Proyecto Modulo Viii

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA

AREA DE LA ENERGIA LOS RECURSOS NATURALES NO

RENOBABLES

CARRERA: ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

DOCENTE : Ing. Pabel Merino

MATERIA : Proyecto de modulo

ESTUDIANTES :

Manuel Cabrera F.

Eduardo Neira P.

Vicente Poma G.

MODULO : VIII

FECHA : 22/07/2013

LOJA – ECUADOR

ii

INDICE INDICE .................................................................................................................................................. ii

1. TEMA: ....................................................................................................................................... v

2. RESUMEN ................................................................................................................................. vi

3. PROBLEMÁTICA ................................................................................................................... vii

4. JUSTIFICACIÓN...................................................................................................................... viii

5. OBJETIVOS ............................................................................................................................... ix

5.1 Objetivo General: ...................................................................................................................... ix

5.2 Objetivo Específicos: ................................................................................................................ ix

6. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1

7. REVISION DE LITERATURA ............................................................................................... 2

7.1 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE RADIOFRECUENCIA .................................................... 3

7.1.1 Introducción ......................................................................................................................... 3

7.1.2 Fundamentos básicos de Radiofrecuencia .................................................................. 3

7.1.3 Propagación de ondas ................................................................................................... 4

7.1.4 Pérdidas de la señal en el espacio libre ........................................................................ 4

7.1.5 Propagación terrestre de las ondas electromagnéticas .............................................. 4

7.1.6 Propagación de ondas terrestres. ................................................................................. 5

7.1.7 Propagación de ondas espaciales.................................................................................. 6

7.1.8 Relación de voltajes de ondas estacionarias (SWR). .................................................. 7

7.1.9 Pérdida por des-acoplamiento ...................................................................................... 7

7.2 FUNDAMENTOS DE ANTENAS .............................................................................................. 8

7.2.1 ¿Qué es una antena? ..................................................................................................... 8

7.2.2 Antecedentes .................................................................................................................. 8

7.2.3 Evolución de las telecomunicaciones ........................................................................... 9

7.2.4 Tipos de antenas .......................................................................................................... 10

7.2.4.1 Antenas de Hilo o Alambre..................................................................................... 10

7.2.4.2 Antenas de Apertura ............................................................................................... 10

7.2.4.3 Antenas Microcinta ................................................................................................. 11

7.2.4.4 Antenas de Arreglos o “Array” .............................................................................. 12

7.2.4.5 Antenas Reflectoras ................................................................................................. 13

7.2.5 Parámetros Fundamentales de las Antenas .............................................................. 13

iii

7.2.5.1 Patrón de radiación ................................................................................................. 14

7.2.5.2 Densidad de potencia radiada ................................................................................ 14

7.2.5.3 Directividad.............................................................................................................. 15

7.2.5.4 Ancho de Haz ........................................................................................................... 16

7.2.5.5 Ganancia .................................................................................................................. 16

7.2.5.6 Polarización.............................................................................................................. 17

7.2.5.7 Impedancia ............................................................................................................... 17

7.3 FUNDAMENTOS TEORICOS ANTENAS MICROCINTA ............................................................. 19

7.3.1 Origen: .................................................................................................................................. 19

7.3.2 Tipos de parche ............................................................................................................. 20

7.3.3 Modelo de línea de transmisión .................................................................................... 20

7.3.4 MÉTODOS DE ALIMENTACIÓN ...................................................................................... 24

7.3.4.1 Alimentación directa. ................................................................................................ 25

7.3.4.2 Alimentación por microcinta ..................................................................................... 25

7.3.4.3 Alimentación directa con sonda coaxial. ................................................................... 26

7.3.4.4 Alimentación por proximidad.................................................................................... 27

7.3.4.5 Alimentación por apertura. ....................................................................................... 27

7.3.5 Ventajas y desventajas de las antenas microcinta ........................................................ 28

8. MATERIALES Y METODOS ................................................................................................. 30

8.1 Matriz de consistencia general .......................................................................................... 30

8.2 MATERIALES ....................................................................................................................... 31

8.3 MÉTODOS ............................................................................................................................. 31

9. CRONOGRAMA ...................................................................................................................... 32

10. PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO ............................................................................ 33

11. RESULTADOS ..................................................................................................................... 34

11.1 PROCESOS DE CÁLCULO Y SIMULACIÓN ........................................................... 34

11.2 LAS MICOCINTAS O MICROSTRIP ......................................................................... 34

11.3 ANTENA CUADRADA. ................................................................................................. 35

11.3.1 Dimensiones de la Antena ....................................................................................... 36

11.3.2 GRAFICAS DE LAS SIMULACIONES .............................................................. 36

11.4 ANTENA TIPO PARCHE ............................................................................................. 38


iv


11.5 ANTENA TRIANGULO ................................................................................................ 42



11.6 ANTENA RECTANGULAR .......................................................................................... 45



12 CONCLUCIONES ................................................................................................................ 48

13 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 49

14 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 50

15 ANEXOS ............................................................................................................................... 51

15.1 Antena Triangular: ............................................................................................................ 51

15.2 Antena Ranurada: .............................................................................................................. 52

15.3 Antena Cuadrada: ........................................................................................................... 53

15.4 Antena Rectangular: ......................................................................................................... 54

15.5 Cuadro comparativo delas diferentes antenas. .................................................................. 55

15.6 Imágenes del proceso constructivo de las antenas. ........................................................... 56

15.7 InSSIDer ............................................................................................................................... 58

15.7.1 Introducción ................................................................................................................. 58

15.7.2 Características técnicas principales .......................................................................... 60

15.8 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA ANTENA TIPO PANEL CON

ALIMENTACIÓN DE MICROCINTA ........................................................................................ 61

v

1. TEMA:

“Construcción, Simulación Y

Comparación De Antenas Direccionales En

Microcintas a 2.4GHz”

vi

2. RESUMEN

En el presente proyecto se describe la simulación, construcción y comparación de antenas

direccionales de microcintas, de las cuales se realizada su comparación a través del

programa InSSIDer , el mismo que es un software gratuito y nos permite medir la

intensidad de propagación de las antenas, frente a la antena tradicional que viene instalada

por defecto en el router QPCON.

Estas antenas se diseñan para sistemas inalámbricos que ocupan el estándar 802.11 (b/g) el

cual tolera que trabajen en la frecuencia de 2,4GHz, las antenas a construirse son:

triangular, rectangular, cuadrada y con inserciones. Para el proceso de diseño de las antenas

se recurre a fórmulas y especificaciones técnicas de los materiales que vamos a utilizar, de

las principales características podemos mencionar: frecuencia, tipo de sustrato, la

permitividad eléctrica que posee el sustrato y su espesor.

Una vez obtenidos los cálculos matemáticos mediante la aplicación de las respectivas

formulas, procedemos a realizar el diseño con la ayuda del programa de simulación AWR

Microwave Office 2008.

Finalmente con las antenas construidas procederemos a adaptarlas en el router QPCOM

para medir por medio del software InSSIDer los parámetros que se destacan de las antenas

los mismos que nos darán o nos harán saber cuáles con las diferencias que existe en la

antena convencional de un router y las antenas diseñadas.

Para saber cuál es la factibilidad de la investigación, se presentara los resultados obtenidos,

de las mediciones realizadas mediante el software antes mencionado que nos permite medir

los espectros junto con las restricciones que se han encontrado en la realización de este

proyecto.

vii

3. PROBLEMÁTICA

Las comunicaciones inalámbricas han tenido un avance científico-tecnológico de gran

escala y con ello se ha logrado la miniaturización de los sistemas y equipos, lo que hace

necesario que los dispositivos sean cada vez más pequeños y más eficientes.

En la actual tecnología se ha extendido el uso de antenas a través de la técnica de

microcintas, para lograr la comunicación ya que ello permite integrar un sistema completo

de comunicación reduciendo espacio. Aunque a veces esta reducción limita el rango de

operación del sistema, por ello se pretende con este trabajo encontrar una mejor

alternativa eficiente para antenas de microcinta haciendo uso de software para diseño

y modelado de circuitos.

En un sistema de comunicación siempre se busca lograr que sus elementos interoperen de

tal manera que se logre maximizar las capacidades del sistema, sin embargo en la

implementación de sistemas inalámbricos surgen situaciones particulares como es el caso

de las antenas omnidireccionales, las cuales para determinadas situaciones no resultan ser

las más óptimas, es aquí donde radica la importancia de construir antenas direccionales, que

permitan un cobertura sectorial, pero sin degradar la calidad del enlace

Estos avances de la tecnología, constituyen un desafío para el proceso de diseño y

construcción de dispositivos o elementos pasivos que componen un circuito, sin embargo;

mediante la utilización de software para el diseño y simulación de estos elementos se está

teniendo un gran avance a una escala significativa.

Las tecnologías actuales, tienen un carácter cambiante y dinámico que es funcional a sus

propósitos y objetivos. Ya con el tiempo se ha demostrado de manera positiva los avances

que en la mayoría de los casos repercuten en el adelanto de la ciencia en una forma

positiva.

viii

4. JUSTIFICACIÓN

En la actualidad existen gran variedad de diseños que se los puede utilizar en

comunicaciones inalámbricas empleando la utilización del estándar 802.11 como ya se

había detallado anteriormente el presente proyecto se estableció la utilización de la técnica

de microcintas debido varios factores como los son la cantidad de información que existe

tanto en libros como en el internet, su fácil construcción, gran desempeño, reducido

tamaño, bajos costo, existencia de los componentes para la construcción en nuestro medio

debido que esto es muy importante para realizar su construcción entre otros, por dichos

motivos y otros que se exponen a continuación se decidió realizar el presente trabajo.

La frecuencia a la que van a ser diseñadas las antenas es la frecuencia de 2.4GHZ, debido

que esta frecuencia es la que está registrada en la certificación WiFi 802.11 tanto el

estándar (b) como el estándar (g) que son los más ocupados en el mercado en la actualidad

Las pérdidas por dieléctrico del substrato FR-4 aumentan rápidamente con frecuencias de

operación mayores como por ejemplo 5 GHz, por lo que trabajar a frecuencias superiores a

2.4 GHz reduciría la ganancia de la antena, considerando que su construcción será de

manera no industrial.

Si se utilizan frecuencias bajas, es más difícil obtener gran ancho de banda, ya que éste, es

primordial para dar soporte a una mayor cantidad de usuarios.

Al usar antenas direccionales se puede realizar una cobertura sectorial lo que evita

desperdiciar potencia en áreas que no son de interés, maximizando la eficiencia del sistema.

ix

5. OBJETIVOS

5.1 Objetivo General:

Construcción, Simulación Y Comparación De Antenas Direccionales De 2.4ghz

usando técnica de microcinta.

5.2 Objetivo Específicos:

Estudio comparativo de la radio propagación de una antena direccional de 2.4

GHz construida y contrastada con la antena por defecto.

Construir dos antenas tipo pach utilizando los parámetros de diseño previamente

calculados y simulados en el software de simulación AWR Design Environment ,

usando baquela de doble cara con sustrato FR4.

Lograr mejorar o igualar los niveles de señal obtenidos en recepción mediante el

uso de nuestras antenas directivas, En comparación con antenas estándar

omnidireccionales, pero con la característica de poder sectorizar el área de

cobertura.

1

6. INTRODUCCIÓN

Desde hace mucho tiempo el ser humano ha tenido la necesidad de comunicarse, y ésta

comunicación le ha permitido hoy en día que las telecomunicaciones tenga un papel

indispensable dentro de nuestra sociedad debido a esto es imposible concebir un mundo sin

tecnologías de comunicación e información. Ya que estas tecnología nos brindan la

posibilidad de realizar nuestras actividades cotidianas y la manera de cómo nos

interrelacionamos con las demás personas a nivel mundial.

Al mencionar las tecnologías de telecomunicaciones que hoy por hoy existen en el mercado

un sin número de tipos de comunicación que nos brindan la posibilidad de estar

comunicados, en el presente documento analizaremos, el avance científico-tecnológico de

gran escala de las comunicaciones dando por consiguiente la miniaturización de los

sistemas y equipos, lo que hace necesario que los dispositivos sean cada vez más pequeños

y más eficientes.

En la actualidad encontramos en los equipos de alta tecnología las antenas de microcinta

en equipos de alta tecnología como son Smartphone, módems inalámbricos, en aplicaciones

aeronáuticas, espaciales, satelitales etc. Lo que se ha convertido en un reto el tomar el

estudio de este tipo de antenas sabiendo que todos estos dispositivos son fabricados con

tecnología en base a la técnica de microcinta, la misma que permite una gran flexibilidad,

logrando en nuestro nivel de estudios universitario, trabajar en su estudio, para conocer sus

formas de diseño, su funcionalidad, su eficiencia y eficacia que se está logrando con esta

técnica, y, también permitiéndonos fomentar la investigación de este método con el fin de

adquirir nuevos y sabios conocimientos en pro de mejoras.

2

7. REVISION DE LITERATURA

3

7.1 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE RADIOFRECUENCIA

7.1.1 Introducción

Desde hace muchos años la teoría de antenas ocupa un lugar preponderante en el área de

comunicaciones. Diferentes tipos de antenas han sido creadas con el paso del tiempo

intentando lograr diseños que se adapten cada vez más a las múltiples necesidades y

aplicaciones que se proyectan. Debido al gran éxito de las comunicaciones inalámbricas,

una amplia área de las comunicaciones y el incremento en las frecuencias en las que

trabajan las antenas, hacen a su vez que el desempeño de las antenas sea el óptimo,

logrando que los tamaños sean cada vez más reducidos optimizando espacios y recursos en

general. Gracias a las antenas tipo parche se han logrado eficientes sistemas inalámbricos

con dimensiones muy reducidas. La facilidad con que las antenas tipo parche pueden ser

implementadas o montadas sobre casi cualquier superficie, las hacen extremadamente

versátiles, haciendo que puedan ser utilizadas para casi cualquier aplicación.

El propósito al que desea llegar, es el de entender de una mejor manera el funcionamiento

de las antenas por medio del método de microcinta, y así lograr conocimientos eficaces

acerca de este tipo de antenas ya que hoy por hoy están siendo muy utilizadas en lo que es

Wi-Fi en las bandas de 2.4 GHz y 5.8 GHz respectivamente.

7.1.2 Fundamentos básicos de Radiofrecuencia

Los circuitos de radio frecuencia están constituidos por una gran variedad de compones e

interconexiones, dentro de los cuales actúan elementos pasivos como capacitores, bobinas y

resistencias, incluyen también elementos distribuidos tales como; cables, microcinta y guías

de onda, en su gran mayoría, pero también debemos considerar la existencia de elementos

activos como, transistores MOSFET, transistores bipolares, BJT y diodos.

Consideraremos algunos parámetros que se debería tomar en cuenta al trabajar con

dispositivos utilizados en radiocomunicaciones:

La frecuencia de operación es tal, que los elementos del circuito muestran un

comportamiento complejo, no representado por la definición pura, utilizada durante

el análisis y diseño.

El diseño del circuito impreso incluye vías de acoplamiento, no consideradas en el

diseño.

El tamaño de las dimensiones transversales de las líneas de transmisión con respecto

a la longitud de onda, no es despreciable. Por lo tanto, energía adicional no deseada

es almacenada.

El empaque del dispositivo o circuito se convierte en una cavidad de

almacenamiento de energía.

La fuente de alimentación no está suficientemente desacoplada

El grado de acoplamiento de impedancias entre las diversas partes del circuito no es

bueno, de tal manera que SWR altos se generan en el circuito, provocando

ineficiencia.

4

7.1.3 Propagación de ondas

La propagación de ondas se refiere a la propagación de ondas electromagnéticas, con

frecuencia se propagan por la atmósfera terrestre en el espacio libre y se puede considerar

siempre así. La principal diferencia es que la atmósfera de la Tierra introduce perdidas de la

señal que no se encuentran en el vacío, perdidas por fenómenos naturales como por ejemplo

manchas solares, lluvia, etc. Estas ondas electromagnéticas se propagan a través de

cualquier material dieléctrico incluyendo el aire pero no se propagan bien a través de

conductores con pérdidas como el agua de mar ya que los campos eléctricos hacen que

fluyan corrientes en el material disipando con rapidez.

Las ondas de radio se consideran ondas electromagnéticas como la luz y al igual que ésta,

viajan a través del espacio libre en línea recta con una velocidad de 3x108 m/seg. Otras

formas de ondas electromagnéticas son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y

los rayos gamma. Las ondas de radio se propagan por la atmósfera terrestre con energía

transmitida por la fuente, posteriormente la energía se recibe del lado de la antena

receptora.

7.1.4 Pérdidas de la señal en el espacio libre

El espacio libre puede ser considerado como vacío y no se consideran pérdidas. Cuando las

ondas electromagnéticas se encuentran en el vacío, se llegan a dispersar y se reduce la

densidad de potencia a lo que es llamado atenuación. La atenuación se presenta tanto en el

espacio libre como en la atmósfera terrestre. La atmósfera terrestre no se le considera vacío

debido a que contiene partículas que pueden absorber la energía electromagnética y a este

tipo de reducción de potencia se le llama pérdidas por absorción la cual no se presenta

cuando las ondas viajan afuera de la atmósfera terrestre.

7.1.5 Propagación terrestre de las ondas electromagnéticas

Las ondas terrestres son todas las ondas electromagnéticas que viajan dentro de la

atmósfera terrestre, así también, las comunicaciones entre dos o más puntos de la Tierra son

llamadas radiocomunicaciones. Las ondas terrestres se ven influidas por la atmósfera y por

la Tierra misma.

Las radiocomunicaciones terrestres se pueden propagar de distintas formas y estas formas

dependen de la clase de sistema y del ambiente, las ondas terrestres tienden a viajar en línea

recta, pero tanto la Tierra como la atmósfera pueden alterar su trayectoria. Existen tres

formas de propagación de ondas electromagnéticas dentro de la atmósfera que

corresponden a las ondas terrestres, ondas espaciales y ondas celestes o ionosféricas. En la

figura 1 se muestra como las ondas viajan directamente del transmisor al receptor se le

llama transmisión de línea de vista.

5

Figura 1.- Modos normales de propagación de ondas.

7.1.6 Propagación de ondas terrestres.

Las ondas terrestres son las ondas que viajan por la superficie de la tierra, éstas deben de

estar polarizadas verticalmente debido a que el campo eléctrico en una onda polarizada

horizontalmente sería paralelo a la superficie de la tierra y se pondría en corto por la

conductividad del suelo.

En las ondas terrestres el campo eléctrico variable induce voltajes en la superficie terrestre

que hacen circular corrientes muy parecidas a las de una línea de transmisión. La superficie

terrestre también tiene pérdidas por resistencia y por dieléctrico. Por consiguiente, las ondas

terrestres se atenúan a medida que se propagan haciéndolo mejor sobre una superficie

buena conductora como el agua salada y son mal propagadas en superficies como desiertos.

La atmósfera terrestre tiene un gradiente de densidad, es decir, la densidad disminuye en

forma gradual conforme aumenta la distancia, esto hace que el frente de onda se incline en

forma progresiva hacia superficie pudiéndose propagar más allá del horizonte o incluso por

toda la circunferencia de la Tierra.

Figura 2.- Propagación de ondas terrestres.

6

7.1.7 Propagación de ondas espaciales

Esta clase de propagación corresponde a la energía irradiada que viaja en los kilómetros

inferiores de la atmósfera terrestre. Las ondas espaciales son todas las ondas directas y

reflejadas en el suelo como se muestra en la figura 3.

Las ondas directas viajan esencialmente en línea recta de la antena transmisora a la

receptora. Esta transmisión se le llama transmisión de línea de vista. También se puede

decir que se encuentra limitada principalmente por la curvatura de la tierra, la que presenta

un horizonte en la propagación de las ondas espaciales, que se suele llamar el horizonte de

radio.

Figura 3.- Propagación de ondas espaciales.

Éste horizonte se encuentra más lejano que el horizonte óptico para la atmósfera estándar

común. Aproximadamente, el horizonte de radio se encuentra a cuatro tercios del horizonte

óptico mostrado en la figura 4.

Figura 4.- Ondas espaciales y horizonte de radio.

7

Las ondas de radio reciben también el nombre de “corrientes de radiofrecuencia” y se

localizan en una pequeña porción del denominado “espectro radioeléctrico”

correspondiente al espectro de ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas se

caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. El conjunto de todas las frecuencias se

denomina espectro.

7.1.8 Relación de voltajes de ondas estacionarias (SWR).

La combinación de voltajes de la onda reflejada debido a des-acoplamiento de impedancias

y la onda incidente produce una onda estacionaria en el circuito, la relación de esta onda

estacionaria se le llama SWR y se define por la siguiente ecuación

| |

| |

7.1.9 Pérdida por des-acoplamiento

Esta pérdida está definida como la pérdida de señal debida al des-acoplamiento de

impedancias y se define por la siguiente ecuación:

| |

Las ondas se clasifican por bandas. Las denominaciones de las bandas de frecuencia se

pueden realizar por décadas, como por ejemplo MF, HF, VHF, UHF. La radiofrecuencia se

puede dividir en las siguientes bandas del espectro:

Figura 5.- Bandas del Espectro

8

7.2 FUNDAMENTOS DE ANTENAS

Una antena es un dispositivo cuya misión es difundir y/o recoger ondas radioeléctricas. Las

antenas convierten las señales eléctricas en ondas electromagnéticas y viceversa. Una

antena podría denominarse como un ** ingenio ** que transforma una corriente eléctrica

alternada en ondas electromagnéticas o vice-versa. También podría definirse como un

sistema de conductores que radia o intercepta ondas electromagnéticas.

Una antena es un conductor o par de conductora los cuales se aplica el voltaje de corriente

alterna en la frecuencia deseada, generalmente se instala a una distancia considerable tanto

el transmisor y el receptor teniendo una línea de vista para transferir la energía entre las

antenas del transmisor con receptor.

La antena que está radiando energía electromagnética aparece ante el generador como una

carga eléctrica resistiva ideal, de manera que la potencia aplicada se consume como energía

radiada.

Una antena puede tener también un campo reactivo. Este componente recibe el nombre de

Resistencia de Radiación de la Antena. Esta resistencia no disipa energía en forma de

calor, como en los circuitos eléctricos o electrónicos. En vez de esto la potencia se disipa

como energía electromagnética radiada.

7.2.1 ¿Qué es una antena?

Físicamente, una antena consiste en uno o varios conductores colocados a una altura del

suelo, que transmiten o captan energía electromagnética.

7.2.2 Antecedentes

El período comprendido entre 1910 y 1919 se caracteriza por la construcción de grandes

antenas de baja frecuencia y elevada potencia. En 1911 se construyó las antenas de Radio

Virginia, en Arlington, a la frecuencia de 137 KHz. El transmisor tenía una potencia de 100

kW. Destaca también la antena construida por Marconi en New Jersey, consistente en un

monopolo de 150 m de alto, con una carga capacitiva de 1200 metros de diámetro, la

estructura estaba soportada por 13 mástiles. En 1916 Marconi realizó una serie de

experimentos con señales de 2 y 3 m de longitud de onda, utilizando reflectores parabólicos

cilíndricos, construidos con hilos verticales. Los resultados de la experiencia aconsejaron la

utilización de frecuencias de HF e impulsaron el descubrimiento de los enlaces

troposféricos en 1932. En la década 1910-1919 también se introdujeron nuevas técnicas,

como las ayudas a la navegación, las comunicaciones con submarinos sumergidos y los

sistemas de control a distancia.

9

Durante la segunda guerra mundial hubo un considerable esfuerzo de desarrollo de antenas

de microondas, para aplicación a los sistemas de radar. Por fin se pudieron usar los

reflectores, lentes, bocinas, que ya se habían diseñado a finales del siglo XIX, para

demostrar las teorías de Maxwell. Durante esta época se utilizaron las guías de onda

abiertas para alimentar reflectores o lentes, y las bocinas como radiadores poco directivos.

Se desarrollaron variaciones del reflector parabólico, como cilindros o sectores. Las antenas

"pillbox" o "cheese" se inventaron durante los años de la guerra. Para conformar el haz en

forma de cosecante se deformaron los paraboloides o se utilizaron múltiples alimentadores

En la actualidad la mayor parte de los avances están relacionados con el uso de los

ordenadores para el cálculo. La transformada rápida de Fourier (FFT). El campo radiado

por una apertura se puede calcular como la transformada de Fourier de los campos en la

apertura. El cálculo de dicha transformada no es siempre posible de una forma analítica. El

tiempo empleado en el cálculo directo de la integral es excesivo. El algoritmo de la FFT

permite reducir de forma drástica dicho tiempo.

Teoría Geométrica de la Difracción (GTD). Recientemente se ha desarrollado la técnica

denominada GTD que permite analizar el efecto en los campos radiados debido a los bordes

y vértices. Estos adelantos se podría decir que han sido pasajeros con el gran momento de

actualización que está sucediendo en el mundo de la tecnología

7.2.3 Evolución de las telecomunicaciones

Como el tipo de antena y la red de transmisión ha evolucionado de acuerdo con la

evolución tecnológica.

Figura 6.- Evolución de las antenas y la tecnología en los últimos 50 años

10

7.2.4 Tipos de antenas

Existen antenas de distintos tipos, pero todas ellas cumplen la misma misión: servir de

emisor-receptor de una señal de radio. Cuando la comunicación fluye en ambas direcciones,

se denomina bidireccional. Si dicha comunicación no se efectúa simultáneamente, sino

alternativamente, se denomina comunicación semiduplex. Todas las comunicaciones dentro

del ámbito WIFI son bidireccionales semiduplex.

Los tipos de antenas tienen formas variadas, hay antenas de hilos (dipolos), de apertura

(bocinas), y aún más complejas como las parabólicas. En todo caso, siempre se conectan a

una línea de transmisión a través de un par de terminales que será la entrada a la antena.

7.2.4.1 Antenas de Hilo o Alambre

Antenas muy sencillas y de fácil construcción, pero no por ello nos condicionan el

rendimiento. Si es cierto que se necesita espacio para poder instalarlas, pero de poder

hacerlo, los resultados están garantizados.

La mayoría de estas antenas, se pueden colocar horizontalmente o en "V" invertida, hay

que tener en cuenta, que no estén cerradas menos de 90º grados, si no, el rendimiento es

nulo. Colocadas horizontálmente, son más bi-direccionales, en cambio en "V" invertida son

omnidireccionales.

Figura 7.- Antenas de Hilo o Alambre

7.2.4.2 Antenas de Apertura

En las denominadas antenas de apertura se conocen con un cierto grado de aproximación

los campos en la antena. El caso más simple es la guía de ondas rectangular, que propaga el

modo fundamental y que se deja en circuito abierto. Se puede suponer que los campos en la

boca de la guía son los mismos que en el interior.

11

Figura 8.- Antena de Apertura.

Otros ejemplos de antenas de apertura son las bocinas, que permiten aumentar la

directividad de las bocas de guía. Los campos en la apertura se pueden calcular de forma

simple a partir de los modos de las guías, junto con términos de fase que tienen en cuenta la

propagación.

Figura 9.- Antenas de Bocina

Las antenas de apertura se utilizaron de una manera amplia a partir de la segunda guerra

mundial, con el desarrollo de los sistemas de radar y los sistemas de comunicaciones de

microondas

7.2.4.3 Antenas Microcinta

Las antenas microcinta se hicieron muy populares en la década de 1970 principalmente

para aplicaciones espaciales. Hoy en día se utilizan para el gobierno y las aplicaciones

comerciales. Estas antenas consisten en un parche metálico sobre un sustrato de tierra. Sus

dimensiones, del orden de , se eligen de tal forma que la estructura disipe la potencia en

forma de radiación.

Los circuitos impresos de microondas las usan como una extensión natural de ellos,

integradas con parte del circuito pasivo (filtros) o activo (amplificador) en los mismos

sustratos. Se las encuentra en sistemas de radar, GPS, sistemas móviles y sistemas de

microondas

12

Se las puede alimentar por:

Figura 10.- Formas de parches de MIcrocinta

7.2.4.4 Antenas de Arreglos o “Array”

Un arreglo de antenas es un conjunto de antenas simples unidas bajo ciertas condiciones,

generalmente iguales y orientadas en la misma dirección, las cuales son acomodadas en una

disposición física determinada, relativamente cercanas unas respecto a otras, y además cada

antena es manejada por un mismo sistema de separación (o combinador) de señal. Además

son capaces de concentrar la radiación en direcciones deseadas.

En muchas aplicaciones para el diseño de antenas con un patrón directivo determinado es

necesario aumentar el tamaño eléctrico de la antena o la formación de una nueva

configuración de múltiples elementos de características idénticas separadas por una

distancia fija llamada arreglo. El campo total del arreglo está determinado por la suma

vectorial de los campos radiados de los elementos individuales.

13

Figura 11.- Diagrama de los patrones de radiación de una antena simple y de un arreglo de

antenas

7.2.4.5 Antenas Reflectoras

Las antenas parabólicas son las más potentes que se pueden adquirir (hasta 27 dBi), por lo

que son las más indicadas para cubrir largas distancias entre emisor y receptor. Cuanta

mayor ganancia tienen, mayor diámetro de rejilla

En recepción, la onda plana que incide según el eje es reflejada por el espejo reflector para

concentrar la potencia recibida en un “alimentador”

Figura 12.- Antenas Reflectoras

7.2.5 Parámetros Fundamentales de las Antenas

Para describir el comportamiento de una antena, es necesario definir vario parámetros.

Algunos de los parámetros están relacionados entre sí y no todos necesitan ser

especificados para una descripción completa del comportamiento de la antena.

14

7.2.5.1 Patrón de radiación

El patrón de radiación es un gráfico o diagrama polar sobre el que se representa la fuerza de

los campos electromagnéticos emitidos por una antena. Este patrón varía en función del

modelo de antena. Las antenas direccionales representan un mayor alcance que las

omnidireccionales.

Existen 2 modelos de gráficos que representan este patrón: En elevación y Azimut. Muchos

modelos de antenas incluyen entre sus características, este gráfico. Normalmente también

se incluye un dato más, que es la apertura del haz, que representa la separación angular

entre los dos puntos del lóbulo principal del patrón de radiación. Se suele representar sobre

un plano horizontal.

Figura 13.- Patrón de Radiación de una Antena

7.2.5.2 Densidad de potencia radiada

En términos físicos, la densidad de potencia S en el espacio es la cantidad de potencia que

fluye por cada m2 de una superficie perpendicular a la dirección de propagación

http://es.wikipedia.org/wiki/Azimut

15

7.2.5.3 Directividad

La directividad D es una indicación de la capacidad de la antena para conducir la potencia

radiada hacia un “determinado emplazamiento”. Normalmente, se habla de antenas

omnidireccionales y directivas

7.2.5.3.1 OMNIDIRECCIONAL: Una antena omnidireccional con gran directividad tiene

un patrón de radiación similar a un “donut” sin agujero

Figura 14.- Patrón de radiación omidireccional

7.2.5.3.2 DIRECTIVA: Una antena directiva de alta directividad tiene un patrón de

radiación similar al cono de luz de un proyector

Figura 15.- Patrón de directividad

16

7.2.5.4 Ancho de Haz

Ancho del lóbulo principal entre puntos de 3 dB (BW3dB = 20º). Margen angular entre las

dos direcciones próximas al máximo principal cuya amplitud está 3 dB por debajo del

máximo.

Dentro de un corte del plano H o E del patrón de directividad se define ancho de haz de

3dB como el ángulo que hay entre los puntos, a la derecha y la izquierda del máximo, cuya

directividad es 3dB menos que el máximo. En las siguientes figuras podemos ver la

representación del Ancho de haz para un patrón de radiación de un dipolo:

Figura 16.- Ancho de Haz

Las líneas oblicuas marcan el Ancho de haz a 3dB que en este caso es aunque en este caso

se está representando en unidades normalizadas lineales y no logarítmicas, con esto además

podemos ver que la caída de3dB corresponde a la caída de la mitad del máximo en la escala

lineal.

7.2.5.5 Ganancia

La característica más importante de una antena es la ganancia. Esto viene a ser la potencia

de amplificación de la señal. La ganancia representa la relación entre la intensidad de

campo que produce una antena en un punto determinado, y la intensidad de campo que

produce una antena omnidireccional (llamada isotrópica), en el mismo punto y en las

mismas condiciones. Cuanto mayor es la ganancia, mejor es la antena.

La unidad que sirve para medir esta ganancia es el decibelio (dB). Esta unidad se calcula

como el logaritmo de una relación de valores. Como para calcular la ganancia de una

antena, se toma como referencia la antena isotrópica, el valor de dicha ganancia se

representa en dBi.

17

7.2.5.6 Polarización

Este dato nos indica la orientación de los campos electromagnéticos que emite o recibe una

antena. Pueden ser los siguientes:

Vertical: Cuando el campo eléctrico generado por la antena es vertical con respecto al

horizonte terrestre (de arriba a abajo).

Horizontal: Cuando el campo eléctrico generado por la antena es paralelo al horizonte

terrestre.

Circular: Cuando el campo eléctrico generado por la antena gira de vertical a horizontal y

viceversa, generando movimientos en forma de círculo en todas las direcciones. Este giro

puede ser en el sentido de las agujas del reloj o al contrario.

Elíptica: Cuando el campo eléctrico se mueve igual que en caso anterior, pero con desigual

fuerza en cada dirección. Rara vez se provoca esta polarización de principio, más bien suele

ser una degeneración de la anterior.

7.2.5.7 Impedancia

Al conectar un generador a una antena, la relación de I y V en los terminales de entrada

permite modelar la antena como una impedancia compleja (ZA) que varía con la frecuencia.

R . Resistencia de pérdidas. Representa la potencia disipada en la superficie de los

conductores o en elementos propios del diseño de la antena.

XA . Reactancia de la antena. Representa la inductancia de los conductores que forman la

antena y su capacitancia respecto al plano de tierra. Estas reactancias son responsables en

los circuitos AC de pérdidas de potencia en forma de "pérdidas reactivas de potencia", que

no disipan calor, pero que están ahí.

Rr . Resistencia de radiación. Representa la capacidad de disipación de potencia mediante

radiación al espacio, y que puede ser equiparada a una resistencia óhmica disipadora de

potencia.

18

Figura 17.- Resistencia de Radiación

19

7.3 FUNDAMENTOS TEORICOS ANTENAS MICROCINTA

7.3.1 Origen:

La tecnología microcinta es el resultado de una evolución que desde sus inicios estuvo

regida bajo el principio de realizar diseños de dimensiones reducidas tanto en antenas como

en líneas de transmisión que pudieran ser fácilmente acoplados a cualquier dispositivo. Los

antecedentes de los circuitos microcinta se remontan a los años 50 donde los primeros

circuitos impresos para microondas aparecieron con el nombre de “striplines”. Una

“stripline” está constituida por una tira delgada conductora en un dieléctrico, el cual posee

dos capas metalizadas en el exterior (en la parte superior e inferior del dieléctrico).

Tanto la placa superior de la estructura como la inferior tienen el mismo potencial (tierra).

Por su arreglo balanceado las “striplines” confinan la mayor parte de los campos dentro del

dieléctrico. A partir de las “striplines” se empezó a utilizar una nueva forma de circuitería

de microondas y sus principales aplicaciones son para realizar acopladores de líneas

paralelos de alta directividad debido a su naturaleza de acoplamiento intrínseca.

Las líneas de microcinta aparecieron publicadas por primera vez en 1952, muy cerca de la

aparición de las “striplines”. La diferencia en el nuevo modelo (microcinta) fue que se

retiró la parte superior del substrato dejando la línea conductora en el exterior. A pesar de la

cercanía de las fechas, la tecnología microcinta tardo más en ganar auge ya que estas

estructuras al ser muy abiertas tienen amplias pérdidas por radiación y en particular cuando

son utilizadas en substratos de baja permitividad como los que se tenían en aquellos días.

Conforme la tecnología fue avanzando y se fueron creando substratos de menores perdidas,

el uso de las líneas de microcinta fue aumentando ampliamente.

El futuro de las líneas de microondas son los llamados “MMICs” (Monolithic Microwave

Integrated Circuits) que consisten en la disposición de circuitos planos directamente encima

de un substrato semiconductor con la intención de llevar a cabo circuitos completamente

integrados.

20

7.3.2 Tipos de parche

A menudo las antenas de microcinta son también conocidas como antenas patch o parche.

Los elementos de radiación y las líneas de alimentación son usualmente fotograbados en el

elemento substrato dieléctrico. El parche de radiación puede ser cuadrado, rectangular, una

cinta delgada o dipolo, circular, elíptica, triangular o cualquier otra configuración. Algunas

de estas se muestran en la Fig.18.

Cuadrados, rectángulos, dipolos y círculos son los más comunes porque son más fáciles de

fabricar y analizar, y además presentan atractivas características de radiación,

especialmente baja radiación de polarización dual. Los dipolos microcinta son atractivos

porque estos inherentemente poseen un largo ancho de banda y ocupan menos espacio,

siendo por esto, más atractivos para arreglos. Las polarizaciones lineal y circular se pueden

lograr ya sea con elementos únicos o arreglos de antenas microcinta. Los arreglos de

elementos de microcinta, con una o múltiples alimentaciones, pueden también ser usadas

para introducir capacidades de análisis y lograr buena directividad.

Figura 18.- Representación de figuras de elementos parche de una microcinta.

7.3.3 Modelo de línea de transmisión

Una línea de microcinta en la geometría de una línea de transmisión es un solo conductor

en un lado y un plano de tierra en el otro separados por un aislante normalmente una tablilla

de circuito impreso.

21

Las líneas de transmisión de las microcintas consisten en una línea conductora de ancho

“W” y grueso “t” y un plano a tierra más amplio, separado por una capa dieléctrica

(conocido como el substrato) de espesor “H” como se muestra en la Fig.19.

Figura 19.- Líneas de transmisión de una antena de microcinta.

En la parte inferior del substrato dieléctrico se tiene un plano referenciado a tierra. En la

fig. 20 se ilustra la estructura de una antena microcinta. Los rangos de medidas y

características de los parámetros mencionados son los siguientes:

El valor de t tiene que ser muy delgado: t << λ0 (λ0 es la longitud de onda de la

señal en el espacio libre).

El valor de L puede variar dependiendo de la forma utilizada. Para un parche tipo

rectangular se tienen los siguientes rangos: λ0/3 < L < λ0/2.

Al ancho del substrato debe de ser grueso y por lo general se puede considerar: h <<

λ0.

Figura 20. Estructura de una antena de microcinta.

22

La permitividad eléctrica del substrato dieléctrico por lo general se encuentra dentro de los

rangos: 2.2 ≤Ɛr≤12. Como ya se sabe, se debe de buscar la menor permitividad posible para

lograr una mejor eficiencia en la antena. Dependiendo de los requerimientos específicos

para los cuales se construya una antena de microcinta de un solo elemento, se puede

recurrir a varios tipos de configuraciones, los más típicos son: dipolo (tanto en su forma de

media onda como de onda completa), cuadrada, rectangular, pentagonal, triangular,

circular, disco con ranura, sector de disco, anillo, semi-disco, anillo elíptico, espiral. Otro

tipo particular de antena tipo parche que ha surgido en años recientes es la llamada “antena

f invertida plana” (PIFA, Plannar Inverted F Antenna) muy utilizada para unidades móviles,

la cual es básicamente la mitad de una antena tipo parche cuadrada. Las configuraciones

mencionadas anteriormente se refieren a antenas de un solo elemento, sin embargo, si la

aplicación lo requiere y para obtener mejoras en las deficiencias propias de las antenas tipo

parche se pueden utilizar arreglos de antenas con el fin de lograr las características

deseadas.

El patrón de radiación de una antena de parche es omnidireccional aunque la potencia

radiada es emitida solamente hacia la parte superior de la antena en su forma ideal debido a

que se considera un plano de tierra infinito, el cual bloquea radiación hacia la parte inferior

de la antena. En la realidad puede existir una radiación hacia la parte inferior de la antena

debido a que el plano de tierra es de dimensiones finitas, sin embargo los lóbulos

posteriores son de pequeñas dimensiones en comparación con el lóbulo principal por lo que

pueden despreciarse.

Figura 21.- Patrón de radiación de una antena de parche. a.) Campo eléctrico E y b.) Campo

magnético H

La cinta (parche) y el plano a tierra son separados por una lámina de material dieléctrico,

como se puede ver en la fig. 22.

23

Figura 22.- Antena tipo Patch y sistema de coordenada.

El modelo de línea de transmisión entonces supone una permitividad eléctrica efectiva,

Ɛref, combinando ambas permitividades eléctricas (aire y substrato) y asume que la antena

se encuentra inmersa dentro de un solo medio homogéneo con dicha permitividad constante

en toda su superficie. La permitividad eléctrica es una cantidad que se calcula para que se

tenga exactamente las mismas características eléctricas (principalmente constante de

propagación) que se tienen para una línea de microcinta original. A partir de considerar un

solo medio con permitividad constante se procede a calcular el valor de la longitud efectiva

de la antena a diseñar.

El diseño mediante el método de línea de transmisión se resume en los siguientes pasos:

1. Se especifica la frecuencia de operación y el substrato a utilizar para la construcción

de la antena con lo cual se asignan los valores de:

a. 𝑓r (frecuencia de operación)

b. Ɛr (permitividad eléctrica del substrato)

c. h (altura del substrato).

2. Se obtiene el ancho efectivo de la antena de parche rectangular mediante la fórmula:

2

)1(2

rf

CW

24

Donde C es la velocidad de la luz en el espacio libre.

3. Se obtiene la permitividad eléctrica efectiva mediante la ecuación:

2

1

]1[2

1

2

1

W

hrrre

4. Se obtiene la extensión ΔL mediante la siguiente ecuación que derivará en la

obtención de la longitud real de la antena considerando la longitud efectiva:

5. Se obtiene la longitud real de la antena de parche rectangular considerando la

longitud efectiva de ésta y el valor de ΔL con:

Lf

CL

rer

22

El modelo de línea de transmisión produce una aproximación muy aceptable para diseñar

un antena, sin embargo presenta un defecto al generar un ancho de la antena W mayor a la

longitud L de la antena con fines de lograr una mayor radiación, sin embargo la eficiencia

en el tamaño disminuye al excitar la parte menos larga de la antena cuando se podrían

lograr tamaños más reducidos.

7.3.4 MÉTODOS DE ALIMENTACIÓN

Un aspecto muy importante cuando se diseña una antena consiste es el esquema de

alimentación que tendrá ésta, puesto que sin una estructura eficiente de alimentación las

antenas microcinta no funcionarán correctamente sin importar la precisión llevada a cabo

para diseñar el elemento radiante. Existen diferentes métodos para alimentar una antena

microcinta de forma que radie lo más eficientemente posible en las frecuencias deseadas

mediante un correcto acoplamiento de impedancias. A pesar de existir muchos métodos

para alimentar una antena, éstos se pueden condensar en 3 categorías principales:

)8.0)(258.0(

)264.0)(03.0(

412.0

h

Wh

W

hL

re

re

25

alimentación directa, alimentación por proximidad y alimentación por apertura. A

continuación se describen estos métodos:

7.3.4.1 Alimentación directa.

Como su nombre lo indica, estos métodos de alimentación requieren de un contacto directo

entre la estructura de alimentación y la antena radiante. Los dos principales métodos de

alimentación en esta categoría son dos: alimentación por microcinta y alimentación por

conector coaxial. La desventaja de estos métodos es que no se puede optimizar por

separado el esquema de alimentación y la antena puesto que se trabaja en un mismo

substrato así que debe hacerse un compromiso entre las características esperadas de

radiación y las características esperadas de la alimentación.

7.3.4.2 Alimentación por microcinta

Este método consiste en alimentar al radiador al conectarle directamente una línea

microcinta (diseñada para tener la impedancia característica deseada). Este método es el

más sencillo de realizar, sin embargo el que peor eficiencia presenta en relación al ancho de

banda y acoplamiento. Existen dos formas principales de alimentar una antena por medio

de microcinta: conectando la línea microcinta directamente en un borde de la antena y

alimentando la línea microcinta por medio de inserciones en la antena. En el caso de la

conexión directa al borde de la antena, la variación en la posición de la línea microcinta en

relación con el parche generará un mayor o mejor acoplamiento de impedancia. En el caso

de la alimentación con microcinta por medio de inserciones, la profundidad de la inserción

es la que dicta el acoplamiento de la impedancia. En la fig. 23 se muestran estos dos tipos

de alimentación.

26

Figura 23.- Alimentaciones por microcinta a) Conexión directa de la línea microcinta a la

antena y b) conexión de línea microcinta con inserciones.

7.3.4.3 Alimentación directa con sonda coaxial.

Este método consiste en hacer que el conector del cable coaxial alimente directamente al

radiador, mientras que la parte negativa de éste se conecte a la tierra de la antena

microcinta. La impedancia depende de la posición de la sonda en relación con el radiador

de tal forma que colocándola correctamente generará un mejor acoplamiento. Es uno de los

métodos más comunes de alimentación de antenas microcinta sin embargo presenta un

grado de complejidad puesto que la terminal conductora del cable coaxial debe perforar el

substrato y estar soldado a la antena para su correcto funcionamiento.

Figura 24.- Alimentación por sonda de cable coaxial.

27

7.3.4.4 Alimentación por proximidad.

En este método la alimentación no tiene contacto directo con el radiador si no que el

acoplamiento es electromagnético. En éste método se tiene al radiador sobre un substrato

dieléctrico y en la parte inferior de ésta estructura se tiene una línea de alimentación sobre

de otro substrato dieléctrico con un plano tierra. Éste método tiene la ventaja que el

radiador así como la estructura de alimentación pueden optimizarse por separado cuando se

utilizan dos capas de substratos dieléctricos: un substrato dieléctrico para obtener las

mejores características del radiador (substratos más anchos con permitividades eléctricas

bajas) y de la alimentación (substratos delgados y con permitividades eléctricas altas).

Figura 25. Alimentación por proximidad.

7.3.4.5 Alimentación por apertura.

El método por apertura presenta similitud con el de proximidad debido a que también

utiliza dos substratos dieléctricos, uno para el radiador y otro para la alimentación de éste.

La estructura de éste método es la siguiente: se tiene un radiador sobre un substrato

dieléctrico y sobre un plano de tierra compartido seguido de otro substrato dieléctrico (de la

alimentación) y finalmente una línea de alimentación en la parte inferior de toda la

estructura. El plano de tierra tiene una apertura cuyas dimensiones y posición influyen en la

28

impedancia y por ende en el acoplamiento de la antena. Una ventaja con respecto a la

alimentación por proximidad es que en la alimentación por apertura, al estar la línea de

alimentación en la parte inferior y separada de la antena por el plano de tierra, la radiación

de esta es mínima en la dirección de radiación de la antena con lo que se evita que haya

interferencias y polarizaciones cruzada.

Figura 26.- Alimentación por apertura.

7.3.5 Ventajas y desventajas de las antenas microcinta

La principal ventaja de las antenas microcinta es que todos los componentes activos pueden

ser montados en la parte superior de la placa.

Las mayores desventajas operacionales de las antenas de microcinta son la baja frecuencia,

la baja potencia, pobre pureza de polarización, pobre desempeño del análisis, radiación de

espurios en la alimentación y un angosto ancho de banda de frecuencia, el cual

generalmente es únicamente una fracción de un tanto por ciento o en la mayoría de unos

pocos tantos por ciento

La agrupación de elementos de microcinta, es también otro buen método que puede ser

usado para incrementar el ancho de banda.

Las aplicaciones más importantes son para antenas de los sistemas de

teledetección, sistemas de posicionamiento global, antenas de móviles, aplicadores de

29

calor en tratamientos de hipertermia, altímetros de aviones, aplicaciones militares y en

general todos los sistemas a frecuencias de microondas.

Ventajas de las antenas microcinta:

Son livianas y ocupan poco volumen.

Perfil plano lo cual las vuelve fáciles de adaptar a distintas superficies.

Bajos costos de fabricación y facilidad para fabricarlas en serie.

Soporta tanto polarización lineal como polarización circular.

Fácilmente integrable a sistemas integrados de microondas (MMICs).

Pueden diseñarse para trabajar a distintas frecuencias.

Son mecánicamente robustas al ser montadas en superficies rígidas.

Desventajas de las antenas microcinta:

Son de pequeño ancho de banda o más bien limitado (usualmente de 1 a 5%, pero se

pueden agrandar estos rangos con una forma más compleja de las mismas).

Baja ganancia.

Limitada potencia.

Baja pureza de polarización.

Además, la radiación de los bordes puede afectar los parámetros de las antenas.

30

8. MATERIALES Y METODOS

8.1 Matriz de consistencia general

PROBLEMA GENERAL DE INVESTIGACIÓN: El problema radica en la carencia de

material de apoyo práctico, para la respectiva instrucción y construcción de antenas de

radio frecuencia (RF) para 2.4GHz, mediante el uso de software AWG.

PROBLEMAS ESPECÍFICOS:

1.- Construir antenas por el método de microcinta.

2.- Analizar el comportamiento de los diferentes tipos de antenas elaboradas en método

de microcinta.

TEMA OBJETO DE

INVESTIGACION

OBJETIVO

GENERAL

HIPOTESIS

GENERAL

“Construcción,

Simulación Y

Comparación De

Antenas

Direccionales En

Microcintas a

2.4GHz”

Construir y simular

antenas direccionales

por método de

microcinta 2.4 GHZ.

Construcción,

Simulación Y

Comparación De

Antenas

Direccionales De

2.4ghz usando

técnica de microcinta.

Comparar y

obtener

conclusiones de

las antenas

construidas.

31

8.2 MATERIALES

Software

Computadora

Baquelita FR-4

Percloruro férrico

Conectores SMA

Router QPCOM

Cable de red directo

Material para impresión de las antenas.

8.3 MÉTODOS

Método científico

Método de la investigación bibliográfica documentada

Método específicos

32

9. CRONOGRAMA

N°

ACTIVIDAD O TAREA

ABRIL

1

ABRIL

22

MAYO

20

JUNIO

24

JULIO

8

JULIO

15

JULIO

22

1

CRONOGRAMA DE TRABAJO

2

MATRIZ CONTROL DE RESULTADOS

3

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

4

OBJETIVO

5

JUSTIFICACIÓN

6

MARCO TEÓRICO

7 DESARROLLO DE LA PARTE PRACTICA DEL PROYECTO

8

CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

9

REVISAR Y CORREGIR ERRORES

10

INFORME TÉCNICO

11 ENTREGA FINAL Y PRESENTACIÓN

33

10. PRESUPUESTO Y FINANCIAMIENTO

Cant. Material Costo Unitario Costo Total

2 Baquelita FR-4 $ 5,36 $ 10,72 10 Percloruro $ 0,80 $ 8,00 6 Conectores SMA macho (plub) $ 1,34 $ 5,36 4 Conectores SMA macho (para FR-4) $ 16,07 $ 64,29 1 Conectores SMA hembra (para FR-4) $ 4,465 $4,465

1/2 Cable RGB 48 $ 0,45 $ 0,45

Subtotal $ 93,29 Iva 12% $ 11,19

Total $ 104,48

34

11. RESULTADOS

11.1 PROCESOS DE CÁLCULO Y SIMULACIÓN

Para el proceso de diseño de nuestras antenas tipo parche, comenzamos revisando algunos libros de

lo que son las líneas de transmisión y todo lo relacionado a la construcción de las antenas de

microcintas y sus diferentes formas de diseño.

También para las simulaciones se utilizó el programa AWR, del mismo que nos ilustramos en

tutoriales y libros los cuales, nos dieron las pautas específicas para las simulaciones pertinentes, las

cuales están detalladas en el presente informe.

La realización de los cálculos se los ha realizado a través de las formulas específicas que de detallan

a continuación.

11.2 LAS MICOCINTAS O MICROSTRIP

Primeramente se comenzó diseñando mediante el AWR una línea Microstrip sin ningún parche, tras

consultar una serie de documentos para averiguar el grosor y la constante dieléctrica típica del

sustrato más utilizado, FR4, se empezó a realizar pruebas de simulaciones con el software.

Figura 27.- Calculadora TX-Line, para dimensiones de la línea de transmisión

Esta primera pestaña es la calculadora del software TX-LINE, la cual nos da las características

eléctricas y características físicas del sustrato que se está utilizando.

35

11.3 ANTENA CUADRADA.

Las constantes son:

𝑓

Con los presentes datos procedemos a sacar la Longitud Efectiva que equivale el tamaño total de

nuestra antena.

𝑓 √

Por las características de la microcinta hacen que la antena irradie parte por la orilla de la figura, de

esto se requiere calcular el dieléctrico efectivo con la siguiente fórmula:

[

]

Después se requiere obtener el diferencial de la longitud debido a la forma de irradiar de las

antenas.

[ (

)

(

)]

Para la longitud efectiva de la antena, se utilizó la siguiente formula en la que ya se incluye la

constante dieléctrica efectiva y el diferencial de longitud.

𝑓 √

En el cálculo del plano a tierra, se utilizaron las siguientes formulas:

Con la mayoría de estos datos ya pudimos optimizar nuestra antena:

36

Figura 18. Diagrama antena cuadrada

11.3.1 Dimensiones de la Antena

DATOS DIMENCIONES

W (ancho) 29.795 mm

L (largo) 29.795 mm

B (línea TX) 17.00 mm

G (ancho línea TX) 3.00 mm

Y (alto de la tablilla) 40.00 mm

X (ancho de la Tablilla) 50.00 mm

Tabla 1. caracteristicas antena cuadrada

11.3.2 GRAFICAS DE LAS SIMULACIONES

Figura 29. Perdidas por retorno

37

La grafica de parámetros S (perdidas por retorno) nos muestra que porcentaje de potencia se están

entregando a la antena de acuerdo a nuestro acople, para nuestro caso la frecuencia es de 2.4 GHz

pero está oscilando en 2450 MHz donde tenemos un valor de S= -13.36 dB

Figura 30. VSWR para antena cuadrada

De la gráfica anterior hemos observar que nuestra antena tiene un VSWR = 1.554 que es un valor

aceptable para nuestro diseño

Figura 32. Patrón de Radiación

Este patrón de radiación es muy bueno, en el que se muestra que tenemos una magnitud de -56.78

38

11.4 ANTENA TIPO PARCHE

Las constantes son:

12 𝑓

13

14

15

Con los presentes datos procedemos a sacar la Longitud Efectiva que equivale el tamaño total de

nuestra antena.

16

√



[

]


antenas.

[ (

)

(

)]



𝑓 √


Para poder realizar la correcta resonancia de nuestra antena, procedimos a variar el tamaño de

nuestra antena, previa realización de caculos, y por consiguiente nuestra antena quedo de las

siguientes dimensiones.

39

Figura 33.- Diagrama antena con ranuras


DATOS DIMENCIONES

W (ancho) 31.8 mm

L (largo) 29.3 mm



R (ancho de ranura) 0.3 mm

A (alto de la ranura) 9.9 mm



Tabla 2. Caracteristicas antena tipo parche


Figura 34.- Perdidas por Retorno

En la presente grafica de parámetros S (perdidas por retorno) nos muestra que porcentaje de

potencia se están entregando a la antena de acuerdo a nuestro acople, para este caso tenemos

40

nuestras frecuencia central de 2.4 GHz tenemos un valor de S= -34.91 dB, así mismo en la gráfica

fijamos dos marcadores a -3dB para calcular el ancho de banda de nuestra antena obteniendo un

valor de AB = 278 MHz.

Figura 35.- VSWR para antena ranurada

En la gráfica de anterior demos observar que se tiene un VSWR = 1.064 que es un valor muy

bueno para nuestra antena, esto corresponde a un valor de potencia entregado por la antena de

aproximadamente del 99.7 % con un mínimo valor de perdida de potencia igual a 0.3 %.

Lo cual podemos demostrar matemáticamente.

Tenemos un coeficiente de reflexión igual a

| |

Ahorra calculamos las pérdidas por retorno S como:

Que coincide con nuestro con el valor mostrado en la gráfica de pérdidas por retorno. Como la línea

de transmisión tiene una impedancia de 50Ω y con los resultados anteriores podemos obtener

también la impedancia de la antena

41

Lo que implica que el 2.30 Ω es el desacople existente.

Figura 36.- Patrón de Radiación de la antena

En la gráfica patrón de radiación indica que nuestra antena tiene un único lóbulo de radiación

directivo, con el que se obtiene una ganancia de 6.22dB aproximadamente.

42

11.5 ANTENA TRIANGULO

Nuestras constantes son:

𝑓

Con estos datos podemos sacar la Longitud Efectiva de nuestra antena:

𝑓 √

Para los lados del triángulo calculamos con la siguiente fórmula:

[

√

(

)

√ (

)

]

Ya con esto pudimos optimizar nuestra antena con las siguientes características:

Figura 37.- Diagrama antena triangular

43


DATOS DIMENCIONES

a (lados) 38.8 mm





Tabla 3. Caracteristicas antena triangular


Figura 38.- Perdidas por retorno

La grafica de parámetros S (perdidas por retorno) nos muestra que porcentaje de potencia se está

entregando a la antena de acuerdo a nuestro acople, para nuestro caso tenemos que a una frecuencia

de 2.4 MHz obtenemos un valor de S= -26.59 dB, así mismo en la gráfica fijamos dos marcadores a

-3dB para calcular el ancho de banda de nuestra antena obteniendo un valor de AB = 283 MHz.

Figura 39.- VSWR para antena triangular

44

De la ilustración anterior demos observar que se tiene un VSWR = 1.112 que es un valor muy

bueno para nuestra antena.

Figura 40. Patrón de radiación


directivo, con el que se obtiene una ganancia de 5.935 dB aproximadamente.

45

11.6 ANTENA RECTANGULAR

Nuestras constantes son:

𝑓

Con estos datos podemos sacar la Longitud Efectiva de nuestra antena:

√



[

]


antenas.

[ (

)

(

)]



𝑓 √


Para poder realizar la correcta resonancia de nuestra antena, procedimos a variar el tamaño de

nuestra antena, previa realización de caculos, y por consiguiente nuestra antena quedo de las

siguientes dimensiones.

46

Figura 41.- Diagrama Antena Rectangular


DATOS DIMENCIONES

W (ancho) 38.40 mm

L (largo) 47.0 mm





Tabla 4. Caracteristicas antena rectangular


Figura 42.- Perdidas por Retorno.

47

La grafica de parámetros S (perdidas por retorno) nos muestra que porcentaje de potencia se está

entregando a la antena de acuerdo a nuestro acople, para nuestro caso tenemos que a una frecuencia

de 2.4 MHz obtenemos un valor de S= -17.7 dB, así mismo en la gráfica fijamos dos marcadores a -

3dB para calcular el ancho de banda de nuestra antena obteniendo un valor de AB = 219.5 MHz.

Figura 43.- VSWR para antena rectangular

De la ilustración anterior demos observar que se tiene un VSWR = 2.309 que es un valor muy

bueno para nuestra antena.

Figura 44.- Patrón de radiación


directivo, con el que se obtiene una ganancia de -5.238 dB aproximadamente.

48

12 CONCLUCIONES

Una de las principales conclusiones del presente proyecto ha sido la correcta

elaboración de las antenas junto con su construcción y su simulación.

En el presente proyecto, hemos realizado un estudio comparativo del

comportamiento de los diferentes parámetros de las antenas.

En la parte de simulación y en especial en las medidas de las antenas se discrepa un

poco por la modificación de estas longitudes para la correcta resonancia de las

antenas a la frecuencia deseada.

El diseño de las antenas en microcintas o microstrip a través de software es

complicado y depende del programa utilizado para poder realizarlas de la mejor

manera.

Al usar antenas directivas, logramos sectorizar una área de cobertura para redes de

2.4 GHZ, sin perder la característica de la señal.

Se creyó conveniente no usa pigtail para conectar cada antena con el router, esto

con el fin de evitar pérdidas por el conductor así como posibles dificultades por

desacople de impedancias, ya que a fines prácticos, con este tipo de antenas seria de

poca utilidad el uso de un pigtail, por las pérdidas que se generarían, por lo que

llegamos a la conclusión de construir un conector para la conexión de la antena al

router, el mismo que es de nuestra propia creatividad, para dar soluciones a los

inconvenientes presentados por la falta de elementos en la localidad.

49

13 RECOMENDACIONES

Al momento de realizar este tipo de proyectos en microcintas se debe tener en

cuenta que en nuestro país no existe una gran cantidad de componentes como son

conectores y adaptadores para montaje en la baquelita FR-4, haciendo difícil

conseguir estos componentes.

No es aconsejable el uso de conector pigtail, para la unión de la antena al router, por

las pérdidas que se sumarian al diseño principal, por lo que sería mejor realizar un

acople lo más preciso posible, en caso de no tener los componentes necesarios para

el proceso de construcción de las antenas.

En el caso de que las simulaciones no estén de acuerdo a nuestros objetivos,

podemos proceder a modificar las dimensiones de manera milimétrica para que la

antena presente el mejor funcionamiento posible.

Al momento de la impresión de los diseños, tener total precaución, en las

dimensiones de las antenas, puesto que estas se modifican.

Debido a que el tamaño de la antenas es bastante pequeño, se recomienda realizar

los cortes, sobre una moladora de mesa, para optimizar las dimensiones que son de

carácter importante dentro, de las simulaciones.

Recordar que la baquelita es de doble cara, para que la parte posterior de la antena

sirva de tierra, y procurar proteger esta parte en el momento de sumergir al cloruro

férrico.

50

14 BIBLIOGRAFIA

[1] ALMODOVAR YUNES, Salvador. 2009. Diseño de antenas direccionales de

2.4 y 5.8 GHz por medio de la técnica de microcinta. (Tesis Ing. de

Telecomunicaciones), Juárez México. Universidad Autónoma Ciudad de Juarez.

Instituto de Ingeniería y Tecnología. 108 pag.

[2] BUENROSTRO ROCHA, Sergio. 2007. Metodología para el diseño y

construcción de antenas microcinta en la banda Wimax. (Tesis Grado de Maestro

en Ciencias), Tijuana México. Instituto Politécnico Nacional. Centro de

Investigación y Desarrollo en Tecnología Digital. 161 pag.

[3] CASTANI SOLER, Jordy; BALIARDA PUENTE, Carles; ROBERT

ROMEU, Jordy. 2005. Novel multifrecuency and small monopole antenna

techniques for wireless and mobile applications. (Tesis Grado de Doctor).

Universidad Politécnica de Cataluña. Departamento de Teoría de Señal y

Comunicaciones. 180 pag.

[4] ROLDÁN ESCOLANO, Álvaro. 2000. Diseño y simulación de antenas

plana. (Tesis Ing. Técnico de Telecomunicaciones, especialidad en Sonido e

Imagen). Universidad Pública de Navarra. Escuela Técnica de Ingenieros

Industriales y de Telecomunicaciones. 73 pag.

51

15 ANEXOS

Resultados prácticos obtenidos mediante el software InSSIDer acerca de la cantidad de

señal irradiada en dBm por las antenas construidas por el método de las microcintas,

determinadas a dos diferentes distancias con cada una de ellas, que conoceremos

continuación con sus respectivo comentario en el término de sus mediciones.

15.1 Antena Triangular:

Resultados:

En nuestro caso tomaremos la radiación de la red Proyecto

Figura 45. Datos obtenidos a 8m.


52

15.2 Antena Ranurada:

Resultados:




53

15.3 Antena Cuadrada:

Resultados:




54

15.4 Antena Rectangular:

Resultados:




55

15.5 Cuadro comparativo delas diferentes antenas.

Tipo de Antena Nivel de señal (8m) Nivel de señal (20m)

Antena Triangular -48 dB -58 dB Antena Ranurada -42 dB -56 dB Antena Cuadrada -47 dB -50 dB Antena Rectangular -50 dB -60 dB

DISCUSIÓN.

Al comparar los resultados de las mediciones del nivel de señal obtenido con

nuestras antenas y con una antena estándar incluida en el router, podemos apreciar

la sectorización de la señal mediante el empleo de las antenas construidas.

El software InSSIDer nos permite graficar en el tiempo el nivel de señal obtenido, al

analizar dichas graficas podemos apreciar que nuestras antenas cumplen con el

objetivo planteado de igualar y en algunos casos mejorar en recepción el mismo

nivel de señal que si usáramos antenas estándar omnidireccionales, es decir brindan

las misma intensidad de señal que una antena estándar, pero con la ventaja de

sectorizar el área de cobertura.

56

15.6 Imágenes del proceso constructivo de las antenas.

58

15.7InSSIDer

15.7.1 Introducción

Con la enorme proliferación de dispositivos WiFi, como routers ADSL, portátiles, hay

lugares donde el espectro radioeléctrico empieza a estar realmente saturado, lo que

perjudica seriamente al rendimiento de las conexiones inalámbricas. La convivencia de

varias tecnologías (b, g y n) en las mismas frecuencias obliga a los dispositivos a adaptar su

velocidad para asegurar la comunicación. A la hora de configurar una red Wi-Fi casera para

utilizarla con nuestros ordenadores portátiles o sobremesa y demás dispositivos hay que

tener en cuenta aspectos muy importantes, a menudo ocultos para la mayoría, que provocan

que nuestra experiencia de uso no sea la que en un principio esperábamos.

Además, la proliferación de este tipo de redes inalámbricas con todas las operadoras

ofertando el paquete "conexión + router Wi-Fi", hay sitios donde realmente el espectro está

bastante saturado y el rendimiento baja todavía más. Para ello, realizaremos una pequeña

guía del programa inSSIDer, que nos ayudará en esta tarea. Pero antes, pongámonos un

poco en situación.

Figura. 1 Programa inSSIDer

59

Figura.2 niveles de potencia de la red

El uso de un programa como inSSIDer nos ayudara a elegir cuál es el mejor canal para

configurar nuestro router, también nos dara el nivel de las redes que se pueda medir algo

que también es fundamental es la cantidad de redes que se encuentren activas a nuestro

alrededor con sus respectivos niveles de señal, canal, seguridad y MAC Adress.

Figura. 3 Descripción de contenido

En seguida veremos la pantalla dividida en cuatro zonas. En la parte superior el programa

lista las redes que hay en nuestro entorno con la información del número de canal que usan,

así como la potencia de señal que recibimos de dicha red, la protección que usa y la

velocidad a la que trabajan, se ve un histórico de la potencia de la señal recibida en cada

red. En la parte inferior izquierda se ve el estado actual de las redes a una frecuencia de

2.4GHz, observando qué espectro utilizan, y cómo se solapan entre sí y en la parte derecha

podemos ver si alguna red se encuentra operando en la frecuencia de 5GHz. Nosotros nos

fijaremos en la red nombrada como Banda ancha.

http://www.metageek.net/products/inssider

60

Figura.4 Solapamiento de señales

Para lo que nos interesa, saber en nuestro caso es que nivel de señal estamos teniendo aun

que a pesar de a gran variedad de características que tiene el programa nos brinda algunos

parámetros más como por ejemplo saber si hay canales q se están solapando, buscar la

mejor frecuencia para ubicarnos con nuestro router entre otras.

Un factor también importante sería el tráfico que generan estas redes, que por desgracia no

podemos analizar con este programa. No es lo mismo compartir canal con dos redes que

generan mucho tráfico y que ocupan el medio con mucha frecuencia, que con cinco que

apenas se usan, pues la mayoría del tiempo tendremos vía libre para emitir. Para conocer

estos datos tendríamos que utilizar un analizador de protocolos (sniffer), que estuviera

capturando paquetes durante un buen rato con la tarjeta Wi-Fi y saber interpretar los

resultados, viendo qué red genera más mensajes con datos, no de control.

15.7.2 Características técnicas principales

InSSID es una herramienta de desarrollo que le permite administrar las conexiones Wi-Fi y

la configuración de Windows XP SP2 y Windows Vista, 7, con un conjunto de

funciones. Además, proporciona una interfaz COM para todas las funciones de la API para

que pueda simplemente controlar la configuración WiFi,

Es fácil de usar e incluye aplicaciones de ejemplo que le ayudarán a aprender cómo

usarlo. Se utiliza menor tiempo para aprender a gestionar las redes inalámbricas en una

versión de Windows.

Las siguientes versiones de Windows son compatibles con inSSID:

Windows XP SP2/SP3

Windows Vista

Windows Vista x64

Windows 7

Windows 7 x64

61

15.8DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA ANTENA TIPO PANEL CON

ALIMENTACIÓN DE MICROCINTA

Para empezar a diseñar nuestra Antena Panel con alimentación de microcinta lo primero

que hacemos es ir a la barra de menú Tools y luego abrimos la calculadora TXLine.

Figura 1.Calculadora TX-Line

Aquí vamos a ingresar todos los parámetros con los que vamos a trabajar en nuestro diseño,

en este caso se puede apreciar en la captura que vamos a usar una Microstrip a una

frecuencia de Operación de 2.4GHz

Figura 2. Pasos a seleccionar para la calculadora

62

Luego minimizamos la calculadora TXLine y nos ubicamos en la pestaña de Create New

EM Estructure.

Figura 3. Nombre del proyecto

Le damos un nombre cualquiera a nuestro diseño y seleccionamos la opción AWR

EMSight Simulator y opciones iníciales Default.

En las opciones de la izquierda debe aparecer el nombre de nuestra estructura creada, nos

ubicamos en la opción Enclosure (flecha negra) y empezamos a configurar las propiedades

de nuestro recinto.

Figura 4. Enclouster del diseño

Dimensionamos X y Y del recinto así como su Grid tal como indica la captura.

63

Luego en la pestaña siguiente Material Defs ingresamos el nombre, valor de la constante

dieléctrica, tangente de pérdidas del sustrato vamos a usar.

Así mismo podemos modificar parámetros de nuestro conductor e impedancia de entrada de

la línea microstrip.

Figura 5, Caracteristicas del Enclouster

Luego nos ubicamos en la siguiente pestaña Dielectric Layers e ingresamos el espesor de

nuestros dieléctricos, para el primero (layer 1) que es el aire y el segundo (layer 2) FR4.

Figura 6. Seleccion de los conductores

64

En la parte inferior ubicamos nuestro Top Boundary (límite superior) como Approx

Open, es decir no tenemos otro conductor por encima del “aire” únicamente tenemos

conductor perfecto en el plano de tierra.

Ahora vamos a la pestaña Materials y podemos observar algunos de los materiales que

tenemos con la posibilidad de añadir o borrar los mismos.

Figura 7. Confirmación de los conductores

A continuación en la siguiente pestaña EM Layer Mapping configuramos el material

usado y la capa donde lo vamos a usar. A la izquierda de la ventana podemos ver un corte

de nuestro diseño final con conductor-dieléctrico-conductor, el dieléctrico en malla azul.

Figura 8. Finalización del enclouster

65

Bueno ahora procedemos a dibujar nuestra estructura, para este diseño usamos la pestaña

Rectangle y obtenemos el siguiente diseño:

Figura 9. Diseño de la antena

Se han dibujado dos rectángulos con las dimensiones ya calculas para luego unirlos con la

pestaña Unión. Al final de nuestro diseño añadimos un edge port que simula la entrada de

lo que podría ser cualquier fuente o generador de señal.

Para agregar un nuevo grafico nos vamos a la pestaña Add New Graph y configuramos lo

mostrado en captura

Figura 10. Para añadir nuevas graficas

66

En esta gráfica, ponemos un nombre a la gráfica, y seleccionamos el tipo de grafica como

RECTANGULAR

Luego agregamos los propiedades de la gráfica ADD MEASUREMENT

Figura 11. Parámetros de las graficas

En esta grafica seleccionamos los parámetros como se muestra, seleccionando el nombre de

nuestro proyecto y en el espacio db.

Luego es cuestión de agregar más graficas con los pasos ya mostrados y poner o

seleccionar que tipo de graficas se desea obtener:

Figura 12. Perdidas por retorno

67

Figura 13. VSWR o roe

Figura 14. Patrón de Radiación de la Antena

Proyecto Modulo Viii

Documents

Transcript of Proyecto Modulo Viii