------------------------- 20

2.2.2 Antenas de apertura -------------------------------------------------------------------------------- 21

2.2.3 Antenas de microcinta ----------------------------------------------------------------------------- 22

2.2.4 Arreglos de antenas -------------------------------------------------------------------------------- 23

2.2.5 Antenas reflectoras --------------------------------------------------------------------------------- 23

2.2.6 Antenas de lentes. ---------------------------------------------------------------------------------- 25

2.3 Parámetros de las antenas --------------------------------------------------------------------------- 26

2.3.1 Impedancia de la antena. -------------------------------------------------------------------------- 26

2.3.2 Patrón de radiación --------------------------------------------------------------------------------- 27

2.3.3 Ancho del haz --------------------------------------------------------------------------------------- 28

2.3.4 Directividad y Ganancia--------------------------------------------------------------------------- 29

2.3.5 Ancho de banda ------------------------------------------------------------------------------------ 30

2.3.6 Regiones de campo -------------------------------------------------------------------------------- 31

2.3.7 Polarización ----------------------------------------------------------------------------------------- 32

2.4 WiMAX ------------------------------------------------------------------------------------------------ 35

2.4.1 Desarrollo de WiMAX ---------------------------------------------------------------------------- 35

2.4.2 WiMAX y WiFi ------------------------------------------------------------------------------------ 36

2.4.3 WiMAX en México -------------------------------------------------------------------------------- 38

Capítulo 3 ------------------------------------------------------------------------------------------------------41

Diseño de antenas de microcinta y divisor/combinador ------------------------------------------------41

3.1 Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------- 41

3.2 Antenas de microcinta ------------------------------------------------------------------------------- 41

3.2.1. Propagación eléctrica y magnética -------------------------------------------------------------- 43

3.2.2 Ondas en el espacio -------------------------------------------------------------------------------- 43

3.2.3Ondas de superficie --------------------------------------------------------------------------------- 44

3.2.4 Ondas de fuga --------------------------------------------------------------------------------------- 44

3.2.5 Ondas guiadas -------------------------------------------------------------------------------------- 45

3.2.6 Topologías de parches ----------------------------------------------------------------------------- 45

3.2.7 Tipos de alimentación ------------------------------------------------------------------------------ 46

8

3.2.8 Arreglos de antena de microcinta ---------------------------------------------------------------- 47

3.3 Métodos de diseño y análisis de antenas de microcinta. ---------------------------------------- 50

3.3.1 Modelo de línea de transmisión ------------------------------------------------------------------ 50

3.3.2 Modelo de cavidad --------------------------------------------------------------------------------- 52

3.3.3 Método de Momentos ----------------------------------------------------------------------------- 54

3.4 Metodología de diseño de la antena. --------------------------------------------------------------- 55

3.4.1 Determinación del substrato ---------------------------------------------------------------------- 57

3.4.2 Diseño de un parche ------------------------------------------------------------------------------- 59

3.4.3 Optimización del parche -------------------------------------------------------------------------- 60

3.4.4 Diseño del arreglo de parches -------------------------------------------------------------------- 61

3.4.5 Diseño de redes de acoplamiento ---------------------------------------------------------------- 65

3.4.6 Optimización de la red de acoplamiento -------------------------------------------------------- 68

3.5 Metodología de diseño del divisor/combinador -------------------------------------------------- 71

3.5.1 Análisis electromagnético del divisor ----------------------------------------------------------- 73

Capítulo 4 ------------------------------------------------------------------------------------------------------78

Construcción y caracterización -----------------------------------------------------------------------------78

4.1 Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------- 78

4.2 Proceso de construcción de las antenas ----------------------------------------------------------- 78

4.2.1 Obtención de mascarilla --------------------------------------------------------------------------- 79

4.2.2 Grabado de circuito impreso ---------------------------------------------------------------------- 80

4.2.3 Ensamble de las antenas --------------------------------------------------------------------------- 83

4.3 Caracterización de las antenas ---------------------------------------------------------------------- 84

4.3.1 Medición de pérdidas por regreso --------------------------------------------------------------- 85

4.3.2 Medición de la ganancia -------------------------------------------------------------------------- 86

4.3.3 Medición del patrón de radiación ---------------------------------------------------------------- 89

4.4 Proceso de construcción y caracterización del divisor. ----------------------------------------- 92

4.4.3 Ensamble del divisor ------------------------------------------------------------------------------- 92

4.4.4 Medición de los parámetros S del divisor ------------------------------------------------------ 93

4.5 Construcción y caracterización del arreglo de antenas planares ------------------------------- 96

4.5.1 Medición de las pérdidas por regreso ----------------------------------------------------------- 99

4.5.2 Medición de la ganancia -------------------------------------------------------------------------- 99

4.5.3 Medición del patrón de radiación --------------------------------------------------------------- 101

Capítulo 5 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 104

Análisis de resultados -------------------------------------------------------------------------------------- 104

5.1 Análisis de las antenas independientes ----------------------------------------------------------- 104

5.2 Análisis del divisor ---------------------------------------------------------------------------------- 105

5.3 Análisis del arreglo omnidireccional ------------------------------------------------------------- 107

Capítulo 6 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 109

Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------------------ 109

6.1 Conclusiones generales ----------------------------------------------------------------------------- 109

6.2 Aportaciones ----------------------------------------------------------------------------------------- 110

6.2 Recomendaciones ----------------------------------------------------------------------------------- 111

Referencias bibliográficas --------------------------------------------------------------------------------- 113

9

Lista de Figuras

Figura Página Figura 1. Antenas de alambre: a) Dipolo, b) Bucle circular y c) Helicoidal .................................. 21

Figura 2. Antenas de apertura. a) piramidal, b) circular, c) rectangular (modificado de Balanis C.

2005 p. 5). ........................................................................................................................................ 22

Figura 3. Antenas de parche de microcinta: a) rectangular y b) circular (Modificado de Balanis C.

2005 p. 6). ....................................................................................................................................... 23

Figura 4. Configuraciones de arreglos de antenas. (Balanis C. 2005, p. 7). .................................. 24

Figura 5. Configuraciones principales de antenas reflectoras (Cardama A. 2000, p. 261). ........... 24

Figura 6. Configuraciones más importantes de las antenas de lentes. (Balanis C. 2005, p. 8). ..... 25

Figura 7. Diagrama de radiación tridimensional de un arreglo de antenas (Kraus J., 2002, p. 20). 27

Figura 8. Diagrama de radiación en 2D: a) Coordenadas rectangulares, b) coordenadas polares. . 28

Figura 9. Parámetros de ancho del haz en un patrón de radiación (Balanis C. 2005, p. 29). ......... 29

Figura 10. Regiones de campo de la antena (Balanis C. 2005, p. 34). .......................................... 31

Figura 11. Polarización lineal de los campos eléctricos y magnéticos (Nave C.R.,2000). ............. 32

Figura 12. Polarización circular (Nave C.R.,2000). ........................................................................ 33

Figura 13. Polarización elíptica (Nave C.R., 2000). ...................................................................... 34

Figura 14. Estructura de una antena de parche de microcinta. ........................................................ 42

Figura 15. Plano E y plano H en una antena planar. ....................................................................... 43

Figura 16. Ondas en el espacio. ....................................................................................................... 43

Figura 17. Ondas superficiales. ....................................................................................................... 44

Figura 18. Ondas de fuga. ................................................................................................................ 44

Figura 19. Ondas guiadas. ............................................................................................................... 45

Figura 20. Topología de parches. (Flores Cuadras, 2006, p. 56). ................................................... 46

Figura 21. Alimentación por línea de microcinta. ........................................................................... 47

Figura 22. Alimentación coaxial. .................................................................................................... 48

Figura 23. Patrón de radiación de un solo parche. .......................................................................... 48

Figura 24. Patrón de radiación de un arreglo de 2 y 4 parches. ...................................................... 49

Figura 25. Distribución de parches de un arreglo. ........................................................................... 50

Figura 26. Metodología propuesta para el diseño de la antena planar de microcinta. .................... 56

Figura 27. Dieléctricos mezclados. ................................................................................................. 58

Figura 28. Análisis electromagnético del parche con las dimensiones iniciales. ............................ 59

Figura 29. Comportamiento del parche optimizado. ....................................................................... 60

Figura 30. Comportamiento de la Ganancia y HPBW en función de W. ........................................ 61

Figura 31. Separación en los planos H y E en un arreglo planar de 2X2. ....................................... 62

Figura 32. Comportamiento del AEM de un arreglo planar de 4 parches (ADS, 2009). ................ 63

Figura 33. Patrón de radiación de un arreglo lineal de 4 parches: a) Vertical, b) Horizontal (ADS

2009). ............................................................................................................................................... 64

Figura 34. Acoplamiento de impedancias mediante el método de Przedpelski. ............................. 65

Figura 35. Circuito equivalente de la red de acoplamiento de doble stub. ...................................... 66

Figura 36. Proceso de acoplamiento empleando el método de doble stub (ADS 2009). ................ 67

Figura 37. Sectum inductivo para mejorar acoplamiento. ............................................................... 68

Figura 38. AEM del acoplamiento de un parche, con doble stub balanceado y sectum inductivo. 69

10

Figura 39. Comportamiento de las pérdidas por regreso del arreglo vertical lineal de 1X4 parches.

......................................................................................................................................................... 70

Figura 40. Comportamiento de Ganancia y HPBW del arreglo lineal de 4 parches. ...................... 70

Figura 41. Patrón de radiación esperado del arreglo de antenas omnidireccional. ........................ 71

Figura 42. Divisor de potencia Wilkinson. ...................................................................................... 72

Figura 43. Diagrama del circuito divisor/combinador de cinco puertos. ........................................ 73

Figura 44. Coeficientes de reflexión. .............................................................................................. 74

Figura 45. Pérdidas por transmisión y aislamientos en los puertos del divisor ............................... 75

Figura 46. Estructura final del divisor de potencia Wilkinson, para su AEM. ................................ 75

Figura 47. Resultados del análisis electromagnético del divisor, a) Pérdidas por regreso, ............. 76

Figura 48. Obtención de la mascarilla de la antena. a) Cámara fotográfica Repromaster de AFGA,

b) Mascarilla después de la exposición a rayos UV. ....................................................................... 80

Figura 49. Proceso de aplicación de filmina, a) Filmina fotosensible b) Roladora térmica para

adhesión de la filmina. ..................................................................................................................... 81

Figura 50. Grabado del circuito: a) Lámpara UV, para exposición, b) circuito impreso en cloruro

férrico. ............................................................................................................................................. 82

Figura 51. Vista de la antena ensamblada en substrato suspendido y su plano de tierra con conector

SMA. ............................................................................................................................................... 83

Figura 52. Antena planar de substrato suspendido construida. ....................................................... 84

Figura 53. Medición de las pérdidas por regreso. ........................................................................... 85

Figura 54. Resultados de la medición de las pérdidas por regreso de las antenas y su comparación

con el AEM. ..................................................................................................................................... 86

Figura 55. Resultados de la medición de ganancia de las antenas construidas y comparación con el

AEM. ............................................................................................................................................... 89

Figura 56. Configuración de los equipos de medición del patrón de radiación de las antenas. ...... 90

Figura 57. Patrón de radiación medido de la antena a 3.5GHz y comparada con el AEM. ............ 91

Figura 58. Patrón de radiación en el plano H en coordenadas rectangulares. ................................. 91

Figura 59. Patrón de radiación en el plano E en coordenadas rectangulares................................... 92

Figura 60. Circuito del divisor construido y ensamblado, a) vista inferior y b) vista superior. ...... 93

Figura 61. Conexión del divisor para obtener sus parámetros S. .................................................... 94

Figura 62. Pérdidas por regreso del divisor de 5 puertos, a) Puertos 1 al 3, b) Puertos 4 y 5. ........ 95

Figura 63. Aislamiento del divisor de 5 puertos medido y calculado con el AEM. ........................ 96

Figura 64. Pérdidas de transmisión del divisor de 5 puertos medida y calculada con el AEM. ..... 97

Figura 65. Detalles del arreglo de antenas planares y su interconexión. ......................................... 98

Figura 66. Estructura final del arreglo de antena sectorizada con patrón omnidireccional. ........... 98

Figura 67. Pérdidas por regreso del arreglo de antenas planares. ................................................... 99

Figura 68. Conexión del arreglo de antenas planares para medición de ganancia. ....................... 100

Figura 69. Ganancia de las antenas del arreglo omnidireccional. ................................................. 101

Figura 70. Medición del patrón de radiación de la antena en campo abierto. ............................... 102

Figura 71. Patrón de radiación medido en el plano H del arreglo de antenas y su comparación con

el AEM. ......................................................................................................................................... 102

Figura 72. Patrón de radiación de la antena omnidireccional en coordenadas rectangulares. ..... 103

11

Lista de Tablas

Tabla Página

Tabla 1. Clasificación de estándares WiMAX. .............................................................................. 37

Tabla 2. Material y equipo para la construcción de antenas. ........................................................... 79 Tabla 3. Cantidades y tiempos requeridos para la construcción. .................................................... 82

12

Capítulo 1

Introducción

Desde las primeras investigaciones realizadas por Heinrich Hertz y Guglielmo Marconi, se

ha incrementado la importancia de las antenas en nuestra sociedad y que a la fecha son

indispensables. Las antenas se utilizan en los sistemas de comunicaciones, radar y radioastronomía

entre otros, y las podemos encontrar en todas partes: en nuestros hogares y trabajos, en nuestros

automóviles, aviones, barcos, satélites y hasta en las naves espaciales. Incluso como peatones,

llevamos antenas en nuestros equipos portátiles móviles (teléfono, palm, tablets, notebooks, radio

y televisión). Existe una gran variedad de antenas que se han desarrollado para diferentes

aplicaciones, las cuales operan de acuerdo a los mismos principios básicos del electromagnetismo.

El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define a una antena como aquella parte

de un sistema transmisor o receptor, diseñada específicamente para radiar o recibir ondas

electromagnéticas (IEEE std. 145-1983). Si bien sus formas son muy variadas, todas las antenas

tienen la función de servir como la transición entre una zona donde existe una onda

electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, pudiendo además tenercaracterísticas de

radiación direccionales.

Una de las funciones de la antena, es radiar energía electromagnética de radiofrecuencia con la

potencia y características de direccionalidad requeridas de acuerdo a la aplicación. Por ejemplo, en

la radiodifusión o en las comunicaciones móviles se desea radiar de forma omnidireccional sobre

una zona de cobertura dada, mientras que en las radiocomunicaciones fijas, como en los sistemas

punto a punto, es de interés contar con antenas que sean direccionales. En general, cada aplicación

impondrá los requisitos respectivos sobre la zona del espacio en la que se deseaconcentrar la

13

energía. Asimismo, para poder extraer la información se debe tener la capacidad de captar la onda

radiada en algún punto del espacio y entregarla al receptor. Por lo general las antenas tienen dos

funciones básicas: transmitir y recibir,donde, dependiendo de la aplicación se imponen

condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que debe

soportar, frecuencia de trabajo, ancho de banda, ganancia, impedancia y otros parámetros que se

definenen el capítulo 2. Esta diversidad de aplicaciones da origen a un gran número de

configuraciones y tipos de antenas (Kraus J. 2002), (Cardama A., 2000).

Dependiendo de la aplicación y de la banda de frecuencias de operaciónse requieren antenas con

características peculiares que dan origen a diversas topologías de antenas. En una forma amplia y

no exhaustiva, los tipos más comunes se pueden agrupar en: 1).Antenas alambricas las cuales se

distinguen por estar construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a

los campos radiados y pueden estar formadas por hilos rectos (dipolo, V, rómbica), espiras

(circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y hélices. 2). Antenas de apertura y reflectoras,

en donde la generación de la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campos

soportada por la antena y se suelen excitar con guías de ondas. Las antenas de apertura más

conocidas son las de corneta piramidal y la cónica.Las antenas reflectoras más comunes son las

parabólicas y generalmente están asociadas a un alimentador primario que permite contar con las

prestaciones necesarias para servicios de comunicaciones a grandes distancias, tanto terrestres

como especiales(Cardama A., 2000).

En ciertas aplicaciones se requieren características de radiación que no pueden lograrse con un

solo elemento. Sin embargo, con la combinación de varios de ellos se consigue una agrupación o

arreglo de antenas de diversos tipos degran flexibilidad y alta ganancia. Estas agrupaciones pueden

realizarse combinando en principio, cualquier tipo de antena. (Kraus J., 2002).

Los sistemas de comunicaciones inalámbricos pueden aumentar su cobertura si se incrementa la

potencia del transmisor, si se disminuye el ruido del receptor o si se emplean antenas de alta

ganancia (Medina-Monroy J.L., 2011). Desafortunadamente las antenas de alta ganancia son muy

directivas, haciéndolasadecuadas para enlaces punto a punto y para transmisión hacia un satélite.

14

Un transmisor conectado a una antena omnidireccional, tendrá una cobertura en los 360 grados

con poco alcance debido a la baja ganancia de una antena omnidireccional. Para aumentar el área

de cobertura y el número de clientes, por lo general se emplean sistemas punto-multipunto, donde

se utilizan radiobases en las cuales se coloca un arreglo de antenas sectoriales de alta ganancia

sobre la misma estructura de soporte para conseguir un patrón omnidireccional (Anón, 2007).

Las antenas sectoriales consisten de un número determinado de antenas directivas, en donde cada

una de ellas tiene el ángulo de cobertura requerido para que al sumarlas se cubran los 360 grados,

y tener de esta manera un patrón omnidireccional de alta ganancia. Generalmente este tipo de

antenas se emplean en las radiobases con aplicaciones en telefonía celular para la banda de 1.8 –

1.9 GHz y en WiFi dentro de las bandas ISM de 2.4GHz y 5.8GHz.

En este trabajo de tesis se realiza investigación en el tema de antenas sectoriales y se propone una

metodología de diseño y construcciónde un arreglo sectorial con aplicación en WiMAX

(Worldwide Interoperability for Microwave Access) estándar 802.16d en la banda de 3.5GHz.Se

investiga la manera más adecuada para desarrollar un arreglo sectorial empleando un número de

antenas dado, el cual se determinará para conseguir un patrón de radiación omnidireccional que

proporcione una ganancia mayor a la de un monopolo omnidireccional.

La implementación de múltiples antenas ofrece la oportunidad de mejorar la cobertura, alcance y

capacidad de los sistemas de telecomunicaciones en los ambientes más demandantes.Al emparejar

las ventajas de rendimiento de WiMAX con implementaciones sofisticadas de la antena, los

sistemas WiMAX pueden mejorar rápidamente la calidad de servicio actual y escalarse a las

crecientes demandas del mañana (Anón, 2007). En el capítulo II se proporcionan más detalles

acerca de la tecnología WiMAX.

En este trabajo se investigan los métodos de diseño disponibles en la literatura para diseñar

antenas planares, y se propone la configuración más adecuada de un arreglo de antenas planares

sectorizadas, para aplicaciones de WiMAX en la banda de 3.5GHz. Se investiga la manera de

conseguir mayor ganancia y se estudian los métodos de acoplamiento, con el fin de utilizarel más

15

adecuado para optimizar las características de las antenas individuales,adaptándolas a 50 Ω en el

ancho de banda requerido.

Se realiza un análisis electromagnético de las estructuras diseñadas y se optimizan de manera

independiente para satisfacer las especificaciones de ancho del haz, ganancia e impedancia dentro

del ancho de banda requerido. Asimismo se realiza una integración de las antenas desarrolladas

empleando un circuito divisor/combinador desarrollado para obtener un arreglo sectorial de antena

que muestre un patrón de radiación omnidireccional de 360º.

1.1 Antecedentes

En México y particularmente en el CICESE se han investigado varios tipos de antenas

planares directivas para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, Flores-Cuadras, R., (2006) diseñó

una antena planar activa de 4x4 elementos para cumplir con los requerimientos deseados de

ganancia y patrón de radiación específicos para WiFi 802.11a en el intervalo de frecuencias de

5.725-5.7825GHz. Otra investigación fue realizada por Díaz-Tapia E. (2008), quien desarrolló

arreglos de antenas de 1 x 2 elementos para utilizarse en un repetidor WiFi 802.11b/g que opera

en la banda de frecuencias de 2.4 - 2.5GHz.

En el contexto internacional, dos arreglos triangulares basados en guías de onda se desarrollaronen

el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de Tokio, para utilizarse en una estación

base con arreglos de antenas con un haz de 120 grados. Los dos tipos de arreglos de guía de onda

triangular, se midieron a una frecuencia de 12.7GHz y se obtuvieron anchos del haz de 116 grados

y de 108 grados respectivamente, con un comportamiento constante de 12.4 a 13GHz y con una

relación frente/espalda F/B “front back ratio” de -18dB (Maejima H., et al., 2000).

En el Departamento de Ingeniería Eléctrica, de la Universidad Nacional de Taiwan de Ciencia y

Tecnología, se diseñó una antena para WCDMA a la frecuencia de 1950MHz. Los resultados

obtenidos del análisis electromagnético de la antena fueron los siguientes: Ancho del haz de 63º,

con una ganancia de 18.5dBi (Cheng-Hsiung Wu, et al.,2006).

16

Chun-YihWuet al, (2007) diseñaron una antena planar de alta ganancia para WiMAX ala

frecuencia de operación de 5.8GHz, empleando tecnología de metamateriales. La antena está

compuesta por cuatro capas de anillos metálicos, la cual se construyó y se caracterizó,

obteniéndose una ganancia entre 7.6 y 8.3dB y con una relación F/B de 12dB

ChangT. y KiangJ., ( 2009) propusieron una antena para una estación base WiMAX basada en

resonador dieléctrico con un ancho de haz mayor a 120º, obtenido al hacer un doblez en el plano

de tierra. El ancho de banda de impedancias fue de 3.4 a 3.8 GHz con pérdidas por regreso

menores a -10dB y con una ganancia mayor a 5.5dB dentro del mismo ancho de banda.

Una antena directiva de ultra ancho de banda se diseñó basándose en bucles acoplados

omnidireccionales,obteniéndose una buena respuesta en la banda de 0.5-6GHz, con un patrón de

radiación estable en la banda de 0.5-2GHz y con una ganancia mayor a 5dBi. (ElsherbibiA. y

SarabandiK. 2009).

Por su parte King Lu, et al.,( 2004) desarrollaron un arreglo de antena planar en forma de dipolos

para la banda de frecuencias de 2.4GHz. Este arreglo de antenas de dipolos planares proporciona

un patrón omnidireccional y fue realizado empleando dos arreglos de 1 x 2 dipolos colocados de

espaldas y separados por un estrecho plano de tierra rectangular, al ser construidos en los dos

lados del substrato dieléctrico.

Por otro lado, Martínez-LorenzoJ.A. et al., (2006) diseñaron una antena reflectora con haces

reconfigurables para una estación base LMDS a la frecuencia de 26GHz. La idea fue diseñar una

antena con un ancho de haz de 90º reconfigurable a 45º, obteniéndose una reconfiguración de

hasta 41º.

Un trabajo de investigación realizado por (QiuJ., et al., 2008), estuvo relacionado con el diseño de

un arreglo de antenas de microcinta de alta ganancia y con patrón omnidireccional para la banda

Ku (12-18GHz). Este arreglo de antena utiliza dos elementos de parche de microcinta con

17

alimentación en serie, lo cual permite cubrir los 360 grados del plano de radiación, con una

ganancia mayor a 7.2dB dentro del ancho de banda de operación.

Recientemente Xing C. et al.,(2011), diseñaron una estructura simple de antena planar a la

frecuencia de 5.8GHz, basada en una stripline que se alimenta por una línea coaxial de 50Ω, sin la

necesidad de un transformador de impedancias para acoplar, además fácil de fabricar y de bajo

costo. Después de la optimización se obtuvieron buenos resultados en el plano magnético de

radiación con una alta ganancia de 10dBi ±0.5dB, con lóbulos laterales menores a -10dB, y con un

ancho de banda del 4.6%.

Así como estos, existen varias configuraciones de arreglos de antenas que fueron desarrolladas con

el objetivo de crear un patrón de radiación omnidireccional, el cual es el propósito principal de

este trabajo de tesis. Algunos ejemplos adicionales a los ya mencionados, pueden ser los trabajos

de (Daniel J.P. et al., 1998), (Gazzah H. y Karim A., 2009), (KadriB., et al., 2010), entre otros.

Como se puede constatar en las referencias citadas anteriormente, existen arreglos de antenas que

muestran buen comportamiento del patrón omnidireccional, pero muy pocos se enfocan en

conseguir una buena ganancia. En este trabajo de tesis se desarrolla una estructura de antena

sectorial que genera un patrón de radiación omnidireccional de alta ganancia.

1.2 Objetivos

El objetivo general de este trabajo de tesis es el de diseñar y construir un arreglo de antenas

sectoriales con aplicación en WiMAX dentro de la banda de frecuencias de 3.5GHz.

Como objetivos particulares se tienen:

Investigar y proponer una metodología de diseño y definir la estructura más adecuada. Diseñar

las antenas individuales que conforman el arreglo y combinarlas, empleando

divisores/combinadores para tener un punto común con una impedancia de 50 Ω y un patrón

de radiación cercano al omnidireccional.

18

La estructura de la antena y el combinador se analizan y optimizan empleando programas de

computadora adecuados para el diseño de circuitos y para efectuar el análisis electromagnético

de la estructura.

1.3Estructura de la tesis

El presente trabajo de tesis se encuentra organizado de la siguiente manera: en el capítulo

2, se proporciona una breve introducción a la familia de las antenas, donde se mencionancuales

son los principales tipos de estas y sus características más importantes. Se definen los parámetros

que describen el comportamiento de una antena, como son la impedancia, directividad, ganancia,

ancho de banday otros parámetros de primordial importancia. Además, se introduce a la tecnología

WiMAX.

En el capítulo 3, se presentan los conceptos necesarios y los métodos convencionales para el

diseño de antenas planares de microcinta, así como de arreglos de antenas de microcinta. Se

proponeuna metodología para el diseño de las antenas individuales, incluyendo el diseño de los

divisores de tipo Wilkinson,los cuales se emplean para la integración del arreglo de antenas

planares. Se realiza el análisis electromagnético de las antenas diseñadas en el intervalo de

frecuencias de 3.3GHza3.6GHz, y se optimizan para cumplir con los requerimientos establecidos

en este trabajo de tesis. Asimismo, se muestran los resultados obtenidos del análisis

electromagnético de las antenas diseñadas y de los divisores/combinadores empleados para

integrar la estructura final con patrón omnidireccional.

En el capítulo 4 se describe la metodología utilizada para la construcción de las antenas planares

individuales, para la construcción del divisor, y para efectuarla integración de la estructura final

del arreglo omnidireccional de antenas. Asimismo, se presenta el método para la caracterización

de las antenasutilizado para obtener su comportamiento en cuanto a pérdidas por regreso, ganancia

y patrón de radiación. Se incluyen resultados de la caracterización del divisor donde se muestran

sus parámetros S que describen el comportamiento del mismo. Además, se presenta una

comparación de los resultados experimentales obtenidos de las mediciones con los resultados

teóricos obtenidos del análisis electromagnético de las estructuras, proporcionando comentarios al

19

respecto. Por último, se presenta la metodología utilizada para la integración de la estructura final

del arreglo omnidireccional de antenas, y los resultados obtenidos de la caracterización de la

misma, mostrando el comportamiento de sus pérdidas por regreso, ganancia y su patrón de

radiación en el rango de frecuencias de interés.

En el capítulo 5 se realiza un análisis de los resultados obtenidos, tanto del proceso de

construcción como de la caracterización de las antenas. Además, se realiza un análisis del

comportamiento del divisor diseñado y construido, así como del arreglo final. Por último,

seefectúa un análisis comparativo delos resultados teóricos con los resultados experimentales

obtenidosde la medición de la estructura.

Finalmente, en el capítulo 6 se presentan las conclusiones de este trabajo de investigación,

resaltando las aportaciones principales de este trabajo de tesis. Asimismo, se hacen

recomendaciones para trabajos futuros relacionados con esta línea de investigación.

20

Capítulo 2

Teoría de Antenas

2.1 Introducción

En este capítulo se mencionan los diferentes tipos de antenas, desde las más sencillas como

las de alambre hasta las reflectoras, haciendo énfasis en las antenas planares de microcinta y sus

aplicaciones. Asimismo, se describen los parámetros más importantes que las caracterizan como

son el ancho de banda, la impedancia, ganancia, directividad,ancho del haz, el patrón de radiación

y sus lóbulos, entre otros. Por último, se define el término WiMAX, mencionando los estándares

existentes y su evolución, así como el desarrollo de WiMAX en México

2.2 Tipos de antenas

Existe una gran cantidad de antenas de diversos tipos que se utilizan para diferentes

aplicaciones, catalogadas de acuerdo a sus especificaciones de diseño y a su frecuencia de

operación. En estasección se presentan los tipos más relevantes y sus características principales.

2.2.1 Antenas de alambre

Las antenas de alambre son muy conocidas ya que seencuentran a menudo en automóviles,

edificios, barcos, aviación, naves espaciales, y más. Existen diferentes formas de antenas de

alambre tal como las de alambre recto(dipolo), en forma de bucle, o helicoidal, como se muestran

en la figura 1. Lasantenas de bucle o de lazo, no necesariamente son circulares, ya que pueden

tomar formas rectangulares, cuadradas, elípticas, o de cualquier otra configuración. Elbucle de

21

forma circular es el más común por la simplicidad de construcción (BalanisC., 2005). Este tipo de

antenas se clasifica en eléctricamente pequeñas (L<λ/10) o en eléctricamente grandes (L~ λ ) y se

emplean en el rango de 3 a 3000 MHz.

Figura 1. Antenas de alambre:a) Dipolo, b) Bucle circular y c) Helicoidal

(modificado de Balanis C. 2005, p. 4).

Las antenas de lazo se utilizan en aplicaciones de sistemas de alta frecuencia en las bandas de: HF

(3-30MHz), VHF (30-300MHz) y UHF (0.3-3GHz), siendo estas: de Alta Frecuencia, Muy Alta

frecuencia, y Ultra Alta Frecuencia respectivamente, por sus siglas en inglés. Este tipo de antenas

tienen ganancias muy bajas de alrededor de 1.76 a 2.15dBi. (SilverS., 1984).

2.2.2 Antenas de apertura

Las antenas de apertura, pueden ser más conocidas por los no-especialistas de hoy que los

del pasado, debido al incremento de la demanda de formas más sofisticadas de antenas y a la

utilización de frecuencias cada vez más altas. En la Figura 2 se muestran algunas estructuras de las

antenas de apertura más comunes, como son la piramidal rectangular, la cónica circular y la guía

de onda rectangular. Las antenas de este tipo se emplean en aplicaciones de aviación y naves

espaciales, porque pueden ensamblarse y acomodarse de manera adecuadaen el fuselaje del avión

o nave. Además, pueden cubrirse conun material dieléctricode baja atenuación (radome), para

protegerlas de las condiciones adversas del medio ambiente. (BalanisC., 2005).

22

a)

b)

c)

Figura 2. Antenas de apertura. a) piramidal,b) circular, c) rectangular (modificado de Balanis C. 2005 p. 5).

Estas antenas se diseñan generalmente para operar en las frecuencias de microondas superiores

alos 300MHz, y también se utilizan como alimentadores para estructuras de antenas de grandes

dimensiones, como las antenas parabólicas y otrasantenas reflectoras. Con estos tipos de antenas

se pueden lograr comportamientos de ganancia entre 10 y 20 dBi, y aún hasta 25dBi como valor

máximo (BevilaquaP., 2009).

2.2.3 Antenas de microcinta

Las antenas de microcinta se volvieron muy populares en los años 70’s principalmente

para aplicaciones espaciales. En la actualidad se utilizan para aplicaciones tanto del gobierno

como comerciales. Estas antenas consisten en un parche metálico grabado sobre un lado del

substrato y con el otro ladocompletamente metalizado a tierra. El parche metálico puede tener

muchas configuraciones diferentes, como se puede apreciar en la figura 3.Las configuraciones

rectangular y circular son las más populares debido a su análisis y fabricación fácil, así como al

buen comportamiento de sus características de radiación. Las antenas de microcinta son delgadas,

se pueden ajustar a superficies planas y no planas, son simples y de bajo costo al ser fabricadas

medianteuna tecnología moderna de circuitos impresos que permite una reproducción fácil y

rápida. Las antenas de microcinta son robustas mecánicamente cuando se montan en superficies

rígidas y son muy versátiles en términos de frecuencia de resonancia, polarización, patrones e

impedancia.(BevilaquaP., 2009),(BalanisC., 2005).

23

2.2.4 Arreglos de antenas

Muchas aplicaciones requieren antenas con características de radiación que no pueden ser

alcanzadas por un elemento sencillo. Sin embargo, puede ser posible que un conjunto de

elementos radiantes acomodados en cierto orden geométrico y eléctrico (un arreglo o agrupación),

proporcione las características de radiación deseadas. El orden del arreglo puede ser tal que la

contribución de la radiación de cada elemento, se suma para obtener la máxima radiación en una

dirección particular o bien para lograr la radiación mínima en otras.

a)

b)

Figura 3. Antenas de parche de microcinta:a) rectangular y b) circular (Modificado de Balanis C. 2005 p. 6).

Ejemplos típicos de diferentes arreglos de antenas se muestran en la figura 4 (BalanisC., 2005),

donde se pueden apreciar el arreglo tubular Yagi-Uda dado en la figura 4(a) o el arreglo planar de

microcinta de la figura 4(d).

2.2.5 Antenas reflectoras

El éxito en la exploración del espacio se debe al gran avance en la teoría y desarrollo de

antenas. Debido a la necesidad de comunicarse a grandes distancias, se desarrollaron formas

sofisticadas de antenas con el fin de transmitir y recibir señales que tuvieron que viajar millones de

kilómetros. Algunas de las antenas adecuadas para dicha aplicación, son los reflectores

parabólicos mostrados en la figura 5 (Cardama A. 2000, p. 261).

24

Las antenas reflectoras pueden ser de foco primario, asimétricas o de foco desplazado y del tipo

Cassegrain o Gregoriana, ambas con un reflector secundario. Existen antenas parabólicas que han

sido construidas con un diámetro de 305 metros, como la que se encuentra en el observatorio de

Arecibo, Puerto Rico.Otra forma de reflector, no tan común como los parabólicos, es el reflector

de esquina que consiste de dos placas metálicas colocadas a cierto ángulo (p. ej. 90 grados) y con

un punto común (foco) donde se concentra la energía. (Kraus J., 2002).

Figura 4. Configuraciones de arreglos de antenas. (Balanis C. 2005, p. 7).

Figura 5. Configuraciones principales de antenas reflectoras(Cardama A. 2000, p. 261).

25

2.2.6 Antenas de lentes.

En general los lentes se utilizan primordialmente para colimar la energía incidente y

divergente previniendo que se esparza por direcciones no deseadas. Al dar una forma apropiada a

la configuración geométrica y seleccionando el material adecuado de los lentes, es posible

transformar varias formas de energía divergente en ondas planas. Las antenas de lentes se

clasifican de acuerdo al material que se utilizó para construirlas ya la forma geométrica de estas.

En la figura 6 se muestran las configuraciones más importantes de las antenas de lentes

clasificadas de acuerdo a su índice de refracción (BalanisC., 2005), (Kraus J., 2002).

Figura 6. Configuraciones más importantes de las antenas de lentes. (Balanis C. 2005, p. 8).

En resumen, una antena ideal es aquella que radia toda la potencia de la señal, introducida por un

transmisor,hacia la dirección o direcciones deseadas. En la práctica esto es imposible de lograr,

pero se pueden tener buenas aproximaciones, dependiendo de la forma y material que se elijan de

acuerdo a la aplicación. En la siguiente sección se presentan los parámetros que permiten conocer

el comportamiento de una antena.

26

2.3Parámetros de las antenas

En esta sección se definen los parámetros que permitenconocer el comportamiento de una

antena en un intervalo de frecuencias dado, como son la impedancia, patrón de radiación, ancho

del haz, directividad, ganancia, ancho de banda y polarización entre otros, los cuales se describen

enseguida.

2.3.1 Impedancia de la antena.

Por lo general cuando una antena se conecta a un transmisor, deberadiar la máxima

potencia posible y minimizar las pérdidas en ella. La antena y el transmisor deben adaptarse o

acoplarse para efectuar la máxima transferencia de potencia. Generalmente el transmisor se

encuentra lejos de la antena y la conexión se hace mediante una línea de transmisión, la

cualtambién contribuyea la adaptación. Por esta razón, se deben considerartanto la impedancia

característica, la atenuación y longitud de la línea de transmisión, como la impedancia en el puerto

de la antena. La impedancia de la antena ZA, se puede definir mediante relaciones de

voltaje/corriente en el puerto, y tendrá una parte real RA(ω) y una imaginaria jXA(ω), ambas

dependientes de la frecuencia. Si en una frecuencia específica ZA no presenta una parte reactiva

(XA=0), se dice que la antena resuena a esa frecuencia. Sin embargo, debido a que la antena radia

energía, existe una pérdida neta de potencia hacia el espacio atribuida a una resistencia de

radiación Rr (Cardama A., 2000).

Se puede definir lo anterior como sigue:

(1)

donde:ZA: Impedancia de la antena

RA: Resistencia de la antena= Rr+ RL

XA: Reactancia de la antena

RL: Resistencia de pérdidas del conductor y dieléctrico

27

2.3.2 Patrón de radiación

Un patrón o diagrama de radiación es una representación gráfica de las propiedades de

radiación de la antena, en función de las distintas funciones del espacio y a una distancia fija. En la

mayoría de los casos, se emplea un sistema de coordenadas esféricas. Con la antena en el origen y

con la distancia constante se expresa el campo eléctrico en función de las variables angulares

(θ,Φ).Debido a que el campo magnético se deriva directamente del eléctrico, la representación

puede realizarse partiendo de cualquiera de los dos campos, siendo el eléctrico el que se utiliza

habitualmente (Kraus J., 2002). El diagrama de radiación se puede representar en forma

tridimensional al utilizar diversas técnicas gráficas, como las curvas de nivel o el dibujo en

perspectiva. En la figura 7 se muestra un ejemplo de una representación tridimensional de un

diagrama de radiación correspondiente a una antena directiva.

Figura 7. Diagrama de radiación tridimensional de un arreglo de antenas (Kraus J., 2002, p. 20).

Si bien la información de la radiación es tridimensional, algunas veces puede ser de interés,

representar un corte del diagrama en solo dos dimensiones. Los cortes pueden hacerse de

diferentes maneras, siendo los más habituales, los que siguen los meridianos de una esfera

28

hipotética. Por lo general la información en estos diagramas es excesiva, por lo que se recurre a

representar dicha información sólo en los planos principales.Un ejemplo de esto puede observarse

en la figura 8, donde se muestran cortes de un diagrama tridimensional, reducidos a 2D y

representadosen coordenadas polares y cartesianas (Anón, 2011). La representación en

coordenadas cartesianas permite observar los detalles de antenas muy directivas, mientras que el

diagrama polar suministra información más clara de la distribución de la potencia en las diferentes

direcciones del espacio.

a) b_

Figura 8. Diagrama de radiación en 2D: a) Coordenadas rectangulares, b) coordenadas polares.

2.3.3 Ancho del haz

El ancho del haz de una antena se puede obtener del patrón de radiación que se muestra en

la figura 9. El ancho del haz de un patrón,se define como la separación angular entre dos puntos

idénticos en los lados opuestos del valor de potencia máxima del patrón. En un patrón de una

antena existen diferentes definiciones de anchos de haz. Uno de los más utilizados es el haz de

mediana potencia HPBW (Half-Power BeamWidth en inglés), que se define de acuerdo al IEEE

como: “en un plano que contiene la dirección del máximo de un haz, HPBW es el ángulo entre las

dos direcciones donde la intensidad de radiación es un medio del valor máximo del haz”. Otra

definición de ancho del haz importante, es el ancho de haz del primer nulo FNBW (First-Null

29

BeamWidth en inglés), y es la separación angular entre los primeros nulos del patróncomo se

puede apreciar en la figura 9. (Kraus J., 2002), (BalanisC., 2005).

Figura 9. Parámetros de ancho del haz en un patrón de radiación (BalanisC. 2005, p. 29).

2.3.4 Directividad y Ganancia

La directividad de una antena, se define como la relación entre la densidad de potencia

radiada en una dirección a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría a esa misma

distancia una antena isotrópica que radiase la misma potencia que la antena.

(2)

Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la

dirección de máxima de radiación (CardamaA., 2000).

(3)

30

La directividad se puede obtener, a partir del conocimiento del diagrama de radiación de una

antena el cual muestra la dirección en la cual se radia la mayor intensidad de potencia.

Un segundo parámetro directamente relacionado con la directividad es la ganancia de la antena. Su

definición es semejante, pero la comparación no se establece con la potencia radiada sino con la

potencia entregada a la antena, permitiendo tener en cuenta las pérdidas en la antena, debido a que

no toda la potencia entregada seradia al espacio. La ganancia es una de las características más

utilizadas que describen el rendimiento de las antenas, y que depende de la eficiencia de la antena

y de la dirección. La ganancia y la directividad están relacionadas por la eficiencia. La ganancia

también se puede definir de manera alterna como: una cantidad que define la habilidad de

concentrar energía en una dirección particular. Las unidades de la ganancia son adimensionales

pero comúnmente se expresa en decibeles (CardamaA., 2000).

(4)

(5)

donde

Gan: Ganancia (adimensional)

U: Intensidad radiada

Pent: Potencia radiada

GandB: Ganancia en decibeles

2.3.5 Ancho de banda

Todas las antenas están limitadas a operar satisfactoriamente dentro de una banda o

intervalo de frecuencias, debido a su geometría finita. Este intervalo de frecuencias, en el que un

cierto parámetro de antena no sobrepasa los límites establecidos, se conoce como el ancho de

banda de la antena.El ancho de banda (BW) se puede especificar como la relación entre el

31

intervalo de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central, y se puede

expresar en porcentaje (CardamaA., 2000).

Los anchos de banda más comunes son el de impedancia y el de ganancia a 3dB.

(6)

2.3.6 Regiones de campo

El espacio que rodea a una antena esta subdividido usualmente en tres regiones: el campo

cercano reactivo, el campo cercano radiante o zona de Fresnel y las regiones de campo lejano,

mostradas en la figura 10 (BalanisC., 2005). Las fronteras que separan las regiones no son únicas

y se emplean varios criterios para establecerlas.La primera región es donde los campos reactivos

son los que predominan, la segunda región es donde predominan los campos radiantes, mientras

que en la tercera región, es donde la distribución del campo angular, es independiente de la

distancia a la antena. La distancia del campo lejano se obtiene comoR2=2D2/λ, donde D es la

dimensión máxima de la antena y λ la longitud de onda.

Figura 10. Regiones de campo de la antena (Balanis C. 2005, p. 34).

32

2.3.7 Polarización

La polarización de una onda radiada se define como “la propiedad de una onda

electromagnética que describe la dirección variante en el tiempo y la magnitud relativa del vector

de campo eléctrico. Específicamente es la figura trazada por la extremidad del vector a un punto

fijo en el espacio, y el sentido en que se trazaen función del tiempoa lo largo de la dirección de

propagación”. Dicho de otra manera, la polarización es la curva que se traza al final de la punta de

la flecha (vector), y que representa el campo eléctrico instantáneo. El campo debe observarse a lo

largo de la dirección de propagación (Kraus J., 2002), (BalanisC., 2005).

Polarización lineal. Una onda armónicase polariza linealmente en un punto dado en el

espacio,cuando el vector de campo eléctrico en ese punto está orientado a lo largo de toda la onda

y en cada instante de tiempo (Nave C. R., 2000).Como se puede apreciar en la figura 11, esto se

logra si el vector de campo eléctrico o magnético posee:

a. Solo un componente, o

b. dos componentes ortogonales con la misma fase o bien con múltiplos de 180°.

Figura 11. Polarización lineal de los campos eléctricos y magnéticos (Nave C.R.,2000).

33

Polarización Circular. Una onda armónica esta polarizada circularmente en un punto dado,

cuando el vector de campo eléctrico o magnéticotraza en ese punto, un círculo en función del

tiempo. En la figura 12 se puede observar una onda polarizada circularmente, donde los

componentes eléctricos cambian conforme se propaga la onda y donde el campo eléctrico rota en

sentido contrario a las manecillas del reloj. Las condiciones necesarias y suficientes para crear una

polarización circular son las siguientes:

a. El campo debe tener dos componentes ortogonales lineales

b. Los dos componentes deben tener la misma magnitud, y

c. Los dos componentes deben tener un desfasamiento en múltiplos de 90°.

Figura 12. Polarización circular (Nave C.R.,2000).

Polarización elíptica. Una onda armónica está polarizada elípticamente cuando la punta del vector

de campo traza una forma elíptica en el espacio, como se muestra en la figura 13. En varios

34

instantes de tiempo, el vector de campo cambia constantemente con el tiempo de tal manera que

describe la forma de una elipse. El sentido de la rotación se determina al emplear las mismas

reglas que en la polarización circular. Las ondas polarizadas elípticamente también se especifican

por su radio axial, cuya magnitud es el radio del eje mayor al eje menor.Para cumplir con esto, es

necesario y suficiente cumplir con:

a. El campo debe tener dos componentes ortogonales

b. Los dos componentes pueden tener igual o diferente magnitud, y

c. Si los dos componentes no son de la misma magnitud, la diferencia de fase entre ellos no puede

ser 0 o múltiplos de 180°, porque sería lineal. Cuando los dos componentes son de la misma

magnitud, la diferencia de fase no puede estar en múltiplos de 90°, porque entonces sería una

polarización circular.

Figura 13. Polarización elíptica (Nave C.R.,2000).

35

2.4 WiMAX

El notable desarrollo de las comunicaciones móviles e inalámbricas en las últimas dos

décadas, es un fenómeno único en la historia de la tecnología. Incluso las predicciones más

optimistas dela penetración de subscriptores móviles y las capacidades inalámbricas de los

dispositivos, han sobrepasado la realidad en menos de un cuarto de siglo.

El Foro de Investigación Mundial Inalámbrica, (Wireless World Research Forum, WWRF)

predice que para el año 2017 habrá más de siete billones de dispositivos inalámbricos al servicio

de siete mil millones de personas. La dirección del desarrollo de las comunicaciones puede ser

identificada como: comunicaciones de área amplia, con la omnipresencia de los sistemas celulares

como el ejemplo más representativo, y las comunicaciones de corto alcance, que envuelve un

arreglo de tecnologías de redes para proveer de conectividad inalámbrica a cortas distancias, como

por ejemplo WLANs(Wireless Local Area Network), WPANs(Wireless Personal Area Network),

WBANs(Wirless Body Area Network), bluetooth, etc. (KatzM., 2009). En años recientes, se ha

presenciado un enorme crecimiento en el interés de las redes inalámbricas metropolitanas. Esto no

debe ser una sorpresa, ya que en el 2008, más de la mitad de la población mundial vive en zonas

urbanas. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es la iniciativa mundial

más representativa que se enfoca en la comunicación metropolitana. WiMAX se basa en el

estándar IEEE 802.16, el cual define las redes inalámbricas combinando las claves de las redes de

área amplia con las de corto alcance, teniendo movilidad y alto rendimiento de datos. El estándar

IEEE 802.16 sirve como la base para los sistemas WiMAX (Katz M., 2009).

2.4.1 Desarrollo de WiMAX

A mediados de los 90s, las compañías de telecomunicaciones desarrollaron la idea de

utilizar redes inalámbricas de banda ancha, para proveer alternativas y miles de soluciones

potenciales con la finalidad de entregar conectividad de internet a negocios o a personas

individuales. Su propósito fue producir una red con la velocidad, capacidad, y confiabilidad de una

red cableada, manteniendo la flexibilidad, simplicidad, y bajo costo de una red inalámbrica. Esta

36

tecnología también actuaría como un sistema versátil para distribuciones de redes corporativas o

institucionales compitiendo con los portadores líderes de internet.

MMDS fue desarrollada para proveer un medio de comunicación para redes de televisión local y

para servicios de banda ancha residencial. Sin embargo, el alto costo, la falta de estándares, y el

temor del vendedor previno a la LMDS (Local Multipoint Distribution Service) de ser desplazada

muy temprano. Como resultado, en 1999 el IEEE propone el estándar 802.16 para LMDS (Anón,

2001).Este estándar, lanzado en el año 2001, operó en una red de enlace de radio punto a punto

mediante transmisiones a línea de vista, en el intervalo de frecuencias de 10 GHz a 66 GHz. Sin

embargo, ya que el estándar fue propuesto inicialmente para WLAN (Wireless Local Area

Network) y tenía capacidades restringidas, los desarrolladores se enfocaron exclusivamente en el

estándar 802.16 que funcionara solo en el intervalo de 2GHz a 11GHz.

En el año 2001, se establece el “WiMAX Forum” para comercializar y promover el estándar

802.16. Ahí se acuñó el término WiMAX (SubramanianA,P, et al., 2009). En el 2003 el IEEE

propone el 802.16a que transmitió datos a través de canales de radio sin línea de vista hacia y

desde antenas omnidireccionales. Más tarde, en el 2004, se lanza el estándar 802.16-2004, el cual

combinó las actualizaciones de las regulaciones de la IEEE 802.16a, 802.16b, y 802.16c. Este

sistema de banda ancha extendió el servicio de WiMAX a un intervalo de 30 millas y tuvo la

habilidad de dispersar sus redes entre cientos de terminales. El IEEE continúa modificando y

actualizando las especificaciones del estándar de WiMAX para mejorar las capacidades futuras.

Han presionado para publicar el estándar 802.16m, cuya metaes incrementar la velocidad hasta

1Gbps. El IEEE también visualiza la aprobación y despliegue del estándar 802.20 en un futuro

cercano, que se le ha denominado como Mobile-Fi. Es por esta razón que WiMAX está liderando

los estándares inalámbricos emergentes (FeldmanB., 2010). En la Tabla 1 se resume la

clasificación de los estándares WiMAX.

2.4.2 WiMAX y WiFi

Existen muchas comparaciones entre Wi-Fi y WiMAX y, como ambas son tecnologías de

conexión inalámbrica enfocadas a computadoras o dispositivos similares. Es muy común escuchar

que WiMAX es una evolución de Wi-Fi o que son totalmente compatibles entre ellas, pero esto no

37

es totalmente cierto. En primer lugar, los estándares que rigen a Wi-Fi se encuentran en el grupo

802.11 y los estándares WiMAX son los correspondientes al grupo 802.16. Al mismo tiempo que

se desarrollaba Wi-Fi, surgió WiMAX basado en la idea de Wi-Fi pero con objetivos distintos.

Tabla 1. Clasificación de estándares WiMAX.

Existen diferencias entre las tecnologías de WiMAX y WiFi muy simples, las cuales son:

Las diferencias básicas entre la tecnología WiMAX y WiFi son el costo, la velocidad, y la

distancia entre otras. La cobertura de WiMAX es alrededor de las 30 millas, mientras que la de

WiFi está limitada a unasuperficie pequeña menor a 30 metros.

La arquitectura de una red WiMAX hace posible la red de área metropolitana (MAN) y como un

ISP (Internet Service Provider) da acceso a internet a cientos de casas o negocios sin necesidad de

un cable, mientras que WiFi se utiliza dentro de una área de red local (LAN) pequeña para acceso

a internet.

La línea de vista de las antenas de WiMAX permite largo alcance, mientras que si no se tiene línea

de vista operan en un espacio justo como WiFi.

38

La estación base WiMAX dirige el haz al receptor de WiMAX, de manera similar a la que el

punto de acceso de WiFi transporta la señal al dispositivo receptor.

La red de WiMAX provee una excelente QoS (Quality of Service), permitiendo que un gran

número de personas accedan a la torre al mismo tiempo. El algoritmo automáticamente transfiere

al usuario a otra radio base, torre o estación WiMAX, mientras que un usuario de WiFi debe

mantenerse conectado con un punto de acceso específico.

El problema más significativo de WiMAX comparado con WiFi es el precio, ya que WiMAX es

una red de alto costo, mientras que WiFi es una red de bajo costo Es por esta razón que la mayoría

de las personas adoptan WiFi, debido al menor gasto y para evitar las instalaciones caras del

WiMAX.

Por otro lado WiMAX ofrece una alta velocidad de internet, como un acceso de banda ancha

donde ocurre una transferencia de datos, voz y video a una velocidad alta. Mientras que WiFi

ofrece una transferencia de corto alcance, ya que se puede conectar sólo en áreas específicas para

compartir archivos.

WiMAX soporta conexiones punto a punto y punto multipunto, existiendo múltiples estándares de

WiMAX como el 802.16e, 802.16b para conectividad móvil. Mientras que WiFi ofrece una buena

calidad de servicio a un Ethernet fijo donde los paquetes son la prioridad.

Los puntos de acceso de WiFi son usualmente de “backhaul” (red de retorno) como los ADSLs

existentes en pequeños negocios, cafés, etc.,haciendo difícil acceder a ellos. La velocidad de

subida para WiFi es muy baja comparada con la de WiMAX entre la nube de internet y los

enrutadores.

2.4.3 WiMAX en México

El retraso de la SCT en la definición de los criterios para la renovación de concesiones de

empresas de telecomunicaciones ha frenado inversiones en el sector, dando pie a amparos en

contra de las próximas licitaciones de frecuencias de internet y telefonía móvil. Aunque MVS

39

argumenta que dicho retraso ha detenido inversiones cercanas a los 1,000 millones de dólares para

el despliegue de infraestructura que permita proveer tecnología WiMAX a nivel nacional.

La banda contemplada para WiMAX es: 3.4 GHz.La Comisión Federal de Telecomunicaciones

(COFETEL) ha publicado la convocatoria para la licitación de dos bandas de frecuencias del

espectro radioeléctrico para servicios móviles. Con esto arranca el proceso de subasta de las

bandas de 1.9 GHz y de 1.7 -2.1 GHz, el cual se ha retrasado por más de dos años. Las próximas

licitaciones del espectro radioeléctrico serán las primeras que realice esta administración, y se

espera que subaste otras frecuencias del espectro para nuevas tecnologías como WiMAX.(Dimas

R., 2011)

Otra opción es una tarjeta que se instala en la computadora. El director de tecnología de

“Ultratelecom”, aclaró que el servicio sólo es portátil, por lo que todavía no hay movilidad. Sin

embargo, el siguiente paso es ofrecer esta posibilidad.Para este despliegue la compañía asegura

que realizó una inversión de 150 millones de pesos y planea erogar otros 200 millones de pesos

para expandirse a otras ciudades, y lograr una cobertura de 14 plazas más al cierre de este año y

así sumar más de 40 para 2010 (Mejía-GuerreroA., 2008).

Yazmín Gutiérrez, analista de telecomunicaciones de Select, menciona que la situación geográfica

aunada a la económica, han motivado un interés creciente en la creación de redes inalámbricas

como WiMAX y 3G, lo que podría incrementar la penetración de banda ancha en México al

instalarse en sitios de acceso público, como escuelas y dependencias de gobierno e incluso en

zonas de baja densidad poblacional. Yazmín Gutiérrez expresa que el estilo de vida de las grandes

urbes como las ciudades de México, Guadalajara y Monterrey, demanda cada vez mayor

movilidad del acceso a Internet y disminuir la dependencia de un acceso fijo. Además resulta

atractivo para sectores como el empresarial e incluso el académico. Una prueba de ello es la

popularización de WiFi en lugares públicos, como cafés, algunos restaurantes y aeropuertos. Sin

embargo, una red inalámbrica con tecnología WiMAX otorgaría una cobertura mayor, con una

cantidad menor de radiobases y antenas.

40

La compañía Axtel seleccionó la tecnología de banda ancha WiMAX desde 2005, enfocada a

servicios móviles con el estándar 802.16e en las bandas de 2.3GHz, 2.5GHz y 3.4 GHz que

garantiza una excelente calidad de servicios.El Gobierno Mexicano aprobó la WiMAX de banda

ancha en 3.3GHz para el desarrollo de redes educativas y de salud. El 18 de mayo 2011, Marisol

Ramírez del Universal, publicó que Veracruz será el primer estado de la republica con una red

WiMAX de banda ancha, con la cual se beneficiará a toda la población y comunidades

Marginadas, informó Javier Duarte, Gobernador de Veracruz. Veracruz cuenta con la

infraestructura necesaria para introducir fibra óptica y en las carreteras ir creando anillos con

conexiones a alta velocidad entre las diferentes regiones del Estado. WiMAX utiliza antenas con

un alcance de hasta 30 kilómetros a la redonda y provee internet incluso a las comunidades más

alejadas o en las que no hay cableado.

Redes de banda ancha que combinan tecnologías de fibra óptica con WiMAX han sido instaladas

en el 2012 a la frecuencia de 3.3GHz en la Universidad de Tabasco con apoyo de CUDI

(Cooperación Universitaria para el Desarrollo de Internet). El estado de Tabasco planea

interconectar escuelas primarias y secundarias empleando WiMAX a la red de internet para

proveer acceso a las tecnologías de la información de una manera eficiente y de bajo costo.

Telmex desarrolla la primera red WiMAX en Tabasco para operar a la frecuencia de 3.5 GHz

basada en el estándar 802.16e. A partir del 28 de noviembre 2012, las bandas de frecuencia entre

5470 a 5600 MHz y 5650 a 5725 MHz serán de uso libre para servicios de internet inalámbrico

WiMAX y podrán ser utilizadas por cualquier empresa sin la necesidad de una concesión, permiso

o registro por parte de los operadores, según el acuerdo publicado por la Secretaría de

Comunicaciones y Transportes (SCT). Esta medida busca incentivar el despliegue de

infraestructura de telecomunicaciones en el País, que permita una mayor oferta de servicios sin la

necesidad de contar con una concesión, permiso o registro para el uso del espectro radioeléctrico,

así como garantizar el acceso a los mismos por parte de los usuarios.

41

Capítulo 3

Diseño de antenas de microcinta y divisor/combinador

3.1 Introducción

En este capítulo, se propone una metodología de diseño de antenas de parche en

microcinta. Para realizar el diseño de la antena directiva se considera la metodología propuesta

basada en ecuaciones existentes en la literatura. Asimismo se describe el diseño de un divisor/

combinador de potencia tipo Wilkinson, y posteriormente se propone una estructura final para la

integración del número total de antenas utilizadas para conformar el arreglo omnidireccional. Se

muestran los resultados obtenidos del análisis electromagnético de los dos tipos de antenas

diseñadas y del circuito divisor/combinador de cinco puertos.

3.2 Antenas de microcinta

El concepto de una antena de microcinta fue originalmente propuesto por Deschamps en

1953, pero que presentaba fenómenos indeseables. Fue hasta veinte años después que Howell y

Munson, realizaron la primera antena de microcinta (Medina-Monroy J.L, 2011). Los

requerimientos entre las antenas y las líneas de alimentación en microcinta son totalmente

opuestas, ya que en una línea de transmisión se requiere un substrato delgado con una constante

dieléctrica alta, mientras que en las antenas es necesario un substrato grueso con una constante

dieléctrica lo más baja posible. Para el diseño de un arreglo de parches es necesario hacer una

interconexión con líneas de transmisión, las cuales deben ser lo más delgadas posibles para evitar

radiaciones espurias (BalanisC., 2005). Una antena planar consiste básicamente en un parche

42

radiador colocado sobre un material dieléctrico y soportado por un plano de tierra. Las

dimensiones del parche van ligadas directamente a la constante dieléctrica, a la frecuencia de

operación y al espesor del material dieléctrico. La figura 14muestra lasacotaciones de las

dimensiones físicas de un parche de microcinta.

Figura 14. Estructura de una antena de parche de microcinta.

Algunas consideraciones para obtener las dimensiones se presentan en laecuación 7:

⁄

⁄

donde

: Longitud de onda de microcinta

: Longitud de onda en espacio libre

(7)

Generalmente un parche por sí solo, puede presentar un ancho del haz de 3dB entre 70º y 90º y

una ganancia entre 3 y 7 dB (BalanisC., 2005). Una de las ventajas de la construcción de antenas

de parche es la versatilidad de materiales en los que se pueden construir, su bajo costo, así como la

diversidad de polarizaciones que se pueden utilizar.

43

3.2.1. Propagación eléctrica y magnética

La propagación se puede efectuar en un conductor de dimensiones finitas depositado en la

parte superior de un substrato, donde la amplitud de la corriente de superficie resulta significativa,

cuando la señal de la frecuencia de operación es cercana a la frecuencia de resonancia (Windlin

M., 2005). Cuando un parche o parches radian, se tienen patrones de radiaciónen el plano eléctrico

E y en el plano magnético H mostrados en la Figura 15,los cuales están relacionados con el flujo

de corriente eléctrica.

Figura 15. Plano E y plano H en una antena planar.

3.2.2 Ondas en el espacio

Estas son las ondas que se transmiten hacia arriba con ángulos de elevación de 0º y 90º, al

desplazarse al espacio libre, donde las amplitudes de los campos decrecen con la distancia. Este

fenómeno es importante en la antena ya que se desea radiar, contrario a lo requerido en una línea

de transmisión y otras estructuras planas, donde la radiación se considera como espuria (Zurcher y

Gardiol, 1995). La Figura 16 muestra este fenómeno de forma gráfica.

Figura 16. Ondas en el espacio.

44

3.2.3Ondas de superficie

Son las ondas que son transmitidas con ángulos de elevación entre y

√ ⁄ . Para que exista una reflexión total, se requiere un ángulo de incidencia en

particular que haga que la onda se refleje entre el substrato y el espacio libre. Estas ondas de

propagación se presentan de forma ilustrativa en la Figura 17.

Figura 17. Ondas superficiales.

3.2.4 Ondas de fuga

Las ondas de fuga son aquellas que se introducen con un ángulo entre √ ⁄

y . Estas ondas se reflejan por el plano de tierra, pero solo una parte de ellas se reflejan en la

frontera entre el substrato y el espacio libre. Las ondas de fuga se pueden observar en la figura

18.Eventualmente contribuyen a la radiación, y por lo tanto se presenta un fenómeno de

desvanecimiento de la onda, con respecto al avance en la dirección del frente de onda. Este

fenómeno se aprovecha en las antenas de multicapas, ya que son utilizadas para aparentar que el

tamaño de la antena es más grande, proporcionando una mayor ganancia

Figura 18. Ondas de fuga.

45

3.2.5 Ondas guiadas

Las ondas guiadas se reflejan entre el plano de tierra y el conductor superior a través del

dieléctrico, pero solo para algunos valores de ángulos de incidencia, como se puede apreciar en la

Figura 19. Sin embargo, estas cavidades no se desean en las antenas ya limitan el ancho de banda

y la radiación hacia el espacio.

Figura 19. Ondas guiadas.

3.2.6 Topologías de parches

Un parche de microcinta tiene la posibilidad de poseer una gran variedad de topologías

para simplificar el análisis y la predicción de su desempeño. Por lo general las formas más

utilizadas son las estructuras cuadradas, rectangulares, circulares, elípticas, triangulares,

pentagonales y de anillo. Existen otras configuraciones que se utilizan de acuerdo a la aplicación y

especificaciones de diseño.

En la Figura 20 se muestran las topologías típicas (López-Gómez A., 1999).El caso de parche

rectangular es el más utilizado en el diseño de antenas, ya que su análisis es sencillo cuando se

emplean los métodos de línea de transmisión y de cavidad, que se describen más adelante. La

configuración de un parche circular es muy sencilla de analizar ya que sólo presenta una variable

de control, que es el radio del parche. Para su análisis el método más adecuado es el método de

cavidad con coordenadas cilíndricas. (James J.R., 1986).El parche triangular se considera como

una cavidad resonante con una pared magnética, donde la energía tiene a acumularse en las

esquinas. Por otro lado, el parche pentagonal cuenta con una polarización de onda circular, aun

cuando se alimenta por una línea de microcinta.La polarización circular resulta teóricamente

46

posible cuando el parche se excita por dos modos ortogonales y en cuadratura de fase,

eliminando la complejidad de la alimentación híbrida. El parche de anillo es similar al parche

circular, pero con una cavidad en el centro, de modo que cuando la distancia radial es mayor a la

longitud de onda, los efectos de borde se desprecian, aunque los efectos de curvatura se deben

tomar en consideración.

Figura 20. Topología de parches. (Flores Cuadras, 2006, p. 56).

3.2.7 Tipos de alimentación

Para alimentar un elemento radiador se utilizan diferentes métodos que se pueden clasificar

en dos categorías: los de contacto y los que no hacen contacto. Dentro de los métodos de

contacto,se puede mencionar que la transferencia de potencia hacia el parche se hace mediante una

línea de microcinta o coaxial. En las estructuras que no se hace contacto la transferencia de

potencia se realiza por el acoplamiento electromagnético entre la línea de microcinta y el parche

(acoplamiento por ranura). Los acoplamientos más populares de este tipo son los de apertura y los

de proximidad (BalanisC., 2005). En este trabajo se utiliza la alimentación por línea de microcinta

y la alimentación coaxial.

47

3.2.7.1 Alimentación por línea de microcinta

Esta técnica de alimentación consiste de una línea conductora conectada directamente al

borde del parche radiador como se muestra en la Figura 21. La línea es más angosta comparada

con el parche y se tiene la ventaja que esta puede grabarse sobre el mismo substrato que se utiliza

para construir el parche. La impedancia en el borde del parche al que se conecta la línea se debe

acoplar a una impedancia característica de 50 Ω mediante un transformador de impedancias.

Figura 21. Alimentación por línea de microcinta.

3.2.7.2 Alimentación coaxial

El método de alimentación coaxial,presenta una alimentación perpendicular al plano de

tierra mediante una perforación que atraviesa al substrato y hace contacto con el parche o con la

red de alimentación donde se solda posteriormente. Su ventaja principal es que se puede colocar

en cualquier punto dentro de un parche, para mejorar así su desempeño en ancho de banda al

encontrar la posición óptima. Este método presenta pocas radiaciones de espurias, pero tiene una

desventaja de tener un ancho de banda estrecho, además de que es muy difícil de modelarse. En

dieléctricos gruesos se pueden presentar problemas de acoplamiento, debido a que la impedancia

de las líneas de acoplamiento se vuelven más inductivas (Kumar G. y Ray K., 2003).

3.2.8 Arreglos de antena de microcinta

Existen aplicaciones en las cuales es necesario tener un patrón de radiación directivo y de

alta ganancia. Este tipo de patrón no puede ser proporcionado por un solo parche, ya que este

presenta un patrón de radiación omnidireccional de poca ganancia. Entonces resulta

48

necesariorealizar agrupaciones de parches para que el patrón de radiación se vuelva directivo con

respecto a una dirección deseada y por consecuencia tenga una ganancia mayor.

Figura 22. Alimentación coaxial.

En la Figura 23 se muestra el patrón de radiación que presenta un solo parche radiador, donde se

puede observar que el parche radia por 180 grados.

Figura 23. Patrón de radiación de un solo parche.

Los parches se pueden agrupar en forma adyacente para formar un arreglo, y así cada uno de los

patrones de radiación independientes de cada uno de los parches se combina en dirección

perpendicular a la dirección de radiación y se cancela en otras direcciones. Esto significa que

conforme se agrupanmás parches en el arreglo, el patrón de radiación se vuelve más directivo, ya

que la energía de los lóbulos laterales se transfiere hacia el lóbulo principal, al respetarse así la ley

de la conservación de la energía. Al duplicar el número de parches, la ganancia de la antena

aumenta 3dB en condiciones ideales. Es decir, que un arreglo de cuatro parches puede

49

presentaruna ganancia de 12 dB, uno de ocho parches presentaría una ganancia de15dB y así

sucesivamente.

En la Figura 24se muestra de manera visual el patrón de radiación de dos arreglos, uno de dos

parches y otro de cuatro parches.Para mantener una simetría en el patrón de radiación un arreglo

debe de cumplir con 2n elementos (n=0, 2 ,6…), donde cada uno de los elementos se debe

interconectar entre sí y tener un punto en común de alimentación en el puerto de entrada, con una

impedancia característica que por lo general es de 50Ω. Cuando se realiza un arreglo de parches se

deben de considerar las pérdidas que se generan por las líneas de acoplamiento, por las ondas de

superficie, por la cercanía de los parches y por los errores introducidos en los procesos de diseño

y construcción. En la Figura 25se puede observar la distribución a seguir para obtener un

comportamiento simétrico del patrón de radiación.

Figura 24. Patrón de radiación de un arreglo de 2 y 4 parches.

50

Figura 25. Distribución de parches de un arreglo.

3.3 Métodos de diseño y análisis de antenas de microcinta.

Existen en la literatura dos métodos que permiten obtener las dimensiones iniciales de un

parche para que opere a una frecuencia determinada los cuales son: el método de línea de

transmisión y el de cavidad, los cuáles se describen a continuación.

3.3.1 Modelo de línea de transmisión

El método de línea de transmisión solo sepuede aplicarpara diseñar parches rectangulares.

En este método el parche radiador se trata como una línea resonante. Las variaciones transversales

de campo y la resonancia del parche, se determinan por la longitud del parche, que generalmente

es de media longitud de onda. El algoritmo de este modelo se puede obtener con las ecuaciones 8 a

la 13 siguientes.

√

(8)

51

(

)

(9)

(

⁄ ⁄

⁄ )

( (

⁄

)

) (10)

(

)

(11)

(

)(

⁄

⁄ )

(12)

√ (13)

donde:

: Ancho del parche (m)

: Velocidad de la luz (m/s)

: Constante dieléctrica relativa (adimensional)

: Frecuencia de resonancia (Hz)

: Constante dieléctrica efectiva (adimensional)

: Altura de substrato (m)

: Efecto de borde (m)

: Longitud de parche (m)

Es importante considerar los efectos de extensión de los campos eléctricos en los bordes, que se

puede calcularde manera aproximada por la ecuación 12 (Barthia et al, 1991) y (Bahl y Bhartia.

1980).

52

3.3.2 Modelo de cavidad

El modelo de cavidad puede soportar un mayor número de formas de parches que el de

línea de transmisión. Este método considera una cavidad resonante cerrada con paredes

magnéticas y eléctricas. El conductor y el plano de tierra representan las paredes eléctricas

mientras que los bordes son las paredes magnéticas. El algoritmo para obtener las dimensiones de

los parches se da mediante las ecuaciones 14 a la 27. En este método se debe realizar cierto

número de iteraciones hasta conseguir las dimensiones que proporcionen la frecuencia de

resonancia deseada (Bhartia et al., 1991).

(

√ (

)

) (14)

( (

)

)

(15)

(

⁄)

(16)

(

⁄ ⁄

⁄ )

( (

⁄

)

)

(17)

(

)

(18)

(

) (

⁄ ⁄ )

(19)

(

)(

⁄

⁄ )

(20)

(21)

53

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

√

(27)

donde:

: Impedancia característica (Ω)

: Impedancia de la microcinta (Ω)

:Constante (adimensional)

: Eigenvalores (adimensional)

Ninguno de los dos métodos descritos anteriormente considera el acoplamiento mutuo que existe

entre agrupaciones de parches que forman arreglos de antenas. Por esta razón, es necesario realizar

un análisis electromagnético de onda completa que tome en cuenta todos los efectos geométricos y

de proximidad entre cada uno de los elementos y líneas de interconexión que conforman la antena

diseñada. A continuación se describe uno de los métodos más utilizados para efectuar dicho

análisis, que es el Método de Momentos (MOM). El programa de cómputo comercial ADS

(Advanced Design System) de Agilent Technologies , contiene dentrode la paquetería de ADS el

programa MOMEMTUM basado en el Método de Momentos el cual se describe enseguida.

54

3.3.3 Método de Momentos

El método de momentos es un procedimiento general para resolver ecuaciones lineales del

tipo dado en la ecuación 28, y que se utiliza para transformar una ecuación diferencial o integral

en una matricial.

(28)

donde L es el operador lineal, g es conocido y f es la incógnita que se debe encontrar, la cual se

puede expandir en una serie de funciones como sigue:

∑

(29)

donde, las son las llamadas funciones de expansión o funciones base. Para obtener una solución

exacta se tendría que utilizar un número infinito de funciones base. Sin embargo, para fines

prácticos se trunca a un número finito, y resulta una aproximación de la siguiente forma:

∑

(30)

Se pueden definir entonces las funciones llamadas de peso o de prueba, en el intervalo de L, en

donde al tomar el producto interno de cada una de ellas se tiene:

∑ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

(31)

la cual se puede escribir de forma matricial como:

[ ][ ] [ ] (32)

donde , y se dan por las ecuaciones 33 y 34.

55

[ ] [

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

] (33)

[ ] *

+ [ ] [

⟨ ⟩

⟨ ⟩

] (34)

Cuando la matriz [ ] no es singular, entonces su inversa existe:

[ ] [ ] [ ] (35)

La solución para la ecuación 29 se obtiene al determinar las funciones mediante la ecuación 36.

[ ] [ ] (36)

y finalmente la incógnita se calcula como:

[ ][ ] [ ][ ] [ ] (37)

Con este método se pueden encontrar la distribución de corriente, los campos eléctricos y

magnéticos, el patrón de radiación, los parámetros S y otros resultados de importancia.

3.4 Metodología de diseño de la antena.

La metodología propuesta en este trabajo para diseñar una antena planar de microcinta se

resume en el diagrama de flujo de la Figura 26.

La metodología de diseño consiste en los siguientes pasos principales: establecer las

especificaciones, seleccionar el substrato sobre el cual se construirá, diseñar un solo elemento

(parche) y optimizarlo, obtener el arreglo para dos parches y determinar la separación en el plano

56

H, determinar el arreglo para cuatro parches y determinar la separación en el plano E. En cada

modificación de la estructura, se debe realizar un análisis de la impedancia, ganancia y

primordialmente el ancho del haz de la estructura. Enseguida se diseñan y optimizan las redes de

alimentación y se procede a analizar todas las estructuras propuestas, con el fin de decidir cuál es

la más adecuada para cumplir las especificaciones del patrón de radiación, que es cubrir los 360º

en el plano horizontal o magnético. Una vez formado el arreglo final, se puede variar la relación

largo-ancho L/W para mejorar el ancho de banda y la separación entre parches para reducir los

lóbulos laterales.

Figura 26. Metodología propuesta para el diseño de la antena planar de microcinta.

Cada uno de los pasos de la metodología de diseño propuesta, se describe con mayor detalle en las

siguientes secciones. Es conveniente resaltar que a la fecha no existe en la literatura algún

procedimiento específico que permita diseñar una topología de parches requerida, por lo que es

57

necesario analizar cada una de las estructuras consideradas y analizar su comportamiento antes de

tomar la decisión para obtener el arreglo final.

De acuerdo a la metodología de diseño, el primer paso es establecer las especificaciones de diseño.

En este trabajo se desea diseñar una antena con patrón omnidireccional de alta ganancia, para

aplicación en radiobases WiMAX que operan dentro del rango de frecuencias de 3.3GHz a

3.6GHz. La antena deberá tener pérdidas por regreso menores a -10dB y una ganancia de

aproximadamente 10 dB en toda la banda de operación.

3.4.1 Determinación del substrato

El substrato de la antena es una parte fundamental para lograr un buen desempeño de la

misma. Para lograr mejores características de radiación y mayor ancho de banda, se debe utilizar

un substrato con una constante dieléctrica relativamente baja con un espesor lo más grueso

posible. En este tipo de substratos, las dimensiones de un parche o de un arreglo de parches

aumentan significativamente, por lo que se debe mantener un compromiso entreambos.

3.4.1.2 Dieléctricos mezclados y constante dieléctrica efectiva

Para diseñar las antenas objetivo de este trabajo de tesis, se decidió utilizar el substrato FR-

4, debido a su bajo costo,a pesar de tener un detrimento en su comportamiento debido a las

pérdidas altas y a posibles errores de construcción. La desventaja de este substrato son sus altas

pérdidas en el dieléctrico, especificadas por el factor de disipación (Tanδ), y su constante

dieléctrica εrun poco alta. Para reducir la εr, se decidió utilizar una mezcla de dieléctricos, al

colocar una capa de aire en la parte inferior de un substrato de FR-4 delgado. Con esto es posible

reducir la constante dieléctricaεr así como sus pérdidas tangenciales Tanδy a la vez aumentar

elespesor del dieléctrico h. Con ello se espera obtener una antena con una ganancia mayor y

mejorar el ancho de banda. En la ecuación 7 se muestran las condiciones que el espesor del

dieléctrico debe tener, en función de la longitud de onda.

58

El substrato FR-4 seleccionado, fue caracterizado anteriormente en el trabajo de Buenrostro S.,

(2007). Sus características son: hd=0.269mm, una 1 y unas pérdidas tangenciales

Tanδ= 0.0182. Este substrato está suspendido en una capa de aire que tiene una ,

un espesor ha=2.05mm y con pérdidas tangenciales despreciables. En la figura27 se puede

observar la manera en que se combinan los dieléctricos.

Para calcular la constante dieléctrica efectiva total de la mezcla de los dos dieléctricos,se utilizan

las ecuaciones 38 y 39 (LeeKai-Fong, 1984),(Medina-Monroy J.L, 2011).

Figura 27. Dieléctricos mezclados.

( )

(38)

( )

(39)

donde

: Constante dieléctrica del dieléctrico sólido.

: Constante dieléctrica dela capa de aire.

: Espesor del dieléctrico solido (mm).

: Espesor dela capa de aire (mm).

59

3.4.2 Diseño de un parche

Para diseñar una antena de microcinta, se deben calcular las dimensiones del parche

radiador, es decir, el ancho W, y largo L del parche. Para calcular W y L se utilizan los métodos

de línea de transmisión y de cavidad descritos anteriormente. En este trabajo de tesis, se

programaron dichos algoritmos, en lenguaje MATLAB. Con este programa se pudieron obtener

las dimensiones iniciales del parche (W=42.4mm y L=38.9mm) para operar a la frecuencia de 3.5

GHz empleando el método de línea de transmisión. Posteriormente se procedió a realizar un

análisis electromagnético (AEM) de la estructura mediante MOMENTUM,con la finalidad de

obtener su comportamiento de impedancia en el rango de 3.2 a 3.8 GHz como se muestra en

laFigura 28.

Figura 28. Análisis electromagnético del parche con las dimensiones iniciales.

Es importante mencionar que para realizar el AEM, los puertos de alimentación se colocaron en el

borde inferior de los parches, y no se consideró una red de acoplamiento que ayudara a mejorar las

pérdidas por regreso. Como se puede observar en la figura 28, la frecuencia de resonancia se

obtuvo cerca de 3.2GHz y no a la frecuencia deseada de 3.5GHz. Debido a esto, es necesario

realizar una optimización de las dimensionescomo sigue.

60

3.4.3 Optimización del parche

Como ya se mencionó anteriormente, el parche analizado con las dimensiones calculadas

no obtuvo la respuesta deseada a la frecuencia de operación, por lo cual es necesario realizar una

optimización de las dimensiones utilizando el software ADS (MOMENTUM). Para ello, se deben

tener en cuenta las siguientes consideraciones: al aumentar el ancho W del parche se mejora la

ganancia del parche, pero el ancho de banda disminuye, por lo que hacer un parche más angosto

presenta un mejor ancho de banda. El largo L define la frecuencia de operación o de resonancia.

Con estas consideraciones, se obtiene W manteniendo un compromiso entre ganancia y ancho de

banda. Una vez efectuadas diferentes iteraciones dentro del proceso de optimización, se

obtuvieron los resultados que se muestran en la Figura 29. Como se puede observar en las dos

gráficas, la frecuencia de resonancia se encuentra ahora en 3.5GHz, donde la fase es cero.Las

dimensiones finales para obtener esta resonancia fueron: W=42.4mm y L=35.0mm.

Figura 29. Comportamiento del parche optimizado.

Para determinar la manera en que modifican los parámetros de ganancia y ancho del haz en

función del ancho del parche, se analizó el comportamiento del parche variando el ancho W de

29mm a 44 mm y se obtuvieron las graficas de la figura 30. Cabe mencionar que el ancho Wno

afecta significativamente la frecuencia de resonancia.

61

Figura 30. Comportamiento de la Ganancia y HPBW en función de W.

Como se puede observar en la Figura 30, la ganancia del parche aumenta conforme W se

incrementa, y como consecuencia el haz de mediana potencia disminuye. Se puede apreciar que

una antena con mayor ganancia se vuelve más directiva y por lo tanto concentra la energía en

cierta dirección causando un HPBW más angosto. Ahora bien, dado que el propósito de diseño de

este trabajo es cubrir el plano total horizontal con 360º, es conveniente tener un HPBW lo mayor

posible. Tomando esto en consideración, se elige un W de 31mm que proporciona un HPBW de

aproximadamente 80º, tratando de conservar una ganancia aceptable cercana a los 9dB.

3.4.4 Diseño del arreglo de parches

Para aplicaciones donde se requiere una ganancia mayor a 9 dB, un solo parche no basta,

por lo que es necesario formar un arreglo de parches. Convencionalmente estos arreglos son

agrupaciones de 2n parches, que permiten incrementar la ganancia de la antena pero que modifican

sus características de direccionalidad. Enseguida se describe la manera en que se obtiene un

arreglo de parches.

62

3.4.4.1 Separación en plano H y E

La separación de los elementos o parches se puede determinar realizando un análisis

electromagnético AEM de la estructura. Para ello, en primer lugar se analizan los parches con una

separación equivalente a media longitud de onda, y posteriormente efectuar una variación de dicha

separación para satisfacer los requisitos de diseño. Para cada separación, se analizó la ganancia y

el haz de mediana potencia, incluyendo los niveles de los lóbulos laterales (SLL).

La Figura 31 muestra las separaciones en los planos magnético H y eléctrico E. para un arreglo

planar de antenas de 2 X 2 parches.Es importante resaltar que se realizó una gran cantidad de

AEM para esta topología de arreglos de parches. Después de analizar el comportamiento en el

cual se observó una reducción en el HPBW, se determinó que se requería una gran cantidad de

antenas para realizar la estructura final de arreglo de antenas y se decidió no utilizar esta

configuración de parches. La Figura 32 muestra los resultados del AEM de la estructura dada en la

figura 31.

Figura 31. Separación en los planos H y E en un arreglo planar de 2X2.

La principal razón por la que se tomó la decisión de no utilizar este tipo de estructura fue que el

HPBW = 42º es demasiado angosto, que para cubrir los 360º se requerirían entre 8 y 9 antenas.

63

Figura 32. Comportamiento del AEM de un arreglo planar de 4 parches (ADS, 2009).

Dado lo anterior, surgió la idea de realizar un arreglo de parches lineal de 4 parches. Este arreglo

tiene la ventaja de que puede orientarse en el plano de interés, ya sea el magnético o en el

eléctrico. Físicamente en configuración vertical se tiene un arreglo de 1X4 parches y en

configuración horizontal se tiene un arreglo de 4X1 parches. En configuración vertical, el arreglo

de 1X4 parches proporciona un HPBW de 78 grados como se puede apreciar en la figura 33,

requiriéndose entre 4 y 5 antenas para cubrir los 360º en el plano H. Por otro lado, en

configuración horizontal, el arreglo de 4X1 parches proporciona un HPBW de 18º, y requiere de

20 antenas para cubrir los 360º en el plano H. Dado que no se requiere tener características de

omnidireccionalidad en el plano eléctrico, el haz puede ser tan angosto o tan ancho como resulte.

Eligiendo la configuración lineal vertical de 1X4 parches, la antena tiene una ganancia cercana a la

del arreglo planar de 2X2, pero que requiere un menor número de antenas para cubrir los 360º, ya

que es la estructura con la cual se obtiene un HPBW mayor. Una vez seleccionada la estructura

lineal vertical de la antena, se procede a diseñar la red de acoplamiento de los parches para obtener

64

una impedancia cercana a 50 Ω en toda la banda de operación de la manera que se muestra en las

secciones siguientes.

a)

b)

Figura 33. Patrón de radiación de un arreglo lineal de 4 parches: a) Vertical, b) Horizontal (ADS 2009).

65

3.4.5 Diseño de redes de acoplamiento

Un factor de gran importancia en una antena es la red de acoplamiento, ya que esta permite

ayudar a mejorar la impedancia de la antena y su ancho de banda. Para este tipo de antenas, se

utilizaron tres métodos de acoplamiento que son: el método de Przedpelski, el método de doble

“stub” balanceado y el de la apertura inductiva en el parche llamada sectum. Todos estos se

describen a continuación.

3.4.5.1 Método de Przedpelski

El acoplamiento entre dos impedancias complejas o reales se puede realizar utilizando

segmentos de línea de transmisión en serie (Przedpelski, 1981). Este se utiliza para acoplar la

impedancia de la antena, típicamente entre 200 y 400Ω a una impedancia que normalmente es de

50 Ω. En la figura 34 se muestra una red de acoplamiento de dos elementos, que se utilizan para

acoplar una impedancia compleja (Ra,jXa) con una impedancia real (Rb). Para efectuar el

acoplamiento, se dan valores iniciales de Z1y θ1, se calcula la impedancia Zx mediante la ecuación

41 y finalmente se aplican las ecuaciones 42 y 43 para calcular Z2

y θ2 del segundo elemento.

Figura 34. Acoplamiento de impedancias mediante el método de Przedpelski.

(40)

(

)

(41)

66

√

(42)

(43)

donde:

: Impedancia del parche (Ω)

Impedancia propuesta (Ω)

: Longitud eléctrica propuesta

: Impedancia de salida (50Ω)

: Impedancia segundo transformador (Ω)

: Longitud eléctrica del segundo transformador.

3.4.5.2 Método de doble “stub” balanceado.

Otro método alternativo de acoplamiento adecuado para redes de banda ancha es el método

de doble “stub” balanceado. Cada uno de los stubs consta de un segmento de línea de microcinta

aplicado a la red de acoplamiento. La impedancia del parche se debe acoplar a 200Ω. Por lo que se

analiza el circuito equivalente de una impedancia de carga que se desea acoplar a la impedancia de

fuente, mediante una red de acoplamiento de doble stub(Liao. S., 1980) y (Pues. H. y Van de

Capelle, 1989). La Figura 35 muestra de forma visual el circuito equivalente de este tipo de

acoplamiento, que consiste en calcular las longitudes de los stubs en circuito abierto, y las

distancias entre los mismos.

Figura 35. Circuito equivalente de la red de acoplamiento de doble stub.

67

En la Figura 36se muestra de forma sencilla la trayectoria que sigue la impedancia al efectuar el

proceso de acoplamiento mediante el método del doble stub.

Figura 36. Proceso de acoplamiento empleando el método de doble stub (ADS 2009).

El punto correspondiente a la impedancia de carga, se encuentra en la parte inferior derecha de la

carta de Smith. Este punto representa a la impedancia del parche diseñado, la cual se conecta a una

línea de transmisión en serie que proporciona un círculo de VSWR constante. Al conectar el

primer stub, se puede observar un movimiento sobre un círculo de conductancia constante.

Enseguida se realiza de nuevo un movimiento sobre un círculo de VSWR constante, el cual

representa la segunda línea de transmisión en serie que une a los dos stubs. Finalmente se efectúa

un movimiento sobreel círculo de conductancia constante unitario para llegar al centro de la carta

de Smith que representa la impedancia de acoplamiento deseada de 50Ω.

68

3.4.5.3 Apertura inductiva

El tercer método de acoplamiento es el de apertura inductiva también llamado como

“sectum” inductivo.Este métodopermite mejorar la eficiencia y el ancho de banda de la antena al

añadirle hendiduras o cortes, al parche antes diseñado como se puede apreciar en la figura 37,

(Roldan EscolanoA., 2006).

Figura 37. Sectum inductivo para mejorar acoplamiento.

3.4.6 Optimización de la red de acoplamiento

Después de estudiar los métodos de acoplamiento, se obtuvieron las dimensiones de la red

de acoplamiento de un parche, la cual se optimizó posteriormente empleando el programa de

análisis electromagnético MOMENTUM, hasta obtener la mejor respuesta posible en el ancho de

banda la cual se muestra en laFigura 38.

Se puede observar en la figura 38 tanto la estructura del parche y la red de acoplamiento, como su

comportamiento de las pérdidas por regreso, donde se observa un acoplamiento excelente en la

frecuencia de operación de 3.5GHz y con un ancho de banda de 216MHz. Después de obtener un

buen acoplamiento de un parche, es posible interconectar el arreglo lineal vertical diseñado de

1X4 parches, empleando líneas de transmisión de 200Ω y 100 Ω, para que al interconectarlas tener

una impedancia característica final de 50 Ωen el puerto de alimentación. La Figura 39 muestra la

estructura final del arreglo de 1X4 parches ya optimizada y su respuesta correspondiente a las

69

pérdidas por regreso obtenida del AEM en el ancho de banda de 3.2GHz a 3.8 GHz. Se puede

observar que se mantiene la estructura de acoplamiento de un parche mostrada en la figura 38 con

un ancho de banda de 210MHz, y que se repite en los cuatro parches.

Figura 38. AEM del acoplamiento de un parche, con doble stub balanceado y sectum inductivo.

Las líneas de transmisión que unen a los parches tienen un ancho W = 0.2mm y las que unen al

punto de alimentación tienen un ancho W = 1mm con el fin depresentar una impedancia de 50 Ω.

Las pérdidas por regreso del arreglo linealdifieren en su comportamiento con respecto al parche

solo. Sin embargo se pudo mantener el buen comportamiento en el intervalo de frecuencias de

interés, con un ancho de banda similar.

En la figura 40 se muestra el comportamiento de la ganancia y del HPBW, obtenidos mediante el

AEM del arreglo lineal vertical de antena. El cálculo de la ganancia se realizó a la frecuencia de

3.5GHz y se puede observar una ganancia de 14.373dB aproximadamente. Los marcadores

incluidos en la figura 40, se encuentran en la posición donde la ganancia cae 3dB del valor

máximo, que definen al haz de mediana potencia HPBW y que es de aproximadamente 78º. Se

puede observar que la disminución de la ganancia no es tan abrupta en los ángulos vecinos a este

valor. Por esta razón, se propone diseñar un arreglo final que emplea 4 antenas iguales de 1X4

parches, mostrado en la figura 39, para formar un patrón de radiación omnidireccional de 360º en

el plano H. El comportamientodel patrón de radiación esperado se muestra en la figura 41.

70

Figura 39. Comportamiento de las pérdidas por regreso del arreglo vertical lineal de 1X4 parches.

Figura 40. Comportamiento de Ganancia y HPBW del arreglo lineal de 4 parches.

71

Figura 41. Patrón de radiación esperado del arreglo de antenas omnidireccional.

Es importante aclarar que en el análisis realizado para obtener el patrón de radiación de la figura

41,no se consideran las pérdidas del divisor, ni los efectos que pueda provocar la estructura final.

Esto será discutido en la sección donde se presentan los resultados de lacaracterización del arreglo

y en el capítulo del análisis de resultados.

Una vez establecido el número de antenas que conformarán el arreglo omnidireccional, es

necesario crear una estructura que permita combinar las cuatro antenas en un solo arreglo. Para

esto se decidió diseñar un divisor/combinador de potencia tipo Wilkinson, que combine los

puertos de salida de las cuatro antenas en un solo puerto de 50Ω. La metodología de diseño del

divisor /combinador se presenta en la siguiente sección.

3.5 Metodología de diseño del divisor/combinador

El divisor de potencia tipo Wilkinson, es una clase específica de divisor de potencia que

puede lograr un aislamiento adecuado entre todos los puertos de salida. Este tipo de divisor fue

72

inventado por Ernest J. Wilkinson en 1960, y también puede utilizarse como combinador de

potencia, ya que es una red recíproca compuesta de componentes pasivos.

En la Figura 42se muestra la estructura modificada de un divisor Wilkinson en forma circular, y en

las ecuaciones 44 a la 47 se muestran las fórmulas generales requeridas para la obtención de las

impedancias de las líneas y la resistencia distribuida (Medina-Monroy, 2012).

Figura 42. Divisor de potencia Wilkinson.

√

(44)

(

) (45)

√

(46)

√ (47)

Una vez calculadas las impedancias, longitudes de las líneas y la resistencia, se puede efectuar el

proceso de análisis del divisor y su AEM. Es importante remarcar que para el diseño y el AEM del

divisor se consideró un substrato de FR-4 con una constante dieléctrica 4.085 y un espesor

h=1.586mm, que es más grueso que el utilizado en las antenas.

73

3.5.1 Análisis electromagnético del divisor

El divisor/combinador diseñado, consiste de un puerto de entrada(puerto 1)

correspondiente al puerto de alimentación y cuatro puertos de salida(puertos 2-5) necesarios para

conectar cada una de las cuatro antenas que forman el arreglo con patrón de radiación

omnidireccional. El divisor completo diseñado con las ecuaciones 44 a 47 utiliza líneas de 50Ω, de

70.71Ω con una longitud eléctrica de 90 º (o de λ/4) y resistencias de 100Ω, como se puede

apreciar en la Figura 43. El circuito mostrado en dicha figura, se analiza con el programa de

cómputo ADS empleando inicialmente elementos ideales para realizar un análisis quasi-estático de

la estructura.

Figura 43. Diagrama del circuito divisor/combinador de cinco puertos.

En la figura 44 se muestra el comportamiento de los coeficientes de reflexión en los 5 puertos,

resultando < -20 dB en el puerto 1 y < -50dB en los puertos 2-5.

74

Figura 44. Coeficientes de reflexión.

El comportamiento de los parámetros de transmisión se muestra en la figura 45a. Se puede

apreciar que a la frecuencia de 3.5GHz se tienen pérdidas de 6.562 dB con poca variación dentro

de la banda de interés de 3.3GHz a 3.6GHz. Debido a que el divisor es de dos secciones,

teóricamente se debe tener una atenuación de 6 dB. El excedente se debe a las pérdidas en el

dieléctrico y conductor de las líneas de 0.562dB. En la figura 45b se muestra el aislamiento entre

los puertos 2-3 y 4-5 con un aislamiento es mejor a 30 dB en el intervalo de frecuencias de interés,

mientras que el aislamiento entre los puertos 3-4 es mejor a 40dB y que además muestra un

excelente ancho de banda, ya que opera de2GHz a 5GHz.

Una vez diseñado el divisor/combinador, se efectuóel análisis electromagnético haciendo el dibujo

geométrico “layout” con las dimensiones de las líneas calculadas, como se muestra en laFigura 46.

Como se puede observar, la estructura utiliza tres divisores Wilkinson modificados en forma de

anillo, que además contiene 3 resistencias de montaje superficial en los bordes de cada anillo. Para

efectuar el análisis electromagnético AEM, se utilizó el programa MOMENTUM incluido enla

paquetería de ADS. La estructura de laFigura 46 se analizó haciendo una co-simulación. Para ello,

se realiza el análisis electromagnético de la estructura sin las resistencias, incluyendo puertos en

sus localizaciones y posteriormente se agregan las resistencias para hacer un análisis cuasi-estático

mediante ADS, obteniendo una respuesta más apegada a la realidad.

75

Figura 45. Pérdidas por transmisión y aislamientos en los puertos del divisor

Figura 46. Estructura final del divisor de potencia Wilkinson, para su AEM.

76

LaFigura 47 muestra los resultados del AEM de la estructura final incluyendo las resistencias para

hacer la co-simulación.En la Figura 47a se muestra el comportamiento de las pérdidas por regreso

en los 5 puertos del circuito. Se puede apreciar que todos los puertos tienen un buen

comportamiento de las pérdidas por regreso, las cuales son < -20dB, mientras que en el puerto 1

son <-15dB en el rango de interés.

a) b)

c)

Figura 47. Resultados del análisis electromagnético del divisor, a) Pérdidas por regreso,

b) Aislamiento, c) Pérdidas por transmisión.

En la figura 47b se muestra el comportamiento del aislamiento entre puertos, en donde se aprecia

que en los puertos 2-3 y 4-5 se tiene un aislamiento <- 20dB, y en el puerto 3-4 <-30dB, lo cual es

77

excelente. Por último en la figura 47cse muestran las pérdidas por transmisión del divisor,

resultando entre 7.1 y 7.5 dB de 3.3 a 3.6GHz. Se puede observar que las pérdidas obtenidas del

análisis electromagnético AEM son más elevadas que las obtenidas del análisis cuasi-estático, ya

que la estructura de la Figura 46 incluye las pérdidas del substrato, discontinuidades de las líneas,

curvaturas y acoplamiento entre líneas, lo cual es más completo y apegado a la realidad.

En el siguiente capítulo se presenta la metodología de construcción y caracterización de los

circuitos de las antenas y los divisores diseñados y analizados.

78

Capítulo 4

Construcción y caracterización

4.1 Introducción

En este capítulo se presenta el proceso de fabricación y caracterización de las antenas y el

divisor diseñados en el capítulo 3. Se describe tanto la metodologíade construcción utilizada,

como los materiales empleados para la fabricación de las estructuras. Para la construcción de las

cuatro antenas y el divisor/combinador se utilizó la técnica fotolitográfica, debido a que es una

técnica para fabricación de circuitos impresos que es capaz de proveer una buena precisión.

Asimismo, se describe de manera detallada la metodología utilizada para la caracterización de los

circuitos. Se efectúa una comparación de los resultados teóricos obtenidos del análisis

electromagnético con los obtenidos de la medición. Por último, se presenta la metodología

utilizada para el ensamble de la estructura final del arreglo de antenas, y los resultados de la

caracterización de la misma.

4.2 Proceso de construcción de las antenas

El proceso empleado para construir las antenas se puede describir a grandes rasgos de la

siguiente manera: con el dibujo del circuito diseñado en el capítulo anterior, como primer paso se

debe obtener la mascarilla, en segundo lugar se hace el grabado del circuito sobre substrato

metalizado y por último se ensambla la antena. El proceso de construcción consiste en imprimir el

dibujo de la antena diseñada en una hoja blanca, sin embargo, primero se debe exportar el dibujo

de la antena en formato DXF directamente del programa ADS, con el propósito de manipular el

dibujo de las antenas diseñadas con otros programas como“Corel Draw” para dar un retoque y

obtener una buena impresión. Para imprimir las estructuras diseñadas y retocadas con“Corel

79

Draw”, se utilizó una impresora láser con el contraste y calidad al máximo. Hecho esto, es

necesario verificar las dimensiones, debido a que existen algunas impresoras que no imprimen

exactamente en escala 1:1. Esta verificación se realiza con un microscopio o un vernier. Una vez

que se tiene la certeza de que las dimensiones son correctas, se corta el substrato dieléctrico de

acuerdo al área total de cada una de las antenas o circuitos. Enseguida se adelgaza el espesor del

conductor, con el objetivo de que el decapado del circuito impreso sea más rápido y preciso.

Posteriormente se pulen las capas metalizadas de cobre con un pulidor de metales para dejar

perfectamente limpia el área sobre la cual el circuito será impreso. En la Tabla 2 se muestran los

materiales y el equipo necesario para la construcción de las antenas.

Tabla 2. Material y equipo para la construcción de antenas.

4.2.1 Obtención de mascarilla

Para obtener la mascarilla, el dibujo impreso del circuito se coloca en la cámara

Repromaster mostrada en la figura 48a,con la cual se obtiene el negativo de la antena. Para ello, la

80

hoja impresa se coloca en la parte baja de la cámara, entre dos piezas de vidrio las cuales sirven

para fijarla haciendo un vacío entre ellas, con el propósito de asegurar que no se mueva y de esta

manera trabajar con mayor seguridad. Es importante verificar que la imagen proyectada de la

antena en la cámara, tenga las mismas dimensiones del original. Es decir, a una escala de 1:1, ya

que de no ser así el negativo tendrá dimensiones erróneas. Posteriormente, se coloca el material

fotográfico (película fotosensible) en la parte superior de la cámara y se toma la fotografía.

Enseguida el material fotográfico ya expuesto se introduce en la solución del revelador para

obtener la imagen. Se debe tener especial cuidado en el tiempo de revelado, ya que de esto

dependerá la obtención de un buen contraste en la mascarilla y sin alterar las dimensiones.

Después del revelado se introduce la película en el fijador y por último se sumerge en agua

destilada para quitar los residuos del fijador. Es importante mencionar que todo el proceso de

obtención de la mascarilla se hace en un cuarto oscuro con luz roja. La mascarilla final obtenida se

muestra en la figura 48b.

a)

b)

Figura 49. Obtención de la mascarilla de la antena. a) Cámara fotográfica Repromaster de AFGA, b)

Mascarilla después de la exposición a rayos UV.

4.2.2 Grabado de circuito impreso

Para el grabado del circuito dibujado en la mascarilla sobre el substrato metalizado, la capa

metálica del substrato debe estar perfectamente limpia para poder aplicar el material foto sensible

(filmina) mostrado en la figura 49a. Al aplicar la filmina se debe colocar con cuidado para evitar

81

que queden burbujas de aire entre las dos superficies (metal-filmina). Posteriormente se introduce

el substrato cubierto con la filmina en una roladora térmica dada en la figura 49b, la cual consta de

un rodillo caliente que sirve para adherir completamente la filmina al cobre.

a) b)

Figura 4950. Proceso de aplicación de filmina, a) Filmina fotosensible b) Roladora térmica para adhesión de la

filmina.

Una vez que el substrato tiene depositado el material fotosensible o filmina, se coloca la mascarilla

de la antena sobre la parte superior del substrato sensibilizado, para después someterla a una

lámpara de alta luminosidad con gran componente ultravioleta mostrada en la figura 50a. Las

partes negras de la mascarilla bloquean totalmente el paso de luz, de tal forma que en esas áreas la

filmina no se adhiere. Una vez que se expone a la luz, el circuito se sumerge en un revelador de

filmina y se talla suavemente con la mano utilizando guantes de látex, hasta quitar completamente

el material fotosensible. Después, se enjuaga con agua destilada y se seca para introducirla en una

solución de cloruro férrico para quitar el cobre de las áreas que no fueron protegidas por la filmina

como se muestra en la figura 50b.

En la

Tabla 3 se muestran de manera resumida las cantidades de los químicos y materiales utilizados en

los distintos procesos, incluyendo los tiempos que se requieren para la obtención de la mascarilla y

la obtención de la antena final. Después de obtener la antena grabada en cobre, se aplicó una capa

de níquel líquido para protegerla de la oxidación y mantener sus propiedades por más tiempo.

82

Figura 51. Grabado del circuito: a) Lámpara UV, para exposición, b) circuito impreso en cloruro férrico.

Tabla 3. Cantidades y tiempos requeridos para la construcción de los circuitos.

83

4.2.3 Ensamble de las antenas

Una vez obtenido el circuito impreso de las antenas fabricadas, se ensamblan colocándolas

sobre una placa de aluminio de 28cms x 12cms que sirve como plano de tierra y soporte de la

antena. Debido a que las antenas se diseñaron sobre un sustrato FR-4 suspendido en una capa de

aire, los circuitos de las antenas se ensamblan empleandotrozos de material aislante, y se pegan

colocándolos en los bordes, manteniéndolos lo más alejado posible de los parches y tratando de

mantener la altura de la capa de aire (h) lo más cercano posible al valor utilizado en el

diseño.Enseguida se colocan los conectores SMA en los puertos de las antenas con el fin de poder

medir las antenas posteriormente.. La figura 51a muestra la vista lateral de la antena ensamblada,

donde se puede apreciar el substrato suspendido y la manera en que se coloca el conector SMA.

La figura 51b presenta la vista posterior del plano de tierra y el conector SMA colocado en el

puerto de la antena.

a) b)

Figura 521. Vista de la antena ensamblada en substrato suspendido ysu plano de tierra con conector SMA.

Para ensamblar el conector tipo SMA hembra con dieléctrico extendido, se hicieron barrenos en el

plano de tierra y se atornillaron al plano de tierra. Fue necesario colocar epoxy conductivo de plata

en los dieléctricos extendidos de los conectores SMA para asegurar un buen plano de tierra. La

antena final fabricada en FR-4 y suspendida en aire ya ensamblada se muestra en la figura 52, en

la cual se aprecian los materiales aislantes utilizados para suspender el substrato.

84

Figura 532. Antena planaren substrato suspendido construida.

Una vez que se terminó la construcción de las cuatro antenas similares a la mostrada en laFigura

532 se procede a efectuar la caracterización de las mismas.

4.3 Caracterización de las antenas

En esta sección se describen las metodologías empleadas para la medición de las antenas

diseñadas y construidas en este trabajo. Se presentan resultados del comportamiento de las cuatro

antenas independientes, con respecto a las pérdidas por regreso, la ganancia y el patrón de

radiación en el intervalo de frecuencias de 3 a 4 GHz.

85

4.3.1 Medición de pérdidas por regreso

Las pérdidas por regreso de las antenas construidas se midieron con un analizador de redes

vectorial HP8510C cuya banda de operación va desde 45 MHz hasta 50 GHz. Para medir las

pérdidas por regreso se realizó una calibración completa de 2-puertos tipo “full two port”, en el

intervalo de 3 – 4 GHz con 401 puntos. La técnica de calibración empleada es la SOLT (Short,

Open, Load, Thru) con estándares de 3.5 mm, los cuales pueden operar hasta la frecuencia

máxima de 26.5GHz. Es importante mencionar que con la calibración full two port se tiene la

ventaja de medir dos antenas de manera simultánea. Con la antena 1 conectada al puerto 1 del

analizador de redes se obtiene el S11 y con la antena 2 conectada al puerto 2 se mide el S22.

Posteriormente se conecta la antena 3 al puerto 1 del analizador de redes y se obtiene el S33 y con

la antena 4 conectada al puerto 2 se mide el S44, para tener así las pérdidas por regreso de las

cuatro antenas. En la figura 53 se muestra la manera en que están conectadas dos antenas al

analizador de redes con el fin de obtener sus pérdidas por regreso.

Figura 543. Medición de las pérdidas por regreso.

Con el analizador de redes calibrado y con las antenas conectadas como se muestra en la figura53,

se obtienen las pérdidas por regreso de las antenas en el intervalo de frecuencias de 3 a 4 GHz,

86

mostradas en la figura 54. En esta figura se muestran los resultados obtenidos de la medición de

las pérdidas por regreso correspondientes a cada una de las cuatro antenas planares y se comparan

con los calculados del análisis electromagnético realizado con el software MOMENTUM de ADS.

Figura 55. Resultados de la medición de las pérdidas por regreso de las antenas y su comparación con el AEM.

Se puede apreciar que la respuesta teórica obtenida del AEM dada con línea punteada difiere

ligeramente de las mediciones, mostrándose un corrimiento en frecuencia de aproximadamente 80

MHz mayor que los valores medidos. El comportamiento de ancho de banda y frecuencia de

operación se pudo conservar en las antenas 3 y 4, mientras que las antenas 1 y 2 difieren de las

otras. Esto se atribuye a errores en la construcción, ya que para todas se siguió el mismo

procedimiento. Se puede notar que la respuesta medida de las pérdidas por regreso de las cuatro

antenas cumplen con el valor límite <-10dB en la frecuencia de operación.

4.3.2 Medición de la ganancia

Para realizar la medición de la ganancia de las antenas, se emplea el analizador de redes

calibrado con la técnica SOLT “Full Two Port” y estándares de 3.5mm en el intervalo de 3 a 4

GHz. Cabe mencionar que esta calibración fue la misma que la utilizada para obtener los

87

coeficientes de reflexión (S11 y S22) o sus pérdidas por regreso. Para obtener la ganancia de las

antenas, los parámetros de interés son los de transmisión (S12 y S21). La ganancia de las antenas se

puede determinar de diferentes maneras: En la primera de ellas emplea una antena patrón

conectada al puerto 1 del analizador de redes o a un generador de señales. La antena patrón debe

estar perfectamente caracterizada, y se debe conocer su ganancia en todo el ancho de banda de

medición. Por otro lado, la antena bajo prueba se conecta al puerto 2 del analizador de redes o a un

analizador de espectro. Con las pérdidas por propagación correspondientes a la distancia de

medición y la frecuencia, con la ganancia de la antena patrón y el valor del medido de la potencia

recibida en el analizador de espectros, se calcula la ganancia de la antena bajo prueba. En la

segunda metodología, se miden dos antenas idénticas en vez de utilizar la antena patrón. Se

efectúan los cálculos y se obtiene el resultado el cual se debe dividir entre 2 para obtener la

ganancia, ya que este método supone que las dos antenas tienen la misma ganancia.

Un tercer método que se considera más preciso es el de tres antenas (Medina-Monroy., 2004). En

este método se plantea un sistema de tres ecuaciones, se realizan tres mediciones del parámetro de

transmisión y se efectúa la corrección de las pérdidas por propagación para obtener las tres

incógnitas que son las ganancias de cada antena G1, G2 y G3. La primera medición se realiza entre

la antena 1 y 2 (M12), la segunda medición se hace entre la antena 1 y 3 (M13) y la tercera

medición se efectúa entre la antena 2 y 3 (M23). El sistema de ecuaciones a resolver se da en forma

de la matriz de 3x3 dada en la ecuación 48.

[

] [

] [

] (48)

Las pérdidas por propagación PP se pueden calcular con la ecuación 49.

[ ] *(

)

+ (49)

88

donde, D es la distancia que existe entre las dos antenas (m) y es la longitud de onda en el

espacio libre.

Se puede observar que las pérdidas por propagación son una función de la distancia y la longitud

de onda o su frecuencia. La medición se realiza a una distancia de 1.8 metros para cumplir los

requisitos de medición en campo lejano y se calculan las pérdidas por propagación (PP) en función

de la frecuencia, es decir se tendrá un valor de (PP) para cada uno de los 401 puntos de frecuencia.

Posteriormente se restan dichas pérdidas a los parámetros obtenidos en dB de las tres mediciones

(M12, M13, M23). Entonces se resuelve la ecuación 48 y se calcula finalmente la ganancia de cada

una de las tres antenas (G1, G2 y G3).

Para determinar la ganancia de cada una de las antenas, se utilizaron las 4 antenas construidas, y se

hicieron 5 mediciones (resultado de una combinación para aplicar el método de tres antenas).

Enseguida se aplicó el método para obtener las ganancias de cada una de las antenas

independientes haciendo combinaciones de tres antenas para aplicar el método de 3 antenas

descrito anteriormente. En la figura55 se muestran los resultados de la ganancia medida y la

comparación con la respuesta teórica obtenida del AEM.

89

Figura 56. Resultados de la medición de ganancia de las antenas construidas y comparación con el AEM.

Se puede apreciar que el comportamiento de la ganancia teórica obtenida del AEM es mayor que

la medida para cada una de las antenas. Se puede observar un comportamiento similar en la

respuesta, sin embargo, la antena con mejor comportamiento fue la antena 4, la cual mostró una

ganancia mayor a 10 dB de 3.36GHz a 3.65GHz, teniendo una ganancia máxima de 13 dB, la cual

es 1dB menor que la ganancia teórica obtenida del AEM.

4.3.3 Medición del patrón de radiación

Para la medición del patrón de radiación de las antenas diseñadas y construidas en este

trabajo, se utilizó un generador de señales (Sintetizador de frecuencias HP83620A) que opera de

10 MHz a 20 GHz, y un analizador de espectros (Rodhe & Schwarz modelo FSP) cuya banda de

operación va desde 9 KHz hasta 40 GHz. Las mediciones se realizan a campo abierto en la azotea

del edificio de Física Aplicada, como se muestra en la figura 56, con el propósito de evitar las

reflexiones de paredes, equipos u otros objetos que pueden modificar los resultados de la

medición. Para medir el patrón de radiación se utilizan dos antenas: una antena transmisora y una

receptora, las cuales deben estar alejadas a una cierta distancia, la cual se establece por la región

de campo lejano calculada. Para conectar las antenas a los equipos, se utilizan cables conformables

o flexibles, los cuales tienen pérdidas que deben considerarse en la calibración del equipo. La

antena transmisora se conectó al generador de señales o sintetizador y la antena receptora (bajo

prueba) al analizador de espectro.

Manteniendo fija la antena transmisora, se debe girar la antena bajo prueba (receptora) 360º, de

preferencia en pasos de 1 grado, para obtener el patrón de radiación de la antena. En cada posición

se mide la potencia recibida en el analizador de espectros y se graba para posteriormente hacer los

cálculos. Dependiendo de la posición de la antena es posible obtener el patrón de radiación para

los planos eléctrico (E) y magnético (H).

La potencia recibida en el analizador de espectro por la antena receptora se expresa por la

ecuación (50):

90

[ ] (50)

donde, es la potencia recibida, y la potencia transmitida en dBm, G1la ganancia de la

antena transmisora, G2 la ganancia de la antena bajo prueba y Pp las pérdidas por propagación en

dB.

Figura 57. Configuración de los equipos de medición del patrón de radiación de las antenas.

Cabe mencionar que la potencia establecida en el generador de señales debe ser lo más grande

posible y la distancia debe ser mayor a la calculada en el campo lejano, pero limitada para recibir

un nivel adecuado de la potencia recibida en el analizador de espectro, aun cuando ambas

antenas no están alineadas. Se seleccionó una potencia de transmisión de +10dBm y el patrón de

radiación se midió a una distancia de 4 metros, ya que a esta distancia se cumple con las

especificaciones de campo lejano y además los niveles recibidos son adecuados. En la figura 57 se

muestran los patrones de radiación de la antena obtenidos de la medición y comparados con los

resultados del análisis electromagnético en forma polar para los planos E y H a la frecuencia de

3.5 GHz.Se puede observar que el comportamiento del patrón de radiación medido es muy

parecido al teórico obtenido del AEM en la dirección de propagación, y que la respuesta teórica no

muestra el patrón hacia atrás. Además, se puede constatar que el patrón de radiación en el plano H

es más amplio que el del plano E.

91

a) b)

Figura 58. Patrón de radiación medido de la antena a 3.5GHz y comparada con el AEM.

a) Plano H, b) Plano E.

En la figura 58se muestra el patrón de radiación en el plano H en coordenadas rectangulares, en

donde se facilita determinar el HPBW, el cual resulta de aproximadamente 74º, que es donde la

respuesta cae 3 dB, tanto a la izquierda como a la derecha de su valor máximo.

Figura 5859. Patrón de radiación en el plano H en coordenadas rectangulares.

92

En la figura 59 se muestra la comparación del patrón de radiación en coordenadas rectangulares

obtenido de la medición en el plano E y su comparación con el obtenido del AEM. Se puede

observar un gran parecido entre ambas respuestas. Se puede apreciar que en el plano E se

presentan lóbulos laterales (SLL) los cuales son menores a -17dB y que el lóbulo principal tiene

un HPBW de aproximadamente 18º , coincidiendo en gran medida con el valor teórico

Figura 5960. Patrón de radiación en el plano E en coordenadas rectangulares

4.4 Proceso de construcción y caracterización del divisor.

Para la construcción del divisor/ combinador de 5 puertos diseñado en el capítulo 3, se

siguen la misma metodología mencionada en la sección 4.2 para la obtener la mascarilla y hacer el

grabado del circuito impreso.

4.4.3 Ensamble del divisor

Para el ensamble del divisor, se utilizaron 5 conectores tipo SMA hembra, con el fin de

utilizarlos para la caracterización del mismo. Dichos conectores se remueven después de su

caracterización para evitar un mayor número de pérdidas al momento del ensamble de la estructura

93

final del arreglo de antenas planares. Después de obtener el circuito impreso, se soldaron las

resistencias en los círculos de media longitud de onda, y se aplicó una capa de níquel líquido para

proteger al circuito de la oxidación. Posteriormente se colocaron los conectores SMA en los

puertos del divisor y se soldaron con soldadura de estaño-plomo. En la figura 60se muestra la

estructura final del divisor por ambos lados del substrato ya listo para su caracterización.

a) b)

Figura 61. Circuito del divisor construido y ensamblado, a) vistainferior y b) vista superior.

4.4.4 Medición de los parámetros S del divisor

Para la caracterización del divisor se calibró el analizador de redes vectorial HP8510C de 2

a 5 GHz empleando 401 puntos y la técnica “full two port” con “adapter removal”. Una vez

calibrado el equipo, se conectaron los puertos del divisor como se muestra en la figura 61 y se

procedió a efectuar la caracterización. Para obtener los parámetros S del divisor se realizaron

varias mediciones al intercambiar los puertos del divisor conectados al ARV, para obtener todos

los parámetros que lo caracterizan: pérdidas por regreso obtenidas de sus coeficientes de reflexión,

pérdidas por transmisión y su aislamiento.

94

Figura 62. Conexión del divisor para obtener sus parámetros S.

En la figura 62se muestra el comportamiento delaspérdidas por regreso en cada uno de los puertos.

Se puede observar la comparación entre las mediciones y los resultados del s AEM. El

comportamiento de los puertos 2 al 5 es muy bueno en toda la banda de frecuencia de medición, y

muy parecido a los resultados teóricos. Por otra parte el que presenta un ancho de banda menor es

el puerto 1, que a pesar de eso la banda de trabajo de la antena no tiene ningún problema ya que a

3.5GHz tiene un valor por debajo de los -15dB.

En la figura 63 se puedenobservar los resultados del aislamiento medido entre los puertos 2 - 3, 3 -

4, y 4 - 5,así como su comparación con los resultados teóricos obtenidos del AEM. Se puede

observar que el aislamiento medido se conserva por debajo de -20dB en la banda de interés. Se

aprecia un corrimiento en la frecuencia de alrededor de 0.5GHz, que a pesar de ello resulta un

buen comportamiento en toda la banda, siendo muy parecido al obtenido del AEM. Esto puede

corregirse en un trabajo futuro, modificando la longitud del círculo del divisor Wilkinson.

95

a)

b)

Figura 63. Pérdidas por regreso del divisor de 5 puertos, a) Puertos 1 al 3, b) Puertos 4 y 5.

96

Figura 64. Aislamiento del divisor de 5 puertos medido y calculado con el AEM.

Por último, en la figura 64 se muestra el comportamiento de las pérdidas de transmisión del

divisor.Se puede observar que las pérdidas varían entre 7 y 7.4 dB a la frecuencia de 3.5 GHz y

que la respuesta medida resultó mejor que la obtenida del AEM. Las mejores pérdidas fueron entre

los puertos 1-2 y 1-4, mientras que las mediciones entre los puertos 1-3 y 1-5 presentaron mayores

pérdidas. Esto se debe a que las líneas que conectan a los puertos 1-3 y 1-5 son más largas que las

otras dos, ya que la estructura no es completamente simétrica como se puede apreciar en la figura

60a.

4.5 Construcción y caracterización del arreglo de antenas planares

Para la construcción de la estructura final y formar un solo arreglo con una entrada, se

integraron las cuatro antenas diseñadas y construidas. Para la interconexión se utiliza el divisor de

potenciaWilkinson diseñado y construido. Para ensamblar la antena final, se aprovechó la rigidez

de los planos de tierra de las cuatro antenas. Las cuatro antenas se ensamblaron colocando ángulos

97

de aluminioen las esquinas de cada una de ellas, yuniéndolas con tornillos para formar la

estructura final mostrada en la figura 65.

Figura 65. Pérdidas de transmisión del divisor de 5 puertos medida y calculada con el AEM.

Después de unir las cuatro antenas con los ángulos atornillados, se conectaron al circuito divisor /

combinador empleando cuatro cables semirígidos cortos como se puede apreciar en la figura 65,

en la cual se muestra una vista del plano de tierra y detalles de la interconexión del circuito divisor

con las antenas. Es importante mencionar que antes de conectar el divisor con las antenas, se les

removieron los conectores SMA en cada uno de los puertos de salida con excepción de la entrada,

lo cual permite reducir las pérdidas, tamaño y costo. La figura 66, muestra una vista de la

estructura final del arreglo de antenas que forman la antena sectorizada, montada en una base que

se utiliza para caracterizarla y obtener un patrón omnidireccional de alta ganancia.

98

Figura 66. Detalles del arreglo de antenas planares y su interconexión.

Figura 67. Estructura final del arreglo de antena sectorizada con patrón omnidireccional.

99

4.5.1 Medición de las pérdidas por regreso

Para medir las pérdidas por regreso de la estructura de antena final mostrada en la figura

66, se utilizó el analizador de redes vectorial calibrado en el rango de frecuencias de 2 a 5 GHz,

con el propósito de tener las mismas referencias en las mediciones que las antenas individuales y

el circuito divisor/combinador. En la figura 67 se muestran los resultados obtenidos de las

pérdidas por regreso del arreglo final de antenas. Como se puede apreciar, la respuesta obtenida

muestra un excelente comportamiento de ancho de banda, ya que opera en el rango de 3.14GHz a

3.64GHz, resultando un BW de 500MHz. Cabe mencionar que el ancho de banda de impedancias

podría extenderse a los 900MHz de 2.74GHz a 3.64GHz, si se considera que a 3 GHz no afecta el

comportamiento ya que es < -8dB. Se puede notar que en la frecuencia de operación a 3.5 GHz el

nivel está por debajo de -22 dB, y en el rango de 3.3 GHz a 3.6 GHz < -15dB.

Figura 68. Pérdidas por regreso del arreglo de antenas planares.

4.5.2 Medición de la ganancia

Para la medición de la ganancia del arreglo final de antena, se utilizó el método de las tres

antenas descrito en la sección 4.3.2. El equipo utilizado para medir la ganancia fue el analizador

de redes vectorial HP8510C, mismo que se utilizó para medir las ganancias de las antenas

100

individuales. Debido a que el método requiere de tres antenas, se utilizaron dos antenas de banda

ancha del tipo Vivaldi desarrolladas en CICESE [TrujilloR., 2012], siendo la tercera antena la

desarrollada en este trabajo de tesis y que se muestra en la figura 66. Se puede apreciar en la

figura 68, como la antena bajo prueba y una de las antenas de banda ancha se conectan al

analizador de redes para realizar la medición de la ganancia.

Figura 69. Conexión del arreglo de antenas planares para medición de ganancia.

En la figura 69 se muestra el resultado de las mediciones de la ganancia.Como era de esperarse, la

ganancia disminuyó considerablemente, debido a las pérdidas del divisor de aproximadamente 7

dB. Se puede apreciar en dicha figura que las antenas con mayor ganancia fueron la 1 y la 3,

alcanzando 7.5 dB a la frecuencia de 3.43GHz, contrario a las mediciones individuales donde las

antenas 3 y 4 mostraron un mejor comportamiento. Esto se debe a que las líneas del divisor no son

simétricas, razón por la cual las antenas 2 y 4, tienen una reducción mayor en la ganancia. Esto se

puede constatar en la figura 64, que muestra que los puertos 2 y 4 tienen menores pérdidas por

transmisión, que son los puertos donde se conectan las antenas 1 y 3, mientras que en los puertos 3

y 5 del divisor se conectan las antenas 2 y 4. Asimismo, se puede observar que las antenas 1 y 3

101

presentan un buen comportamiento de ancho de banda de ganancia, mostrando una ganancia de

3.3 a 3.62GHz y de 3.35GHz a 3.65 GHz para la antena 4.

Figura 70. Ganancia de las antenas del arreglo omnidireccional.

4.5.3 Medición del patrón de radiación

Para medir el patrón de radiación del arreglo de antena sectorial, se siguió un

procedimiento similar al mencionado en la sección 4.3.3, y que se utilizó para la medición del

patrón de radiación de las antenas individuales. Las mediciones se realizaron en campo abierto en

la azotea del CICESE, como se muestra en la figura 70, con el propósito de evitar reflexiones.Para

medir el patrón de radiación, se utilizó una de las antenas Vivaldi de banda ancha [TrujilloR.,

2012] que fue utilizada para la medición de la ganancia como antena patrón, la cual se conectó al

generador de señales. La antena bajo prueba se conectó al analizador de espectro y se midió a la

distancia de 4 metros, girándola 360º en pasos de 2º con el fin de tener una buena precisión. En la

figura 71se muestran los resultados del patrón de radiación medido, comparado con el resultado

teórico del AEM y con una medición extra realizada dentro del laboratorio, con el fin de visualizar

las diferencias que existen en los resultados obtenidos de realizar dichas mediciones dentro de un

lugar con reflexiones y en campo abierto.

102

Figura 71. Medición del patrón de radiación de la antena en campo abierto.

Figura 72. Patrón de radiación medido en el plano H del arreglo de antenas y su comparación con el AEM.

103

Se puede observar de la figura 71, que en general el patrón de radiación medido en campo abierto,

muestra un buen comportamiento y que es muy similar al esperado obtenido del AEM de la

estructura y al medido dentro del laboratorio de alta frecuencia del CICESE. Se puede observar

que el patrón medido en campo abierto muestra nulos menores y menos distorsión que el medido

dentro del laboratorio con reflexiones provocadas por los equipos y paredes del laboratorio. Se

puede apreciar también una diferencia en el patrón medido,con respecto al del AEM, en los

ángulos cercanos a 90ºy 270º, donde se presenta una disminución de nivel de aproximadamente 5

dB, lo cual se atribuye a un desfasamiento provocado por las líneas del divisor, ya que no tienen la

misma longitud. Los nulos que aparecen en los ángulos de 40º, 140º, 220º y 330º de alrededor de

-10dB, se atribuyen a las esquinas donde se unen dos antenas y al plano de tierra extendido. Se

puede notar que en la esquina entre las antenas 3 y 4, cerca de 220º el nulo es menor (-6dB) que en

las demás. Cabe mencionar que el comportamiento obtenido del AEM no incluye los efectos del

divisor, ni las esquinas de la estructura, y por lo tanto no presenta nulos considerables mayores a

3dB.

En la figura 72 se muestra el patrón de radiación en coordenadas rectangulares, que muestra los

niveles de los nulos, los cuales están alrededor de los 10dB, mientras que los producidos por las

líneas del divisor tienen valores entre 5 y 6 dB. En el capítulo siguiente se menciona cómo

mejorar este comportamiento, y cómo se pueden disminuir los errores de diseño y construcción.

Figura 73. Patrón de radiación de la antena omnidireccional en coordenadas rectangulares.

104

Capítulo 5

Análisis de resultados

En este capítulo se hace un análisis de los resultados de manera más detalladaque los

comentarios y comparaciones de los resultadospresentados en el capítulo 4. Se realiza un análisis

de los resultados experimentales obtenidos de las mediciones en el capítulo 4, y los resultados

teóricos obtenidos del análisis electromagnético en el capítulo 3, para las antenas individuales,

para el circuito divisor/ combinador y para la estructura completa del arreglo omnidireccional.

5.1 Análisis de las antenas independientes

En esta sección se discute acerca de los resultados del análisis electromagnético AEM de

las antenas individuales diseñadas en el capítulo 3, y los experimentales medidos mostrados en el

capítulo 4.

El comportamiento del AEM efectuado a la antena de 1X4 parches diseñada,dada en la figura 39,

mostró pérdidas por regreso menores a -10dB en el ancho de banda de 3.46GHz a 3.67 GHz

(BW=210 MHz), una ganancia de 14.373dBa la frecuencia de 3.5GHz,con un haz de mediana

potencia HPBW de 78º en el plano H dado en la figura 40. Las cuatro antenas construidas como la

mostrada en la figura 52, se midieron y se proporcionaron los resultados en las figuras 54 a la 59.

Se encontró que las pérdidas por regreso de la respuesta obtenidas del AEM mostraron un

corrimiento en frecuencia de 80 MHz mayor que los valores medidos. El ancho de banda de las

antenas 3 y 4, fue similar a la respuesta teórica, mientras que las antenas 1 y 2 resultaron con

menor ancho de banda. Esta diferencia se atribuye al proceso de construcción, ya que las líneas de

acoplamiento de los parches de las antenas son muy delgadas, y al observarse al microscopio se

105

encontró que las líneas se adelgazaron o fueron ligeramente cortadas, por haber excedido el

tiempo de revelado de la capa fotosensible o el tiempo de decapado en la solución de cloruro

férrico. A pesar de ello, la respuesta medida de las pérdidas por regreso de las cuatro antenas

cumplen con el valor límite <-10dB en las frecuencias de operación de 3.42 GHz a 3.62 GHz con

un BW=200MHz.

El comportamiento de la ganancia de las antenas mostrado en la figura 55, muestra que la

ganancia teórica obtenida del AEM es aproximadamente entre 1 y 2 dB mayor que la ganancia

medida. Se observóun comportamiento similarpero con un ancho de banda más reducido. La

antena con mejor comportamiento fue la antena 4, la cual mostró una ganancia mayor a 10 dB de

3.36GHz a 3.65GHz, teniendo una ganancia máxima de 13 dB, la cual es 1.437dB menor que la

ganancia teórica obtenida del AEM. Tal como se esperaba, la reducción en la ganancia se debe

principalmente a las pérdidas de las líneas de alimentación y a los conectores SMA que no se

consideraron en el análisis.

De la medición del patrón de radiación medido dado en las figuras 57 a 59, se observó una gran

similitud con los calculados y que en el plano H el HPBW fue de 74º , siendo 4º menor que el del

AEM. En el plano E se obtuvieron SLL< -17dB y un HPBW = 18º, coincidiendo en gran manera

con el valor teórico.

Se puede concluir que las antenas mostraron un comportamiento medido cercano a lo calculado y

que se cumplió con las especificaciones dentro del ancho de banda.

5.2 Análisis del divisor

En esta sección, se analizan los resultados teóricos y experimentales del divisor/

combinador de potencia Wilkinson, que se utilizó para integrar las cuatro antenas en la estructura

final del arreglo omnidireccional. La estructura del divisor/ combinador Wilkinsondiseñado y

analizado con el AEM se muestra en la figura 46 y el circuito construido en la figura 60.

Los resultados del AEM mostrados en la figura 47 correspondientes a las pérdidas por regreso

aislamiento y pérdidas por transmisión, presentaron un buen comportamiento de pérdidas por

106

regreso en todos los puertos, ya que son < -20dB en los puertos 2-5 y<-15dB en el puerto 1 en el

rango de interés. El aislamiento entre los puertos 2-3 y 4-5 el aislamiento es<- 20 dB, y en el

puerto 3-4 <-30 dB, lo cual es excelente. Las pérdidas por transmisión resultaron entre 7.1 y 7.5

dB de 3.3 a 3.6 GHz.

Los resultados obtenidos de la medición del circuito dado en la figura 60, se dan en las figuras 62

y 63, los cuales fueron en general muy buenos, ya quepresentaron un ancho de banda mayor a

1.4GHz, de 3 GHz a 4.4 GHz con una respuesta por debajo de los -15 dB para el puerto 1 y mucho

mayor ancho de banda para los puertos 2-5, de 2.1 GHz a 4.6GHz con pérdidas por regreso < -

20dB. Se observan algunos desplazamientos en frecuencia debido a los errores de construcción,

ya que cualquier diferencia en las longitudes o anchos de líneas repercute de manera significativa

en su respuesta. Sin embargo,el comportamiento es excelente para utilizarse en la interconexión de

las antenas.

Los resultados del aislamiento medido dados en la figura 63, para los puertos 2 - 3, 3 - 4, y 4 - 5,se

comparan con los resultados teóricos obtenidos del AEM. Se observa que el aislamiento medido

es < -20dB en la banda de interés. Aunque se aprecia un corrimiento en la frecuencia de alrededor

de 0.5 GHz, resulta un buen comportamiento en toda la banda de interés, siendo muy parecido al

obtenido del AEM pero mejor ancho de banda de 3.3 GHz a 4.6 GHz con aislamiento <-20dB.

El comportamiento de las pérdidas de transmisión del divisor se muestra en la figura 64. El

comportamiento de las pérdidas varía entre 7 y 7.4 dB a la frecuencia de 3.5 GHz y la respuesta

medida resultó mejor que la obtenida del AEM. Las mejores pérdidas fueron entre los puertos 1-2

y 1-4, mientras que las mediciones entre los puertos 1-3 y 1-5 presentaron mayores pérdidas.

Las diferencias en el comportamiento del divisor se deben a que las líneas que conectan a los

puertos 1-3 y 1-5 son más largas (presentando mayores pérdidas),que las del 1-2 y 1-4, ya que la

estructura no es completamente simétrica. Las pérdidas de las líneas 1-3 y 1-5 fueron

aproximadamente 0.4 dB mayores a las de los puertos 1-2 y 1-4.

107

5.3 Análisis del arreglo omnidireccional

En esta sección se analizan las respuestas de la estructura final del arreglo

omnidireccional,dada en la figura 66, formada con las cuatro antenas y el circuito divisor/

combinador construidos.

En la figura 67 se muestran los resultados obtenidos de las pérdidas por regreso del arreglo final

de antenas. La respuesta muestra un excelente comportamiento, siendo < -10 dBen el ancho de

banda de 3.14GHz a 3.64GHz, resultando un BW de 500MHz, mayor al especificado y al obtenido

por las antenas individuales. Este ancho de banda de impedancias podría extenderse a los

900MHz de 2.74GHz a 3.64GHz, si se considera que a 3 GHz no afecta el comportamiento de las

pérdidas por regreso < -8dB. Se puede notar que en la frecuencia de operación a 3.5 GHz el nivel

está por debajo de -22 dB, y en el rango de 3.3 GHz a 3.6 GHz < -15dB. Estos resultados indican

un excelente desempeño del arreglo de antenas.

Los resultados de la ganancia del arreglo de antenas obtenido de la medición, se muestra en la

figura 69. Como era de esperarse, la ganancia disminuyó considerablemente, debido a las pérdidas

del divisor de aproximadamente 7 dB. Las antenas con mayor ganancia fueron la 1 y la 3,

alcanzando 7.5 dB a la frecuencia de 3.43GHz, contrario a las mediciones individuales donde las

antenas 3 y 4 mostraron un mejor comportamiento. Esta diferencia se debe a que las líneas del

divisor no son simétricas, razón por la cual las antenas 2 y 4, tienen una reducción mayor en la

ganancia. Analizando el circuito divisor dado en la figura 64, muestra que los puertos 2 y 4 tienen

menores pérdidas por transmisión, siendo estos puertos donde se conectan las antenas 1 y 3,

mientras que en los puertos 3 y 5 del divisor se conectan las antenas 2 y 4. Asimismo, se puede

observar que las antenas 1 y 3 presentan un buen comportamiento de ancho de banda de ganancia,

mostrando una ganancia de 3.3 a 3.62GHz y de 3.35GHz a 3.65 GHz para la antena 4.

El principal parámetro a analizar es el patrón de radiación del arreglo de antenas. La posición de

las antenas para medir el patrón fueron las siguientes, en 0º la antena 1, en 90º la antena 2, en 180º

la antena 3, y en 270º la antena 4.El patrón de radiación medido en campo abierto y dado en la

figura 71, muestra un buen comportamiento y que es muy similar al patrón de radiación esperado

obtenido del AEM y dado en la figura 40.El patrón esperado es una especie de trébol de 4

108

hojascon nulos de aproximadamente 3 dB. Este comportamiento no incluye los efectos del divisor,

ni las esquinas de la estructura, y por lo tanto no presenta nulos mayores a 3dB.

La figura 71 muestra los resultados del patrón de radiación medido en campo abierto y comparado

conel del AEM, incluyendo el medido dentro del laboratorio de alta frecuencia del CICESE. Se

observa que el patrón medido en campo abierto muestra nulos menores y menos distorsión que el

medido dentro del laboratorio debido a las reflexiones provocadas por los equipos y paredes del

laboratorio.

El patrón medido muestra una diferenciacon respecto al del AEM, en los ángulos cercanos a 90ºy

270º, correspondientes a las antenas 2 y 4, donde se presenta una disminución de nivel de

aproximadamente 5 dB, lo cual se atribuye a un desfasamiento provocado por las líneas del

divisor, ya que no tienen la misma longitud. Como se mencionó anteriormente, las antenas 2 y 4

proporcionaron menor ganancia y además se notó un desplazamiento del patrón de radiación de

estas antenas.Los nulos que aparecen en los ángulos de 40º, 140º, 220º y 330º de alrededor de -

10dB, se atribuyen a las esquinas donde se unen dos antenas y al plano de tierra extendido. La

esquina entre las antenas 3 y 4, cerca de 220º muestra un nulo menor (-6dB) que en las demás.

Se puede concluir de este análisis, que los errores en la construcción, las pérdidas del material y

las diferenciasen las dimensiones de los elementos, afectaron de manera importante el

comportamiento de las antenas. A pesar de todo, se puede asegurar que el arreglo omnidireccional

presentó una respuesta mejor a la esperada en ancho de banda de impedancia con buena ganancia

y sobre todo con un patrón de radiación omnidireccional. Con los resultados obtenidos, se

demuestra que la metodología de diseño propuesta permite obtener de manera automática las

dimensiones físicas que aseguran que la antena tenga un buen comportamiento siempre y cuando

se mantenga una buena consideración en las especificaciones del material.

109

Capítulo 6

Conclusiones

En este capítulo se presentan las conclusiones generales de este trabajo de tesis. Se resaltan

las aportaciones generadas durante todo el desarrollo, para cumplir con el objetivo de diseñar

antenas sectoriales con patrón de radiación omnidireccional, con aplicaciones en WiMAX.

Asimismo se proporcionan algunas recomendaciones para trabajos futuros enfocados al diseño de

esta clase de antenas

6.1 Conclusiones generales

Sepresenta el diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares sectoriales con

aplicación en WiMAX dentro del estándar 802.16d,e en la banda de 3.3 a 3.6 GHz. Se presentó

una metodología de diseño y construcción de un arreglo de antenas planares sectorizadas, con un

patrón de radiación omnidireccional en el plano H.

De la gran variedad de antenas que existen, se eligió trabajar con antenas de microcinta,

por su alto desempeño en alta frecuencia, tamaño pequeño y por su bajo costo de producción.

Se estudiaron los tipos de antenas de microcinta, y los métodos de diseño para disponibles

para obtener las dimensiones de las antenas individuales. Se investigaron diversos arreglos de

parches (2x2, 1x4 y 4x1), los cuales se analizaron electromagnéticamente para definir la

configuración más adecuada en función de su patrón de radiación.

Las antenas se analizaron y construyeron empleando la técnica de substrato suspendido

para minimizar las pérdidas, disminuir la constante dieléctrica y mejorar sus características de

ganancia y ancho de banda.

110

Las antenas de parche se diseñaron mediante el método de líneas de transmisión

programado en MATLAB para obtener las dimensiones de antenas de forma automática.

Las antenas de parche se acoplaronempleando líneas de transmisión, stubs balanceados y

sectums inductivos.

El análisis electromagnético de las estructuras de antenas y divisor/ combinador se realizó

mediante Momentum del software ADS (Advanced Design System) de Agilent.

Las antenas diseñadas se optimizaron mediante Momentum para obtener la mejor respuesta

posibleantes de su construcción física.

Se construyeron cuatro antenas planares sectorizadas con un arreglo de 1X4 parches

verticales.

Las antenas planares independientes se caracterizaron y se obtuvieron sus parámetros S,

ganancia y su patrón de radiación.

Se diseñó y construyó un divisor/combinador de potencia Wilkinson empleado para la

integración de las cuatro antenas planares en el arreglo final.

Se construyó y caracterizó la estructura final del arreglo de antenas planares sectorizadas.

Para obtener sus parámetros de reflexión, su patrón de radiación y su ganancia total.

Por último se concluye que los resultados obtenidos en este trabajo de tesis cumplen de manera

satisfactoria con los requisitos de diseño planteados en esta tesis, ya que los resultados

experimentales y teóricos son adecuados.

6.2 Aportaciones

Las aportaciones más importantes de este trabajo de tesis se mencionan a continuación:

-Se propone una metodología de diseño y fabricación de un arreglo lineal de 1X4 parches

de microcinta, acopladosempleando líneas de transmisión, stubs balanceados y sectums inductivos

Las antenas se realizaron en un substrato FR-4 suspendidoen aire, con el propósito de disminuir

las pérdidas en el dieléctrico y aumentar sus características de ganancia y ancho de banda.

Resultando un haz de mediana potencia HPBW de aproximadamente 90 grados en el plano H y

con una ganancia de 12dB±2dB dentro de la banda de interés para cada una de las antenas.

111

-Se propone un arreglo sectorial omnidireccional de cuatro antenas planares de cuatro

antenas de 1x4 parches interconectadas mediante un circuito divisor / combinador de potencia de

5 puertos.

-La antena completa se construyó y caracterizó en campo abierto, mostrando resultados

altamente satisfactorios con pérdidas por regreso menores a -10dB, una ganancia de

aproximadamente 6 dB dentro del ancho de banda de 500MHz en la banda de frecuencias de

3.14GHz a 3.64GHz. El comportamiento del patrón de radiación fue cercano al omnidireccional

con pequeños nulos, tal y como se esperaba.

Se obtuvieron conclusiones importantes con respecto a la integración de antenas planares

al utilizar divisores de potencia, y sus repercusiones en las características del patrón de radiación.

6.2 Recomendaciones

Las recomendaciones que se pueden considerar para trabajos futuros, relacionados con el

diseño de arreglos de antenas planares son las siguientes:

-Se recomienda que al momento de la construcción de las antenas diseñadas se tenga

especial cuidado en las dimensiones finales, ya que cualquier diferencia entre las dimensiones de

líneas o parches, repercute en la respuesta obtenida, especialmente a frecuencias mayores.

-Se recomienda tomar en consideración los conectores (Tipo SMA) al momento de

efectuar el análisis electromagnético de las antenas y del divisor/combinador.

-Se recomienda diseñar el divisor de potencia estable en fase, manteniendo todas las

longitudes o fases iguales en cada uno de sus puertos, con el fin de obtener un patrón de radiación

uniforme y como consecuencia mayor ganancia de las antenas y evitar con ello los problemas que

se tuvieron en la respuesta del patrón de radiación de este trabajo de tesis.

-Para reducir el nivel de los nulos debido a las esquinas entre las antenas, se recomienda

tener un plano de tierra metálico con un ancho menor al fabricado, ya que con la cercanía de las

antenas, se esperaría un mejoramiento de los nulos de aproximadamente 5 dB

-Una alternativa para reducir el nivel de nulos en trabajos futuros sobre este tipo de

arreglos, se recomienda agregar una antena más al arreglo final, aunque el diseño del divisor sería

más complejo.

112

-Emplear un programa de análisis electromagnético en 3-D como el CST, para analizar la

estructura completa incluyendo todos los elementos y optimizarlos antes de su construcción.

113

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Tesis defendida por Ricardo Antonio Millanes Ruiz y ...En este trabajo de tesis se presenta el diseño y fabricación de un arreglo de antenas planares sectoriales con aplicación