DISEÑO DE UNA ANTENA CONFORMADA...
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DISEÑO DE UNA ANTENA CONFORMADA EFICIENTE PARA APLICACIONES WIMAX Javier Rodas González (1) , Julio C. Brégains (1) , Luis Castedo Ribas (1) , Francisco Ares Pena (2) . [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] (1) Dpto. de Electrónica y Sistemas. Universidad de La Coruña. Facultad de Informática, Campus de Elviña, CP. 15071, La Coruña. (2) Dpto. de Física Aplicada. Universidad de Santiago de Compostela. Facultad de Física, Campus Sur, CP. 15782, Santiago de Compostela. Abstract- The numerical model of a very simple, yet efficient, conformal antenna prepared for operating at the 3.4–3.6 GHz WiMAX range is presented in this paper. Regarding the performance of the radiation pattern, the resulting antenna exhibits high gain and excellent linear polarization within a broad coverage zone. En este artículo se presenta el modelo numérico de una antena conformada sencilla, pero eficiente, diseñada para trabajar en el rango de frecuencias de servicios WiMAX de 3,43,6 GHz. La antena resultante presenta un patrón de radiación de alta ganancia y excelente polarización lineal, con una amplia zona de cobertura angular. I. INTRODUCCIÓN A tendencia actual en la industria de telecomunicaciones apunta hacia la ubicuidad de las conexiones a Internet, con una evidente atención hacia las redes inalámbricas que permitan ofrecer servicios de banda ancha. Los estándares IEEE802.16x constituyen la base de la tecnología de acceso inalámbrico de banda ancha WiMAX (del inglés Worldwide Interoperability for Microwave Access) [1] que ha sido desarrollada como alternativa al cable y al DSL para el acceso inalámbrico de última milla tanto para usuarios fijos como móviles. En un amplio sentido, la tecnología WiMAX está pensada para alcanzar la misma universalidad para Internet que la obtenida para las comunicaciones por telefonía móvil celular. Como consecuencia de ello, la investigación, desarrollo y fabricación de equipos y dispositivos terminales de comunicaciones para interior y exterior que se adapten a dichos estándares, se ha incrementado desde que la tecnología WiMAX se hizo presente en la comunidad técnica e industrial. Por otra parte, en la comunidad de diseñadores de antenas, ha habido últimamente un interés creciente por antenas de parches acoplados electromagnéticamente (PAEs) debido, entre otras cosas, a que con ellas es posible obtener buenos valores de ganancia absoluta, además de excelentes anchos de banda de impedancia de entrada [2]. Esta última ventaja ha motivado la intensificación de la investigación sobre PAEs debido a su particular adecuación a tecnologías WLAN [3], Bluetooth [4], WiMAX [5], o a cualquier otra aplicación en la que la transmisión masiva de datos es de interés. Desafortunadamente, la mayoría de los modelos de PAEs presentados en la bibliografía técnica poseen polarización lineal a lo largo del ángulo medido desde la normal al plano de la antena, siendo ésta una característica que puede reducir la eficiencia de polarización, puesto que las señales electromagnéticas procedentes de varias antenas transmisoras (o receptoras) del mismo tipo son difíciles de alinear entre sí para conseguir un buen acoplo de polarizabilidad. En esta comunicación se presenta el innovador modelo numérico de una antena conformada compuesta por tres PAEs y diseñada para trabajar en el rango WiMAX de 3,4 a 3,6 GHz [1]. Dicho modelo presenta alta ganancia máxima, gran cobertura horizontal y un ancho de banda de impedancia de entrada (curvas |S 11 | vs. frecuencia) del orden del 6% (mucho mayor que las de los parches no acoplados, que son del orden inferior al 1%). El patrón de radiación posee polarización lineal vertical, una manera conveniente de aumentar la eficiencia de la transmisión de radiación (ver comentarios anteriores). Como se verá, las características de la antena (pequeñez, facilidad de conexión, buena zona de cobertura) la hacen particularmente adecuada para ser adaptable a dispositivos de comunicación interiores o exteriores. II. CONFIGURACIÓN DE LA ANTENA Para diseñar el modelo de la antena se ha utilizado una herramienta de simulación basada en el método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD, del inglés Finite Difference Time Domain [6]). La antena está compuesta por tres parches rectangulares RP de longitud l RP y ancho w RP , tal y como se muestra en la Fig. 1 en la que también se indica la distancia d RP entre bordes de elementos contiguos. Dichos RPs se acoplan electromagnéticamente a sus correspondientes líneas de microcinta SL, de longitud l SL y ancho w SL , estando dichas SLs unidas a través de una microcinta común de ancho w JSL y alimentadas por un único pin P de 1 mm de diámetro. La antena es conformada por encima de un plano de tierra semicilíndrico trigonal compuesto por placas rectangulares GRs. Las placas laterales del plano de tierra se disponen en ángulos GR respecto de la placa central. Según se puede observar, tanto los RPs como las SLs son paralelas a las correspondientes GRs. Se considera que el modelo posee un sustrato dieléctrico (no indicado en las gráficas por sencillez) con características L
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DISEÑO DE UNA ANTENA CONFORMADA EFICIENTE PARA APLICACIONES WIMAX
Javier Rodas González(1), Julio C. Brégains(1), Luis Castedo Ribas(1), Francisco Ares Pena(2). [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
(1) Dpto. de Electrónica y Sistemas. Universidad de La Coruña. Facultad de Informática, Campus de Elviña, CP. 15071, La Coruña.
(2) Dpto. de Física Aplicada. Universidad de Santiago de Compostela. Facultad de Física, Campus Sur, CP. 15782, Santiago de Compostela.
Abstract- The numerical model of a very simple, yet efficient, conformal antenna prepared for operating at the 3.4–3.6 GHz WiMAX range is presented in this paper. Regarding the performance of the radiation pattern, the resulting antenna exhibits high gain and excellent linear polarization within a broad coverage zone.
En este artículo se presenta el modelo numérico de una antena conformada sencilla, pero eficiente, diseñada para trabajar en el rango de frecuencias de servicios WiMAX de 3,43,6 GHz. La antena resultante presenta un patrón de radiación de alta ganancia y excelente polarización lineal, con una amplia zona de cobertura angular.
I. INTRODUCCIÓN
A tendencia actual en la industria de telecomunicaciones apunta hacia la ubicuidad de las
conexiones a Internet, con una evidente atención hacia las redes inalámbricas que permitan ofrecer servicios de banda ancha. Los estándares IEEE802.16x constituyen la base de la tecnología de acceso inalámbrico de banda ancha WiMAX (del inglés Worldwide Interoperability for Microwave Access) [1] que ha sido desarrollada como alternativa al cable y al DSL para el acceso inalámbrico de última milla tanto para usuarios fijos como móviles. En un amplio sentido, la tecnología WiMAX está pensada para alcanzar la misma universalidad para Internet que la obtenida para las comunicaciones por telefonía móvil celular. Como consecuencia de ello, la investigación, desarrollo y fabricación de equipos y dispositivos terminales de comunicaciones para interior y exterior que se adapten a dichos estándares, se ha incrementado desde que la tecnología WiMAX se hizo presente en la comunidad técnica e industrial.
Por otra parte, en la comunidad de diseñadores de antenas, ha habido últimamente un interés creciente por antenas de parches acoplados electromagnéticamente (PAEs) debido, entre otras cosas, a que con ellas es posible obtener buenos valores de ganancia absoluta, además de excelentes anchos de banda de impedancia de entrada [2]. Esta última ventaja ha motivado la intensificación de la investigación sobre PAEs debido a su particular adecuación a tecnologías WLAN [3], Bluetooth [4], WiMAX [5], o a cualquier otra aplicación en la que la transmisión masiva de datos es de interés. Desafortunadamente, la mayoría de los modelos de PAEs presentados en la bibliografía técnica poseen polarización
lineal a lo largo del ángulo medido desde la normal al plano de la antena, siendo ésta una característica que puede reducir la eficiencia de polarización, puesto que las señales electromagnéticas procedentes de varias antenas transmisoras (o receptoras) del mismo tipo son difíciles de alinear entre sí para conseguir un buen acoplo de polarizabilidad.
En esta comunicación se presenta el innovador modelo numérico de una antena conformada compuesta por tres PAEs y diseñada para trabajar en el rango WiMAX de 3,4 a 3,6 GHz [1]. Dicho modelo presenta alta ganancia máxima, gran cobertura horizontal y un ancho de banda de impedancia de entrada (curvas |S11| vs. frecuencia) del orden del 6% (mucho mayor que las de los parches no acoplados, que son del orden inferior al 1%). El patrón de radiación posee polarización lineal vertical, una manera conveniente de aumentar la eficiencia de la transmisión de radiación (ver comentarios anteriores). Como se verá, las características de la antena (pequeñez, facilidad de conexión, buena zona de cobertura) la hacen particularmente adecuada para ser adaptable a dispositivos de comunicación interiores o exteriores.
II. CONFIGURACIÓN DE LA ANTENA
Para diseñar el modelo de la antena se ha utilizado una herramienta de simulación basada en el método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD, del inglés Finite Difference Time Domain [6]). La antena está compuesta por tres parches rectangulares RP de longitud lRP y ancho wRP, tal y como se muestra en la Fig. 1 en la que también se indica la distancia dRP entre bordes de elementos contiguos. Dichos RPs se acoplan electromagnéticamente a sus correspondientes líneas de microcinta SL, de longitud lSL y ancho wSL, estando dichas SLs unidas a través de una microcinta común de ancho wJSL y alimentadas por un único pin P de 1 mm de diámetro. La antena es conformada por encima de un plano de tierra semicilíndrico trigonal compuesto por placas rectangulares GRs. Las placas laterales del plano de tierra se disponen en ángulos GR respecto de la placa central. Según se puede observar, tanto los RPs como las SLs son paralelas a las correspondientes GRs. Se considera que el modelo posee un sustrato dieléctrico (no indicado en las gráficas por sencillez) con características
L
eléctricas similares a las del aire (r = 1) como, por ejemplo, Foam.
Fig. 1. Vistas frontal, lateral, inferior y en perspectiva de la geometría de la
antena conformada propuesta, indicándose sus dimensiones relevantes.
Las restantes dimensiones, necesarias para describir la configuración geométrica del modelo, se pueden deducir de la Fig. 1.
Durante el procedimiento de diseño (no descrito aquí por brevedad) se especifican los siguientes objetivos:
a) Optimizar la curva |S11| vs. frecuencia para estar, como
es usual, por debajo de –10 dB en un rango comprendido entre fL y fH (frecuencias inferior y superior). Dicho rango debe incluir, al menos, la banda de 3,4 a 3,6 GHz. El ancho de banda BW% se calcula como:
% 100 ; con 2. H L C C H LBW f f f f f f (1)
b) Maximizar la zona mínima de cobertura angular min en el plano = 90º (ver Fig. 1) dentro de la cual la ganancia mínima es de 3 dBi.
c) Maximizar la razón axial lineal mínima, calculada como min = 20 log10{|Ez| / |Ey|}min, dentro tanto de la zona de cobertura como de la banda de frecuencias fH – fL, garantizando, por lo tanto, una buena polarización paralela al eje z (ver Fig. 1).
A continuación se describe el modelo de antena obtenida
que mejor se ha ajustado a estos requerimientos.
III. RESULTADOS
La Tabla 1 muestra los valores de los parámetros geométricos obtenidos con el modelo optimizado de acuerdo a los requerimientos descritos en la sección previa. En ella también se listan los parámetros de diseño.
TABLA I
PARÁMETROS DEL MODELO NUMÉRICO OBTENIDO. SIGNIFICADOS DE LOS
SÍMBOLOS: VER TEXTO Y FIG. 1.
wGR lGR GR wRP lRP dRP wSL lSL [mm]
25,00 85,70 60,00 15,00 30,75 10,85 4,20 22,75
wJSL lJSL lJSLL s c b hPS hSG [mm]
1,85 27,25 15,70 3,20 3,20 6,40 3,00 3,00
hPSL hSGL fL fC fH BW%
Gmax min[mm] [GHz] [dBi] [dB]
2,47 2,30 3,38 3,50 3,61 6,58 6,95 19,75
La antena responde de acuerdo a los parámetros de
diseño dentro de la banda completa (de 3,4 a 3,6 GHz). En la Fig. 2 se observa que la curva |S11| está sintonizada a fC = 3,5 GHz.
Fig. 2. Curva |S11| (en dBs) vs. frecuencia del modelo.
Fig. 3. Ganancia del campo |Ez| a frecuencias central fC y límites fL, fH en un corte = 90º (horizontal), ver Fig.1.
La Fig. 3 muestra el patrón de ganancia absoluta horizontal (componente |Ez|) a las frecuencias inferior fL, central fC y superior fH (siendo fL f fH cuando |S11(f)| –10 dB) y en la cual se observa un patrón estable (bajo rizado) en toda la zona de cobertura.
La ganancia máxima Gmax = 6,95 dBi se obtiene a fL. La zona de cobertura mínima min = 152º (i.e., de = –76º a = 76º la ganancia absoluta está por encima de los 3 dBi) también se obtiene a la frecuencia fL. La polarización vertical está garantizada con una razón axial mínima min = 19,75 dB obtenida a fH. En la Fig. 4 se observan los patrones en el corte vertical principal (= 0º, 0 < 360º) a las frecuencias central y laterales. La zona de cobertura vertical, que abarca aproximadamente 58º, es muy estable dentro de la banda de frecuencias.
Fig. 4. Ganancia del campo |Ez| a frecuencias central fC y límites fL, fH en un
corte = 0º (vertical), ver Fig.1.
IV. CONCLUSIONES
En este trabajo se ha presentado el prototipo numérico de una antena conformada que se ajusta adecuadamente a los requerimientos de diseño dentro del rango de frecuencias WiMAX establecido (3,4–3,6 GHz). Sus características principales pueden resumirse en: elevada razón axial en polarización vertical, máxima ganancia de 6,95 dBi y amplia zona de cobertura, siendo esta última una característica que hace que la antena sea especialmente adecuada para aplicaciones de interiores o exteriores. La máxima dimensión de la antena no sobrepasa los 10 cm y, según se observa, su configuración geométrica es sencilla, que se traduce en una ventaja adicional: facilidad de construcción. La fabricación y medida experimental de este modelo son los pasos futuros a considerarse como extensión del presente trabajo.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por la Xunta de Galicia, el Ministerio de Educación y Ciencia y fondos FEDER de la UE a través de los contratos 09TIC008105PR, 07TIC002206PR TEC2007-68020-C04-01, TEC2008-04485 y CSD2008-00010.
REFERENCIAS
[1] The IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access Standards, “Developing the IEEE 802.16 WirelessMAN® Standard for Wireless Metropolitan Area Networks”, disponible en Internet en http://www.ieee802.org/16/ [2] J. C. Brégains, G. Franceschetti, A. G. Roederer, F. Ares, “New Toroidal Beam Antennas for WLAN Communications”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, 2007, pp. 389-398. [3] Y. J. Guo, A. Paez, R. A. Sadeghzadeh, S. K. Barton, “A Circular Patch Antenna for Radio LAN's”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 45, 1999, pp. 177-178. [4] J. S. Roy, M. Thomas, “Investigations on a New Proximity Coupled Dual-Frequency Microstrip Antenna for Wireless Communication”, Microwave Review, vol. 13, 2007, pp. 12-15. [5] X. N. Low, W. K. Toh, Z. N. Chen, “Broadband Suspended Plate Antenna for WiFi/WiMAX Applications”, 6th International Conference on Information, Communications & Signal Processing, 2007, pp. 1-5. [6] Schmid & Partner Engineering AG, “SEMCAD X. Reference Guide”, SPEAG, 2007. Más información en www.semcad.com.
